31.03.21

[Домашняя]

На страницах журнала "Радио” и в другой радиолюбительской литературе не раз публиковались описания различных фотореле, от простых до сравнительно сложных. В одной из последних публикаций на эту тему [1] представлена довольно простая и удачная конструкция фотореле на основе компаратора К554САЗ, в качестве датчика освещённости в которой применён фотодиод. Автор публикации указывает, что для соединения фотодиода с устройством следует применять витую пару проводов, а при длине более 3...4 м — экранированный провод. Но датчик освещённости зачастую требуется вынести на значительно большее расстояние, при этом использовать для соединения датчика и фотореле экранированный провод не всегда возможно. К тому же в конструкции фотореле желательно иметь задержку отключения освещения, защищающую от ложного срабатывания при кратковременной засветке датчика освещённости фарами проезжающих автомобилей. В качестве светочувствительных элементов в радиолюбительских конструкциях фотореле чаще всего используют фотодиоды и фоторезисторы, реже - фототранзисторы, но в связи с появлением в продаже дешёвых светодиодных газонных светильников в качестве светочувствительного элемента удобно использовать солнечную батарею, как это сделано в [2]. Цена недорогого светодиодного светильника зачастую не превышает стоимость фотодиода ФД256, к тому же из светильника можно извлечь не только солнечную батарею, но и другие полезные детали. К разработке и изготовлению предлагаемого вниманию читателей устройства подвигла необходимость автоматического включения наружного освещения на даче при помощи устройства. Конечно, проще было использовать фотореле промышленного изготовления (например, ФР-601 производства компании ИЭК, которое имелось у автора), но при этом возникало несколько проблем. Во-первых, фотореле пришлось бы дорабатывать, так как контакты его выходного реле гальванически связаны с питающей сетью, а устройство [3] требует обязательной гальванической развязки от сети. Во-вторых, в точке установки фотореле (у окна на чердаке) имелась лишь одна свободная линия для подключения устройства, выполненная плоским двухжильным телефонным проводом ("лапшой"), поэтому при установке фотореле промышленного изготовления к нему потребовалось бы дополнительно подводить напряжение 230 В. И, наконец, в-третьих, подъём на чердак дома возможен только снаружи по приставной лестнице, поэтому в случае необходимости регулировки чувствительности фотореле добираться до него будет неудобно. Исходя из приведённых выше соображений, было разработано фотореле с выносным датчиком освещённости, в роли светочувствительного элемента которого использована солнечная батарея от светодиодного газонного светильника. Выходная ступень фотореле предназначена для коммутации переменного напряжения 40 В, но при необходимости в устройстве можно применить другую выходную ступень, рассчитанную на коммутацию сетевого напряжения. Схема устройства приведена на рис. 1.

Конструктивно оно состоит из двух частей: выносного датчика освещённости и собственно фотореле. Светочувствительный элемент — солнечная батарея GB1 включена в базовую цепь транзистора VT1, в эмиттерной цепи которого установлен резистор R2. При изменении уровня освещённости изменяется ЭДС солнечной батареи, а следовательно, и ток через транзистор VT1, максимальное значение которого при указанных на схеме номиналах элементов и напряжении питания 9 В составляет 16,6 мА. Резистор R1 ограничивает ток в цепи базы транзистора и совместно с конденсатором С1 образует помехоподавляющий фильтр, а диод VD1 защищает датчик освещённости от подачи питающего напряжения неправильной полярности. Ток, протекающий в цепи датчика, создаёт на резисторе R3 падение напряжения, пропорциональное уровню освещённости. Это напряжение поступает на инвертирующий вход компаратора DA2, на неинвертирующий вход которого поступает образцовое напряжение с движка подстроечного резистора R5. Пока напряжение на резисторе R3 превышает образцовое, выходной транзистор компаратора открыт, поэтому светодиод HL1 светит, а напряжения на конденсаторе С7 недостаточно для открывания полевого транзистора VT2. С наступлением темноты напряжение на резисторе R3 уменьшается, и когда оно станет меньше установленного подстроечным резистором R5, компаратор DA2 переключится и его выходной транзистор закроется. Светодиод HL1 погаснет, а напряжение на выходе компаратора (вывод 9 DA2) станет практически равным напряжению питания. Часть этого напряжения через резистор R7 поступает на неинвертирующий вход компаратора, поэтому образцовое напряжение увеличивается, и следующее переключение компаратора произойдёт при уровне освещённости, большем того, при котором произошло первое переключение. Этим обеспечиваются защита от "дребезга" компаратора вблизи порога переключения и гистерезис его характеристики, величину которого при необходимости можно изменить подборкой резистора R7. После закрывания выходного транзистора компаратора конденсатор С7 начинает заряжаться через светодиод HL1 и резисторы R8, R9. При достижении порогового напряжения полевой транзистор VT2 открывается, и через излучающий диод оптопары U1 начинает протекать ток. При этом фототиристор оптопары, включённый в диагональ диодного моста VD2, открывается, и в цепи устройства, которым управляет фотореле, начинает протекать переменный ток. С наступлением рассвета выходной транзистор компаратора открывается, конденсатор С7 разряжается через резистор R9, и при снижении напряжения на этом конденсаторе ниже порогового транзистор VT2 закрывается и ток во внешней цепи прекращается. При указанных на схеме номиналах элементов задержка включения составляет 4 с, а задержка отключения — 24 с. Такое различие во времени включения и выключения объясняется тем, что напряжение открывания полевого транзистора 2N7000 составляет 3 В (максимальное значение), в то время как конденсатор С7 заряжается практически до напряжения питания, и время разрядки этого конденсатора до напряжения 3 В значительно больше, чем время зарядки до того же напряжения. В принципе, величина времени задержки включения не имеет для фотореле какого-то принципиального значения, в то время как величина задержки отключения определяет защищённость фотореле от ложного срабатывания в результате засветки фарами проезжающих мимо автомобилей. За исключением излучающего диода оптопары, все элементы устройства питаются стабилизированным напряжением 9 В с выхода интегрального стабилизатора DA1. Конденсаторы С2 и С4 сглаживают пульсации питающего напряжения, конденсаторы СЗ, С5, С6 защищают устройство от помех по цепям питания или по линии, соединяющей устройство с датчиком освещённости. Выключатель SA1 "Обход" предназначен для принудительного включения освещения в светлое время при проверке исправности осветительных ламп. Применённая в качестве выходной ступени устройства тиристорная оптопара АОУ115В рассчитана на коммутацию напряжения до 200 В при токе до 50 мА, поэтому использовать эту оптопару для коммутации сетевого напряжения нельзя (для этого следует применить оптопару с допустимым напряжением не менее 400 В). В качестве выходной ступени можно также применить электромагнитное реле, включённое в цепь стока транзистора VT2, параллельно обмотке которого следует включить диод (катодом к плюсу источника питания). Для управления светодиодным светильником с низковольтным питанием или светодиодной лентой на место VT2 можно установить мощный полевой переключательный транзистор, например IRF640, и включить светильник непосредственно в цепь его стока. Однако при этом следует учитывать, что в процессе разрядки конденсатора С7 транзистор VT2 закрывается плавно, поэтому для предотвращения выхода транзистора из строя его потребуется снабдить теплоотводом площадью несколько квадратных сантиметров. Питать фотореле можно от любого источника постоянного напряжения, в том числе и нестабилизированного, с выходным напряжением 12...30 В. При напряжении питания 12 В и максимальном уровне освещённости потребляемый устройством ток составляет 23 мА, при этом микросхема DA1 в теплоотводе не нуждается. В устройстве можно применить резисторы любого типа соответствующей мощности рассеяния, подстроечный резистор R5 — СП4-1, неполярные конденсаторы — К73-17, КМ или аналогичные. Оксидные конденсаторы С2 и С4 — К50-35 или импортные, конденсатор С7 желательно использовать танталовый, можно для поверхностного монтажа, припаяв его к печатным проводникам с обратной стороны платы. Выдержка времени с таким конденсатором будет гораздо стабильнее, чем при использовании оксидного алюминиевого. Компаратор К554САЗ можно использовать с любым буквенным индексом, на месте VT1 применимы транзисторы серии КТ315 или КТ3102 с любым буквенным индексом, вместо транзистора 2N7000 можно установить отечественный КП505 или, как указывалось выше, использовать на месте VT2 мощный полевой переключательный транзистор. Диод VD1 — практически любой маломощный с допустимым прямым током не менее 20 мА, диодный мост КЦ405 можно заменить четырьмя отдельными диодами, например 1N4007. Оптопара U1 — АОУ115 с любым буквенным индексом, но следует ещё раз подчеркнуть, что ни оптопара, ни применённый автором диодный мост не рассчитаны на коммутацию сетевого напряжения. Детали датчика освещённости можно смонтировать на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1...2 мм, чертёж которой приведён на рис. 2, а большинство остальных элементов — на другой плате (рис. 3).

Оптопара U1 и диодный мост VD2 на печатной плате не установлены, поэтому в устройстве можно применить любую другую оптопару, разместив её вне печатной платы. Конденсаторы С2 и С4 устанавливают параллельно плате, а микросхему DA1, в зависимости от высоты применённого корпуса, можно установить или перпендикулярно, или параллельно плате, уложив её на корпус микросхемы DA2. В авторском варианте детали датчика освещённости смонтированы навесным монтажом в корпусе светодиодного газонного светильника YJ045150521 торговой марки Greenart, из которого удалены осветительный светодиод, аккумулятор и преобразователь напряжения, а вновь установленные детали закреплены с помощью клея "Момент” (рис. 4).

Для изготовления датчика освещённости указанный светильник удобен тем, что имеет глухой прозрачный пластмассовый колпак, защищающий солнечную батарею от пыли и атмосферных осадков. Основание светильника с помощью двух винтов М3 прикреплено к стальному оцинкованному кронштейну, с помощью которого датчик освещённости крепится на опорной конструкции. Отверстия диаметром 1,5 мм в нижней части корпуса светильника заклеивать не следует, так как они предназначены для стока конденсата или воды, которая в небольших количествах всё же может попасть в корпус датчика во время сильного дождя. Внешний вид собранного датчика освещённости показан на рис. 5.

Элементы фотореле смонтированы на отрезке универсальной макетной платы (рис. 6), которая вместе с винтовыми клеммниками, предназначенными для подключения внешних цепей, размещена в пластмассовой коробке размерами 75x75x20 мм.

Для светодиода, движка выключателя SA1 и оси подстроечного резистора в крышке корпуса выполнены соответствующие отверстия. Внешний вид фотореле в сборе показан на рис. 7.

Собранное правильно и из исправных деталей устройство начинает работать сразу. Налаживание фоторелe заключается в установке нужной продолжительности задержки отключения путём подбора конденсатора С7 и (или) сопротивления резистора R9. Для настройки фотореле движок подстроенного резистора R5 перемещают в нижнее по схеме положение и при достижении уровня внешней освещённости, при котором должно включаться освещение, плавно перемещают движок подстроечного резистора вверх по схеме до момента погасания светодиода HL1. Устройство было проверено при длине линии, соединяющей датчик и фотореле, равной 20 м (обычный сетевой удлинитель из кабеля ПВС), при этом какие-либо ложные срабатывания отсутствовали. В стационарных условиях устройство эксплуатируется с соединительной линией длиной 10 м, выполненной плоским телефонным проводом ("лапшой"), который на большей части расположен в непосредственной близости от сетевых проводов, при этом ложные срабатывания устройства также отсутствуют.

Радио №9 2019г стр. 41