Применение популярной микросхемы и мощных полевых транзисторов обогащенного типа с изолированным затвором позволило создать надежные в эксплуатации устройства, имеющие хорошие нагрузочные характеристики. Рассматриваемые конструкции могут быть легко модифицированы для заданных условий эксплуатации.

Почти полувековое победоносное планетарное шествие интегрального таймера 555 (отечественный аналог КР1006ВИ1) подстегивает умы многих разработчиков электронных устройств. Эта небольшая микросхема даже в “древнем” биполярном, относительно низкочастотном варианте, не перестает удивлять своей универсальностью. Потомки таймера 555 — КМОП версии этой ИМС (LMC555, ICL7555 и другие) часто встречаются в современных устройствах промышленного изготовления — измерительных приборах, часах, мобильных радиостанциях и другой технике. Пока же, к сожалению, для большей части радиолюбителей доступна только биполярная версия этого таймера. На такой микросхеме и предлагаются две конструкции для повторения, о которых пойдет рассказ в этой статье.

Наше зрение, позволяющее видеть окружающий мир в богатстве красок, линий и форм, эволюцией не приспособлено быстро перестраиваться под мгновенные изменения уровня освещенности - до изобретения электрического освещения в этом не было особой нужды. Поэтому резкое включение или выключение света, как минимум, вызывает чувство дискомфорта, либо ослепляет, либо погружает во тьму. Не стоит забывать и о высокой вероятности перегорания нити ламп накаливания при включении их на полную мощность без предварительного разогрева.

Рис.1.

На рис. 1 представлена простая схема для плавного включения и выключения ламп накаливания, работающих в цепи постоянного тока напряжения 12 В.

Основное назначение этого устройства — замедленное плавное выключение и включение освещения в салоне автомобиля.

Также может применяться и для управления мощными 12-вольтовыми галогенными лампами комнатных светильников, получающих питание от понижающего трансформатора с выпрямителем.

При необходимости и желании, скорректировав параметры времязадающих цепей, это устройство можно использовать по своему усмотрению.

При подаче напряжения питания 12... 15В при разомкнутой кнопке SA1 на выходе DA1 (вывод 3) устанавливается высокий уровень.

Конденсатор СЗ разряжен через открытый коллекторный переход n-p-n транзистора микросхемы (вывод 7, выход с открытым коллектором). Так как конденсатор С1 в этот момент разряжен, транзистор VT1 закрыт, заряд конденсатора СЗ невозможен. В это время генерация DA1 отсутствует, мощный полевой транзистор VT2 постоянно открыт, лампа накаливания светит с максимальной яркостью.

После замыкания контактов SA1 конденсатор С1 начинает заряжаться по цепи R2R3. Через несколько секунд после того, как напряжение на эмиттерном переходе VT1 достигнет напряжения около 0,45В, этот транзистор начинает открываться. Когда ток в его цепи достигнет достаточного уровня, появится генерация DA1. На выводе 3 микросхемы в этот момент будут следовать короткие импульсы отрицательной полярности. Первоначально после появления генерации скважность следования импульсов достигает нескольких тысяч, поэтому ни снижение яркости лампы, ни ее мерцание незаметны.

По мере зарядки конденсатора С1 транзистор VT1 открывается сильнее. Время заряда конденсатора СЗ до напряжения выше порогового напряжения переключения DA1 постепенно уменьшается. Время разряда этого конденсатора не изменяется, так как номинал резистора R7 постоянен. Все это приводит к тому, что скважность положительных импульсов на выводе 3 постепенно уменьшается, средняя мощность, подаваемая на лампу EL1, уменьшается, яркость ее свечения плавно снижается. Частота переключения максимальна при скважности близкой к 2 и составляет около 1300 Гц. На лампу в этот момент поступает примерно половина мощности.

Конденсатор С1 продолжает заряжаться, ток в коллекторной цепи VT1 растет. Скважность импульсов положительной полярности начинает увеличиваться. Но теперь транзистор VT2 большее время находится в закрытом состоянии, яркость свечения лампы продолжает уменьшаться. Примерно через 60...70 с после замыкания кнопки SA1 ток коллектора достигает значения, при котором СЗ уже не в состоянии разрядиться до напряжения ниже порогового через резистор R7 и транзистор микросхемы. Генерация срывается, на выходе 3 DA1 устанавливается низкий уровень, транзистор VT2 закрыт, лампа не светится.

При размыкании контактов SA1 процессы начинают протекать в обратном порядке. Так как обычно желательно получить более быстрое зажигание лампы на полную мощность, чем ее гашение, то разряд конденсатора производят по цепи R3VD1R4R1. Резистор R2 ограничивает напряжение, до которого будет заряжаться конденсатор С1, что позволяет зажечь лампу на минимальную мощность не позднее, чем через 0,5 с после размыкания контактов SA1.

На двуцветном светодиоде HL1 и R11, R12, VT3, VT4 собран узел индикации режима работы. При отключенном питании нагрузки светодиод светит зеленым цветом, при включенном — красным. При гашении лампы цвет свечения HL1 меняется в такой последовательности: красный, оранжевый, желтый, желто-зеленый, зеленый. При зажигании лампы светодиод меняет цвет в обратном порядке.

Рис.2.

Так как напряжение в бортовой сети автомобиля может быть нестабильно, для защиты микросхемы и полевого транзистора от повреждений при всплесках напряжения питания применен параметрический стабилизатор на VT5, VD2, R12, Сб.

Кроме того, этот узел представляет собой фильтр, снижающий уровень помех от системы зажигания, которые могут оказывать дестабилизирующее воздействие на нормальную работу микросхемы DA1.Не всегда есть возможность выполнить цепь подключения нагрузки, как показано на рис. 1. Тогда конструкцию можно модифицировать так, как показано на рис. 2.

Здесь вместо n-канального применен р-канальный мощный полевой транзистор. Стабилитрон VD3 защищает затвор транзистора VT6 от пробоя при всплесках напряжения питания.

Конденсатор С2 повышает устойчивость работы системы. Плавкий предохранитель FU1 предотвращает повреждение полевого транзистора при перегрузке. При отключенной нагрузке устройство, собранное по схемам на рис. 1, 2, потребляет ток не более 13 мА при напряжении питания 12 В.

Рис.3.

Если отключить узел индикации на HL1, то ток потребления можно уменьшить. При питании этого устройства выпрямленным напряжением от понижающего трансформатора, как было сказано выше, напряжение питания на параметрический стабилизатор подается через диод, например, КД209А, а между выводом коллектора VT5 и общим проводом необходимо включить оксидный конденсатор на 470 мкФ.

На рис. 3 представлена схема устройства управления освещением, предназначенного для работы в цепи переменного тока напряжения 220 В.

Его работа во многом аналогична устройству, собранному по схеме на рис. 1. В этом варианте применен более высоковольтный полевой МОП-транзистор, изменена цепь питания микросхемы и узел индикации.

Светящийся светодиод HL1 показывает, что устройство подключено к напряжению сети 220 В.

Чтобы предотвратить мерцание лампы, когда яркость ее свечения минимальна, благодаря уменьшению емкости конденсатора СЗ увеличена частота генерации микросхемы. Конденсатор С6 — фильтр питания, необходимый для снижения пульсаций выпрямленного напряжения на VD2, которые дестабилизируют совместную работу микросхемы и транзистора VT1.

Рис.4.

Варистор R10 защищает полевой транзистор от пробоя при импульсных всплесках напряжения сети.

Если будет использован варистор меньшей мощности, то его желательно подключить к выводам стока и истока VT2. Чертеж печатной платы этого устройства приведен на рис. 4.

В обеих конструкциях могут быть применены постоянные резисторы МЛТ, С2-23, С2-33, С1-4 соответствующей мощности. Варистор R10 можно заменить на FNR-14K471, FNR-20K431 или аналогичным.

Оксидные конденсаторы С1 использованы с малым током утечки типа К52-2. На их месте можно использовать и другие танталовые или ниобиевые конденсаторы с низким током утечки во всем интервале рабочих температур. Хорошо работают и обычные оксидные конденсаторы на рабочее напряжение 35...63В фирм Rubycon, Samsung, Don.

Попытки использовать конденсаторы типа К50-35 окажутся безуспешными. Если нет ограничений в габаритах конструкции, не исключено и даже предпочтительно применение полиэтилентерефталатных конденсаторов большой емкости. Конденсатор С7 на рис. 3 — К73-17, К73-24, К73-50, К73-56. Остальные неполярные конденсаторы - К10-17, К10-7, КМ-5, КМ-6.

Диоды КД522Б можно заменить любыми из серий КД510, КД521, КД103, 1N4148. Стабилитрон Д814Д заменяется на КС213Б, КС213Ж, КС512А, 1N6002B, 1N6003B. Трехамперный диодный мост BR310 при работе с нагрузкой, потребляющей ток до 1А, на теплоотвод можно не устанавливать. Его можно заменить на BR34—BR38, КВРС104—КВРС110 или четырьмя диодами 1 N5404—1 N5408, Д246— Д248 (А, Б), КД202 (К, М, Р).

Светодиод L57EGW можно заменить прямоугольным L117EGW, но его яркость свечения примерно вдвое меньше. Светодиод L383SRDT красного цвета свечения с яркостью около 70 мКд, выполненный в пятимиллиметровом прямоугольном корпусе, заменим любым из серий L1503, L1513, АЛ307, КИПД15, КИПД21.

Транзисторы КТ3107И можно заменить любыми с коэффициентом передачи тока базы не менее 200 из серий КТ3107, SS9015, ВС307, 2SA1174. КТ3102Г можно заменить любым из КТ3102, SS9014, ВС547, 2SC2784, 2SC1222. Полевой транзистор IRF540 имеет сопротивление открытого канала не более 0,08 Ом и способен работать при токе стока до 25А. При таком токе потери напряжения и мощности на нем составят 2В и 50Вт, что слишком много.

Поэтому, максимальный ток нагрузки ограничен величиной 8 А. Этот транзистор обязательно устанавливается на теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности не менее 40 см². При необходимости используются изолирующие прокладки. Его можно заменить на аналогичные IRF541, BUZ10, BUZ11, BUZ27, КП723 (А—В), КП746 (А, Б). Для большего тока нагрузки можно использовать КП789А, BUZ111S. Полевой р-канальный IRF9540 при токе нагрузки до 3А можно заменить на МТР12Р10, КП785А или двумя IRF9640 в параллельном включении. Высоковольтный КП707В2 при токе нагрузки до 1А можно заменить любым из серий КП707, КП777 или импортными IRF440, IRF442, IRF840 BUZ213, BUZB82.

Во всех случаях для получения большей нагрузочной способности можно использовать параллельное включение двух-трех однотипных полевых транзисторов. Токовыравнивающие резисторы не требуются. Можно применить более дорогие, но гораздо более мощные полевые транзисторы, например, SMW14N50F — 500В, 56 А, 180 Вт; IRG4PC50F — 600 В, 70 А, 200 Вт. При необходимости увеличивают размеры теплоотвода. Микросхему можно заменить любым импортным биполярным аналогом 555 или более экономичной XR-L555M.

Конструкция устройства, собранного по схеме на рис. 1, в автомобильном варианте исполнения должна быть рассчитана на жесткие условия эксплуатации [1, 2]. Увеличив сопротивление резистора R12 (рис. 1) до 3,6 кОм и установив VT5 более мощный, например, КТ608, КТ630, 2SC2331, напряжение питания можно увеличить до 24В (большегрузные автомобили). При наладке устройства, собранного по схеме на рис. 3, необходимо помнить, что все его элементы находятся под напряжением осветительной сети и соблюдать необходимые меры осторожности.

Для настройки устройств, собранных по приведенным схемам, удобно пользоваться приспособлением, состоящим из последовательно включенных маломощной динамической головки, конденсатора на 0,68 мкФ и резистора на 1,5 кОм. Получившийся пробник одним проводом подключается к выводу 3 DA1, другим — к минусовому проводу питания. Если при отключении кнопкой SA1 питания нагрузки генерация DA1 не будет срываться, то нужно применить транзистор VT1 с большим коэффициентом передачи тока базы или заменить конденсатор С1 на экземпляр с меньшим током утечки.

Временные значения задержки включения/выключения зависят от параметров R3, R4, С1. Устанавливая эти элементы с другими номиналами, можно легко варьировать динамикой зажигания и погасания ламп накаливания. Если в качестве нагрузки будут использоваться галогенные лампы, желательно, чтобы время их погасания не превышало нескольких секунд.

Оба устройства можно превратить в регуляторы мощности, если коллектор VT1 отключить от его цепи, а между нижним по схеме выводом R6 и общей точкой соединения R7, СЗ включить переменный резистор на 220 кОм. При таком варианте использования для полевого транзистора может потребоваться более массивный теплоотвод.

А. Бутов

 

Литература:

1. Ю. П. Глудкин, А. Н. Енгалычев, А. И. Коробов, Ю. В. Трегубое. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычслительной аппаратуры и испытательное оборудование. —- М.: Радио и связь, 1987.

2. А. Бутов. Регулятор частоты вращения низковольтных коллекторных электродвигателей. — Схемотехника, 2003, №3, с. 17, 18.

3. В. Ф. Голиков, И. Н. Грель, Е. А. Десницкий, В. И. Кузьмин. Простейшие устройства на интегральных микросхемах. — Минск, "Беларусь", 1997, с. 86—97.

4. Б. Малашевич. Отечественные ДМОП-транзисторы. — Схемотехника, 2002, № 7, с. 53, 54.

Материал подготовил С. Струганов (UA9XСN).