Двухканальное устройство управления освещением (диммер) для бытового светильника

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Содержание

  • Введение
  • 1. Постановка задачи
  • 1. 1 Технические характеристики
  • 1. 2 Достоинства
  • 1. 3 Схема и принцип работы
  • 2. Управление
  • 2.1 Включение и выключение
  • 2.2 Регулировка яркости
  • 2.3 Автоотключение
  • 2.4 Имитация присутствия хозяев
  • 3. Аппаратная часть
  • 3.1 Диодный мост
  • 3.2 Блок питания
  • 3. 3 Микроконтроллер
  • 3. 4 Делитель напряжения
  • 3. 5 Выходной каскад
  • Транзисторы
  • Резисторы в цепи затвора
  • Лампы
  • 3. 6 Цепь защиты
  • Защита от короткого замыкания нагрузки и превышения её мощности
  • Защита от превышения сетевого напряжения
  • 3. 7 Расчёт потребляемой мощности
  • 4. Программная часть
  • 4.1 Блок-схема алгоритма
  • 4.2 Описание программы
  • 5. Особенности стабилизации яркости
  • 6. Настройка
  • Заключение
  • Список литературы и полезные ссылки
  • Приложение

Введение

Энергосбережение и повышение надёжности ламп, используемых в домашних светильниках, является важной чертой технических потребностей современного человека. Существуют различные разработки, позволяющие в той или иной мере реализовать эти задачи. Несмотря на бурное развитие сверхъярких светодиодов, в широкой продаже пока не появились светодиодные лампы, способные заменить бытовые лампы накаливания. Энергосберегающие люминесцентные лампы, при всех своих достоинствах, обладают, во-первых, высокой стоимостью, во-вторых, не поддаются классическому управлению яркостью освещения.

В последнее время управление яркостью света в помещении приобрело размах под эгидой проектов типа «Умный дом», призванных обеспечить автоматическое или автоматизированное управление бытовыми энергосистемами и иными удобствами. Отечественные и зарубежные регуляторы ламп накаливания имеют ряд недостатков:

управление только одним каналом — отсутствие стабилизации яркости — наличие помех, звон нитей ламп, жужжание встроенного фильтра

Эти же недостатки (либо все сразу, либо по отдельности) присущи схемам, опубликованным в радиолюбительской литературе, периодической печати и в Интернете.

регулятор лампа накаливание напряжение

1. Постановка задачи

В рассмотрение взят регулятор яркости ламп накаливания (за рубежом называемый «диммер» — dimmer), свободный от указанных недостатков. Данное устройство создано для установки в двухканальный светильник промышленного производства.

Приоритетные требования к разработке:

— Простота схемы (минимальное количество компонентов)

Малые размеры устройства — Широкий функционал, многообразие регулируемых параметров

Долговечность и устойчивость к скачкам сетевого напряжения — Отсутствие либо малый нагрев компонентов (пожаробезопасность) — Низкое энергопотребление

При проектировании устройства не ставилась задача минимизировать его стоимость.

Расширенный список функций — объясняется желанием дать возможность любому пользователю настроить и использовать устройство в соответствии со своими потребностями и желаниями, а не ограничиваться набором, который обычно закладывают производители.

Защита от повышения напряжения в сети — насущная необходимость, связанная с особенностями российского электроснабжения.

Небольшой нагрев компонентов:

во-первых, устройство должно работать круглосуточно, в том числе без присмотра,

во-вторых, для снижения потребляемой мощности (нагрев — это лишние потери),

в-третьих, для упрощения расчётов (везде подразумевалась температура окружающей среды 25°C).

Низкое энергопотребление и долговечность — без комментариев.

1.1 Технические характеристики

Разработанный в соответствии с перечисленными требованиями регулятор обладает следующими техническими характеристиками:

Количество каналов — 2

Мощность ламп — 60 Вт на каждый канал

Напряжение сети — 220 В±10%

Частота сетевого напряжения — 50 Гц±0,4 Гц

Потребляемая мощность — не более 0,92 Вт (при напряжении сети 220 В)

Диапазон регулировки напряжения — 12 — 88% (может быть расширен до 1,4 — 99,6%)

Изменение выходного напряжения в диапазоне входного от 198 В до 242 В — 1 В (при максимальной яркости лампы)

1.2 Достоинства

Помимо традиционных для данного класса устройств функций, таких, например, как плавное включение-выключение ламп и запоминание их яркости, в регуляторе реализованы дополнительные функции, перечисленные далее наряду с другими преимуществами:

Два независимых режима работы каждого канала

Возможность отключения запоминания яркости (для любого режима любого канала)

Автоматическое включение при возобновлении подачи электроэнергии (отключаемое)

Автоотключение по прошествии заданного интервала времени (два способа)

Имитация присутствия хозяев (возможен случайный выбор яркости и интервалов времени)

Отсутствие остродефицитных элементов

Дистанционное управление в список не входит, т.к. устройство предназначено для использования на расстоянии вытянутой руки.

1.3 Схема и принцип работы

Основу устройства, принципиальная схема которого изображена на Рис. 1, составляет микроконтроллер (далее по тексту МК) ATmega16L семейства AVR корпорации ATMEL. Управление осуществляется двумя не фиксируемыми в нажатом положении кнопками, по одной на каждый канал.

Рис. 1. Принципиальная схема диммера.

Регулировка мощности основана на реверсивном принципе управления фазой. Нагрузка включается в каждом полупериоде сети в момент перехода сетевого напряжения через нуль и выключается через определённый интервал времени в зависимости от требуемого уровня яркости. Коммутация нагрузки осуществляется мощными MOSFET транзисторами. Существующие разработки в этой области позволяют отметить такие преимущества:

— «мягкое» управление транзистором позволяет снизить уровень помех и звон нити лампы — не нужен громоздкий сетевой фильтр, снижающий эффективность и зачастую являющийся источником неприятного жужжания — благодаря нарастанию напряжения с нуля и малому звону нити, лампы служат намного дольше — для управления MOSFET транзистором требуется гораздо меньший ток — более низкое падение напряжения на переходе транзистора сокращает тепловыделение — отсутствие понятия «ток удержания» позволяет плавно регулировать малую яркость Стабилизация мощности (т.е. яркости) основана на использовании формулы P = U2/R. Сопротивление нити R, конечно, зависит от температуры, а также изменяется в некоторых пределах в течение каждого полупериода, но по исследованиям различных разработчиков установлено, что на качестве стабилизации это не отражается.

Вместо напряжения можно было бы измерять ток через нагрузку, в соответствии с формулой P = I2 R, но это требует дополнительного компонента (шунта), а выигрыша ни в чём не даёт.

Напряжение меряется не на самой лампе, а на выходе диодного моста, к которому она подключена. Это возможно, поскольку падение напряжения на канале транзистора мало и им можно пренебречь.

Максимальное напряжение, которое можно подать на лампу, несколько снижено, чтобы было за счёт чего осуществлять стабилизацию при уменьшении напряжения сети.

Диодный мост выполняет три функции:

— создаёт пульсирующее однополярное напряжение для питания нагрузки — выпрямляет сетевое напряжение для питания схемы — обеспечивает сетевое напряжение удвоенной частоты (100 Гц), используемое МК для определения момента перехода фазы сети через нуль.

Детектирование перехода сетевого напряжения через нуль осуществляется тем же делителем напряжения и тем же каналом встроенного в МК аналого-цифрового преобразователя (АЦП), которые предназначены для измерения напряжения на лампе. Это позволяет отказаться от встроенного в МК компаратора и уменьшить тем самым потребляемый ток. Фильтрация сетевых помех реализуется программно.

Блок питания выполнен по бестрансформаторной схеме с гасящим резистором (балластом). Строить блок питания по трансформаторной схеме не получится, т.к. не существует достаточно малогабаритных трансформаторов (максимально допустимая высота 13 мм). Использовать в качестве балласта конденсатор в данной схеме не получится, т.к. для этого требуются два диодных моста (один для блока питания, другой для ламп), особенности подключения которых могут привести к короткому замыканию.

В качестве регулирующего элемента применён прецизионный микромощный источник опорного напряжения +5 В параллельного типа (далее по тексту ИОН). По сравнению с обычным стабилитроном, выбранный ИОН имеет два важных преимущества. Во-первых, одновременно со стабилизацией питания МК получается стабильное опорное напряжение АЦП [3]. Во-вторых, на порядок уменьшается потребляемый регулирующим элементом ток (примерно с 1 мА до 0,1 мА).

2. Управление

Каждый из двух каналов диммера имеет два режима работы. Каналы и их режимы работают одинаково, но независимо друг от друга, каждый со своими настройками.

Порядок изменения значений некоторых из них приведён в разделе «Описание программной части».

Устройство будет готово к работе через 4 секунды после подачи сетевого напряжения. В случае кратковременного пропадания напряжения сети устройство возобновляет свою работу сразу, без задержки.

2.1 Включение и выключение

Режим, в котором включится канал, определяется способом управления кнопкой. При нажатии кнопки включается первый режим, при удерживании — второй.

Яркость нарастает плавно, что в значительной степени продлевает срок службы лампы, и благоприятнее воспринимается. Яркость увеличивается до тех пор, пока не сравняется с той, которая была при последнем использовании данного режима.

Благодаря раздельным настройкам каналов и их режимов, появляется возможность задать четыре разных уровня освещения для различных ситуаций. Например: просмотр телепередач, чтение, ночное освещение, дежурный свет в комнате.

Выключается канал нажатием на кнопку. Скорость спада яркости определяется программно, в зависимости от текущего режима. Это позволяет настроить наиболее комфортное изменение яркости с точки зрения восприятия или в зависимости от ситуации. Например, минимальная скорость будет полезна, чтобы после выключения канала успеть выйти из комнаты не в темноте или чтобы плавным гашением воссоздать атмосферу кинозала.

2.2 Регулировка яркости

Регулировка яркости происходит при удерживании кнопки. Через 2,5 секунды после окончания регулировки установленная яркость сохраняется в энергонезависимой памяти, её уровень записывается.

Имеется возможность отключить запоминание. Это может оказаться полезно, если, например, требуется, чтобы тот или иной режим того или иного канала всегда включался на максимальную яркость, но при этом сохранялась возможность регулировки. Возможен также и другой сценарий: предположим, что первый режим используется для чтения (яркость чуть выше средней), а второй — для просмотра телепередач (яркость чуть ниже средней). Иногда требуется, к примеру, что-то зашить. Для этого нужно включить максимальную яркость. Если запоминание яркости не отключать, то при следующем включении, например, первого режима яркость будет максимальной, а надо, чтобы она была, как и раньше, чуть выше средней, т.к. чтение используется намного чаще шитья.

2.3 Автоотключение

Если канал не был выключен в течение количества часов, заданных в программе, он выключается автоматически. Отсчёт времени начинается сразу после отпускания кнопки при включении канала. Чтобы отменить автоотключение, следует удерживать кнопку. При этом яркость восстановится до исходного уровня, и начнется новый отсчёт времени. Нажатие кнопки вместо её удерживания приведёт к немедленному выключению канала.

Если во время автоотключения произойдёт пропадание напряжения сети, то после его возобновления канал не включится. Если же напряжение пропадёт в момент отмены автоотключения, то канал включится.

2.4 Имитация присутствия хозяев

Данная функция (сокращённо ИПХ) предназначена для автоматического включения и выключения светильника через заданные промежутки времени. Эта функция — единственное исключение из общего правила, согласно которому оба канала работают независимо друг от друга. В данном случае они управляются одновременно, при этом используется единый набор настроек. Ручная регулировка яркости (путём удерживания кнопок) недоступна. Это сделано специально, для того чтобы отличать функцию ИПХ от других функций и режимов работы устройства. Стабилизация яркости также не гарантируется, т.к. её уровень может принимать любое значение, вплоть до максимального (255). Однако, по большому счёту, стабилизация в данном случае не нужна, т.к. функция используется, когда никого нет дома.

Включается функция ИПХ удерживанием обеих кнопок, когда оба канала выключены. При этом оба канала включаются на одинаковую яркость.

Продолжительность работы во включенном состоянии задаётся программно от 1 до 240 мин. Отсчёт времени начинается с начала включения каналов. По истечении заданного времени оба канала выключаются. Продолжительность выключенного состояния имеет аналогичный диапазон длительности (1…240 мин.). Отсчёт времени начинается с начала выключения каналов. Как только это время истечёт, оба канала снова включаются. Цикл будет повторяться до тех пор, пока функция не будет отключена вручную.

Отключается функция нажатием любой кнопки. Если в этот момент каналы были включены, они выключаются. Если же каналы были выключены, то тот канал, которому соответствует нажатая кнопка, включается в обычном первом режиме. При выключенных каналах функцию можно также отключить удерживанием кнопки. В этом случае соответствующий канал включится в обычном втором режиме.

Можно сделать так, чтобы уровень яркости и время работы во включенном и выключенном состоянии изменялись каждый раз по случайному закону. Такая возможность повышает эффективность функции, поскольку со стороны невозможно отследить какую-либо закономерность — каждый цикл включения/выключения не похож на предыдущий.

Независимо от того, включен ли режим случайного выбора или нет, минимальная яркость составляет примерно 25% от максимально возможной. В данном случае под максимально возможной понимается яркость лампы, включенной в сеть напрямую, поскольку в функции ИПХ яркость может принимать значения вплоть до максимального уровня 255. Такое ограничение минимальной яркости позволяет убедиться в работе функции при ярком внешнем освещении. Кроме того, если яркость сделать меньшей, то её уровня будет недостаточно для заметного освещения окна комнаты в тёмное время суток.

Отключение электроэнергии не влияет на работу функции. Если питание пропадёт при включенных каналах, то после его возобновления каналы включатся. Если питание пропадёт при выключенных каналах, то после его возобновления каналы не включатся, однако начнётся новый отсчёт времени работы в выключенном состоянии.

Аналогично этому, если питание пропадёт в момент включения каналов (во время нарастания яркости), то после его возобновления каналы включатся, а если в момент выключения — то нет.

Если питание пропадёт в момент включения самой функции, то после его возобновления каналы включатся. Во всех случаях отсчёт времени работы во включенном и выключенном состоянии после возобновления подачи электроэнергии начинается заново.

3. Аппаратная часть

Устройство предназначено для управления стандартными лампами накаливания. Подключение другой нагрузки, например энергосберегающей лампы или электродвигателя, может вывести устройство и (или) нагрузку из строя.

3.1 Диодный мост

Применение диодного моста VD2, рассчитанного на ток 6 А, для работы с небольшим током нагрузки (максимум 0,55 А) объясняется тем, что лампы иногда перегорают во время работы. Возникающий при этом импульс тока амплитудой более 10. 20 А способен повредить одноамперные мосты, такие как КЦ402 или КЦ405.

Ещё одна причина большого запаса по току — это гораздо меньшая степень нагрева моста. Впрочем, полностью устранять нагрев не имеет смысла, т.к. корпус устройства всё равно немного нагревается от ламп, особенно когда они включены на максимальную яркость.

3.2 Блок питания

Источник опорного напряжения

Особенностью схемы является использование для питания МК не обычного стабилитрона, а интегрального источника опорного напряжения DA1 параллельного типа. Как уже отмечалось, это позволяет отказаться от отдельного ИОН и снизить потребляемый ток. Помимо этого, если напряжение на выходе параллельного ИОН повысится по каким-либо причинам, возникшим со стороны шины питания схемы, это не приведёт к нарушению стабилизации, а лишь увеличит ток через ИОН. Это общая особенность параллельных стабилизаторов напряжения [2].

ИОН серии LM4040 выпускаются с различным классом точности и, соответственно, стоимости. Для данного применения достаточно класса точности 1%.

Балластный резистор

Согласно рекомендациям предыдущих разработчиков, балласт должен иметь сопротивление не более 60 кОм. Его можно получить, соединив последовательно два резистора по 30 кОм. То, что сопротивление 60 кОм немного больше расчётного, допускается.

В [4] сказано, что мощность резистора, указываемая в его описании, действительна лишь в том случае, если его сопротивление выше так называемого критического. Последнее вычисляется по формуле: Rк = Uпасп2/Pпасп, где Uпасп — паспортное рабочее напряжение резистора, Pпасп — его паспортная мощность. Для резистора серии С2−23 мощностью 0,5 Вт критическое сопротивление Rк = 3502/0,5 = 245 кОм. Если сопротивление резистора, как в нашем случае, меньше критического, расчёт мощности следует производить по формуле: P = U2/R. Учитывая максимальное напряжение сети, минимальное падение напряжения на диодном мосту, и минимальное напряжение стабилизации, мощность резистора будет равна 0,93 Вт.

Фильтрующий конденсатор

Конденсатор С1 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Для расчёта его ёмкости можно воспользоваться методикой из [5, стр. 52, раздел 1. 27 "Фильтрация в источниках питания"].

На функционировании ИОН большая величина ёмкости не отражается, т.к. в его описании сказано, что допустима ёмкостная нагрузка любого номинала.

Верхний предел температурного диапазона, на который рассчитан выбранный конденсатор, составляет 105 °C. Это ещё один параметр, в значительной степени влияющий на срок службы конденсатора. Выбор обусловлен также тем, что корпус устройства немного нагревается от ламп, диодного моста и балластного резистора.

Уменьшение ёмкости конденсатора, связанное с разбросом номинала или старением, не нарушит работоспособность устройства. Возможно лишь чуть более заметное моргание ламп в момент запоминания яркости.

3.3 Микроконтроллер

Несмотря на то что напряжение питания схемы составляет 5 В, используемый МК U1 имеет индекс L, означающий возможность работы при напряжении питания от 2,7 до 5 В. Это связано с большой ёмкостью фильтрующего конденсатора, т. е. с плавным нарастанием напряжения питания при подключении устройства к сети.

МК тактируется внутренним RC генератором на частоте 1 МГц. Этого достаточно чтобы получить среднее время выполнения основной программы около 0,5 мс. Здесь важно помнить о том, что повышение тактовой частоты увеличивает ток потребления. Стабилизировать частоту кварцевым или керамическим резонатором не требуется, т.к. в данном применении высокая точность не нужна. Также не требуется калибровка внутреннего генератора.

Производитель МК рекомендует предпринять следующие меры при работе с АЦП:

установить между выводом REF и общим проводом фильтрующий конденсатор

соединить вывод AGND с аналоговой землёй

использовать LC фильтр питания в цепи AVCC

при измерении не переключать выводы АЦП порта, если они настроены как цифровые выходы

Поскольку высокая достоверность результата измерения не требуется, то с целью упрощения схемы, вышеуказанные меры не соблюдаются. Калибровка АЦП тоже не требуется, в том числе потому, что используется обычный канал, а не дифференциальный [6, раздел 2. 3].

По рекомендации ATMEL, для обеспечения надёжной работы МК, в непосредственной близости от его выводов питания установлены блокировочные конденсаторы С2 (керамический) и С3 (танталовый электролитический). В данной схеме это особенно актуально, т.к. при коммутации затворов транзисторов, обладающих довольно высокой ёмкостью, возникают значительные импульсные токи.

Для программирования МК предусмотрен разъём JS4 «ISP» (In-System Programming, внутрисхемное программирование). Так же, как и при программировании EEPROM самой программой во время работы, во время внутрисхемного программирования ток МК, согласно его описанию, составляет 6 мА (при 5 В и 25°С). По результатам измерений максимальный потребляемый ток находился в интервале от 4,3 мА до 5,8 мА. Из-за малой мощности блока питания напряжение во время программирования снижалось примерно до 3,3 В. Однако в Интернете встречаются сообщения о том, что МК нормально программируется при напряжении вплоть до 3 В. Поэтому лучшим вариантом, возможно, окажется запрограммировать МК до установки в схему.

Не показанные на схеме выводы МК никуда не подключены.

3.4 Делитель напряжения

Резисторы R3 и R4 образуют делитель, необходимый МК для измерения напряжения сети и определения момента перехода фазы через нуль. Обычно резистор между выходом диодного моста и входом МК рекомендуется составлять из двух включенных последовательно (на случай пробоя одного из них), но поскольку перед диодным мостом установлен защитный диод, эта рекомендация не выполняется.

Для вычисления минимального сопротивления верхнего плеча делителя воспользуемся стандартной формулой:

Uвых = (Uвх R2) / (R1 + R2).

Отсюда: R1 = ((Uвх - Uвых) R2) / Uвых.

Введём коэффициент Квх, определяющий максимальное отклонение сетевого напряжения:

R1 = ((UвхКвх - Uвых) R2) / Uвых.

Поскольку нас интересует полный размах сетевого напряжения, перепишем формулу с учётом амплитудного значения:

R1 = ((UвхКвх1,41 - Uвых) R2) / Uвых.

Учтём падение напряжения на двух диодах диодного моста:

R1 = ((UвхКвх1,41 - 2Uд - Uвых) R2) / Uвых

Падение напряжения на предохранителе не учитывается, т.к. по результатам измерений оно составило всего 0,2 В при максимальной нагрузке.

Осталось добавить коэффициенты Кr, определяющие отклонение резисторов от номинала:

R1 = ((UвхКвх1,41 - 2Uд - Uвых) R2 Кr2) Кr1/Uвых

Переходим к подстановке численных значений.

Входное напряжение Uвх = 220 В, его отклонение Квх = 10%.

В качестве значения Uд берём минимальное падение напряжения, т.к. в этом случае сопротивление резистора R1 будет больше. Минимальное падение напряжения на диодах моста будет при минимальном токе, т. е. при отключенной нагрузке. Падение напряжения на одном элементе при токе нагрузки 10 мА равно примерно Uд = 0,65 В.

Благодаря использованию фильтрующего конденсатора большой ёмкости, пульсациями БП можно пренебречь. Поэтому минимальное напряжение питания МК определяется минимальным напряжением стабилизации ИОН, что, согласно описанию последнего, равно Uвых = 5 — 1% = 4,95 В.

Стандартный допуск на отклонение сопротивления резисторов равен Кr = 5%. Нужно предусмотреть ситуацию, когда сопротивление R2 (R3 по схеме) будет больше, т.к. при этом Uвых тоже увеличится. Это, как было отмечено ранее, может привести к неверному результату измерения. Поэтому принимаем Кr2 = 0,95. С сопротивлением R1 (R4 по схеме) ситуация противоположная — важно учесть уменьшение сопротивления. Поэтому Кr1 = 1,05.

Подставляя численные значения в формулу, получаем:

R1 = ((2201,11,41 - 20,65 - 4,95) 9,1103 0,95) 1,05/4,95 = (334,97 8,65103) 1,05/4,95 = 3042,37103/4,95 = 614,6103 Ом.

Ближайшим сопротивлением из стандартного ряда, превышающим полученное значение, является номинал 620 кОм.

3.5 Выходной каскад

Нагрузка коммутируется N-канальными MOSFET транзисторами VT1 и VT2. Особенностью схемы является отсутствие драйвера, что в соответствии с требованием проекта уменьшает количество используемых компонентов. Транзисторы управляются напрямую выходами МК.

При напряжении ограничения встроенного в транзистор ограничителя около 30 В и сопротивлении резистора в цепи затвора 10 кОм ток через выход МК составит примерно 3 мА, что в три раза превышает допустимый. Поэтому для повышения надёжности схемы между затвором и истоком транзистора можно поставить дополнительный ограничитель с максимальным напряжением ограничения до 10 В. При таком напряжении ток через внутренние защитные диоды МК будет находиться на безопасном уровне 1 мА.

Транзисторы

Для того чтобы транзистор был пригоден для использования в данном устройстве, он должен обладать следующими характеристиками:

ток стока — не менее 6 А, типовое сопротивление канала — не более 1 Ом

напряжение сток-исток — не менее 600 В

двусторонний ограничитель напряжения на затворе — есть

максимальное пороговое напряжение затвор-исток — менее 5 В

график зависимости тока стока от напряжения на затворе — нормирован для напряжения затвора 5 В или меньше. То же относится к графику зависимости тока стока от напряжения сток-исток.

Кроме этого, в соответствии с требованием к проекту транзистор не должен сильно нагреваться, в идеале — не нагреваться вообще. Величина нагрева Tja характеризуется формулой:

Tja = P Rth = R I2 Rth + 25°C,

где R — сопротивление канала сток-исток I — ток нагрузки Rth — тепловое сопротивление транзистора (корпус-окружающая среда)

Так как частота переключения транзистора не превышает 100 Гц, его динамические потери малы, на нагрев не влияют, и поэтому в формуле не учитываются.

Из формулы следует, что транзистор должен иметь как можно меньшее значение теплового сопротивления. Выбранный транзистор имеет корпус, практически идентичный корпусу TO220, и обладает относительно невысоким тепловым сопротивлением (62,5°C). По результатам изучения продукции основных производителей MOSFET транзисторов (Infineon, International Rectifier, Ixys, Fairchild, NEC, NXP, ON Semiconductors, Renesas, Toshiba, Vishay) выяснилось, что встроенный ограничитель напряжения на затворе имеется только у транзисторов фирмы Toshiba (данные 2007 года). Далее перечислены транзисторы этой фирмы, подходящие по остальным параметрам и рекомендуемые в качестве замены: 2SK2544, 2SK2777, 2SK3130, 2SK3947, 2SK4013, 2SK4014, 2SK3799, 2SK2843, 2SK2866, 2SK2889, 2SK2996, 2SK3265, 2SK3797. Следует отметить, что рекомендация основана только на изучении описаний транзисторов.

Резисторы в цепи затвора

Сопротивление резисторов R5 и R6 оказывает влияние на следующие факторы:

защиту выхода МК от броска тока при перезарядке входной ёмкости транзистора (чем больше сопротивление, тем меньше ток)

защиту выхода МК от превышения напряжения на затворе, которое возникает из-за ёмкости Миллера (чем больше сопротивление, тем лучше защита)

степень нагрева транзисторов (чем меньше сопротивление, тем меньше нагрев)

уровень помех радио — и ИК-приёму, а также в электросети (чем больше сопротивление, тем меньше помех)

силу звона нитей ламп накаливания (чем больше сопротивление, тем меньше звон)

Влияние сопротивления на ток потребления, а также на падение напряжения на переходе сток-исток транзистора в силу малых величин не учитывается.

Анализируя перечисленные факторы, приходим к очевидному выводу, что, в целом, чем больше сопротивление, тем лучше. Однако слишком сильно его увеличивать тоже нельзя — это приведёт к нагреву транзистора.

Лампы

Следует отметить, что помимо неприятного жужжания, звон нити лампы резко сокращает её ресурс. Тестирование ламп различных производителей на минимальный уровень звона нити позволило расположить их в следующем порядке предпочтений: Osram, Philips, General Electric. В результате выбор остановился на матовых лампах Osram Classic B FR 60 230V E14/SES, 660lm, Energy index E.

3.6 Цепь защиты

Предохранитель F1 и защитный диод VD1 формируют цепь защиты, которая предохраняет устройство от выхода из строя при коротком замыкании нагрузки, превышения её мощности, а также при бросках напряжения в сети, и аварийного повышения её напряжения до 380 В.

Предохранитель рассчитывается, исходя из максимальной нагрузки, по стандартной формуле I = P / U. Отсюда I = 2 60/220 = 0,55 А. Ток потребления схемы при этом не учитывается, т.к. в сравнении он пренебрежимо мал. Вполне допустимо выбрать предохранитель на 0,5 А. Эксплуатация устройства подтвердила, что такой номинал выдерживает долговременную (не менее 24 часов) максимальную яркость обеих ламп при максимально допустимом напряжении сети.

Чтобы защитить чувствительные полупроводниковые приборы, используется быстродействующий предохранитель. Для отечественного предохранителя серии ВП2Б-1 В время срабатывания при превышении номинального тока в 2,75 раза равно 1 секунде.

Использовать современные полимерные предохранители в данной схеме не представляется возможным из-за их сильного нагрева и невысокой скорости срабатывания. Например, для предохранителя LB600LV время срабатывания при токе нагрузки 3 А составляет 36 секунд.

Защита от короткого замыкания нагрузки и превышения её мощности

Возможны два варианта короткого замыкания: при выключенной нагрузке и при включенной нагрузке.

В первом случае ток возрастает медленно, т.к. нагрузка всегда включается при нулевом напряжении в сети, и яркость лампы всегда увеличивается плавно. Поскольку в устройстве применён быстродействующий предохранитель, он успевает перегореть, защищая другие элементы схемы.

Во втором случае ток мгновенно возрастает настолько, что предохранитель не успевает защитить чувствительный к перегрузкам транзистор. В результате транзистор выходит из строя первым. Теоретически это говорит о том, что транзистор может не выдержать перегрузку, которая возникает, если лампа перегорит во время работы, т.к. ток при этом достигает несколько десятков ампер.

Защита от превышения сетевого напряжения

Для защиты от высоковольтных помех, возникающих в электрической сети, например при грозовых разрядах, применяется двусторонний полупроводниковый ограничитель напряжения — защитный диод.

Защитный диод устанавливается параллельно входу устройства непосредственно за предохранителем. Выводы защитного диода служат теплоотводом. Согласно описанию, длина каждого вывода должна составлять 10 мм.

Если в течение некоторого времени ток через защитный диод будет превышать ток срабатывания предохранителя, последний перегорает, защищая устройство. Чем больше превышение тока, тем быстрее сработает предохранитель. Как уже отмечалось, применённый в схеме быстродействующий предохранитель имеет время срабатывания 1 сек. при превышении номинального тока в 2,75 раза.

3.7 Расчёт потребляемой мощности

Как следует из анализа принципиальной схемы, потребляемый ток складывается из следующих составляющих: ток делителя напряжения Iд, ток стабилитрона Iст, и ток нагрузки блока питания Iн. В силу малых величин, обратные токи защитного диода, выпрямительного моста, транзисторов, а также токи утечки конденсаторов не учитываются.

Итак, P = Uвх (Iд + Iст + Iн).

Ток делителя напряжения определим по закону Ома с учётом падения напряжения на диодах выпрямительного моста:

P = Uвх (((Uвх - Uд) / Rд) + Iст +Iн).

Для расчёта тока стабилитрона и тока нагрузки преобразуем формулу, использованную при расчёте балластного резистора, к виду:

Iст + Iн = (Uвх - 2Uд - Uст) / Rб.

С учётом коэффициента, учитывающего отклонение сопротивлений резисторов, конечная формула будет иметь вид:

P = Uвх [ ((Uвх - 2Uд) / RдКr) + ((Uвх - 2Uд - Uст) / RбКr)]

Рассчитаем максимальную мощность, потребляемую устройством в ждущем режиме, при номинальном напряжении сети Uвх = 220 В и минимальном напряжении стабилизации Uст = 4,95 В. Падение напряжения на диоде выпрямительного моста составит Uд = 0,65 В. Общее сопротивление делителя напряжения определяется суммой последовательно включенных сопротивлений:

Rд = 620 000 + 9100 = 629 100 Ом.

По аналогии:

Rб = 30 000 + 30 000 = 60 000 Ом.

Отклонение номиналов резисторов 5%, т. е Кr = 0,95.

Подставляем данные в формулу:

P = 220 [ ((220 - 20,65) / 6 291 000,95) + ((220 - 20,65 - 4,95) / 600 000,95)] = 220 [0,37 + 0,0038] = 0,92 ВА

По данным измерений ток, потребляемый устройством от сети в ждущем режиме при номинальном сетевом напряжении, составил 4,0 мА. Отсюда P = 220 0,004 = 0,88 ВА, что находится в пределах рассчитанной величины.

Поскольку в ждущем режиме устройство представляет собой чисто активную нагрузку, активная мощность в данном случае эквивалентна полной мощности:

Р = 0,92 ВА = 0,92 Вт.

4. Программная часть

Код программы написан на языке ассемблера, занимает в памяти программ МК более 3 КБ. Задействованы все 32 регистра, 51 байт оперативной памяти (SRAM, ОЗУ), 45 байт энергонезависимой памяти EEPROM.

МК ATmega16 имеет 16 КБ программной памяти, 1 КБ SRAM, 512 байт EEPROM, и богатый набор периферийных устройств, из-за чего он с лихвой покрывает требования к устройству. Выбор М К «с запасом» сделан умышленно, чтобы иметь возможность совершенствовать устройство и наращивать его функциональные возможности (см. заключение).

При необходимости код может быть перенесён на другие МК семейства ATmega.

Ввиду того, что код крайне объёмен, приводить его в рамках работы полностью нецелесообразно. Особенно это касается файлов табличных значений и начальных настроек. Поэтому для примера работы программы в приложении к работе размещён только один участок листинга, занесённый в файл Main. asm — файл главного функционала устройства.

4.1 Блок-схема алгоритма

Структура программы показана на Рис. 4. Каждый блок начинается с названия файла, в котором размещён программный код данного блока. Подпрограммы обозначены блоком меньшего горизонтального размера. Среди них есть функции, т. е. подпрограммы, возвращающие значения. Для упрощения они тоже называются подпрограммами. Отличие подпрограмм, расположенных в файле ProceduresINT. asm, от подпрограмм в файле ProceduresEXT. asm заключается в том, что первые предназначаются только для данного проекта, а вторые являются универсальными и могут найти применение в сходных проектах. Блок Startup. asm тоже использует некоторые подпрограммы, но для упрощения восприятия рисунка эти связи на блок-схеме не показаны.

Рис. 4. Блок-схема алгоритма.

4.2 Описание программы

Далее кратко рассмотрены ключевые моменты программной части проекта. Дополнительная информация содержится в комментариях, которыми снабжено большинство строк программы.

Адресное пространство энергонезависимой памяти разделено на три области. В первой хранятся настраиваемые пользователем параметры устройства, во второй — системные переменные, в третьей — результаты диагностики. Первая область отделена от второй несколькими пустыми ячейками, значения которых равны $FF. Третья область находится в конце адресного пространства. Первые 16 ячеек EEPROM не используются. Помимо удобства восприятия, это предохраняет содержимое первой ячейки от случайного изменения, когда регистр адреса EEPROM равен нулю. Нулевое значение присваивается этому регистру во время инициализации (блок Reset. asm). По той же самой причине не используется и последняя ячейка EEPROM, чтобы исключить изменение её содержимого, когда регистр адреса равен максимальному значению $ 01FF.

Принимая во внимание ограниченное количество циклов перезаписи EEPROM (100 000 согласно описанию), в памяти сохраняются только самые необходимые данные, а именно уровень установленной пользователем яркости и текущее состояние устройства.

Прерывания не задействованы. Программный код, расположенный в блоке Main. asm, выполняется в бесконечном цикле. Тем самым удаётся повысить быстродействие за счёт отказа от команды RETI и команд работы со стеком. Тем не менее, в целях диагностики неисправностей, срабатывание любого прерывания фиксируется и запоминается в EEPROM (подпрограмма WrongINT. asm). Также в целях диагностики запоминается причина, вызвавшая сброс МК (блок ResetCause. asm).

Энергосберегающие режимы не используются. Это связано с тем, что в течение примерно 9,5мс каждого полупериода ведётся непрерывное измерение сетевого напряжения, а в оставшиеся 0,5мс выполняется основная программа. Переводить М К в спящий режим на столь короткое время не имеет смысла. К тому же, возврат МК из любого спящего режима требует дополнительных затрат времени, что сказывается на быстродействии.

Выключение АЦП на время выполнения основной программы тоже не имеет смысла. В ходе измерений было установлено, что потребляемый МК ток снижается при этом всего на 10мкА.

Выходы МК переключаются одновременно. Это необходимо для того, чтобы оба канала имели равные временные задержки и работали одинаково.

По окончании инициализации всем регистрам и ячейкам ОЗУ присваивается нулевое значение (блок SRAMInit. asm). В результате, не нужно помнить о том, чтобы все переменные были проинициализированы, т. е. не содержали бы случайных значений.

После инициализации регистров и ОЗУ продолжение программы приостанавливается на несколько секунд (осуществляется программная задержка). За это время напряжение питания МК и образцовое напряжение АЦП успевают достигнуть номинального уровня.

При таком подходе появляется возможность проверки считанных из EEPROM данных. Если введённый пользователем параметр настройки является недопустимым, он преобразуется к ближайшему допустимому значению (меньшему или большему). Это действие, условно называемое нормализация, выполняется не для всех ячеек, а только для тех, допустимые значения которых однозначны, а также для тех, недопустимые значения которых могут привести к явным ошибкам в работе устройства.

Одной из задач инициализации является однократное измерение сетевого напряжения. Поскольку заранее невозможно предсказать, в какой момент времени светильник будет подключен к сети, результатом этого измерения является случайное число, используемое далее в подпрограмме генератора псевдослучайных чисел как точка отсчёта seed (блок Procedures. EXT. asm).

Перед тем как передать управление основному блоку, программа определяет, в каком состоянии находилось устройство перед отключением питания. В зависимости от результата устанавливаются те или иные флаги, сообщающие основной программе о том, какие действия необходимо предпринять. Например, если в момент пропадания сетевого напряжения был включен первый канал, то после восстановления электроснабжения он включится автоматически (если это было предварительно разрешено пользователем в настройках устройства).

Как уже отмечалось, код основного блока Main. asm выполняется в бесконечном цикле. Так как детектирование перехода сетевого напряжения через нуль осуществляется в каждом полупериоде, цикл Main. asm повторяется каждые 10 мс.

Первая команда основного блока — сброс сторожевого таймера. Следует отметить, что это единственное место во всей основной программе, где осуществляется сброс сторожевого таймера.

Алгоритм основан на сравнении не с константой, а с предыдущим результатом измерения. Команда на включение каналов подаётся только тогда, когда текущий результат измерения становится больше предыдущего. В обычном режиме (без воздействия помех) МК осуществит выход из цикла, как только сетевое напряжение сменит направление с убывающего на возрастающее, т. е. сразу после перехода сетевого напряжения через нуль. Таким образом, отпадает необходимость в кварцевом резонаторе, калибровке внутреннего генератора и в калибровке АЦП. Также не требуется дополнительная константа и настройка устройства под конкретный экземпляр МК.

Погрешность нового алгоритма нетрудно подсчитать. Для определения момента, когда сетевое напряжение начало возрастать, достаточно двух измерений. Время одного преобразования АЦП составляет 27 мкс. Время на обработку полученного результата (первые 5 команд процедуры PhaseDetect) составит в худшем случае 8 мкс. Значит, максимальная погрешность равна 27 + 27 + 8 = 62 мкс. Согласно формуле U = A sin (2 p f t), при такой задержке мгновенное напряжение в сети будет находиться на уровне U = 310 sin (2 3,14 100 6210-6) = 12 В (относительно номинального сетевого напряжения).

Ввиду разветвлённости алгоритма основной программы его наглядное изображение в графическом виде не приводится, т.к. будет затруднительно для восприятия. Отдельные процедуры основной программы описаны далее. Облегчить понимание логики работы призваны комментарии к программному коду, а также раздел Управление.

Функция ИПХ (Имитация Присутствия Хозяев) использует в качестве счётчика времени во включенном и выключенном состоянии отдельную процедуру. В функции ИПХ практически везде опрашивается бит лишь одного (первого) канала. Это допустимо благодаря идентичности каналов, а также благодаря тому, что в данном режиме каналы управляются синхронно.

В момент включения функции ИПХ устанавливаются биты ebPowerState. Это сделано на случай пропадания сетевого напряжения в момент включения. Таким образом, при восстановлении напряжения работа функции будет продолжена.

В функции автоотключения процентное значение, на которое уменьшается яркость, умышленно ограничено интервалом от 10 до 90%. Такой диапазон хорошо подходит для визуального восприятия. Кроме того, уменьшение яркости менее чем на 10% недостаточно заметно.

Дребезг контактов кнопок SB1 и SB2 устраняется благодаря тому, что основная программа опрашивает их состояние каждый полупериод, т. е. каждые 10 мс. Устранению дребезга также способствует наличие внутреннего триггера Шмитта и линии задержки на входах МК.

Подпрограммы чтения и записи EEPROM работают только с первыми 256 байтами. Это упрощает адресацию, т.к. старший регистр адреса всегда равен нулю и не используется.

Если в момент обращения к EEPROM идёт обработка предыдущего запроса, то подпрограмма чтения дожидается его окончания. Подпрограмма записи в аналогичной ситуации немедленно прекращается. Это вполне допустимо, поскольку задержка записи даже в несколько десятков миллисекунд не нарушает работу основной программы, и не заметна для пользователя.

Как уже отмечалось, согласно описанию МК, гарантированное число циклов перезаписи EEPROM составляет не более 100 000. По этой причине запись в ячейку осуществляется лишь в том случае, если записываемый байт данных отличается от того, что в ней уже записан.

5. Особенности стабилизации яркости

Исследование выявило две причины непостоянной яркости освещения в наших домах: изменение формы сетевого напряжения и включение мощной нагрузки. Первая причина заметна тем больше, чем меньше яркость. Вторая причина заметна при любой яркости. Применённый в устройстве алгоритм устраняет последствия обеих причин. При этом обеспечивается одинаково хорошее качество стабилизации при любом уровне яркости.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой