Автоматический регулятор

В быту может понадобиться автоматический регулятор, например для поддержания постоянной освещенности или температуры, либо автоматического изменения их во времени по определенной программе. На рис. 41 приведена схема одного из возможных вариантов автоматического устройства, позволяющего дискретно изменять свечение лампы накаливания от минимальной до максимальной яркости.

В основу его работы положен принцип ручного регулятора (по схеме рис. 39), переменный резистор которого заменен набором резисторов R22—R31, а функцию переключателя выполняют соответствующие вм тринисторы. Работой системы электронных ключей, образованных транзисторами VT1—VT10 и тринисторами VS1 — VS10, управляет счетчик DD6 (ила DD8). Счетчик DD6 используется в том случае, когда нужно от максимальной яркости переходить к (минимальной, а счетчик DD8—от минимальной к максимальной. Говоря упрощенно, первый из них работает йа выключение, а второй на включение.

Работа автомата сводится к следующему. Шестиразрядный двоичный счетчик К176ИЕ1 (DD1) и десятичные счетчики, совмещенные с дешифраторами, К176ИЕ8 (DD2, DD3) образуют делитель частоты импульсов, поступающих на его вход от однополупериодного выпрямителя на диоде VD1. На выходе счетчика DD2 формируются импульсы с периодом следования около 1 с (6,4 с), которые будем называть секундными, а на выходе DD3—импульсы с периодом следования около 1 мин (64 с), которые будем называть минутными. В зависимости от выбранной переключателем SA1 скорости изменения яркости света на один из счетчиков МНЗ.и ли DD8 поступают минутные или секундные импульсы. При секундных импульсах общее время потухания (или загорания) лампы накаливания EL1 составит НО ...60 с, при минутных—Д ... 10 мин. Дополнительно скорость изменения яркости можно изменять в некоторых пределах переключателем SA3 на 40 положений. Минимальный период импульсов, устанавливаемый этим переключателем, 6,4 с, максимальный — 64 с. Выбранная последовательность импульсов поступает на вход счетчика DD6 (или DD8) исправляет его работой: каждый очередной импульс изменяет состояние счет-чика на 1. Если, например, счетчик был в состоянии 3, то очередной импульс переведет его в состояние 4. Таким образом, под действием импульсов, поступающих на вход счетчика, сигнал с его выхода подается к одному из инверторов. При этом на выходе этого инвертора появляется напряжение низкого уровня, которое закрывает транзистор и открывает тринистор соответствующего ключа. Одновременно импульсное напряжение от выпрямителя на диоде VD1 поступает через открытый тринистор на конденсатор G2 и заряжает его. Время зарядки конденсатора С 2 зависит от сопротивления резистора в цепи открытого тринистора и определяет ту часть периода выпрямленного напряжения, в течение которого тринистор VS11 открыт. От этого зависит значение тока через лампу ЕL1 и, следовательно, яркость свечения.

При включении питания, например +9В , вручную кнопкой SB1 и установке переключателя SA2 в положение Вкл ., показанное на схеме, автомат начинает работать в режиме постепенного загорания лампы EL1, а при переводе переключателя SA2 в положение Выкл. — в режиме постепенного затухания. Если требуется относительно медленное изменение яркости, то переключатель SA1 устанавливают в положение Мин, а если быстрое —в положение Сек. Автомат может включаться и выключаться внешним реле времени (РВ) или описанным выше универсальным таймерным устройством (УТУ). В, обоих случаях автомат начинает работать не сразу, а спустя заранее заданное время.

Для включения автомата от реле времени кнопку SB1 надо отжать, а кноп-ку SB2 нажать. На реле времени устанавливают необходимое время срабатывания, например 30 мин. Это значит, что через 30 мин после запуска оно, срабатывая, подает сигнал начала работы автоматического регулятора. Если сам регулятор предварительно был поставлен на 10 мин переключателем (SA3), то в результате совместной работы двух автоматов получится такой эффект. В течение 30 мин лампа будет гореть с максимальной яркостью. Затем яркость свечения начнет постепенно (как бы скачками) ослабевать, и через 10 мин лампа совсем погаснет.

Сигналом реле времени, включающим автоматический регулятор, служит питающее напряжение +9 В. Это напряжение должно подаваться через замкнутые контакты кнопки SB2 до тех пор, пока работает автоматический репулятор .

Для запуска автомата от унифицированного таймерного устройства кнопка SB3 должна быть нажата, а кнопки SB1 и SB2 отжаты. В заданное время таймер срабатывает и через замкнутые контакты кнопки SB3 подключает к автоматическому регулятору питающее напряжение 9 В. Регулятор начинает плавно увеличивать яркость свечения лампы EL1 и через установленное время она достигает максимального значения. Может оказаться полезным дополнить схему автоматического регулятора и еще одним РВ, рассчитанным минут на 30... 40. Это РВ будет обесточивать всю схему регулятора через это время. Без такого РВ трансформатор Т1 остается подключенным к сети 220В и после того, как лампа EL1 потухнет полностью. При этом будет постоянно потребляться электроэнергия.

Рассмотрим работу регулятора в целом, например при включении его вручную и использовании в качестве управляющих секундных импульсов. Для такого режима кнопку SB1 надо нажать, переключатель SA1 установить в положение Сек, а подвижный контакт переключателя SA3 подключить к выходному выводу 3 счетчика DD3, т. е. к его выходу 0. Выбираем режим лампы EL1 на потухание, для чего переключатель SA2 должен быть, в положении Выкл ,

При нажатии на кнопку SB1 устройство обнуляется, так как в первый момент на входы R счетчиков DD1—DD3, DD6 и DD8 через конденсатор С 1 подается импульс напряжения высокого уровня. Напряжение такого уровня подается и на входы S триггеров DD10.1 и DD10.2, устанавливая их в нулевое состояние. Появляющиеся на их инверсных выходах напряжения высокого уровня открывают ключи DD5.2 и DD6.4 для прохождения секундных импульсов с выхода Р счетчика DD2 ко входам СР счетчиков DD6 и DD8. Транзисторы VT2— VT10 в это время открыты, так как на их базы с выходов 1—9 счетчиков DD6 и DD8 (через инверторы) поступают напряжения высокого уровня, а тринисторы VS2—VS9, следовательно, закрыты. Открыт только тринистор VS1, потому что транзистор VT1 закрыт напряжением низкого уровня, поступающим на его базу с выхода 3 инвертора D.D4.1. Конденсатор С 2 заряжается током, значение которого обусловлено сопротивлением резистора R22.

В таком состоянии автомат находится 6,4 с. В это время на выходе счетчика DD1 делителя частоты формируются импульсы с периодом следования 0,64 с, на выходе счетчика DD2 — с периодом следования 6,4 с и на выходе счетчика, DD3 — с периодом следования 64 с. В нашем примере импульсы с периодом следования 6,4 с , снимаемые с выхода счетчика D1D2, через контакты переключателя SA1 и элементы DD5.1, DD5.2 поступают на вход СР счетчика DD6. После первого импульса, т. е, через 6,4 с после включения автомата, счетчик DD6 переходит в состояние 1. На его выходном выводе 2 появляется напряжение высокого уровня, которое инвертируется элементом DD4.2 и закрывает транзистор VT2.

Транзистор же VT1 при этом открывается, так как на его базе появляется напряжение высокого уровня, а тринистор VS! закрывается. Теперь конденсатор С 2 заряжается через открытый тринистор VS2 и резистор R23. А так как сопротивление резистора R23 больше чем резистора R22, конденсатор заряжается медленнее и, следовательно, позже открывается тринистор VS11. Поэтому ток через лампу EL1 будет протекать меньшую часть периода, отчего яркость ее свечения уменьшится.

Через 6,4 с второй импульс на входе счетчика DD6 переводит его в состояние 3, открывается ключ VT3 и конденсатор С2 заряжается через резистор R24. Поскольку сопротивление резистора R24 больше, чем резистора R23, то и яркость свечения лампы становится еще меньше. И так при каждом очередном импульсе: через каждые 6,4 с счетчик DD6 меняет свое состояние и тем самым переключает резисторы, через которые заряжается конденсатор С2; в результате изменяется яркость свечения лампы от максимальной до минимальной. При девятом импульсе на входе СР счетчика DD6 открывается транзистор VT9 и лампа окончательно гаснет. Одновременно напряжение высокого уровня, возникающее на выходе 9 (вывод 11) счетчика DD6, переключает триггер DD10.1 в единичное состояние и ключ DD5.2 закрывается, прекращая прохождение импульсов с выхода счетчика DD2 на вход счетчика DD6. К моменту поступления очередного импульса лампа должна полностью погаснуть, так как выходной сигнал счетчика DD6 на вход ключевого транзистора VT10 не подается. Сигнал же с выхода 9 (вывод 11) счетчика DD8 подается одновременно на вход ключевого транзистора VT1, что обеспечивает максимальную яркость свечения лампы и на вход R триггера DD10.2, обеспечивая фиксацию счетчика DD8 в состояние 9.

Для повторного запуска. регулятора надо кратковременно отжать и снова нажать кнопку SB1. Если переключатель 5В1 установлен в положение Автомат, чтобы регулятор управлялся сигналами внешнего реле времени или таймерного устройства, то для повторного запуска регулятора необходимо хотя бы кратковременное пропадание управляющего сигнала в начале, следующего цикла работы. Появление этого сигнала обнуляет регулятор (через конденсатор С !), подготавливая его к следующему циклу работы.

Для осветительных приборов иногда требуется обеспечить автоматическое выключение искусственного освещения через определенный промежуток времени после его включения, либо автоматическое включение или выключение источника света в зависимости от освещенности комнаты. Случается необходимость включения света без касания кнопки или какого-либо другого переключателя. Приводим описание нескольких автоматов, позволяющих в какой-то степени решать эти задачи.

На рис. 42 показана схема реле времени, обеспечивающего включение света вручную, и автоматическое выключение его через заранее установленный промежуток времени. В исходном состоянии конденсатор О заряжен (через; резистор R1) до напряжения источника питания. Транзистор VT1 открыт, э транзистор VT2 и тринистор VS1 закрыты , поэтому лампа EL1 не горит. Автомат запускают кратковременным нажатием на кнопку SB1. В момент замыкания контактов кнопки конденсатор С 1 быстро разряжается через них. Транзистор VT1 при этом закрывается, а транзистор VT2 и тринистор VS1 открываются— за горается лампа.

После отпускания кнопки SB 1 ее контакты размыкаются и конденсатор С 1 начинает заряжаться через резистор R1. При напряжении на конденсаторе 0,5... 6,6В транзистор VT1 откроется, транзистор VT2 и тринистор VS1 закроются, нить накала лампы обесточится и она погаснет. С этого момента автомат принимает исходное состояние. Длительность горения лампы определяется временем зарядки конденсатора и зависит от емкости этого конденсатора и сопротивления резистора R1. Чем больше сопротивление резистора, тем меньше ток зарядки конденсатора и тем больше время его зарядки. Изменением сопротивления резистора R1 можно в некоторых пределах изменять время горения лампы. При указанных на схеме номиналах резистора R1 и конденсатора О наибольшая длительность горения лампы может быть 10... 12 мин. При том же конденсаторе и сопротивлении резистора около 300 кОм длительность горения лампы уменьшается вдвое. Если емкость конденсатора будет в 4—5 раз больше, например 5000 мкФ, то при том же максимальном сопротивлении резистора R1 время свечения лампы можно увеличить до 46... 60 м В прочем, переменный резистор можно заменить постоянным, подобраны: опытным путем таким образом, чтобы лампа горела вполне определенное, фиксированное время. Кроме того, вместо одного в цепи зарядки время задающего конденсатора может быть несколько резисторов и переключатель на соответствующее число положений. Это позволяет ступенями переключать фиксированное время горения лампы накаливания светильника.

Все резисторы — типа МЛТ, конденсатор C1 К50-6 на номинальное напряжение 10 В. Транзисторы К315 могут быть с любыми буквенными индексами. Тринистор VS1 должен быть рассчитан на работу при относительно высоких напряжениях: лучше всего подойдет КУ202М или КУ202Н. Мощность лампы накаливания — до 100 Вт.

На рис. 43 приведена схема входной части автомата, включающего лампу накаливания при ослаблении освещенности помещения и автоматически выключающего лампу при освещенности выше установленного порога, причем, пороговые уровни освещенности включения и выключения лампы могут быть как одинаковыми, так и разными. В исходном состоянии сопротивление фоторезистора BL1 относительно мало (менее 500 Ом), поэтому напряжение на базе транзистора VT1, снимаемое с делителя, который образует этот фоторезистор и резистор R2, оказывается достаточным для его открывания. Открываясь сам, транзистор VT1 закрывает транзистор VT2 и тринистор VS1, поэтому лампа EL1 не горит, (см. рис. 42). При снижении освещенности помещения сопротивление фоторезистора постепенно увеличивается, а напряжение, снимаемое с делителя BL1R2, уменьшается. При каком-то минимальном значении уровня освещенности сопротивление фоторезистора ВЫ столь возрастает, что напряжение на базе транзистора VT1 будет недостаточным для поддержания его в открытом состоянии. Теперь транзистор VT1 закроется, а транзистор VT2 и тринистор VS1 откроются. Загорится лампа EL1. Когда же освещенность помещения начнет увеличиваться и сопротивление фоторезистора станет уменьшаться, положительное напряжение на базе транзистора VT1 начнет увеличиваться. При напряжении 0,5... 0,6В сигналом с делителя BL1R2 транзистор VT1 открывается, транзистор VT2 и тринистор VS1 закрываются и лампа EL1 гаснет. Автомат оказывается в исходном состоянии.

Сопротивление фоторезистора ФС2-12, используемого в автомате при слабом освещении, соответствующего условиям подъезда дома в вечернее время суток или в пасмурную погоду, может быть 25... 30 кОм, а при достаточно сильном освещении, например в дневное время суток — 60... 500 Ом. С учетом, этих исходных параметров фоторезистора выбирают наибольшее сопротивление переменного резистора R2, которым устанавливают порог открывания транзистора VT.1 и срабатывания автомата. Кремниевый транзистор (VT1) можно считать надежно открытым при напряжений смещения на его базе не менее 1В , а закрытым — не более 0,1В. Сопротивление используемого фоторезистора в зависимости от его освещенности изменяется примерно от 500 Ом до 30 кОм. Если сопротивление резистора R2 равно. 300 Ом, то при слабой освещенности фоторисистора коэффициент деления делителя напряжения BL1R2 будет 100 и напряжение на базе транзистора VT1 не превысит 0,1 В. При наибольшей освещенности фоторезистора коэффициент деления делителя BL1R2 уменьшится примерно до двух, а напряжение на базе транзистора VT1 значительно превысит 1 В, в результате чего транзистор и автомат в целом четко сработают.

Функцию фотодатчика автомата может также выполнять любой другой фоторезистор, фотодиод или эмиттерный р-п переход любого высокочастотного германиевого транзистора, например серии ГТ322, для чего надо спилить верхнюю часть его корпуса. Но у разных фотодатчиков по-разному изменяются их сопротивления в зависимости от освещенности. Поэтому, прежде чем монтировать фотодатчик желательно измерить его сопротивление при различной освещенности и в частности, при той освещенности, при которой автомат должен срабатывать. Сделать это можно с помощью имеющихся омметра, авометра или мультиметра . Предел омметра надо выбрать таким, чтобы результат измерения был в последней третьей части шкалы. Фотодатчик при этом должен быть в условиях, максимально приближенных к тем, в которых будущий автомат станет работать. Например, если автомат предполагается использовать для включения искусственного освещения в подъезде дома, в таких условиях надо измерить и сопротивление фотодатчика. Размещать фотодатчик надо в таком месте, чтобы на него не попадал свет электролампы, включаемой автоматом.

Наиболее подходящим местом крепления фотодатчика как при измерении его сопротивления, так и при дальнейшей его эксплуатации, следует считать окно, выходящее на улицу. Это позволит оценивать общую освещенность на улице и, следовательно, в подъезде дома, да и свет электролампы практически не будет влиять на освещенность фотодагчика . Вообще же, фотодатчик может находиться на значительном расстоянии от самого, автомата.

Если пороги срабатывания автомата должны быть различными, например для регулирования температуры воздуха в теплице или воды в аквариуме, входную часть автомата можно смонтировать по схеме, приведенной на рис. 44. Такой вариант этой части автомата особенно предпочтителен в случае использования фотодатчика с широким диапазоном изменения сопротивления при различной освещенности.

В таком автомате, рассчитанном на разные пороги срабатывания, на включение и выключение лампы накаливания или какой-либо другой нагрузки, два измерительных моста постоянного тока, два транзистора, работающих в ключевом режиме, и один триггер. Один из мостов, например образованный фоторезистором ВЫ и резисторами R2—R4, балансируют при малой освещенности (сопротивление фоторезистора равно 30 кОм), а второй—при наибольшей освещенности (сопротивление фоторезистора ВЫ равно 500 Ом). Первый мост используют для формирования сигнала на включение лампы накаливания, второй мост — на ее выключение. Предположим, что исходное состояние автомата соответствует условиям нормальной освещенности, например в середине солнечного дня. В таком случае сопротивления фоторезисторов будут одинаковыми (около 10 кОм) и оба моста, следовательно, разбаланси-рованными . Но после подачи на мосты питающих напряжений в показанной на схеме полярности с выхода первого. моста на базу транзистора VT1 будет поступать положительное напряжение, а с выхода второго моста на базу транзистора VT2 — отрицательное. Транзистор VT2 при этом закроется, а транзистор VT1 откроется. В результате на входе R триггера DD1.1 будет напряжение высокого уровня, а на входе S и инверсном выходе (вывод 2)—низкого уровня. Если напряжение, снимаемое с инверсного выхода триггера, подать (через резистор R11) непосредственно на базу транзистора VT2 устройства, собранного по схеме, приведенной на рис. 42, то его лампа ЕL1 гореть не будет; потому что этот транзистор и тринистор VS1 закроются.

В вечернее время суток сопротивления фоторезисторов BL1 и BL2 увеличиваются примерно до 30 кОм. Первый мост окажется сбалансированным, из-за чего транзистор VT1 закроется и на входе S и инверсном выходе триггера появится напряжение высокого уровня, которое откроет выходные транзистор и тринистор, загорится лампа. При этом второй мост останется разбалансированным, а транзистор VT2 открытым.

С улучшением освещенности, например в утренние часы следующего дня, сопротивление фоторезисторов уменьшается примерно до 0,5 кОм. При этом первый мост разбалансируется и откроет транзистор VT1, а второй — сбалансируется и закроет транзистор VT2. Триггер переключится в противоположное состояние и напряжение низкого уровня, возникшее на инверсном выходе, закроет транзистор и тринистор выходного каскада автомата. Лампа погаснет. К середине дня, когда освещенность достигает нормальной интенсивности, сопротивления фоторезисторов увеличатся до 10 000 Ом, оба моста вновь окажутся разбалансированными, что соответствует исходному состоянию автомата.

На рис. 45 приведена схема варианта автомата, включающего свет в подсобном помещении или, например, в ванной комнате при первом открывании двери и автоматически выключающего свет при повторном открывании двери. Говоря иначе, при каждом нечетном открывании двери осветительная лампа помещения будет автоматически включаться, а при каждом четном открывании двери выключаться.

Элементом, коммутирующим входную цепь D-триггера DD1.1, служит геркон SA1 с контактами, работающими на переключение. Сам геркон находится в углублении, сделанном в неподвижной, части двери, а небольшой постоянный магнит — против геркона в кромке самой двери. Расстояние между ними, при закрытой двери не должно превышать 2 мм. В исходном состоянии (дверь закрыта) подвижный контакт геркона под действием поля постоянного маг-нита будет соединен (как показано на схеме) с общим проводом источника питания автомата. Нажатием на кнопку SB1 триггеры DD1.1 и DD1.2 через элементы DD2.1 и DD2.2 устанавливают в единичное состояние, а возникающее при этом на инверсном выходе триггера DD1.2 напряжение низкого уровня закрывает транзистор VT1 и тринистор VS1—лампа EL1 не горит. При первом открывании двери магнит, удаляясь от геркона, переключает вход триггера CD1.1 на положительный проводник источника питания через конденсатор С 1 . Воспринимая это как одиночный импульс положительной полярности, триггер DD1.1 переключается в нулевое состояние и на его инверсном выходе появляется напряжение высокого уровня, которое воспринимается триггером DD1.2 как одиночный импульс. Триггер DD1.2 переключается в нулевое состояние, и напряжение высокого уровня с его инверсного выхода открывает транзистор VT1 и тринистор VS1—лампа EL1 загорается. Такое состояние автомата сохраняется и после того, как дверь закроют, хотя контакты геркона переключаются в первоначальное состояние.

При последующем открывании двери на вход С триггера DD1.2 поступит второй импульс положительной полярности, на его инверсном выходе возникает напряжение низкого уровня, которое закроет транзистор и тринистор — лампа погаснет. При закрывании двери магнит переключает контакты геркона в первоначальное состояние.

Транзистор КТ315 может быть с любым буквенным индексом. Тринистор серии КУ201 или КУ202-с буквенным индексом М или Н. Мощность рассеяния резисторов - не менее 0,25 Вт. Для устранения дребезга контактов геркона SA1 между ними и входом С триггера DD1.2 включен триггер DD1.1.