Универсальное фотореле на полевых транзисторах

Конструкция предназначена для автоматического включения / выключения осветительных приборов в зависимости от уровня внешней освещённости. К этому устройству можно подключать любые осветительные приборы общей мощностью до 800 Вт, например, светодиодные осветительные лампы, лампы накаливания, электролюминесцентные лампы с дроссельным или электронным балластом, дуговые лампы с дроссельным балластом. Устройство не создаёт помех электросети, имеет задержку на включение нагрузки после включения питания.

Принципиальная схема фотореле представлена на рис. 1. Напряжение сети переменного тока 220 В через плавкий предохранитель FU1 и замкнутые контакты выключателя SA1 поступает на мощный мостовой диодный выпрямитель VD2. Конденсатор С2 и RC цепь C1R1 фильтруют импульсные сетевые помехи Варистор RU1 защищает элементы устройства от высоковольтных всплесков напряжения сети, например, при разрядах молнии или работе на линии мощной индуктивной нагрузки. Напряжение питания на слаботочные узлы конструкции поступает через двухполупериодный выпрямитель, собранный на выпрямительных диодах VD1, VD3 и резисторах R2, R3. Выпрямленное напряжение ограничено рабочим напряжением стабилитрона VD8 на уровне 12 В. Пульсации выпрямленного напряжения фильтруются оксидным конденсатором С5 и плёночным С4. Связка из двух фильтрующих конденсаторов разной конструкции необходима для нормальной работы устройства в условиях большой сезонной разницы температуры воздуха при установке устройства в не отапливаемых помещениях или на открытом воздухе, например, на фонарном столбе. Светящийся свето-диод HL1 сигнализирует о наличии питания.
Датчиком уровня освещённости служит ИК-фотодиод VD7. В темноте ток через его переход очень мал, напряжение затвор-исток полевого транзистора VT4 больше его порогового напряжения открывания, VT4 открыт, VT3 закрыт, VT1 и VT2 открыты, на нагрузку поступает напряжение питания переменного тока, контрольный светодиод HL2 светится. Включение в параллель двух мощных высоковольтных полевых транзисторов VT1, VT2 уменьшает потери на силовом ключе при включенной нагрузке и повышает надёжность устройства. Общее сопротивление открытого канала сток-исток VT1, VT2 будет менее 0,27 Ом, что при токе нагрузки 4 А составит около 1,1 Вт потерь мощности на силовом ключе и около 8 Вт потерь на мостовом выпрямителе VD2.
Когда уровень освещённости линзы фотодиода превысит некоторое значение, при котором напряжение затвор-исток VT4 станет меньше порогового напряжения открывания VT4, этот транзистор закроется, a VT3 откроется. Открытый VT3 снизит потенциал затвор-исток VT1, VT2 почти до нуля, мощные полевые транзисторы закроются, нагрузка обесточится.
Биполярный транзистор VT3 и полевой VT4 включены как триггер Шмитта. Петля гистерезиса этого каскада позволяет включать и отключать питание нагрузки почти мгновенно, что предотвращает повреждение кристалов VT1, VT2 из-за быстрого локального перегрева, а также, исключается мерцание подключенных в качестве нагрузки ламп. Стабилитрон VT5 защищает мощные полевые транзисторы от повреждения при близких грозовых разрядах молнии или при касании цепи их затворов, например, наконечником отвёртки при настройке подключенного к сети устройства. Варистор RU2 также защищает полевые транзисторы от перенапряжений в сети питания и от индуктивных выбросов ЭДС подключенной нагрузки. Диод VD6 быстро разряжает конденсатор СЗ при отключении питания,   что   необходимо для получения задержки включения нагрузки при последующем включении напряжения питания. Резистор R5 предотвращает слабое свечение светодиода при отключенной нагрузке и закрытом силовом ключе.
Детали и конструкция. Устройство можно смонтировать на печатной плате размерами 95x95 мм (рис. 2). Между близкорасположенными дорожками с большой разностью потенциалов необходимо сделать воздушные зазоры. Выфрезеровать участки платы можно с помощью зубного бура, микрофрезы или высверлить сверлом диаметром 1,2 мм. Резистор R1 желательно взять невозгораемый импортный (серо-голубой цвет корпуса). Остальные постоянные резисторы любого типа общего применения. Увеличенная мощность резисторов в слаботочных цепях объясняется их большей надёжностью при работе в не отапливаемых помещениях. Подстроечный резистор R10 в полугерметичном корпусе — типа СП4-1, СП4-2М, СПЗ-96. Вместо варисторов MYG10-471 подойдут TNR10G471K, FNR-10K471, FNR-14К471. На корпус каждого варистора желательно надеть трубку их лакоткани, что предотвратит загрязнение платы   при разрыве корпуса варисторов. Конденсатор С1 — плёночный К73-17, К73-24, К73-39 или импортный аналог на рабочее напряжение не ниже 630 В. Конденсатор С2 — высоковольтный керамический К15-5 или импортный аналог. Конденсаторы СЗ, С4 — низковольтные плёночные, например, К73-17 на рабочее напряжение 63 В или имеющие меньшие размеры импортные аналоги. Конденсатор С5 типа К50-35 с возможно меньшим током утечки или импортный аналог. Желательно, чтобы этот конденсатор имел диапазон рабочих температур от -40 °С. Диоды 1N4006 можно заменить на 1N4007 или отечественными КД105Г, КД243Е, КД243Ж, КД247Д, КД258Г. Вместо импортного диода 1N914 можно применить 1N4148, отечественный из серий КД503, КД521, КД522. Вместо диодного моста KBU6M можно применить RS606, RS607, KBU6K, RS806 и другие на рабочее напряжение не ниже 400 В и ток 6 А и более. Диодный мост с помощью винта и гайки М4 устанавливают на дюралюминиевый или латунный теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности от 50 см кв. Если корпус конструкции металлический, то диодный мост можно прикрепить к нему. В этом случае, даже если корпус диодного моста цельнопластмассовый или керамический, необходимо использовать дополнительные слюдяные изолирующие прокладки, которые на 10 .20 мм должны выступать за границы корпуса диодной сборки Винт и гайку также изолируют от металлического корпуса. Стабилитрон 1N4746A можно заменить на 1N4745A, BZX/BZV55C-18, TZMC-18, 2С218Ж или на два последовательно включенных КС191Ц. Вместо стабилитрона 1N4742A можно установить 1N4743A, BZX/BZV55C-12, TZMC-T2, Д814Д1, 2С212Ж, КС508А, КС512А. Светодиод DB10-433CG зелёного цвета свечения диаметром 10 мм и DB10-436ARA красного цвета свечения можно заменить любыми аналогичными, например, из серий КИПД35, КИПД36. Полевые транзисторы IRF740 можно заменить парой однотипных из: IRF840, IRF841, BUZ334, КП707Б1, КП707Б2, или одним SPP20N60S5, IRFP460, STW20NB50, MTW20N50E. Транзисторы силового ключа монтируют на общий теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности от 40 см2. Биполярный транзистор 2SC945 можно заменить любым из серий PN2222, SS9014, КТ3102, КТ6111, КТ6113, КТ645. Вместо маломощного полевого транзистора КП501А подойдёт любой из серий КП501, КП504, ZVN2120, BSS88. При заменах обратите внимание на различия в цоколёвках упомянутых вариантов замен VT3, VT4. Цоколёвки указанных на принципиальной схеме транзисторов показаны на рис. 2. Плавкий предохранитель FU1 — ПК-30. Применение предохранителей с длиной корпуса 20 мм нежелательно.

Безошибочно собранное из исправных деталей устройство нуждается в небольшом налаживании. В качестве нагрузки подключают лампу накаливания, Движок R10 устанавливают в среднее положение, на фотодиод нужно надеть светонепроницаемый колпак и включить питание. Примерно через 1 с. лампа накаливания вспыхнет на полную мощность. При освещении линзы светодиода лампа должна погаснуть. После окончательной проверки работоспособности устройства, монтажную плату со стороны монтажа, со стороны проводников и с торцов необходимо покрыть влагозащитным лаком, например эпоксидным или несколькими слоями цапонлака.
Конструкция была рассчитана на работу в герметичном корпусе размерами 100*100x45 мм. При установке фотореле на улице, в подсобном, не отапливаемом, нежилом помещении следует предусмотреть защиту устройства от влаги, прямых солнечных лучей и насекомых. Линза фотодатчика, для предотвращения деградации кристалла из-за попадания прямых или отражённых от снега солнечных лучей должна быть обращена к северу под углом около 45 градусов к поверхности земли. Если корпус устройства не будет абсолютно герметичным, что наиболее вероятно для самодельной конструкции, то для предотвращения скопления в корпусе конденсатной воды, в нижней стенке корпуса нужно сделать несколько отверстий диаметром 0,5 мм.

Бутов АЛ.

Литература
1. Бутов А.Л. Универсальное реле времени на полевых транзисторах. — Радиоконструктор, 2002, № 10, стр. 30-32.
2. Бутов А.Л. Простое фотореле. — Радио, 2002, № 12, стр. 52.
3. Бутов А.Л. Фотореле. — Радиоконструктор, 2003, № 5, стр. 26 - 27.
4. Бутов А.Л. Фотореле на тринисторе MCR100-6. — Радиоконструктор, 2008, №7, стр. 34, 35.