Автомат плавного включения и выключения лестничного освещения

Поводом для разработки и изготовления этого устройства послужили частые замены освещающей лестничную площадку лампы, для которой строителями дома не был предусмотрен выключатель, а потому работавшей непрерывно. Установка простого выключателя не решила проблемы, его приходилось долго искать в темноте. Да и выключать свет, когда он не нужен, многие забывали.

Предлагаемое устройство автоматически включает освещение при появлении человека в зоне действия пироэлектрического датчика движения, причем с помощью микросхемы К145АП2 обеспечено плавное нарастание яркости при включении и ее спадание при его выключении.

Схема автомата показана на рис. 1. Он управляет лампой накаливания EL1 на 220 В, мощность которой не должна превышать 150 Вт. Пироэлектрический датчик В1 — готовый, обычно применяемый в системах охранной сигнализации, имеет релейный выход. Когда питание датчика включено, но в его чувствительной зоне ничто не движется, контакты реле замкнуты, размыкаясь лишь при обнаружении движения либо при выключении питания. Такая организация работы позволяет постоянно контролировать исправность не только самого датчика и источника его питания, но и линии, соединяющей его с исполнительным устройством.
После подключения вилки XS1 к сети 220 В и завершения всех переходных процессов симистор VS1 закрыт, лампа EL1 обесточена. Диод VD7 пропускает положительные для него полупериоды сетевого напряжения, поступающего через сравнительно небольшое сопротивление нити накаливания лампы. Часть выпрямленного диодом напряжения, снятая с движка подстроенного резистора R9 и сглаженная конденсатором С7, поступает на входы логических элементов DD1.1 и DD1.3 (точка Б). Это напряжение имеет для них высокий логический уровень.
Пока в чувствительной зоне датчика В1 нет движения и контакты его реле, подключенные к выводам 3 и 4, замкнуты, через резистор R3 и светодиод HL1 течет ток. Это сигнализирует о том, что прибор включен и находится в дежурном режиме. В точке А действует напряжение низкого логического уровня. В этом состоянии на вход IN2 микросхемы DA1 (точка Д) через открытый диод VD6 также поступает напряжение низкого уровня. Резистор R5 поддерживает высокий уровень на входе IN 1 этой микросхемы (точка И). Низкий уровень напряжения установлен на выходе элемента DD1.4 (точка Е) и на соединенном с ним через резистор R6 затворе транзистора VT1 (точка Ж). Транзистор закрыт.
При обнаружении движения в чувствительной зоне контакты реле датчика В1 размыкаются, светодиод HL1 гаснет. Конденсатор С4 через диод VD4 быстро заряжается практически до напряжения питания (12 В), и в точке А устанавливается высокий логический уровень. На выходе элемента DD1.2 (точка В) он остается таким же, не изменившись, а на выходе элемента DD1.3 (точка Г) уровень становится высоким. При этом диод VD6 закрывается и, благодаря резистору R4, в точке Д также устанавливается высокий логический уровень напряжения.
Микросхема DA1 начинает вырабатывать на выходе OUT импульсы, поступающие через усилитель на транзисторе VT2 на управляющий электрод сими-стора VS1 и открывающие его. Яркость свечения лампы EL1 плавно увеличивается. По мере ее роста падает и достигает низкого логического уровня напряжение в точке Б. Как только это происходит, уровень в точке В становится низким и напряжение этого уровня через открывшийся диод VD5 поступает в точку Д. Это прекращает дальнейшее изменение яркости, и она фиксируется на достигнутом уровне.
Через диод VD8 быстро разряжается конденсатор С8, в результате чего устанавливается высокий уровень в точке Е. Но поскольку диод VD3 теперь открыт, напряжение в точке Ж остается низким, а транзистор VT1 — закрытым. Благодаря большой постоянной времени разрядки через резистор R7 конденсатор С4 остается заряженным до напряжения высокого логического уровня даже при кратковременных замыканиях контактов реле датчика В1, вызванных остановками движущегося объекта. Пока контакты не замкнутся надолго, лампа EL1 остается включенной, а ее яркость максимальной.
Разрядка конденсатора С4 через резистор R7, светодиод HL1 и замкнутые контакты реле датчика занимает около минуты. После этого уровень в точке В становится высоким, диод VD5 закрывается. Поскольку диод VD6 тоже закрыт, высокий уровень напряжения будет установлен в точке Д. Микросхема DA1 начнет уменьшать длительность открытого состояния симистора VS1 в каждом полупериоде сетевого напряжения. Яркость свечения лампы EL1 постепенно уменьшается.
Высокий уровень в точке В закроет диод VD3, а конденсатор С8 начнет заряжаться через резистор R13. Пока уровень напряжения в точках Е и Ж высокий, транзистор VT1 будет открыт, не давая возможности конденсатору С4 зарядиться при повторных срабатываниях датчика в этот период.
Когда яркость свечения лампы уменьшится настолько, что напряжение в точке Б достигнет высокого логического уровня, в точке Г он станет низким. Таким же он станет и в точке Д, что приведет к фиксации яркости свечения лампы на достигнутом минимальном уровне.
Постоянная времени цепи R13C8 выбрана такой, что высокий уровень напряжения в точке Е сменится низким уже после остановки уменьшения яркости лампы. Дифференцирующая цепь C9R5 превратит спадающий перепад напряжения в этой точке в короткий импульс низкого логического уровня в точке И. Этим будет прекращено формирование импульсов на выходе OUT микросхемы DA1, симистор VS1 больше не станет открываться, а лампа EL1 погаснет полностью.
О назначении элементов VD3, VT1 и R6 следует рассказать подробнее. Предположим, что они отсутствуют. В этом случае срабатывание датчика, когда процесс постепенного снижения яркости лампы EL1 еще не завершился, приведет к фиксации ее яркости на некотором промежуточном уровне. Но когда датчик вернется в исходное состояние, яркость не продолжит снижаться, а начнет увеличиваться, поскольку ранее она уменьшалась, достигнет максимума и только после этого станет уменьшаться и остановится на некотором промежуточном уровне. Такой алгоритм заложен в микросхему К145АП2(DА1).
Еще до этого момента конденсатор С8 успеет зарядиться и будет сформирован импульс в точке И. Но поскольку он поступит на микросхему DA1 при высоком уровне на входе IN2, полного выключения лампы не произойдет и она продолжит светить вполнакала до следующего срабатывания датчика. Этот "недостаток" алгоритма работы микросхемы и устраняет рассматриваемый узел. Если вероятность срабатывания датчика во время снижения яркости освещения пренебрежимо мала, надобности в элементах VD3, VT1 и R6 нет, но рекомендуется увеличить номинал резистора R13 до 1,5...2 МОм.
В автомате могут быть применены любые постоянные резисторы указанной на схеме мощности. Подстроечный резистор R9 может быть любого типа, однако его номинал должен соответствовать указанному на схеме. При меньшем номинале напряжение, снимаемое с движка подстроечного резистора, может оказаться недостаточным для остановки изменения яркости свечения лампы EL1 на ее минимуме. Слишком большой номинал подстроенного резистора может привести к превышению в процессе регулировки допустимого значения напряжения на входах элементов микросхемы DD1.
Конденсаторы СЗ, С5, С6, и С9 могут быть керамическими или пленочными любого типа. Конденсатор С2 — только пленочный К73-17 или аналогичный импортный с допустимым постоянным напряжением не менее 630 В. Можно использовать и импортный конденсатор, специально предназначенный для работы при переменном напряжении. Допустимое для такого конденсатора напряжение должно быть не менее 250 В и обязательно указано со значком "~" или сопровождаться надписью "АС". Уменьшать емкость конденсатора С2 не следует, это приведет к сбоям в работе автомата. А увеличение его емкости — к излишнему нагреву стабилитрона VD2 и к росту потребляемого от сети тока.
Этот стабилитрон (КС512А) можно заменить другим с напряжением стабилизации около 12 В, например, Д814Д, и даже несколькими соединенными последовательно стабилитронами на меньшее напряжение, дающими в сумме нужные 12 В, например, двумя КС162А. Как показала практика, микросхема К145АП2 прекрасно работает при таком напряжении питания, хотя номинальное для нее значение — 15 В.
Диоды КД521Б могут быть заменены другими той же серии или любыми маломощными кремниевыми, например КД102А. Замену диоду КД209А необходимо подбирать среди диодов с не меньшими, чем у него, значениями допустимых прямого тока и обратного напряжения. Вместо светодиода АЛ307КМ подойдет любой отечественный или импортный, обладающий достаточной яркостью свечения при токе 1...2 мА.
Элементы микросхемы К561ТЛ1 обладают характеристиками переключения с гистерезисом, свойственными триггерам Шмитта. Уровень напряжения на их выходе изменяется скачком при самом медленном изменении входного напряжения. Это повышает четкость работы устройства. Импортный аналог этой микросхемы — CD4093 (буквы в обозначении могут быть другими, они означают ее изготовителя). Не рекомендуется заменять триггеры Шмитта обычными логическими элементами, например, имеющимися в микросхеме К561ЛАЗ и ее аналогах.
Изготовленный автором автомат помещен в корпус от "сетевого адаптера" для бесшнурового телефона. На корпусе установлены розетка для подключения лампы EL1 и "телефонный" разъем, к которому гибким четырехпро-водным кабелем подключен датчик В1. При изготовлении, налаживании и эксплуатации автомата следует соблюдать осторожность и не забывать, что все его элементы соединены с сетью и находятся под напряжением. На время проверки и налаживания прибора рекомендуется, не подключая к нему датчик В1, временно установить имитирующий работу датчика выключатель SA1 с нормально замкнутыми контактами, показанный на схеме штриховыми линиями. Это избавит от необходимости всякий раз после включения питания дожидаться окончания переходных процессов в датчике.

Налаживание начинают, установив движок подстроечного резистора R9 в среднее положение. Вращая его, добиваются, чтобы яркость лампы всегда четко фиксировалась на максимальном и минимальном уровнях. При неправильной регулировке яркость может без остановки изменяться от минимума до максимума и обратно или фиксироваться на промежуточных уровнях, уже пройдя максимум (минимум). Для удобства налаживания в таблице приведены уровни напряжения в контрольных точках прибора при его различных состояниях: Н — низкий, В — высокий. ↑ — постепенно увеличивающийся, ↓ — постепенно уменьшающийся, √— импульс.
Автомат можно использовать и без датчика движения. Для управления им вручную достаточно вместо контактов реле датчика подключить, например, геркон, контакты которого замкнуты под действием магнита, установленного на входной двери, и размыкаются при ее открывании. Это может быть и обычная кнопка с размыкающимися контактами, на которую следует нажать, входя на лестничную площадку. Светодиодом HL1 эту кнопку можно подсвечивать.
Чтобы использовать кнопку с замыкающимися при нажатии контактами, схему прибора следует изменить в соответствии с рис. 2. Элементы HL1, R3, R6, VD3, VD4 и VT1 не устанавливают. Цепь подсветки кнопки SB1 из светодиода и резистора при необходимости собирают отдельно. Лампа EL1 будет плавно включена после нажатия на кнопку SB1 и плавно выключена приблизительно через минуту после ее отпускания. Если задержка выключения не требуется, емкость конденсатора С4 можно уменьшить до 0,01 мкФ, заменив оксидный конденсатор керамическим или пленочным. 

Журнал "Радио" №11 2010г   А. БОРИСОВ, г. Озерск Челябинской обл.