Дверь управляет светом.
cuba@mail.ru Опубликовано на сайте: http://ccuba.narod.ru
Данное электронное устройство предназначено для плавного включения и выключения лампы накаливания в таких помещениях как туалетная комната, ванная комната, кладовая и т.п. Особенностью данного устройства является то, что в качестве выключателя света (лампы накаливания) используется входная дверь вместе со стандартным магнитоконтактным датчиком на основе геркона, который применяется в охранной сигнализации. В отличие от подобного устройства описанного в статье [2] в моей схеме применена специализированная микросхема КР1182ПМ1, а также триггер серии КМОП типа К561ТМ2 и стандартный датчик для охранной сигнализации. Устройство включается в разрыв провода питания лампы. Достоинством схемы является ее простота и то, что она включается двухполюсником и не требует дополнительного (отдельного) питания. Недостатки описаны в конце статьи.
В связи с постоянно увеличивающимися тарифами на электрическую энергию по неволе начинаешь задумываться над ее сохранением. И включенные лампочки, которые постоянно кто-то забывает выключить, начинают раздражать ответственных квартиросъемщиков в лице отцов семейств.
Обилие в наших домах различного рода выключателей, кранов, замков и прочих подобных ручных устройств включения и выключения требует от нас постоянного управления этим хозяйством. Хотя человек всегда пытается облегчить себе жизнь различного рода приспособлениями и усовершенствованиями для таких вещей (по моему еще больше усложняя себе жизнь).
Например, чтобы включить свет в туалетной комнате надо произвести определенную работу над выключателем, т.е. мы сначала должны поднять руку к выключателю, затем нажать клавишу выключателя и, хорошо, если этот выключатель рядом с нужной дверью (почему-то все наши выключатели расположены на уровне глаз взрослого человека, это наверное, чтобы лучше видеть и не промахнуться в нужный момент). А дети? Их научили пользоваться туалетом, но при этом спрятали выключатель под потолок, конечно, для их же блага, не дай бог будут баловаться.
А если попробовать переложить функции выключателя на обычную дверь, ведь мы при открывании двери затрачиваем гораздо большую работу, чем над выключателем.
Идея управления (включения и выключения) освещения с помощью двери на нова. Из своего опыта я знаю, что еще в конце 70-х годов (хотя может быть и раньше, могу ошибиться) в каком-то из технических журналов (не помню точно, может "Моделист конструктор" или "Юный техник") была опубликована схема включения лампы накаливания с помощью двери.
Она состояла из механических переключателей. Схему эту я делал, но, повторенная мной схема, работала примерно неделю, потом сломался один из переключателей. И мне было заявлено моими "домашними" либо надо сделать в соответствии с электробезопасностью и надежностью, либо полный демонтаж устройства. Пришлось выбрать второе, тем более найти нужные детали было затруднительно (хотя сама идея осталась в голове). Правда, за время использования устройства все успели оценить его некоторые преимущества.
Чтобы помять как должен работать выключатель, управляемый дверью, давайте рассмотрим простые житейские действия, например, мы идем помыть руки в ванной комнате.
Первое действие - мы с помощью выключателя включаем в ванной свет.
Второе действие - открываем дверь, заходим.
Третье действие - закрываем дверь, сюда же добавим то действие, за которым пришли в ванну.
Четвертое действие - открываем дверь, чтобы выйти.
Пятое действие - закрываем дверь.
Шестое действие - выключаем в ванной свет (иногда последний подход к выключателю некоторые люди частенько игнорируют). Получилось, что-то похожее на алгоритм работы некой простой программы.
Итак, мы рассмотрели только самые необходимые нам действия. Как видите их не мало.
Предлагаемое электронное устройство предназначено для исключения первого и шестого действий, посредством передачи функции выключателя двери.
Итак, у нас остаются только манипуляции с дверью (первое и шестое действие исключаем). Теперь нам надо правильно выбрать момент включения и выключения света по нашим оставшимся действиям.
Алгоритм работы следующий:
- Первое действие - открываем дверь и свет включается.
- Второе действие - входим, дверь закрываем и свет горит.
- Третье действие - выходим, дверь открываем и свет выключается.
- Четвертое действие - дверь закрываем, свет остается выключенным.
Верхняя диаграмма показывает положение двери, если дверь открыта, то кривая находится на верхнем уровне, т.е. это соответствует логической 1, а если дверь закрыта, то нижний уровень, т.е. логический 0.
Нижняя диаграмма показывает состояние лампы, верхний уровень графика - лампа горит, нижний уровень - лампа выключена.
Как видно из графика необходимо сигнал, который будет сниматься каким-либо образом с положения двери, поделить на 2 и направить на управление лампой накаливания.
В аналогичной схеме, предложенной А. Качиковым [2] (к сожалению, я не нашел печатный аналог для этого источника, файл kachikov.mht), в качестве датчика используется геркон с перекидывающимися контактами, магнит и стальной уголок, который крепится к двери и используется в качестве шторки, для перекрытия магнитного поля. Я же в своей схеме предлагаю использовать стандартный магнитоконтактный датчик на основе геркона без какой-либо переделки, такие датчики широко применяются в охранной сигнализации.
Для тех, кто не знает или забыл, напомню про такое интересное устройство как геркон. Геркон [от гер (метизированный) и кон (такт)], герметизированный переключатель с пружинными контактами из ферромагнитного материала, соприкасающимися под действием магнитного поля. Различают герконы, работающие на замыкание, переключение и размыкание электрической цепи. Внутри баллона, диаметр которого не превышает 6,25 мм и длина 50 мм (зависит от типа), создаётся вакуум или газовая среда (азот, аргон, водород) различного давления. При определённой напряжённости магнитного поля электромагнита или постоянного магнита свободные концы пружины (чаще из пермаллоевой проволоки), находящиеся на расстоянии нескольких десятых или сотых миллиметра, притягиваются друг к другу и замыкают контакт.
При уменьшении напряжённости пружины упругой силой возвращаются в исходное положение, и контакт размыкается.
У переключающих электрические цепи герконов сопротивление контакта в замкнутом состоянии 0,02-0,2 ом, в разомкнутом - 109-1015 ом. Большинство герконов с газовым наполнением имеет пробивное напряжение 200-500 в. Повышением давления газа до нескольких десятых Мн/м2 (несколько атмосфер) или понижением его до 132.(10-4- 10-6) н/м2 (10-4-10-6 мм pm. cm.) увеличивает пробивное напряжение до 800 в. У вакуумных герконов пробивное напряжение достигает 5000 в. Герконы выдерживает 108-1012 срабатываний. Время срабатывания геркона (0,5-2 мсек) и отпускания (0,1-0,7 мсек) намного меньше, чем у якорных электромагнитных реле. Особенностями герконов являются простота конструкции, надёжность в работе, отсутствие регулировок, малая мощность управления (50 - 200 мВт), полная гальваническая развязка цепей управления и нагрузок, работа в любом положении в интервале температур от -100 до 200°С, возможность автоматизации изготовления. Герконы применяют в телефонии (реле, коммутаторы и др.), в вычислительной технике (логические, суммирующие, кодирующие элементы и др.), промышленные датчики (датчики положения, датчики уровня, датчики охранной сигнализации) и т.д.
Единственный производитель герметизированных магнитоуправляемых контакты (герконов) в России и странах СНГ - Рязанский завод металлокерамических приборов (РЗМКП)[6].
Я применил стандартный магнитоуправляемый датчик типа ИО 102-2. Он предназначен для поверхностного монтажа, крепится на винтах или шурупах, выводы из многожильного провода в полихлорвиниловой изоляции, диаметр проводника 0.12 мм или 0.2 мм длиной 160 - 508 мм, расстояние срабатывания 1/2" (12,7 мм) и материал корпуса: полистирол УПМ-0508 (цвет белый) [7]. Размеры каждой части 58мм*12мм*12мм. В Екатеринбурге я такой датчик купил за 10 рублей 70 коп (сентябрь 2001 г.), он самый дешевый. Существуют датчики для скрытого монтажа они меньше по размерам и имеют цилиндрическую форму.
Магнитоконтактного датчик состоит из двух частей. Первая часть – это магнит, который помещен в пластмассовый корпус с двумя крепежными отверстиями для крепления.
Вторая часть – геркон, который находится в таком же корпусе. От геркона идут два контактных провода – это выход датчика.
Когда магнит находится рядом с герконом контакты замыкаются под воздействием магнитного поля, а когда же магнит отдаляется на расстояние, превышающее величину рабочего зазора (например, при открывании двери) контакты размыкаются. Первая часть датчика с магнитом крепится к подвижной части, т.е. к двери. Вторая часть датчика с герконом крепится к неподвижной части двери – дверной коробке.
Основу схемы управления, представленной на рис. 2 составляет микросхема фазового регулятора типа К1182ПМ1, все параметры достаточно хорошо описаны в [1,3,4].
Для тех, кто не читал эти источники, напомню, что основное применение этой микросхемы – плавное включение и выключение электрической ламп накаливания и регулировки их яркости свечения или для регулировки скорости вращения электродвигателей (например, вентиляторами) и для управления более мощными силовыми приборами (тиристорами, симисторами).
Она способна работать при сетевом напряжении 80...276 В и управлять нагрузкой мощностью до 150 Вт при максимальном токе через нее до 1,2 А.
Интересная особенность микросхемы – включается в цепь последовательно с нагрузкой, т.е. она является двухполюсником и конструкционно может объединяться, например, с выключателем и питается частью той мощности, которой сама и управляет.
Внутри ИС К1182ПМ1 состоит из двух высоковольтных тиристоров, включенных встречно - параллельно и блока управления. Выводы С+ и С- служат для подключения элементов управления (емкости, резистора, оптронной пары и т.д.). Для управления мощностью в нагрузке (лампе) необходимо изменять сопротивление между входами С+ и С– (выводы 6 и 3 соответственно).
Работает схема, представленная на рис.2, следующим образом. Когда дверь закрыта, то контакты геркона под действием магнита замкнуты.
Тогда вход сброса R микросхемы DD1.1 ( вывод 4) замкнут через геркон с минусовым проводом питания и замыкает конденсатор С1. При этом на инверсном выходе (вывод 2) элемента DD1.1 будет логический 0, который подается на счетный вход элемента DD1.2. На инверсном выходе триггера DD1.2 (вывод 12) будет сигнал логической 1. Этот высокий уровень через резистор R3 подается на базу транзистора VT1, следовательно он открыт и замыкает вход управления С+ (вывод 6) микросхемы DA1 с входом С– (вывод 3) через резистор R4. При этом конденсатор С4 будет разряжен, так как ток разряда через относительно малое сопротивление R4 больше, чем ток заряда вытекающий из преобразователя микросхемы DD2. При этом через нагрузку (лампу) ток не идет и все напряжение сети прикладывается к выводам 10 (11) и 14 (15) микросхемы К1182ПМ1.
Элемент DD1.1 триггера К561ТМ2 выполняет роль повторителя и формирователя импульсов с крутыми фронтами, необходимых для управления счетным входом элемента DD1.2. Дело в том, что фронт тактового импульса, приходящего на счетный вход триггера, не должен превышать 5 мкс. [5], для того чтобы не было ложных (многократных) срабатываний. А входы сброса R и установки S триггера не чувствительны к дребезгу контактов геркона. Поэтому элемент DD1.1 управляется уровнями напряжения по входу сброса – R. Элемент DD1.2 включен по типовой схеме делителя частоты на 2 при этом инверсный выход (вывод 12) замкнут с входом D (вывод 9).
Когда дверь открывают, то магнит, вместе с дверью отдаляется от геркона и контакты геркона размыкаются. Вход сброса R оказывается подключен через резистор R1 к плюсовому источнику питания. При этом на инверсном выходе (вывод 2) элемента DD1.1 появится сигнал логической 1, который своим фронтом переключит элемент DD1.2 в другое логическое состояние. Тогда на инверсном выходе триггера DD1.2 (вывод 12) появится сигнал логической 0, который через резистор R3 закроет транзистор VT1. После этого начнется заряд конденсатора С4 вытекающим током преобразователя микросхемы DD2.
При этом будет плавно нарастать мощность, пропускаемая в нагрузку (лампу). Время плавного включения регулируется величиной емкости С4 и при величине 47 мкФ составляет примерно 3 сек.
Когда дверь снова закрывают, то элемент DD1.1 переключится, но это переключение не вызовет переключение триггера DD1.2 и лампа останется включенной.
Элементы R1 и C1 образуют фильтр с постоянной времени примерно 0,1 с.для подавления дребезга контактов геркона.
Особый вопрос - питание микросхемы DD1. Ток потребления триггера, включая ток через резисторы R1, R2, R3 составляет примерно 40…50 мкА, даже в моменты переключения микросхемы средний ток остается в этом диапазоне.
Основное потребление приходится на стабилитрон VD1, который выполняет скорее защитную функцию от превышения напряжения питания микросхемы DD1, чем функцию стабилизации определенного напряжения. По этой причине необходимо выбирать стабилитрон с малым током стабилизации.
Питание микросхемы подается через диодный мост с выводов 10 (11) и 14 (15) микросхемы DD2. В состав моста входят диоды VD2 и VD3, которые пропускают положительные полуволны сетевого напряжения. А диоды, которые пропускают отрицательные полуволны они входят в состав микросхемы DD2, катодами они соединяются с входом С– (вывод 3). (правда, если посмотреть принципиальную схему микросхемы DD2, то последовательно с одним из диодов стоит защитный резистор сопротивлением 10 кOм [4]).
Устройство лучше сначала наладить на столе (стенде), хотя, правильно спаянная печатная плата сразу работает и в особом налаживание не нуждается. Но как показывает практика – от ошибок никто не застрахован. Сначала надо проверить правильность распайки платы, т.е. наличие всех связей, замыкание дорожек, полярность электролитических конденсаторов и т.д. Затем к выводам подключения геркона надо припаять датчик, а к выводам подключения нагрузки припаять специальную переноску, у которой есть патрон с лампой накаливания и сетевая вилка для подключения в розетку.
Внимание! Прежде чем включить устройство в сеть Вы должны знать, что устройство не имеет развязку от электрической сети и все элементы схемы находятся под опасным для жизни напряжением.
Поэтому не касайтесь схемы руками или инструментом с неизолирующими рукоятками до тех пор пока устройство не будет отключено от электрической сети.
Для испытаний лучше применить лампу накаливания мощностью не более 40Вт. Если вы будете при настройке использовать осциллограф, то тогда схему надо включать через специальный переходной трансформатор (т.е. 220 В. в 220 В.), чтобы вторичная обмотка была развязана от сети. Я все измерения производил обычным тестером типа DT-830. Положите на герконовый датчик магнит, включите вилку переноски в розетку при этом лампа не должна загореть (хотя, при первом включении она вспыхивает на долю секунды), затем уберите магнит от геркона – лампа должна с увеличивающейся яркостью загореть. Проверьте напряжение питания микросхемы DD1, оно должно быть не меньше напряжения стабилизации стабилитрона VD1. Снова соедините магнит с герконом – лампа должна гореть, а при следующем удалении магнита лампа должна погаснуть и т.д. При манипуляциях с датчиком надо выяснить четко ли работает режим включения и выключения лампы. Если лампа никак не реагирует на поведение магнита, то надо смотреть напряжение на входах и выходах элементов DD1.1 и DD1.2 и на коллекторе транзистора VT1, т.е. проверить на каком из элементов не происходит переключение. При выключенной лампе напряжение на гасящем резисторе находится в пределах 170В., а при включенной лампе порядка 10 В. Какое - то время надо “погонять” схему в режиме испытания и посмотреть на сколько нагревается гасящий резистор R4, на сколько падает напряжение питания микросхемы DD1 при включенной лампе, при каком рабочем зазоре (расстоянии между магнитом и герконом) происходит срабатывание геркона.
Когда дело доходит до корпуса у радиолюбителей всегда возникают проблемы, потому что найти что-либо подходящее по размерам и функциональности в качестве корпуса бывает довольно трудно. Устройство, которое мне подошло в качестве корпуса я нашел в магазине Радиотоваров и называлось оно – разъем телефонный контактный (какой либо дополнительной информации мне не удалось получить, возможно эту штуку выпускает один из местных Екатеринбургских заводов, возможно это некий китайский вариант):
Первая часть – это основание с одним отверстием по середине (для крепежа к стене) и две контактные планки с винтами для прикручивания телефонных проводов. Вторая часть – это крышка, которая крепится к основанию с помощью удобных защелок.
Внутри основания пришлось удалить ту часть пластмассы, которая служила креплением для контактных планок так, что основание внутри стало плоским и появилась возможность установить электронную плату. Электронная плата для этого корпуса имеет размеры 21мм на 46мм.
Чертеж печатной платы представлен на рис.4 (рис.4 состоит из 2-х файлов находится в файле picture3.bmp и picture4.bmp). Так как плата имеет достаточно малый размер, то пришлось применять малогабаритные детали в частности конденсаторы С2, С3, С5, С6. Предусмотрена возможность установить геркон прямо в электронную плату (см. фото и схему расположения элементов). Тем самым есть возможность установить вместо датчика саму электронную схему вместе с корпусом, тем более что размеры его позволяют. При этом уменьшается количество деталей и остается всего один провод, идущий от платы к питанию лампы.
Самым и главным недостатком таких устройств является монтирование его в уже существующую систему питания лампы накаливания. Одним из простых вариантов включения этого устройства остается подключение либо в распределительной коробке, либо в выключателе, либо в патроне лампы. Я для монтажа выбрал последний вариант, у меня дверь и патрон лампы находятся на расстоянии не больше 50 см., да и место такое, что провод от датчика, если проложить по стене не будет мешаться.
Внимание! Если вы не электрик, и если вы никогда не имели дело с электрической проводкой, но при этом все-таки хотите поставить подобное устройство, то мой вам совет: наймите настоящего электрика, заплатите ему, объясните ему что хотите сделать, может он вам посоветует, как лучше сделать и по крайне мере он с электрической проводкой справится лучше вас и сделает все как надо (если это будет настоящий электрик).
Я делал так.
Вывернул обе электрические пробки, проверил наличие напряжения в сети и только после этого стал разбирать весь патрон лампы, после тщательной ревизии решил заменить весь патрон лампы ему уже было больше 20 лет и он весь потрескался, силовой провод, идущий к лампе оказался алюминиевый. В новом патроне я сделал два отверстия и вывел через них два провода в полихлорвиниловой изоляции, но можно применить и обычный силовой провод, который используется для подключения бытовых электроприборов. Надо разорвать цепь, идущую к лампе. Соединение проводов внутри патрона лучше производить либо через специальные клеммы для подключения электрических проводов, которые сейчас можно купить в электротоварах (по крайне мере в Екатеринбурге они есть), либо с помощью винтового соединения тем более, если у вас окажется, как у меня медь необходимо соединить с алюминием. Затем надо тщательно изолировать с помощью изоляционной ленты, но никак не скотчем. Устройство лучше устанавливать не в самой близости от лампы, а на расстоянии 10-15 см., но не над лампой, чтобы тепло от лампы не нагревало пластмассу корпуса.
Датчик лучше закрепить не у самого края двери, а где-то посередине, чтобы срабатывание происходило при небольшом угле открытия двери для того, чтобы визуально контролировать включение и выключение света (хотя тут объяснить довольно сложно, но экспериментально я пришел к такому выводу). Провод от датчика лучше применить в двойной изоляции, потому что датчик не имеет развязку от электрической сети. Крепить провод удобно специальными крепежными боночками с гвоздиками (продаются они, по-моему, уже везде).
Рекомендую использовать следующие детали. Микросхема DD1 типа К561ТМ2 (можно применить и импортные аналоги), DD2 типа К1182ПМ1 (на сколько я знаю импортных аналогов у нее нет). Все резисторы, кроме R4, мощностью 0,125 Вт и установлены они вертикально. Мощность резистора R4 - 1 Вт этот показатель выбран с запасом, номинал можно взять от 82 кОм до 100 кОм (пробивное напряжение тоже имеет немаловажное значение).
Диоды VD2, VD3 можно применить любые с обратным напряжением не менее 300 В и прямым током 0,1 А, лучше малогабаритные (я применил диоды типа КД243 и не потому что они так необходимы, а просто много их у меня, остались с хороших времен). Стабилитрон VD1 можно применить с напряжением стабилизации от 10 В до 13 В типа КС 210, КС213Б. Как я уже отмечал, что основное потребление приходится на стабилитрон VD1, который выполняет скорее защитную функцию от превышения напряжения питания микросхемы DD1, чем функцию стабилизации определенного напряжения. По этой причине необходимо выбирать стабилитрон с малым током стабилизации.
Из опыта эксплуатации устройства в туалете в течение шести месяцев могу сказать, что первые четыре месяца рука автоматически тянется к выключателю, причем у всех членов семьи. Поэтому лучше сразу замкнуть выключатель, а можно совсем убрать. Не соблюдение алгоритма открывания и закрывания двери приводит к тому, что приходится лишний раз «передергивать» дверь, но такие случаи крайне редки да и подобным образом выключить свет ни сколько не труднее, чем тянуться к выключателю.
Должен сказать, что микросхема К1182ПМ1 мне очень понравилась. Хорошо бы если разработчики микросхемы вывели на одну из ножек, например, генератор тока для питания КМОП микросхем, тем более что имеются свободные ножки у корпуса (2, 4, 5, 12, 13). И выходной ток не зависел бы от режима включено напряжение на нагрузке или нет. Я пытался соорудить что-то подобное внешними элементами (рис. в файле picture5.jpg, но пришлось отказаться от этого по той причине, что схема усложняется.
В Интернете можно найти сайты, которые рассказывают про системы управления электропотребителями по силовому кабелю, радиоканалу, по телефону, по Интернету (http://www.ydom.ru/, http://www.disall.narod.ru/). В скором будущем многие смогут приобрести и установить подобные устройства. В основе таких устройствах, как правило, используются микроконтроллеры – программируемые микросхемы (процессоры). Для большинства радиолюбителей работа с микроконтроллерами остается не доступной по причине сложной системы программирования подобных устройств.
Я хотел сказать, что для того чтобы реализовать простые функции включения и выключения света с помощью двери вовсе не обязательно городить микроконтроллер и датчик присутствия. Это можно реализовать достаточно просто и дешево.
Литература
- И.Немича. Микросхема КР1182ПМ1 - фазовый регулятор мощности. – Радио, 1999, № 7, с. 44-46.
- А. КАЧИКОВ. Автомат управления освещением. – http://www.radiomir.sinor.ru/os-avt.htm. г.Тула
- И. Нечаев. РЕГУЛЯТОРЫ МОЩНОСТИ НА МИКРОСХЕМЕ КР1182ПМ1 - ("Радио", 2000, № 3). (http://radiotech.by.ru/Shematic_PCB/Powersupply/reg_pow_1182PM1.htm. г.Курск)
- Интегральные микросхемы: Перспективные изделия. Выпуск 1 – М.ДОДЭКА, 1996 г. 64 с.
- Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. – Челябинск. 1988 г. 352 с.
- http://www.rmcip.ru/rus/index_r.html (ОАО "Рязанский завод металлокерамических приборов")
- http://www.rmcip.ru/rus/production/ops/ops_alarm_1022.html (ИО 102-2 магнитоуправляемый датчик для поверхностного монтажа)
