Теоретическое описание устройства дистанционного управления освещением при помощи воздействия звуковых сигналов



Данная статья теоретически описывает устройство дистанционного управления освещением с применением звукового сигнала в качестве управляющего воздействия. В качестве устройств ввода-вывода используются микрофон и лампы люстры. Устройство может дистанционно управлять люстрой с одной или двумя группами осветительных ламп мощностью не более 300 Вт каждая. В статье представлена принципиальная электрическая схема устройства, структурная схема и трассировка печатной платы, а также произведен расчет электрических узлов.

Ключевые слова: управление, освещение, сигнал, микросхема, конденсатор

This article theoretically describes a remote-control lighting device using a sound signal as a control. The microphone and chandelier lamps are used as input-output devices. The device can remotely control the chandelier with one or two groups of illuminating lamps with a power of not more than 300 W each. The article presents the principal electrical circuit of the device, the structural diagram and the trace of the printed circuit board, and also the calculation of electrical assemblies.

Keywords: control, lighting, signal, microcircuit, capacitor

Проектируемое устройство позволяет управлять осветительными приборами без помощи проводов. Сигналами управления будут громкие короткие звуки, наиболее оптимальным вариантом для их извлечения будет звук хлопка ладонями. Предлагаемая схема может использоваться для управления двухканальной люстрой или двумя отдельными люстрами, с суммарной мощностью ламп 300Вт каждая. Акустические импульсы улавливаются микрофоном М1. Питание на него подается через резистор R1, который одновременно является его нагрузкой. Далее следует усилитель на VT1.

Усиленные импульсы поступают на формирователь логических импульсов, выполненный на интегральном таймере DD1. Таймер формирует требуемую задержку, формирующую из одного хлопка, в который входит огромное количество хаотических импульсов, один логический импульс правильной формы. Этот импульс поступает на счетный вход интегральной микросхемы двоичного счетчика DD2.

В схеме используются только два младших разряда счетчика этой микросхемы. Цепь, состоящая из конденсаторов и резисторов C5-R5, обеспечивает начальную установку счетчика микросхемы в начальное состояние после подачи питания (или после перебоя в электропитании).

В исходном состоянии, нули — на выходах микросхемы DD2. Оба силовых транзисторно-тиристорных ключа VT2-VS1 и VT3-VS2 в этот момент закрыты, на лампы не подается напряжение и лампы не горят. При первом хлопке, на выводе 3 интегральной микросхемы DD1, возникает логический импульс, который переводит микросхему DD2 в состояние — 01. Формируется единица на выводе 3 DD2, и открывается ключ VT2-VS1. Зажигается лампа Н1. Второй хлопок формирует на выходе микросхемы счетчика состояние 10.

При этом единица оказывается на его выводе 4, а на выводе 3 — ноль. Лампы группы Н1 гаснут, одновременно зажигаются лампы группы Н2. После третьего хлопка состояние счетчика становится 11, на все лампы подается напряжение и все лампы горят, а после четвертого — на выходе счетчике формируется сигнал 00, и лампы гаснут.

Лампы питаются пульсирующим постоянным током через выпрямительный мост, выполненный на диодах VD4-VD7. Логическая часть устройства (микросхемы) получает питание от бестрансформаторного источника постоянного тока, выполненного на элементах VD1-VD3, C6, C7. Источник питания представляет собой дополнительный выпрямитель постоянного напряжения, которым питаются группы ламп люстры. Избыток напряжения гасится на реактивном сопротивлении конденсатора С7.

Далее опишем некоторые составные части устройства.

Интегральная микросхема КР1006ВИ1 представляет собой достаточно сложный таймер для стабильного формирования импульсов напряжения расчётной длительностью ( и — внешние времязадающие элементы) от нескольких микросекунд до десятков минут. Корпус используется типа 2101.8–1 и 4309.8-A.

Данная микросхема предназначена для использования в стабильных датчиках времени, генераторах импульсов, широтно-импульсных, частотных и фазовых модуляторах, преобразователях напряжения и сигналов, ключевых схемах, исполнительных устройствах в системах управления, контроля и автоматики.

Назначение выводов КР1006ВИ1: 1 — общий; 2 — запуск; 3 — выход; 4 — сброс; 5 — контроль делителя; 6 — срабатывание; 7 — цепь разряда; 8 — напряжение питания.

Схемы включения микросхемы КР1006ВИ1 представлены на рис. 1., предельно допустимые режимы эксплуатации приведены в табл. 1.

Рис. 1. Схемы включения КР1006ВИ1 в различных режимах

Таблица 1

Предельно допустимые режимы эксплуатации КР1006ВИ1

1	Напряжение питания	5...15 В
2	Ток нагрузки выхода	не более 100 мА
3	Рассеиваемая мощность при температуре 50 ° C	не более 50 мВт
4	Температура окружающей среды	-45...+70 ° C
5	Допустимое значение статического потенциала	200 В

Примечания:

– Ток сброса — значение тока, протекающего в цепи сброса таймера в заданном режиме при номинальном напряжении;

– начальная погрешность — относительное отклонение длительности импульса , генерируемого таймера с заданными времязадающими элементами и , от значения длительности, определяемой из выражения: ;

– максимальное напряжение сброса — максимальное значение напряжения на выводе цепи сброса, при котором на выходе ИС обеспечивается значение напряжения низкого уровня.

Запуск интегральной схемы возможен при условии не более 0,3 от , передаваемое на вывод «запуск». Для достижения нестабильности запуска таймера не выше заданной, полученной при пульсации источника питания, рекомендуется параллельно с выводами источника питания в непосредственной близости к выводам интегральной микросхемы включать конденсатор емкостью 1...10 мкФ. При неиспользовании вывода микросхемы «контроль делителя» его необходимо замкнуть на корпус или общий провод источника питания через блокирующий конденсатор емкостью 0,01...0.1 мкФ. Минимальная длительность импульса, которая достигается при использовании генерируемого таймера, не превышает 20 мкс. Не рекомендуется подавать на выводы интегральной микросхемы 2, 4, 6, 7 напряжение, значительно превышающее напряжение питания.

Микросхема К176ИЕ1 — шестиразрядный двоичный счётчик-делитель, который удобно использовать совместно с таймером. Каждый отсчёт кода на выходах микросхемы отрабатывает по отрицательному перепаду на тактовом входе . Сброс выходных данных в ноль — асинхронный, происходит, когда на вход микросхемы приходит логический сигнал, имеющий высокий уровень. Технические данные микросхемы приведены в табл. 2.

Таблица 2

Технические данные микросхемы

Напряжение питания в границах	3...15 В
Ток потребления при максимальном напряжении питания	0,2 мА
Температура окружающей среды при эксплуатации	-45...+85оС

Транзистор КТ3102 — эпитаксиально-планарный, n-p-n структуры, кремниевый, универсальный. Применяется в низкочастотных устройствах, требовательных к уровню шумов, а также в генераторных и усилительных СЧ и ВЧ устройствах.

Транзистор КТ605АМ — мезапланарный, структуры n-p-n, кремниевый. Применяется в импульсных и переключающих высокочастотных устройствах, усилителях. Имеет жёсткие выводы и пластмассовый корпус. Масса пластмассового варианта — не более 1 г. Предельные эксплуатационные характеристики приведены в табл. 3.

Таблица 3

Предельные эксплуатационные характеристики

Напряжение К-Б (постоянное):	300 В
Напряжение К-Э (постоянное) при :	250 В
Напряжение Э-Б (постоянное):	5 В
Рассеиваемая мощность (постоянная):	400 мВт
Рабочая температура (окружающей среды и корпуса)	−40...+150°C

Стабилитрон КС207В:

Номинальное напряжение стабилизации стабилитрона — 12 В;

Ток стабилизации стабилитрона — 5 мА;

Дифференциальное сопротивление стабилитрона 30 (5 мА) Ом;

Минимально допустимый ток стабилизации стабилитрона 0,5 мА;

Максимально допустимый ток стабилизации стабилитрона 32 мА;

Прямая рассеиваемая мощность 0,45 Вт.

Диод КД209 — диффузионный, кремниевый. Выпускаются с гибкими выводами и в пластмассовом корпусе. Анод обозначен красной полоской. Масса — не более 0.5 г. Электрические параметры описаны в табл. 4.

Таблица 4

Электрические параметры диода КД209

Максимальное постоянное обратное напряжение	600 В
Максимальный постоянный прямой ток.	1,5 А

При работе диодов КД209 на ёмкостную нагрузку эффективное значение прямого тока не должно превышать Допускается работа диодов на частотах выше 1000 Гц в режимах, при которых средний обратный ток не превышает 500 мкА.

Тиристоры кремниевые КУ201Л, планарно-диффузионные, структуры p-n-p-n, триодные, не запираемые. Предназначены для применения в качестве переключающих элементов устройств коммутации больших напряжений малыми управляющими сигналами.

Диод КД226. Диоды кремниевые, диффузионные. Предназначены для преобразования переменного напряжения частотой до 35 кГц. Выпускаются в пластмассовом корпусе с гибкими выводами. Масса диода не более 0,5 г.

Разрешается последовательное соединение двух диодов одного типа; при этом максимальное обратное напряжение не должно превышать При последовательном соединении большего числа диодов рекомендуется применять диоды одного типа и шунтировать каждый диод резистором с любым сопротивлением.

Допускается параллельное соединение диодов, если обеспечивается исключение перегрузок любого подключенного диода по максимально допустимому прямому току.

При работе диодов на емкостную нагрузку действующее значение тока через диод не должно превышать . Параметры диода представлены в табл. 8.

Таблица 8

Параметры диода КД226

Параметр	Обозначение	Значение	Ед. изм.
Максимальное постоянное обратное напряжение.		600	В
Максимальный постоянный прямой ток.		1.7	А

Резисторы CF-125 мощностью 0.125 Вт. Допуск 5 %, материал углеродистый. Резисторы используются для ограничения тока в цепи за счёт разной электропроводимости у разных проводников (выделяемая мощность преобразуется в тепло). Служат для задания рабочих режимов элементов схемы, ограничения тока и уровня сигнала.

Резисторы с сопротивлением 10 кОм±5 %(коричневый, оранжевый, золотистый, коричневый) 6 штук.

Резистор CF-1 мощность 1Вт, сопротивление 1 МОм, допуск 5 %. Ограничивают ток в источнике питания, служит для разряда конденсатора С7.

Конденсатор К50–35 электролитический, алюминиевый, миниатюрный. Емкость 470 мкФ, Напряжение 50В, размер корпуса 6х12мм. Служит в качестве фильтра пульсаций в цепи питания.

МЭК-03. Микрофон электретный, диаметр 10мм, диапазон частот 50–13000Гц, чувствительность 55мВ/Па. Громкость 40дБА. Используется в качестве датчика звукового воздействия.

Беспаечная макетная плата 840pin. Размеры (ШхВхД): 66x8.5x174мм. Служит для макетирования разрабатываемого устройства, для окончательной наладки и тестирования.

Набор перемычек для макетных плат и межплатного соединения с разной длинной провода (241 мм, 200 мм, 160 мм и 117 мм).

Расчёт электрических узлов

Для усиления сигнала, полученного с микрофона, используем усилительный каскад, выполненный по схеме с общим эмиттером, характеризующийся наибольшими значениями коэффициентов усиления напряжения, тока и мощности по сравнению со схемами включения транзистора с общей базой и общим коллектором. Входной сигнал поступает на базу и изменяет ее потенциал относительно заземленного эмиттера. Это приводит к изменению тока базы, а, следовательно, к изменению тока коллектора и напряжения на нагрузочном сопротивлении . Разделительный конденсатор С1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора С2 на выход каскада подается переменная составляющая напряжения , изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине. Важную роль играет резистор в цепи базы, обеспечивающий выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяющий режим работы каскада по постоянному току. Схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис. 2.

Рис. 2. Резистивный усилительный каскад

Для обеспечения режима работы класса А, необходимо установить соответствующие этому режиму токи электродов. Наиболее просто это получается, если задать расположение рабочей точки. Примем и ток в точке покоя .

Расчитаем сопротивление в цепи коллектора:

Примем сопротивление .

Для обеспечения смещения тока базы определим сопротивление

,

где принимается , т. е. ,.

Примем сопротивление _.

Ёмкость разделительных конденсаторов примем величиной рекомендованной для схемы подключения микрофона.

Коэффициент усиления каскада по току принимается равным минимальному значению , которое приводится в справочной литературе на используемый транзистор.

Коэффициент усиления по напряжению

,

где

где — входное сопротивление таймера DD1;

где можно принять значение , т. к. транзистор VT4 маломощный.

Входное сопротивление каскада

Выходное сопротивление каскада

Расчет формирователя импульсов

Формирователь импульсов представляет собой одновибратор собранный микросхеме таймера КР1006ВИ1.

Рис. 3. Формирователь импульсов

В изначальном состоянии емкость C3 заряжена от транзистора входящего в состав схемы таймера КР1006ВИ. В момент поступления на вход 2 таймера короткого импульса, переключается триггер, выключая короткозамкнутую цепь конденсатора C1.

Одновременно с этим на выходе 3 таймера появляется напряжение высокого уровня. По экспоненциальному закону на емкости C3 растет напряжение заряда с постоянной времени .

При достижении потенциала на конденсаторе примерно 60 % от напряжения питания схемы, компаратор переводит триггер в свое первоначальное положение. Сам триггер, тем временем, резко разряжает конденсатор, в результате чего на выходе 3 таймера появляется электрический сигнал низкого уровня.

Подобная схема одновибратора активизируется импульсом отрицательного характера, имеющего уровень около 30 % напряжения источника питания. Одновибратор будет находиться в таком состоянии на протяжении всего заданного временного периода, даже если в этот момент на вход будут поступать еще импульсы.

При подаче отрицательного сигнала на вывод 4 (сброс) микросхемы КР1006ВИ1, конденсатор С1 будет разряжен и цикл работы одновибратора начнется заново. Положительный фронт импульса поступающего на вывод сброса является началом нового цикла работы одновибратора. До тех пор, пока отрицательный импульс находится на выводе сброса, на выходе одновибратора будет низкий уровень. В случае если в режим сброса нет необходимости, то данный контакт нужно подсоединить с плюсом источника питания, для того чтобы предупредить возможные нестабильные состояния схемы.

Для надежного срабатывания счетчика, при одновременном снижении вероятности ложного срабатывания (переключения источников света) при хлопке, длительность импульса должна быть около 1с. Временной интервал, в процесс которого на выходе 3 таймера КР1006ВИ1будет находиться высокий логический уровень, можно вычислить по формуле

,

где сопротивление в килоомах, а ёмкость в микрофарадах, время в секундах.

Откуда, приняв сопротивление резистора , найдем емкость конденсатора:

Примем емкость конденсатора .

В данном устройстве номиналы резисторов и конденсаторов остальных узлов взяты из технической документации, которая прилагается к узлам и элементам устройства.

Схема электрическая принципиальная представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема электрическая принципиальная

R1, R3, R4, R5, R7, R8–10 kОм R2–220 kОм R6–1 MОм R9,R10–470 Ом С1,С2,С5–0.1мкФ С3,С4–0,01 мкФ С6–470мкФ 50в С7–1,0 мкФ 600В DD1 — КР006ВИ1 DD2 — К176ИЕ1

VT1 — КТ3102Б VT2,VT3 — КТ605АМ VD1 — КС207 VD2,VD3 — КД209 VD4-VD7 — КД226 VS1,VS2 — КУ201Л N1 — МЭК-3А

Структурная схема устройства представлена на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема

Трассировка печатной платы представлена на рис. 6.

Рис. 6. Трассировка печатной платы

В статье были подобраны некоторые необходимые компоненты устройства, произведены расчёты электрических цепей усилителя сигнала и формирователя импульсов. Было выполнено проектирование структурной схемы, электрической принципиальной схемы и проведена трассировка печатной платы.

Литература:

1. Давиденко Ю. Н. Современная схемотехника в освещении. Эффективное электропитание люминесцентных, галогенных ламп, светодиодов, элементов «Умного дома». — СПб.: Наука и техника, 2008.
2. Днищенко В. А. 500 схем для радиолюбителей. Дистанционное управление моделями. — СПб.: Наука и техника, 2007.
3. Дж. Кригер Микропроцессорные устройства. — М.: Радио, 2000.
4. Коломбет Е. А Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. — М.: Радио и связь, 1999.