Двухканальный контроллер светового шнура типа «дюралайт»

Автор: Одинец Александр Леонидович
Опубликовано 25.10.2011
Создано при помощи КотоРед.

Аннотация. В настоящее время для наружной рекламы, архитектурного освещения, светового оформления мостов, дизайна интерьеров и световой иллюминации широко применяются световые шнуры типа «дюралайт» в различных конфигурациях. Если дополнить такой световой шнур несложным цифровым контроллером, то можно получить определённые светодинамические эффекты переключения светового шнура.

Общие сведения. «Дюралайт» представляет собой гибкий шнур круглого (реже прямоугольного) сечения из окрашенного светорассеивающего пластика (ПВХ), которым залита гирлянда из миниатюрных лампочек или светодиодов. Световой шнур обладает высокими эксплуатационными характеристиками: водонепроницаемостью, ударопрочностью (выдерживает вес до 100 кг на 2,5 кв.см), гибкостью (угол поворота до 60 град.), малым энергопотреблением, может работать в температурном диапазоне от -30 до +60 градусов С; ресурс свечения составляет от 25000 (для лампового) до 100000 (для светодиодного варианта) часов.

По модификации свечения различают следующие серии лампового «дюралайта»:

1. Серия фиксинг - работает в режиме непрерывного свечения лампочек одного цвета. К контроллеру не подключается. Шнур окрашен в определенный цвет, внутри обычные бесцветные лампочки накаливания. Эта серия поставляется в двух вариантах: мини и обычный 2-х проводной дюралайт. Цвета: синий, белый, желтый, оранжевый, красный, зеленый.

2. Серия чейзинг - при подключении через контроллер работает в режиме светодинамики одного цвета. При подключении к сети напрямую работает как серия фиксинг. Шнур окрашен в определенный цвет, внутри обычные бесцветные лампочки накаливания. Эта серия поставляется в варианте 3-х проводной дюралайт. Цвета: синий, белый, желтый, оранжевый, красный, зеленый.

3. Серия хамелеон - при подключении через контроллер работает в режиме светодинамики двух цветов. При подключении к сети напрямую работает в режиме постоянного свечения двух цветов одновременно. Шнур прозрачный, внутри чередуются лампочки двух цветов. Эта серия поставляется в варианте 3-х проводной «дюралайт». Цвета: красно-желтый, желто-зеленый, красно-зеленый, красно-синий, зелено-желтый.

4. Серия мультичейзинг - при подключении через контроллер работает в режиме светодинамики четырех цветов: красный, зеленый, синий, желтый. При подключении к сети напрямую работает в режиме постоянного свечения фрагментов четырех цветов (по 4 лампочки одного цвета) одновременно. Шнур прозрачный, внутри чередуются лампочки четырех цветов (по четыре лампочки каждого цвета). Эта серия поставляется в варианте 5-и проводной «дюралайт».

Соответственно перечисленным сериям меняется кратность резки и потребляемая мощность световых шнуров.

Для серии фиксинг кратность резки 1 м,

для серии хамелеон и чейзинг - 2 м,

для серии мультичейзинг - 4 м.

Потребляемая мощность «дюралайта» изменяется от 16,38 Вт/м (фиксинг, чейзинг, хамелеон) до 21,6 Вт/м (мультичейзинг).

Обычно один конец отрезка «дюралайта» с помощью переходной муфты соединяется с сетевым шнуром, который подключается непосредственно в сеть 220 В. На другой (свободный) конец надевается пластиковая заглушка. Отрезки «дюралайта» могут соединяться друг с другом разъемом типа «папа-папа» и скрепляются соединительной муфтой или специальной термоусаживающей пленкой.

В авторском варианте двухканальный контроллер используется для управления световым шнуром «дюралайт» типа мультичейзинг длиной 12 м. Лампочки красного и синего цветов, а также зелёного и жёлтого сгруппированы между собой в два канала, соответственно. При этом максимальная потребляемая мощность составляет около 260 Вт, т.е. по 130 Вт на каждый канал.

В отличие от конструкций контроллеров, доступных в Интернет, предлагаемый вариант не имеет ограничения по продолжительности времени работы. При этом нет необходимости в ходе работы нажимать какие-либо кнопки, чтобы вернуть контроллер в исходное состояние.

Принцип работы. Схема электрическая принципиальная контроллера приведена на рис. 1. Контроллер содержит: два задающих генератора на элементах DD1.1, DD1.2 и DD2.1, DD2.2, соответственно; RS-триггер DD3.1, DD3.2 возрастания-убывания яркости; реверсивный счётчик DD4 формирования двоичных кодов яркости; дешифратор DD5 состояний счётчика DD4 и светодиодную линейку индикации HL1-HL16; инвертирующие элементы DD1.3…DD1.6 кодовых комбинаций счётчика DD4; счётчик-формирователь DD6 фазового угла первого канала, а также RS-триггер DD8.1-DD8.2 управления коммутирующими элементами (VT3, VS1); счётчик-формирователь DD7 фазового угла второго канала, а также RS-триггер DD8.3-DD8.4 управления коммутирующими элементами (VT2, VS2); параметрический стабилизатор на элементах VD3, VD4…VD7, R14, R15, C5; мощный выпрямительный диодный мост VD8…VD11.

Скорость нарастания-убывания яркости гирлянд задаётся переменным резистором R2, входящим во времязадающую цепь генератора прямоугольных импульсов DD1.1, DD1.2. В устройстве используется так называемый фазоимпульсный метод управления моментом открывания коммутирующих тиристоров. В начале каждого полупериода сетевого напряжения тиристоры закрываются. При этом гирлянды обесточены. С этого момента начинается отсчёт временного интервала до момента открывания тиристоров. Чем больше этот временной интервал, тем меньше яркость в определённом канале, и, наоборот, чем меньше временной интервал от момента перехода сетевого напряжения через ноль до момента открывания тиристора, тем больше яркость в данном канале.

Сказанное поясняют временные диаграммы, показанные на рис. 2. Стробирующие импульсы формируются в начале каждого полупериода в моменты перехода сетевого напряжения через ноль (рис. 2б). Маленькой яркости гирлянды соответствует большое время включения (t вкл.) тиристора (рис. 2в), и наоборот, большой яркости соответствует маленькое время включения (t вкл.) тиристора (рис. 2г).

Рассмотрим работу контроллера, считая с момента перехода сетевого напряжения через ноль. Предположим, что в этот начальный момент времени реверсивный счётчик DD4 работает в режиме суммирования, т.е. двоичный код на его выходах 0…3 нарастает. При переходе сетевого напряжения через ноль транзистор VT1 закрывается и на выходе элемента DD2.3 формируется короткий отрицательный импульс длительностью несколько десятков микросекунд. Воздействуя на входы предустановки «C» счётчиков DD6 и DD7 этот импульс производит запись двоичных кодов по входам счётчиков D0…D3 в их собственные двоичные разряды. Одновременно производится сброс RS-триггеров DD8.1-DD8.2 и DD8.3-DD8.4 в исходное нулевое состояние, что соответствует выключенному состоянию гирлянд в обоих каналах. Благодаря инверторам DD1.3…DD1.6 в счётчики DD6 и DD7 загружаются взаимно-инверсные двоичные кодовые комбинации. Это определяет работу двух каналов в противофазном режиме, т.е. пока в одном канале яркость возрастает, в другом канале яркость убывает.

Поскольку реверсивный счётчик DD4 работает в режиме суммирования, как оговорено выше, в собственные двоичные разряды счётчика DD6 в каждый момент перехода напряжения сети через ноль загружаются последовательно убывающие двоичные комбинации. Следовательно, яркость в этом канале убывает (гирлянда EL1), а во втором канале возрастает (гирлянда EL2).

Для отсчёта временного интервала с момента перехода сетевого напряжения через ноль до момента включения одного из тиристоров используются прямоугольные импульсы задающего генератора на элементах DD2.1, DD2.2. Как только напряжение на выходе диодного моста VD8…VD11 немного превысит нулевое значение, транзистор VT1 откроется и переключит элемент DD2.3 в единичное состояние. Высокий логический уровень с выхода элемента DD2.3 откроет элемент DD2.4 и разрешит прохождение импульсов на входы суммирования счётчиков DD6 и DD7. Если во внутренние двоичные разряды счётчика DD6 окажется записана «максимальная» двоичная комбинация «1111», то первый же отрицательный импульс по входу сложения «+» (вывод 5) вызовет появление отрицательного импульса на выходе переноса «+CR» (вывод 12) и установке RS-триггера DD8.1-DD8.2 в единичное состояние. Этот уровень приведёт к открыванию транзистора VT3 и вслед за ним — тиристора VS1 и зажиганию гирлянды в первом канале (EL1). Таким образом, на выходе RS-триггера DD8.1-DD8.2 будет сформирован прямоугольный импульс максимальной длительности, соответствующий максимальной яркости в первом канале.

Яркость гирлянды во втором канале (EL2) будет минимальной, поскольку во входные двоичные разряды счётчика DD7 (входы D0…D3) была загружена «минимальная» двоичная комбинация «0000», что соответствует максимальному временному интервалу, считая с момента перехода сетевого напряжения через ноль до момента переключения RS-триггера DD8.3-DD8.4 в единичное состояние. Таким образом, на выходе RS-триггера DD8.3-DD8.4 будет сформирован прямоугольный импульс минимальной длительности, соответствующий минимальной яркости во втором канале.

При достижении счётчиком DD4 максимального состояния (на выходах: «1111»), на входы счётчика DD6 поступит комбинация «0000», что будет соответствовать минимальной яркости в первом канале (EL1), и, соответственно, максимальной яркости во втором канале (EL2), поскольку на входы счётчика DD7 поступит кодовая комбинация «1111». Выходная кодовая комбинация «1111» счётчика DD4 дешифруется DD5 и низкий логический уровень с выхода его старшего разряда «15» (вывод 17) переключит RS-триггер DD3.1-DD3.2 в противоположное нулевое состояние. Теперь уровень логической единицы с выхода элемента DD3.2 откроет элемент DD3.4 и разрешит прохождение импульсов задающего генератора DD1.1-DD1.2 на вычитающий вход «-» (вывод 4) реверсивного счётчика DD4. Теперь режим работы определяется, как возрастание яркости в первом канале (EL1) и убывание яркости во втором канале (EL2). Далее цикл работы полностью повторяется.

Конструкция и детали. Контроллер собран на печатной плате (рис. 3) размерами 120x95 мм из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. В устройстве применены резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-2 (R14, R15), конденсаторы постоянные типа К10-17 (С1, С2) и электролитические типа К50-35 (С3…С5); подстроечный резистор R4 — типа СП3-38б в горизонтальном исполнении, переменный R2 может быть любой малогабаритный; транзисторы VT1…VT3 типа КТ3102БМ можно заменить на любые из этой серии, а также серии КТ503 и другие маломощные структуры n-p-n; светодиоды HL1…HL16 — красного цвета диаметром 3 мм; стабилитроны VD1 и VD3 могут быть любыми маломощными с напряжением стабилизации 8…12 В. Тринисторы могут быть из серий КУ201, КУ202 с индексами «К», «Л», «М», «Н». Мощные диоды FR307 заменимы на аналогичные с рабочим напряжением не менее 400 В. Все КМОП микросхемы серии КР1564 заменимы на соответствующие аналоги серии КР1554.

Для питания всего контроллера используется маломощный параметрический стабилизатор, а для питания цифровой части — интегральный стабилизатор типа КР142ЕН5А. Применить параметрический стабилизатор вместо понижающего трансформатора стало возможным благодаря очень низкой потребляемой мощности КМОП микросхем серии КР1564. Большую часть мощности потребляют светодиоды (около 6 мА) и тиристоры в моменты коммутации. В авторском варианте конструкция собрана в виде небольшого домика, а светодиоды расположены у миниатюрных окон. Таким образом, «бегающий огонь» из светодиодов создаёт иллюзию оживления в домике. (Сам домик располагался под новогодней ёлкой.) При желании, светодиоды можно исключить из конструкции. Функциональность схемы при этом не ухудшиться, но несколько уменьшиться нагрузка на параметрический стабилизатор.

Настройка контроллера заключается в установке частоты задающего генератора DD2.1, DD2.2 подстроечным резистором R4 и выборе желаемой скорости нарастания яркости с помощью переменного резистора R2. Перед первым включением движок резистора R4 устанавливают в среднее положение, а затем его поворотом добиваются полного перекрывания диапазона изменения яркости гирлянд. При уменьшении сопротивления этого резистора, возрастает частота генератора, следовательно, счётчики DD6 и DD7 будут переполняться раньше времени, и яркость при этом будет также уменьшаться до нуля раньше времени. Если сопротивление R4 будет чрезмерно большим, то сигналы переполнения счётчиков будут запаздывать, и диапазон изменения яркости не будет перекрываться полностью.

К недостатку данного устройства можно отнести относительно большую дискретность изменения яркости, число градаций (уровней) которой равно коэффициенту пересчета счётчиков DD6, DD7. Переходы между уровнями становятся особенно заметными при большом периоде нарастания-убывания яркости. Чтобы сделать переливы яркости идеально плавными (достичь малой дискретности) необходимо последовательно с DD6 и DD7 включить ещё по одному такому же счётчику. При этом возможно достижение дискретности изменения яркости равной 256 уровням. Естественно при этом необходимо увеличить частоту задающего генератора, собранного на элементах DD2.1, DD2.2.

При длине светового шнура до 12 м нет необходимости устанавливать тиристоры и мощные диоды на радиаторы, поскольку средняя мощность на канал не превышает 65 Вт. При большей длине светового шнура коммутируемая мощность возрастёт. Соответственно, тиристоры необходимо установить на радиаторы, а диоды использовать в металлических корпусах. Их также необходимо установить на радиаторы.

Внимание! Конструкция имеет непосредственную гальваническую связь с сетью переменного тока! Все элементы находятся под напряжением 220 В. При настройке устройства необходимо использовать отвёртку с ручкой из изоляционного материала. Ручка переменного резистора R2 также должна быть выполнена из изоляционного материала.

Все вопросы в Форум.