Powolny ściemniacz-rozjaśniacz oświetlenia 12 V

Układ ma parę zacisków służących jako jego wejście sterujące. Jeżeli zostaną zwarte, rozpocznie się procedura rozjaśniania od zera aż do maksimum. Po rozwarciu będzie się odbywało powolne wygaszanie, do uzyskania całkowitej ciemności. Co istotne, układ zawsze rozpoczyna sekwencję od aktualnego poziomu jasności, zatem nie trzeba czekać na pełne rozjaśnienie sterowanego źródła światła, aby rozpocząć jego wyłączanie. Regulacja odbywa się w 60 krokach, a czas trwania całej sekwencji można regulować potencjometrem montażowym. Może trwać od około 2 sekund aż do 10 minut.

Urządzenie jest zasilane napięciem o wartości 12V, a pobór prądu przez nie wynosi około 10mA. Maksymalna obciążalność wyjścia wynosi około 5A.

Jak to działa?

Schemat układu można zobaczyć na rysunku 1. Najważniejszym elementem w tym układzie jest mikrokontroler typu ATtiny25, który jest taktowany z wewnętrznego oscylatora RC o częstotliwości 8MHz. Głównym jego zadaniem jest generowanie sygnału PWM o zmiennym wypełnieniu, które przyrasta w zadanym tempie. Kondensatory C1 i C2 filtrują zasilanie, a złącze J1 może służyć do zaprogramowania pamięci Flash tego układu oraz konfiguracji jego bitów zabezpieczających.

Rysunek 1.

Szybkość rozjaśniania i ściemniania jest ustalana potencjometrem montażowym P1, który został użyty w roli dzielnika napięcia zasilającego mikrokontroler. Zawarty w ATtiny25 przetwornik analogowo–cyfrowy mierzy to napięcie i przelicza na wymagane interwały czasowe. Ta metoda pozwala szybko i łatwo dostosować ten parametr do indywidualnych wymagań, bez potrzeby wbudowywania w układ wyświetlacza lub wielu przycisków.

Do złącza J2 należy podłączyć przełącznik bistabilny. Mikrokontroler odczytuje stan jego styków poprzez sprawdzenie poziomu logicznego na odpowiednim wejściu cyfrowym. Rezystor R3 podciąga tę wartość do logicznego stanu „1” w momencie, gdy wspomniane styki są rozwarte.

Jakie jest zadanie rezystorów R2 i R4, skoro przez wejścia układów wykonanych w technologii CMOS nie płynie (teoretycznie) jakikolwiek prąd? Po pierwsze, pozwalają one programatorowi ISP – który podłącza się do złącza J1 – na swobodną zmianę wartości poziomów logicznych na odpowiednich wyprowadzeniach układu US1. Bez nich ustawienie potencjometru w wartości maksymalnej lub minimalnej, jak również zwarcie przełącznika bistabilnego powodowałoby brak poprawnej pracy programatora. Ponadto R4 ogranicza prąd płynący przez diody zabezpieczające wejście mikrokontrolera, jeżeli na zacisk złącza J2 zostałoby podane napięcie wyższe od zasilającego. Jego źródłem może być nagromadzenie się ładunków elektrostatycznych, zakłócenie elektromagnetyczne lub błędne podłączenie układu.

Regulacja jasności odbywa się poprzez PWM, zatem potrzebny jest element umożliwiający cykliczne włączanie i wyłączanie obciążenia. Czymś takim może być tranzystor MOSFET T3 o niskiej rezystancji otwartego kanału – zaledwie 20mΩ. Ale do jego sterowania wymagana jest odpowiednio wysoka amplituda napięcia bramka-źródło, jak również możliwie szybkie przeładowywanie pojemności wejściowej tego tranzystora.

Pierwszą kwestią zajmuje się tranzystor T1, który pracuje w konfiguracji klucza nasyconego, realizującego konwersję poziomów napięć. Wartości 0–5V, które daje na swoim wyjściu mikrokontroler, są przezeń przetwarzane na 0–12V. Z kolei T2 przyspiesza zatykanie tranzystora T3, pracując jako wtórnik napięciowy, który zmniejsza rezystancję rozładowującą bramkę. Dioda D1 umożliwia naładowanie tej bramki w momencie wchodzenia T1 w nasycenie, przepływa przez nią ładunek elektryczny w stronę kolektora. Częstot­liwość sygnału PWM w tym układzie to około 500Hz, więc tak prosty układ sterujący bramką tranzystora MOSFET sprawdzi się doskonale.

Dioda D2 chroni T3 przed uszkodzeniem wywołanym impulsami wysokiego napięcia, które mogłyby powstać podczas jego zatykania. Gdyby obciążenie miało charakter indukcyjny, wyłączanie go wywoływałoby powstawanie na jego zaciskach napięcia generowanego przez samoindukcję. Dioda D2 zapobiega ich powstawianiu.

Zasilanie dla układu i obciążenia podłącza się do zacisków złącza J4. Jego wartość może wynosić około 12V, a mikrokontroler wymaga niższego, około 5V. Dostarcza go stabilizator liniowy US2 typu 78L05. Nie było potrzeby stosowania stabilizatora impulsowego, ponieważ pobór prądu z tej linii jest bardzo mały, rzędu kilku miliamperów.

Montaż i uruchomienie

Układ prototypowy został zmontowany na dwustronnej płytce drukowanej o wymiarach 50×45mm. Wzór jej ścieżek i schemat montażowy przedstawia rysunek 2. W odległości 3mm od krawędzi płytki znajdują się otwory montażowe o średnicy 3,2mm każdy. 

Rysunek 2.

Montaż elementów polecam przeprowadzić w sposób typowy, czyli rozpoczynając od elementów w najniższych obudowach. Pod układ US1 proponuję zastosować podstawkę. Tranzystor T3 nie wymaga chłodzenia, o ile prąd pobierany przez obciążenie nie będzie przekraczał 1,5A. Zmontowany układ można zobaczyć na fotografii tytułowej oraz na fotografii 1.

Fotografia 1.

Prawidłowo zmontowany układ może działać po zaprogramowaniu pamięci Flash mikrokontrolera i ustawieniu jego bitów zabezpieczających na następujące wartości:

High Fuse = 0xDC
Low Fuse = 0xE2

Szczegóły tej konfiguracji są na rysunku 3, który zawiera zrzut okna programu BitBurner.

Rysunek 3.

Podłączenie układu sprowadza się do podłączenia zasilania (złącze J4), sterowanego źródła światła (złącze J3) i przełącznika bistabilnego (złącze J2). Przez przełącznik płynie prąd o natężeniu rzędu 0,5mA, więc grubość przewodów połączeniowych nie ma znaczenia. Maksymalny prąd obciążenia może wynosić około 5A, co wynika z ograniczonej szerokości ścieżek na płytce drukowanej.

Tempo ściemniania i rozjaśniania ustala potencjometr P1, przy czym skręcenie go w stronę MIN daje dużą szybkość (krótkie interwały czasowe między kolejnymi krokami), zaś w stronę MAX – długie oczekiwanie pomiędzy kolejnymi krokami.

Jest ich ogółem 60 i zostały tak dobrane, aby uzyskać efekt quasi-liniowej zmiany poziomu jasności.