Przełącznik do żyrandola v2.5

Do czego to służy? - przełącznik do żyrandola

W styczniowym numerze EdW w roku 2013 zaprezentowany został projekt przełącznika do żyrandola, na którego bazie powstał kit AVT3048. Była to druga, ulepszona wersja urządzenia, a zmiany dotyczyły m.in. sposobu zasilania. Sytuacja na rynku oświetleniowym się zmienia. Zniknęły „żarówki – świetlówki kompaktowe”, a dostępne są rozmaite odmiany „żarówek LED”. W kilku ostatnich latach otrzymywałem informacje o problemach z oświetleniem LED podłączonym do przełącznika. W większości dotyczyły one „mrugania”, które normalnie nie występowało, gdy lampka była podłączona bezpośrednio do sieci.

Bliższe zapoznanie się z nowoczesnymi źródłami światła LED oprawionych w popularne cokoły E27, E14, GU10 czy G9 wykazało, że wymagają innego sterowania niż to zastosowane w układzie. Na przestrzeni lat konstrukcje oświetlenia LED poszły w kierunku maksymalnego uproszczenia ich obwodów zasilania, co korzystnie odbiło się na cenie oraz rozpowszechnieniu. Niestety, prostota układu zasilania powoduje problemy ze sterowaniem za pomocą triaków.

Aby wyjść naprzeciw tym problemom, postanowiłem opracować kolejną wersję urządzenia, która będzie umożliwiała bezproblemową współpracę z obecnymi na rynku źródłami światła. Głównym założeniem było opracowanie takiej modyfikacji, aby możliwe było wykorzystanie istniejącego zestawu AVT3048, stąd też niepełny numer wersji v2.5.

W dalszej części opisuję przyczynę nieprawidłowego działania oraz modyfikację, która ją eliminuje.

Jak działa przełącznik do żyrandola?

Schemat z naniesionymi zmianami przedstawiony jest na rysunku 1. Topologia układu jest taka sama jak w wersji poprzedniej, zaktualizowane zostały jedynie wartości rezystorów R2, R3 i ściślej określony typ triaków TR1, TR2.

Okazało się, że na przyczynę problemów z oświetleniem składa się kilka czynników.

W poprzedniej wersji, opracowanej w 2012 roku, każdy z triaków włączany jest podawanym na bramkę krótkim impulsem, który trwa 3ms od momentu przejścia napięcia sieci przez zero.

Prąd bramki nie płynie w całym półokresie i może on mieć większą wartość niż wydajność prądowa zasilacza, ponieważ pobierany jest również z kondensatora magazynującego energię.

Rys.1 Schemat przełącznika żyrandola (z naniesionymi poprawkami)

Długość trwania impulsu była tak dobrana, aby zapewnić niski spadek napięcia zasilającego przy zapewnieniu jednocześnie wystarczającego prądu bramki triaka. Rezystory bramek o wartości 100Ω pozwalały na uzyskanie prądów bramki o wartości ponad 35mA, co jest wartością wystarczającą do załączenia większości triaków z rodziny BT.

Czy jednak krótki 3-milisekundowy impuls wyzwalający triak w zupełności wystarczy do wysterowania lampki LED? Otóż taki sposób sterowania triakiem wymaga, aby po zakończeniu impulsu przez strukturę popłynął pewien prąd, określany prądem podtrzymującym triaka IH (holding current).

W przypadku klasycznych żarówek czy innych obciążeń rezystancyjnych łatwo jest przewidzieć, czy prąd przezeń pobierany jest wystarczający do podtrzymania załączenia triaka, ponieważ pobór ma charakter ciągły. Nowoczesne źródła światła w postaci lampek LED czy nawet świetlówek kompaktorych CFL takiej cechy nie mają. Pobierają z sieci prąd w sposób impulsowy, a wynika to z budowy ich układów zasilania. Co gorsza – układy zasilania w poszczególnych odmianach „żarówek LED” mają różną postać.

Aby to zbadać, otworzyłem obudowy kilku różnych, uszkodzonych egzemplarzy lampek LED. Pozwoliło to zapoznać się z ich obwodami zasilającymi. Natrafiłem na trzy różne rozwiązania, które prezentują fotografie 1–3.

Krótkie charakterystyki różnych lampek LED:

• Fot. 1 – cokół GU10, zasilacz z reaktancyjnym ograniczeniem prądowym, 14 diod połączonych w szereg, na każdej z nich spadek napięcia około 10V, co daje w sumie 140V napięcia zasilającego moduł z diodami LED.

• Fot. 2 – cokół GU10, przetwornica obniżająca, 60 diod LED w konfiguracji szeregowo połączonych 6 zespołów po 10 diod równolegle, 2,4V spadek napięcia na pojedynczej diodzie, co daje napięcie zasilania modułu LED 14,4V.

• Fot. 3 – cokół G9, filament, luminofor COB, liniowe ograniczenie prądu w postaci układu CYT1000B, kondensator filtrujący za mostkiem prostowniczym o wartości tylko 10nF, nieznana liczba diod LED.

W rozwiązaniach zastosowanych w modelach z fotografii 1 i 2 za mostkiem Graetza umieszczony jest kondensator elektrolityczny wygładzający tętnienia wyprostowanego napięcia. Chwilowa różnica napięcia sieci i napięcia na tym kondensatorze determinują wartość prądu płynącego przez zaciski lampki LED. Impulsowy charakter poboru prądu wynika zatem z tego, że w pewnej chwili wartość sinusa napięcia sieci jest większa od napięcia na kondensatorze w zasilaczu.

Inaczej jest w przypadku modelu z fotografii 3, gdzie brak jest elektrolitycznego kondensatora zdolnego zgromadzić znaczący ładunek do zasilenia diod LED. Tutaj impulsowy charakter przebiegu prądu na zaciskach lampki jest spowodowany tym, że w pewnym momencie napięcie sieci wystarcza do zasilenia szeregowo połączonych diod.

Jeśli chodzi o długość impulsu prądu sterującego triakami, można zauważyć następujący fakt – napięcie sieci w ciągu 3ms od przejścia przez zero osiąga wartość bezwzględną około 262V (maksymalna wartość to 324V, osiągana w czasie 5ms od przejścia przez zero). Czy jest możliwe, aby w tym punkcie lampka LED nie pobierała prądu?

Rzut oka w dokumentację zastosowanego liniowego stabilizatora prądu potwierdza te obawy. W jednej z kilku aplikacji, przedstawionej na rysunku 2, producent informuje o napięciu pracy 270–285V, co świadczy o tym, że sterowanie za pomocą impulsów podawanych na bramkę w tym przypadku się nie sprawdzi.

Rys.2 Dokumentacja zastosowanego liniowego stabilizatora prądu

Choć modele 1 i 2 pracują bez zakłóceń, to przypadek 3 przekreśla uniwersalność układu sterowania w przełączniku.

W czasie, kiedy powstawała poprzednia wersja układu, istniał niewielki wybór lampek LED i były to głównie markowe produkty z solidnym układem zasilania w postaci przetwornicy obniżającej. Przykładowo do testów używałem wtedy lampki PARATHOM PAR16 (do dziś służącej), która właśnie taki zasilacz ma. Jak wykazały testy wtedy, także i obecnie jest to najbardziej elastyczny układ zasilania, ponieważ jest w stanie skutecznie zapewnić ten sam strumień świetlny przy dużych wahaniach napięcia zasilającego po stronie pierwotnej.

Wniosek jest taki, że skutecznym rozwiązaniem przy zastosowaniu minimalnej liczby zmian w układzie elektronicznym jest zastosowanie pełnego sterowania bramką triaka. To rozwiązanie daje pewność, że triak będzie włączony pomimo niskich prądów obciążenia.

Bezpośrednią konsekwencją jest zwiększenie średniego prądu pobieranego przez bramki triaków. Naturalnym rozwiązaniem wydaje się zastosowanie triaka z czułym obwodem bramki, co pozwoliłoby na obniżenie poboru prądu przez układ.

Triaki serii BT136 mają kilka odmian, różniących się napięciem pracy i czułością. Typ o oznaczeniu 600D z prądem bramki 5mA dawał nadzieję na jeszcze większą oszczędność prądu do 10mA.

Niestety, podczas testów dały znać o sobie inne niuanse tego elementu. Okazało się na przykład, że triak o niskim prądzie bramki może się włączyć, pomimo że jego bramka jest niepodłączona. Pomiary oscyloskopem pokazały, że podczas włączania włącznikiem na elektrodach triaka powstaje czasami impuls wysokiego napięcia o stromych zboczach. Dodanie elementów tworzących gasik rozwiązuje problem, niestety nie ma nań miejsca na płytce.

Ostatecznie w nowej wersji pojawia się triak BT136-600E z prądem bramki 10mA. Nie jest tak bardzo czuły na krótkie przepięcia, co wykazały testy. Rezystory bramek są zmienione z oporności 100Ω na 360Ω.

Ponieważ wydajność prądowa istniejącego zasilacza wynosi około 20mA, liczy się każdy miliamper. Konieczna była dalej idąca oszczędność prądu i w tym celu zmniejszyłem częstotliwość taktowania mikrokontrolera do 128kHz.

Ponadto gruntownej zmianie uległ program umieszczony w mikrokontrolerze. Między innymi zmieniła się struktura programu; został napisany jako maszyna stanów. Pojawiły się również fragmenty chroniące przed zakłóceniami pochodzącymi od przełącznika.

Program napisany w języku C został skompilowany za pomocą kompilatora XC8 w wersji v2.10.

Źródło oraz wsad do procesora dostępne są w materiałach umieszczonych na Elportalu.

Montaż i uruchomienie przełącznika do żyrandola

Jeżeli mamy do czynienia z układem jeszcze niezmontowanym, robimy to w sposób opisany w dokumentacji kitu AVT3048, używając przy tym nowego zestawu elementów TR1, TR2, R2, R3.

Co innego, gdy przeprowadzamy modyfikację układu zmontowanego już wcześniej. Wszelkich zmian dokonujemy w układzie całkowicie odłączonym od instalacji elektrycznej.

Na początku demontujemy triaki, a później wskazane wcześniej rezystory. Dokonujemy tego, najpierw usuwając spoiwo z punktów lutowniczych wymienianych elementów: R2, R3 i TR1, TR2, z użyciem odsysacza cyny lub miedzianej plecionki i topnika. Po wyjęciu elementów z otworów montażowych oczyszczamy pola lutownicze z topnika, używając do tego ostrego narzędzia i rozpuszczalnika w postaci IPA. Następnie montujemy nowe elementy, pamiętając o prawidłowym ułożeniu triaków, zgodnie z fotografią.

Zaprogramowanie mikrokontrolera można przeprowadzić w układzie, zasilając z programatora (dioda prostownika blokuje przepływ prądu przez diodę Zenera). Przed uruchomieniem należy sprawdzić, czy nie ma zwarcia, szczególnie w obszarze końcówek triaków.

Układ nie wymaga specjalnego uruchamiania i powinien zadziałać od razu.

Montażu układu w instalacji powinny dokonywać osoby pełnoletnie, w pełni świadome zagrożenia ze strony prądu elektrycznego.