Главная > Analog circuits > Задержка выключения света

Задержка выключения света

Недавно я решил, что мне нужен ночник, который будет освещать мне дорогу до кровати, пока я, направляясь спать, иду к ней от выключателя основного света в комнате. Разумеется, хотелось бы, чтобы после выключения света можно было бы сразу лечь и забыть про то, что и ночник тоже надо выключить.

Мы живем в век нанотехнологий, время, когда нет ничего невозможного. Сказано — сделано.

Сразу признаюсь, что для достижения поставленной цели мне изначально хотелось спроектировать какую-нибудь пускай и не ламповую, но теплую схему. Что-нибудь из детства, на рассыпухе… Поэтому я сразу отринул мысли о том, чтобы в угоду нынешней моде поставить в устройство микроконтроллер на ядре Cortex-M4 вместе с Ethernet PHY, Wi-Fi, Bluetooth, термометром, датчиком влажности, часами, камерой и 7″ сенсорным Full-HD retina экраном. Правда, такое решение имело бы и преимущества — например, требуемое время отсрочки выключения подсветки в полторы-две минуты наверняка достигалось бы без использования специальных задержек — достаточно было бы гасить свет как только прошивка на Python или C# пропостит время моего отхода ко сну  в твиттер и загрузит мое вечернее селфи в инстаграм. Тем не менее, я, как уже говорил, из ностальгических соображений, ограничился схемой на двух комплементарных транзисторах:

sch

 

Несмотря на то, что эту схему я ниоткуда не срисовывал, назвать себя ее автором я постесняюсь. Основная идея — использование транзистора Q1 в очень характерном включении, в качестве порогового элемента, была в незапамятные времена подсмотрена мной в какой-то древней схеме, спроектированной, видимо, в те годы, когда интегральные компараторы то ли были дорогой экзотикой, то ли их вообще еще не было. Очень теплое и душевное включение…

Да, собственно, как оно работает. После подачи питания (либо после сброса — нажатия на кнопку) C1 начинает заряжаться через R1. Часть тока, разумеется, идет через эмиттерный переход Q1, открывая его. Часть эта очень небольшая — по отношению к участку схемы с C1/R1 Q1 включен как эмиттерный повторитель с пятнадцатикилоомным R3 в качестве нагрузки. Учитывая, что минимальный гарантированный коэффициент передачи тока BC547 составляет 100, входное сопротивление этого каскада составляет около полутора мегаом (причем это минимум). Потому можно считать, что C1 заряжается практически только через R1.

Ток коллектора открытого Q1 есть ток базы Q2. Q2 тоже открывается; на нагрузку поступает напряжение.

По мере заряда C1 напряжение на базе Q1 падает. Заметим, что пока что R2 не оказывал существенного влияния на работу схемы — напряжение на R3 определялось напряжением на базе Q1. Однако рано или поздно напряжение на базе достигнет порога, при котором напряжение на эмиттере Q1 должно было бы стать меньше того напряжения, которое определяется делителем R2/R3. Именно в этот момент присутствие R2 становится определяющим — ток, задаваемый им, не дает напряжению на R3 упасть ниже некоторого уровня. Однако по мере заряда C1 напряжение на базе Q1 продолжает падать. В конце концов напряжение на R3/эмиттере Q1 становится больше, чем на базе, и Q1 запирается. Ток базы Q2 исчезает, Q2 запирается, нагрузка отключается. R4 поддерживает Q2 надежно закрытым.

При нажатии кнопки C1 разряжается, и все начинается заново. Олдскульная, душевная красота…

В качестве излучающих элементов я взял отрезок светодиодной ленты:

led_strip

 

Паять провода к гибкой печатной плате — новое для меня ощущение…

led_strip_soldered

 

Разумеется, рассчитывать такую схему аналитически — дело неблагодарное. Понятное дело, что четкого ключевого режима там не будет — процессы открытия/закрытия будут плавными, и любые расчеты разумного уровня сложности дадут результат примерно плюс-минус километр. Так что это тот случай, когда надо моделировать.

При R1 номиналом 110 килоом и C1 емкостью 470 мкФ Proteus обещает задержку около полутора минут:

sim1

Кстати, тут же можно посмотреть, как изменяется напряжение на базе и эмиттере Q1 (нижний график). Видно (хотя, в таком масштабе может быть и не особо), что когда разница становится менее ~0.5 В, начинается падение выходного напряжения. Все согласуется с теорией и здравым смыслом.

Собираем, тестим…

test_rl

… и выясняем, что вместо теоретических полутора минут задержка составляет чуть ли не две с половиной. Это происходит оттого, что электролитические конденсаторы имеют потрясающую воображение утечку. Собственно, если ее добавить, теория приходит в соответствие с практикой:

sim2

Видно, что, по видимому, сопротивление конденсатора постоянному току составляет менее мегаома. Маловато… Собственно, утечки являются той фундаментальной причиной, по которой невозможно получить слишком длительную задержку на чисто аналоговой схеме.

Затянутое выключение, видимое на графиках выходного напряжения, может быть как багом, так и фичей. Если мы хотим коммутировать стоваттный прожектор — это, конечно, баг. Для мощных нагрузок такую схему применять нельзя — потери на Q2 будут просто невообразимы. Однако в случае маломощной светодиодной ленты это, несомненно, фича, так как без лишних затрат обеспечивает модное плавное выключение.

Пока что схема, как видно, проверена на макетке. В ближайшее время я спаяю ее. Может быть даже так, как делал в детстве — на выводных компонентах, просунутых в картонку. Впрочем, возможно, в целях миниатюризации я сделаю ее и на SMD — пока не решил.

P.S.

Внимательные читатели могут заметить, что цепь, собранная на макетке (фото), не соответствует схеме. Да, так и есть — я экспериментировал, а переснимать и так художественно удачные кадры было лень.🙂

Рубрики:Analog circuits
  1. VY
    08/12/2014 в 00:04

    Классно! Сразу подумалось, что было бы интересно сделать небольшую задержку в несколько секунд, а потом плавное гашение света — особенно эффектно выглядело бы на торшерах, бра и прикроватных лампах🙂

    • YS
      08/12/2014 в 12:24

      Ну, в сетевых устройствах я бы уже ставил микроконтроллер с тиристором. Использовать линейное регулирование там уже не стоит.🙂

  2. 17/06/2014 в 12:25

    Делал подобное устройство на полевом транзисторе (кнопка, транзистор, конденсатор и пара сопротивлений). Нагрузка была по меньше, всего 3 светодиода включенных последовательно. Проверил на макетке, подобрал конденсатор, что бы светило порядка минуты, а потом плавно уменьшалась яркость.
    Сделал плату под smd компоненты, спаял… и не работает, светит пару секунд. Конденсатор разряжался через остатки флюса, который попал между дорожек под smd конденсатором.
    С тех пор задержки более нескольких секунд на аналоговых компонентах не делаю. Точность низкая, термостабльность тоже. Всё таки на контролере получается технологичнее, хотя и дороже.

    • YS
      17/06/2014 в 13:07

      Это да. Тут бы хорошо пошло что-то вроде MSP430G2121. Оптом он, кстати, стоит около 15 р.🙂 Единственная причина того, что я решил делать на аналоге — ностальгия по древней схемотехнике.🙂

  3. shads
    15/06/2014 в 00:44

    Действительно… нет ничего невозможного :)…..

    • YS
      15/06/2014 в 00:46

      Ну так век нанотехнологий же… : )

  1. No trackbacks yet.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s