Микроэлектронные проекты. Михаил Юрьевич Милославский. Двухканальный стабилизированный диммер

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. Введение
Несмотря на бурное развитие сверхярких светодиодов, в широкой продаже пока не появились светодиодные лампы, способные заменить бытовые лампы накаливания. Получившие довольно широкое распространение энергосберегающие люминесцентные лампы, при всех своих достоинствах, обладают, во-первых, высокой стоимостью, во-вторых, требуют сложную схему управления яркостью [1].
Отечественные и зарубежные регуляторы ламп накаливания имеют ряд недостатков:
- управление только одним каналом;
- отсутствие стабилизации яркости;
- наличие помех радиоприёму, звон нитей ламп, жужжание встроенного фильтра.
Эти же недостатки (либо все сразу, либо по отдельности) присущи схемам, опубликованным в радиолюбительской литературе, периодической печати и в Интернете.

1.2. Постановка задачи


Рис. 1. Внешний вид светильника.

Автору проекта потребовалось создать регулятор яркости ламп накаливания (за рубежом называемый «диммер» - dimmer), свободный от указанных недостатков, и предназначенный для установки в двухканальный светильник промышленного производства (Рис. 1).

Разработка устройства велась с учётом следующих требований (все с одинаковым приоритетом):
• Простота схемы (минимальное количество компонентов);
• Функциональная насыщенность, многообразие регулируемых параметров;
• Устойчивость к броскам сетевого напряжения, долговечность;
• Отсутствие либо минимальный нагрев компонентов (пожаробезопасность);
• Низкое энергопотребление;
При проектировании устройства не ставилась задача минимизировать его стоимость.

Несколько слов о том, откуда и почему взялись эти требования. Малое число используемых деталей – это необходимость, вызванная малыми размерами корпуса светильника. Расширенный список функций и обилие всевозможных регулируемых параметров – не что иное, как желание дать возможность любому пользователю настроить и использовать устройство в соответствии со своими потребностями и желаниями, а не ограничиваться тем набором, который обычно закладывают производители в свои изделия. Защита от повышения напряжения в сети – насущная необходимость, связанная с невысоким качеством российского электроснабжения. Долговечность – без комментариев. Небольшой нагрев компонентов – во-первых, из-за плотного примыкания к обоям на стенах (учитывается круглосуточный режим работы, в том числе без присмотра), во-вторых, для снижения потребляемой мощности (нагрев – это лишние потери), в-третьих, для упрощения расчётов (везде подразумевалась температура окружающей среды 25°C). Низкое энергопотребление – в первую очередь забота об окружающей среде.

1.3. Технические характеристики
Созданный в соответствии с перечисленными требованиями регулятор обладает следующими техническими характеристиками:


Количество каналов 2 Мощность ламп 60 Вт на каждый канал Напряжение сети 220 В±10% Частота сетевого напряжения 50 Гц±0,4 Гц Потребляемая мощность не более 0,92 Вт (при напряжении сети 220 В) Диапазон регулировки напряжения 12 – 88% (может быть расширен до 1,4 – 99,6%) Изменение выходного напряжения в диапазоне входного от 198 В до 242 В 1 В (при максимальной яркости лампы)



1.4. Достоинства
Помимо традиционных для данного класса устройств функций, таких, например, как плавное включение-выключение ламп и запоминание их яркости, в регуляторе реализованы дополнительные функции, перечисленные далее наряду с другими преимуществами:

• Два независимых режима работы каждого канала;
• Возможность отключения запоминания яркости (для любого режима любого канала);
• Автоматическое включение при возобновлении подачи электроэнергии (отключаемое);
• Автоотключение по прошествии заданного интервала времени (два способа);
• Имитация присутствия хозяев (возможен случайный выбор яркости и интервалов времени);
• Хорошая повторяемость, не требуется налаживание схемы;
• Отсутствие дефицитных элементов ­(свободно приобретены в московской розничной сети);
Дистанционное управление в список не входит, т.к. устройство предназначено для использования на расстоянии вытянутой руки.

Работа устройства описана максимально подробно. Автор исходил из принципа "лучше избыток информации, чем её недостаток". Тем не менее, некоторые очевидные моменты опускаются в расчёте на то, что читатель имеет опыт работы с микроконтроллерами. Рекомендуется прочитать проект от начала и до конца, т.к. он содержит интересные оригинальные решения, а также ссылки на опыт зарубежных авторов, не публиковавшийся ранее на русском языке.

Основные расчёты, выделенные в тексте жирным шрифтом, сведены в прилагаемый файл Excel. Небольшое расхождение между результатами в файле и в описании проекта связано с погрешностями округления.

1.5. Схема и принцип работы
Основу устройства, принципиальная схема которого изображена на Рис. 2, составляет микроконтроллер (далее по тексту МК) ATmega16L семейства AVR корпорации ATMEL. Управление осуществляется двумя не фиксируемыми в нажатом положении кнопками, по одной на каждый канал.


Рис. 2. Принципиальная схема диммера.
Регулировка мощности основана на реверсивном принципе управления фазой. Нагрузка включается в каждом полупериоде сети в момент перехода сетевого напряжения через нуль и выключается через определённый интервал времени в зависимости от требуемого уровня яркости. Коммутация нагрузки осуществляется мощными MOSFET транзисторами. Такое решение имеет целый ряд преимуществ перед классической схемой прямого фазового регулирования на основе триака:
• "мягкое" управление транзистором позволяет снизить уровень помех и звон нити лампы – не нужен громоздкий сетевой фильтр, снижающий эффективность и зачастую являющийся источником неприятного жужжания;
• благодаря нарастанию напряжения с нуля и малому звону нити, лампы служат намного дольше;
• для управления MOSFET транзистором требуется гораздо меньший ток;
• более низкое падение напряжения на переходе транзистора сокращает тепловыделение;
• отсутствие понятия "ток удержания" позволяет плавно регулировать малую яркость;
Стабилизация мощности (т.е. яркости) основана на использовании формулы P = U² / R. Если принять, что сопротивление нити накала постоянно [2], то, измеряя и корректируя в каждом полупериоде среднее напряжение на лампе, можно добиться стабилизации яркости. Изменение сопротивления нити при включении не учитывается, т.к. при этом, равно как и при регулировке яркости, стабилизация не нужна. Строго говоря, сопротивление нити зависит от температуры, а также изменяется в некоторых пределах в течение каждого полупериода [3]. Однако практическая проверка показала, что эти факторы можно не принимать во внимание – на качестве стабилизации они не отражаются.
В принципе вместо напряжения можно измерять ток через нагрузку, в соответствии с формулой P = I² • R. Но это требует дополнительного компонента (шунта), а выигрыша ни в чём не даёт.
Напряжение меряется не на самой лампе, а на выходе диодного моста, к которому она подключена. Это возможно, поскольку падение напряжения на канале транзистора мало и им можно пренебречь.
Максимальное напряжение, которое можно подать на лампу, несколько снижено, чтобы было за счёт чего осуществлять стабилизацию при уменьшении напряжения сети.

Диодный мост выполняет три функции:
• создаёт пульсирующее однополярное напряжение для питания нагрузки;
• выпрямляет сетевое напряжение для питания схемы;
• обеспечивает сетевое напряжение удвоенной частоты (100 Гц), используемое МК для определения момента перехода фазы сети через нуль.

Детектирование перехода сетевого напряжения через нуль осуществляется тем же делителем напряжения и тем же каналом встроенного в МК аналого-цифрового преобразователя (АЦП), которые предназначены для измерения напряжения на лампе. Это позволяет отказаться от встроенного в МК компаратора и уменьшить тем самым потребляемый ток. Фильтрация сетевых помех реализуется программно.

Блок питания выполнен по бестрансформаторной схеме с гасящим резистором (балластом). Использовать в качестве балласта конденсатор в данной схеме не получится, т.к. для этого требуются два диодных моста (один для блока питания, другой для ламп) с объединёнными выводами земли, что невозможно по причине короткого замыкания. Строить блок питания по трансформаторной схеме тоже не получится, т.к. не существует сетевых трансформаторов, которые подходили бы по габаритам (максимально допустимая высота 13 мм).
В качестве регулирующего элемента применён прецизионный микромощный источник опорного напряжения +5 В параллельного типа (далее по тексту ИОН). По сравнению с обычным стабилитроном, выбранный ИОН имеет два важных преимущества. Во-первых, одновременно со стабилизацией питания МК получается стабильное опорное напряжение АЦП [3]. Во-вторых, на порядок уменьшается потребляемый регулирующим элементом ток (примерно с 1 мА до 0,1 мА).

Устройство имеет защиту от короткого замыкания, превышения мощности нагрузки и повышения сетевого напряжения.

1.6. Терминология
Использованные в описании термины имеют следующие значения:
Функция (feature) – то или иное удобство, предоставляемое пользователю. Пример функции – Имитация Присутствия Хозяев. Функция может иметь несколько режимов.
Режим (mode) – это выбираемый пользователем способ поведения функции. Например, функция Имитация Присутствия Хозяев может работать в режиме постоянных значений яркости, длительности включенного и выключенного состояний, или в режиме, когда эти значения выбираются случайно.
Состояние (state) – это составная часть каждого режима. Примеры: канал может находиться во включенном или выключенном состоянии (в любом режиме); при включении/выключении канала он находится в состоянии плавного увеличения/уменьшения яркости; при включенном канале и нажатой кнопке канал находиться в состоянии изменения яркости.
Нажать кнопку (ClickButton) – означает нажать её и затем отпустить не позже чем через 1 секунду (это время определяется значением константы cButtonOnHoldSense).
Удерживать кнопку (HoldButton) – значит нажать её и удерживать в нажатом положении не менее 1 секунды (это время определяется значением константы cButtonOnHoldSense).
Процедура – фрагмент кода, который начинается с одноимённой метки, и продолжается, как правило, до следующей метки. Например, процедура PhaseDetect – это участок кода программы от метки 'PhaseDetect:' до метки 'ADCSampling:'.
Основная программа – участок кода в блоке Main.asm от первой команды процедуры ADCExit до первой команды процедуры PhaseDetect.


2. УПРАВЛЕНИЕ

Каждый из двух каналов диммера имеет два режима работы. Каналы и их режимы работают одинаково, но независимо друг от друга, каждый со своими настройками. Поэтому далее рассматривается работа на примере одного канала или режима. Названия ячеек EEPROM, в которых хранятся настройки, даны в общем виде. Номер канала/режима либо не указывается совсем, либо обозначается буквой "X" или "x".

Допустимый диапазон настроек, их размерность, а также значения по умолчанию указаны в описании соответствующих ячеек EEPROM в файле Dimmer.asm. Порядок изменения значений некоторых из них приведён в разделе Настройка.

Существует несколько общих правил, которые относятся к любым функциям и режимам работы:
• Если не указано иное, длительность нарастания и спада яркости при включении и выключении определяется значениями ячеек eTurnOnSpeedModeXChX;
• Во время включения и выключения канала он не реагирует на манипуляции с кнопкой;
• Точность выдерживаемых интервалов зависит от стабильности частоты питающей сети и, как правило, составляет не хуже ±10 секунд в сутки;
Устройство готово к работе через 4 секунды после подачи сетевого напряжения. В случае кратковременного (около 1 секунды) пропадания напряжения сети устройство возобновляет свою работу сразу, без задержки.

2.1. Включение и выключение
Режим, в котором включится канал, определяется способом управления кнопкой. При нажатии кнопки включается первый режим, при удерживании – второй.
Яркость нарастает плавно, что в значительной степени продлевает срок службы лампы, и благоприятнее воспринимается. Яркость увеличивается до тех пор, пока не сравняется с той, которая была при последнем использовании данного режима. Уровень яркости сохраняется в ячейке eLastBright. Эта же ячейка определяет величину яркости при первом включении диммера в сеть, а также, если запоминание яркости было отключено.
Благодаря раздельным настройкам каналов и их режимов, появляется возможность задать четыре разных уровня освещения для различных ситуаций. Например: просмотр телепередач, чтение, ночное освещение, дежурный свет в комнате.

Длительность нарастания яркости, т.е. время за которое включится канал, определяется значением ячейки eTurnOnSpeedMode1 или eTurnOnSpeedMode2, в зависимости от выбранного режима. Это позволяет настроить разную скорость изменения яркости с учётом различного уровня внешней освещённости. Например, можно выбрать максимальную скорость для первого режима, чтобы обеспечить быстрое включение канала при наличии освещения в комнате от других источников, и минимальную скорость для второго режима, чтобы глазам было легче адаптироваться при включении лампы в полной темноте.

Выключается канал нажатием на кнопку. Скорость спада яркости определяется значением ячейки eTurnOffSpeedMode1 или eTurnOffSpeedMode2, в зависимости от текущего режима. Это позволяет настроить наиболее комфортное изменение яркости с точки зрения восприятия или в зависимости от ситуации. Например, минимальная скорость будет полезна, чтобы после выключения канала успеть выйти из комнаты не в темноте или чтобы плавным гашением воссоздать атмосферу кинозала.

Если бит ebTurnPrevState установлен, то при возобновлении подачи электропитания после сбоя канал включится автоматически (через 4 сек.). При этом будет восстановлен тот режим и та яркость, которая существовала на момент сбоя. Если же отключение электроэнергии произошло во время включения или выключения канала, то после её возобновления канал не включится.

2.2. Регулировка и запоминание яркости
Регулировка яркости происходит при удерживании кнопки. Скорость изменения яркости определяется значением ячейки eBrightChangeSpeed.
Диапазон регулировки яркости задаётся ячейками eBrightnessMin и eBrightnessMax, причём даже том случае, когда уровень яркости, запомненный в ячейке eLastBrightX_X, лежит за пределами этого диапазона (о назначении ячейки eLastBrightX_X см. далее).
По достижении крайних значений изменение яркости на короткое время приостанавливается, чтобы иметь возможность зафиксировать её на минимальном или максимальном уровне. Длительность этой задержки определяется значениями ячеек eMinBrightDelay и eMaxBrightDelay.
Направление изменения яркости при удерживании кнопки зависит от состояния бита ebBrightDirMode. Если бит равен 0, направление не меняется, т.е. остаётся таким же каким было во время предыдущей регулировки. Если бит равен 1, направление изменяется на противоположное. Первая регулировка после включения канала всегда направлена в сторону увеличения яркости (если, конечно, её текущий уровень ниже максимального).

Через 2,5 секунды после окончания регулировки установленная яркость сохраняется в энергонезависимой памяти, её уровень записывается в ячейку eLastBrightX_X.
Имеется возможность отключить запоминание. Это может оказаться полезно, если, например, требуется, чтобы тот или иной режим того или иного канала всегда включался на максимальную яркость, но при этом сохранялась возможность регулировки. Возможен также и другой сценарий: предположим, что первый режим используется для чтения (яркость чуть выше средней), а второй - для просмотра телепередач (яркость чуть ниже средней). Иногда требуется, к примеру, что-то зашить. Для этого нужно включить максимальную яркость. Если запоминание яркости не отключать, то при следующем включении, например, первого режима яркость будет максимальной, а надо, чтобы она была, как и раньше, чуть выше средней, т.к. чтение используется намного чаще шитья.
Отключить запоминание яркости можно сбросом бита ebSaveBrightMхChх. В этом случае уровень яркости будет определяться значением той же самой ячейки eLastBrightХ_Х с тем лишь отличием, что её содержимое не будет перезаписываться. При этом пределы регулировки яркости остаются в диапазоне, определяемом ячейками eBrightnessMin и eBrightnessMax.
Если требуется чтобы яркость, задаваемая в ячейке eLastBrightХ_Х, была стабилизирована, следует выбирать её значение с учётом рекомендаций, относящихся к подбору максимальной яркости (см. раздел Настройка).

2.3. Автоотключение
Если канал не был выключен в течение количества часов, заданных в ячейке eOffTimeoutHours (1…24 ч.), он выключается автоматически. Отсчёт времени начинается сразу после отпускания кнопки при включении канала. Возможны два способа автоотключения, выбираемые с помощью бита ebAutoOffMode.

Способ 1 (ebAutoOffMode = 0). Яркость постепенно уменьшается до полного выключения канала. Время, за которое это происходит, определяется значением ячейки eOffTimeMode1. Время выключения зависит также от исходного уровня яркости.

Способ 2 (ebAutoOffMode = 1). Сначала яркость уменьшается на фиксированное значение, задаваемое в процентах от исходной яркости в ячейке eBrightDecrPercent (10...90%). Если после этого в течение количества минут, указанных в ячейке eOffTimeMode2 (1…240 мин.), автоотключение не будет отменено, канал выключается.

Чтобы отменить автоотключение, следует удерживать кнопку. При этом яркость восстановиться до исходного уровня, и начнется новый отсчёт времени. Нажатие кнопки вместо её удерживания приведёт к немедленному выключению канала.

Если во время автоотключения произойдёт пропадание напряжения сети, то после его возобновления канал не включится. Если же напряжение пропадёт в момент отмены автоотключения, то канал включится (если это разрешено битом ebTurnPrevState).

Стоит отметить, что помимо предоставляемого удобства и обеспечения безопасности, функция автоотключения отвечает требованию европейской директивы 1275/2008/ЕС от 17 декабря 2008 года, согласно которой все новые устройства, производимые с 2012 года, должны автоматически переключаться в режим пониженного энергопотребления.

2.4. Имитация присутствия хозяев
Данная функция (сокращённо ИПХ) предназначена для автоматического включения и выключения светильника через заданные промежутки времени. Эта функция – единственное исключение из общего правила, согласно которому оба канала работают независимо друг от друга. В данном случае они управляются одновременно, при этом используется единый набор настроек. Ручная регулировка яркости (путём удерживания кнопок) недоступна. Это сделано специально, для того чтобы отличать функцию ИПХ от других функций и режимов работы устройства. Стабилизация яркости также не гарантируется, т.к. её уровень может принимать любое значение, вплоть до максимального (255), т.е. превышать значение, заданное в ячейке eBrightnessMax. Однако, по большому счёту, стабилизация в данном случае не нужна, т.к. функция используется, когда никого нет дома.

Включается функция ИПХ удерживанием обеих кнопок, когда оба канала выключены. При этом оба канала включаются на одинаковую яркость, определяемую ячейкой eOwnersAtHomeBright.
Продолжительность работы во включенном состоянии определяется значением ячейки eOwnersAtHomeOnPeriod (1…240 мин.). Отсчёт времени начинается с начала включения каналов. По истечении заданного времени оба канала выключаются. Продолжительность выключенного состояния определяется ячейкой eOwnersAtHomeOffPeriod (1…240 мин.). Отсчёт времени начинается с начала выключения каналов. Как только это время истечёт, оба канала снова включаются. Цикл будет повторяться до тех пор, пока функция не будет отключена вручную.

Отключается функция нажатием любой кнопки. Если в этот момент каналы были включены, они выключаются. Если же каналы были выключены, то тот канал, которому соответствует нажатая кнопка, включается в обычном первом режиме. При выключенных каналах функцию можно также отключить удерживанием кнопки. В этом случае соответствующий канал включится в обычном втором режиме.

Можно сделать так чтобы уровень яркости и время работы во включенном и выключенном состоянии изменялись каждый раз по случайному закону. Для этого нужно установить бит ebRandomOAH. Такая возможность повышает эффективность функции, поскольку со стороны невозможно отследить какую-либо закономерность – каждый цикл включения/выключения не похож на предыдущий.

Независимо от того, включен ли режим случайного выбора или нет, минимальная яркость составляет примерно 25% от максимально возможной. В данном случае под максимально возможной понимается яркость лампы, включенной в сеть напрямую, поскольку в функции ИПХ яркость может принимать значения вплоть до максимального уровня 255. Такое ограничение минимальной яркости позволяет убедиться в работе функции при ярком внешнем освещении. Кроме того, если яркость сделать меньшей, то её уровня будет недостаточно для заметного освещения окна комнаты в тёмное время суток.

Длительность нарастания и спада яркости при включении и выключении функции, а также во время её работы зависит от того, в каком режиме последний раз использовались каналы. Например, если первый канал был задействован в первом режиме, а второй канал во втором, то длительность нарастания и спада яркости первого канала будет определяться значениями ячеек eTurnOnSpeedMode1Ch1 и eTurnOffSpeedMode1Ch1, а второго канала – значениями ячеек eTurnOnSpeedMode2Ch2 и eTurnOffSpeedMode2Ch2.

Отключение электроэнергии не влияет на работу функции. Если питание пропадёт при включенных каналах, то после его возобновления каналы включатся. При задействованном режиме случайного выбора яркость будет выставлена случайно и может не совпасть с предыдущей. Если питание пропадёт при выключенных каналах, то после его возобновления каналы не включатся, однако начнётся новый отсчёт времени работы в выключенном состоянии.
Аналогично этому, если питание пропадёт в момент включения каналов (во время нарастания яркости), то после его возобновления каналы включатся, а если в момент выключения – то нет.
Если питание пропадёт в момент включения самой функции, то после его возобновления каналы включатся. Поэтому, если функцию потребовалось включить, например, перед отъездом в отпуск, и в этот момент пропало напряжение в сети, ждать пока оно появится не нужно – функция самостоятельно возобновит свою работу, как только восстановится напряжение в сети. Соответственно, если питание пропадёт в момент выключения функции (независимо от того, в каком состоянии находились каналы), то после возобновления питания функция будет отключенной.
Во всех случаях отсчёт времени работы во включенном и выключенном состоянии после возобновления подачи электроэнергии начинается заново.



3. АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ

Устройство предназначено для управления стандартными лампами накаливания. Подключение другой нагрузки, например энергосберегающей лампы или электродвигателя, может вывести устройство и (или) нагрузку из строя.

ВНИМАНИЕ! Устройство не имеет гальванической развязки от сети. Элементы схемы находятся под сетевым напряжением! Поэтому до закрепления светильника на стене следует соблюдать соответствующие меры предосторожности. Программировать установленный на плату МК можно только программатором с полной гальванической развязкой.

Полный перечень использованных компонентов (спецификация) прилагается. Также прилагаются описания (datasheets) активных компонентов, задействованных в схеме.

3.1. Диодный мост
Применение диодного моста VD2, рассчитанного на ток 6 А, для работы с небольшим током нагрузки (максимум 0,55 А) объясняется тем, что лампы иногда перегорают во время работы. Возникающий при этом импульс тока амплитудой более 10...20 А способен повредить одноамперные мосты, такие как КЦ402 или КЦ405.

Ещё одна причина большого запаса по току – это гораздо меньшая степень нагрева моста. Впрочем, полностью устранять нагрев не имеет смысла, т.к. корпус устройства всё равно немного нагревается от ламп, особенно когда они включены на максимальную яркость.

По причине, указанной в разделе Защита от превышения сетевого напряжения, диодный мост должен быть рассчитан на обратное напряжение не менее 600 В. Использование моста на 1000 В вызвано отсутствием в продаже экземпляров с меньшими напряжениями на момент сборки устройства.

3.2. Блок питания
3.2.1. Источник опорного напряжения
Особенностью схемы является использование для питания МК не обычного стабилитрона, а интегрального источника опорного напряжения DA1 параллельного типа. Как уже отмечалось, это позволяет отказаться от отдельного ИОН и снизить потребляемый ток. Помимо этого, если напряжение на выходе параллельного ИОН повысится по каким-либо причинам, возникшим со стороны шины питания схемы, это не приведёт к нарушению стабилизации, а лишь увеличит ток через ИОН. Это общая особенность параллельных стабилизаторов напряжения [3].
Нерегулируемый двухвыводной ИОН выбран специально – нет необходимости подбирать и устанавливать два дополнительных высокоточных резистора. Для стабильной работы данного ИОН не требуется конденсатор с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), что тоже является плюсом.
ИОН серии LM4040 выпускаются с различным классом точности и, соответственно, стоимости. Для данного применения достаточно класса точности 1%.
В качестве замены можно порекомендовать более дорогой прибор LT1634, хотя на практике его работа не проверялась.

3.2.2. Балластный резистор
Для гашения избытка сетевого напряжения, поступающего на вход ИОН, используется балластное сопротивление, образованное резисторами R1 и R2. Принцип действия ИОН параллельного типа совпадает с обычным стабилитроном, поэтому для расчёта гасящего резистора можно применить классическую формулу:

R = (Uвх – Uст) / (Iн + Iст), где
     Uвх – входное (ограничиваемое) напряжение, снимаемое с выхода диодного моста
     Uст – напряжение стабилизации стабилитрона
     Iн – ток нагрузки
     Iст – ток стабилитрона

Изменим формулу с учётом падения напряжения на двух диодах диодного моста:
R = (Uвх – 2•Uд – Uст) / (Iн + Iст). Падение напряжения на предохранителе не учитываем, т.к. по результатам измерений оно составило всего 0,2 В при максимальной нагрузке. Добавив коэффициент, учитывающий разброс сопротивления резистора, получаем конечную формулу:

R = [(Uвх – 2•Uд – Uст) / (Iн + Iст)] • Кr

Сопротивление резистора должно быть, с одной стороны, достаточно низким, чтобы обеспечить минимальный ток стабилитрона при максимальном токе нагрузки и минимальном напряжении сети, но, с другой стороны, достаточно высоким, чтобы при максимальном напряжении сети и минимальном токе нагрузки не превысить максимально допустимый ток стабилитрона.

Начнём с выяснения максимального сопротивления резистора, обеспечивающего минимальный ток стабилитрона при наихудших условиях.

Минимальное среднее значение выпрямленного напряжения Uвх при 10%-ном допуске на напряжение сети [4] составит 198 В. Но здесь следует также учесть снижение напряжения под воздействием мощной нагрузки. В расчёте максимальной яркости лампы указано снижение на 4 В. Значит Uвх = 198 – 4 = 194 В.

Наибольшее падение напряжения на диодном мосту Uд будет при максимальной нагрузке. Согласно графику из описания моста, при токе нагрузки 0,55 А, когда обе лампы включены на максимальную яркость, прямое напряжение для одного диода составляет около 0,73 В.

Отклонение стабилизированного напряжения равно 1% (по описанию LM4040, класс точности D). Значит Uст = 5 + 0,05 = 5,05 В.

Минимальный ток, требуемый для работы стабилитрона, в соответствии с его описанием, составляет Iст = 0,1 мА.

Поскольку в схеме используются два резистора, каждый из которых имеет допуск 5%, принимаем Кr = 0,9. Старение резисторов (увеличение сопротивления со временем) не учитывается, т.к. они не будут подвергаться ни максимально допустимому напряжению, ни высокой температуре.

Измеренный мультиметром ток потребления схемы при напряжении 5,0 В составил 2,2 мА. Практическая проверка показала, что установка различных экземпляров ATmega16, в т.ч. без индекса L, имеющих revision J и дату производства 2006-2007 гг., практически не влияет на ток потребления. Небольшим влиянием (десятки микроампер), которые вызваны разбросом тактовой частоты внутреннего генератора, можно пренебречь.
Потребляемый ток также почти не зависит от того, включены ли каналы, в каком количестве и на какой яркости.
В силу малых величин обратные токи защитного диода, диодного моста, транзисторов, а также токи утечки конденсаторов не учитываются.
В значительной степени на ток потребления влияет нажатие кнопок. В этом случае ток протекает от плюса источника питания через внутренний (pull-up) резистор МК и замкнутую кнопку на землю. Указанное в описании МК минимальное сопротивление внутреннего резистора составляет 20 кОм. Если нажаты обе кнопки, ток составит 2 • (5 / 20000) = 0,5 мА.
Таким образом, суммарный максимальный ток потребления по цепи +5 В (при напряжении ровно 5,0 В) равен 2,2 + 0,5 = 2,7 мА (напомним, что это без учёта тока стабилитрона).
Значит, в худшем случае, т.е. при напряжении 5,05 В, потребляемый ток составит Iн = 5,05 • 2,7 / 5 = 2,73 мА.
Если бы в схеме использовался однополупериодный выпрямитель, этот ток нужно было бы удвоить.

Подставим полученные данные в исходную формулу:

R = [(194 – 2•0,73 – 5,05) / (0,00273 + 0,0001)] • 0,9 = [187,49 / 0,00283] • 0,9 = 66251 • 0,9 = 59626 Ом

Таким образом, балласт должен иметь сопротивление не более 60 кОм. Его можно получить, соединив последовательно два резистора по 30 кОм (о том, почему нельзя обойтись одним резистором, рассказано далее при расчёте его мощности). То, что сопротивление 60 кОм немного больше расчётного, допускается. По теории вероятности, вряд ли возможна ситуация, когда сопротивление обоих резисторов на 5% меньше, и вместе с этим напряжение стабилизатора на 1% больше.

Теперь для найденного сопротивления балластного резистора рассчитаем, не выйдет ли из строя стабилитрон, если сетевое напряжение увеличится до уровня ограничения защитного диода VD1, а также при воздействии других неблагоприятных факторов. Преобразуем ранее использованную формулу к следующему виду:

Iст = [(Uвх – 2•Uд – Uст) / (R • Кr)] – Iн

Для расчёта принимаем следующие численные значения:
Максимальное напряжение ограничения защитного диода Uвх = 548 В.
При отсутствии нагрузки падение напряжения на одном диоде диодного моста составит Uд = 0,65 В.
Минимальное напряжение стабилизации стабилитрона Uст = 5 – 0,05 = 4,95 В.
Так как шунт составлен из двух резисторов, R = 30000 + 30000 Ом.
Коэффициент сопротивления Кr принимаем равным 0,95, т.к. при этом ток стабилитрона будет больше.
Минимальный ток нагрузки будет при не нажатых кнопках. При номинальном напряжении питания 5 В этот ток равен 2,2 мА. Значит при минимальном напряжении 4,95 В ток будет равен Iн = 4,95 • 2,2 / 5 = 2,18 мА.

Iст = [(548 – 2•0,65 – 4,95) / ((30000 + 30000) • 0,95)] – 0,00218 = [541,75 / 57000] – 0,00218 = 7,3 мА

Полученное значение меньше 12 мА – величины максимального тока ИОН, рекомендованного в его описании. Мощность ИОН, рассеиваемая при таком токе, составит 5 • 0,007 = 35 мВт. Это более чем на порядок меньше его максимальной мощности 500 мВт. Следовательно, выбранное сопротивление балластного резистора нам подходит.

Переходим к расчёту мощности балластного резистора. На первый взгляд, казалось бы, резистора 0,5 Вт будет вполне достаточно, ведь он выдерживает напряжение до 350 В. На самом деле это не так. В [5] сказано, что мощность резистора, указываемая в его описании, действительна лишь в том случае, если его сопротивление выше так называемого критического. Последнее вычисляется по формуле: Rк = Uпасп² / Pпасп, где Uпасп – паспортное рабочее напряжение резистора, Pпасп – его паспортная мощность. Для резистора серии С2-23 мощностью 0,5 Вт критическое сопротивление Rк = 350² / 0,5 = 245 кОм. Если сопротивление резистора, как в нашем случае, меньше критического расчёт мощности следует производить по формуле: P = U² / R. Учитывая максимальное напряжение сети, минимальное падение напряжения на диодном мосту, и минимальное напряжение стабилизации, мощность резистора будет равна:

P = (Uвх – 2•Uд – Uст)² / R
P = (242 – 2•0,65 – 4,95)² / 60000 = 0,93 Вт.

Однако оказалось, что мощности резистора 1 Вт тоже недостаточно. Экспериментальная проверка показала, что даже резистор 2 Вт (отечественный, серии МЛТ-2) сопротивлением 56 кОм сильно нагревается. Согласно требованиям проекта, это недопустимо. Нагрев балластного резистора является единственной причиной нагрева корпуса устройства в ждущем режиме. Поэтому необходимо этот нагрев устранить.
Попытка использования 5 Вт импортного резистора серии SQP сопротивлением 50 кОм проблему не решила – он нагревается почти до той же температуры, что и МЛТ-2.
В результате было решено использовать два 2 Вт резистора, соединив их последовательно. Помимо снижения температуры, это повышает надёжность устройства, т.к. в случае пробоя одного из резисторов, второй предотвратит выход ИОН из строя. Чтобы обеспечить равномерный нагрев, номиналы резисторов должны быть одинаковыми.
Предпочтительны отечественные 2 Вт резисторы серии МЛТ-2. Их габариты несколько больше импортных аналогов серии С2-23, зато они меньше нагреваются. Однако на момент сборки устройства найти в продаже резисторы МЛТ-2 номиналом 30 кОм не удалось, хотя отечественной промышленностью они вроде как выпускаются.
Численные значения температуры корпусов различных резисторов не приводятся в связи с большой погрешностью измерений. Показания менялись от случая к случаю, причём независимо от типа измерительного прибора – термопара, подключенная к цифровому мультиметру, или цифровой термометр. Поэтому выводы о степени нагрева делались субъективно – сколько секунд можно держать палец на корпусе резистора пока не станет горячо.

3.2.3. Фильтрующий конденсатор
Конденсатор С1 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Хотя для расчёта его ёмкости можно было воспользоваться методикой из [6, стр.52, раздел 1.27 "Фильтрация в источниках питания"], конденсатор подбирался эмпирическим путём. Это вызвано следующим обстоятельством.

Через несколько секунд после окончания регулировки яркости её значение запоминается в EEPROM. Согласно описанию МК, ток программирования составляет 6 мА (при 5 В, 25°С). Отсюда следует, что по сравнению с током потребления в обычном режиме ток при записи возрастает почти в четыре раза: (2,2 мА + 6 мА) / 2,2 мА = 3,7. Цикл записи, согласно описанию МК, длится 8,5 мс, т.е. почти целый полупериод (10 мс). При таких условиях накопленный заряд конденсатора быстро истощается, что приводит к уменьшению напряжение питания МК и образцового напряжения АЦП. Визуально это выглядит как кратковременное однократное моргание лампы через несколько секунд после окончания регулировки яркости (эффект заметен при уровне яркости выше среднего).
Код программы построен таким образом, что циклы записи в EEPROM следуют друг за другом через каждые 10 мс. Если регулировка яркости прекращается одновременно для двух каналов, запись в память будет длиться на 8,5 мс больше. За 1,5 мс (10 мс – 8,5 мс) конденсатор не успеет полностью зарядиться, соответственно, напряжение опустится ещё ниже, и моргание лампы будет ещё заметнее, особенно при пониженном напряжении сети.
Поскольку заранее неизвестно, при какой амплитуде пульсаций моргание становится заметно (а именно к амплитуде пульсаций привязана формула в [6]), пришлось подбирать конденсатор экспериментально.

Конденсатор подбирался при минимальном напряжении сети 198 В и окончании регулировки яркости по достижении максимального значения на обоих каналах. Номинал 1000 мкФ позволил устранить моргание после окончания регулировки яркости одного канала, и сделать моргание почти не заметным после одновременного окончания регулировки яркости обоих каналов. Дальнейшему повышению ёмкости конденсатора препятствуют малые габариты устройства.

Конечно, можно было организовать задержку между последовательными записями в EEPROM. Однако увеличение времени выполнения основной программы за счёт добавления кода, в данном случае не оправдано. Во-первых, мала вероятность того, что обе кнопки будут отпущены одновременно, причём на уровне яркости выше среднего для обеих ламп. Во-вторых, невелика вероятность того, что напряжение в сети упадёт до 198 В. Наконец, в-третьих, эффект моргания слишком мало заметен чтобы уделять этому внимание.

На функционировании ИОН большая величина ёмкости не отражается, т.к. в его описании сказано, что допустима ёмкостная нагрузка любого номинала.

После подключения устройства к сети, чтобы к началу основного цикла программы напряжение питания МК успело стабилизироваться на номинальном уровне, требуется организовать задержку старта. Если этого не сделать, то вследствие заниженного опорного напряжения АЦП нарушится плавность автоматического включения каналов.
Время задержки старта определялось экспериментально (хотя правильнее было бы найти подходящую для расчёта формулу). Согласно показаниям мультиметра, напряжение питания МК достигало 5 В через примерно 3 секунды после подключения устройства к сети с минимальным напряжением 198 В. Учитывая прямую зависимость частоты внутреннего RC-генератора МК от напряжения питания, а также погрешность измерений, была выбрана задержка с запасом, равная 4 секундам. Часть этой задержки обеспечивается внутренними узлами МК Power-on Reset и Brown-out Detection (BOD, супервизор питания). Оставшаяся часть реализована программно.

Переходим к выбору номинального напряжения конденсатора. Этот параметр в значительной степени определяет срок его службы. В [8] рекомендуется, чтобы рабочее напряжение составляло 80…100% от номинального. С другой стороны, в [9] рекомендуется, чтобы рабочее напряжение было в два раза меньше номинального. Поскольку экземпляр, рассчитанный на 10 В, всё равно не подходит по своим габаритам (если устанавливать его как положено вертикально), выбираем конденсатор с номинальным напряжением 6,3 В.
Здесь имеет смысл обратить внимание на следующий факт. В описаниях электролитических конденсаторов фирмы Jamicon указано, что, начиная с рабочего напряжения 25 В, их ёмкость изменяется со временем на 20%. Для меньших же напряжений это значение равно 25%.

Верхний предел температурного диапазона, на который рассчитан выбранный конденсатор, составляет 105°С. Это ещё один параметр, в значительной степени влияющий на срок службы конденсатора. Выбор обусловлен также тем, что корпус устройства немного нагревается от ламп, диодного моста и балластного резистора.

Уменьшение ёмкости конденсатора, связанное с разбросом номинала или старением, не нарушит работоспособность устройства. Возможно лишь чуть более заметное моргание ламп в момент запоминания яркости.

3.3. Микроконтроллер
Несмотря на то что напряжение питания схемы составляет 5 В, используемый МК U1 имеет индекс L, означающий возможность работы при напряжении питания от 2,7 до 5 В. Это связано с большой ёмкостью фильтрующего конденсатора, т.е. с плавным нарастанием напряжения питания при подключении устройства к сети.
Порог встроенного в МК супервизора питания выставлен в соответствии с описанием на 2,7 В. Если же этот порог сделать равным 4,0 В, или использовать обычный МК (без индекса L) с порогом 4,0 В, или вообще отказаться от встроенного супервизора, некоторые экземпляры МК могут не запуститься, особенно при минимальном напряжении сети 198 В. Использовать же обычный МК с порогом 2,7 В нельзя, т.к. это может привести, в частности, к искажению данных EEPROM, если во время сохранения информации произойдёт отключение питания.

МК тактируется внутренним RC генератором на частоте 1 МГц. Этого достаточно чтобы получить среднее время выполнения основной программы около 0,5 мс. Здесь важно помнить о том, что повышение тактовой частоты увеличивает ток потребления. Стабилизировать частоту кварцевым или керамическим резонатором не требуется, т.к. в данном применении высокая точность не нужна. Также не требуется калибровка внутреннего генератора.

Производитель МК рекомендует предпринять следующие меры при работе с АЦП:
• установить между выводом REF и общим проводом фильтрующий конденсатор
• соединить вывод AGND с аналоговой землёй
• использовать LC фильтр питания в цепи AVCC
• при измерении не переключать выводы АЦП порта, если они настроены как цифровые выходы
Поскольку высокая достоверность результата измерения не требуется, то с целью упрощения схемы, вышеуказанные меры не соблюдаются. Калибровка АЦП тоже не требуется, в том числе потому, что используется обычный канал, а не дифференциальный [12, раздел 2.3].
Несмотря на принятые упрощения, точность, т.е. повторяемость схемы, от этого не ухудшается. Благодаря внешнему ИОН, используемому также в роли стабилизатора питания МК, результаты измерений АЦП всегда остаются стабильными вплоть до младшего значащего разряда, даже при 10- битном разрешении АЦП.

По рекомендации ATMEL, для обеспечения надёжной работы МК, в непосредственной близости от его выводов питания установлены блокировочные конденсаторы С2 (керамический) и С3 (танталовый электролитический). В данной схеме это особенно актуально, т.к. при коммутации затворов транзисторов, обладающих довольно высокой ёмкостью, возникают значительные импульсные токи.

Для программирования МК предусмотрен разъём JS4 "ISP" (In-System Programming, внутрисхемное программирование). Также как и при программировании EEPROM самой программой во время работы, во время внутрисхемного программирования ток МК, согласно его описанию, составляет 6 мА (при 5 В и 25°С). По результатам измерений максимальный потребляемый ток находился в интервале от 4,3 мА до 5,8 мА. Из-за малой мощности блока питания напряжение во время программирования снижалось примерно до 3,3 В. Однако многократный опыт перепрограммирования МК показал что это безвредно. Более того, в Интернете встречаются сообщения о том, что МК нормально программируется при напряжении вплоть до 3 В.
При программировании МК в составе устройства важно обратить внимание на следующие моменты:
   – требуется гальваническая развязка программатора, поскольку схема находится под потенциалом сети;
   – может потребоваться внешний блок питания (тоже с гальванической развязкой), если программатору будет недостаточно тока, вырабатываемого блоком питания схемы;
   – желательна установка высокоомных резисторов (порядка 100 кОм) между затворами и истоками транзисторов чтобы не допустить их возможного перегрева, а также выхода из строя из-за самопроизвольного открывания и увеличения сопротивления канала, вызванного тем, что во время программирования выводы МК находятся в высокоимпедансном состоянии.
Поэтому лучшим вариантом, возможно, окажется запрограммировать МК до установки в схему.
Состояние фьюзов МК соответствует значениям по умолчанию, за исключением запрограммированного фьюза BODEN, разрешающего использование встроенного супервизора питания (Рис. 3):

Рис. 3. Программирование фьюзов МК.

Ранее отмечалось, что МК с незадействованным супервизором питания может не запуститься. Чтобы обойти это ограничение и иметь возможность запрограммировать фьюз, следует после появления напряжения питания кратковременно соединить вывод Reset МК с общим проводом.

Несмотря на то, что скриншот Рис. 3 получен из программатора PonyProg2000, пользоваться им не рекомендуется. Эта программа до сих пор находится в статусе бета-версии, редко обновляется, и нестабильно работает, особенно если компьютер параллельно выполняет другие задачи. Были случаи вывода МК из строя. Вместо PonyProg2000 автор рекомендует использовать другой свободно распространяемый программатор – avrdude. В частности, он входит в состав бесплатной среды разработки WinAVR.

Заменить МК можно на ATmega16 (без индекса L). Но в этом случае потребуется внешний супервизор питания (встроенный супервизор следует отключить). Дополнительные сведения о замене МК приведены в описании программной части.

Не показанные на схеме выводы МК никуда не подключены.

3.4. Делитель напряжения
Резисторы R3 и R4 образуют делитель, необходимый МК для измерения напряжения сети и определения момента перехода фазы через нуль. Обычно резистор между выходом диодного моста и входом МК рекомендуется составлять из двух включенных последовательно (на случай пробоя одного из них), но поскольку перед диодным мостом установлен защитный диод, эта рекомендация не выполняется.

Делитель должен быть рассчитан таким образом, чтобы при максимальном входном напряжении Uвх выходное напряжение делителя Uвых не превышало напряжение питания МК. В противном случае синусоидальный сигнал будет ограничен по амплитуде внутренним диодом МК, что исказит измерения. В действительности ограничение наступает когда входное напряжение превышает напряжение питания МК на 0,5 В или больше. Эта величина определяется прямым напряжением внутреннего диода МК. В данной схеме важно чтобы входной сигнал не превышал минимальное напряжение питания МК, потому что это напряжение является опорным для АЦП. Иначе результатом АЦП будут коды соответствующие опорному напряжению, а не истинному значению входного сигнала.

Согласно описанию МК, АЦП рассчитан на обработку низкоомных сигналов (10 кОм и менее). Поэтому для нижнего плеча делителя напряжения выберем номинал равный 9,1 кОм, чтобы предусмотреть 5%-ный допуск сопротивления.

Для вычисления минимального сопротивления верхнего плеча делителя воспользуемся стандартной формулой: Uвых = (Uвх • R2) / (R1 + R2). Отсюда: R1 = ((Uвх – Uвых) • R2) / Uвых
Введём коэффициент Квх, определяющий максимальное отклонение сетевого напряжения:
R1 = ((Uвх•Квх – Uвых) • R2) / Uвых
Поскольку нас интересует полный размах сетевого напряжения, перепишем формулу с учётом амплитудного значения: R1 = ((Uвх•Квх•1,41 – Uвых) • R2) / Uвых
Учтём падение напряжения на двух диодах диодного моста:
R1 = ((Uвх•Квх•1,41 – 2•Uд – Uвых) • R2) / Uвых
Падение напряжения на предохранителе не учитывается, т.к. по результатам измерений оно составило всего 0,2 В при максимальной нагрузке.
Осталось добавить коэффициенты Кr, определяющие отклонение резисторов от номинала:

R1 = ((Uвх•Квх•1,41 – 2•Uд – Uвых) • R2 • Кr2) • Кr1 / Uвых

Переходим к подстановке численных значений.
Входное напряжение Uвх = 220 В, его отклонение Квх = 10%.
В качестве значения Uд берём минимальное падение напряжения, т.к. в этом случае сопротивление резистора R1 будет больше. Минимальное падение напряжения на диодах моста будет при минимальном токе, т.е. при отключенной нагрузке. Судя по графику из описания диодного моста, падение напряжения на одном элементе при токе нагрузки 10 мА равно примерно Uд = 0,65 В.
Благодаря использованию фильтрующего конденсатора большой ёмкости, пульсациями БП можно пренебречь. Поэтому минимальное напряжение питания МК определяется минимальным напряжением стабилизации ИОН, что, согласно описанию последнего, равно Uвых = 5 – 1% = 4,95 В.
Стандартный допуск на отклонение сопротивления резисторов равен Кr = 5%. Нужно предусмотреть ситуацию, когда сопротивление R2 (R3 по схеме) будет больше, т.к. при этом Uвых тоже увеличится. Это, как было отмечено ранее, может привести к неверному результату измерения. Поэтому принимаем Кr2 = 0,95. С сопротивлением R1 (R4 по схеме) ситуация противоположная – важно учесть уменьшение сопротивления. Поэтому Кr1 = 1,05.
Подставляя численные значения в формулу, получаем:

R1 = ((220•1,1•1,41 – 2•0,65 – 4,95) • 9,1•10³ • 0,95) • 1,05 / 4,95 = (334,97 • 8,65•10³) • 1,05 / 4,95 = 3042,37•10³ / 4,95 = 614,6•10³ Ом

Ближайшим сопротивлением из стандартного ряда, превышающим полученное значение, является номинал 620 кОм.
Поскольку падение напряжения на резисторе верхнего плеча делителя может достигать 242 • 1,41 = 341 В, резистор должен иметь мощность 0,5 Вт. Как было показано при расчёте балластного резистора, на паспортную мощность можно ориентироваться только тогда, когда сопротивление резистора больше критического. Для резистора серии С2-23 мощностью 0,5 Вт критическое сопротивление Rк = 350² / 0,5 = 245 кОм, что почти в три раза меньше чем 620 кОм. Значит, мощность резистора 0,5 Вт в данном случае выбрана правильно.

3.5. Выходной каскад
Нагрузка коммутируется N-канальными MOSFET транзисторами VT1 и VT2. Особенностью схемы является отсутствие драйвера, что в соответствии с требованием проекта уменьшает количество используемых компонентов. Транзисторы управляются напрямую выходами МК.
Как выяснилось, при напряжении на затворе 5 В и мощности нагрузки 60 Вт канал транзистора почти полностью открывается, даже несмотря на довольно высокое сопротивление резистора в цепи затвора. Так происходит благодаря тому, что ток нагрузки (около 0,25 А) составляет величину примерно в 20 раз меньшую максимально допустимого тока стока транзистора. При таких условиях падение напряжения на переходе сток-исток транзистора составляет менее 1 В, что не приводит к заметному на глаз снижению максимальной яркости лампы.
Тока выхода МК оказывается достаточно для перезарядки ёмкости затвора благодаря невысокой частоте переключения (100 Гц). Это примерно на два порядка меньше частоты, на которой работают MOSFET транзисторы в традиционных переключательных схемах, например в импульсных источниках питания.

Отсутствие драйвера может привести к самопроизвольному включению транзистора в случае резкого всплеска напряжения на стоке. Этот эффект, известный под названием CdV\dt turn-on, вызван наличием ёмкости между затвором и стоком (ёмкость Миллера). Иногда вернуть транзистор в нормальный режим работы удаётся лишь после отключения схемы от сети на несколько минут (на время остывания транзистора). Одним из лучших способов предотвратить случайное включение является выбор транзистора, у которого соотношение Qgd / Qgs1 составляет величину менее 1,4 [7]. Здесь Qgd – это величина заряда затвор-сток, Qgs1 – это величина заряда, при котором напряжение на затворе достигает порогового значения (определяется по графику Total Gate Charge). К сожалению, транзисторы, соответствующие данному правилу, встречаются крайне редко. С другой стороны, случаи резких всплесков напряжения на стоке тоже крайне редки.

При резком спаде напряжения на стоке и отсутствии драйвера ёмкость Миллера не приводит к самопроизвольному включению транзистора, но на затворе может возникнуть отрицательный потенциал, превышающий допустимое напряжение затвор-исток [10, раздел 3]. Это может стать причиной выхода транзистора из строя. Поэтому одним из критериев при выборе транзистора стало наличие встроенного ограничителя напряжения на затворе. Такое решение позволило отказаться от дополнительных внешних компонентов. Кроме этого, встроенный ограничитель предохраняет затвор от воздействия статического электричества, к которому MOSFET транзисторы как класс приборов имеют высокую чувствительность.
При напряжении ограничения встроенного в транзистор ограничителя около 30 В и сопротивлении резистора в цепи затвора 10 кОм ток через выход МК составит примерно 3 мА, что в три раза превышает допустимый. Поэтому для повышения надёжности схемы между затвором и истоком транзистора можно поставить дополнительный ограничитель с максимальным напряжением ограничения до 10 В. При таком напряжении ток через внутренние защитные диоды МК будет находиться на безопасном уровне 1 мА. Впрочем, вряд ли в бытовой электросети встретятся ситуации, вызывающие резкий спад напряжения на стоке.

Также для повышения надёжности можно поставить высокоомный резистор (порядка 100 кОм) между затвором и истоком транзистора. Это предотвратит включение транзистора, когда выходы МК находятся в высокоимпедансном состоянии, например при срабатывании супервизора питания или сторожевого таймера. Поскольку такие ситуации кратковременны и маловероятны, резисторы затвор-исток не используются, поэтому на схеме не показаны.

3.5.1. Транзисторы
Для того чтобы транзистор был пригоден для использования в данном устройстве, он должен обладать следующими характеристиками:
• ток стока – не менее 6 А, типовое сопротивление канала – не более 1 Ом;
• напряжение сток-исток – не менее 600 В;
• двусторонний ограничитель напряжения на затворе – есть;
• максимальное пороговое напряжение затвор-исток – менее 5 В;
• график зависимости тока стока от напряжения на затворе – нормирован для напряжения затвора 5 В или меньше. То же относится к графику зависимости тока стока от напряжения сток-исток.
Кроме этого, в соответствии с требованием к проекту транзистор не должен сильно нагреваться, в идеале ­– не нагреваться вообще. Величина нагрева Tja характеризуется формулой:
Tja = P • Rth = R • I² • Rth + 25°C, где
   R – сопротивление канала сток-исток
   I – ток нагрузки
   Rth – тепловое сопротивление транзистора (корпус-окружающая среда)
Так как частота переключения транзистора не превышает 100 Гц, его динамические потери малы, на нагрев не влияют, и поэтому в формуле не учитываются.
Из формулы следует, что транзистор должен иметь как можно меньшее значение теплового сопротивления. Выбранный транзистор имеет корпус практически идентичный корпусу TO220, и обладает относительно невысоким тепловым сопротивлением (62,5°C). Эксплуатация выбранного транзистора в составе устройства показала полное отсутствие нагрева при любом уровне яркости.

По причине, указанной далее в разделе Защита от превышения сетевого напряжения, транзистор должен быть рассчитан на напряжение сток-исток не менее 600 В. Помимо этого, в случае обрыва защитного диода транзистор не выйдет из строя при аварийном повышении напряжения сети вплоть до 380 В±10%.

По результатам изучения продукции основных производителей MOSFET транзисторов (Infineon, International Rectifier, Ixys, Fairchild, NEC, NXP, ON Semiconductors, Renesas, Toshiba, Vishay) выяснилось, что встроенный ограничитель напряжения на затворе имеется только у транзисторов фирмы Toshiba (данные 2007 года). Далее перечислены транзисторы этой фирмы, подходящие по остальным параметрам и рекомендуемые в качестве замены: 2SK2544, 2SK2777, 2SK3130, 2SK3947, 2SK4013, 2SK4014, 2SK3799, 2SK2843, 2SK2866, 2SK2889, 2SK2996, 2SK3265, 2SK3797. Следует отметить, что рекомендация основана только на изучении описаний транзисторов. На практике их работа не проверялась. В частности, может потребоваться подбор резистора в цепи затвора.

Теоретически в устройстве можно применить и IGBT транзисторы. Однако найти такие экземпляры, которые удовлетворяли бы всем вышеперечисленным требованиям, не удалось. Кроме того, MOSFET транзисторы, как правило, дешевле. К сожалению, так называемые logic level транзисторы, управляемые цифровыми уровнями сигналов и подходящие по остальным параметрам, в частности, рассчитанные на напряжение 600 В, пока не существуют.

3.5.2. Резисторы в цепи затвора
Сопротивление резисторов R5 и R6 оказывает влияние на следующие факторы:
• защиту выхода МК от броска тока при перезарядке входной ёмкости транзистора (чем больше сопротивление, тем меньше ток);
• защиту выхода МК от превышения напряжения на затворе, которое возникает из-за ёмкости Миллера (чем больше сопротивление, тем лучше защита);
• степень нагрева транзисторов (чем меньше сопротивление, тем меньше нагрев);
• уровень помех радио- и ИК-приёму, а также в электросети (чем больше сопротивление, тем меньше помех);
• силу звона нитей ламп накаливания (чем больше сопротивление, тем меньше звон);
Влияние сопротивления на ток потребления, а также на падение напряжения на переходе сток-исток транзистора в силу малых величин не учитывается.
Анализируя перечисленные факторы, приходим к очевидному выводу, что, в целом, чем больше сопротивление, тем лучше. Однако слишком сильно его увеличивать тоже нельзя – это приведёт к нагреву транзистора.

Для начала выясним минимально допустимое сопротивление резистора в цепи затвора. Оно определяется безопасным уровнем тока выхода МК при перезарядке ёмкости затвора транзистора. В этот момент выход МК оказывается кратковременно замкнут на землю. Учитывая ток выхода по описанию МК 20 мА и напряжение питания 5 В, по закону Ома получаем минимально допустимое сопротивление 250 Ом.

Теперь попробуем определить номинальное сопротивление резистора с точки зрения ограничения напряжения на выводе МК. В описании МК сказано, что уровень безопасного тока, протекающего через внутренние диоды, составляет 1 мА. Максимально допустимое напряжение на затворе транзистора, указанное в его описании, составляет ±30 В. Встроенный в транзистор двусторонний ограничитель не позволяет напряжению превысить эту величину. Следовательно, чтобы обеспечить безопасный ток через внутренние диоды МК потребуется сопротивление R = 30 / 0,001 = 30 кОм. При таком высоком сопротивлении в цепи затвора увеличится сопротивление канала сток-исток. Это приведёт к уменьшению яркости лампы и нагреву транзистора. Следовательно, выбирать сопротивление по данному критерию нельзя. Кроме того, как было отмечено ранее, вряд ли в бытовой электросети встретятся ситуации, вызывающие значительное повышение напряжения на затворе.

Остаётся выбирать сопротивление, ориентируясь на степень нагрева транзистора, уровень помех и силу звона нити лампы. Два последних фактора требуют высокого сопротивления резистора, а первый – низкого. Получается, что сопротивление надо выбирать как компромисс. Поскольку готовых формул, учитывающих все три фактора, найти не удалось, сопротивление подбиралось экспериментальным путём.

Подбор сопротивления по степени нагрева транзистора более затратный по времени, поэтому резистор подбирался по отсутствию слышимых помех. Для этого использовался встроенный в носимый плеер радиоприёмник АМ диапазона, настроённый на частоту 520 кГц. На самом деле, спектр излучаемых помех достаточно широк, поэтому частота настройки значения не имеет, она может лежать в диапазоне 520…1710 кГц. Яркость лампы во время подбора сопротивления может быть любая, кроме максимальной, т.к. в этом случае помехи исчезают даже при нулевом сопротивлении. Сопротивление резистора увеличивалось, начиная с нуля, до тех пор, пока в расположенном на расстоянии 5 см от устройства радиоприёмнике не перестал слышаться низкочастотный фон, причём при любой ориентации плоскости радиоприёмника относительно плоскости печатной платы устройства. После этого яркость лампы устанавливалась на уровень примерно 75% (это точка наибольшего нагрева транзистора), и через 15 минут контролировалась температура корпуса транзистора. Если она превышала температуру окружающей среды более чем на 1°С, сопротивление резистора уменьшалось. В завершение устройство располагалось так, чтобы лампа оказывалась на расстоянии примерно 5 см от уха. Если во время изменения яркости от минимума до максимума и наоборот был слышен звон нити лампы, сопротивление резистора увеличивалось. Последняя настройка производилась со штатной лампой светильника и штатной проводкой. Иначе результат подбора сопротивления искажался из-за отличающегося типа лампы и иной индуктивности проводников, соединяющих лампу со схемой.

Следует отметить, что помимо неприятного жужжания, звон нити лампы резко сокращает её ресурс. Тестирование ламп различных производителей на минимальный уровень звона нити позволило расположить их в следующем порядке предпочтений: Osram, Philips, General Electric. В результате выбор остановился на матовых лампах Osram Classic B FR 60 230V E14/SES, 660lm, Energy index E.

3.6. Цепь защиты
Предохранитель F1 и защитный диод VD1 формируют цепь защиты, которая предохраняет устройство от выхода из строя при коротком замыкании нагрузки, превышения её мощности, а также при бросках напряжения в сети, и аварийного повышения её напряжения до 380 В.

Предохранитель рассчитывается, исходя из максимальной нагрузки, по стандартной формуле I = P / U. Отсюда I = 2 • 60 / 220 = 0,55 А. Ток потребления схемы при этом не учитывается, т.к. в сравнении он пренебрежимо мал. Вполне допустимо выбрать предохранитель на 0,5 А. Эксплуатация устройства подтвердила, что такой номинал выдерживает долговременную (не менее 24 часов) максимальную яркость обеих ламп при максимально допустимом напряжении сети.

Чтобы защитить чувствительные полупроводниковые приборы, используется быстродействующий предохранитель. Для отечественного предохранителя серии ВП2Б-1В время срабатывания при превышении номинального тока в 2,75 раза равно 1 секунде. Предохранители с замедленным временем срабатывания (в керамическом или стеклянном корпусе) при выходе из строя издают резкий и громкий звук, оставляя на плате (или на стене :-)) чёрное пятно (проверено на практике :-(). Выбор сделан в пользу керамического корпуса, т.к. стеклянные корпуса при срабатывании иногда рассыпаются (тоже проверено на практике).

Использовать современные полимерные предохранители в данной схеме не представляется возможным из-за их сильного нагрева и невысокой скорости срабатывания. Например, для предохранителя LB600LV время срабатывания при токе нагрузки 3 А составляет 36 секунд.

3.6.1. Защита от короткого замыкания нагрузки и превышения её мощности
Возможны два варианта короткого замыкания: при выключенной нагрузке и при включенной нагрузке.

В первом случае ток возрастает медленно, т.к. нагрузка всегда включается при нулевом напряжении в сети, и яркость лампы всегда увеличивается плавно. Поскольку в устройстве применён быстродействующий предохранитель, он успевает перегореть, защищая другие элементы схемы.

Во втором случае ток мгновенно возрастает настолько, что предохранитель не успевает защитить чувствительный к перегрузкам транзистор. В результате транзистор выходит из строя первым. Теоретически это говорит о том, что транзистор может не выдержать перегрузку, которая возникает, если лампа перегорит во время работы, т.к. ток при этом достигает несколько десятков ампер. Однако на практике с таким явлением встречаться не приходилось, поскольку срок службы ламп в устройстве намного превышает стандартный.
В первоначальной версии устройства, где транзисторы управлялись драйвером IR4427, был случай перегорания лампы. При этом все компоненты остались невредимыми. Впрочем, нет полной уверенности в том, что перегорание тогда произошло при работающей лампе.

Короткое замыкание в цепи питания +5 В устройству не страшны, т.к. в этом случае роль ограничителя тока играет балластный резистор.

При повышенной мощности нагрузки устройство ведёт себя так же как в случае короткого замыкания при выключенной нагрузке. Это подтвердилось подключением к одному каналу двух ламп общей мощностью 200 Вт + 60 Вт.

Экспериментально установлено, что при выходе из строя транзистора все его выводы оказываются замкнутыми между собой. Поскольку в этом случае на затворе будет потенциал земли, предпринимать дополнительные меры по защите выходов МК не требуется.

3.6.2. Защита от превышения сетевого напряжения
Для защиты от высоковольтных помех, возникающих в электрической сети, например при грозовых разрядах, применяется двусторонний полупроводниковый ограничитель напряжения – защитный диод. По сравнению с варисторами защитные диоды обладают более высоким быстродействием, что позволяет использовать их для предохранения высокочувствительных полупроводниковых приборов, к которым, в частности, относятся и микроконтроллеры. Кроме того, в отличие от варисторов их характеристики не ухудшаются со временем [11]. Справедливости ради следует отметить, что среди примеров использования (application notes) защитных диодов таких производителей, как ON Semiconductors и ST Microelectronics, нет примеров, в которых на защитный диод подавалось бы сетевое напряжение.

Защитный диод устанавливается параллельно входу устройства непосредственно за предохранителем. Выводы защитного диода служат теплоотводом. Согласно описанию, длина каждого вывода должна составлять 10 мм.

Если в течение некоторого времени ток через защитный диод будет превышать ток срабатывания предохранителя, последний перегорает, защищая устройство. Чем больше превышение тока, тем быстрее сработает предохранитель. Как уже отмечалось, применённый в схеме быстродействующий предохранитель имеет время срабатывания 1 сек. при превышении номинального тока в 2,75 раза.

Если мощность высоковольтного импульса будет больше мощности защитного диода (например, при аварийном повышении сетевого напряжения до 380 В), защитный диод может выйти из строя (на практике такой эксперимент не ставился). При этом выводы защитного диода окажутся замкнутыми накоротко, что приведёт к перегоранию предохранителя. Остальные элементы схемы останутся неповреждёнными. В данном случае для восстановления работоспособности устройства потребуется заменить и предохранитель, и защитный диод.

При воздействии высоковольтного импульса напряжение на входе диодного моста не превысит максимальное напряжение ограничения защитного диода. Это подтвердилось в ходе экспериментов с низковольтным аналогом на примере Р6КЕ6.8А.

Напряжение ограничения защитного диода зависит от длительности импульса, и для указанного на схеме типа составляет 548 В для 1000 мкс и 706 В для 20 мкс (приведены амплитудные значения из описания). В большинстве случаев, описанных в [11], при выборе защитного диода следует руководствоваться напряжением, которое соответствует длительности импульса 1000 мкс. Поэтому будем считать, что напряжение на входе диодного моста, ни при каких обстоятельствах не превысит порог 548 В.

Теперь проанализируем, выдержат ли компоненты устройства напряжение ограничения 548 В. Лампы и предохранитель не учитываются, т.к. их выход из строя не является фатальной неисправностью и легко устраняется заменой. Также можно не учитывать балластный резистор и резистор верхнего плеча делителя напряжения, поскольку высоковольтные и углеродистые (film) резисторы хорошо переносят кратковременные (до 5 секунд) перегрузки, превышающие номинальное напряжение в 1,5 и 2,5 раза соответственно [5]. Долговременной перегрузки в данном случае не будет, т.к. сработает предохранитель.
Диодный мост и транзисторы рассчитаны на 600 В. Как было показано ранее при расчёте балластного резистора, при напряжении 548 В ток через ИОН не превысит 7 мА, что на 5 мА меньше его максимального рабочего тока 12 мА. Ток внутренних диодов МК при сопротивлении верхнего плеча делителя напряжения 620 кОм не превысит I = 548 / 620000 = 0,88 мА, что укладывается в допустимый предел 1 мА.
Таким образом, повышение сетевого напряжения до уровня ограничения защитного диода не приведёт к выходу из строя элементов схемы.

Заменять выбранный диод, например на 1.5КЕ350СА нежелательно. Во-первых, номинальное рабочее напряжение последнего составляет 300 В, что меньше номинального напряжения питания устройства (220 • 1,41 = 310 В). Во-вторых, минимальное напряжение, при котором он начинает пропускать ток, равно 332 / 1,41 = 236 В. Это меньше максимально допустимого напряжения питания устройства (220 • 1,1 = 242 В). Обе причины могут привести к возрастанию тока и нагреву диода (проверено экспериментально), что противоречит требованиям проекта. Также нежелательно использовать Р6КЕ400СА, т.к. он имеет в 2,5 раза меньшую мощность. В качестве замены можно выбрать 1.5КЕ400С, 1.5КЕ440СА, 1.5КЕ440С. Но тогда все компоненты устройства должны быть рассчитаны на амплитудное напряжение 572 В, 600 В и 630 В соответственно.

3.7. Расчёт потребляемой мощности
Как следует из анализа принципиальной схемы, потребляемый ток складывается из следующих составляющих: ток делителя напряжения Iд, ток стабилитрона Iст, и ток нагрузки блока питания Iн. В силу малых величин, обратные токи защитного диода, выпрямительного моста, транзисторов, а также токи утечки конденсаторов не учитываются. Итак, P = Uвх • (Iд + Iст + Iн).
Ток делителя напряжения определим по закону Ома с учётом падения напряжения на диодах выпрямительного моста: P = Uвх• (((Uвх – Uд) / Rд) + Iст +Iн).
Для расчёта тока стабилитрона и тока нагрузки преобразуем формулу, использованную при расчёте балластного резистора, к виду: Iст + Iн = (Uвх – 2•Uд – Uст) / Rб. С учётом коэффициента, учитывающего отклонение сопротивлений резисторов, конечная формула будет иметь вид:

P = Uвх • [((Uвх – 2•Uд) / Rд•Кr) + ((Uвх – 2•Uд – Uст) / Rб•Кr)]

Рассчитаем максимальную мощность, потребляемую устройством в ждущем режиме, при номинальном напряжении сети Uвх = 220 В и минимальном напряжении стабилизации Uст = 4,95 В.
Падение напряжения на диоде выпрямительного моста составит Uд = 0,65 В.
Общее сопротивление делителя напряжения определяется суммой последовательно включенных сопротивлений: Rд = 620000 + 9100 = 629100 Ом. По аналогии: Rб = 30000 + 30000 = 60000 Ом.
Отклонение номиналов резисторов 5%, т.е Кr = 0,95.
Подставляем данные в формулу:

P = 220 • [((220 – 2•0,65) / 629100•0,95) + ((220 – 2•0,65 – 4,95) / 60000•0,95)] = 220 • [0,00037 + 0,0038] = 0,92 ВА

По данным измерений ток, потребляемый устройством от сети в ждущем режиме при номинальном сетевом напряжении, составил 4,0 мА. Отсюда P = 220 • 0,004 = 0,88 ВА, что находится в пределах рассчитанной величины.
Поскольку в ждущем режиме устройство представляет собой чисто активную нагрузку, активная мощность в данном случае эквивалентна полной мощности: Р = 0,92 ВА = 0,92 Вт.
Интересно отметить, что при увеличении яркости канала с минимума до максимума коэффициент мощности (power factor) увеличивается с 0,22 до 0,98.

Рассчитанная потребляемая мощность соответствует европейской директиве 1275/2008/ЕС от 17 декабря 2008 года, согласно которой уровень энергопотребления устройств, выпускаемых с 07 января 2010 года, не должен превышать 1 Вт в ждущем режиме. К слову, с 2013 года этот уровень огранивается ещё больше – до 0,5 Вт.

Часть 2.


 Разместите Ваш проект у нас на сайте и его смогут увидеть сотни посетителей в день. Ваши проекты присылайте вебмастеру.