Przedstawiony w artykule wyłącznik zmierzchowy można wykorzystać do załączania o zmierzchu niewielkiego obciążenia i jego wyłączania o świcie. Może on również współpracować z systemem security chronionego obiektu dostarczając informacji o porze dnia (dzień, noc). Układ jest w stanie pracować również zimą przy temperaturach poniżej 0ºC.
Cała konstrukcja składa się z następujących bloków funkcjonalnych:
detektora reagującego na natężenie światła pracującego z pętlą histerezy,
zasilacza sieciowego małej mocy z transformatorem TS1 izolującym galwanicznie obwody wysokonapięciowy i niskonapięciowy,
układów wykonawczych z przekaźnikami PK1, i PK2 do załączania obwodów napięć zasilających.
Opis układu i zasada jego działania
Elementem reagującym na natężenie światła jest fotorezystor o dużej rezystancji (rzędu kΩ). Jest on włączony w jednej z gałęzi mostka składającego się z rezystorów R1, R2, R3, R4, R5. Napięcie z przekątnej mostka jest podawane do wzmacniacza operacyjnego US1 pracującego z pętlą histerezy. Zastosowanie pętli histerezy powoduje że detektor oświetlenia jest w stanie pracować pewnie i stabilnie nawet przy dość niskich temperaturach poniżej 0ºC. Szerokość pętli histerezy zależy od wartości rezystorów R6, R7. Również zastosowanie wzmacniacza operacyjnego odpowiedniego typu ma tutaj duże znaczenie w niskich temperaturach pracy. W ciągu dnia kiedy rezystancja fotorezystora R1 jest mała napięcie na wejściu odwracającym (-) US1 jest niższe od napięcia na wejściu nieodwracającym (+). Wtedy napięcie wyjściowe wzmacniacza jest wysokie i zbliżone do 9,5V. W takiej sytuacji tranzystor T1 jest spolaryzowany w kierunku przewodzenia, miniaturowy przekaźnik PK1 jest załączony, kotwica przekaźnika przyciągnięta, i dzięki temu jego styki pozostają rozwarte. Układ znajduje się w stanie czuwania. O zmierzchu rezystancja fotorezystora rośnie i w pewnym momencie napięcie na wejściu odwracającym US1 przekracza granice pętli histerezy. Następuje przełączenie napięcia na wyjściu wzmacniacza, które spada do wartości 0V (w przypadku zastosowania jako US1 wzmacniacza μA741 jego wartość osiągnie około 2,5V, stąd wynika konieczność stosowania D1 na napięcie minimum 3,3V). Tranzystor T1 przestaje przewodzić, kotwica przekaźnika PK1 opada i załącza obwód niskiego napięcia 12V. W obwodzie tym znajduje się wyjście niskonapięciowe OUT1 o niewielkiej wydajności prądowej (40 lub 60 mA), i przekaźnik większej mocy PK2 do załączenia napięcia sieci 220V, które to napięcie jest dostępne na wyjściu OUT2. Całość jest zasilana z prostego zasilacza stabilizowanego wykonanego z transformatora TS1, mostka prostowniczego D3 - D6, i stabilizatora parametrycznego z tranzystorem T1. Napięcie wyjściowe stabilizatora powinno zawierać się w granicach 12 do 13 V.
Montaż układu i jego uruchomienie
Wykonanie wyłącznika zmierzchowego należy rozpocząć od wykonania płytki drukowanej przedstawionej na rys.2. Następnie należy przystąpić do montażu elementów zgodnie z ich rozmieszczeniem przedstawionym na rys.3. Wartości poszczególnych elementów i ich oznaczenia możemy odczytać ze schematu na rys.1. Zastosowany w układzie przekaźnik PK1 jest miniaturowym rosyjskim kontaktronem ze stykami nawilżanymi rtęcią o oznaczeniu fabrycznym РЭС49-ОС. W przypadku kłopotów z jego nabyciem można w to miejsce zastosować inny miniaturowy przekaźnik o podobnych parametrach na napięcie 12V. Pozostałe elementy układu to typowe podzespoły które można nabyć w sklepach z częściami elektronicznymi. Do wejścia napięcia sieci 220V i do wyjścia OUT2 lutujemy odpowiednie styki z końcówkami przykręcanymi śrubkami. Ułatwi to późniejsze podłączenie napięcia zasilającego i obciążenia. Do wyjścia niskonapięciowego lutujemy kołki lutownicze lub wsuwane styki stosowane na płytach komputerów IBM. Podobnie postępujemy z miejscem podłączenia fotorezystora. W egzemplarzu prototypowym do wyjścia OUT1 podłączono diodę LED wraz z rezystorem szeregowym 820Ω służącą do sygnalizacji pracy wyłącznika. Jeżeli wyłącznik będzie współpracował wyłącznie z odbiornikami niskonapięciowymi 12V sterowanymi z OUT1 to można pominąć montaż przekaźnika PK2. W ten sposób wydajność prądowa wyjścia OUT1 wzrośnie z 40 do 60 mA. Wydajność prądowa wyjścia OUT2 jest uzależniona od obciążalności styków zastosowanego przekaźnika PK2. Za pomocą potencjometru R2 ustawiamy próg załączenia się układu. Zaleca się określić empirycznie wartość rezystancji fotorezystora o zmierzchu (w porze gdy zapalają się latarnie uliczne, a w oknach sąsiadów pojawiają się pierwsze światła). Wartość tą należy zmierzyć omomierzem, a następnie w miejsce fotorezystora włączyć rezystancję zastępczą o zbliżonej wartości i kręcąc potencjometrem R2 ustawić próg załączenia się układu. Gdyby prawidłowe ustawienie tego progu okazało się niemożliwe należy skorygować odpowiednio wartość R3, i w razie konieczności również R2. Jeżeli ktoś z czytelników dojdzie do wniosku że zaprojektowana przez autora pętla histerezy jest zbyt wąska to może ją poszerzyć zwiększając wartość rezystancji R6. Przy tej operacji należy pamiętać że wzmacniacze CA3140 i μA741 (oraz szereg innych popularnych typów wzmacniaczy operacyjnych) nie są układami typu Rail-To-Rail dlatego do obliczeń szerokości pętli histerezy trzeba przyjmować rzeczywiste wartości napięć maksymalnych i minimalnych jakie mogą pojawić się na wyjściu tych wzmacniaczy, a nie wartości napięć zasilających te wzmacniacze (jest to błąd często popełniany przez początkujących konstruktorów). Należy również pamiętać że zastosowanie układu μA741 spowoduje, że nasz wyłącznik najprawdopodobniej odmówi posłuszeństwa zimą podczas mrozu. Zmontowany wyłącznik należy umieścić w hermetycznie zamykanej puszce do instalacji elektrycznych. W zewnętrznej pokrywie puszki należy przymocować od zewnątrz fotorezystor połączony przewodem montażowym z płytką wyłącznika. Można również w zewnętrznej pokrywie puszki umieścić diodę sygnalizującą pracę urządzenia. W płytce drukowanej należy wykonać trzy otwory 3,2 mm w miejscach oznaczonych na rys.2 kółkami. Otwory te umożliwiają przykręcenie wyłącznika śrubkami M3 do dolnej części puszki. Proszę nie zapomnieć również o zamontowaniu choćby niewielkiego radiatora na tranzystorze szeregowym T2, w stabilizatorze napięcia. Całość mocujemy na zewnętrznej, najlepiej południowej ścianie domu, przykręcając puszkę za pomocą kołków rozporowych, doprowadzając napięcie zasilające, i podłączając odpowiednie obciążenia do wyjść układu.
Propozycje zastosowań wyłącznika
Najprostszą i wręcz intuicyjną formą wykorzystania wyłącznika jest zastosowanie go do sterowania podświetleniem numeru domu. Jednak konstrukcja naszego wyłącznika pozwala zastosować go również w systemach kontroli i ochrony, osób i mienia, gdzie w zależności od pory dnia (dzień, noc) może następować automatyczne uzbrajanie aktywnych i pasywnych torów podczerwieni, załączanie i wyłączanie aktywnych i pasywnych systemów ochrony posesji lub budynku itp. Informacja z wyjścia niskonapięciowego może być podawana do centrali alarmowej dzięki czemu możliwe będzie uzyskanie przełączania trybów pracy centrali lub chronionych obszarów w zależności od tego czy jest dzień czy noc. W niektórych typach central konieczne będzie odseparowanie urządzeń za pomocą transoptora pracującego w odpowiednim układzie pośredniczącym. Ponieważ autor tej publikacji nie znalazł dotychczas urządzeń podobnych pod względem funkcjonalnym, wyprodukowanych przez renomowane firmy produkujące urządzenia i systemy security, więc można sądzić, że tego typu zastosowania będą szczególnie atrakcyjne dla naszych czytelników, rozszerzając znacznie możliwości klasycznych systemów alarmowych. Przy współpracy z centralą alarmową można pominąć montaż zasilacza i wykorzystać napięcie 12V zasilające cały system alarmowy. Przy takim rozwiązaniu uzyskamy znacznie większą wydajność prądową wyjścia OUT1 ograniczoną jedynie przez maksymalną obciążalność styków przekaźnika PK1 i wydajność prądową samego zasilacza. W układzie można też wykorzystać wyłącznie wyjście niskonapięciowe np. do zasilania diod LED podświetlających przydrożną kapliczkę, których wiele można spotkać na polskich drogach w prawie wszystkich polskich wsiach i miasteczkach.