Предыстория
Появилась задача разработать блок, который мог бы включать некие устройства, подключенные к сети 220 В. Устройства маломощные. Вроде бы нет проблем решить задачу, просто переключатель всё делает? К задаче добавилось требование: устройства должны включаться нажатием на антивандальную кнопку, не имеющую фиксации, а по второму нажатию – выключаться. Это уже чуть-чуть усложняет задачу, но не сильно. Тут я опишу своё решение данной задачи и создание макета этого устройства.
Для работы с кнопкой без фиксации выбрал простейшее решение на D-триггере. У меня две коробки К561ТМ2 и можно купить кучу дешёвых зарубежных аналогов, типа CD4013. Сразу хочу сказать, что есть много вариантов сделать электронную фиксацию кнопки на нескольких транзисторах, диоде и ёмкости. И да, эти решения тоже вполне будут работоспособны. Просто мне захотелось сделать так, как описано ниже.
Для коммутации разных нагрузок использовать просто электромеханические реле не хочу, так как нет полного понимания, что туда могут подключить, какой тип нагрузки. Даже малопотребляющая нагрузка, имеющая некие особенности с cosφ, может сварить контакты реле. Это коэффициент мощности. Нагрузки далеко не всегда идеальны. Очень редко мы коммутируем просто резистор или нагреватель. Всё чаще устройства, подключаемые к сети, имеют реактивные составляющие в своей характеристике нагрузки. А это значит, что имеет место смещение тока от напряжения по фазе. Для этого в нагрузке должна быть ёмкостная или индуктивная составляющая, заметная для частоты сети, чтобы сдвинуть фазу тока от напряжения. На многие реле указывается коммутируемый ток при коммутируемом напряжении и тот самый cosφ, но вот мало ли чего могут подключить. Именно поэтому мне показалось более надёжным решением в прототипе применить твердотельное реле на тиристоре – почему бы и нет? Мощность позволяет.
Осталось как-то запитать электронный фиксатор кнопки. Тут самое интересное. Посмотрел я на кнопку, на которую нужно будет нажимать, и не нашёл каких-либо описаний и параметров. Обычная такая антивандальная кнопка китайского производства. Хотя изначально не было сказано про гальваническую развязку кнопки, думаю, не сделать её было бы просто не по-человечески. Поэтому решение применить ёмкостный делитель и стабилизацию на стабилитроне, аналогично и какой-нибудь viper даже не рассматривалось. Осталось что-то с трансформатором.
Таким образом получилась блок-схема:
Главное – не делать заказной трансформатор (или дроссель, ибо обратноход в итоге получился). И тут на помощь приходит много фирм которые производят готовые малогабаритные импульсные трансформаторы. И, что главное, их можно без проблем купить. Выбор пал на самый дешёвый, но с указанным напряжением изоляции больше 3 кВ. Получилось довольно интересно. Но в схему я трансформатор не подбирал, а нашёл трансформатор за 10 рублей и почитал, под какую схему он разработан; её и применил. Трансформатор был произведён для работы с микросхемой довольно серьёзного производителя Melexis, но при этом достаточно дешёвой и распространённой. Трансформатор + микросхема обходились в 20-25 рублей в розницу.
После подбора основных элементов была нарисована схема блока. Так как это был прототип, и особенной оптимизации не требовалось, на данном этапе по большей мере было применено то, что было проще и быстрее купить. На прототипе предусмотрел возможность использования блока с выходом ОК – на всякий случай. Для этого просто заложил более мощный транзистор, который должен управлять твердотельным реле. А на плату – макет, вообще поставил, что было в ящике под столом (IRF3710).
Реле было выбрано то, с которым когда-то уже работал и был уверен в его надёжности. А из приятных плюсов – имеет встроенную снабберную цепь и источник тока светодиода, то есть управляется напряжением.
После схемы, выполняющей основные функции блока, была нарисована схема источника питания с гальванической развязкой. Схема взята из даташита на трансформатор и приведённых вариантов его включения.
Так как для начала нужно было сделать и протестировать один образец, было принято решение изготовить плату классическим радиолюбительским методом – лазерно-утюжным.
Поскольку я не гуру лазерно-утюжного метода изготовления плат, плата была спроектирована с широкими дорожками и большими зазорами между ними.
Силовые дорожки до выходного разъёма и реле решил не проводить по плате, а просто сделать внешними проводами. Для тестов пойдёт.
Ну и примерно так оно выглядит в 3D в CAD.
После изготовления и сборки была произведена проверка высоковольтных цепей на КЗ (так как плата делалась не на заводе, а у меня в ванной комнате, возможны были незаметные непротравы). И проверка верной полярности установленных элементов, особенно высоковольтных электролитов.
На транзистор VT1 на всякий случай была надета металлическая скобка как временный радиатор.
Пусконаладка
Для начала с лабораторного источника питания подал питание на DD1 и убедился в корректной работе схемы управления реле и фиксации кнопки. Тут всё ожидаемо, но стараюсь проверять всё на наличие глупых ошибок.
Далее на 3 пин микросхемы DA1 с лабораторного источника питания подал напряжение и убедился, что она исправна и готова управлять транзистором.
Далее пробное включение от сети 220 В.
Включение подобных конструкций всегда рекомендую проводить с подключением их последовательно с лампой накаливания (обычные на 220 В, а мощность подбирать в зависимости от тестируемого устройства и вариантов тестирования). А питать при первом включении рекомендую через ЛАТР.
Лично я для себя имею нехитрую схему для таких первых запусков.
Трансформатор Т1 1:1 сетевой для гальванической развязки от сети. У моего мощность около 400 Вт, и редко когда бы ее не хватало. Далее ЛАТР, обозначенный как резистор (Т2), позволяет плавно поднимать напряжение. Лампа накаливания просто зажжётся в случае КЗ в устройстве, или её слабое свечение укажет на неожиданное потребление. Амперметр и вольтметр просто очень удобны для контроля того, что сейчас происходит.
В принципе у меня всё прошло как по маслу, блок заработал без каких-либо проблем.
Хочу обратить внимание, что C10 установленный к земле или к питанию триггера задаёт его начальное состояние. Так как схема достаточно проста и не имеет специальных сбросов перед стартом, то это замечание может быть полезным.
После первоначальной проверки были разные тесты и испытания, блок был немного переработан, изготовлен уже более профессионально. Получилось так, что моя идея с гальванически развязанным источником питания очень пригодилась и в приборе стала дежурным питанием. Финальную версию же показывать не имею права, а вот этот пример можно брать за референс и использовать в своих поделках.
