dpak

Иногда возникает необходимость сделать устройство плавного включения света или плавного пуска двигателя в цепях низкого напряжения (например, в авто для плавного включения салонного света, подсветок и прочего). В этой статье изложен способ изготовления такого устройства в полевых условиях, используя с минимум элементов.

На данный момент на рынке существует ряд готовых устройств подобного рода. Такие устройства продаются даже в форм-факторе автомобильного реле, производящие плавный пуск нагрузки. стоимость таких устройств невысокая - порядка 300-500 рублей. Но у большинства девайсов есть серьезные ограничения: ток нагрузки не более нескольких ампер, что делает устройства применимым только салонного освещения. На одном проекте столкнулся с задачей сделать устройство плавного включения для светодиодной ленты довольно большой длины, соответственно потребляемый лентой ток был намного больше нескольких ампер. Для решения поставленной задачи я и придумал предложенные схемы. Огромное достоинство этих схем - низкая цена и простота изготовления. Но есть и недостатки, но в большинстве случаев они не критичны. Недостатки будут видны после просмотра схемы.

 

Устройство плавного включения света

Идея схемы очень проста: в качестве коммутирующего элемента (ключа) используем полевой транзистор (пробовал даже IGBT) практически любой, который будет под рукой и удовлетворяет критериям пропускаемого тока и напряжению пробоя. На затвор транзистора ставим обыкновенную RC-цепь, подбирая элементы цепи таким образом, чтобы показатель времени цепи T был около нескольких секунд (T = R*C). Ограничивая ток сопротивлением R, заряжаем конденсатор C, причем довольно долго. Соответственно напряжение на затворе полевого транзистора меняется как напряжение на конденсаторе C. Вот и вся идея. Три элемента осуществляют плавный пуск нагрузки, и схема использует 3-5 элементов. Проще уже по-моему некуда. Особенно если учитывать, что большинство схем используют принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ или PWM), где схема в разы сложнее и регулировка осуществляется изменением скважности.

Теперь немного о тонкостях настройки и работы схемы. Как мы знаем из курса физики, RC цепь в простейшем случае заряжается экспоненциально U = Uo * exp (t / T), где T = R*C - показатель времени зарядки цепи, т.е. как еще говорили в школе, за время T конденсатор зарядится в e раз (для грубого подсчета в 3 раза). Учитывая. что конденсатор C заряжается экспоненциально, а не линейно, то и плавный пуск будет происходить экспоненциально, а не линейно. Это значит, что сначала она будет потихоньку разгораться, а потом начнет довольно резко набирать мощность. Особенно этот эффект ощутим, если время плавного включения больше нескольких секунд. При малом времени пуска (за две секунды полного включения) эффект практически не отличим от линейного пуска.

Вторая тонкость схемы заключается в эффекте разрядки конденсатора. Представим себе ситуацию, когда мы поставили схему, включили первый раз и увидели плавное включение света. Далее выключили и включили повторно. И вот начиная со второго раза включение не производится плавно. Секрет прост: конденсатор мы зарядили, а разряжать не разрядили. Теперь цепь медленно не заряжается и нет эффект плавного пуска. И вот тут появляется тонкость настройки. Ставим подтяжку к земле Rs около затвора полевого транзистора. Через шунт Rs конденсатор разряжается при выключенной схеме. И делает он это тоже за время Ts = Rs*C и тоже по экспоненте. Появляется один плюс и несколько минусов. Плюс заключается в том, что используя этот метод, можно сделать плавно гаснущий свет. А вот минус куда неприятнее, заключается в том, что если сделать величину Rs очень большую, то конденсатор C будет разряжаться очень долго. В ряде случаев это плохо, например, если кто-то быстро (значительно быстрее времени разрядки конденсатора) щелкает выключателем лампочки, то схема до конца не разряжается и начинает опять заряжаться не с нулевого положения, пуск получается не плавным, а ломаным или вообще не плавным, а резким (если время разрядки например более 10 секунд, а переключать можно обычной кнопкой). Если мы поставим очень маленькое сопротивление, то получим вообще нерабочую схему, т.к. сопротивления R и Rs образуют делитель входного напряжения и если Rs << R, то конденсатор никогда не зарядится и свет никогда не включится. Для решения этой задачи я использовал сопротивления примерно одного порядка, Rs больше примерно в двое R (для 12-вольтовой цепи). Емкость конденсатора рассчитал таким образом, чтобы T=R*C было около нескольких секунд. Тонкость настройки заключается в грамотном подборе элементов R, Rs и С таким образом, чтобы время разрядки было минимальным, а время зарядки было фиксированным. Впрочем, в плавном пуске света половину секунды почти никто не заметит, поэтому элементы можно подбирать довольно грубо. Учитывая, что R и Rs составляют делитель входного напряжения, то надо подобрать их таким образом, чтобы транзистор полностью открылся, иначе свечение будет не в полную силу, транзистор будет греться и может выйти из строя.

Стоит отдельно выделить случай управления нагрузкой от контроллера. Rs необходим в случае, если на входе схемы есть либо напряжение питания, либо ничего. В случае микроконтроллера, на входе схемы либо логическая единица, либо логический ноль, т.е. либо напряжение питания, либо "земля". В этом случае Rs вообще не нужен, т.к. разряжаться конденсатор будет через R при включении "земли" на микроконтроллере. Настройка тоже значительно упрощается.

Значения элементов подобрал опытным путем. Для стандартного плавного пуска (около нескольких секунд) 12-вольтовой цепи, R = от 3 до 5 КОм, Rs около 10 КОм, C = 1000 uF или 470uF, электролиты. Используя такие элементы, время включения незначительно зависит от температуры, но этот эффект незначителен при малом времени зарядки (несколько секунд). Меняя величину R можно регулировать время включения. Транзисторы пробовал разные, какие были под рукой, работало но всех хорошо. Пробовал даже IGBT, так что схему можно адаптировать под высокие напряжения.