AVT5925. Symulator wschodu i zachodu słońca

Opis układu

Imitowanie wschodów i zachodów słońca może być przydatne w domowej hodowli zwierząt. Zwłaszcza te egzotyczne mogą być wyczulone na nagły rozbłysk światła - którego potrzebują przecież bardzo dużo - lub jego całkowite wygaszenie w mgnieniu oka. To nie są dla nich naturalne warunki. Nasza życiodajna gwiazda wstaje i zachodzi przecież powoli - płynnie.

Typowe układy regulacji PWM, jakie stosuje się do taśm LED, mają pewną wadę: jasność przyrasta w nich zauważalnie skokowo, co jest skutkiem skończonej rozdzielczości regulacji. Stopniowe rozjaśnianie i ściemnianie jest widoczne zwłaszcza przy niewielkiej jasności. Proponowany układ przy użyciu kilku podstawowych bloków analogowych rozwiązuje
ten problem.

Schemat ideowy układu pokazano na rysunku 1. Głównym elementem układu jest mikrokontroler ATtiny25. Jego rdzeń jest taktowany sygnałem zegarowym o częstotliwości 8 MHz, którego źródłem jest wbudowany generator RC. Jego zadaniem jest generowanie dwóch sygnałów PWM: jednego stałego, a drugiego o zmieniającym się wypełnieniu.

1. Schemat ideowy

Sygnał prostokątny o stałej częstotliwości (około 490 Hz) i stałym wypełnieniu 50% jest konwertowany na sygnał trójkątny o możliwie liniowych zboczach. Dokonuje tego wzmacniacz operacyjny US3A, który został skonfigurowany do pracy jako układ całkujący. Stałą czasową całkowania wyznacza zastępcza rezystancja potencjometru P1 oraz pojemność kondensatora C7.

Rezystor R7 jest konieczny do pracy układu z rzeczywistym wzmacniaczem operacyjnym, który wymaga stałoprądowego sprzężenia między wyjściem a swoim wejściem odwracającym - dla uzyskania stabilnej pracy.

W tym zastosowaniu chcielibyśmy uzyskać sygnał trójkątny zmieniający się liniowo od 0 do 5 V, mając do dyspozycji sygnał prostokątny zmienny w tym samym przedziale napięć. Dlatego wytworzono „sztuczną masę” dla US3A poprzez spolaryzowanie jego wejścia nieodwracającego dzielnikiem napięcia złożonym z R5 i R6. W tej roli użyto układu MCP6002, który jest podwójnym wzmacniaczem mającym zarówna wejścia, jak i wyjścia typu rail-to-rail. Nieużywany wzmacniacz operacyjny US3B został włączony jako wtórnik napięcia, aby jego wejścia pozostawały prawidłowo spolaryzowane. W układzie jest jeszcze komparator LM311. Jego zadaniem jest wytworzenie sygnału PWM, gdy ma do dyspozycji dwie składowe:

• sygnał trójkątny z układu całkującego,
• płynnie zmieniające się napięcie stałe, które wytwarza filtr dolnoprzepustowy R8-C8-R9-C9.

Mikrokontroler, podczas rozjaśniania i ściemniania taśmy, dokonuje wykładniczej zmiany wypełnienia sygnału na linii o nazwie PWM. Napięcie to jest filtrowane dwuczłonowo, wskutek czego powstaje napięcie stałe, przesuwające próg zadziałania komparatora. Im wyższa wartość tego napięcia, tym większa część sygnału trójkątnego zostanie „zamieniona” na wyjściowy sygnał prostokątny o zmieniającym się wypełnieniu.

W roli stopnia sterującego wykonawczym tranzystorem MOSFET został użyty tzw. wtórnik przyspieszony. Zbocze opadające realizuje tranzystor wyjściowy komparatora, który wchodzi w stan nasycenia i poprzez diodę D1 wyciąga ładunek z bramki
T2, wprowadzając go w stan przewodzenia. Z kolei zbocze narastające wymusza rezystor R10, którego rezystancja (widziana przez bramkę T2) jest wielokrotnie mniejsza za sprawą wtórnika napięciowego na tranzystorze T1. R11 stanowi obciążenie emitera T1, aby mógł on pracować prawidłowo.

Dioda D2 chroni T2 przed uszkodzeniem wywołanym impulsami wysokiego napięcia, które mogłyby powstać podczas jego zatykania. Gdyby obciążenie miało charakter indukcyjny, a długie przewody połączeniowe mogą takowy przejawiać, wyłączanie go wywoływałoby powstawanie na jego zaciskach napięcia, generowanego przez samoindukcję. Zadaniem D2 jest obcinanie amplitudy tych impulsów poprzez zamykanie drogi dla zanikającego prądu.

Czas narastania i zmniejszania jasności jest regulowany potencjometrem P1, który został włączony jako dzielnik napięcia zasilającego.

Przełącznik bistabilny, który steruje pracą układu, należy podłączyć do zacisków złącza J2. Z uwagi na zakłócenia elektromagnetyczne, jakie mogą zaindukować się w długich przewodach połączeniowych, zachodzi konieczność ograniczenia prądu diod zabezpieczających wejście mikrokontrolera. To czyni rezystor R4. Zadaniem R2 jest polaryzacja styków przełącznika napięciem 5 V, aby mikrokontroler mógł wykryć, czy zostały one zwarte.

Montaż i uruchomienie

Układ został zmontowany na dwustronnej płytce drukowanej o wymiarach 65×45 mm. Jej wzór ścieżek oraz schemat montażowy przedstawia rysunek 2. Wlutowanie wszystkich elementów powinno odbyć się według standardowej kolejności, czyli zaczynając od tych, których wysokość obudowy jest najniższa. Tranzystor T2 nie wymaga chłodzenia, o ile prąd pobierany przez obciążenie nie będzie przekraczał 1,5 A. Maksymalny prąd pobierany z wyjścia nie powinien przekroczyć 5 A z uwagi na wytrzymałość prądową ścieżek.

2. Rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej

Jak ta wartość przekłada się na długość taśmy LED? Jeżeli jej moc wynosi 6 W/m, to dopuszczalna długość podłączonego odcinka może wynosić aż 10 m. Taśma o większej mocy będzie mogła być proporcjonalnie krótsza. Odpowiednim zasilaniem dla tego układu będzie napięcie stałe o wartości 12 V, ale dopuszczalny zakres rozciąga się w przedziale 9…18 V. Dolny
próg wynika z konieczności zapewnienia prawidłowych warunków pracy stabilizatora US2, zaś górny z wytrzymałości izolatora podbramkowego tranzystora T 2. Należy pamiętać, że taśma będzie zasilana tym samym napięciem co układ, więc może dojść do jej zniszczenia w razie podłączenia napięcia wyższego od nominalnego. Pobór prądu przez prototyp wyniósł około 15 mA przy zasilaniu 12 V, bez podłączonej taśmy.

Podłączenie układu sprowadza się do dołączenia:

• zasilania napięciem stałym (złącze J3),
• sterowanego źródła światła (złącze J4),
• przełącznika bistabilnego (złącze J2).

Przez przełącznik płynie prąd o natężeniu rzędu 0,5 mA, więc grubość oraz długość przewodów połączeniowych nie mają znaczenia. Zwarcie jego styków oznacza rozpoczęcie rozjaśniania, rozłączenie - rozpoczęcie ściemniania.

Układ zawiera dwa potencjometry - P1 i P2 - które należy odpowiednio ustawić. P1 służy do ustawienia pożądanego czasu rozjaśniania i ściemniania. Skręcając go w stronę napisu MIN na płytce, czas ten skracamy. Teoretycznie, minimalny czas trwania tego cyklu to 2 s, ale z uwagi na wydłużony czas odpowiedzi jednostkowej, jaki wprowadza dolnoprzepustowy filtr
sygnału PWM, całkowite wygaszenie taśmy LED następuje po około 5…6 s. Maksymalny czas cyklu to około 10 min. Następnie należy skręcić P1 w stronę minimalnego czasu trwania cyklu (MIN), podłączyć taśmę LED oraz zasilanie i zewrzeć styki przełącznika.

Jeżeli zwłoka w rozpoczęciu rozjaśniania taśmy była zbyt duża, trzeba zmniejszyć stałą czasową całkowania, czyli skręcić P2 w prawo. Jeżeli zaś rozjaśnianie rozpoczęło się nagle, bez płynnego włączenia, oznacza to przesterowanie członu całkującego, na co możemy zaradzić, zwiększając stałą czasową - P2 należy skręcić nieco w lewo. Po kilku próbach uda się znaleźć odpowiedni konsensus, można też nieco wydłużyć czas trwania cyklu, aby przekonać się, czy poczynione regulacje są prawidłowe.

Z uwagi na wykładniczy przyrost napięcia na wyjściu dolnoprzepustowego, oraz z powodu istnienia offsetu napięciowego komparatora i wzmacniacza operacyjnego może okazać się niemożliwe do uzyskania rozpoczęcie zauważalnego rozjaśniania taśmy bezpośrednio po zwarciu styków przełącznika. Jeżeli cały cykl ma trwać kilka minut, to przez pierwszych kilkanaście
sekund napięcie stałe na wejściu komparatora przyrasta w naprawdę minimalnym stopniu, co może nie być wystarczające do uzyskania impulsów na jego wyjściu. To nie świadczy o uszkodzeniu układu lub o jego nieprawidłowej konstrukcji, lecz
jest po prostu konsekwencją zastosowania prostych bloków analogowych, wykonanych z nieidealnych elementów, o niewyśrubowanych parametrach.

3. Przykład podłączenia