DCC modely, Elektro MM

Autor: Ing. Ivan Doležal – Příspěvek popisuje časový spínač s řadou funkcí, realizovaný nejjednodušším z dostupných mikrořadičů. Nejjednodušším a nejlevnějším mikrořadičem je typ Microchip PIC12C508A v pouzdru DIL8, s 512 slovy paměti programu, 21 bajty paměti dat a až 6 vstupně/výstupními vývody [1][2]. Obvod má bohužel paměť kódu EPROM pouze jednorázově programovatelnou, takže k vývoji je nutno použít buď drahou verzi v keramickém pouzdře s mazacím okénkem, populární typ PIC16F84 v pouzdře DIL18 s flash pamětí nebo obvodový emulátor (např. MU Alpha firmy ASIX).

   Schéma zapojení je na obr. 1. Spínacím prvkem je triak Tr1, který s malým chladičem může spínat příkon až 300 W do zátěže Rz. Na jeho sepnutí je třeba dodat do řídicí elektrody proud ca 10 mA (s rezervou raději 20 mA), který by však při trvalém toku zvyšoval nároky na stejnosměrné napájení – samotný mikrořadič totiž odebírá méně než 2 mA. Protože k sepnutí triaků (i tyristorů) postačí krátký impulz (jednotky mikrosekund), výstup GP0 mikrořadiče generuje sled pulzů úrovně H, jejichž střední hodnota proudu je řádově nižší. Aby bylo možno spínat i indukční zátěž (motorky např. ventilátorů, stykače, zářivky apod.), která způsobuje fázový posuv protékajícího proudu vůči napětí, nemohou být impulzy generovány pouze po průchodu síťového napětí nulou, ale celou první polovinu každé jeho půlperiody.

     Na vstup GP2 mikrořadiče, opatřený Schmittovým klopným obvodem, je přes velký předřadný odpor přivedeno síťové napětí. Ukázalo se, že hystereze Schmittova obvodu dostatečně neochrání signál o průchodu napětí nulou od rušení, a tak byl do obvodu doplněn kondenzátor C4. Jeho kapacita není kritická, avšak příliš velká hodnota by způsobila již nezanedbatelné zpoždění signálu.

     Když je obvod napájen ze sítě, není ani nutné k časování použít kmitočet krystalového oscilátoru – je možno využít interní RC oscilátor mikrořadiče. Odchylka síťového kmitočtu od jmenovité hodnoty 50 Hz totiž v posledních letech nepřekračuje 0,1 %, což je pro obecný časovač jistě vyhovující.

     Kondenzátor C3 na síťové napětí (275 V stř.) nastavuje požadovaný proud stabilizátorem se Zenerovou diodou D2. Při spojení výkonové i číslicové země je možno proud usměrnit pouze jednocestně (dioda D1). Kondenzátor C1 je rezervoárem náboje pro napájení elektroniky po obě periody síťového napětí. Napětí na něm kolísá a klesá i pod 4 V, ale to mikrořadiči, který pracuje až do 2,5 V, nevadí. Rezistor R1 chrání diodu D2 proti zničení při připojení obvodu do sítě v amplitudě napětí, rezistor R2 vybíjí kondenzátor C3 do 1 s po odpojení obvodu od sítě. Jeho elektrická pevnost by měla být minimálně 350 V (trvale), což běžné metaloxidové rezistory 0,5 W splňují.

     Odběr proudu ze sítě naprázdno je 22 mA (změřeno), jedná se však převážně o kapacitní proud. Činný příkon nepřekročí 0,3 W (spočítáno), což lze jistě zanedbat.

     Indikační LED D3 by měla být typem s malou spotřebu, neboť rezistorem R10 je nastaven proud jen něco málo přes 2 mA, aby k napájení stačil již zmíněný, limitovaný zdroj proudu. Tlačítko (popř. spínač) SW1 je připojeno přes pull-up rezistor R9 a ochranný rezistor R8 na vstup GP3 mikrořadiče. Ošetření tlačítka proti zákmitům je zajištěno programově. Připojení na jiný elektronický obvod s galvanickým oddělením od sítě můžeme uskutečnit optronem, jehož výstupní tranzistor bude zapojen místo tlačítka.

     Mikrořadič je programován do konfigurace s vnitřním obvodem resetu. Rezistor R11 definovaně snižuje napájecí napětí po odpojení obvodu od sítě (zejména při oživování), aby i při velmi malém odběru mikrořadiče brzy pokleslo napětí natolik, že po opětovném zapnutí napájení bude mikrořadič resetován.

     Vývody mikrořadiče GP4 a GP5, které se ušetřili použitím vestavěného RC oscilátoru hodinového kmitočtu, jsou využity k volbě funkce („programu“) časovače. Dva vývody by standardně umožnily volit pouze 4 možnosti. Propojovací kolíková řada JP1 však umožňuje připojit každý vstup jednotlivě na úroveň L (zem), H (+5 V), na výstup GP1 pro LED nebo ho nechat nezapojený. Pomocí způsobu detailně popsaného v [1] se toto nastavení zjistí podprogramem, který tak pro 2 vstupy vrací 4-bitovou kombinaci (t.j. 16 možností) nastavené volby. Princip zjištění stavu vstupu je založen na tom, že se vývod přepne do výstupního režimu, nastaví se úroveň L resp. H a ta po přepnutí zpět do vstupního režimu zůstane u nepřipojeného vývodu nějakou dobu zachována (než případně „uplave“), kdežto u připojeného vývodu se obnoví ta úroveň, která je nastavena propojkou. Rezistory R6 a R7 brání ve výstupním režimu vývodu jeho zkratu na napájecí napětí resp. na zem. Rozšíření oproti [1] spočívá v tom, že se ještě testuje vstupní úroveň při obou úrovních výstupu GP1. Protože se jedná o změnu úrovně v trvání řádu mikrosekund, na svitu LED se to nijak neprojeví.

     Na řadu kolíků JP1 může být zapojen přepínač, avšak potřebný 16-polohový 2-pólový typ není běžný. Pokud se spokojíme s omezenější volbou, je ve dvojpólovém provedení poměrně lacino k dostání přepínač 6-polohový.

   Deska plošných spojů je znázorněna na obr. 2 a obr. 3. Její návrh pro původní zařízení poněkud jiného účelu provedl ing. Miroslav Novák ze Dvora Králové n. L. Vývody č. 1 svorek i kolíkové řady jsou na plošných spojích vyznačeny čtvercovou pájecí ploškou.

    Triak byl použit tuzemský. Záměna za zahraniční typ na min. 600 V / 4 A v pouzdře TO220 by neměla být problémem. Triak je opatřen komerčním, dvakrát lomeným chladicím křidélkem, které však muselo být na jedné straně nejprve vyrovnáno kolmo k desce a poté ohnuto zpět rovnoběžně s deskou, avšak výše, nad poměrně vysokým kondenzátorem C3. Při zátěži 300 W se již dosti hřeje (nezkoušet pod napětím !). Pro vyšší spínaný výkon je možno umístit rovnoběžně pod desku větší chladič, vývody triaku ohnout nad pouzdro a zapájet je tak do desky ze strany spojů ve správné orientaci. Plechový pojistkový držák je v nejjednodušším provedení do plošných spojů, ze dvou stejných dílů.

    Obvod je připojen přímo na životu nebezpečné síťové napětí, avšak můžeme jej oživit s transformátorem o výstupním napětí 8–12 V (stačí např. zvonkový transformátor) a při zatížení žárovkou na 12 V, např. telefonní nebo automobilovou (ale s příkonem jen do ca 20 W, při použití zvonkového transformátoru jen do 5 W). Jedinou úpravou je spojení vývodů kondenzátoru C3 nakrátko, které však před připojením na síť nesmíme zapomenout odstranit.

    Před zasunutím mikrořadiče do patice ověříme, že napájecí napětí je kolem +5 V.

    Po zapnutí napájení 4x blikne LED. Krátký záblesk (ca 0,1 s) představuje log.0, dlouhý (ca 0,4 s) pak log.1. Takto je počínaje nejvyšším bitem indikováno již zmíněné 4-bitové číslo volby, nastavené na propojkách. Přiřazení stavu propojek k číslu je patrné z tabulky č.1. Pokud je na vstupu GP2 přítomno střídavé napětí síťového kmitočtu, LED po krátké přestávce velmi rychle zabliká. Pak už se čeká na stisknutí tlačítka. V programu lze nastavit aktivaci i na rozpojení obvodu. Časovač vypne po nastavené době, i když je spínač SW1 trvale sepnut, což jednak umožňuje použití aretovaného spínače, jednak brání trvalému sepnutí při zablokování sepnutého tlačítka (např. zápalkou v nástěnném spínači časovače pro osvětlení schodiště).

     Po případném zběhnutí programu (např. v důsledku silné poruchy v napájení) je aktivován reset mikrořadiče vestavěným obvodem watchdog.

     K číslům volby jsou přiřazeny 3-bajtové položky tabulky. Příslušný kód jednak určuje funkci zařízení (vyšší polovina 1. bajtu), jednak volí dva časy (2. a 3. bajt). Jednotkou času (shodnou pro všechny volby) může být libovolný počet sekund od 1 do 255, ale pro některé funkce by neměl být menší než 10 a asi je vhodné, aby se jednalo o zaokrouhlenou hodnotu (10 s, 1/4 min , 1/2 min, 1 min, 2 min). Jednobajtové hodnoty uvedené v 2. a 3. bajtu položky tabulky používají totiž právě tuto jednotku, takže pak lze také nastavit zaokrouhlené časy (např. 15 min). Maximální možný (ovšem nezaokrouhlený)
čas je (255×255)s=18 h.

Volbou kódu můžeme zvolit :

1. Vypnutí spínače před uplynutím navolené doby dalším stiskem tlačítka.
2. Prodloužení času sepnutí opakovaným stiskem tlačítka v zadávací lhůtě, která je nastavena na 10 s. Základní doba (2. bajt kódu), přírůstek (jednotková doba prodloužení; 3. bajt kódu) i maximální počet přírůstků (limitováno na 15; nižší polovina 1. bajtu) jsou volitelné. Protože spínač sepne při prvním stisku tlačítka, je každé prodloužení signalizováno bliknutím LED. Teprve po ukončení zadávací lhůty se LED rozsvítí trvale.
3. Prodloužení času sepnutí podržením tlačítka v zadávací lhůtě. Prodloužení není plynulé, ale opět je volitelný přírůstek. Maximální počet přírůstků k základní době je opět určen nižší polovinou 1. bajtu. Započítání přírůstku indikuje bliknutí LED, které má periodu buď 0,32 s, nebo 0,64 s (zvoleno v programu). Před prvním přírůstkem je určitá prodleva, aby k jeho započítání nedošlo už při jen trochu delším prvotním stisku tlačítka (jako autorepeat u PC klávesnice).
4. Prodloužení času sepnutí před uplynutím navolené doby
       a) o celou dobu (t.j. příp. prodlouženou v zadávací lhůtě)
       b) o základní dobu
   Nejedná se o (příp. vícenásobné) přičítání intervalů jako je tomu v zadávací lhůtě, nýbrž o znovuspuštění monostabilního klopného obvodu s tím, že se v příp. b) provede prodloužení pouze tehdy, když je prodlužovací základní doba delší než aktuální čas zbývající do vypnutí. Připočítání prodloužení indikuje krátké zhasnutí LED. Tato funkce se pochopitelně vylučuje s funkcí vypnutí.
5. Periodické zapínání a vypínání s volitelnými dobami a počtem period, spouštěné i zastavované tlačítkem. Počet period je v nižší polovině prvního bajtu (1 až 15 nebo 0 pro trvalý cyklus), dobu zapnutí určuje 2. bajt a vypnutí 3. bajt kódu. 

     Volba č. 0 (žádná propojka) je rezervována pro deaktivaci spínače, aby se nemusela vyjímat pojistka nebo aby obvod nemusel být odpojován od sítě či zátěže. Přesto je možno zkontrolovat chod mikrořadiče – po stisku tlačítka LED zabliká jako při indikaci signálu střídavého napětí během inicializace.

     V programu je možno nastavit autostart, takže se nečeká na aktivaci spínače SW1 a časování se spustí ihned po inicializaci, tedy krátce po připojení obvodu k napájení. To může mít smysl v případě, že je vyžadováno odpojování časovače od sítě vypínačem.

     Příklad naprogramované kódové tabulky s volbami funkcí a časů, vybíraných pak propojkami, je uveden v tabulce č.1. Nebyla vytvořena na základě nějakého hlubokého rozboru všech možných aplikací, spíše pro předvedení dostupných funkcí. Zrovna tak je možné připravit tabulku se základní funkcí časovače a 15 různými dobami sepnutí.

     Mezi možné aplikace patří spínání osvětlení (chodby, schodiště, spíže, sklepy), ventilátorů (kuchyňská digestoř, koupelny, toalety), infrazářičů (koupelny, toalety), elektrických sporáků (přes stykač), varovných světel na síťové napětí apod., tedy převážně vestavěných spotřebičů, ke kterým nemůžeme připojit komerční časovač, jenž se zpravidla zasouvá jako mezičlen mezi zástrčku síťového přívodu spotřebiče a zásuvku. V řadě případů lze ke spouštění časovače i nastavování doby sepnutí použít původní spínač ovládaného spotřebiče. Typickou aplikací je právě schodišťový časovač, kde délkou nebo počtem stisknutí zvolíme dobu osvětlení, např. přibližně podle doby potřebné na překonání příslušného počtu podlaží. Nic však nebrání zabudování časovače do krabičky, opatřené přívodní šňůrou a výstupní zásuvkou. Indikační LED se uplatní nejen v režimech se složitějším ovládáním, nýbrž i např. u infrazářiče místo původní doutnavky – zapnutí spotřebiče zde totiž není zprvu patrné.

————————————————————————————–

Naprogramovaný mikrořadič s volbami uvedenými v tabulce č.1(200 Kč) nebo s volbami uživatelskými (250 Kč) na základě zaslání vyplněné tabulky, vrtanou desku plošných spojů (50 Kč) a triak se svorkami (40 Kč) lze objednat na adrese autora :

Ing. Ivan Doležal, Josefa Hory 25, 466 04 Jablonec nad Nisou
ivan.dolezal@quick.cz

————————————————————————————————————–

[1] Doležal, I. : Mikrořadiče Microchip PIC. Sdělovací technika, č. 11,12 / 1996.
[2] WWW stránky : http://www.microchip.com