Automatyczny włącznik odkurzacza

Moduł monitoruje pobór prądu z sieci energetycznej przez dołączony do jego zacisków odbiornik. Jeżeli ten odbiornik zostanie włączony, pobierany przezeń prąd wzrasta. Jest to sygnał dla przekaźnika, który bardzo szybko załącza drugie wyjście, przeznaczone do zasilania np. odkurzacza. Po wyłączeniu odbiornika, pobór prądu natychmiast spada, co rozłącza przekaźnik i wyłącza odkurzacz.

Włącznik przewidziano do pracy przy napięciu sieciowym 230 V AC, a maksymalna moc monitorowanego odbiornika została określona na 2000 W. Charakteryzuje się on przy tym pewną „strefą nieczułości” wynoszącą około 0,3 A pobieranego przez odbiornik prądu (moc ok. 65 W). Dopiero przekroczenie tej wartości pobudza układ do działania. To zabezpieczenie chroni włącznik przed pobudzeniem, na przykład, przez. kontrolkę zasilania wmontowaną w obsługiwane narzędzie.

Schemat ideowy włącznika pokazano na rysunku 1. Nie zawiera on elementów programowalnych, nie wymaga również regulacji, więc jego uruchomienie jest bardzo łatwe. Do zacisków J1 doprowadza się zasilanie sieciowe, do J2 odkurzacz, zaś do J3 używane elektronarzędzie. Zasilania dla podzespołów elektronicznych dostarcza niewielki zasilacz transformatorowy. Jeden z jego zacisków wyjściowych jest połączony z linią 230 V AC, więc nie zapewnia separacji galwanicznej.

Rysunek 1. Schemat ideowy automatycznego włącznika

Napięcie z uzwojenia wtórnego jest prostowane dwupołówkowo i filtrowane. Odfiltrowane napięcie ulega silnym zmianom. Wynosi ono ok. 25 V w stanie czuwania i ok. 14 V po załączeniu przekaźnika. Pomimo tego, nie ma konieczności jego stabilizowania, ponieważ te wahania zostały uwzględnione na etapie projektowania urządzenia.

Prąd płynący przez monitorowane obciążenie wywołuje spadek napięcia na rezystorach R1-R4. Ich wypadkowa rezystancja wynosi ok. 25 mΩ, więc nawet przy poborze prądu rzędu 10 A, spadek napięcia będzie z pewnością niezauważalny (ok. 0,25 V). Przebieg czasowy tego napięcia odzwierciedla płynący przez te rezystory prąd, czyli ma kształt sinusoidalny, ewentualnie zdeformowany składowymi harmonicznymi. Uzyskane napięcie jest wzmacniane przez wzmacniacz nieodwracający, wykonany w oparciu o układ US1B. Jego wzmocnienie wynosi ok. 100 V/V. Kondensator C4 ogranicza pasmo przenoszenia wzmacniacza do ok. 160 Hz, co zmnijesza poziom szumów na wyjściu. Rezystor R14 kompensuje wpływ prądów wejściowych wzmacniacza operacyjnego oraz zapobiega uszkodzeniu delikatnego wejścia w wypadku wystąpienia krótkotrwałych skoków napięcia na rezystorach pomiarowych wywołanych np. zwarciem w odbiorniku.

Wzmocniony i odfiltrowany sygnał użyteczny 50 Hz trafia na detektor wartości szczytowej. Na kondensatorze C3 odkłada się napięcie zbliżone do amplitudy napięcia podawanego na ten detektor. Jego stała czasowa, wynosząca 0,33 s, dobrze poradzi sobie z odfiltrowaniem składowej zmiennej 50 Hz. Przy okazji, po zaniku sygnału pobudzającego, napięcie zaniknie z niewielkim opóźnieniem, co podtrzyma działanie przekaźnika przez ułamek sekundy. Napięcie z detektora jest porównywane przez komparator wykonany ze wzmacniacza operacyjnego US1A. Jego parametry czasowe nie są wprawdzie rewelacyjne, lecz w tej aplikacji nie ma to żadnego znaczenia, gdyż załączanym elementem jest przekaźnik o wielokrotnie dłuższym czasie reakcji. Pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego poprawia stabilność pracy komparatora, aby nie wpadał w oscylacje na granicy przełączenia. Napięciem odniesienia dla komparatora jest napięcie przewodzenia diody 1N4148.

Uznano, że próg załączenia nie jest aż tak istotny, by zwiększać cenę urządzenia przez stosowanie specjalnych układów źródeł napięcia odniesienia. W układzie prototypowym załączenie następuje przy ok. 10 mV amplitudy napięcia odkładającego się na rezystorach bocznikowych. W stanie spoczynku, napięcie na wyjściu komparatora jest zbliżone do napięcia zasilającego. Niestety, różnica wynosi aż ok. 1,5 V, co jest wystarczające do otwarcia złącza tranzystora PNP załączającego przekaźnik. Dlatego konieczne było dodanie diody Zenera D2, która nie przewodzi w tych warunkach. Rezystor R6 obciąża ją, aby szczątkowy prąd przez nią płynący nie otwierał tranzystora. Dopiero przełączenie wyjścia komparatora do napięcia bliskiego 0 V powoduje przepływ przez tę diodę prądu o natężeniu ok. 8 mA, co nasyca tranzystor i, tym samym, załącza cewkę przekaźnika powodując zwarcie jego styków.

Rysunek 2. Schemat montażowy automatycznego włącznika

Układ automatycznego włącznika został zmontowany na jednostronnej płytce drukowanej o wymiarach 74 mm×56 mm, której schemat montażowy pokazano na rysunku 2. Wszystkie użyte elementy mają obudowy przystosowane do montażu przewlekanego, dlatego z lutowaniem poradzi sobie nawet początkujący elektronik. Warto go prowadzić od elementów najniższych po najwyższe, a pod układ scalony polecam zastosować podstawkę. Szerokie ścieżki prowadzące do złącz ARK mogą przewodzić prądy o dużym natężeniu, dlatego warto pogrubić je dodatkową warstwą cyny oraz nalutowaniem na nie miedzianych przewodów. Jeżeli montaż przebiegł pomyślnie, urządzenie gotowe jest do pracy. Podłączając przewody zasilające do odpowiednich urządzeń oraz wtyczki sieciowej, należy pamiętać również o przewodach ochronnych, które należy połączyć poza płytką wyłącznika.

Michał Kurzela, EP