Логика работы акустического включателя подобна счетному триггеру. Звуковой сигнал включает лампы, если они выключены, или выключает, если они включены. В паузах между сигналами состояние ламп остается неизменным.

Рис. 1

Схема выключателя изображена на рис. 1. EL1 - одна или несколько соединенных параллельно ламп (накаливания или "энергосберегающих") суммарной мощностью до 1000 Вт, которыми управляет выключатель. Благодаря применению экономичных микросхем К154УД1А [1] и HEF4013BP [2] активная составляющая тока, потребляемого от сети при выключенной лампе, - всего 0,88 мА. Как показала практика, включение лампы в цепь постоянного, выпрямленного диодным мостом VD1, а не переменного тока, обеспечивает лучшую помехоустойчивость устройства.

Выпрямленное этим мостом напряжение после гашения его избытка резистором R7, ограничения стабилитроном VD4 на уровне 10 В и сглаживания конденсатором С1 использовано и для питания
микросхем. Конденсатор С6 в цепи их питания подавляет высокочастотные помехи. Благодаря малому потребляемому току мощность, рассеиваемая на резисторе R7, не превышает 0,25 Вт. Конденсатор СЗ заметно снижает вероятность ложных срабатываний выключателя устройства от помех, проникающих из электросети. Это подтверждено экспериментально.

ОУ DA1 усиливает поступающие с микрофона ВМ1 сигналы. Коэффициент усиления, от которого зависит порог срабатывания, регулируют под-строечным резистором R4. Поскольку соединение инвертирующего входа ОУ с общим проводом по постоянному току разорвано конденсатором С4, постоянная составляющая напряжения на этом входе и на выходе ОУ всегда равна такой же составляющей напряжения на неинвертирующем входе ОУ. Подборкой резистора R1 в цепи питания микрофона ВМ1 ее устанавливают приблизительно равной половине напряжения питания ОУ. Это дает возможность получить максимальный размах переменного напряжения на его выходе. Конденсаторы С2 и С5 формируют АЧХ усилителя, подавляя высокочастотные составляющие сигнала.

На диодах VD2 и VD3 собран амплитудный детектор переменной составляющей сигнала. Резистор R5 замедляет нарастание напряжения на конденсаторе С8, предотвращая срабатывание выключателя от слишком коротких акустических сигналов. Через резистор R6 конденсатор С8 разряжается по окончании сигнала.

Как только напряжение на конденсаторе С8 превысит пороговое для входа С триггера DD1.1 значение (около 5 В), триггер приводит свои выходы в состояние, соответствующее логическому уровню на входе D. Цепь R11С9 создает задержку приблизительно в 1 с между изменением логического уровня напряжения на инверсном выходе триггера и на его входе D. Поэтому состояние триггера изменяет только первый из серии импульсов, поступивших на вход С за время задержки. Этим устраняется непредсказуемость состояния выключателя после приема неизвестного заранее числа следующих один за другим звуковых импульсов, возникающих, например, в результате многократного отражения звука от стен помещения и находящихся в нем предметов.

Следует отметить, что тактовые входы триггеров микросхемы HEF4013BP, в отличие от аналогов (КР1561ТМ2, CD4013BCN), имеют характеристики переключения с гистерезисом, как у триггера Шмитта По этой причине заменять указанную микросхему аналогами нежелательно.

При включении питания цепь R8C10 формирует импульс, устанавливающий триггер DD1.1 в состояние с низким уровнем на выходе 1. Это необходимо, чтобы после включения устройства в сеть лампа EL1 оставалась выключенной до получения включающего ее сигнала. Не включится она самостоятельно и при восстановлении напряжения в сети после перебоя в электроснабжении.

Когда на выходе триггера DD1.1 установлен низкий уровень, такой же он и на входе S триггера DD1.2, так как диод VD5 открыт. В этой ситуации уровень на выходе 13 триггера DD1.2 остается низким независимо от уровня на входах С и D, поскольку на вход R подано напряжение высокого уровня.

При высоком уровне на выходе 1 триггера DD1.1 диод VD5 закрыт. Поступающее через резистор R10 на вход S триггера DD1.2 пульсирующее напряжение (сетевое, выпрямленное мостом VD1) в начале каждого полупериода переводит триггер в состояние с высоким уровнем на выходе 13. Сигнал с этого выхода служит для тринистора VS1 открывающим. Обратите внимание, что между управляющим электродом и катодом тринистора отсутствует резистор, рекомендуемый руководствами по применению тринисторов серий КУ201 и КУ202. В нем нет необходимости, поскольку выходное сопротивление триггера DD1.2 достаточно мало в обоих его состояниях.

Как только тринистор открывается, напряжение между его анодом и катодом резко уменьшается, уровень напряжения на входе S и выходе 13 триггера DD1.2 становится низким и открывший тринистор импульс прекращается. Таким образом, его длительность всегда остается минимально достаточной для открывания тринистора. В следующем полупериоде процесс повторяется.

Необходимо отметить, что прл слишком быстром после отключения повторном включении прибора в сеть описанное устройство может "зависнуть". В этом случае следует отключить его от сети и вновь включить, выждав неменее 10 с, необходимых для разрядки конденсаторов.

Если в качестве EL1 используются одна или несколько "энергосберегающих" ламп без корректоров коэффициента мощности, работа выключателя происходит несколько иначе, чем с лампами накаливания. В электронном пускорегулирующем аппарате "энергосберегающих" ламп имеется диодный выпрямитель сетевого напряжения со сглаживающим конденсатором. Поэтому ток через лампу не протекает, пока мгновенное значение напряжения в сети не превысит напряжения, до которого заряжен конденсатор, а оно лишь немного меньше амплитуды сетевого До этого момента сопротивление лампы очень велико, поэтому уровни на входе S и выходе триггера DD1.2 остаются низкими и открывающее напряжение на управляющий электрод трини-стора не поступает Тринистор откроется после того, как напряжение в сети примерно на 15 В превысит напряжение на конденсаторе лампы.

Основная проблема, которая возникает при управлении "энергосберегающими" лампами с помощью тринисто-ра, связана с тем, что ток утечки этого прибора (в закрытом состоянии) может достигать нескольких миллиампер. Хотя этого недостаточно для непрерывного горения лампы, иногда она периодически вспыхивает, так как сглаживающий конденсатор постепенно заряжается током утечки, а затем разряжается током вспыхнувшей лампы. Это не только неприятно визуально, но и сокращает срок службы лампы.

Чтобы избавиться от вспышек, можно либо подобрать другой экземпляр тринистора, либо подключить параллельно "энергосберегающей" обычную лампу накаливания. Второй вариант предпочтительнее. Шунтировать, как иногда рекомендуют, "энергосберегающую" лампу резистором в данном случае неприемлемо.

Другая проблема связана со значительным импульсным током, протекающим через лампу (особенно "энергосберегающую") в момент ее включения. Этот импульс способен повредить тринистор или диоды выпрямителя. Хотя многие "энергосберегающие" лампы оснащены токоограничительными элементами, но если несколько таких ламп соединены параллельно, последовательно с ними желательно включить резистор сопротивлением около 10 Ом. Мощность этого резистора должна быть не менее вычисленной по формуле

где Р - мощность резистора, Вт; R - его сопротивление, Ом; Рсум - суммарная мощность ламп, Вт; U - напряжение в сети, В; лямбда - коэффициент мощности (обычно 0,3...0,5).

Рис. 2

Схема другого варианта узла коммутации лампы EL1 изображена на рис. 2. Нумерация элементов здесь продолжает начатую на рис. 1. Этот узел не подвержен "зависанию", менее критичен к току открывания тринистора, а главное - включает лампу при меньшем мгновенном значении сетевого напряжения. На триггере DD1.2 собран одно-вибратор. Запускает его при наличии разрешающего высокого уровня на входе D-триггера сигнал, поступающий на вход С через делитель напряжения R9R10. Это происходит в моменты времени, когда напряжение на аноде тринистора растет и достигает примерно 15 В

Пока на входе D напряжение низкого логического уровня, триггер сохраняет состояние с низким уровнем на выходе 13, транзистор VT1 и тринистор VS1 закрыты, а лампа обесточена. При высоком уровне на входе D поступающие на вход С импульсы в начале каждого полупериода сетевого напряжения переводят триггер в состояние с высоким уровнем на выходе. Транзистор VT1 и тринистор VS1 открываются, на лампу подается напряжение. Конденсатор С11 заряжается через резистор R13. Приблизительно через 10 мкс напряжение на входе R триггера достигает порогового значения и триггер возвращается в исходное состояние. Тринистор остается открытым до конца полупериода, а в следующем процесс повторяется.

С особенностями узлов управления тринисторами и их применения можно ознокомиться в [3, 4].

В выключателе могут быть установлены тринисторы КУ202К - КУ202Р, КУ202К1-КУ202Р1. Если мощность ламп не превышает 400 Вт, подойдут и тринисторы КУ201К-КУ201Н. При коммутируемой мощности более 200 Вт тринистор следует установить на теплоотвод. Для тринисторов серии КУ202 гарантирован открывающий ток управляющего электрода не более 100 мА, хотя фактически у большинства из них он в несколько раз меньше. У всех испытанных автором экземпляров (около десятка) этот ток не превышал 10 мА. Если микросхема DD1 в устройстве, собранном по схеме, изображенной на рис. 1, все-таки не сможет отдать нужный ток, может потребоваться подборка тринистора. Для узла, собранного по схеме, показанной на рис. 2, подбирать тринистор не требуется.

Транзистор КТ940А можно заменить на КТ940Б, а также на КТ604 и КТ605 с любыми буквенными индексами. Все эти транзисторы работают достаточно надежно, хотя приложенное к ним напряжение формально превышает максимально допустимое значение.

Аналог диодного моста KBU6G - RS604. Подойдут и другие диодные мосты или отдельные диоды, рассчитанные на обратное напряжение не менее 400 В и на ток, потребляемый управляемыми выключателем лампами. Диоды КД521А заменят любые маломощные кремниевые диоды.

В качестве ОУ DA1 подойдет не только К154УД1А, но и К154УД1Б, а также 174УД1А, 174УД1Б, КР154УД1А, КР154УД1Б. У микросхем серий 174 и К174 с выводом 5 соединен металлический корпус. Поскольку микросхемы серии КР174 выполнены в пластмассовом корпусе, этот вывод у них оставлен свободным и присоединять его никуда не требуется.

Микрофон CZN-15Е заменяется любым другим малогабаритным элект-ретным со встроенным усилителем на полевом транзисторе. Подойдет, например, отечественный микрофон МКЭ-332. При его подключении необходимо соблюдать полярность. Резистор R1 подбирают таким, чтобы напряжение между выводами микрофона было около 5 В.

Литература:

1. Микромощный операционный усилитель 154УД1. - http://www.rdalfa.lv/data/oper_usil/1541 .pdf.

2. HEF4013B Dual D-type flip-flop. -http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/HEF4013B_5.pdf.

3. Кублановский Я. Тиристорные устройства. - М.: Радио и связь, 1987 (Массовая радиобиблиотека, вып. 1104).

4. Управление тринисторами и симисторами. - http://www.platan.ru/shem/pdf/ 12_р21 -25.pdf.