Управление взмахами для маломощных светодиодных светильников с токовым драйвером: поделка выходного дня

Захотелось для подсветки над мойкой и над рабочим столом в кухне сделать управление жестами (взмахами). А для того, чтобы «поженить» драйвер маломощной светодиодной лампы с датчиком взмаха для светодиодных лент, возникла идея использовать симистор. Вроде бы просто всё. Но для «мамкиного электронщика» всё получилось неожиданно интересно. Про это — под катом.


С аналоговой электроникой я «на вы», увы. Так уж вышло. Поэтому, не уверен, что те, кто с ней «на ты», найдут что-то новое в этой статье. Но практические советы в комментариях всегда приветствуются.

Зачем?

Довольно давно, лет уже 20, на кухне, над мойкой и в рабочей зоне стола используется зональная подсветка, в виде линейных светильников, закрепленных на нижней стенке подвесных шкафов гарнитура. Жена говорит, что это очень нужная штука. Сначала были светильники с газоразрядными лампами T5, потом были заменены на подобные светодиодные, «покороче» на 8Вт над мойкой и «подлиннее» на 12Вт над столом. Вот такие:
(а не то, что там ИИ Шедеврум по теме статьи придумал в заглавной картинке с шестью пальцами)

Для удобства, каждая лампа имеет обычный, маленький выключатель. Вот только включать его бывает не очень-то и удобно: частенько, почему-то потребность в подсветке появляется именно тогда, когда руки или мокрые или и вовсе в чём-то, связанным с приготовлением еды. И не хочется, что-бы это что-то, оказалось ещё и на выключателе.

Проблема

Поэтому, когда читал тут обзор на датчик взмаха подумал: «так вот же решение!» и сразу же и заказал их, предполагая как раз использовать на кухне.
Уже получив их, осознал то, что написано в обзоре, и что, собственно, не получилось у автора: посмотрел на конструкцию моих кухонных светильников и понял, что просто так, его туда не поставишь: там токовый драйвер с высоким напряжением, а эти платы рассчитаны на светодиодную ленту 12(24)В и поэтому включать — выключать светодиоды после токового драйвера не выйдет.
Пока искал информацию и думал над вариантами, наткнулся тут же ещё и на обзор ув. kirich на почти такую же (есть небольшие отличия) плату. Там есть её схема и подробное описание, полезно.

Токовый драйвер на моём светильнике вполне типичный. На всякий случай посмотрел микросхему драйвера — SDH7711ARN, даже нашел на неё что-то вроде даташита. Микросхема наверное даже хорошая, но не увидел на ней входов для управления включением — типа enable или похожего.
В общем, выяснив, что придется менять конструкцию светильника на ленту и питать её от БП 12(24)В., отложил это мероприятие до того, как светодиоды своё отработают.

Решение

А мысли-то никуда не делись :)
И вот, недавно Али в рекламе выдал маломощный и миниатюрный блок питания 12В и 300мА, прикинул по размерам, вроде должен влезть в корпус светильника. В голове сразу созрела идея — такой мелкий БП будет питать только плату датчика взмаха, а она будет управлять коммутацией драйвера светодиодов через симистор. Вроде должно получиться!

Дождался компактных БП с Али, проверил как он поместится. Он вошёл внутрь светильника только после аккуратной «подстрижки» всех контактов с обратной стороны платы. Но зашёл ведь, хоть и тютелька в тютельку.
Для управления симистором BTA-16 решил использовать оптосимистор MOC3061, он с контролем включения симистора при переходе напряжения через ноль. И ещё потому, что у меня они уже были, ранее для чего-то заказанные с Али. Ещё раз посмотрел как их подключать и приступил к реализации. Быстренько спаяв простейший вариант схемы из даташита, проверил её на столе. И ни один из 10 MOC3061 с Али не заработал, у меня такое очень редко, но бывает. Спор открывать уже поздно, сразу не проверил. (Честно, это не я писал отзыв типа «продавец и товар хорошие, но еще не проверял»;) Нашел в хозяйстве MOC3021, тоже с Али, с ним симистор заработал, хоть и без контроля перехода через ноль.

Датчик платы перепаял через короткие (7 см) проводки, чтобы вынести его непосредственно к рассеивателю лампы, не хотелось плату располагать над светодиодами. Сделал перемычку A-B для простого включения и выключения по взмаху, без диммирования и плавного зажигания-потухания: симистор с ШИМ работать не будет. MOSFET снял, управление оптосимистором — напрямую с микросхемы, через токоограничивающий резистор 220 Ом.
Далее провёл провода и обмотав компоненты каптоновым скотчем поместил всё внутрь корпуса лампы. Штатный выключатель не стал убирать, пусть будет.
Тут выяснилось, что датчик платы, если его ставить внутри рассеивателя, взмахи для включения воспринимает, а дальше после включения засвечивается светодиодами и ни в какую не выключается. Пришлось вынести его за пределы рассеивателя. И тогда все заработало как надо! Я был доволен.
Но, как однажды слышал, любую хорошую программу портит внедрение. Так и тут, как это нередко бывает, дальнейшее «промышленное» использование внесло коррективы.

Ошибки

Оказалось, что симистор ложно включается или выключается от любой помехи в сети — открыл дверцу холодильника — светильник моргнул. Выключился тостер — а с ним выключилась и подсветка. Не прям каждый раз так, но достаточно часто, чтобы отправить его «на доработку».

Работа над ошибками

«Как это неожиданно, однако!». Подумал я, и полез читать форумы дальше про расчёты снабберных RC-цепочек. Попробовал добавить конденсатор 0,01 мкФ с резистором 29 Ом, как в даташите. И ёмкость 0.2 мкФ с резистором 1.2к, как в схеме для чувствительных симисторов с индуктивной нагрузкой. Не помогло. Попробовал увеличить до 0,1 мкФ с резистором 100 Ом и получил свечение даже с выключенным симистором — такого реактивного сопротивления конденсатора уже хватает для работы драйвера. Ещё немного посчитав в специальной программе с форума и выяснив на практике, что и расчётные варианты не работают, отнёс это к слишком маломощной нагрузке и к слишком мощному для данного применения симистору. Для моей нагрузки (12Вт, ~75 мА, > 3кОм) получалась довольно скромная ёмкость и довольно большое сопротивление, а поскольку защита от внешних помех у снабберной цепочки побочная, то от коммутационных помех в сети она защищает не очень. Кроме того, у драйвера ток довольно близок к току удержания этого симистора. Возможно, влияет ещё и то, что для такой слабенькой нагрузки, > 3кОм с током меньше 100мА, в даташите для BTA-16 указано напряжение включения на управляющем затворе — 0.2 В. Теоретически вполне может и от помех в сети включиться. Я попробовал с нагрузкой в виде лампы накаливания 60Вт и паразитные включения и мигания почти ушли. Почти, но не совсем. Ещё и просто Алишных BTA-16 тоже не стоит исключать.

Кстати, Шедеврум так видит «помехи в электрической сети 230В». На мой взгляд, тут больше уместны ассоциации с сетью 110кВ и выше :) А вот мне с моим макетом осциллографом поймать и сделать «фото» помех не удалось: условно чистая синусоида, а помеха никак не хотела «триггериться». Похоже нужна техника посерьезнее или времени побольше.
В общем, поняв, что уже тону в симисторных dV/dt и в алгоритмах выбора ёмкостей для снаббера, решил «пойти другим путём».

---

Интуитивно, решил что что-то менее мощное для моей задачи будет лучше, посмотрел, что есть в Чипе-Дипе с током менее 1А, наткнулся на «Alternistor — Snubberless» — защищенные от помех симисторы для маломощной реактивной нагрузки.
Snubberless™, насколько понял по описаниям — это «хитрая технология» от компании STMicroelectronics, защищающая симисторы от самопроизвольных включений при выбросах тока при коммутации индуктивной нагрузки. У других компаний тоже есть что-то подобное. Мне же важно было, что в ключевых особенностях в даташите написано про High noise immunity — т.е. про высокую помехоустойчивость, чего мне и хотелось, хотя не уверен, что это про мой случай, а не про всё ту же индуктивную нагрузку.

Из того, что было в наличии в городе, выбрал ACS102-6T1 — всего то на 200мА, но больше мне вроде бы и не нужно. Этот симистор предназначен для коммутации переменного тока (вкл/выкл) и подключения маломощных, высокоиндуктивных или резистивных бытовых приборов или устройств.
Вроде и для моего случая подходит, с ним попробовал исправить предыдущее решение. Симистор в корпусе SOIC-8, мне было не очень удобно без платы. Нашлись платы для SOIC-16, обрезал половинку и припаял. Остатки флюса увидел только на фото, как смог, почистил ;)

А вот дальше был момент, через который мне нужно было пройти: включение этого симистора предполагает подключение одной из линий сети 230В к плюсовой шине 12В.
Интуиция во мне кричала: «Обязательно бахнет!», инженер предлагал следовать даташиту.
Между прочим, ИИ с моей интуицией оказался солидарен, написал, что такое делать категорически нельзя, будет маленький бум КЗ. Но ведь в даташите именно так и нарисовано. Полез ещё смотреть форумы и статьи на тему включения симистора без гальванической развязки, посмотрел другие даташиты и убедился в том, что да, так делают. Ну раз все кто-то делает (хотя и очень часто и настоятельно не рекомендуют), то и я решился. Все работы с силовой частью делал через простейший предохранитель от КЗ — через лампу накаливания. КЗ не приключилось. Подключил сначала БП: закинул ему на плюс 12В линию 230В, включил, ничего не бахнуло, так что не стоит во всём доверять интуиции и ИИ ;)

Ещё нужно было решить, как подключить управление этим симистором с платы.
В даташите написано (гуглоперевод), что «он содержит драйвер сдвига уровня затвора для отделения цифрового контроллера от главного ключа. Он срабатывает при отрицательном токе затвора, вытекающем из вывода затвора (G)». MOSFET вернул на плату, добавил «нагрузку» 47 кОм между плюсовой шиной и подключаемым через MOSFET минусом. Плюсовая шина — на общий терминал (COM) симистора. Со стока MOSFETа управляющий сигнал через токоограничивающий резистор 510 Ом, на управляющий (G) вход симистора. Нагрузка (вход драйвера светодиодов) подключена ко второму терминалу симистора (OUT). Линия 230В тоже подключена к общему терминалу (COM). На корпусе два вывода COM и они соединены между собой, удобно. В результате, упрощенно получилось так:

«в железе»:
резистор 47кОм припаял на плату управления к выводам OUT+ и OUT-, резистор 510 Ом на плату с симистором, там имеются свободные отверстия.
И это заработало. Снова собрал, вернул на кухню. Теперь светильники самопроизвольно не моргают, а включаются и выключаются только когда «попросишь жестом».

---

Мой ваттметр показывает потребление схемы в дежурном режиме — 11мА, но не всегда его замечает. Тестером намерил всего 7мА. Для «длинного» во включенном режиме — 90мА и 13.1Вт, для «короткого» — 65мА и 9.2Вт.

В итоге, получилось всё довольно просто даже для меня. К плате датчика взмахов пришлось добавить симистор, пару резисторов и импульсный блок питания. Наверное, можно было и упростить: учитывая небольшое потребление платы управления (<10мА) и наличия на ней своего стабилизатора, небольшой ток, нужный для включения симистора (5мА), думаю, можно было обойтись и без импульсного блока питания. Хватило бы питания через гасящий конденсатор, раз уж теперь в схеме всё равно нет гальванической развязки от «силовой цепи». Но это кому как, для меня вариант с импульсным БП — как раз менее накладный, а собирать БП с гасящим конденсатором из рассыпухи, решение подходящее не для всех. БП, кстати необязательно использовать на 12В, у меня плата начинает работать от ~6.5В, наверное, подойдет и от какого-нибудь старенького зарядника.

Результат

В общем, хоть и не с первого раза, но всё получилось: подсветка работает, управляется взмахами а не помехами. Жена довольна и я развлёкся.

Надеюсь, что кому-то ещё, с такими же, как и у меня «глубокими» познаниями в электронике, мой материал пригодится.