Nabouw: 230 V knipperlicht

(gepubliceerd op 25-09-2017)

Een uiterst eenvoudig ontwerpje, waarmee u een 230 V lamp kunt laten knipperen met een instelbare frequentie. Er worden slechts acht standaard onderdelen gebruikt. Het printontwerpje is cascadeerbaar: u kunt diverse printjes naast elkaar monteren en de netspanning van printje naar printje doorkoppelen.

Hoe een lamp zo eenvoudig mogelijk laten knipperen?

Het basisprincipe
Alle schakelingen, ontworpen voor het laten knipperen van een lamp, zijn opgebouwd volgens het basisidee van onderstaande figuur. Een condensator C1 wordt via een weerstand R1 opgeladen uit een positieve spanning. De langzaam stijgende condensatorspanning UC1 wordt in een stuurschakeling vergeleken met een constante spanning. Als de spanning over de condensator gelijk wordt aan deze referentie, dan zal de stuurschakeling gedurende een bepaalde tijd een stroom in de gate van een thyristor of triac sturen en tegelijkertijd de condensator ontladen. De in de netspanningskring opgenomen lamp gaat dan even branden en bovendien herhaalt de beschreven cyclus zich. De condensator kan weer opladen, na enige tijd treedt de stuurschakeling in werking en de lamp krijgt opnieuw een spanningsopdonder.

Het basisprincipe voor het laten knipperen van een lamp. (© 2017 Jos Verstraten) 

Een diac als schakelend onderdeel
Een diac is een soort dubbele diode, die hoofdzakelijk wordt gebruikt voor het sturen van triac’s. Het symbool van zo’n diode is getekend in onderstaande figuur, waar u bovendien een meetschakelingetje ziet, waarmee u de werking van een diac kunnen achterhalen. Het onderdeel wordt aangesloten op een regelbare gelijkspanningsbron U1, met tussen schakeling van een ampèremeter. Over de diac staat een gelijkspanningsmeter. Op beide meters kunt u de spanning over en de stroom door de diac aflezen en u kunt deze twee gegevens tegen elkaar uitzetten in een stroom/spanning-karakteristiek. Als u de spanning over het onderdeel laat stijgen, stelt u vast dat de stroom die door de diac vloeit verwaarloosbaar klein is en bovendien vrij constant. Plotseling echter, bij een spanning van ongeveer 35 V, gaat de stroom fors stijgen, terwijl de spanning daalt tot ongeveer 15 V. Het verhogen van de spanning heeft nu geen invloed meer op de spanning over de diac. Deze blijft constant, terwijl de stroom blijft stijgen.

De stroom in functie van de spanning karakteristiek van een diac. (© 2017 Jos Verstraten)

U kunt dus de diac als een soort van elektronische schakelaar beschouwen, die open blijft tot de spanning over het onderdeel gestegen is tot ongeveer 35 V. Nadien sluit de schakelaar, laat dus stroom door, maar er blijft wel een flinke spanning van ongeveer 15 V over het onderdeel staan. Uit de grafiek blijkt bovendien dat de diac dit gedrag zowel voor positieve als voor negatieve spanningen vertoont. De diac is een symmetrische diode en vandaar dat u tevergeefs naar de bekende kathodering op de behuizing zoekt. U kunt een diac rustig ompolen zonder dat de werking van een schakeling wordt verstoord.

De diac met een RC-kring
In de vorige paragraaf hebt u kunnen lezen dat een diac stroom gaat geleiden als de spanning over het onderdeel langzaam wordt opgevoerd. Zo’n langzaam stijgende spanning kunt u automatisch opwekken door middel van een RC-kring. In onderstaande figuur is deze schakeling in zijn meest eenvoudige, zij het praktisch niet bruikbare, vorm getekend. Een condensator C1 wordt opgeladen uit een positieve spanning +Ub via een weerstand R1. Over de condensator is een diac geschakeld, in serie met een regelbare weerstand R2.

Het ontsteken van een diac met een RC-kring. (© 2017 Jos Verstraten)

Bij het aanschakelen van de voeding zal de diac niet geleiden. De spanning over het onderdeel is immers te klein. De condensator C1 kan dus ongehinderd opladen, zodat de spanning over dit onderdeel langzaam zal stijgen. Op een bepaald moment t1 wordt de spanning over de condensator (die gelijk is aan de spanning over de diac, er vloeit immers geen stroom) gelijk aan de doorslagspanning van de diac. De diac gaat geleiden, er vloeit stroom door de seriekring R2-D1. De condensator zal zich vrij snel ontladen tot de restspanning van de diac. Een en ander gebeurt alleen als de waarde van R2 vele malen kleiner is dan de waarde van R1. Alleen dan zal de ontlaadstroom door eerstgenoemde weerstand groter zijn dan de laadstroom door R1 en kan de spanning over de condensator dalen. De ontlaadsnelheid is uiteraard afhankelijk van de waarde van R2. Hoe groter dit onderdeel, hoe trager de condensatorspanning daalt.



Van gelijkspanning naar wisselspanning
Het voorgestelde schema heeft een statische werking. Als de diac ontsteekt blijft deze situatie tot in de eeuwigheid bestaan. U moet een automatisch systeem verzinnen, dat de condensator regelmatig ontlaadt. Dan kan de cyclus opnieuw starten en kunt u de regelmatig ontstekende diac gebruiken voor het sturen van een thyristor en een lamp. Dat kan als u de schakeling niet voedt met een gelijkspanning maar met een gelijkgerichte wisselspanning. Alleen de positieve gedeelten van deze spanning worden dan als voedingsspanning aan de schakeling aangeboden. Bij ieder halve periode van de netspanning zal de beschreven cyclus zich herhalen, zodat een repeterend effect ontstaat, dé basis van de gewenste knipperlicht schakeling.

Het volledig schema van de schakeling

Slechts acht onderdeeltjes
In onderstaande figuur is het voorgestelde idee verder uitgewerkt tot een praktisch bruikbare, maar tóch uiterst eenvoudige schakeling. Door middel van de diode D4 worden alleen de positieve halve perioden van de 230 V netspanning als voeding aan de schakeling aangeboden. De combinatie R1-R2-C1-R3-D2 komt bekend voor. Het enige verschil met de in de vorige afbeelding getekende schakeling is dat de diac D2 niet rechtstreeks met de massa is verbonden. Hij stuurt nu de gate van de thyristor D3 aan. Extra is een diode D1, geschakeld tussen R3-D2 en de anode van de thyristor.

Het volledig schema van een knipperlicht schakeling met een diac. (© 2017 Jos Verstraten)

De werking van de schakeling grafisch verklaard
De werking van de schakeling wordt toegelicht aan de hand van de grafieken in onderstaande figuur. Bij het aanschakelen van de 230 V wisselspanning zal de thyristor niet geleiden. De condensator C1 is immers volledig ontladen en de gate van de thyristor kan nergens stroom vandaan halen. C1 zal zich dus langzaam opladen. Bij iedere positieve halve periode van de netspanning zal de spanning over dit onderdeel enigszins stijgen. Na een bepaalde tijd, namelijk op tijdstip t1, wordt de condensatorspanning gelijk aan de doorslagspanning van de diac. Dit onderdeel slaat door, er vloeit een stroom in de gate van de thyristor. Dit onderdeel geleidt, de belasting wordt met de massa verbonden en voert bijgevolg stroom. Ook de diode D1, die tot nu toe niet actief was, gaat geleiden. Haar kathode wordt met de massa verbonden via de geleidende thyristor.

De werking van de schakeling grafisch verklaard. (© 2017 Jos Verstraten)

De condensator C1 zal door twee stromen worden ontladen. Enerzijds de diacstroom die door R2 en D2 in de gate van de thyristor vloeit, anderzijds een veel grotere stroom door R3 en D1. De spanning over C1 daalt zeer snel, afhankelijk van de waarde van R3. Het gevolg is dat de thyristor na enige tijd (tijdstip t2) weer gaat sperren. De gatestroom is dan te klein geworden om de thyristor bij een volgende positieve halve periode weer in geleiding te sturen. De tijdsduur van geleiden (van t1 tot t2) is afhankelijk van de grootte van de weerstand R3. Na t2 start de cyclus opnieuw. Tussen t2 en t3 laadt de condensator op, op t3 stuurt de diac een ontsteekstroom in de gate van de thyristor, deze geleidt wat tot gevolg heeft dat de condensator ontlaadt via R3 en D1. De belasting wordt dus doorlopen door een pulserende stroom en zowel de aan- als de uittijd is te regelen door het variëren van de weerstandswaarden R2 en R3.


Opmerkingen over de toegepaste componenten
De schakeling is met de goedkoopst mogelijke onderdelen opgebouwd: twee 1N4004 dioden, een 400 V, 6 A thyristor en een ordinaire diac. Met deze onderdelen kan de schakeling een maximaal vermogen van 1.000 W sturen, meer dan genoeg voor normaal gebruik. Door middel van de instelpotmeter R2 kunt u het aantal lichtflitsen per seconde instellen. Met de elco van 22 µF loopt het gebied van 2 flitsen per seconde tot 1 flits om de 5 seconden. Let er wél op dat deze elco een gebruiksspanning van minimaal 50 V moet hebben!

De bouw van de schakeling

Levensbelangrijke opmerking
Allereerst maar een zeer belangrijke opmerking. Deze schakeling is rechtstreeks verbonden met de 230 V netspanning. Dat betekent dat alle punten van de print via een kleine weerstand met de fase van het net zijn verbonden. Aanraken van de print kan dus dodelijk zijn! Als u met een werkende schakeling wilt experimenteren, gebruik dan altijd een 1/1 scheidingstrafo, zodat de schakeling niet met de fase van het net is verbonden.

De print en de componentenopstelling
In onderstaande figuren wordt het printje en de componentenopstelling voorgesteld. De thyristor D3 wordt loodrecht op de print gemonteerd, waarbij de metalen bevestigingslip naar de diac D2 wordt gericht.

De print van het knipperlicht. (© 2017 Jos Verstraten)

De componentenopstelling van de print. (© 2017 Jos Verstraten)

Het cascaderen van printjes
Hebt u niet genoeg aan één knipperlicht? Het printje is zo ontworpen, dat de twee netspanningssporen één doorlopende verbinding van links naar rechts vormen. U kunt dus een aantal printjes naast elkaar opstellen. Door middel van twee draadjes tussen de printen gaat de netspanning van print naar print.

Het cascaderen van diverse identieke printjes. (© 2017 Jos Verstraten)

(Bol.com sponsor advertentie)
Encyclopedia of Electronic Components