|
Lichtlopers met LED-lichtslangen zijn goedkoop te koop via de Chinese internetkanalen. Als u echter flink wat 230 V vermogen wilt aansturen zult u toch weer moeten terugvallen op zelfbouw, zoals bijvoorbeeld met deze superieure vierkanaals lichtloper met netsynchrone ontsteking. |
Lichtloper met netsynchrone ontsteking
Het principe van de schakeling
Het principe van een lichtloper, lichtslang, running light, lichtpijl of hoe de schakeling verder mag heten is zeer eenvoudig. Het basisidee is steeds dat u een groot aantal lampjes op een rij opstelt of rond een bepaald object verdeelt. Deze lampen worden dan door een schakeling zó gestuurd, dat het lijkt alsof er een lichtvlek met grote snelheid over de lampjes loopt. In principe zou dit verschijnsel op te wekken zijn door alle lampjes een na een te ontsteken, door bijvoorbeeld een 100-standen schakelaar met een motor aan te drijven. Het nadeel van dit systeem is dat er een onoverzienbare hoop draden nodig zijn. Bovendien kan deze schakeling technisch uiteraard wel, maar praktisch zeer moeilijk elektronisch worden ontworpen. Om deze moeilijkheden op te lossen verdeelt men de lampen in een aantal groepen. Alle lampen van eenzelfde groep worden gelijktijdig ontstoken. Nadien branden alle lampen van de volgende groep en zo verder. Op deze manier ontstaat als het ware een processie van lichtvlekjes, die over de lampjes voortbeweegt. Het aantal vlekjes is afhankelijk van het totaal aantal lampjes en van het aantal groepen.
Een superieur ontwerp
In de meeste schakelingen maken de ontwerpers gebruik van drie groepen. In het in dit artikel voorgestelde superieure ontwerp worden vier groepen gestuurd. Dit aantal is elektronisch nog tamelijk eenvoudig te verwezenlijken en wekt het gewenste effect veel beter op dan de driekanaals soortgenoten. Dit wil dus zeggen dat het eerste, vijfde, negende, etc. lampje van de slang tot de eerste groep behoren. Een en ander is in de onderstaande figuur voorgesteld.
Ook op een ander belangrijk gebied is dit ontwerp superieur. In de meeste eenvoudige netgevoede schakelingen worden de lampgroepen uiteraard via triac's gestuurd. Maar deze schakelaars ontsteken op willekeurige momenten, zodat soms midden in de sinus van het net wordt ontstoken en de schakeling heel veel storende harmonischen genereert. Omdat een lichtloper per definitie zeer lange bedrading heeft die als antenne fungeert voor die storingen zit u met een groot probleem. Die hoge harmonischen moet u er via uitgebreide ontstoornetwerken weer uitfilteren. In dit ontwerp wordt gebruik gemaakt van thyristoren, die via een kleine hulpschakeling alleen kunnen ontsteken op het moment dat de sinus van het net door de nul gaat. Het gevolg is dat er nooit stroomsprongen in de belastingen optreden en de schakeling niet stoort.
 |
| De juiste groepenkeuze van de lampen in de lichtslang bij gebruik van vier groepen. (© 2018 Jos Verstraten) |
In onderstaande figuur is de filosofie van de schakeling weergegeven. Uiteraard worden de lampen gestuurd met halfgeleiderschakelaars. U hebt de keuze tussen thyristoren en triac's. Zoals u weet kunnen de eerste alleen positieve spanningen verwerken, terwijl de tweede soort net zo graag negatieve spanningen schakelt. Logisch lijkt het dus triac's te gebruiken. Om de reeds genoemde reden van de nuldoorgangsschakeling hebben de ontwerpers echter gekozen voor thyristoren. Om tóch de volle netspanning aan de lampen te kunnen aanbieden, wordt een bruggelijkrichter tussengeschakeld. Dit is geen probleem, goedkope hoogvermogen dioden zijn te kust en te keur te koop.
Het schakelen van de lampen gebeurt op bevel van een oscillator. De frequentie van deze pulsopwekker is uiteraard regelbaar. De pulsen van deze schakeling worden aangeboden aan een verdeler. De taak van dit blok is de pulsen in de juiste volgorde aan de vier schakelaars aan te bieden. Wat functie betreft is dit blok dus volledig analoog aan de bekende verdeler in de auto-motor. Oscillator en verdeler worden met standaard TTL-IC's uitgevoerd. Dit heeft de consequentie dat een + 5 V spanningsbron ingebouwd moet worden. Het is in de praktijk onmogelijk gebleken om deze lage spanning rechtstreeks uit de 230 V netspanning af te leiden, tenminste als u allerlei dubieuze schakelingen links laat liggen. Daarom is gekozen voor de meest rechtlijnige oplossing die er bestaat: een voedingstrafo en een eenvoudige afvlakking.
 |
| Het blokschema van de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten) |
In deze tijd van toenemend milieubewustzijn moet u ook bij zelfbouw alle bronnen van elektromagnetische vervuiling onschadelijk maken. Het is bekend dat thyristoren fervente ethervervuilers zijn. In onderstaande figuur wordt de oorzaak verduidelijkt. Unet is de gelijkgerichte netspanning die aan de thyristor wordt aangeboden. In de meeste gevallen zal de schakeling die de ontsteekpuls opwekt niet gesynchroniseerd zijn met de netspanning. Dat wil zeggen dat de ontsteekpuls op ieder willekeurig tijdstip kan optreden. In de bovenste tekening ontstaat de ontsteekpuls op het ogenblik dat de netspanning een bepaalde willekeurige waarde heeft bereikt. Gevolg is dat de spanning over de thyristor plotseling wegvalt. De stroom door de thyristorbelasting gaat even plotseling op maximale sterkte lopen. Er ontstaan in de draden die de netspanning aanvoeren en de lampspanning afvoeren allerlei hoogfrequente trillingen. Deze storingen stralen uit in de ruimte, zodat alle dataverkeer in uw huis gestoord kan worden. In de onderste figuur ontstaat de ontsteekpuls op het moment dat de netspanning door het nulpotentiaal gaat. Gevolg is dat bij het in geleiding komen van de thyristor geen spanningssprongen en dus eveneens geen stroomsprongen optreden.
Besluit is dat u de schakeling zo moet ontwerpen, dat de ontsteekpulsen ontstaan tijdens de nuldoorgang van de netspanning. Dat noemt met 'netsynchrone ontsteking van een thyristor'.
 |
| In deze figuur wordt het verschil tussen asynchrone en synchrone ontsteking van een thyristor voorgesteld. (© 2018 Jos Verstraten) |
Een eerste methode is dat u de oscillator die de ontsteekpulsen opwekt synchroniseert met de netfrequentie. Dit is echter niet eenvoudig te verwezenlijken. Het probleem wordt nog groter als, zoals hier het geval is, de frequentie van de oscillator variabel moet zijn. Een tweede, heel wat eenvoudiger methode, is dat u de oscillator vrijlopend uitvoert maar de ontsteekschakeling voorziet van een synchronisator. Deze zorgt ervoor dat de ontsteekpulsen de thyristor slechts ontsteken als de netspanning door de nul gaat. In onderstaande figuur is dit principe getekend. De thyristor ontsteekt indien én een ontsteekpuls én een synchronisatiepuls aanwezig zijn.
 |
| Een eenvoudige methode van synchrone triggering is het toevoegen van een sync-puls gedurende de nuldoorgang van de netspanning. (© 2018 Jos Verstraten) |
De praktische schakeling
Het genereren van de vier tijdpulsen
Het volledig schema van de lichtloper treft u aan in onderstaande figuur. De oscillator en de verdeler zijn, zoals reeds geschreven, uitgevoerd met standaard TTL-chip's. Bekend, ijzersterk, goedkoop en nog steeds overal verkrijgbaar. Eén poort van de Schmitt-trigger NAND SN7413 is geschakeld als astabiele multivibrator. De frequentie wordt bepaald door de waarde van de onderdelen R1, R2 en C3. Aan de uitgang van deze schakeling ontstaan mooie rechthoekpulsen. De frequentie is met de potentiometer R1 te variëren van ongeveer 2 Hz tot 15 Hz. Deze pulstrein wordt aangeboden aan een vierdeler, opgebouwd uit twee flip-flop's. Aan de uitgangen van deze schakelingen (SN7473) ontstaan dus frequenties van respectievelijk de halve en een vierde van de basisfrequentie. Aan de inverse uitgangen ontstaan uiteraard de geïnverteerde signalen. Uit deze vier spanningsvormen worden in vier NOR-poorten vier elkaar opvolgende pulsen gebrouwen.
Een en ander is grafisch voorgesteld in het pulsendiagram dat onder het algemene schema is opgenomen. Ter verduidelijking van de tekening zij nog vermeld, dat de flip-flop's omklappen als de puls aan de clock-ingang van hoog naar laag gaat en dat de uitgang van een NOR-poort dan en alleen dan hoog is, als beide ingangen laag zijn. Uit de grafiek volgt duidelijk hoe de pulsen bij de uitgangen F, G, H en I elkaar opvolgen.
 |
| Het volledig schema van de lichtloper, klik er op om te vergroten. (© 2018 Jos Verstraten) |
 |
| Het timingdiagram, waaruit u de werking van de schakeling kunt afleiden. (© 2018 Jos Verstraten) |
De schakeling rond transistor T1 is de synchronisator. De netspanning wordt gelijkgericht door een brug, opgebouwd uit de vier dioden D3 tot en met D6. Een deel van deze gelijkgerichte netspanning wordt via de weerstanden R5 en R6 aan de basis van deze transistor aangeboden. Gedurende het grootste gedeelte van de periode zal de halfgeleider geleiden, de basis wordt immers gestuurd wordt uit de netspanning via R5. De collectorspanning is bijgevolg nul. Tijdens de nuldoorgang van de netspanning is de spanning over de gelijkrichter nul, de transistor wordt niet gestuurd en op de collector vindt u de voedingsspanning terug. U kunt dus besluiten dat, telkens als de netspanning van polariteit wisselt, op de collector een smalle positieve impuls ontstaat. Dit is weergegeven in onderstaande figuur, waar de gelijkgerichte netspanning en de collectorspanning van transistor T1 in de juiste tijdrelatie zijn getekend.
 |
| De syncpulsen en de gelijkgerichte netspanning in de juiste tijdsrelatie. (© 2018 Jos Verstraten) |
De netgesynchroniseerde pulsen worden via 4,7 kΩ weerstanden aan de basissen van de schakeltransistoren T2 tot en met T5 aangeboden. Iedere schakeltransistor stuurt een thyristor. Deze laatste halfgeleiderelementen bevelen het al of niet branden van de lampen uit de lichtslang. Iedere thyristor neemt een lampengroep voor zijn rekening. De werking van deze schakelingen, die uiteraard identiek zijn, wordt besproken aan de hand van onderstaande figuur. In deze figuur is de laatste trap van een NOR-poort getekend. Deze is opgebouwd uit de onderdelen R1, D1, T1 en T2. De transistor T3 stelt een van de schakeltransistoren voor uit het algemene schema en thyristor D3 een van de genoemde lampstuurelementen. Via de weerstand R2 worden de synchronisatiepulsen toegevoerd.
Stel dat de uitgang van de NOR-poort laag is. Dit betekent dat de interne transistor T2 geleidt. De basis van T3 wordt via de diode D2 met de massa verbonden. Gevolg is dat de synchronisatiepulsen via deze diode en transistor T2 afvloeien naar massa. Transistor T3 blijft gesperd.
Wat gebeurt er als de NOR-poort, gedwongen door de gebeurtenissen aan zijn ingangen, een hoge uitgang levert? Gevolg is dat transistor T2 gaat sperren en transistor T1 geleiden. De uitgang van de NOR-poort wordt bijgevolg met de voedingsspanning verbonden. De kathode van de diode D2 wordt positief, zodat dit onderdeel de synchronisatie-pulsen ongemoeid laat. Deze laatste vloeien nu via T3 en D3 naar massa af. Transistor T3 gaat geleiden, de gate van de thyristor wordt via weerstand R3 met de voedingsspanning verbonden. Er vloeit een flinke stroom in de gate van de stuurbare diode, die bijgevolg ontsteekt. De lampengroep La1 wordt met massa verbonden. De lampen gaan branden, ze worden immers gevoed uit de gelijkgerichte netspanning.
Uiteraard vloeit er maar zo lang stroom in de gate als de sync-puls duurt. Transistor T3 spert na afloop van deze puls weer. Zoals u echter weet, moet u niet continu stroom sturen in de gate van een thyristor. Eens ontstoken, blijft ontstoken, tot de anodestroom nul wordt. Dit gebeurt na een halve netspanningsperiode. Gelukkig verschijnt op dat ogenblik opnieuw een synchronisatie-puls, zodat de thyristor weer ontsteekt. Deze situatie blijft bestaan, tot de uitgang van de NOR-poort laag wordt en de sync-pulsen afvloeien naar massa via de poort.
 |
| Deelschema van een groepsturing, waarmee de werking van de schakeling wordt verklaard. (© 2018 Jos Verstraten) |
De bouw van de netsynchrone lichtloper
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 voor de schakeling
Het printje voor de lichtloper is zo ontworpen dat alle onderdelen er een plaatsje op vinden. Bovendien zijn de afmetingen van de print aangepast aan de maten van het Teko kastje model CH/2.18. Een probleemloze inbouw in een klein, modern kastje is dus mogelijk.
In onderstaande figuur is de componentenopstelling getekend. Een paar opmerkingen zijn hier misschien op hun plaats. Als trafo is in het prototype een toevallig aanwezige printtrafo met twee secundaire wikkelingen van 6 V toegepast. De maximaal te leveren stroom bedraagt 250 mA.
In de gaatjes van de potentiometer en de schakelaar worden vijf soldeerlipjes gesoldeerd. Nadien worden beide bedieningselementen op of tegen deze lipjes gesoldeerd. Daarbij moet u er op letten dat het middelpunt van de beide schroefdraden op gelijke hoogte boven de print zit. Bovendien moeten de beide schroefdraden ongeveer evenveel buiten de rand van de print uitsteken. Als schakelaar wordt een enkelpolige AAN/UIT-tuimelschakelaar, groot model, gebruikt. Het is aan te bevelen voor de potentiometer een type met plastic as te gebruiken. In schakelingen, die rechtstreeks met het net verbonden zijn, geeft dit steeds een veilig gevoel. Het indicatie-lampje La5 is een klein neonlampje, zo eentje dat u ook in uw spanningszoeker kunt aantreffen.
De stabilisator IC4 wordt voorzien van een klein u-vormig aluminium koelplaatje dat loodrecht op de print staat.
 |
| De print voor de lichtloper. (© 2018 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het voordeel van dergelijke 'all-in' print is dat u de schakeling vóór inbouw in een kastje volledig kunt testen zonder dat er allerlei ingewikkelde bedradingstoestanden bij te pas komen. Vier lampjes en het net worden aan de print aangesloten, zoals in onderstaande figuur getekend. Denk er bij eventueel experimenteren wel aan dat de schakeling, ondanks de voedingstrafo, rechtstreeks met het net verbonden is!
Ook zonder een dure scheidingstrafo is een 'veilige' methode te ontwikkelen, om bij experimenten met dergelijke schakelingen niet voor lijf en leden te moeten vrezen. Het enige dat u nodig hebt zijn twee gelijke voedingstrafo's. De twee secundaire wikkelingen worden met elkaar verbonden. De primaire van de eerste trafo gaat naar de 230 V van het net. Op de primaire wikkeling van de tweede trafo staat ook 230 V, maar galvanisch gescheiden van het net. Die gebruikt u voor het voeden van uw print. Het is duidelijk dat een dubbele scheiding van het net wordt verkregen. Uiteraard kunt u nu de lichtloper niet meer met vier hoogvermogen lampen testen. Het vermogen van de lampen moet u aanpassen aan het vermogen van de trafo's.
 |
| De externe bedrading van de print is tot het uiterste beperkt. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het maximaal te regelen vermogen wordt voornamelijk begrensd door de toegepaste dioden in de brug, D3 tot en met D6. Met de gebruikte 4 x GI756 van Vishay kunt u maximaal 6 A uit het net trekken, dus een totaal lampvermogen van ongeveer 1.300 W regelen. Wilt u meer dan volstaat het de vier GI756 dioden en de thyristoren door zwaardere typen te vervangen.
DSO188 Pocket Digital Ultra-small Oscilloscope
