سلام دوستان
در این آموزش کوتاه می‌خواهم یک مدار ساده ولی خیلی پرکاربرد را به شما معرفی کنم. این مدار تایمر تاخیر نام دارد و یکی از کاربردهای آن در روشنایی اتوماتیک داخل آپارتمان‌ها است. اگر دقت کرده باشید هنگام ورود به ساختمان و زدن کلید لامپ‌ها عموماً بعد از یک مدت زمان، به صورت اتوماتیک لامپ خاموش می‌شود و لازم نیست که کلید قطع شود. در اصل در این شرایط به جای کلید دائمی از کلیدهای فشاری و لحظه‌ای استفاده می‌شود. هر وقت برای مدت زمان کوتاهی کلید فشار داده شد، لامپ هم برای مدت زمان مشخصی مانند ۱ دقیقه روشن می‌ماند و سپس خاموش می‌کند. در بازار المانی به نام تایمر وجود دارد که این کار را انجام می‌دهد. اما با ما همراه باشید تا یکی از ساده‌ترین مدارات را برای ایجاد تایمر تاخیر به شما معرفی کنم و به راحتی می‌توانید تایمر دلخواه خودتان را بسازید.
مدار تایمر تاخیر برای زمان خاموش شدن
در شکل زیر، مدار الکتریکی یک تایمر تاخیر نشان داده شده است. المان‌های اصلی این مدار عبارتند از: یک سوییچ لحظه‌ای (فشاری)، خازن، مقاومت، ترانزیستور ماسفت به عنوان سوییچ قدرت، یک رله، ترمینال برق ۲۲۰ ولت و بار AC. در این جا، بار می‌توان یک لامپ و یا یک موتور تکفاز باشد. در صورتی که بار DC و ولتاژ پایین باشد، مانند موتورهای DC کوچک، به رله نیازی ندارید و بار DC را مستقیماً می‌توانید در درین ترانزیستور قدرت قرار دهید. اما در شکل زیر قصد راه‌اندازی یک لامپ ۲۲۰ ولت را داریم و چون توان قابل تحمل ماسفت پایین است و البته جریان درین آن نمی‌تواند AC باشد، از یک رله برای قطع و و وصل کردن جریان بار AC استفاده می‌کنیم. در حقیقت، ماسفت جریان کویل رله را قطع و وصل می‌کند و آن هم بالطبق جریان بار را قطع و و وصل خواهد کرد. حال این مدار چگونه کار می‌کند؟
همانطور که می‌دانید ماسفت‌ها در حقیقت همانند کلیدهای الکترونیکی هستند. هر وقت ولتاژ حدود ۴ ولت به بالا به گیت یک ماسفت اعمال شود، اتصال درین به سورس به صورت کامل برقرار می‌شود. یعنی می‌توان درین سورس را اتصال کوتاه در نظر گرفت. و هر وقت ولتاژ درین سورس از حدود ۲ ولت پایین‌تر باشد، هیچ جریانی از درین به سورس جریان پیدا نمی‌کند. به عبارت دیگر، می‌توان ماسفت را مدار باز در نظر گرفت. بین ولتاژهای ۲ تا ۴ ولت رفتار ماسفت خطی خواهد بود و مقاومت درین سورس آن بالا است. لذا در کاربردهایی که از ماسفت به عنوان سوییچ الکترونیکی استفاده می‌شود، برای روشن کردن آن اغلب ولتاژ گیت سورس را بالاتر از ۴ ولت (مثلا ً ۱۰ ولت) تنظیم می‌کنند تا بعد از روشن شدن ماسفت، اتصال درین به سورس با تقریب خیلی خوبی اتصال کوتاه فرض شود.
حال در مدار بالا فرض کنید سوییچ باز است و ولتاژ اولیه خازن را هم صفر در نظر بگیرید. در این صورت چون ولتاژ گیت ماسفت همان ولتاژ خازن است جریانی در درین وجود ندارد. لذا کویل رله خاموش است و بالطبق جریان بار AC هم قطع است. حال فرض کنید برای یک لحظه سوییچ وصل شود. در این صورت، تغذیه ۱۲ ولت به صورت مستقیم در دو سر خازن قرار می‌گیرد و خازن فوراً به اندازه‌ی ۱۲ ولت شارژ می‌شود. حال چون این ولتاژ بالاتر از ۴ ولت است، ماسفت به صورت کامل هدایت می‌کند. لذا ولتاژ ۱۲ در دو سر کویل رله هم قرار می‌گیرد و رله عمل خواهد کرد. در نتیجه در ترمینال خروجی رله، اتصال NO بسته می‌شود و لذا حلقه‌ی جریان در سمت بار AC بسته خواهد شد. لذا لامپ روشن می‌شود.
حال فرض کنید سوییچ را رها کنیم. درست است که ولتاژ تغذیه ۱۲ ولت دیگر به گیت متصل نیست. اما باید به این نکته اساسی دقت کنیم که خازن‌ها همواره تمایل دارند ولتاژ خودشان را حفظ کنند. یا به عبارت دیگر، ولتاژ خازن‌ها نمی‌تواند به صورت آنی تغییر کند و دارای یک ثابت زمانی مشخص است. این زمان توسط ثابت زمانی مدار مشخص می‌کند. برای یک مدار RC ساده (همانند مداری که در گیت مدار بالا قرار دارد) ثابت زمانی معادل با ضرب ظرفیت خازنی و مقاومت دو سر خازن است و واحد آن هم ثانیه است. در این مدار ظرفیت خازن 220 میکروفاراد و مقاومت هم 150 کیلو اهم است که ضرب آنها برابر با ۳۳ ثانیه خواهد شد. حال معنی ثابت زمانی چیست؟ در مدار RC مانند شکل بالا، ثابت زمانی مدت زمانی است که ولتاژ خازن از مقدار اولیه به حدود ۳۷ درصد مقدار اولیه برسید. بنابراین، در مدار بالا، حدود ۳۳ ثانیه طول می‌کشد تا ولتاژ خازن از مقدار اولیه‌ی ۱۲ ولت به حدود ۴.۴ ولت کاهش پیدا کند. به صورت دقیق‌تر، نمودار تخلیه ولتاژ خازن مطابق شکل زیر است:
حال برای خاموش شدن ماسفت باید ولتاژ گیت (همان ولتاژ خازن) به کمتر از ۲ ولت برسد. مطابق نمودار بالا بعد از گذشت حدود ۵۹ ثانیه این اتفاق می‌افتد. بعد از این زمان ماسفت خاموش شده و رله را هم خاموش می‌کند. در نتیجه بار AC هم خاموش خواهد شد. دقت کنید که مقادیر ۲ ولت و ۴ ولت که آستانه روشن و خاموش شدن ماسفت بودند، به نوع ماسفت هم بستگی دارند ولی این مقادیر برای عموم آیسی‌های ماسفت درست هستند. پس با تحلیل مدار بالا، متوجه شدیم که هر وقت سوییچ را فشار می‌دهیم و رها می‌کنیم، بار AC به صورت آنی خاموش نمی‌شود و حدود ۵۹ ثانیه بعد خاموش خواهد شد. زمان تاخیر همانطور که ذکر شد به ثابت زمانی مدار RC بستگی دارد. برای تغییر آن هم کافی است که یا ظرفیت خازن و یا مقدار مقاومت تغییر کند. تغییر مقاومت در عمل خیلی راحت‌تر است. بنابراین، کافی است به جای مقاومت ثابت ۱۵۰ کیلو اهم در مدار بالا از یک پتانسیومتر (مثلاً ۲۰۰ کیلو) استفاده کنیم. در این صورت می‌توانیم زمان تاخیر تایمر را هم تنظیم کنیم. هر چه مقاومت بیشتر شود، تاخیر هم بیشتر خواهد شد. و هر چه مقاومت کمتر شود تاخیر هم کمتر خواهد شد.
مدار تایمر تاخیر برای زمان روشن شدن
در مدار قبلی برای خاموش شدن بار تاخیر گذاشتیم. در اصطلاح علمی به آن تاخیر در خاموش یا Off Delay گفته می‌شود. حال گاهی اوقات حالت برعکس مد نظر است. یعنی هر وقت کلید را فشار دادیم، لامپ فوراً روشن نشود بلکه بعد از یک مدت زمان مشخص روشن شود. به این حالت به اصطلاح On Delay گفته می‌شود. یکی از ساده‌ترین مدارات برای ایجاد تاخیر در روشن شدن در شکل زیر نشان داده شده است. در اینجا به جای بار AC فرض کردیم که می‌خواهیم یک بار DC مانند یک موتور ۱۲ ولت ۲ آمپر را روشن و خاموش کنیم. بیایید با هم مدار را تحلیل کنیم.
فرض کنید که ابتدا سوییچ وصل نیست و خازن هم تخلیه باشد. در این صورت چون ولتاژ گیت همان ولتاژ خازن است ماسفت هم خاموش است و جریانی در درین برقرار نمی‌شود. پس موتور هم خاموش است. حال فرض کنید که سوییچ را وصل کنیم. فقط باید توجه کرد که در این مدار از سوییچ دایمی استفاده می‌شود(سوییچ مدار قبلی لحظه‌ای بود). در این صورت، همانطور که ذکر شد ولتاژ خازن به صورت آنی تغییر نمی‌کند و با توجه به ثابت زمانی مدار آن به تدریج شارژ می‌شود. پس در لحظات اولیه ولتاژ خازن کوچک است و باعث روشن شدن ماسفت نمی‌شود. به تدریج بعد از مدت زمانی ولتاژ خازن به اندازه‌ی کافی (حدود ۲) بزرگ شده و لذا جریان در درین ماسفت و همین‌طور موتور DC برقرار می‌شود. این مدت زمان باز هم به ثابت زمانی مدار RC وابسته است. هر چه ثابت زمانی بزرگ‌تر باشد (خازن و مقاومت بزرگ‌تر) تاخیر در روشن شدن هم بیشتر خواهد شد. در شکل زیر نمودار شارژ شدن ولتاژ خازن نشان داده شده است.
طبق نمودار بالا با وصل کردن دائمی سوییچ، خازن از ولتاژ صفر به سمت ولتاژ تفذیه که در اینجا ۱۲ ولت فرض شده شارژ می‌شود. در زمان حدود ۸.۹۴ ثانیه ولتاژ خازن به ۴ ولت می‌رسد. لذا ماسفت در آستانه هدایت کامل قرار می‌گیرد و از آن به بعد می‌توان ماسفت را اتصال کوتاه در نظر گرفت. لذا تغذیه ۱۲ ولت به موتور اعمال شده و آن را روشن خواهد کرد. در این مدار هم اگر به جای مقاومت ۲۲۰ کیلو از یک پتانسیومتر استفاده شود، می‌توان میزان تاخیر را تغییر داد. هر چه مقاومت بیشتر شود، تاخیر تایمر در روشن شدن هم بیشتر خواهد شد.
با وجود اینکه مدار بالا تاخیر لازم در روشن شدن را فراهم می‌کند، اما یک ایراد ایراد دارد؟ لطفاً ایراد آن را پیدا کنید و راه‌حل پیشنهادی را برای رفع آن کامنت کنید.
موفق باشید.