Генератор вспышек «Ну, погоди!» (далее просто ГВН) представляет собой функционально законченный блок с автономным питанием. ГВН относится к цветоритмическим устройствам, предназначенным для использования на мини дискотеках и танцполах. ГВН из-за малой мощности светоизлучателя рекомендуется к применению в небольших помещениях (в домашних условиях). Устройство включают в полной темноте для получения наиболее чётко выраженного эффекта.
В качестве светоизлучателя в ГВН используется осветительный светодиод зелёного цвета свечения с повышенным рабочим током (3,8 Вольта, 80 мА), который в принципе можно заменить несколькими широко распространёнными суперъяркими (с номинальным рабочим током 20 мА), соединёнными параллельно.
После включения питания ГВН, осветительный светодиод начинает медленно вспыхивать. Каждые 4-5 секунды происходит небольшое увеличение частоты задающего генератора, поэтому создаётся впечатление (субъективно воспринимается), что ГВН «ускоряется» плавно. С начала и до конца рабочего цикла ГВН частота вспышек изменяется от 1 Гц до 10 Гц. Рабочий цикл фиксирован по времени и составляет около 1 минуты. Скважность работы осветительного светодиода равна двум, то есть длительность паузы равна длительности включённого состояния. Первый (минутный) рабочий цикл ГВН многократно повторяется вплоть до выключения питания тумблером «Пит».
Отличительная особенность ГВН в использовании интегрального ГУНа (генератора, управляемого напряжением) с минимальным количеством (конденсатор и 2 резистора) дополнительных компонентов. Применённая в ГВН схема ГУНа может стать составной частью схем для многих интересных устройств.
Основным недостатком ГВН является невозможность регулировки времени рабочего цикла, составляющего около 1 минуты. Однако рабочий цикл при необходимости может быть не оперативно, но весьма значительно, увеличен модификацией схемы (использованием выходов DD1 с более старшими значащими разрядами). Нерегулируемая длительность рабочего цикла ГВН оправдывается желанием максимально упростить схему.
Вторым недостатком ГВН является использование в составе R-2R матрицы из сравнительно дефицитных (мало распространённых) прецизионных резисторов.
ГВН состоит из:
- задающего генератора (см. рисунок 1), собранного на МСД (мигающем светодиоде) HL1 с токоограничительным резистором R1;
- цепи C1-R2 стартовой установки счётчика DD1 в нулевое состояние;
- четырёхбитной резисторной матрицы R-2R, собранной на резисторах R3 … R10;
- регулятора выходного напряжения резисторной матрицы R-2R, выполненного на подстроечном резисторе RP1;
- ГУНа, выполненного на ИМС DD2 и времязадающих элементах С3-R11-R12;
- токового ключа на полевом транзисторе VT1 и его стоковой нагрузки – зелёного осветительного светодиода EL1 с токоограничительным резистором R13;
- интегрального параметрического стабилизатора напряжения DA1 с выходным напряжением +5 Вольт и керамическими конденсаторами «обвязки» С4 и С5;
- тумблера SA1 «Пит.»;
- батареи GB1, составленной из 6 аккумуляторов c номинальным рабочим напряжением 1,2 Вольта типоразмера AA-size;
- оксидного конденсатора фильтра С2.
При замыкании тумблера SA1 «Пит.» напряжение источника питания через параметрический стабилизатор DA1 поступает на оксидный конденсатор С2 и быстро заряжает его. Медленнее - через резистор R2 - идёт заряд конденсатора С1. В течение времени заряда С1, на его обкладке «минус» присутствует плавно уменьшающееся напряжение положительной полярности, которое подаётся на вход «Сброс» (вывод 11) DD1, имеющий абсолютный приоритет, и на всех выходах DD1 устанавливаются логические нули. На выходе (общей точке соединения резисторов R6 и R10) резисторной матрицы R-2R, собранной на элементах R3 … R10, установлен потенциал общего провода (0В). ГУН, выполненный на ИМС DD2 и времязадающих элементах С3-R11-R12 начинает генерировать меандр с минимальной частотой импульсов. С выхода «G» (вывода 4) DD2 импульсы со скважностью 2 и частотой порядка 1 Гц поступают на затвор токового ключа VT1. При превышении уровня +1,6В постоянного напряжения на затворе VT1, транзистор VT1 открывается, сопротивления канала исток - сток уменьшается до долей Ома и через его стоковую нагрузку EL1-R13 протекает ток. При лог.0 на затворе VT1, транзистор VT1 закрыт, сопротивление канала исток - сток стремится к бесконечности и стоковая нагрузка EL1-R13 обесточена. Таким образом, осветительный светодиод EL1 включается на 0,5 секунды, через такой же (0,5 секунды) промежуток времени.
Время стартовой установки длится несколько десятых долей секунды. Далее режим работы DD1 задаёт генератор, собранный на МСД HL1 и резисторе R1. Он вырабатывает прямоугольные импульсы (частотой около 2 Гц) с крутыми фронтами и спадами напряжения, обеспечивающие единичные переключения КМОП - счётчика. Поэтому, каждый отрицательный перепад (спад), снимаемый с катода HL1 и поступающий на вход С (вывод 10) DD1, увеличивает содержимое счётчика DD1 на единицу. Каждый 8-й счётный перепад, вызывает смену логического уровня на выходе 2 3 (на выводе 7) DD1 и смену четырёхразрядного двоичного кода на выходах 2 3, 2 4, 2 5, 2 6 (выводах 7, 5, 4, 6) DD1 (соответственно). Это происходит каждые 4 секунды. Каждое увеличение двоичного кода на единицу, вызывает ступенчатый рост на +0,3 Вольта постоянного напряжения на выходе резисторной матрицы R-2R (на общей точке соединения резисторов R6 и R10). С ростом постоянного напряжения на входе «GE» (выводе 9) DD2, пропорционально увеличивается частота меандра на выходе «G» (выводе 4) DD2 (ГУНа). После появления 15 - й ступеньки постоянного напряжения на выходе матрицы R-2R, выходная частота ГУНа увеличивается (по сравнению с начальной) почти в 10 раз и приближается к 10 Герцам. Однако это происходит, только если движок RP1 установлен в верхнее (по схеме) положение. Понижая положение движка RP1, можно пропорционально уменьшать диапазон перестройки ГУНа по частоте.
Если установленного диапазона перестройки ГУНа по частоте (в 10 раз) окажется недостаточно, можно уменьшить сопротивление резистора R11. При этом диапазон перестройки ГУНа увеличится. В принципе сопротивление резисторов R11 и R12 может быть не менее 10 кОм, а ёмкость С3 - более 100 пФ.
Рабочий ток ГВН в отсутствие свечения EL1 не превышает 3,6 мА, а в режиме свечения EL1 не превышает 85 мА.
Если использовать сетевой адаптер (блок питания) с выходным напряжением + 5 Вольт, то параметрический стабилизатор DA1 с конденсаторами С4 и С5 «обвязки» можно исключить. При этом ток покоя (ток, потребляемый ГВН в отсутствие свечения EL1) составит от 60 до 300 мкА (в зависимости состояния выходов счётчика DD1). ГВН сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до + 3 Вольт, однако «временные» параметры устройства несколько уплывут. Так, например, время рабочего цикла ГВН увеличится с 65 до 100 секунд.
Собранный без ошибок и из исправных компонентов ГВН работоспособен при первом включении. Настройка ГВН не сложна и заключается в установке подстроечным резистором RP1 требуемого диапазона перестройки ГУНа по частоте.
Настройка ГВН
После проверки потребляемого ГВН тока (не более 4 мА при вынутом EL1) рекомендуется проверить диапазон изменяемого выходного «+U» на выходе R-2R матрицы. Авторский экземпляр DD1 обеспечивал изменение напряжения от 0 до + 4,75 Вольт (хотя теоретически могло быть от 0 до +5 Вольт). Если в течение одноминутного рабочего цикла ГВН наблюдается неравномерный рост (или провалы) выходного «+U» R-2R матрицы, следует проверить номиналы резисторов R3 … R10 на соответствие указанным в схеме. Возможно, также придётся устранить ошибки (замыкания и обрывы) в монтаже R-2R матрицы.
Изменить яркость свечения EL1 можно резистором R13*. Сопротивление токоограничительного резистора R13 выбрано таким, чтобы рабочий ток не превышал 80 мА. Однако субъективно (на глаз) яркость свечения EL1 почти не снижается при уменьшении рабочего тока EL1 до 50 … 60 мА. Поэтому номинал R13 можно соответственно увеличить.
Миллиамперметр, для контроля рабочего тока EL1 включают, например, в разрыв между катодом («минусом») EL1 и верхним выводом резистора R13. «Плюс» миллиамперметра подключается к катоду EL1; «минус» миллиамперметра подключается к верхнему (по схеме) выводу R13. Все перепайки выполняются при обесточенной схеме, поэтому отключают питание ГВН, выпаивают резистор R13, а вместо него в схему впаивают последовательно соединённые постоянный (с номиналом на 30 … 60% меньшим) и подстроечный с номиналом 100 … 200 Ом. Затвор VT1 временно отсоединяют от выхода (вывода 4) DD2 и припаивают (можно без токоограничительного резистора) к аноду EL1 (к шине «+» питания ГВН). Включают питание тумблером SA1 «Пит» и вращением движка подстроечного резистора устанавливают необходимую яркость свечения EL1. Затем снова выключают питание ГВН, выпаивают оба резистора и измеряют их суммарное сопротивление тестером в режиме RХ (измерения сопротивления). Резистор берётся ближайшего большего (стандартного 5 … 20 % ряда) номинала и впаивается на место R13. Затвор VT1 припаивается на прежнее место.
В ГВН применены постоянные резисторы МЛТ, С2-23, С2-33. Резисторы R3 … R10 дискретной резисторной матрицы R/2R выбираются из ряда прецизионных с допуском (допустимым отклонением от номинала) не более 1 … 2 % типа ОМЛТ, С2-14, С2-29В или зарубежного производства. Сопротивления «R» могут быть от 12 до 50 кОм, а «2R» могут быть от 24 до 100 кОм. Однако все резисторы «R» и «2R» должны иметь одинаковые номиналы и соответствующий допуск. А при «R» больше 20 … 30 кОм подстроечный резистор RP1 желательно исключить [выход R-2R матрицы напрямую подключают к входу GE (выводу 9) DD2]. Остальные резисторы - типа ОМЛТ, С2-23, С2-33, С1-4. Подстроечный резистор RP1 – СП3-38а или РП1-63 (с шлицом в форме шестигранника). Конденсаторы С3 … С5 керамические типа КМ, К10-7, К10-17. Остальные конденсаторы – оксидные К50-35 или зарубежного производства. Светодиод HL1 можно заменить ARL-3014URD-B, ARL-5213PGC-B. Осветительный светодиод EL1 можно заменить несколькими OSBG5111A – VW (зелёные, d = 5 мм., 18 кд, 20 мА) или подобными суперяркими, соединив их параллельно. VT1 можно заменить любым из серии КП501 … КП505, BS170 (разные цоколёвки) и даже мощным типа IRF840. Микросхема DA1 – К561ИЕ16 (CD4020A); DD2 - КР1561ГГ1 (MC4046A). Стабилизатор DA1 78L05 (кроме указанных на схеме) может быть более экономичным - 1158ЕН5А (с зеркальной цоколёвкой). Тумблер SA1 - MTS-202 можно заменить МТS-102, особо малогабаритным SМТS-102 или любым, например, кнопочным (с выключением повторным нажатием), имеющим два нормально разомкнутых контакта с рабочим током не менее 100 мА.
ГВН питается от многократно перезаряжаемой Ni-Cd батареи GB1, составленной из 6 аккумуляторов c номинальным рабочим напряжением 1,2 Вольта типоразмера AA-size (Свежезаряженные аккумуляторы имеют напряжение 1,3 … 1,4 Вольта и рекомендуемое конечное напряжение разряда 0,9 … 1 Вольт). Любители упрощать схемы имеют хорошую возможность изменить количество покупных РЭК (радиоэлектронных компонентов), используемых в ГВН, снизив напряжение питания с 9 до 5 Вольт!
Печатная плата ГВН выполнена из односторонне фольгированного гетинакса или стеклотекстолита размерами 52 х 38 х 2 мм (см. рисунки 2 и 3).
Диаметр отверстий на печатной плате под микросхемы 0,7 … 0,8 мм, под остальные радиоэлектронные компоненты – 0,8 … 1 мм, под соединительные проводники - 1…1,2 мм., под крепёжные отверстия – 3,2 мм. Отверстия в корпусе ГВН под тумблер SA1 – 6 мм.; под EL1 – 7,5 мм.
Рисунок печати – «трассировка печатной платы» – (см. рисунок 3) может быть перенесён на медную фольгу методом термопереноса [2] или переведён при помощи копирки и обведён кислотостойкими перманентными маркерами. Подойдут, например, маркеры centropen 2846 CE PERMANENT или другие, специализированные, для подписывания компьютерных CD – дисков.
Пайку радиоэлектронных компонентов следует вести заземлённым жалом паяльника. Обойтись без заземления можно, применив для ИМС и полевых транзисторов специальные панельки (розетки), и установив в них «полевые структуры» по окончании пайки остальных деталей.
Плата ГВН устанавливается в прямоугольном пластмассовом корпусе подходящих размеров (например, в мыльнице с наружными размерами 100 х 60 х 30 мм.). Варианты ФП (размер 95 х 54 мм.) для корпуса - в мыльницы с указанными выше размерами приводятся на рисунках 4 А, Б, В, Г.
Выбранный рисунок фальшпанели распечатывается на цветном принтере, приклеивается клеем ПВА к зачищенной мелкой шкуркой передней стенке корпуса. После сушки под прессом (с прокладкой из впитывающей влагу бумаги) в течение 24 часов, рисунок защищается от механических повреждений и от воздействия влаги широкой полоской прозрачного скотча.
Аккумуляторы GB1 устанавливаются в специальных контейнерах - держателях за тонкой стеклотекстолитовой перегородкой вдоль задней стенки корпуса.
Светодиод EL1 крепится на трении в отверстии, просверленном на передней стенке корпуса (на верхней стенке мыльницы) сверлом диаметром на 0,3 … 0,5 мм меньшем диаметра светодиода. Тумблер SA1 крепится на передней стенке корпуса гайками через шайбы. Пружинная шайба тумблера устанавливается внутри корпуса, а простая шайба – снаружи.
Уважаемые читатели, предлагаем Вам получить дополнительную информацию. Для этого следует разгадать ребус (см. рисунок 5).
В ребусе зашифровано важное техническое свойство одного из функциональных «микроблоков» ГВН, которое позволит расширить эксплуатационные свойства ГВН, а также применить составную часть типовой схемы включения ГВН во многих других интересных изделиях.
Разгадав ребус, следует посчитать и записать (двоичным числом) сколько букв «Н» содержит ребус, а затем (без пробела) записать (с маленькой буквы) пятое слово, содержащееся в ответе к ребусу. Получившееся число - буквенное сочетание нужно ввести в строку «пароль» файла GVN_dop. Тогда вы сможете прочитать полный ответ к ребусу, получить 4 варианта рисунка фальшпанели размером 95 х 54 мм., и в качестве бонуса готовый к термопереносу (в масштабе = 1:1) отражённый рисунок трассировки печатной платы. Rar-архив файла GVN_dop (287 кБ) вы можете скачать здесь:
Информация любителям усовершенствовать схемы.
Если у Вас есть желание, то рисунок печатной платы можно изменить, а монтаж радиокомпонентов заметно упростить. Для этого вместо резисторов R3 … R10 можно применить R-2R матрица фирмы «Bourns». В корпусах конфигурации DEEP производятся только 7 и 8 - битные (14 и 16 PIN - соответственно) ИМС. На рисунке 6 показано как 8 - битную (16 PIN) ИМС можно (двумя способами) превратить в 4-х битную и использовать в схеме ГВН.
Наименование ИМС состоит из обозначения: модели корпуса (41); количества выводов (16); физической конфигурации (R = Low Profile - Molded); электрической конфигурации (R2R = R/2R Ladder Network). Примечания: 1). Код сопротивления, указан для «R». Для «2R» - сопротивление удваивается. 2). (503) Первые две цифры - номинал в Омах. Третья цифра - добавленное к номиналу количество нулей. Итого: номинал «R» = 50 000 Ом. 3). Мощность рассеивания для Low Profile - Molded составляет 0,125 Вт.
Если Вы приобретёте ИМС - R-2R матрицу, например, набрав в адресной строке поисковика:
https://www.chipdip.ru/catalog/resistor-networks?gq=41+16+R+-+R2R+-+
то сможете изготовить ГВН по следующей схеме (см. рисунок 7)
А ПП (печатная плата) ГВН приобретёт следующий вид (см. рисунки 8 и 9). R-2R матрица на рисунках 7 и 8 обозначена как DR1.
Правда ИМС – матрица R-2R сравнительно дорогая: 270 руб. А если заказать более 10 штук, то цена за 1 штуку - 174 рубля. Зато не будет задержки с поиском единичных прецизионных (1%, не более) резисторов.
Оригинальную версию статьи ГВН в MS Word можно скачать здесь:
Литература: 1). Суперяркие светодиоды. «Радиомир» 2006, №11, с. 52 - 53.
2). А. Ознобихин. Компактное сигнализирующее устройство. «Радиомир» 2006, №10, с. 43 – 44. (О методе термопереноса).
