Гаджет персонального использования - 3 (далее просто ГПИ3) является приставкой к различным устройствам, работающим от источников питания с выходным напряжением + 3 … + 12 Вольт. ГПИ3 встраивается в основное устройство А1 и выполняет функцию ограничения доступа к расширенным возможностям основного устройства - (к дополнительной нагрузке А2).
Основным устройством может быть, например FM - стереоприёмник, имеющий встроенный цветоритмический автомат, который можно включить, только зная секрет ГПИ3. Цветомузыка, стробоскоп и другие развлекающие устройства рекомендуются лишь для нечастого активного отдыха, поэтому их постоянное использование, например, детьми, пойдёт им не на пользу, а скорее даже во вред учёбе и другим обязанностям. Поэтому, родители, разрешив доступ детям к стереоприёмнику, оставят за собой право включать цветоритмический автомат.
Строго говоря, в стереоприёмнике большой цветоритмический автомат не утаить, поэтому приведу другой, более практичный вариант использования ГПИ3.
Примерный семьянин - отец решил изготовить цветомузыку с приложением для взрослых - набором цветоритмических развлечений (стробоскопами, сиренами, включением «темноты» и т. п.). А как сделать приложение недоступным для вездесущих маленьких детей? Выручит ГПИ3.
Основным устройством (А1) будет цветомузыка, а дополнительным – устройство А2 (приложение с ограниченным доступом).
Автор не вправе лишать радиолюбителей радости самостоятельного поиска других вариантов применения ГПИ3 (а их, как убедятся многие, не мало). Поэтому ограничимся указанием этих двух примеров.
Отличительная «изюминка» ГПИ3 в том, что он не имеет близких прототипов. Зачастую именно самые простые охранные устройства оказываются наиболее эффективными. Охранно-кодовые устройства, конечно, надёжнее защищают от несанкционированного доступа, однако именно они вызывают желание мрачных специалистов взломать защиту, и если не из материальной заинтересованности, то из принципа. А в случае с ГПИ3, можно и не догадываться, что в изделии что-то закрыто для доступа. Ведь стереоприёмник-то при его включении работает, а «подозрительная» кнопка SB1 имеет официальное название «Проверка батареи» и предназначена также для контроля допустимого уровня напряжения батареи.
ГПИ3 (см. рисунок 1) состоит из:
- стартового 3-х секундного таймера, собранного на элементах С1-R1;
- инвертора, собранного на элементе DD1.1 «2И-НЕ» объединением входов;
- индикатора «Старт», выполненного на красном светодиоде HL1 и его токоограничительного резистора R2;
- элемента «2ИЛИ», выполненного на дискретных элементах VD1-VD2 и расширяющего вход «R» (вывод 10) DD2.1;
- цепи С4-R6 стартовой установки D-триггеров DD2.1, DD2.2 в исходное (нулевое) состояние;
- ОВ (одновибратора), выполненного на элементах DD2.1-С3-R5-VD3 и вырабатывающего импульс положительной полярности длительностью 0,5 с.;
- блока кнопки SB1 «Проверка батареи», состоящей из ФКИ (формирователя коротких импульсов), собранного на цепочке С2-R4 и резистора R3, разряжающего конденсатор С2 после формирования импульса цепочкой С2-R4;
- элемента DD1.3 и инвертора DD1.4;
- D-триггера DD2.2, фиксирующего дополнительную нагрузку А2 (Rн. доп.) во включённом состоянии;
- токового ключа VT1, включающего блок А2 - дополнительную нагрузку (Rн. доп.) - и цепь R8-HL3 «PLUS»;
- устройства контроля разряда источника питания, собранного на трёхвыводной ИМС DA1 КР1171СП42 и элементах R7-HL2 «Норма»;
- конденсаторов фильтра постоянного тока С5 и С6;
- тумблера SA1 «Вкл.» с парой переключающихся контактов и разрядного резистора R9;
- разъёма внешнего питания XS1 «Питание»;
- резервной батареи GB1, составленной из 4 аккумуляторов типоразмера AA-size с номинальным напряжением 1,2 Вольта и ёмкостью от 1000 до 2850 мА/час.
При включении питания тумблером SA1 «Вкл.», постоянное напряжение +5 Вольт быстро заряжает конденсаторы С5-С6 фильтра постоянного тока, поступает на основной блок А1 и на схему ГПИ3. Немного медленнее - через резистор R6 - заряжается конденсатор С4 и на входы «R» D-триггеров DD2.1, DD2.2 поступает короткий импульс положительной полярности, устанавливающий триггеры в исходное (нулевое) состояние. Причём импульс сброса с нижней (по схеме) обкладки конденсатора С4 поступает на вход «R» (вывод 4) DD2.2 напрямую, а на вход «R» (вывод 10) DD2.1 - через диод VD1.
Стартовый таймер, собранный на элементах С1-R1, «отсчитывает» выдержку с момента включения питания тумблером SA1 «Вкл.» и через 3 секунды на входах (выводах 1 и 2) DD1.1 постоянное положительное напряжение уменьшается до уровня +0,5 U и.п. и ниже, а на выходе (выводе 3) инвертора DD1.1 лог.0 сменяется логической единицей. Индикатор R2-HL1 «Старт», светившийся 3 секунды после включения питания тумблером SA1, гаснет, рекомендуя пользователю, желающему включить не только основную (А1), но и дополнительную (А2) нагрузку, нажать кнопку SB1. Если пользователь сделает нажатие SB1 не позже, чем через 0,5 секунды после погасания индикатора R2-HL1 «Старт», то дополнительная нагрузка А2 (Rн. доп.) будет включена. Если кнопка SB1 будет нажата позже, то дополнительная нагрузка А2 (в отличие от А1) останется выключенной. Повторную попытку можно будет сделать только после выключения питания ГПИ3 тумблером SA1 «Вкл.». Таков, вкратце, принцип работы ГПИ3.
Кнопка SB1 имеет двойное назначение. Нажав SB1, можно также, проконтролировать уровень напряжения, питающего ГПИ3. Это особенно важно при резервном питании от батареи GB1. Если напряжение батареи GB1 равно или превышает +4,2 Вольта, то при нажатии SB1 светится зелёный светодиод HL1 «Норма». Если напряжение батареи GB1 меньше +4,2 Вольта, то при нажатии SB1 светодиод HL1 «Норма» не светится. (Считывание результата проверки +U и.п. возможно только при удержании SB1 в нажатом положении.)
Положительный перепад с выхода (вывода 3) DD1.1 поступает на вход «С» (вывод 11) триггера DD2.1 и запускает ОВ (DD2.1-С3-R5-VD3). На выходе (выводе 13) DD2.1 появляется 0,5 - секундный импульс, длительность которого определена времязадающей цепью С3-R5. Лог.1 на выходе (выводе 13) DD2.1 вызывает медленный (определяемый сопротивлением R5) заряд времязадающего конденсатора C3. Когда С3 зарядится до половины напряжения ГПИ3 (плюс прямое падение напряжения на кремниевом диоде VD2 около 0,6 Вольта), то вход «R» (вывод 10) DD2.1 воспринимает это как высокий логический уровень (проходит команда «Сброс») и триггер DD2.1 обнуляется, то есть на его прямом выходе (выводе 13) вновь появляется лог. 0. Конденсатор С3 быстро разряжается через диод VD3, моментально подготавливая ОВ к следующему циклу работы. Пока на выходе ОВ присутствует 500-миллисекундный импульс, составной логический элемент DD1.3-DD1.4 открыт для прохождения импульса со входа (вывода 8) DD1.3 на выход (вывод 11) DD1.4.
Блок кнопки SB1 работает так. В исходном состоянии контакты 1 и 3 SB1 замкнуты, а конденсатор С2 разряжен через малое сопротивление резистора R3. При нажатии кнопки SB1, +U и.п. через контакты 2 - 1 SB1 поступает на вход ФКИ С2-R4 (на левую обкладку С2) и на выходе ФКИ (на верхнем выводе R4) формируется короткий импульс положительной полярности. Этот импульс поступает на вход (вывод 8) DD1.3 и (если кнопка SB1 нажата во время работы ОВ), проходит через элементы DD1.3-DD1.4 и появляется на входе «С» (выводе 3) DD2.2. На входе «D» (на выводе 5) DD2.2 жёстко установлена лог.1, поэтому по фронту на входе «С» (на выводе 3) DD2.2 триггер DD2.2 взводится и на его прямом выходе (выводе 1) DD2.2 устанавливается лог.1. Эта лог.1 поступает на затвор токового ключа VT1, и транзистор VT1 открывается: Сопротивление канала исток - сток стремится к нулю и через нагрузку А2 и цепь HL3-R8 течёт ток. Синий светодиод HL3 «PLUS» ярко светится, подтверждая включение дополнительной нагрузки А2.
Но если кнопка SB1 нажата до начала, или после окончания работы ОВ, то в момент её нажатия на выходе (выводе 13) DD2.1 установлен лог.0, который запирает элемент DD1.3 и импульс с выхода блока кнопки SB1, поступающий на вход (вывод 8) DD1.3, через элементы DD1.3-DD1.4 не проходит. Поэтому триггер DD2.2 находится в исходном (сброшенном) состоянии и на его выходе (выводе 1) DD2.2 удерживается лог.0. Этот лог.0 поступает на затвор токового ключа VT1, и транзистор VT1 остаётся закрытым. Сопротивление канала исток - сток стремится к бесконечности и через нагрузку А2 с цепью HL3-R8 ток не протекает. Синий HL3 не светится, подтверждая отключённое состояние дополнительной нагрузки А2.
Как указывалось выше, кнопка SB1 совмещает 2 функции, и при её нажатии напряжение +U и.п. с контакта 1 SB1 поступает на устройство DA1-R7-HL2 контроля разряда источника питания. Поэтому при «своевременном» или «несвоевременном» нажатии SB1 (при попытках включения А2) также работает устройство контроля разряда GB1 и при напряжении ≥ +4,2 Вольта, включается зелёный HL2 «Норма».
Устройство контроля разряда - трёхвыводная ИМС DA1 КР1171СП42 - имеет выход с ОК (открытым коллектором) и U пороговое = + 4,2 Вольта. Пока напряжение на входе (выводе 1) DA1 стабильно (равно + 4,8 … +5 Вольтам) и в пиках потребления мощности не снижается до уровня + 4,2 Вольта, на выходе (выводе 3) DA1 установлена лог.1. На светодиоде HL2 присутствует падение напряжения, и зелёный светодиод HL2 «Норма» светится.
Когда напряжение на входе (выводе 1) DA1 снижается до уровня + 4,2 Вольта и менее, на выходе (выводе 3) DA1 устанавливается лог.0 и зелёный светодиод HL2 «Норма» выключается. (Ток лог.0 выхода DA1 больше тока лог.1, протекающего через резистор R7). Такое предупреждение сообщает пользователю блока А1 о необходимости заряда аккумуляторной батареи.
После окончания работы с ГПИ3 тумблер SA1 «Питание» устанавливается в правое (по схеме) положение. При этом оксидные конденсаторы С1 и С6 ГПИ3 быстро разряжаются через замкнувшиеся контакты SA1 и резистор R9. Таким способом схема ГПИ3 подготавливается к быстрому повторному включению тумблером SA1 «Питание». Быстрое повторное включение питания требуется, например, после неудачной попытки расширить функциональные возможности основного блока А1.
Настройка устройства
Схема, собранная на цифровых микросхемах, обычно не требует настройки. Однако при первом включении рекомендуется проверить потребляемый ГПИ3 ток. Ток покоя ГПИ3, измеренный через 4 секунды после включения питания не превышает 4 мкА.
Если ГПИ3 не работает, или работает неправильно, рекомендуется воспользоваться контрольно-измерительными приборами. «Общий» вывод осциллографа или вольтметра подключают к общему проводу и убеждаются в наличии постоянного напряжения + 4,8 (+5 Вольт) на обкладке «+» конденсатора С6. Затем убеждаются в работоспособности стартового 3 - секундного таймера С1-R1, и ОВ (DD2.1-С3-R5-VD3). Выдержку таймера можно сделать больше увеличением ёмкости С1. Увеличивать сопротивление резистора R1 свыше 120 кОм не следует, так как R1 задаёт уровень лог.0 на входах - выводах 1 и 2 - DD1.1 после заряда С1. Длительность выходного импульса ОВ (DD2.1-С3-R5-VD3) можно удлинить увеличением сопротивления резистора R5.
Длительность импульса ОВ приближённо можно рассчитать по формуле:
t ≈ 0,69∙RC,
где R - сопротивление резистора R5 в мегомах, C - ёмкость конденсатора С3 в микрофарадах, а t - длительность импульса - в секундах.
Практический путь подбора длительности импульса займёт гораздо больше времени. Для этого резистор R5 временно заменяют «лабораторной парой» - двумя, соединёнными последовательно (постоянным 20 кОм … 47 кОм и подстроечным 330 … 680 кОм). Включают - выключают питание ГПИ3, делая пробные запуски ОВ. Каждый раз изменяют и отмечают риской положение шлица подстроечного резистора. Устанавливают требуемую длительность (от 0,3 до 0,8 с.) выходного импульса ОВ. Получив нужный результат, положение шлица подстроечного резистора не изменяют, выключают питание ГПИ3, выпаивают «лабораторную пару» и тестером измеряют её суммарное сопротивление. Выбирают из имеющихся резисторов ближайший (к измеренному) номинал, и впаивают его на место резистора R5. Контроль смены логического уровня на выходе (выводе 13) DD2.1 осуществляют, например, осциллографом или мультиметром типа M890F в режиме «+U». Длительность выходного импульса ОВ измеряют, например, частотомером. В простейшем случае можно воспользоваться осциллографом и секундомером.
Далее, при необходимости заканчивают проверку ГПИ3 «по прохождению сигнала» согласно описанию принципа работы ГПИ3, приведённому выше.
Яркость свечения HL1 в небольших пределах можно изменить резистором R2 (* 1 … 3 кОм). Яркость свечения HL2 в небольших пределах можно изменить резистором R7 (* 1 … 3 кОм). Яркость свечения HL3 в много больших пределах можно изменить изменением сопротивления резистора R8, выбрав рабочий ток в пределах от 0,5 до 20 мА.
Для исключения ненужных вопросов, конструктивно светодиод HL3 устанавливается «заподлицо» без подписи «PLUS» на передней панели основного устройства А1 и заклеивается полупрозрачной плёнкой, например, «непрозрачным» скотчем. Другими словами, пока не заработал блок А2, светодиод HL3 не должен быть заметен на передней панели основного устройства А1. В простейшем случае HL3, после настройки ГПИ3, может быть исключён вместе с резистором R8.
Детали для ГПИ3
В ГПИ3 использованы резисторы R1 … R9 типа С2-23, С2-33, ОМЛТ с мощностью рассеивания 0,125 Ватт. Конденсаторы С1, С3 и С6 - оксидные К50 - 35 или, например, фирм «Jamicon» или «Maron». Остальные конденсаторы керамические типа КМ, К10-17. Диоды VD1 … VD3 - кремниевые малогабаритные, например, КД503, КД510, КД520 … КД522, КД102 … КД104 с любым буквенным индексом.
Красный светодиод HL1 ARL2-5113URC (5 мм.) можно заменить красным 13R20C-B (d = 3 мм.). Зелёный светодиод HL2 ARL5213PGC (5 мм.) можно заменить зелёными OSBG5111A–VW (5 мм.) или 13G20C-B (d = 3 мм.). Синий светодиод HL3 ARL2-5213UBC (5 мм.) можно заменить синими FIL5013UBC (5 мм.), 13B20C-A (d = 3 мм.) или ARL-3214UBC (d = 3 мм., 6 кд). Транзистор VT1 КП505А (R си = 0,3 Ома) можно заменить, например, BS170 (R си = 1,2 Ома и другая цоколёвка), КП505Г (R си = 1,2 Ома, но U си ≤ 8 Вольт) или даже мощным IRF540 (R си = 0,077 Ома). Важно, чтобы R си (сопротивление сток - исток) открытого канала VT1 было как можно меньше. Микросхему DD1 К561ЛА7 (CD4011A) можно заменить К561ТЛ1 (CD4093А). ИМС DD2 К561ТМ2 можно заменить зарубежным аналогом CD4013А. ИМС DA1 КР1171СП42 можно заменить любым из ряда ИМС от КР1171СП36 (с U пороговым = +3,6 В) до КР1171СП47 (с U пороговым = +4,7 В). Батарея GB1 составлена из 4 аккумуляторов типоразмера AA-size желательно с максимальной ёмкостью. Подойдут также одноразовые элементы для фотоаппаратов и щелочные (алкалиновые) элементы с номинальным рабочим напряжением +1,5 Вольта. Кнопка SB1 типа КМ или другая малогабаритная (МП7). Тумблер SA1 - MTS102, SMTS102 или любой другой малогабаритный с парой переключающихся контактов.
Печатная плата ГПИ3 выполнена из фольгированного стеклотекстолита размерами 51 х 33 х 1,5 мм (см. рисунок 2).
Диаметр отверстий на печатной плате под микросхемы и перемычки - 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. Примечание: Для уменьшения размеров печатной платы диод VD3 собственного «посадочного» места не имеет и располагается над резистором R5.
Рисунок печати – “трассировка печатной платы” – (см. рисунок 3) может быть перенесён на медную фольгу методом термопереноса или переведён при помощи копирки и обведён кислотостойкими перманентными маркерами. Подойдут, например, маркеры centropen 2846 CE PERMANENT или другие, специализированные, для подписывания компьютерных CD и DVD – дисков.
Травится плата в водной бане. Подробнее о методе травления ПП «Водная баня» смотрите в файле MSWord на «облаке» Яндекс Диска.
Информация любителям модернизировать схемы.
Для уменьшения габаритов ГПИ3, в схеме можно применить ИМС серии 564. Радиолюбителям, желающим максимально упростить схему ГПИ3, предлагаю проверенный вариант такого упрощения:
1). Цепь стартовой установки С4-R6 исключается. 2). Также исключается диод VD1, так как в конкретном случае стартовый сброс ОВ D2.1 не нужен. 3). Вместо диода VD2 устанавливается перемычка. 4). Стартовый сброс D2.2 выполняется соединением выхода (вывода 4) DD1.2 с входом «R» (выводом 4) триггера D2.2. При этом входы (выводы 5 и 6) DD1.2 подключают к выходу (к выводу 3) DD1.1.
Уважаемые читатели! Предлагаем Вашему вниманию дополнительную информацию по схеме ГПИ3, зашифрованную ребусами №№ 1, 2, 3. Номера ребусов на рисунках 4, 5, 6 указаны в правых верхних углах рисунков.
Ребус №1 сообщает, как правильно называется ИМС DA1, контролирующая разряд источника питания GB1.
В ребусе №2 зашифровано, какую логическую функцию выполняют элементы DD1.3 и DD1.4, включённые последовательно.
В ребусе №3 приводится другое название ФКИ, собранного на дискретных элементах С2-R4.
Если Вы разгадали ребус №2, посчитайте, сколько букв "о" содержит ребус №2. Введите с заглавной буквы третье слово ребуса №2 и - через печатный пробел - подсчитанное число букв «о» двоичным 4-х разрядным кодом в строку «Пароль» архива Zip - WinRAR файла «ГПИ3-аудио_Алиса».
Архив Zip - WinRAR (577 кБ) файла «ГПИ3-аудио_Алиса» можно скачать здесь:
Прослушивание открытого файла позволит вам получить ещё один важный совет по схеме ГПИ3. Однако, чтобы текст файла стал понятен, рекомендуется предварительно посмотреть на схеме (рисунок 1) где находятся элементы устройства контроля разряда источника питания DA1-R7-HL2.
Если Вы разгадаете все ребусы, то сможете получить бонус: готовый к термопереносу (в масштабе = 1:1) отражённый рисунок трассировки печатной платы. Для этого введите (в именительном падеже) второе слово ребуса №3 и через печатный пробел количество букв «а», содержащихся в ответах всех ребусов (двоичным четырёхразрядным числом) в строку “Пароль” файла GPI3_dop. Подсказки: 1). Первое слово пароля пишите с заглавной буквы. 2). Младший разряд в двоичной системе счисления располагается справа, а старший - слева. Архив файла GPI3_dop (274 кБ) можно скачать здесь:
Для облегчения разгадывания ребусов сообщаю, что ребус №1 нарисован в 3 горизонтальные строки. А ребусы №2 и №3 нарисованы в 2 горизонтальные строки.
Схема и ПП проверены 28.03.2021.
