Экономичное цветоритмическое устройство - 3 (ЭЦУ3)

Экономичное цветоритмическое устройство - 3

(далее просто ЭЦУ3) является разновидностью цветомузыкальных устройств, предназначенных для создания иллюзии визуально-оптического сопровождения музыкальных произведений. ЭЦУ3 – носимое компактное устройство, легко умещающееся в кармане. ЭЦУ3 имеет питание от четырёх (1,2 Вольта) аккумуляторов типоразмера AA - size или от трёх «пальчиковых» элементов с напряжением питания 1,5 Вольта. В ЭЦУ3 применены разноцветные (красные, жёлтые, зелёные и синие) суперъяркие светодиоды, что позволяет сделать устройство экономичным и одновременно имеющим хорошую яркость свечения. Тем не менее, ЭЦУ3 рекомендуется использовать в домашних условиях: на мини танцполах, в небольших помещениях. Для большей выразительности цветосветового эффекта, ЭЦУ3 следует включать при выключенном сетевом освещении (в полной темноте).

Главным отличительным признаком ЭЦУ3 от подобных схем является наличие генератора псевдослучайных чисел, который обеспечивает различные псевдослучайные сочетания включения четырёх групп (красных, жёлтых, зелёных и синих) светодиодов.
ЭЦУ3 имеет регулятор «Скорость», изменяющий частоту установки (обновления) числа на выходе двоичного четырёхразрядного генератора псевдослучайных чисел от 0,6 до 2,5 Герц, однако при желании диапазон регулировки может быть значительно расширен.

ЭЦУ3 имеет светодиодный экран в виде 4 прямоугольных треугольников, направленных прямыми углами к центру описывающей их окружности. Экран ЭЦУ3 расположен в левой части корпуса. Для лучшего рассеивания светодиодного излучения экран можно закрыть хрустальной солонкой (с внутренним диаметром 41 мм). ЭЦУ3 также может использоваться как оригинальный новогодний светильник.

Основной недостаток ЭЦУ3 в том, что в нём использованы сравнительно дорогие суперъяркие (высокой яркости свечения) светодиоды. Поэтому предусмотрено, что в каждой цветовой группе светодиодов можно использовать 1, 2, или 3 светодиода. Причём в трёх вариантах расположения светодиодов на фальшпанели не будет нарушена симметрия!!!





ЭЦУ3 (см. рисунок 1) состоит из:
- генератора прямоугольных импульсов частотой 10 Гц, собранного на инвертирующем элементе DD1.1 с триггером Шмитта на входе и времязадающими элементами C1-R2;
- генератора прямоугольных импульсов частотой 20 Гц, собранного на элементе DD1.2 с времязадающими элементами C2-R3;
- генератора прямоугольных импульсов частотой 40 Гц, собранного на элементе DD1.3 с времязадающими элементами C3-R4;
- генератора прямоугольных импульсов частотой 80 Гц, собранного на элементе DD1.4 с времязадающими элементами C4-R5;
- регулируемого генератора, собранного на элементе DD1.5 с времязадающими элементами C6-R10-RP1«Скорость»;
- ФКИ (формирователя коротких импульсов), собранного на элементах C7-R12, формирующего неинвертированный импульс положительной полярности по положительному перепаду на его входе;
- двоично-десятичного счётчика DD2, выполняющего функцию четырёх D-триггеров – защёлок, формирующих четырёхразрядное двоичное число;
- таймера, имеющего фиксированную выдержку 70 секунд и выполненного на элементе DD1.6 с времязадающими элементами C9-R20;
- четырёх одноканальных («Х-Y») коммутаторов сигналов (последовательных ключей) DD3.1-R15, DD3.2-R16, DD3.3-R17, DD3.4-R18 выполненных на ИМС К561КТ3;
- ФКИ, собранных на элементах C10-R23, C11-R24, C12-R25, C13-R26; и шунтирующих каждый из четырёх коммутаторов ИМС К561КТ3;
- токового ключа VT1 с его стоковой нагрузкой - красных светодиодов HL1-HL2-HL3 с токоограничительными резисторами R1-R6-R7;
- токового ключа VT2 с его стоковой нагрузкой - жёлтых светодиодов HL4-HL5-HL6 с токоограничительными резисторами R8-R9-R11;
- токового ключа VT3 с его стоковой нагрузкой - зёлёных светодиодов HL7-HL8-HL9 с токоограничительными резисторами R13-R14-R19;
- токового ключа VT4 с его стоковой нагрузкой - синих светодиодов HL10-HL11-HL12 с токоограничительными резисторами R21-R22-R27;
- конденсаторов С5, С8 фильтра постоянного тока;
- тумблера SA1 «Режим», имеющего 3 положения («I», «II», «III»), с резистором R28 установки высокого логического уровня в положении «II»;
- тумблера SA2 «Вкл.» включения питания;
- четырёх аккумуляторов типоразмера AA - size с номинальным напряжением питания 1,2 Вольта и ёмкостью 2700 мА/час, составляющих батарею GB1.

При замыкании контактов тумблера SA2 «Вкл.», напряжение источника питания поступает в схему и быстро заряжает конденсатор фильтра С8. Все 4 генератора прямоугольных импульсов (DD1.1-C1-R2; DD1.2-C2-R3; DD1.3-C3-R4; DD1.4-C4-R5), а также регулируемый генератор «Скорость» (DD1.5-C6-R10-RP1) начинают работу.

Все генераторы собраны по одинаковой схеме и отличаются лишь параметрами времязадающих RC - цепей. Отличительная особенность этих генераторов, собранных на логических элементах с триггерами Шмитта на входах, в том, что их первый выходной импульс положительной полярности до двух раз больше последующих. Однако эта особенность практически не влияет на работоспособность ЭЦУ3. Выходной сигнал генераторов (за исключением первого импульса) представляет собой меандр (скважность 2), то есть длительность импульсов равна длительности паузы. А скважность (частное от деления периода следования на длительность импульса) остаётся неизменной при изменении рабочей частоты генераторов в широких пределах. Кроме того, крутизна фронтов выходных импульсов выше, чем при использовании в составе генераторов логических элементов без триггеров Шмитта.

В исходном состоянии на выходах генераторов (выводах 2, 4, 6, 8, 10 ИМС DD1) установлена логическая 1. Позже всех появляются импульсы на выходе (выводе 10 DD1.5) регулируемого генератора прямоугольных импульсов DD1.5-C6-R10-RP1. По каждому положительному перепаду выходе (выводе 10) DD1.5 срабатывает ФКИ, собранный на элементах C7-R12. На выходе ФКИ (правой обкладке С7) формируется короткий неинвертированный импульс положительной полярности, который поступает на вход РЕ (вывод 1) счётчика DD2. С выходов генераторов (выводов 2, 4, 6, 8) ИМС DD1 сигналы (меандры различной частоты) поступают на входы предварительной установки D4, D3, D2, D1 (выводы 3, 13, 12, 4) DD2 (соответственно). По положительному перепаду на входе РЕ (выводе 1) DD2, информация (четырёхразрядное двоичное число), установленная на входах предварительной установки D4, D3, D2, D1 (на выводах 3, 13, 12, 4) DD2, поступает на выходы «8», «4», «2», «1» (выводы 2, 14, 11, 6) DD2 и фиксируется на этих выходах до прихода следующего положительного перепада на вход РЕ (вывод 1) DD2. К выходам «8», «4», «2», «1» (выводам 2, 14, 11, 6) DD2 через токоограничительные резисторы R15 … R18 подключены входы (выводы 1, 8, 11, 4) 4-х канальных коммутаторов сигналов DD3.1, DD3.2, DD3.3, DD3.4 (соответственно), выполненных на ИМС К561КТ3.

Если тумблер SA1 «Режим» установлен в положение «I», то с выхода (вывода 12) DD1.6 таймера (DD1.6-C9-R20) через тумблер SA1 на входы разрешения «V» (выводы 13, 6, 12, 5) DD3 поочерёдно (через 35 секунд) поступают уровни лог.0 и лог.1. При этом автоматически включаются (чередуются) режимы «Экономия» и «Яркость 100%» (соответственно).

Если тумблер SA1 «Режим» установлен в положение «II», то со среднего вывода тумблера SA1 на входы разрешения «V» DD3 поступает уровень лог.1, задаваемый резистором R28. При этом включён режим «Яркость 100%» и каналы «X - Y» коммутаторов DD3 открыты для прохождения сигналов.

Если тумблер SA1 «Режим» установлен в положение «III», то со среднего вывода тумблера SA1 на входы разрешения «V» DD3 поступает уровень лог.0, задаваемый нулевым потенциалом нижнего (по схеме) контакта SA1. При этом включён режим «Экономия» и каналы «X - Y» коммутаторов закрыты для прохождения сигналов. В этом случае сигналы с выходов DD3 поступают на затворы токовых ключей VT1 … VT4 не через коммутатор DD3, а лишь через ФКИ, собранные на элементах C10-R23, C11-R24, C12-R25, C13-R26. Эти ФКИ являются дифференцирующими цепочками (фильтрами верхних частот). Короткие (15 мС) импульсы положительной полярности формируются на выходах всех четырёх ФКИ по положительным перепадам на входах этих ФКИ. Таким образом, сигналы с выходов DD3 значительно укорачиваются, обеспечивая режим значительной экономии ёмкости аккумуляторной батареи GB1.

Счетверённые одноканальные коммутаторы сигналов DD3, выполненные на ИМС К561КТ3, работают следующим образом.
При подаче лог.1 на входы разрешения «V» DD3 каналы «X - Y» коммутаторов имеют сопротивление, стремящееся к нулю (80 Ом).
При подаче лог.0 на входы разрешения «V» DD3 каналы «X - Y» коммутаторов имеют сопротивление, стремящееся к бесконечности. Причём входы «X» соединяются с общим проводом (так организован внутренний «двойной контакт» коммутатора в К561КТ3). Резисторы, включённые последовательно с входами «Х» исключают замыкание на общий провод входных сигналов (поступающих от DD2) при разомкнутых каналах «X - Y».

Рассмотрим более подробно прохождение сигналов через коммутатор DD3, вновь установив тумблер SA1 «Режим» в положение «II».
C выходов (выводов 2, 14, 11, 6) DD2 сигналы (импульсы положительной полярности) через токоограничительные резисторы R18, R17, R16, R15 поступают на входы «Х» (выводы 4, 11, 8, 1) DD3 (соответственно). И если на входах разрешения «V» (на выводах 13, 6, 12, 5) DD3 установлена лог.1, то входные сигналы с входов «Х» DD3 проходят через каналы ключей DD3 и появляются на выходах «Y» (на выводах 3, 10, 9, 2) DD3 (соответственно). Далее, с выходов «Y» (с выводов 3, 10, 9, 2) DD3 сигналы поступают на затворы токовых ключей VT4, VT3, VT2, VT1 (соответственно).

Максимально возможное количество сочетаний светящихся и не светящихся светодиодов для четырёх двоичных разрядов составляет шестнадцать (двоичный код 00002 … 11112). Поэтому (и за счёт разных рабочих частот четырёх нерегулируемых генераторов) получается весьма произвольный алгоритм изменения цветовой картины. Другими словами, двоичные коды 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111 устанавливаются на выходах DD2 в псевдослучайной последовательности. Таким образом, в ЭЦУ3 после включения питания наблюдаются 16 ярко выраженных сочетаний включения светодиодов 4 цветов.
Токовые ключи VT1 … VT4 работают одинаково, поэтому подробнее рассмотрим только работу токового ключа VT1 с его стоковой нагрузкой, состоящей из красных светодиодов HL1-HL2-HL3 и их токоограничительных резисторов R1-R6-R7.

В моменты, когда на затворе VT1 установлена лог.1 транзистор VT1 открыт, сопротивление канала исток – сток резко (до долей Ома) уменьшено, к красным светодиодам HL1-HL2-HL3 с их токоограничительными резисторами R1-R6-R7 прикладывается практически всё напряжение GB1. Светодиоды HL1-HL2-HL3 ярко светятся. Яркость свечения определяется величиной тока через резисторы R1-R6-R7.
В моменты, когда на затворе VT1 установлен лог.0, транзистор VT1 закрыт, сопротивление канала исток – сток стремится к бесконечности, цепи HL1-R1, HL2-R6, HL3-R7 обесточены и светодиоды не светятся.

Сердцем таймера (DD1.6-C9-R20) является логический элемент DD1.6. Резистор R20 охватывает выход и вход DD1.6, положительной обратной связью, которая приводит к возникновению генерации. Времязадающей цепью генератора являются элементы C9-R20.
Длительность выходных импульсов генератора приближённо можно рассчитать по формуле:

где R - сопротивление резистора R20 в мегомах, C - ёмкость конденсатора С9 в микрофарадах, а t - период следования - в секундах. Потребляемый ЭЦУ3 ток в основном зависит от количества одновременно светящихся светодиодов и может изменяться ступенчато: 0, 60, 120, 180, 240 мА. ЭЦУ3 работоспособен при U пит. от + 3,1 до + 6 Вольт.
Рабочее напряжение зелёных и синих светодиодов равно 3 Вольта и при уменьшении U пит. ниже этого порога наблюдается резкое снижения яркости их свечения. Максимально допустимое рабочее напряжение ИМС DD1 = + 6 Вольт. При U пит. = + 6 Вольт следует увеличить сопротивления ограничительных резисторов R1, R6, R7; R8, R9, R11; R13, R14, R19; R21, R22, R27.




Собранный без ошибок и из исправных деталей ЭЦУ3 работоспособен при первом включении. Однако если ЭЦУ3 не работает согласно принципу, описанному выше, проверку устройства выполняют в рекомендованной последовательности.
1) Устанавливают тумблер SA1 «Режим» в положение II и проверяют работу таймера (DD1.6-C9-R20). Его выходные импульсы контролируют осциллографом или мультиметром на выходе (выводе 12) DD1.6. Период следования импульсов составляет 70 секунд. Примечание: Длительность первого импульса генератора может быть до 20 … 50 % больше остальных.
2). Проверяют работу генераторов прямоугольных импульсов частотой 10, 20, 40 и 80 Гц. На их выходах должны быть прямоугольные импульсы с уровнем близким (до 90 … 98%) к + U и.п. и частотой, указанной на рис.1.
3). Устанавливают SA1 «Режим» в положение III и убеждаются в импульсном режиме работы светодиодов.
4). Устанавливают SA1 «Режим» в положение II и убеждаются в «удлинённом» режиме работы светодиодов.
5). Устанавливают SA1 «Режим» в положение I «Автомат» и убеждаются в поочерёдной автоматической смене режимов II и III (каждые 35 секунд). Выдержку можно сделать больше увеличением сопротивления резистора R20* или ёмкости С9 (проверено до 220 мкФ).
Чрезмерную яркость свечения (а суперъяркие светодиоды в полной темноте при номинальном рабочем токе буквально ослепляют человека) можно уменьшить подбором сопротивлений резисторов R1, R6, R7; R8, R9, R11; R13, R14, R19; R21, R22, R27.
6). Изменять рабочий ток светодиодов HL1 … HL12 (например, при использовании других типов светодиодов) удобнее в «лабораторных» условиях: до установки пар «светодиод - резистор» на печатную плату. Для указанных на рисунке 1 типов светодиодов HL1 … HL12 номинальный рабочий ток составляет 20 мА, а максимальный - 25 мА.
Так как все стоковые нагрузки транзисторов VT1 … VT4 собраны по одинаковым схемам, подробнее рассмотрим лишь уточнение рабочего режима светодиода HL1 резистором R1. Измерительный прибор, для контроля рабочего тока (миллиамперметр), включают, например, в разрыв между катодом HL1 и верхним (по схеме - рис.1) выводом резистора R1. «Плюс» прибора подключают к катоду HL1. Все перепайки выполняются при обесточенной схеме, поэтому, сначала отключают питание ЭЦУ3. Затем выпаивают резистор R1, а вместо него в схему впаивают последовательно соединённые: постоянный (с номиналом на 30 … 60% меньшим) и подстроечный с номиналом 220 … 470 Ом. Затвор VT1 временно отсоединяют от выхода «Y» (вывода 2) DD3.1 и припаивают (можно без токоограничительного резистора) к выводу 14 DD3 (к шине «+4,8 В» питания ЭЦУ3). Включают питание тумблером SA2 «Вкл» и вращением движка подстроечного резистора устанавливают необходимую яркость свечения (или требуемый рабочий ток) HL1. Затем снова выключают питание ЭЦУ3, выпаивают оба резистора и измеряют их суммарное сопротивление тестером в режиме Rx (измерения сопротивления). Резистор берётся ближайшего большего (стандартного 5 … 20 % ряда) номинала и впаивается на место R1. Затвор VT1 припаивается на прежнее место.
Для справки: Напряжение открывания КП505А, измеренное на затворе относительно истока, составляет +1,6 … +1,8 Вольта, а у КП504А =+0,6В.
7). Диапазон регулировки скорости можно увеличить до 30 Герц уменьшив сопротивление R10* с 430 кОм до 43 кОм. Яркость свечения светодиодов HL1… HL12 можно несколько (до 25 мА) увеличить, уменьшив сопротивления их токоограничительных резисторов.
Если у Вас есть желание посмотреть на поделку при демонстрации её внешнего вида в режиме «I», то откройте видео «ETsU3_1R» (20746 кБ):

.
В ЭЦУ3 применены резисторы типа С2-33, МЛТ с мощностью рассеивания 0,125 Ватта. Потенциометр RP1 - СП4-1 или подобный малогабаритный («Впритык» установится СП-0,4). Конденсатор С8 оксидный типа К50-35; С9 - оксидный с малым током утечки фирм «Jamicon» или «Maron». Остальные конденсаторы керамические типа КМ, К10-17 или зарубежного производства. Микросхема DD1 M74HC14B1 может быть заменена 74HC14 или 74HCT14. ИМС DD2 К561ИЕ11 имеет зарубежный аналог MC14516AP. ИМС DD3 К561КТ3 имеет зарубежный аналог CD4066A. Светодиоды HL1 … HL12 - любые суперъяркие диаметром 5 мм. Красные светодиоды HL1 … HL3 ARL2-5113URC в крайнем случае можно заменить, например TLCR5100; жёлтые HL4 … HL6 DFL-5013UYC – жёлтыми ARL-5213UYC; зелёные HL7 … HL9 ARL-5213PGC зелёными OSBG5111A – VW (18 cd, 20 мА); синие HL9 … HL12 ARL2-5213UBC - например, синими FIL-5013UBC. Можно, также, применить малогабаритные светодиоды таких же или других цветов: жёлтые 13Y20C-B (d = 3 мм, 20 мА); красные 13R20C-B (d = 3 мм, 20 мА); синие 13В20С-А (d = 3 мм., 20 мА, 3,0 … 3,6 В, 2 … 3 кд), оранжевые 13А20С-В (d = 3 мм., 20 мА, 1,9 … 2,2 В, 3 … 4 кд), белые 13W25С-B (d = 3 мм., 20 мА). Полевые транзисторы VT1 … VT4 КП505А (R СИ = 0,3 Ом) можно заменить другими. Важно только, чтобы сопротивление сток-исток открытого канала этих транзисторов было как можно меньше. Подойдут, например, КП505Г, BS170 с R СИ = 1,2 Ома (разные цоколёвки!), или мощные IRF540, у которых сопротивление открытого канала не превышает 0,077 Ома.

Батарея GB1 – 4 аккумулятора типоразмера АА или AAA-size. Тумблер SA1 - MTS103, SMTS103. Тумблер SA2 - MTS102, SMTS102 или любой другой малогабаритный («Впритык» в корпусе поместится тумблер МТ1).

Тумблеры типа MTS-102, SMTS-102, MTS103, SMTS103 в отличие от МТ1 требуют аккуратной пайки (боятся перегрева). Пайка их выводов с теплоотводом затруднительна из-за малых размеров контактов. Поэтому первоначально их выводы зачищаются и аккуратно (без перегрева) облуживаются. После остывания контактов (и полного отвердевания пластмассы вокруг контактов) производят подпайку соединительных проводников. Дополнительно для тумблеров с третьим «нейтральным» положением (MTS103, SMTS103) рекомендуется перед лужением и пайкой контактов тумблер установить именно в нейтральное положение.

Пайку радиоэлектронных компонентов следует вести заземлённым жалом паяльника. Обойтись без заземления можно, применив для ИМС и транзисторов специальные розетки (сокеты), и установив в них «полевые структуры» по окончании пайки остальных деталей.



Печатная плата ЭЦУ3 выполнена из односторонне фольгированного стеклотекстолита размерами 80 х 51 х 2 мм (см. рисунки 2 и 3). Диаметр отверстий на печатной плате под выводы микросхем - 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. До установки деталей в плату следует впаять 9 проволочных перемычек, причём, со стороны печати.



Для распечатки фальшпанелей (рисунки 4 А, Б, В, Г, Д) к крышке мыльницы с размерами 100 х 60 х 20 мм., рисунки фальшпанелей вставлены в файл ETsU3_4work. (Масштаб = 1:1). Распечатанную фальшпанель ЭЦУ3 вырезают по внешней стороне синей линии. Чёрная рамка показывает габаритные размеры верхней крышки мыльницы размером 100 х 60 мм. Вырезанный (1 из 5) рисунок фальшпанели приклеивается клеем ПВА к зачищенной мелкой шкуркой передней стенке корпуса (к крышке мыльницы).
После сушки под прессом (с прокладкой из впитывающей влагу бумаги) в течение 24 часов, рисунок защищается широкой полоской прозрачного скотча.

Плата ЭЦУ3 устанавливается в прямоугольном пластмассовом корпусе подходящих размеров (например, в мыльнице с наружными размерами 100 х 60 х 35 мм.). В местах установки винтов на верхней крышке мыльницы штангенциркулем размечаются и дрелью сверлятся отверстия. В отверстия вставляются 4 винта М3 х 20 мм с полукруглыми (желательно никелированными или хромированными) головками, на которые с внутренней стороны крышки (через полые стойки - цилиндры длиной 12 … 14 мм.) устанавливается печатная плата. С обратной стороны платы на винты надеваются простые и пружинные шайбы, а затем накручиваются гайки. Для улучшения светопередачи, головки светодиодов HL1 … HL12 должны выступать над поверхностью фальшпанели на расстояние 5…6 мм. Применение солонки - рассеивательницы, потребует отверстия (в передней панели корпуса) диаметром 41 мм. При этом заметно возрастёт качество светопередачи.
Элементы батареи GB1 устанавливаются в специальных отсеках - держателях за стеклотекстолитовой перегородкой вдоль задней стенки корпуса.







Уважаемые читатели, получить дополнительную информацию по статье - прочитать, как можно изменить схему ЭЦУ3 Вы сможете, если разгадаете ребусы (см. рисунки 5 и 6).










.

.

Разгадав загадки, ответ следует ввести в строку «Пароль» файла «ETsU3_4work». Тогда вы сможете получить полный комплект схем для изготовления ЭЦУ3, четыре варианта рисунка фальшпанели (в масштабе = 1:1), и в качестве бонуса готовый к термопереносу (также в масштабе = 1:1) отражённый рисунок трассировки печатной платы. Также Вы с можете прочитать полные ответы к ребусам №1 и №2. Архив файла «ETsU3_4work» можно скачать здесь:

.




В случае применения 4 светодиодов, на передней стенке корпуса ЭЦУ3 сверлятся только 4 центральных отверстия диаметром 5 мм.
В случае применения 8 светодиодов, сверлятся все восемь отверстий (по окружности) диаметром 5 мм. – точно так, как и показано на фото (рисунок 7).
В случае применения 12 светодиодов, сверлятся все 12 отверстий диаметром 5 мм. (К просверленным восьми добавляются 4 центральных).