Аннотация. Автомат предназначен для подсветки небольших площадей, где обычно отсутствует искусственное освещение. Устройство можно использовать в качестве маячка для обозначения в темноте препятствий. При появлении звукового сигнала автомат зажигает четыре сверхъярких светодиода по определённому алгоритму на заданное время. Для питания светодиодов с относительно большим напряжением включения от двух элементов с общим напряжением 3 В устройство дополнено повышающим драйвером.
Общие сведения. В качестве светоизлучающих элементов в составе источников освещения в последнее время всё чаще применяют сверхъяркие светодиоды. В отличие от ламп накаливания, светодиоды обладают большей экономичностью, надёжностью и долговечностью. Но если низкое напряжение включения, порядка 1,8 В, характерно для светодиодов красного и жёлтого цвета свечения, то для зелёных и синих это напряжение составляет порядка 2,8 В. В то время как для питания красных и жёлтых светодиодов можно ограничиться напряжением источника 3 В, то для зелёных и синих этого оказывается явно недостаточно, учитывая падение напряжения на коммутирующих элементах. Тем не менее, существуют схемотехнические решения, позволяющие обеспечить достаточное напряжение питания для зелёных и синих светодиодов от низковольтного источника. Самый простой способ — включить в состав устройства повышающий драйвер, удваивающий напряжение источника питания. В таком случае, напряжение питания 6 В оказывается достаточным для питания любых светодиодов.
Схема электрическая принципиальная. Схема автомата показана на рис.1 . В состав устройства входят: фотодатчик VD 1, усилитель переменного напряжения на транзисторах VT 1, VT 2, одновибратор на элементах DD 1.2, DD 1.3, C 9, R 11, задающий ВЧ-генератор на элементах DD 1.4, C 10, R 13, мощный ключевой транзистор VT 3, собственно, повышающий драйвер на ИМС DD 2, DD 3, а также схема управления DD 4… DD 7 сверхъяркими светодиодами HL 1… HL 4. Фотодатчик VD 1 введён для повышения экономичности устройства и увеличения ресурса службы элементов питания GB 1, GB 2 при наличии внешнего освещения, когда в дополнительной подсветке нет необходимости.
Сразу же при включении устройства на нижнем по схеме входе элемента DD 1.2 (вывод 5), благодаря интегрирующей цепочке, образованной элементами R 8- C 8- R 10, формируется короткий отрицательный импульс, а на выходе DD 1.2 —положительный перепад напряжения. Поскольку конденсатор C 9 разряжен в начальный момент времени, напряжение с его нижней по схеме обкладки поступает на вход элемента DD 1.3 и, после инвертирования последним, поступает на верхний по схеме вход элемента DD 1.2, замыкая петлю обратной связи. Начинается отсчёт времени выдержки, в течение которого работает задающий ВЧ-генератор DD 1.4- C 4- R 13, управляющий работой повышающего драйвера. Уровень лог.0 с выхода DD 1.3 открывает транзистор VT 3, через который поступает питание на ИМС драйвера. Одновременно на входы буферных формирователей DD 2, DD 3 через развязывающие конденсаторы C 11 и C 14 поступают прямоугольные импульсы с выхода DD 1.4 с частотой около 60 кГц.
Повышающий драйвер запускается на время, определяемое параметрами времязадающей цепочки C 9- R 11, которое может составлять от единиц до десятков секунд, в зависимости от положения движка подстроечного резистора.
Работу драйвера проще понять, если представить себе схему выходных каскадов буферных формирователей DD 2 и DD 3. Каждый из буферных формирователей состоит из восьми одинаковых секций, представляющих из себя два последовательно включенных инвертора. Первый из них — маломощный, а второй — гораздо мощнее и состоит из P и N канальных транзисторов относительно большого размера. Поскольку оба буферных формирователя работают без инверсии, то их выходные уровни повторяют входные. Теперь допустим, что в какой-то момент времени напряжение на выходе генератора DD 1.4 принимает значение лог.0. Такой же потенциал через развязывающие конденсаторы C 11 и C 14 поступает на входы обоих буферных формирователей DD 2 и DD 3. При этом оказываются открытыми N -канальные транзисторы выходных инверторов, поэтому верхняя по схеме обкладка «летающего» конденсатора C 13 оказывается соединённой с общим проводом конструкции (минусом источника питания) через открытые N -канальные транзисторы DD 2, а нижняя обкладка — через открытые N -канальные транзисторы, теперь уже, DD 3 — оказывается соединённой через вывод 10 с коллектором транзистора VT 3, на котором присутствует напряжение, практически равное напряжению источника питания, конечно, с учётом падения напряжения на самом транзисторе VT 3. Таким образом, «летающий» конденсатор C 13 оказывается заряженным практически до напряжения источника питания.
Далее напряжение на выходе ВЧ-генератора сменяется уровнем лог.1. Поступая через развязывающие конденсаторы C 11 и C 14 на входы буферных формирователей, этот уровень приводит к закрыванию N -канальных транзисторов выходных каскадов, но открыванию P -канальных. Теперь верхняя по схеме обкладка конденсатора C 13 оказывается соединённой с коллектором транзистора VT 3, т.е. последовательно с источником питания, а нижняя по схеме обкладка конденсатора C 13 оказывается соединённой через открытые P -канальные транзисторы DD 3 с блокирующим конденсатором C 15, на котором и формируется выходное удвоенное напряжение драйвера. Как отмечено выше, данный процесс повторяется с частотой 60 кГц, поэтому заряда «летающего» конденсатора даже небольшой ёмкости вполне достаточно для питания четырёх светодиодов.
При появлении напряжения на выходе драйвера, схема управления светодиодами, благодаря цепочке C 16- R 15 и элементу DD 4.3, устанавливается в исходное состояние. Алгоритм зажигания светодиодов поясняет временная диаграмма на рис.2 . Из неё видно, что после трёх вспышек красного светодиода происходит его фиксация во включенном состоянии, затем, то же самое происходит с желтым, зелёным и синим светодиодами. Длительность свечения линейки светодиодов определяется постоянной времени одновибратора, и, как отмечено выше, может составлять несколько десятков секунд.
Работает схема управления светодиодами следующим образом. При появлении питающего напряжения на выходе драйвера, на выходе элемента DD 4.3 формируется короткий положительный, а на коллекторе VT 4 — короткий отрицательный импульсы. В начальный момент времени счетчики DD 5.1 и DD 5.2 находятся в нулевом состоянии, поэтому на выходе элемента DD 4.4 формируется уровень лог.1, который запрещает дешифрацию состояний счётчика DD 5.2, выходные логические уровни которого поступают на адресные входы «1» и «2» дешифратора DD 6. Таким образом, на всех его выходах формируются уровни лог.1, что соответствует начальному состоянию устройства. Поскольку на коллекторе транзистора VT 4 был сформирован короткий отрицательный импульс, все RS -триггеры DD 7 были установлены в единичное состояние, поэтому все светодиоды погашены. При переходе счетчика DD 5.1 из нулевого в первое состояние, уровнем логического нуля с выхода элемента DD 4.4 разрешается дешифрация состояний DD 6 и на его выходе «0» (вывод 15) появляется уровень лог.0. Этот уровень перебрасывает первый (верхний по схеме) RS -триггер, входящий в состав ИМС DD 7, в нулевое состояние, и, одновременно, поступает на анод светодиода HL 1. Но зажигания светодиода в этот момент времени еще не происходит, поскольку разность потенциалов на его выводах равна нулю. При достижении счетчиком DD 5.1 четвертого состояния, дешифрация состояний DD 6 будет вновь запрещена, и на его выходе «0» (вывод 15) сформируется уровень лог.1. Поскольку на выходе «1 Q » (вывод 4) первого, по схеме, RS -триггера DD 7 был сформирован уровень лог.0, это приведёт к зажиганию светодиода HL 1. Далее последуют три вспышки, со скважностью равной четырем, согласно временной диаграмме на рис 2 . В данном случае, отрицательные импульсы на выходе «0» (вывод 15) дешифратора DD 6 приводят именно к погасанию светодиода HL 1, поэтому при переходе счетчика DD 5.2 из нулевого в первое состояние, на указанном выходе «0» (вывод 15) дешифратора DD 6 формируется постоянный (фиксированный) уровень лог.1, и светодиод HL 1 остается во включенном состоянии.
Каждый последующий счётный импульс с выхода генератора DD 4.1- DD 4.2 приводит к увеличению состояний счетчика DD 5.1 а, вслед за ним, и DD 5.2. При этом происходят трёхкратные последовательные вспышки светодиодов HL 2… HL 4 с последующей фиксацией каждого из них во включенном состоянии. При достижении счетчиком DD 5.2 четвертого состояния, на его выходе «4» (вывод 9) формируется положительный перепад (уровень лог.1), который блокирует работу генератора. Светодиоды остаются во включенном состоянии до момента завершения выходного импульса одновибратора и выключения драйвера.
После завершения описанного выше процесса, устройство переходит в режим ожидания, и дальнейшая его работа определяется состоянием фотодатчика. При высоком уровне освещённости, сопротивление перехода фотодиода мало, поэтому на входе элемента DD 1.1 присутствует уровень лог.1, соответственно, на его выходе — уровень лог.0. Конденсатор С1 разряжен, микрофон обесточен и усилитель деактивирован. При затемнении фотодиода VD 1, выходной уровень элемента DD 1.1 сменяется на лог.1, конденсатор C 1 заряжается практически до напряжения источника питания и усилитель переходит в активный режим. При этом ток потребления устройством возрастает на величину тока смещения микрофона, необходимого для его нормальной работы.
Громкий хлопок, свист, разговор вызывают появление на выходе микрофона переменного напряжения амплитудой несколько милливольт, которое усиливается до необходимого уровня двухкаскадным усилителем на транзисторах VT 1, VT 2. Чувствительность усилителя можно изменять подстроечным резистором R 6. Коллекторные токи транзисторов VT 1, VT 2 задаются резисторами R 5 и R 8 соответственно, а режимы по постоянному току — резисторами R 4 и R 7 в базовых цепях указанных транзисторов. Для развязки цепей по постоянному току служат конденсаторы C 4… C 6 и C 8.
Необходимое начальное входное напряжение одновибратора по входу элемента DD 1.2 задаётся делителем R 9- R 10. Это напряжение превышает пороговое напряжение элемента и соответствует уровню лог.1. При появлении звукового сигнала, усиленное переменное напряжение с коллектора транзистора VT 2 через разделительный конденсатор C 8 поступает на вход элемента DD 1.2, который, благодаря своим триггерным свойствам и гистерезисной входной характеристике, преобразует синусоидальное напряжение в прямоугольные импульсы. Как отмечено выше, уровень лог.1 с выхода DD 1.2 запускает ВЧ-генератор прямоугольных импульсов, а уровень лог.0 с выхода DD 1.3 открывает мощный ключевой транзистор VT 3. Повышающий драйвер запускается и формирует на выходе питающее напряжение для работы светодиодной схемы.
Конструкция и детали. Автомат собран на печатной плате (рис. 3 ) размерами 150 x 50 мм из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.
В устройстве применены резисторы типа МЛТ-0,125, конденсаторы постоянные керамические типа К10-17 и электролитические типа К50-35; подстроечные резисторы — типа СП3-38б в горизонтальном исполнении, фотодиод типа ФД263; транзисторы VT 1, VT 2, VT 4 могут быть типа КТ3102ЕМ или импортные типа BC 557, а VT 4 — также из серий КТ315, КТ503 и других маломощных структуры n - p - n ; мощный транзистор VT 3 — из серии КТ973; светодиоды HL 1… HL 4 — красного, жёлтого, зелёного и синего цветов, соответственно, диаметром 5 мм. Возможно применение белых сверхъярких светодиодов. Все КМОП микросхемы серии КР1564 (74 HCxx ) заменимы на соответствующие аналоги серии КР1554 (74 ACxx ).
Налаживание автомата сводится к установке необходимой чувствительности микрофонного усилителя подстроечным резистором R 6, скорости зажигания светодиодов — резистором R 18, и длительности их свечения — резистором R 11. Для питания используются элементы типоразмера AA ( LR 03), но можно использовать также аккумуляторы с меньшим начальным напряжением 1,2В. Благодаря применению повышающего драйвера, пониженного напряжения аккумуляторной батареи оказывается вполне достаточно для свечения светодиодов.