Скоро наступит Новый год! Это один из любимейших праздников и детей, и взрослых. В новогодних торжествах тоже очень много физики и на проекте мы регулярно рассматриваем какие-то интересные новогодние штуки. В этот раз мы изучим, как электрическая гирлянда управляется микросхемой.
Для начала нужно понять, как работает сама микросхема. Но, обо всём по порядку! Не так важно сейчас понять, как устроена сама схема, как важно разобраться каким образом простые электрические детали можно объединить в функциональную цепь.
Коротко про устройство гирлянды
Электрическая гирлянда - это лампочки или светодиоды. Лампочки, которые соединены обычно последовательно. Чем отличается последовательное и параллельное соединение проводников мы помним и разбирали это тут. Чаще всего каскады (или группы лампочек) соединяются сначала последовательно, а потом несколько участков с последовательным соединение соединяются ещё и параллельно параллельно. Вариантов организации схем довольно много, но не будем сейчас останавливаться именно на этом.
В прошлом году мы разобрались, как сделать простейшую гирлянду своими руками и выяснили, что моргать её может заставить "моргающая лампочка".
Это устройство, которое представляет из себя электрический ключ и включается или выключается в результате изменения своих линейных размеров из-за нагрева/охлаждения при протекании электрического тока. Такой способ самый простой и сделать сложные схемы свечения с помощью одной только моргающей лампочки не получится. Поэтому, на практике используют гирлянды с микросхемами.
Микросхема спрятана в маленькую коробочку с кнопочкой. Нажимаем кнопочку и меняется режим свечения. Вот только что происходит на физическом уровне?
Что такое микросхема
При нажатии в блоке управления формируется сигнал, который обрабатывается микросхемой. Но всё это темный лес.
Микросхема - это более распространённое название интегральной схемы. Такие детальки легко узнать. Они выполнены или в виде параллелепипеда с ножками, или представлены простой черной кляксой на плате. Интегральной эта схема называется потому, что объединяет сразу множество полупроводниковых деталей.
Туда могут входить резисторы, диоды и, конечно же, транзисторы. Микросхема может быть ориентирована сразу на выполнение определенной логической функции или же являться полуфабрикатом в другой более сложной цепи.
Современные микросхемы довольно сложные и об их устройстве мы поговорим как-нибудь в другой раз. Сейчас нам для понимания достаточно разобраться с самыми первыми конструкциями микросхем.
У микросхемы есть ножки. Это выводы деталей внутренней схемы или участков цепи этой схемы. Именно их мы будем использовать для организации мерцания гирлянды.
Как можно так уменьшить детали?
Сразу возникает вопрос, каким образом удаётся уменьшать детали без потери функциональности.
Ведь представим себе транзистор классического типа или диод. Это физическое устройство, размером примерно с 1 см. Он один с интегральную схему, а тут такого размера целая сборка!
Оказалось, что для достижения требуемого эффекта и решения практической задачи можно не городить целый огород, а использовать всего лишь один кристаллик с нужными свойствами.
Так, не обязательно иметь целый диод с кучей переходов p-n типа, чтобы пропускать электрический ток в одном направлении. Достаточно реализовать один переход на одном кристаллике. Подход позволяет уменьшить размер радиодетали и изготовить её даже без корпуса. Но это более современный взгляд на проблему, а изначально микросхемы собирались из значительно уменьшенных стандартных деталей.
Что микросхема может сделать в гирлянде?
Поскольку микросхема - это интегральная сборка стандартной схемы, то на её основе можно собрать абсолютно любую картинку свечения с самыми разными параметрами. В виду того, что современная электроника стоит недорого, в блок управления гирляндой можно установить хоть микропроцессор. Его можно запрограммировать на любые режимы моргания и проще управлять им с помощью кнопки.
Но нам интересен самый простой вариант! Мы ведь ещё и с ним не разобрались, а уже лезем в микропроцессоры. Например, для простой организации моргания поможет схема с так называемым мультивибратором.
Заметьте, что и микропроцессоры организованы подобным образом. Только там уже целые логические цепочки, собранные из "физических логических" участков. Поэтому, наши изыскания по гирляндам - шаг к пониманию устройства процессора вашего компьютера.
В схеме есть два транзистора, четыре резистора и два конденсатора. Вот смотришь на неё и не понимаешь как вообще на уровне физики всё это в одной связке может хоть чем-то управлять и взаимодействовать!
Предлагаю не вникать в логику самой схемы и не расписывать все шаги поэтапно, а остановиться на том, что сначала понять принцип взаимодействия всех этих деталей в одной группе.
При запуске будут происходить очень интересные процессы, которые следуют из физического принципа работы каждой детали. Поэтому, прежде, чем вникать в понимание сборок схем, нужно разобраться как работает каждая деталь.
В нашем мультивибраторе моргания удастся достичь благодаря тому, что конденсаторы будут то разряжаться, то заряжаться. Если мы заменим R1 и R4 полезной нагрузкой, получим гирлянду. Но что заставляет конденсаторы разряжаться и заряжаться по очереди? Это транзисторы!
Напомню логику работы транзистора. Коротко - это штука, которая или пропускает электрический ток, или не пропускает его. Пропускание и непропускание управляются подачей напряжения на управляющий контакт транзистора. В итоге говорят, что транзистор или открыт, или закрыт.
Подали мы напряжение на такую сборку. Он пошел в поход и пришёл к конденсаторам C1 и C2. Пока они не успели зарядиться, сопротивление у них низкое и, вроде как, поток должен равномерно распределяться по ним. Но они завязаны в схему с транзисторами.
Одинаковых транзисторов в природе не существует, как и не существует ничего одинакового вообще, поэтому один из транзисторов откроется быстрее, чем другой. Цепь с этим транзистором и продолжит заряжать "свой" конденсатор. Когда конденсатор зарядится его сопротивление вырастет, току уже будет невыгодно пробиваться там и он направится в обход, а заодно откроет второй транзистор и закроет первый. Процесс зеркально повторится.
Получилась нехитрая схема, в которой с некоторым интервалом времени меняется направление тока на участках цепи, что закрывает транзисторы, а заодно и ток появляется то в одном каскаде гирлянды, то в другом. Это можно использовать для моргания! Остается только поставить регулятор яркости и получится вполне приличная гирлянда!
Так можно решить вопрос моргания, не прибегая к помощи моргающей лампочки. Теперь убираем обозначенную группу управления в корпус и получаем микросхему или интегральную схему.
На соответствующие ножки этой сборки подаём нужное напряжение. На ножки с "сигналом" вешаем нагрузку в виде каскада лампочек и выходит гирлянда с блоком управления! Так гирлянда может управляться самой простой микросхемой. Всё это убирается ещё в одну коробочку и получается блок управления.
Для достижения эффекта мы использовали свойство транзистора пропускать или не пропускать электрический ток. Но поскольку нам нужно было как-то принудительно открывать и закрывать транзистор, а мы не хотели бы управлять им как выключателем, была использована хитрая особенность конденсаторов менять сопротивления в случае их зарядки/разрядки. Так получился практически автоматический выключатель для транзистора с периодом работы, равным периоду разрядки конденсатора. Дальше особая уличная магия позволила поочередно заряжать конденсаторы.
Конечно же, для новичка было бы очень полезно разобрать всю схему этого устройства. Но мы сделаем это как-нибудь в другой раз, а пока сконцентрируемся на физике работы деталей.
П.с. Современные гирлянды довольно опасны, поэтому без присмотра оставлять работающими не советую.
------------
Обязательно оцените статью лайком, напишите комментарий и подпишитесь на проект! Это очень важно для развития канала.
-------------
Советую также прочитать на нашем канале:
-----
