Аннотация
В статье представлены два устройства, включающие по звуковой команде на заданное время по определённому алгоритму линейку из нескольких светодиодов. Первый вариант, благодаря использованию повышающего драйвера, оптимизирован для работы от одного элемента с напряжением питания 1,5 В, а во втором варианте реализован эстетический светодинамический эффект зажигания светодиодов.
Общие сведения
Доступные в настоящее время на рынке электронных компонентов интегральные повышающие преобразователи напряжения (конвертеры) позволяют разработать автомат ночной подсветки с питанием всего от одного гальванического элемента с номинальным напряжением 1,5 В. Такой драйвер сохраняет работоспособность при снижении напряжения источника питания вплоть до 0,7 В, что позволяет максимально использовать его рабочий энергоресурс. Кроме того, применение всего одного элемента питания позволяет максимально увеличить продолжительность работы, в отличие от батареи, состоящей из нескольких элементов питания. Во втором случае, при последовательном соединении нескольких элементов, время работы батареи может значительно сокращаться, потому что при разряде элементов их внутреннее сопротивление возрастает в различной степени, а значит и разряд элементов происходит неодинаково. Это может приводить к значительному сокращению срока службы батареи, состоящей из нескольких элементов питания.
Два варианта устройств, рассмотренные в данной статье, предназначены для использования в качестве автоматов ночной подсветки. В отличие от других устройств, представленных в литературе и Интернет, предлагаемые устройства отличаются высокой экономичностью, благодаря использованию цифровых ИМС КМОП структуры, а также повышающего драйвера, потребляющего в режиме ожидания ток в десятки микроампер. Если в случае устройств с сетевым питанием, высокая экономичность не имеет принципиального значения, то для автоматов с батарейным питанием она имеет первостепенную важность. Продолжительность непрерывной работы обоих вариантов устройств от одного комплекта батарей составляет более месяца.
Схемы электрические принципиальные
Первый вариант устройства обеспечивает зажигание линейки из пяти светодиодов по звуковой команде на время от 1 до 15 сек. Это время ограничено параметрами элементов в схеме одновибратора. Повторное зажигание светодиодов возможно лишь после завершения выдержки и подачи новой голосовой команды. Схема автомата представлена на рис. 1, а рисунок печатной платы — на рис. 2.
Устройство содержит фотодиодный усилитель на транзисторах VT1, VT2, микрофонный усилитель на транзисторах VT3, VT4, одновибратор на логических элементах DD1.2…DD1.4, повышающий драйвер DA1 и, собственно, линейку светодиодов HL1…HL5. Фотодиод VD1 введён в схему устройства для повышения его экономичности и увеличения ресурса службы элемента питания, чтобы исключить зажигание светодиодов в светлое время суток, когда в подсветке нет необходимости.
При далеенении фотодиода VD1 или в тёмное время суток, транзисторы VT1 и VT2 закрыты, поэтому на входе элемента DD1.1 поддерживается уровень лог.«0», а на его выходе — лог.«1». Микрофон M1 оказывается подключенным через резисторы R5 и R6 практически к напряжению источника питания. Звуковая команда (хлопок, свист, разговор) вызывает появление на выходе микрофона переменного напряжения амплитудой несколько милливольт, а далее, усиливаясь до уровня амплитудой 400…500 мВ, приводит к запуску одновибратора. В результате, на выходе элемента DD1.4 формируется уровень лог.«1» на время, определяемое положением движка подстроечного резистора R13. При этом повышающий преобразователь активируется и начинает вырабатывать выходное напряжение около 5В, которое подаётся на линейку светодиодов. По прошествии времени выдержки линейка гаснет и лишь после этого становится возможным повторный запуск одновибратора и повторное зажигание линейки светодиодов.
Схема электрическая второго варианта устройства представлена на рис. 3, а рисунок печатной платы — на рис. 4. В отличие от первого варианта, данный автомат не содержит повышающего драйвера, но обеспечивает эстетическое последовательное зажигание светодиодов по типу накопления «огня» при поступлении голосовой команды. Также время выдержки продлевается, по мере поступления новых звуковых команд, и лишь по прошествии заданной временной выдержки после завершения последней команды, линейка светодиодов последовательно выключается по принципу накопления «тени».
Как и в случае первого варианта устройства, второй вариант содержит функцию блокировки работы микрофонного усилителя в светлое время суток или при освещении фотодиода. Микрофонный усилитель DA1.1 и DA1.2 выполнен на микропотребляющих ОУ типа MAX419. Усилители собраны по классической неинвертирующей схеме с искусственной средней точкой питающего напряжения и особенностей не имеют. Подстройка чувствительности производится резистором R7. Для дополнительного повышения чувствительности в схему введён резистор R12, но необходимость в его подстройке может понадобиться лишь в крайнем случае, потому что сами ОУ и так обеспечивают достаточно высокий коэффициент усиления.
В тёмное время суток или при далеенении фотодиода VD1 и поступлении звуковой команды, на выходе ОУ DA1.2 формируется переменное напряжение амплитудой несколько Вольт, которое после выпрямления диодами (VD2 и VD3), интегрирования конденсатором С8, поступает на вход элемента DD1.2. При достижении порогового напряжения на конденсаторе C8, равного 0,7VDD, элементы DD1.2 и DD1.3 переключаются и через диод VD4 и резистор R17 быстро заряжают конденстатор С10. На выходе элемента DD1.4 устанавливается уровень лог.«0», который с каждым новым счётным импульсом задающего генератора на элементах DD1.5 и DD1.6 последовательно записывается во внутренние разряды регистра DD2. Это приводит к последовательному зажиганию линейки светодиодов по принципу накопления «огня».
По мере поступления новых звуковых команд, конденсатор С10 подзаряжается выходным током элемента DD1.3 и в собственные разряды регистра продолжают загружаться логические «нули». Линейка светодиодов продолжает светиться. По прошествии заданного временного интервала после завершения последней звуковой команды, напряжение на выходе элемента DD1.4 сменяется уровнем логической «1». Светодиоды линейки начинают последовательно выключатся по принципу накопления «тени». После полного выключения светодиодов, автомат переходит в режим ожидания, характеризующийся минимальным энергопотреблением. Заметим, что достигнуть этого удалось, благодаря использованию микропотребляющих ОУ и микросхем КМОП структуры. Теперь автомат готов к приёму новой звуковой команды.
Конструкция и детали
Первый и второй варианты автоматов собраны на печатных платах из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 30×130 мм (рис. 2) и 50×95 мм (рис. 4) соответственно. В устройствах применены постоянные резисторы типа МЛТ-0,125, подстроечные —типа СП3-38б в горизонтальном исполнении. Конденсаторы неполярные типа К10-17 и оксидные типа К50-35 или импортные. Микрофон использован типа CZN-15E (применяется в телефонии), фотодиод — ФД263. Транзисторы VT1, VT3 и VT4 (рис. 1) должны быть обязательно из серии КТ3102 с индексом «ЕМ» или импортные BC547C, VT2— КТ3107 с любым индексом или BC557, диоды — кремниевые маломощные из серий КД521, КД522, диод в схеме повышающего драйвера 1N5817 — обязательно Шоттки средней мощности. Все цифровые ИМС серии КР1564 заменимы на КР1554, а в первом варианте ИМС 74HC132N также заменима на 74LV132N или 74LVC132N. Два последние варианта даже более предпочтительны, потому что данные ИМС оптимизированы для работы при пониженном питающем напряжении. Замена для MAX756 — на MAX757, с учётом коррекции схемы включения, для ОУ MAX419 — MAX418 или другие микропотребляющие низковольтные с полевыми транзисторами на входах. Дроссель L1 выполнен на ферритовом кольце типоразмера К10х4х5 из µ-пермаллоя с проницаемостью порядка 50. Он содержит 40 витков провода ПЭВ-0,25, уложенных виток к витку. Такие дроссели широко используются во всевозможных импульсных блоках питания и на материнских платах компьютеров.
Автоматы требуют минимальной настройки, которая заключается в установке времени выдержки (R13 и R18 в первом и втором вариантах соответственно), а также чувствительности (R7 и R12) и скорости заполнения светодиодной линейки (R15) во втором варианте автомата.
Отзывы и вопросы по работе устройства читатели могут направлять на адрес электронной почты автора E-mail: A_Odinets@tut.by