В различных радиолюбительских и промышленных разработках широко используют генераторы звуковой частоты, выполненные на цифровых КМОП микросхемах и пьезоизлучателях. Простейший генератор - мультивибратор - можно выполнить всего на двух инверторах . Однако громкость звучания его во многих случаях недостаточна, особенно в конструкциях с автономным питанием. Увеличить громкость нетрудно использованием еще двух инверторов из состава той же микросхемы .
Однако в ряде случаев, из-за особенностей психологического восприятия, требуется прерывистый звуковой сигнал (будильники, охранные устройства и т. п.). Для этих целей устанавливают еще один генератор, настроенный, как правило, на частоту не более 2 Гц - он управляет уже имеющимся генератором.
Совсем не обязательно придерживаться подобного варианта. Гораздо проще прерывающий генератор заменить имеющимся в продаже так называемым мигающим светодиодом ("Flash"). И тогда устройство упростится (рис. 1).
На элементах DD1.1 и DD1.2 выполнен звуковой генератор, настроенный на частоту 1000...2000 Гц. Буферные элементы DD1.3, DD1.4 способствуют повышению громкости звучания пьезоизлучателя BQ1. Максимальной громкости добиваются подбором резистора R3. Мигающий светодиод HL1 периодически включает генератор и одновременно служит световым индикатором поступления на вход устройства управляющего сигнала (например, от датчика охранной сигнализации). Подбором резистора R2 устанавливают надежное включение генератора и приемлемую яркость светодиода. Если сигнала нет, светодиод погашен, генератор не работает.
В устройстве был использован малогабаритный (диаметром 3 мм) японский мигающий светодиод L-36BHD красного свечения, рассчитанный на питающее напряжение 5... 12 В. Частота его переключений - около 0,7 Гц, однако допустимо использовать двухцветный светодиод с частотой переключений около 1,5 Гц.
Интересен вариант звукового и светового сигнализаторов с тремя четко различимыми режимами. Для этого нужно подключить к основному устройству еще два транзисторных каскада (рис. 2).
В этом варианте на месте HL2 желательно установить одноцветный светодиод с частотой переключения 0,7 Гц, на месте HL3 - двухцветный красно-зеленый (почти как в милицейской "мигалке") с частотой переключения 1,5 Гц, на месте HL1 - обычный светодиод постоянного свечения. Тогда удастся получить интересный эффект: при поступлении сигнала на вход 2 пьезоизлучатель будет издавать редкие звуки, на вход 3 - более частые, на вход 1 - пьезоизлучатель зазвучит беспрерывно. Иначе говоря, тревожные сигналы звучат по нарастающей в зависимости от "ценности" охраняемого объекта. Остается лишь грамотно расположить датчики на объектах и защитить их от одновременного срабатывания.
И еще о двух примерах использования мигающих светодиодов. Во-первых, удастся значительно упростить различные сирены, например, описанную в . Отпадает необходимость в микросхеме DD1, резисторах R3-R5 и конденсаторе С1. Мигающий светодиод подключают анодом к базе транзистора VT2. а катодом - к общему проводу. Возможно, для более четкой работы устройства придется подобрать резистор R6.
В радиолюбительских и промышленных автосторожах нередко используют обычный светодиод, устанавливаемый в салоне автомобиля на видном месте и работающий в режиме периодического включения. Злоумышленник по проводке к такому индикатору быстро отыщет сторож и обезвредит его. При использовании же мигающего светодиода связь со сторожем отпадает, и его можно замаскировать более тщательно.
Литература:
Бирюков С. Генераторы и формирователи импульсов на микросхемах КМОП. - Радио. 1995. № 7. с. 36.37.
Виноградов Ю. Повышение громкости звучания пьезоизлучателя. - Радио. 1993. № 8. с. 39.
Виноградов Ю. Шифратор и дешифратор радиоканала автосторожа. - Радио. 1994. № 3. с. 30-32.
Виноградов Ю. Пьезосирена в охранной сигнализации. - Радио. 1998. № 5. с. 44.
| C этой схемой также часто просматривают: |
Устройство и параметры мигающих светодиодов
М игающий светодиод (МСД ) представляет собой светодиод со встроенным интегральным генератором импульсов с частотой вспышек 1,5 – 3 Гц. Многие, наверное, видели такие светодиоды на прилавках магазинов радиодеталей.
Есть мнение, что с практической точки зрения, мигающие светодиоды бесполезны и могут быть заменены более дешёвой альтернативой – обычными индикаторными светодиодами, которые стоят дешевле.
Возможно, такой взгляд на мигающие светодиоды имеет право на жизнь, но хотелось бы сказать несколько слов в защиту мигающего светодиода.
М игающий светодиод , по сути, представляет завершенное функциональное устройство, которое выполняет функцию световой сигнализации (привлечения внимания). Отметим то, что мигающий светодиод по размерам не отличается от рядовых индикаторных светодиодов.
Несмотря на компактность в мигающий светодиод входит полупроводниковый чип-генератора и некоторые дополнительные элементы. Если выполнить генератор импульсов на стандартных элементах с использованием обычного индикаторного светодиода, то конструктивно такое устройство имело бы куда большие размеры. Также стоит отметить то, что мигающий светодиод довольно универсален – напряжение питания такого светодиода может лежать в пределах от 3 до 14 вольт – для высоковольтных, и от 1,8 до 5 вольт для низковольтных экземпляров.
Перечислим отличительные качества мигающих светодиодов.
Малые размеры.
Компактное устройство световой сигнализации
Широкий диапазон питающего напряжения (вплоть до 14 вольт)
Различный цвет излучения. В некоторых вариантах мигающих светодиодов могут быть встроены несколько (обычно – 3) разноцветных светодиода с разной периодичностью вспышек.
Применение мигающих светодиодов оправдано в компактных устройствах, где предъявляются высокие требования к габаритам радиоэлементов и электропитанию – мигающие светодиоды очень экономичны, т.к электронная схема МСД
выполнена на МОП
структурах.
Мигающий светодиод может с лёгкостью заменить целый функциональный узел.
Условное графическое обозначение мигающего светодиода на принципиальных схемах ничем не отличается от обозначения обычного светодиода за исключением того, что линии стрелок – пунктирные и символизируют мигающие свойства светодиода.
Разберёмся подробнее в конструкции мигающего светодиода.
Если взглянуть сквозь прозрачный корпус мигающего светодиода, то можно заметить, что конструктивно он состоит из двух частей. На основании катодного (отрицательного вывода) размещён кристалл светоизлучающего диода.
Чип генератора размещён на основании анодного вывода.
Посредством трёх золотых проволочных перемычек соединяются все части данного комбинированного устройства.
Чип генератора состоит из высокочастотного задающего генератора – он работает постоянно - частота его по разным оценкам колеблется около 100 кГц
. Совместно с ВЧ-генератором работает делитель
на логических элементах, который делит высокую частоту до значения 1,5
– 3 Гц
.
Применение высокочастотного генератора совместно с делителем частоты связано с тем, что для реализации низкочастотного генератора требуется использование конденсатора с большой ёмкостью для времязадающей цепи.
В микроэлектронике для создания конденсатора ёмкостью несколько микрофарад потребовалось бы использование большей площади полупроводника для создания обкладок конденсатора , что с экономической стороны нецелесообразно.
Чтобы не расходовать площадь подложки полупроводника на создание конденсатора большой ёмкости инженеры пошли на хитрость. Высокочастотный генератор требует небольшой ёмкости конденсатора во времязадающей цепи, поэтому и площадь обкладок минимальна.
Для приведения высокой частоты до значения 1-3 Гц используются делители на логических элементах, которые легко разместить на небольшой площади полупроводникового кристалла.
Кроме задающего ВЧ-генератора и делителя на полупроводниковой подложке выполнен электронный ключ и защитный диод . У мигающих светодиодов, рассчитанных на напряжение питания 3-12 вольт, также встраивается ограничительный резистор . У низковольтных МСД ограничительный резистор отсутствует. Защитный диод необходим для предотвращения выхода из строя микросхемы при переполюсовке питания.
Для надёжной и долговременной работы высоковольтных МСД, напряжение питания желательно ограничить на уровне 9 вольт. При увеличении напряжения возрастает рассеиваемая мощность МСД, а, следовательно, и нагрев полупроводникового кристалла. Со временем чрезмерный нагрев может привести к быстрой деградации мигающего светодиода.
На примере мигающего светодиода L-816BID фирмы Kingbright рассмотрим основные параметры мигающих светодиодов.
Частота вспышек светодиода L-816BID непостоянна и изменяется в зависимости от напряжения питания .
Как видно из графика с увеличением питающего напряжения (forward voltage ) частота вспышек светодиода L-816BID уменьшается c 3 Гц (Hz) при напряжении питания 3,5 вольт, до 1,5 Гц при 14.
Зависимость прямого тока (forward current ), протекающего через светодиод L-816BID , от приложенного постоянного прямого напряжения (forward voltage ) показана на графике. Из графика видно, что максимальный потребляемый ток – 44 mA (0,044 A). Минимальный потребляемый ток составляет 8 mA.
Безопасно проверить исправность мигающего светодиода, например, при покупке, можно с помощью батарейки на 4,5 вольта и последовательно включенного совместно со светодиодом резистора сопротивлением 51 Ом, мощностью не менее 0,25 Вт.
Цоколёвка выводов мигающих светодиодов аналогична цоколёвке обычных светодиодов. Длинный вывод – анод (+), более короткий – катод (-).
Генераторы импульсов на мигающем светодиоде
В каталогах зарубежных фирм, производящих полупроводниковые приборы и торгующих ими, появились так называемые "Blinking LED Lamps" - светодиоды, на вид обычные, но при поднлючении к источнику постоянного напряжения вспыхивающие и гаснущие примерно два раза в секунду. Эти приборы нередко можно приобрести на радиорынках. В предлагаемой статье описаны несколько простых устройств, в которых "мигающий" све-тодиод служит генератором не только световых, но и электрических импульсов.
Прежде всего ответим на вопрос, почему такой светодиод мигает? Внутри него, как показано на схеме (рис. 1), кроме собственно светоизлучающей полупроводниковой структуры HL1, находятся генератор импульсов и электронный ключ. Иногда предусмотрен гасящий резистор R1, в других случаях его функции выполняет внутреннее сопротивление ключа. Диод VD1 защищает устройство от подачи питающего напряжения обратной полярности.
Кстати, именно этот диод бывает причиной выхода прибора из строя. Часто случается, что, проверяя светодиод, сравнительно мощную батарею напряжением 9 В подключают к нему, перепутав полярность. В результате ток силой в сотни миллиампер разогревает защитный диод до температуры, опасной не только для него самого, но и для других компонентов прибора. Поэтому при проверке светодиода последовательно с ним необходимо включить резистор сопротивлением 100...200 Ом. В процессе эксплуатации, когда приложенное к светодиоду напряжение имеет правильную полярность и находится в допустимых пределах, дополнительный резистор не нужен.
Наиболее распространены "мигающие" светодиоды серий V621, V622, V623 (фирмы Diverse); LTL 4213,LTL 4223, LTL 4233 (Lite On Opto); TLBG5410, TLBR5410, TLBY5410 (Temic Telefunken); L-36, L-56, L-616, L-796, L-816 (Kingbright Reinhold). По внешнему виду они напоминают обычный АЛ307БМ, имеют корпус диаметром 3...10 мм, угол обзора 40...1400, цвет свечения - красный, оранжевый, желтый или зеленый. Типичные их параметры следующие: рабочее напряжение - 3,5... 13 В, максимальный прямой ток - 60...70 мА, максимальная рассеиваемая мощность - 200 мВт, частота вспышек - 1,5...2,5 (иногда до 5 Гц), яркость - 1,3... 1000 мкд.
В светящемся состоянии свойства "мигающего" светодиода подобны обыкновенному. Экспериментально снятый начальный участок его вольт-амперной характеристики показан на рис. 2 (кривая 1). В интервалах между вспышками "светодиодная" цепь разорвана и при том же напряжении ток, протекающий через прибор, значительно меньше, так как его потребляет только внутренний генератор. Этому состоянию соответствует кривая 2.
Если последовательно с "мигающим" светодиодом включить резистор, падение напряжения на нем будет изменяться в такт со вспышками. С помошью осциллографа можно убедиться, что генерация продолжается даже при увеличении сопротивления резистора до значения, при котором вспышек света уже не видно. Проведенная на рис. 2 нагрузочная прямая (3) соответствует резистору сопротивлением 33 кОм и напряжению питания 5 В. Разность падений напряжения на резисторе во время вспышки и паузы AU превышает 2 В. Этого достаточно, например, для срабатывания логического элемента.
Устройства, схемы которых приведены на рис. 3 и 4, по аналогии с RC-генераторами можно было бы назвать RHL-генераторами. Типы светодиодов и логических элементов на схемах не указаны, так как были проверены и устойчиво работали самые разные их комбинации. Длительность высокого логического уровня на выходе - 280...320, низкого - 340...370 мс. Эти значения в небольших пределах зависят от сопрогивления резистора R1 и типа применяемого логического элемента. В устройстве по схеме на рис. 3 интервал возможных сопротивлений резистора R1 в килоомах при использовании микросхем указанных в скобках серий составляет 0,1... 1,8 (К155). 0,1...5,6 (К555). 0,15...30 (КР1533) или 0,15...91 (К561). При приближении сопротивления к одному из граничных значений полному срыву колебаний часто предшествует "дребезг" - генерация пачек коротких импульсов на фронтах основных. В генераторе по схеме рис. 4 могут работать только микросхемы структуры КМОП (серии К561 и подобные), а сопротивление R1 должно находиться в пределах 0,8...300 кОм.
На рис. 5 показана схема экономичного генератора пачек импульсов, содержащего всего один логический элемент - триггер Шмитта. Во время вспышки "мигающего" светодиода HL1 уровень напряжения на входе 1 элемента DD1.1 соответствует логическому 0. В паузе между вспышками это напряжение увеличивается до уровня логической 1 и начинает работать RC-генератор. образованный элементами R2, C1, DD1.1. На выходе можно наблюдать пачки импульсов, следующие с частотой вспышек светодиода. Сигнал можно услышать, подключив к выходу генератора акустический преобразователь BF1, например, пьезоизлучатель ЗП - 1, ЗП - 19 или ЗП - 22. Указанным на схеме номиналам элементов соответствуют частота импульсов в пачке 2 кГц. период повторения пачек - 500. а длительность каждой из них - 230 мс. При увеличении сопротивления резистора R1 от 620 Ом до 150 кОм период повторения пачек возрастает с 450 до 600 мс, а частота их заполнения уменьшается с 2,2 до 1,5 кГц. Можно подобрать такое сопротивление (приблизительно 135 кОм). при котором генерируется последовательное мелодичное трезвучие. Поменяв местами R1 и HL1, подбором того же резистора добиваются такого интересного эффекта, как "глиссандо" - плавного изменения высоты звука.
Следует иметь в виду, что у всех рассмотренных здесь генераторов при больших номиналах нагрузочного резистора яркость световых импульсов уменьшается настолько, что они становятся невидимы. Однако генерация электрических импульсов продолжается.
Открывать полный загадок мир радиоэлектроники, не имея специализированного образования, рекомендуется начинать со сборки простых электронных схем. Уровень удовлетворения при этом будет выше, если положительный результат будет сопровождаться приятным визуальным эффектом. Идеальным вариантом являются схемы с одним или двумя мигающими светодиодами в нагрузке. Ниже приведена информация, которая поможет в реализации наиболее простых схем, сделанных своими руками.
Готовые мигающие светодиоды и схемы с их использованием
Среди многообразия готовых мигающих светодиодов, наиболее распространены изделия в 5-ти мм корпусе. Помимо готовых одноцветных мигающих светодиодов, существуют двухвыводные экземпляры с двумя или тремя кристаллами разного цвета. У них в одном корпусе с кристаллами встроен генератор, который работает на определенной частоте. Он выдает одиночные чередующиеся импульсы на каждый кристалл по заданной программе. Скорость мерцания (частота) зависит от заданной программы. При одновременном свечении двух кристаллов мигающий светодиод выдает промежуточный цвет. Вторыми по популярности являются мигающие светоизлучающие диоды, управляемые током (уровнем потенциала). То есть, чтобы заставить мигать светодиод данного типа нужно менять питание на соответствующих выводах. Например, цвет излучения двуцветного красно-зелёного светодиода с двумя выводами зависит от направления протекания тока.
Трёхцветный (RGB) мигающий светодиод с четырьмя выводами имеет общий анод (катод) и три вывода для управления каждым цветом отдельно. Эффект мигания достигается путём подключения к соответствующей системе управления.
Смастерить мигалку на основе готового мигающего светодиода достаточно легко. Для этого потребуется батарейка CR2032 или CR2025 и резистор на 150–240 Ом, который следует припаять на любой вывод. Соблюдая полярность светодиода, контакты подключаются к батарейке. Светодиодная мигалка готова, можно наслаждаться визуальным эффектом. Если использовать батарейку типа «крона», основываясь на законе Ома, следует подобрать резистор большего сопротивления.
Обычные светодиоды и семы мигалок на их основе
Начинающий радиолюбитель может собрать мигалку и на простом одноцветном светоизлучающем диоде, имея минимальный набор радиоэлементов. Для этого рассмотрим несколько практических схем, отличающихся минимальным набором используемых радиодеталей, простотой, долговечностью и надежностью.
Первая схема состоит из маломощного транзистора Q1 (КТ315, КТ3102 или аналогичный импортный аналог), полярного конденсатора C1 на 16В с емкостью 470 мкФ, резистора R1 на 820-1000 Ом и светодиода L1 наподобие АЛ307. Питается вся схема от источника напряжения 12В.
Приведенная схема работает по принципу лавинного пробоя, поэтому база транзистора остаётся «висеть в воздухе», а на эмиттер подаётся положительный потенциал. При включении происходит заряд конденсатора, примерно до 10В, после чего транзистор на мгновение открывается с отдачей накопленной энергии в нагрузку, что проявляется в виде мигания светодиода. Недостаток схемы заключается в необходимости наличия источника напряжения 12В.
Вторая схема собрана по принципу транзисторного мультивибратора и считается более надёжной. Для её реализации потребуется:
- два транзистора КТ3102 (или их аналога);
- два полярных конденсатора на 16В емкостью 10 мкФ;
- два резистора (R1 и R4) по 300 Ом для ограничения тока нагрузки;
- два резистора (R2 и R3) по 27 кОм для задания тока базы транзистора;
- два светодиода любого цвета.
В данном случае на элементы подаётся постоянное напряжение 5В. Схема работает по принципу поочередного заряда-разряда конденсаторов С1 и С2, что приводит к открыванию соответствующего транзистора. Пока VT1 сбрасывает накопленную энергию С1 через открытый переход коллектор-эмиттер, светится первый светодиод. В это время происходит плавный заряд С2, что способствует уменьшению тока базы VT1. В определённый момент VT1 закрывается, а VT2 открывается и светится второй светодиод.
Вторая схема имеет сразу несколько преимуществ:
- Она может работать в широком диапазоне напряжений начиная от 3В. Подавая на вход более 5В, придётся пересчитать номиналы резисторов, чтобы не пробить светодиод и не превысить максимальный ток базы транзистора.
- В нагрузку можно включать 2–3 светодиода параллельно или последовательно, пересчитав номиналы резисторов.
- Равное увеличение ёмкости конденсаторов ведёт к увеличению длительности свечения.
- Изменив ёмкость одного конденсатора, получим несимметричный мультивибратор, в котором время свечения будет различным.
В обоих вариантах можно применить транзисторы pnp проводимости, но с коррекцией схемы подключения.
Иногда вместо мигающих светодиодов радиолюбитель наблюдает обычное свечение, то есть оба транзистора частично приоткрыты. В таком случае нужно либо заменить транзисторы, либо запаять резисторы R2 и R3 с меньшим номиналом, увеличив, тем самым, ток базы.
Следует помнить, что питания от 3В будет недостаточно, чтобы зажечь светодиод с высоким значением прямого напряжения. Например, для светодиода белого, синего или зелёного цвета потребуется большее напряжение.
Кроме рассмотренных принципиальных схем, существует великое множество других несложных решений, которые вызывают мигание светодиода. Начинающим радиолюбителям стоит обратить внимание на недорогую и широко распространенную микросхему NE555, на которой также можно реализовать данный эффект. Её многофункциональность поможет собирать и другие интересные схемы.
Область применения
Мигающие светодиоды со встроенным генератором нашли применение в построении новогодних гирлянд. Собирая их в последовательную цепь и устанавливая резисторы с небольшим отличием по номиналу, добиваются сдвига в мигании каждого отдельного элемента цепи. В итоге получается прекрасный световой эффект, не требующий сложного блока управления. Достаточно только подключить гирлянду через диодный мост.
Мигающие светоизлучающие диоды, управляемые током, применяются в качестве индикаторов в электронной технике, когда каждому цвету соответствует определённое состояние (вкл./выкл. уровень заряда и пр.). Также из них собирают электронные табло, рекламные вывески, детские игрушки и прочие товары, в которых разноцветное мигание вызывает интерес у людей.
Умение собирать простые мигалки станет стимулом к построению схем на более мощных транзисторах. Если приложить немного усилий, то с помощью мигающих светодиодов можно создать множество интересных эффектов, например – бегущую волну.
Читайте так же
Совершенство достигнуто не тогда, когда нечего добавить,
а тогда, когда нечего убрать.
Антуан де Сент–Экзюпери
Многие радиолюбители, конечно же, сталкивались с технологией поверхностного монтажа печатных плат SMT (Surface mount technology), встречали элементы SMD (Surface mount device), монтируемые на поверхность и слышали о преимуществах поверхностного монтажа, который по праву называют четвертой революцией в электронной технике после изобретения лампы, транзистора и интегральной схемы.
Некоторые считают поверхностный монтаж трудно реализуемым в домашних условиях в силу малых размеров SMD элементов и… отсутствия отверстий под выводы деталей.
Отчасти так оно и есть, но при внимательном рассмотрении выясняется, что малые размеры элементов требуют просто аккуратности при монтаже, конечно при условии, что разговор идет о простых SMD компонентах, не требующих для установки специального оборудования. Отсутствие опорных точек, коими являются отверстия под выводы деталей, лишь создают иллюзию трудности выполнения рисунка печатной платы.
Нужна практика в создании простых конструкций на SMD элементах, чтобы приобрести навыки, уверенность в своих силах, убедиться в перспективности поверхностного монтажа для себя лично. Ведь процесс изготовления печатной платы упрощается (не нужно сверлить отверстия, формовать выводы деталей), а получаемый выигрыш в плотности монтажа заметен невооруженным глазом.
Основой наших конструкций является схема несимметричного мультивибратора на транзисторах различной структуры.
Соберем «мигалку» на светодиоде, которая будет служить талисманом, а также создадим задел для будущих конструкций, изготовив прототип популярной у радиолюбителей, но не совсем доступной микросхемы .
Несимметричный мультивибратор на транзисторах разной структуры
(рис. 1) является настоящим «бестселлером» в радиолюбительской литературе .
Рис. 1. Схема несимметричного мультивибратора
Подключая в схему те или иные внешние цепи, можно собрать не один десяток конструкций. Например, звуковой пробник, генератор для изучения азбуки Морзе, прибор для отпугивания москитов, основа одноголосого музыкального инструмента. А применение внешних датчиков или устройств управления в цепи базы транзистора VT1 позволяет получить сторожевое устройство, индикатор влажности, освещённости, температуры и многие другие конструкции.
--
Спасибо за внимание!
Игорь Котов,
главный редактор журнала «Датагор»
Список источников
1. Мосягин В.В. Секреты радиолюбительского мастерства. – М.: СОЛОН-Пресс. – 2005, 216 с. (с. 47 – 64).2. Шустов М.А. Практическая схемотехника. 450 полезных схем радиолюбителям. Книга 1. – М.: Альтекс-А, 2001. – 352 с.
3. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Контроль и защита источников питания. Книга 4. – М.: Альтекс-А, 2002. – 176 с.
4. Низковольтная «мигалка». (За рубежом) // Радио, 1998, №6, с. 64.
5.
6.
7.
8. Шумейкер Ч. Любительские схемы контроля и сигнализации на ИС. – М:.Мир, 1989 (схема 46. Простой индикатор разряда батареи, с. 104; схема 47. Маркер фалиня (мигающий), с. 105).
9. Генератор на LM3909 // Радиосхема, 2008, №2.Специальность по диплому - радиоинженер, к.т.н.
Автор книг «Юному радиолюбителю для прочтения с паяльником», «Секреты радиолюбительского мастерства», соавтор серии книг «Для прочтения с паяльником» в издательстве «СОЛОН-Пресс», имею публикации в журналах «Радио», «Приборы и техника эксперимента» и др.
Читательское голосование
