Експеримент 14. Збираємо схему з плавно миготливим світлодіодом

1. Зміна розмірів схеми
2. Крок за кроком
3. Завершення роботи

Вам знадобляться:

1. Макетна плата.
2. Паяльник-олівець потужністю 15 Вт.
3. Тонкий припій діаметром 0,6 мм або близько того.
4. Інструмент для зняття ізоляції і кусачки.
5. Проста перфорована плата (без мідних протравлених проводять з'єднань між отворами).
6. Невеликі лещата або струбцина для утримування вашої перфорованої плати.
7. Резистори різного номіналу.
8. Конденсатори електролітичні ємністю 100 мкФ і 220 мкФ, по одному кожного номіналу.
9. Червоний світлодіод діаметром 5 мм, з прямим напругою близько 2 В.
10. Програмований одноперехідний транзистор 2N6027.

У вашій першій схемі з використанням одноперехідного транзистора для генератора низької частоти, який змушував блимати світлодіод двічі щосекунди. Миготіння виглядали дуже «електронними», під якими я маю на увазі те, що світіння світлодіода було типу «включений / виключений» без поступового переходу між цими станами. Мені здається, що ми зможемо модифікувати цю схему так, щоб зробити миготіння світлодіода більш плавними і цікавими, як запобіжну миготіння комп'ютера Apple MacBook, коли він переходить в «сплячий» режим. Мені здається, що щось подібне можна використовувати в якості прикраси одягу, якщо воно буде досить невелика і елегантне.

Я також думаю, що цей перший проект з використанням пайки буде служити трьом іншим цілям. Це призведе до перевірки і закріплення ваших навичок з'єднання проводів, навчать вас виконання навісного монтажу на перфорованої платі, а також дасть вам деякі додаткові знання про те, яким чином можуть бути використані конденсатори для налаштування часових параметрів.
Подивіться знову на вихідну монтажну схему експерименту 11 (Див. Рис. 1). Освіжіть вашу пам'ять, згадавши, яким чином вона працює. Конденсатор C1 через резистор R1 заряджається до тих пір, поки не досягне достатньої напруги, яке подолає внутрішній опір одноперехідного транзистора Q1 і через нього потече струм. В результаті через відкритий транзистор Q1 конденсатор C1 розряджається, а світлодіод спалахне.

Якщо ви намалюєте графік залежності зміни яскравості світіння світлодіода в часі, то побачите вузький прямокутний імпульс, такий як на рис. 1. Чи можемо ми зробити його таким, щоб він був схожий на більш пологу криву (рис. 2), коли світлодіод вмикається і вимикається поступово, подібно серцебиття?
Одна річ є очевидною: протягом кожного циклу світлодіод повинен світити яскравіше. Тому нам потрібно більш висока напруга живлення. Це означає, що конденсатор, показаний на рис. 3, повинен володіти більшою ємністю.

Мал. 1. Графік залежності яскравості світіння світлодіода в часі

Мал. 2. Схема генератора на базі одноперехідного транзистора в експерименті 11 змушує блимати світлодіод короткими різкими спалахами. Графік на рис. 1 показує, що ми могли б отримати, якщо провести вимірювання яскравості світлодіода в часі. На цьому малюнку показано більш плавний початок і закінчення кожної спалаху. Для реалізації цього ефекту можуть бути використані конденсатори
Мал. 3. Перший крок у напрямку створення ефекту плавного мигання це використання в якості конденсатора C1 великої місткості і його розряду через резистор R4. Для досить швидкого розряду конденсатора потрібно резистор з відносно невеликим опором. R1 - резистор c опором 33 кОм; R2 - резистор c опором 1 кОм; R3 - резистор c опором 1 кОм; R4 - резистор c опором 1 кОм; C1 - електролітичний конденсатор ємністю 100 мкФ; Q1 - одноперехідний транзистор 2N6027

Коли ми будемо використовувати конденсатор більшої ємності, то він буде заряджатися протягом більшого часу. Щоб збільшити частоту миготіння світлодіода, нам буде потрібно резистор R1 з меншим опором, щоб заряджати цей конденсатор досить швидко. Додатково ми повинні зменшити значення опорів резисторів R2 і R3, щоб одноперехідний транзистор робив імпульс більш тривалим.

Більш важливим є те, що я хочу розряджати конденсатор через резистор таким чином, щоб це відбувалося поступово, а не одномоментно. Слід пам'ятати, що, коли резистор підключений послідовно з конденсатором, конденсатор не тільки більш повільно заряджається, а й розряджається більш повільно.
На рис. 3 показані всі ці три особливості. Порівняйте їх з Мал. 6 експерименту 11 . Тепер опір резистора R1 33 ком замість 470 кОм. Опору резисторів R2 і R3 зменшені до 1 кОм. Опір резистора R4 також стає рівним 1 кОм, що збільшує час розряду конденсатора через нього. Крім цього, конденсатор C1 тепер стає 100 мкФ замість колишніх 2,2 мкФ.

Зберіть цю схему на макетної платі і порівняйте результати з тими, які будуть отримані при включеному і при закороченном резисторі R4. Це дещо згладжує імпульс, але ми можемо продовжити роботу щодо його подальшого згладжування. На виході одноперехідного транзистора ми можемо додати ще один конденсатор. Він буде заряджатися від імпульсу, який виникає на виході одноперехідного транзистора Q1, а потім поступово розряджатися через інший резистор R5, тому світлодіод буде гаснути більш повільно.

На рис. 4 показана відповідна електрична схема. Конденсатор C2 має велику ємність - 220 мкФ, тому він відносно швидко заряджається від імпульсу, що надходить від транзистора Q1, а потім поступово розряджається через резистор R5 з опором 330 Ом і світлодіод. Ви помітите, що поведінка світлодіода буде дещо іншим. Він тепер замість швидкого вимикання буде поступово згасати. Однак опору, які я додав, приведуть до того, що світіння світлодіода стає менш інтенсивним, тому я повинен збільшити напругу джерела живлення з 6 до 9 В.

Мал. 4. Другим кроком до досягнення більш плавного миготливого ефекту є використання додаткового конденсатора C2, який швидко заряджається кожним імпульсом від транзистора Q1, а потім повільно розряджається через резистор R5 і світлодіод. Ті ж самі компоненти, що й раніше, плюс: R5 - резистор з опором 330 Ом; C2 - електролітичний конденсатор ємністю 220 мкФ. Напруга харчування збільшено до 9 В.

Пам'ятайте, що конденсатор створює ефект згладжування тільки в тому випадку, якщо один з його висновків підключений до негативного висновку джерела живлення. Присутність негативного заряду на цій обкладанні конденсатора призводить до притягнення позитивного заряду до іншого.

Мені подобається зовнішній вигляд такого пульсуючого світіння світлодіода. Я можу собі уявити невелике електронне ювелірну прикрасу для одягу, яке буде пульсувати таким чуттєвим чином (рис. 5), сильно відрізняється від різко обривається і виникає на короткий час світіння, що викликається схемою простого генератора. Єдина проблема, яка тут виникає - це компактна упаковка всіх компонентів схеми, така, щоб корпус пристрою міг бути досить малий для того, щоб можна було його носити.

Мал. 5. Таке миготливе пристрій з частотою серцебиття вночі в сільській місцевості може бути непередбачувано привабливим.

Зміна розмірів схеми

В якості першого кроку для цього слід поглянути на фізичні розміри всіх компонентів схеми і уявити, як їх можна розмістити в невеликому обсязі. На рис. 6 показаний приклад тривимірного зображення компактного розташування компонентів. Ретельно перевірте цю компоновку, визначивши всі шляхи з'єднань, і ви побачите, що все тут виконано відповідно до схеми. Проблема полягає в тому, що, якщо компоненти спаяти представленим чином, то вони не будуть достатньо міцно зафіксовані. Всі з'єднувальні дроти можуть легко згинатися, і тому не існує дуже простого способу для монтажу схеми.

Мал. 6. Така компоновка компонентів повністю повторює їх підключення на зображенні схеми, і при цьому вони розміщені в дуже малому обсязі.

Відповідь полягає в тому, щоб розмістити всі компоненти на деякій основі, яка є одним з тих елементів, якими воліють користуватися люди, зайняті в електроніці, можливо тому, що тоді монтаж виглядає більш солідно, ніж «макетна плата». Перфорована плата це саме те, що нам потрібно. На рис. 7 показані компоненти, перенесені на шматок такої плати розміром всього лише 25 × 10 мм.

Мал. 7. Перфорована плата може бути використана для кріплення і компонування компонентів. Для створення працюючої схеми висновки компонентів під платою припаиваются один до одного. На малюнку в середині пунктирними лініями показано розташування висновків елементів на звороті плати. На малюнку внизу представлена зворотна сторона плати після перекидання її зліва направо. Невеликі гуртки показують ті місця, де повинні бути виконані з'єднання пайкою

На центральному варіанті зображення плати штриховими лініями показано яким чином компоненти будуть з'єднані один з одним. Більшість висновків компонентів схеми, які виходять на нижню сторону перфорованої плати, за своєю довжиною достатні для виконання таких з'єднань.

Нарешті на нижньому зображенні показана перфорована плата після її перевороту зворотною стороною зліва направо (слід зауважити, що для зображення зворотної сторони плати я використовував більш темні кольори). Невеликі гуртки на цьому зображенні показують ті місця, де повинні бути виконані з'єднання пайкою.

Світлодіод повинен бути легко від'єднуємо, оскільки ви можете захотіти зробити так, щоб світлодіод знаходився на деякому.

відстані від плати. Точно також повинен легко від'єднуватися і джерело живлення. На щастя, ми маємо можливість купити мініатюрні роз'єми, які встановлюються прямо в перфоровану плату. Ви можете звернутися до одного з великих роздрібних постачальників в Інтернеті для придбання таких роз'ємів. Деякі виробники називають їх «однорядними лінійками гнізд і штирьків», в той час як інші називають «однорядной Багатоконтактні колодкою гнізд або через контакти для установки на плату». Подивіться на наведений раніше і перевірте список необхідних закупівель компонентів для виконання експериментів в цьому розділі.

Це досить компактне розміщення елементів схеми, яке вимагає уважної роботи, що виконується за допомогою паяльника-олівця. Оскільки відрізок перфорованої плати настільки малий, що її буде важко утримати, я пропоную вам використовувати мініатюрні лещата, щоб зафіксувати в них плату, яку проте можна буде легко повертати.

Коли виконуються такого роду проекти, я люблю встановлювати плату (з приєднаними лещатами) на м'який шматок поліуретанової губки - це тип ущільнення, який зазвичай використовується в якості набивання для м'яких крісел. Губка захищає компоненти від пошкодження, коли плата знаходиться в перевернутому стані, а також допомагає запобігти переміщенню плати непередбачуваним чином.

Крок за кроком

Далі наведена послідовність виготовлення та монтажу схеми на наведеній платі.

1. Відріжте невеликий шматок перфорованої плати від листа, на якому немає мідних контактують доріжок. Ви можете відрізати такий шматок плати, використовуючи пилку для ручного творчості, або спробувати зламати плату уздовж лінії перфорованих отворів, якщо будете при цьому дуже акуратні. В якості альтернативи слід використовувати готову до виготовлення перфоровану плату з мідними контактними кружками на ній, які однак не мають між собою з'єднань. У цьому проекті ви можете використовувати найпростішу перфоровану плату навіть без мідних контактних гуртків. (В наступному експерименті ви будете мати справу з додатковою можливістю вибору в виготовленні з'єднань між компонентами і мідними перемичками на перфорованої платі.)
2. Підберіть всі компоненти і акуратно вставте їх через отвори на плату, підраховуючи отвори, щоб переконатися, що всі компоненти налаштовані належним чином (рис. 3.61). Переверніть плату і загніть висновки компонентів, щоб закріпити їх таким чином на платі і створити лінії з'єднання, які показані на малюнку (рис. 3.62). Якщо деякі з висновків компонентів недостатньо довгі, то ви можете подовжити їх, щоб додати додатковий відрізок одножильного проводу 22 AWG (0,64 мм). Ви можете зняти з дроту всю ізоляцію, оскільки він буде встановлений на перфоровану плату в тій частині, де знаходиться пластик, т. Е. Ізолятор.
3. За допомогою кусачок відкусите зайві частини висновків і дроти. Літаючі шматки дроту
   Губки ваших кусачок, стискаючи дроти або висновки компонентів, створюють значне зусилля, яке наростає, а потім раптово зменшується до нуля, коли провід перекушується. Це зусилля може бути трансформовано в несподівані відскакування відрізаного шматка дроту або виведення. Деякі з них є відносно м'якими і не становлять особливої небезпеки, але більш жорсткі, тверді дроти можуть відлітати в непередбачуваному напрямку з високою швидкістю і, отже, можуть пошкодити ваші очі. В цьому відношенні особливо небезпечні висновки транзисторів.
   Я думаю, що при відкушуванні висновків і проводів було б непоганою ідеєю одягати захисні окуляри.
4. Виконайте всі з'єднання паяльником-олівцем. Потрібно пам'ятати, що це схема, в якій ви всього лише сполучаєте висновки один з одним. Компоненти знаходяться так близько один до одного, що у них немає можливості переміщатися поблизу місця установки. Якщо ви використовуєте плату з мідними майданчиками (що в даному прикладі робив і я), то деякі паяні з'єднання з ними будуть забезпечувати нормальне кріплення компонентів, не приводячи до перетину висновків один з одним і не створюючи коротке замикання між найближчими компонентами.
5. Перевірте з'єднання шляхом їх огляду за допомогою збільшувальною лупи, а потім спробуйте їх міцність Тонкогубці. Якщо припою недостатньо для виконання по-справжньому міцного з'єднання, то треба підігріти з'єднання і додати ще припою. Якщо припой створив контакт, якого в даному місці бути не повинно, то слід використовувати універсальний ніж для того, щоб зробити паралельні розрізи в припої, щоб прибрати невелику частину припою між ними.

Зазвичай я встановлюю три або чотири компонента, відкушують висновки, залишаючи приблизно необхідну їх довжину, потім припаюю висновки один до одного, відкушують висновки остаточно, потім роблять паузу, щоб перевірити міцність з'єднання і місце його розташування. У разі послідовного припав-вання великої кількості компонентів виникає велика ймовірність пропуску поганого з'єднання, і, якщо я роблю помилку при установці будь-якого компонента, то повернення ситуації в початковий стан буде набагато більш проблематичним, якщо я вже додав багато компонентів навколо нього.

На рис. 8 і 9 показаний приклад реалізації даного проекту, який я виконував до того, як обрізав плату до мінімального розміру.

Мал. 8. Компоненти, встановлені на відрізку перфорованої плати

Мал. 9. Зібрана схема на платі - вид зі зворотної сторони. Мідні контактні гуртки навколо кожного отвори плати не є обов'язковими для даного проекту. На деякі з них потрапляє якась кількість припою, але це не має значення, оскільки при цьому не створюються ненавмисні короткі замикання.

Завершення роботи

Я завжди користуюся сильним освітленням; це не данина розкоші, це необхідність. Купіть дешеву настільну лампу, якщо у вас ще немає такої. Я використовую флуоресцентну лампу зі спектром, який близький до спектру денного освітлення, оскільки це допомагає мені краще ідентифікувати кольорові смужки на транзисторах. Слід пам'ятати, що такого типу лампи випромінюють досить сильно ультрафіолетові промені, які не дуже гарні для кришталиків ваших очей. Слід уникати дивитися на лампу прямо і з близької відстані, і якщо ви надягнете окуляри, то тільки вони будуть забезпечувати додатковий захист.

Незалежно від того, наскільки у вас хороший зір на близькій відстані, вам все одно для перевірки знадобиться розглянути кожне з'єднання за допомогою збільшувальною лінзи. Ви будете здивовані, наскільки недосконалі ці сполуки. Утримуйте збільшувальне скло максимально близько поблизу вашого очі, потім направте його на об'єкт, який треба вивчити, а потім наближайтеся до об'єкта, щоб сфокусуватися на ньому.

Зрештою, ви повинні закінчити монтаж робочої схеми. Ви повинні вставити дроти від вашого джерела живлення в два маленьких гнізда роз'єму, які призначені для подачі напруги живлення, а потім встановити червоний світлодіод в останніх два гнізда. Пам'ятайте, що два центральних гнізда мають негативний потенціал, а два зовнішніх гнізда позитивний, вони розташовані так, оскільки в цьому випадку компоненти схеми легше з'єднати проводами. Ви повинні виконати кольорову кодування проводів, щоб уникнути помилок.

Отже, ви Нарешті зібралі невелика схему, яка генерує Світлові імпульсі з частотою, подібною пульсаціям серця. Чи ні? Якщо у вас виникли проблеми при виконанні цієї роботи, то треба перевірити правильність усіх з'єднань і порівняти їх зі схемою. Якщо ви не знайдете помилки, то на схему треба подати напругу живлення, потім приєднати чорний загальний провід вашого мультиметра до негативного висновку джерела живлення, а потім іншим вимірювальним щупом червоного кольору перевірити напругу в різних точках схеми. При працюючій схемі на кожному її компоненті має спостерігатися хоча б мінімальне падіння напруги. Якщо ви знайдете знеструмленому з'єднання (коли на різних висновках компонента є однакове значення напруги), то може бути ви зробили погану пайку або не виконали її взагалі.

Нарешті ви все зробили, що далі? Добре, тепер ви можете припинити своє перебування в образі любителя електронних схем і зайнятися художнім промислом. Ви можете спробувати придумати яким чином зробити так, щоб цей пристрій можна було б носити.
Спочатку ви повинні подумати про джерело живлення. Оскільки ви застосовували компоненти, які використовував і я, то вам також знадобиться джерело з напругою живлення 9 В. Отже, необхідна напруга живлення можна отримати від досить об'ємною 9-вольтової батарейки, а як же тоді носити таке громіздке пристрій? Я думаю, що на це питання є три відповіді.

1. Ви можете покласти батарейку в кишеню і встановити «мигалку» за межами вашої кишені, з'єднавши їх тонким дротом під одягом. Слід пам'ятати, що невеликий роз'єм для подачі напруги на перфоровану плату придатний для підключення за допомогою проводів 22 AWG, якщо вони мають одну або безліч плетених жив (як дроти, що йдуть від роз'єму для батарейки 9 В), але при цьому покритих тонким шаром припою.
2. Ви можете встановити батарейку всередині верхньої частини бейсболки, але з «мигалкою» на козирку.
3. Ви можете з'єднати разом три 3-вольт пальчикові батарейки в один блок, закріпивши їх пластикової стяжкою. Якщо ви спробуєте таким чином вирішити проблему, то це не дуже гарне рішення, оскільки доведеться припаювати дроти до батарейці. Вам потрібно буде підігрівати хімічні реактиви всередині батарейки, що може виявитися не надто корисним для них, а також не надто корисним для вас, якщо ці реактиви закиплять і батарейка вибухне. Крім того, припой погано скріплюється з металевими висновками батарейок.

Більшість світлодіодів створюють чітко окреслений пучок світла, який ви можете захотіти зробити більш розмитим для більш кращого зовнішнього вигляду. В якості одного із способів можна використовувати шматок акрилового пластика товщиною не менше 6,5 мм, як це показано на рис. 8. Обробка наждачним папером лицьовій поверхні акрилу за допомогою шліфувальної машинки не залишатиме помітних слідів. Обробка наждачним папером зробить акрил більш замутненим, ніж прозорим.

Мал. 8. Це поперечний переріз листа прозорого акрилового пластика, в якому просвердлені некрізне отвір із зворотного боку. Оскільки свердло створює дно конічної форми, а світлодіод має закруглений корпус, то перед установкою світлодіода в отвір слід додати трохи прозорого епоксидного клею або силіконового герметика.

Висвердлите порожнину із зворотного боку акрилу свердлом, діаметр якого трохи більше діаметру світлодіода. Будьте обережні, не слід просвердлювати пластик наскрізь. Видаліть всі фрагменти і пил з порожнини стисненим повітрям або промийте цю порожнину, якщо у вас немає компресора. Після того як порожнину повністю висушена внесіть в неї трохи силіконового герметика або кілька прозорого епоксидного клею, який твердне протягом 5 хв. Потім вставте світлодіод, вдавивши його таким чином, щоб клей кілька виступив назовні, зробивши герметичне з'єднання (див. Рис. 8).

Спробуйте включити світлодіод і, якщо це буде потрібно, додатково обробіть поверхню шкіркою. На закінчення ви можете вирішити куди встановити схему - на задню частину акрилового пластика або протягнути дріт куди-небудь ще.

Оскільки світлодіод буде блимати приблизно з частотою серцебиття людини, під час його відпочинку, то це може виглядати, як вимірювання пульсу, особливо, якщо ви встановите його в середині грудей або на зап'ясті. Якщо вам подобається вводити людей в оману, то ви можете продемонструвати, що перебуваєте у відмінній формі, оскільки частота вашого пульсу буде залишатися постійної навіть при енергійному виконанні фізичних вправ.

Щоб зробити привабливий зовнішній вигляд корпусу для схеми, я можу запропонувати варіанти від заливки всієї схеми епоксидною смолою до пошуку відповідного медальйона Вікторіанської епохи. Я залишаю вам можливість поміркувати над альтернативними варіантами, оскільки ми займаємося електронікою, а не художніми промислами.

Однак я хочу задати вам один заключний питання: «як же довго буде блимати ваш пристрій?»
Якщо ви звернетеся до наступного розд. «Важлива інформація - Термін служби батарейки», то виявите, що звичайна 9-вольт-вая батарейка повинна підтримувати мигання світлодіода протягом приблизно 50 год.

важливі відомості

Щоразу при завершенні схеми, харчування якої ви збираєтеся здійснювати від батарейки, вам може знадобитися розрахунок ймовірного терміну служби батареї. Зробити це досить легко, оскільки виробники вказують ємність батарей відповідно до «ампер-годинами», які вони можуть видавати. Майте на увазі наступне:

• скороченням для ампер-годин є Ah (А-годину), іноді його скорочують до AH (англ. AH - Ampere-hour). Відповідно для міліампер-годин - mAh (мА-год);
• ємність батареї в ампер-годинах дорівнює току в амперах, помноженому на кількість годин, протягом яких батарейка в стані його підтримувати.

Таким чином теоретично 1 А-годину означає, що батарейка може видавати струм в 1 А протягом 1 години або струм 0,1 А протягом 10 годин або 0,01 А протягом 100 годин і т. Д. На практиці все не так просто, як здається, оскільки хімічні речовини всередині батарейки витрачаються набагато швидше, коли вони видають більший за величиною струм, особливо, якщо батарейка при цьому нагрівається. Ви будете обмежені граничними значеннями, які визначаються фізичними розмірами батарейки.

Наприклад, якщо у вас є маленька батарейка на 0,5 А-год, то ви не можете очікувати отримати від неї струм величиною 30 А протягом навіть однієї хвилини. Але будете в змозі отримати 0,005 А (т. Е. 5 мА) протягом 100 годин без проблем. При цьому слід пам'ятати, що напруга, яке видає батарейка, буде трохи більше номінального значення, коли вона свіжа, але в міру використання воно буде зменшуватися і врешті-решт стане менше номінального значення.

Відповідно до деяких даними випробувань, яким я довіряю (я думаю, вони трохи більш реалістичні, ніж оцінки виробників батарейок), для типових батарейок справедливі наступні цифри.

• Типова лужна батарейка 9 В - ємність 0,3 А-год, при видачі струму 100 мА.
• Типова лужна батарейка розміру AA на напругу 1,5 В - ємність 2,2 А-год, при видачі струму 100 мА.
• Акумуляторна нікель-кадмієві гідридна батарейка - служить приблизно в два рази більше в порівнянні з лужною батарейкою такого ж розміру.
• Літієва батарейка - може служити приблизно в три рази більше, ніж лужна батарейка.

Автор: Чарльз Платт

Можливо, вам це буде цікаво: