Акустический автомат-светильник с повышающим драйвером

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Светильники

Опубликовано: 23.03.2017 10:35

Просмотров: 2275

А.Л. Одинец, г. Минск
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 определенному 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 все чаще применяют сверхъяркие светодиоды. В отличие от ламп накаливания, светодиоды обладают большей экономичностью, надежностью и долговечностью. Но если низкое напряжение включения, порядка 1,8 В, характерно для светодиодов красного и желтого цвета свечения, то для зеленых и синих это напряжение составляет порядка 2,8 В. В то время как для питания красных и желтых светодиодов можно ограничиться напряжением источника 3 В, то для зеленых и синих этого оказывается явно недостаточно, учитывая падение напряжения на коммутирующих элементах. Тем не менее, существуют схемотехнические решения, позволяющие обеспечить достаточное напряжение питания для зеленых 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 VD1, усилитель переменного напряжения на транзисторах VT1, VT2, одновибратор на элементах DD1.2, DD1.3, С9, R11, задающий ВЧ генератор на элементах DD1.4, С10, R13, мощный ключевой транзистор VT3, собственно, повышающий драйвер на ИМС DD2, DD3, а также схема управления DD4-DD7 сверхъяркими светодиодами HL1-HL4. Фотодатчик VD1 введен для повышения экономичности устройства и увеличения ресурса службы элементов питания GB1, GB2 при наличии внешнего освещения, когда в дополнительной подсветке нет необходимости.
Сразу же при включении устройства на нижнем по схеме входе элемента DD1.2 (вывод 5), благодаря интегрирующей цепочке, образованной элементами R8, С8, R10, формируется короткий отрицательный импульс, а на выходе DD1.2 - положительный перепад напряжения. Поскольку конденсатор С9 разряжен в начальный момент времени, напряжение с его нижней по схеме обкладки поступает на вход элемента DD1.3 и, после инвертирования последним, поступает на верхний по схеме вход элемента DD1.2, замыкая петлю обратной связи. Начинается отсчет времени выдержки, в течение которого работает задающий ВЧ генератор DD1.4-C4-R13, управляющий работой повышающего драйвера. Уровень лог. «0» с выхода DD1.3 открывает транзистор VT3, через который поступает питание на ИМС драйвера. Одновременно на входы буферных формирователей DD2, DD3 через развязывающие конденсаторы С11 и С14 поступают прямоугольные импульсы с выхода DD1.4 с частотой около 60 кГц.
Повышающий драйвер запускается на время, определяемое параметрами времязадающей цепочки R11С9, 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 DD2 и DD3. Каждый из буферных формирователей состоит из восьми одинаковых секций, представляющих собой два последовательно включенных инвертора. Первый из них -маломощный, а второй - гораздо мощнее и состоит из Р- 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 DD1.4 принимает значение лог. «0». Такой же потенциал через развязывающие конденсаторы С11 и С14 поступает на входы обоих буферных формирователей DD2 и DD3. При этом оказываются открытыми N-канальные транзисторы выходных инверторов, поэтому верхняя по схеме обкладка «летающего» конденсатора С13 оказывается соединенной с общим проводом конструкции (минусом источника питания) через открытые N-канальные транзисторы DD2, а нижняя обкладка - через открытые N-канальные транзисторы, теперь уже, DD3 - оказывается соединенной через вывод 10 с коллектором транзистора VT3, на котором присутствует напряжение, практически равное напряжению источника питания, конечно, с учетом падения напряжения на самом транзисторе VT3. Таким образом, «летающий» конденсатор С13 оказывается заряженным практически до напряжения источника питания.
Далее напряжение на выходе ВЧ генератора сменяется уровнем лог «1». Поступая через развязывающие конденсаторы С11 и С14 на входы буферных формирователей, этот уровень приводит к закрыванию N-канальных транзисторов выходных каскадов, но открыванию Р-канальных. Теперь верхняя по схеме обкладка конденсатора С13 оказывается соединенной с коллектором транзистора VT3, т.е. последовательно с источником питания, а нижняя по схеме обкладка конденсатора С13 оказывается соединенной через открытые Р-канальные транзисторы DD3 с блокирующим конденсатором С15, на котором и формируется выходное удвоенное напряжение драйвера. Как отмечено выше, данный процесс повторяется с частотой 60 кГц, поэтому заряда «летающего» конденсатора даже небольшой емкости вполне достаточно для питания четырех светодиодов.
При появлении напряжения на выходе драйвера, схема управления светодиодами, благодаря цепочке R15C16 и элементу DD4.3, устанавливается в исходное состояние. Алгоритм зажигания светодиодов поясняет временная диаграмма, показанная на рис.2.
 
 Из нее видно, что после трех вспышек красного светодиода происходит его фиксация во включенном состоянии, затем то же самое происходит с желтым, зеленым 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 DD4.3 формируется короткий положительный, а на коллекторе VT4 - короткий отрицательный импульсы. В начальный момент времени счетчики DD5.1 и DD5.2 находятся в нулевом состоянии, поэтому на выходе элемента DD4.4 формируется уровень лог. «1», который запрещает дешифрацию состояний счетчика DD5.2, выходные логические уровни которого поступают на адресные входы «1» и «2» дешифратора DD6. Таким образом, на всех его выходах формируются уровни лог. «1», что соответствует начальному состоянию устройства. Поскольку на коллекторе транзистора VT4 был сформирован короткий отрицательный импульс, все RS-триггеры DD7 были установлены в единичное состояние, поэтому все светодиоды погашены.
При переходе счетчика DD5.1 из нулевого в первое состояние, уровнем лог. «0» с выхода элемента DD4.4 разрешается дешифрация состояний DD6, и на его выходе «0» (вывод 15) появляется уровень лог. «0». Этот уровень перебрасывает первый (верхний по схеме) RS-триггер, входящий в состав ИМС DD7, в нулевое состояние и поступает на анод светодиода HL1. Но зажигания светодиода в этот момент времени еще не происходит, поскольку разность потенциалов на его выводах равна нулю. При достижении счетчиком DD5.1 четвертого состояния, дешифрация состояний DD6 будет вновь запрещена, и на его выходе «0» (вывод 15) сформируется уровень лог. «1».
Поскольку на выходе «1Q» (вывод 4) первого, по схеме, RS-триггера DD7 был сформирован уровень лог. «0», это приведет к включению светодиода HL1. 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 DD6 приводят именно к погасанию светодиода HL1, поэтому при переходе счетчика DD5.2 из нулевого в первое состояние, на указанном выходе «0» (вывод 15) дешифратора DD6 формируется постоянный (фиксированный) уровень лог. «1», и светодиод HL1 остается во включенном состоянии.
Каждый последующий счетный импульс с выхода генератора DD4.1-DD4.2 приводит к увеличению состояний счетчика DD5.1, а вслед за ним и DD5.2. При этом происходят трехкратные последовательные вспышки светодиодов HL2-HL4 с последующей фиксацией каждого из них во включенном состоянии. При достижении счетчиком DD5.2 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 освещенности, сопротивление перехода фотодиода мало, поэтому на входе элемента DD1.1 присутствует уровень лог.1, соответственно, на его выходе - уровень лог.0. Конденсатор С1 разряжен, микрофон обесточен и усилитель деактивирован. При затемнении фотодиода VD1, выходной уровень элемента DD1.1 сменяется на лог. 1, конденсатор С1 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 VT1, VT2. Чувствительность усилителя можно изменять подстроечным резистором R6. Коллекторные токи транзисторов VT1, VT2 задаются резисторами R5 и R8 соответственно, а режимы по постоянному току -резисторами R4 и R7 в базовых цепях указанных транзисторов. Для развязки цепей по постоянному току служат конденсаторы С4-С6 и С8.
Необходимое начальное входное напряжение
одновибратора по входу элемента DD1.2 задается делителем R9R10. Это напряжение превышает пороговое напряжение элемента и соответствует уровню лог. «1». При появлении звукового сигнала, усиленное переменное напряжение с коллектора транзистора VT2 через разделительный конденсатор С8 поступает на вход элемента DD1.2, который, благодаря своим триггерным свойствам и гистерезисной входной характеристике, преобразует синусоидальное напряжение в прямоугольные импульсы. Как отмечено выше, уровень лог. «1» с выхода DD1.2 запускает ВЧ генератор прямоугольных импульсов, а уровень лог. «0» с выхода DD1.3 открывает мощный ключевой транзистор VT3. Повышающий
драйвер запускается и формирует на выходе питающее напряжение для работы светодиодной схемы.
Конструкция и детали. Автомат собран на печатной плате (рис.3) размерами 150x50 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 СПЗ-386 в горизонтальном исполнении, фотодиод типа ФД263; транзисторы VT1, VT2, VT4 могут быть типа КТ3102ЕМ или импортные типа ВС557, a VT4 также из серий КТ315, КТ503 и других маломощных структуры n-p-n; мощный транзистор VT3 из серии КТ973; светодиоды HL1-HL4 красного, желтого, зеленого и синего цветов соответственно, диаметром 5 мм. Возможно применение белых сверхъярких светодиодов. Все КМОП микросхемы серии КР1564 (74НСхх) заменимы соответствующими аналогами серии КР1554 (74АСхх).
Налаживание автомата сводится к установке необходимой чувствительности микрофонного усилителя подстроечным резистором R6, скорости зажигания светодиодов (резистором R18) и длительности их свечения (резистором R11). Для питания используются элементы типоразмера АА (LR03), но можно использовать также аккумуляторы с меньшим начальным напряжением 1,2 В. Благодаря применению повышающего драйвера, пониженного напряжения аккумуляторной батареи оказывается вполне достаточно для свечения светодиодов.
Отзывы и вопросы по усовершенствованию данного устройства читатели могут направлять на адрес электронной почты автора: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

PA 8'2011