Световые эффекты на транзисторах и микросхемах
Привет, Хабр! Сегодня изучим и соберём несколько простых схем, которые можно использовать в новогодней иллюминации, для украшения вывесок и витрин, а также в играх и игрушках. То есть получим шанс отвлечься от житейских трудностей и при этом смастерить что-нибудь уникальное (если это уникально оформить).
Для самых ленивых и занятых любителей, у кого нет возможности или желания травить печатные платы, возиться с макетками и разыскивать необходимые детали, выпускается огромный ассортимент наборов для сборки по весьма скромной цене.
Каждый из эффектов, что мы сегодня рассмотрим, можно реализовать и на Ардуино или более современной микропроцессорной платформе. Но зачем тратить микроконтроллер, когда достаточно пары-тройки транзисторов? И на мой взгляд, интереснее разобраться, как работают простые аналоговые и цифровые схемы.
▍ Симметричный мультивибратор
Самый простейший световой эффект — электронная мигалка, в которой передают друг другу эстафету пара светодиодов или их групп. Её можно реализовать множеством способов. Старая добрая классика — симметричный мультивибратор на двух транзисторах.
Авторы этого китайского конструктора с Алиэкспресс предлагают собрать «неправильный» мультивибратор. Неправильность заключается в том, что на схеме не нарисовано активных сопротивлений в коллекторных цепях транзисторов, куда напрямую подключены светодиоды.
Иметь в цепи только P-N переходы и источник питания — это не очень хорошая идея. Потому что P-N переход светодиода функционирует как стабистор, удерживая напряжение на уровне, свойственном данному светодиоду. Для красного светодиода это примерно 1.7 вольта.
А биполярный транзистор имеет параметр Uкэ — напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения. Для транзистора S9014, или КТ3102 (BC547, 2SC2675), кому как больше нравится, это 300 милливольт или даже меньше.
Выходит, что светодиод и транзистор задают напряжение 2 вольта, а источник питания в виде двух мизинчиковых батареек ААА обеспечивает 3 В. Сила тока ничем не ограничивается, светодиоды и транзисторы должны сгореть.
Реальная жизнь отличается от идеализированной схемы. Каждый из элементов цепи, включая батарейки и проводники, имеет омическое сопротивление. В итоге «неправильная» схема прекрасно, стабильно и долго работает. Главное только выбрасывать разряженные батарейки не куда попало, а в специальные ящики в супермаркетах.
Если отсутствие последовательного резистора всё же не даёт вам покоя, можно его добавить: по одному на каждый светодиод или общий последовательно с источником питания.
На экзамене за такую схему без резисторов можно получить плохую оценку. Многие преподаватели не любят, когда студенты умничают, потому проще заранее нарисовать один резистор, а лучше два.
Как же работает мультивибратор? Он представляет собой два каскада с общим эмиттером, выход каждого из которых соединён со входом другого через конденсатор.
Такие каскады ещё называют транзисторными инверторами, потому что высокий логический уровень на входе даёт низкий на выходе, и наоборот. Это изменение не полярности, а уровня напряжения относительно общего провода схемы.
Ток с плюса питания через резистор в цепи базы открывает NPN транзистор. Считаем, что прямое смещение эмиттерного перехода составляет 700 милливольт. Тогда на сопротивлении 68 кОм напряжение составит 2.3 вольта, а ток по закону Ома 34 микроампера.
Транзисторы в наборе с буквенным индексом С, что означает коэффициент усиления по току от 200 до 600. При максимальном Hfe ток коллектора составит 34×600 / 1000 = 20 миллиампер. Это как раз максимальный допустимый ток большинства обычных 5-миллиметровых светодиодов.
Итак, мы «оправдали» схему. Транзисторы в данном мультивибраторе работают не в режиме насыщения, а в режиме усиления по току. Ток светодиода задаётся коэффициентом усиления транзистора, напряжением питания и сопротивлением резистора в цепи базы.
Резисторы последовательно светодиодам тут действительно не нужны. Но не следует питать схему напряжением выше 3 вольт, например, от USB. Если всё-таки есть такое желание или необходимость, придётся взять транзисторы с более низким Hfe, либо повысить сопротивление резисторов.
При 5 вольтах питания, чтобы получить ток базы 34 микроампера при 5 — 0.7 = 4.3 вольтах, понадобятся резисторы сопротивлением 130 килоом.
Напряжение на коллекторе открытого транзистора будет составлять 5 — 1.7 = 3.3 вольта. При токе 20 мА на транзисторе будет выделяться 3.3×20 / 2 = 33 милливатта тепла. Корпус SOT23 рассеивает до 200 милливатт, так что наши 33 не превышают пределов нормы.
Почему 33, а не 66? Потому что скважность импульсов меандра, выдаваемого симметричным мультивибратором, равна 2. Половину времени открыт один транзистор и светит его диод, половину — второй.
Вместо каждого из светодиодов можно спаять светодиодную ёлочку. Те, что спаяла я, тоже «неправильные», потому что в них напрямую параллельно соединены светодиоды разных цветов.Мне просто повезло, что в распоряжении оказались зелёные и жёлтые светодиоды с почти одинаковым рабочим напряжением. Измерить это напряжение можно мультиметром в режиме проверки P-N переходов.
▍ Бегущие огни
Транзисторный мультивибратор может иметь не только два, но и три или больше каскадов. Получается эффект бегущих огней, одним из примеров которого является популярный радиоконструктор «светодиодное сердце».
Здесь мультивибратор уже нормальный. Транзисторы работают в режиме насыщения, а ток через группы параллельных светодиодов задаётся последовательными резисторами.
▍ Электронный жучок
Этот шестиступенчатый мультивибратор тоже собран на транзисторных инверторах, только на этот раз в виде не дискретных транзисторов, а микросхемы 74HC04, она же К561ЛН2.
Эта КМОП-микросхема имеет высокое входное сопротивление, что позволяет собрать времязадающие цепочки с резисторами большого сопротивления — полтора мегаома. Благодаря чему можно воспользоваться компактными и дешёвыми керамическими дисковыми конденсаторами 0.1 мкФ вместо дорогих и относительно крупногабаритных электролитических либо многослойных керамических.Последовательность, в которой загораются и гаснут светодиоды, имитирует движение лапок жука. Эту электронную игрушку все почему-то упорно называют паучком, но у реального паука восемь ног, а у жука шесть.
Наверное, такое название придумали, чтобы не путать световой эффект с устройством тайного прослушивания переговоров, потому что «жучком» давно принято называть компактный замаскированный микрофон с радиопередатчиком и автономным источником питания.
Либо без источника питания и не очень компактный, но замаскированный, как эндовибратор «Златоуст», что когда-то разработал Лев Сергеевич Термен.
Все инверторные мультивибраторы работают по одному принципу. В момент открытия транзистора или вакуумного триода, потенциал его коллектора или анода становится ближе к общему проводу («земле» схемы).
Возникает отрицательный (в случае радиолампы, N-P-N биполярного или N-канального полевого транзистора) импульс, который передаётся конденсатором на вход следующего инвертора и вызывает закрытие транзистора или триода.
Далее конденсатор заряжается через времязадающий резистор, и ключ инвертора снова открывается, посылая закрывающий импульс на следующий каскад.
Термин «мультивибратор» был предложен голландским физиком Ван дер Полем, потому что в спектре колебаний этого генератора много гармоник, в отличие от «моновибратора», производящего синусоидальные колебания.
Слева на фото ламповый мультивибратор, созданный Генри Абрахамом и Евгеном Блохом в 1919 году. Его гармоники использовались для калибровки волномера (на снимке он в центре)
Также инвертор, а, соответственно, мультивибратор, можно собрать на операционном усилителе. На схеме ОУ работает в режиме компаратора. Неинвертирующий вход подключён к делителю R1R2 с выхода ОУ.
При высоком логическом уровне на выходе компаратора — точке с — будет напряжение, близкое к плюсу питания, при низком — близкое к минусу питания. Точные значения зависят от параметров выходного каскада микросхемы. Напряжение в точке а, то есть на неинвертирующем входе, равняется части выходного, определяемой соотношением сопротивлений плеч делителя.
Когда напряжение на инвертирующем входе (точка б) ниже напряжения на неинвертирующем, на выходе высокий логический уровень, и конденсатор С заряжается с выхода ОУ через резистор R.
Как только напряжение в точке б превысит половину выходного (точка а), компаратор переключится в низкий уровень на выходе, и конденсатор начнёт разряжаться через резистор R, до тех пор, пока напряжение в точке б не станет ниже напряжения точки а.
Чего никогда не произойдёт, если питание операционного усилителя однополярное, и символ земли означает минус питания. Доля выходного напряжения будет ниже его полного значения, ниже которого не сможет разрядиться конденсатор.
Потому очевидно, что символ земли здесь означает искусственную среднюю точку, равную половине напряжения однополярного питания, либо настоящую среднюю точку двухполярного питания операционного усилителя.
Изучать схемы следует внимательно. На схеме транзисторного мультивибратора не подписан буквенный индекс транзистора, потому непонятно, чему будет равняться ток светодиода. Схема на компараторе не уточняет особенности питания ОУ, о которых следует догадаться самим. Иначе при попытке воплощения конструкции первый мультивибратор сгорит, а второй не будет работать.
Когда конденсатор разрядится до напряжения ниже, чем в средней точке делителя R1R2, компаратор переключится в состояние высокого уровня на выходе, и процесс повторится.
▍ Колесо фортуны
Следующая схема бегущих огней использует как раз такой мультивибратор на компараторе, реализованный с помощью таймера NE555. Резистор между катодами светодиодов и землёй авторы схемы снова забыли. На этот раз зря, однако схема работает.
Разрядка времязадающего конденсатора С1 происходит через вывод 7 микросхемы таймера, а заряжается он посредством ИТУН — источника тока, управляемого напряжением, реализованного на транзисторе Q1.
Q1 включён по схеме с общим коллектором, она же эмиттерный повторитель. Напряжение на делителе R2R3 равняется напряжению базы минус прямое падение на эмиттерном переходе транзистора.
Если нажать кнопку, конденсатор С2 практически мгновенно зарядится до напряжения питания. При отпущенной кнопке он медленно разряжается через резистор R1. То есть ток заряда конденсатора С1, являющегося времязадающим для мультивибратора на NE555, будет сначала высоким, затем снижаться.
Соответственно, частота колебаний мультивибратора будет сначала выше, затем снижаться вплоть до полной остановки, когда конденсатор С2 разрядится.
Импульсы с выхода мультивибратора поступают на счётчик-дешифратор CD4017 (К561ИЕ8), к каждому из десяти выходов которого подключены светодиоды.
В результате при нажатии кнопки светодиоды поочерёдно загораются и гаснут по кругу. Скорость движения бегущего огонька постепенно снижается, и наконец он останавливается в одном из положений.Такой эффект имитирует движение колеса фортуны или шарика в рулетке, и может быть использован в качестве генератора случайных чисел для новогодних азартных игр.
▍ Что дальше?
Также на базе счётчика-дешифратора можно сделать интересную ёлочную гирлянду. Если взять двухцветные или RGB-светодиоды с общим катодом, получится ещё интереснее.
Можно собрать музыкальную шкатулку, если к выходам счётчика-дешифратора подключить через обычные импульсные диоды или светодиоды времязадающие резисторы мультивибратора.
Если десяти ступеней секвенсора (так в электронной музыке называется прибор, генерирующий последовательность напряжений, задающих высоту тона) недостаточно, микросхемы CD4017 можно соединять последовательно.
Когда текущий счётчик досчитает до десяти, он перестаёт считать, потому что с десятого выхода получает запрещающий сигнал CP1. Это продолжится до тех пор, пока он не получит сигнал сброса MR.
Следующий счётчик получит тактирующий сигнал СP0 только в случае, если предшествующий досчитал до десяти и находится в режиме запрета тактирования. За это отвечает логический элемент И.
Немного жаль, что разработчики микросхемы не встроили в неё этот очень полезный во многих случаях элемент. Потребовалось бы добавить два вывода, и у микросхемы было бы 18 ножек. Один из входов элемента И можно соединить с входом запрета тактирования внутри микросхемы.
Спасибо за внимание! Напишите в комментариях, какие световые и звуковые эффекты, в том числе с применением микроконтроллеров и Ардуино, вы собирали и хотели бы собрать.
Играй в нашу новую игру прямо в Telegram!
