Переключатели для гирлянд светодиодов

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Схемы начинающим

Опубликовано: 07.04.2017 16:36

Просмотров: 7318

Евгений Яковлев, г. Ужгород
Эта статья находилась в редакторском портфеле журнала «Радиоаматор» более чем полтора года и, наконец, попала в печать. В статье рассмотрены схемы нескольких простейших переключателей гирлянд светодиодов и дополнительная схема, обеспечивающая режим плавного, а не импульсного изменения яркости их переключения.
Устройство на полевых транзисторах.
В зарубежной [1] и отечественной литературе неоднократно публиковались схемы мультивибраторов на полевых транзисторах для управления светодиодами. К их достоинствам можно отнести очень маленькое падение напряжения на открытом полевом транзисторе, небольшие значения емкостей времязадающих конденсаторов, большую номенклатуру полевых транзисторов широкого применения и небольшую стоимость.

Одна из схем показана на рис.1.
 
 В этой схеме могут использоваться отечественные транзисторы типа КП501 или их зарубежные аналоги BS170. При этом не следует забывать, что цоколевки этих транзисторов различны.
Всем известно, что полупроводниковые приборы имеют значительный разброс параметров. Так, и из двух транзисторов (VT1 и VT2) один обычно имеет меньшее напряжение включения. Это значит, что при включении питания схемы U (12В) один из транзисторов перейдет во включенное состояние раньше другого. При этом включатся светодиоды в цепи его стока. Допустим, перешел в состояние насыщения транзистор VT1 и зажглись светодиоды HL1-HL4, а левый по схеме вывод конденсатора С1 через открытый транзистор VT1 соединяется с «минусом» источника питания схемы (-U ). Это приведет к надежному запиранию транзистора VT2 отрицательным потенциалом конденсатора С1. При этом конденсатор С1 начинает перезаряжаться по цепи: +Uп, R4, HL5-HL8, R3, С1, «исток-сток» открытого транзистора VT1, -Uп.
Через некоторое время положительный потенциал конденсатора С1 возрастет настолько, что потенциал затвора транзистора VT2 обусловит отпирание этого транзистора. Это приведет, в свою очередь, к началу свечения цепочки светодиодов HL5-HL8 в цепи его стока и заземлению правого по схеме вывода конденсатора С2 этим транзистором. Транзистор VT1 запирается, а светодиоды HL1-HL4 погасают.
Полевые транзисторы VT1-VT2 работают в схеме мультивибратора. Частота их переключения, в частности, определяется номиналами радиокомпонентов С1, С2, R1, R3, величиной напряжения питания схемы и параметрами использованных транзисторов.
На фото 1 показан внешний вид макета, собранного по схеме рис.1.
Регулируемое устройство на биполярных транзисторах
При рассмотрении возможности оперативной регулировки частоты мультивибратора за счет изменения смещения на затворах полевых транзисторов, естественно, возник вопрос замены полевых транзисторов биполярными. Это становится очевидным, если длительность периода коммутации невелика и гирлянды светодиодов должны переключаться весьма быстро. Одна из самых распространенных схем показана на рис.2.

Транзисторы VT1 и VT2 могут быть самые распространенные n-p-n типа, например, КТ3102 или КТ315.
Подстроечным резистором R2 можно изменять частоту переключения в достаточно широких пределах.
На рис.2 в каждом из плеч мультивибратора условно показано по два светодиода. Фактически их количество, как и для предшествующей схемы, 
определяется, в основном, лишь величиной напряжения питания схемы и суммарным падением напряжения на цепочке светодиодов.
На фото 2 показан внешний вид макета, собранного по схеме рис.2.
 
Устройство на ИМС
Стремление уменьшить количество радиокомпонентов для схемы побудило выполнить схему мультивибратора на микросхеме 555-го таймера (КР1006ВИ1), см. схему рис.3.
 
C1R2 времязадающая цепь. Сопротивление резистора R1 (16 кОм) по сравнению с номиналом резистора R2 (470 кОм) относительно невелико, поэтому мало влияет на скважность выходных импульсов мультивибратора. Применять специальные меры по обеспечению скважности 1:1 в данном устройстве нецелесообразно, хотя при желании это можно было бы легко сделать. Достаточно было бы использовать для заряда и разряда конденсатора С1 два отдельных резистора, развязав цепочки двумя маломощными диодами.
Общеизвестно, что выход микросхемы 555-го таймера (вывод 3 КР1006ВИ1) коммутирует его нагрузку к «плюсу» источника питания или «минусу» в зависимости от напряжения на других выводах этой микросхемы. Максимальный ток нагрузки микросхемы 0,2 А. Это позволяет непосредственно подключать на выход микросхемы две цепочки -HL1-R3 и HL2-R4. При этом, естественно, в каждой из цепочек может быть до четырех последовательно включенных светодиодов.
Напряжение питания микросхем 555-го таймера может находиться в пределах 5... 15 В. Если в цепочках по четыре светодиода, то напряжение питания МС должно быть 12...15 В. При меньшем количестве светодиодов в цепочках напряжение питания целесообразно уменьшать.
На фото 3 показан внешний вид макета, собранного по схеме рис.3.
 
Плавное переключение светодиодных цепочек
Известно, что яркость свечения светодиодов зависит от тока через них. Это значит, что в схемах рассмотренных выше яркость свечения светодиодов будет уменьшаться при снижении величины напряжения источника питания.
Самым простым, но не оптимальным, решением для устранения этого недостатка является стабилизация напряжения питания схем. Значительно более перспективным для стабилизации яркости свечения светодиодов является стабилизация тока через них. Ведь, собственно, ток через кристалл светодиода определяет яркость свечения последнего.
 
Схема рис.4 была опубликована в [2]. В качестве токоограничительного сопротивления в цепи последовательно включенных светодиодов LED1-LEDn использовалось сопротивление канала «исток-сток» полевого транзистора Т2. В цепи светодиодов находится и резистор R1. При протекании тока светодиодов через него на этом резисторе происходит падение напряжения, равное примерно 0,6 B/ILED. Если ток светодиодов возрастает, то падением напряжения на R1 отпирается транзистор Т1. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению напряжения на затворе транзистора Т2 относительно его истока, и, соответственно, полевой транзистор Т2 запирается. Возрастание тока стока Т2 через светодиоды при этом мгновенно прекращается, что стабилизирует ток через гирлянду светодиодов.
Внешний вид дополнительного устройства показан на фото 4.
 
При экспериментах в схеме был установлен резистор R1 сопротивлением 39 Ом. При этом яркость свечения двух импортных «зеленых» светодиодов LED1 и LED2 была достаточно большой в диапазоне питающих напряжений от 8 В до14 В. При этом ток через светодиоды изменялся очень незначительно.
При экспериментах со схемой рис.4 без подключения ее к внешним источникам входного сигнала не следует забывать, что свечение светодиодов будет лишь при подаче на вход U_ON/OFF оговоренного схемой напряжения 5 В. Для прекращения свечения светодиодов (при подключенном напряжении V+) надо не только отключить напряжение с входа схемы, но и обязательно соединить входную клемму U_ON/OFF с «корпусным» проводом схемы накоротко или через резистор, например, R3 4,7...10кОм (рис.5).
Светодиоды в плечах мультивибраторов всех описанных выше схем попеременно мигают. К этому, собственно говоря, и стремились авторы этих схем, но визуальный эффект может быть дополнительно усилен, если обеспечить плавное изменение яркости свечения гирлянд светодиодов от их погашенного состояния до полного свечения. Казалось бы, для этого надо дополнительно «сильно» усложнять схемы. Схема рис.5 практически эквивалентна «по сложности» схеме рис.4.
 
 Отличие состоит лишь в одном конденсаторе С1.
При подаче на вход схемы рис.5 импульсного напряжения в первоначальный момент времени конденсатор С1 разряжен. С течением времени этот конденсатор попеременно заряжается от входного положительного напряжения 5 В через резистор R2 и в полупериоды нулевого входного напряжения разряжается через этот же резистор. Так же попеременно увеличивается и уменьшается потенциал затвора полевого транзистора Т2. Соответственно, постепенно возрастает или уменьшается яркость свечения светодиодов в цепи стока этого транзистора.
В зависимости от постоянной времени перезаряда конденсатора С1 через резистор R2 при различных частотах входных импульсов U_ON/OFF можно достичь различных световых эффектов свечения светодиодов схемы.

 При экспериментах с макетом номинал резистора R2 был 47 кОм. Емкость конденсатора С1 варьировалась от 4,7 мкФ до 22 мкФ. Частота задающего генератора (U_ON/OFF) была выбрана произвольно (около 2...3 Гц) и в процессе экспериментов не изменялась. При емкости конденсатора С1 порядка 10 мкФ постоянная времени перезаряда конденсатора была близка к длительности полупериодов входного импульсного напряжения U_ON/OFF. Визуально яркость свечения светодиодов схемы плавно увеличивалась до максимальной, а потом (в следующий полупериод входного напряжения U_ON/OFF) плавно уменьшалась. Далее циклы свечения светодиодов повторялись.
Если уменьшить номинал конденсатора С1, то в соответствующие полупериоды входного сигнала UON//OFF яркость свечения светодиодов быстро увеличивается до максимальной, потом в этих же полупериодах «единичного» сигнала U_ON/OFF светодиоды светятся с постоянной яркостью. В следующих полупериодах U_ON/OFF светодиоды быстро погасают и находятся в этом состоянии до начала следующих полупериодов U_ON/OFF.
Емкость конденсатора С1 уточнялась экспериментально исходя из частоты входных импульсов схемы и величины сопротивления резистора R2. Резистор R3 при работе схемы рис.5 или рис.4 совместно со схемами задающих мультивибраторов может не устанавливаться.
При повторении рассмотренных схем полевые транзисторы типа BSS101 заменялись аналогичными импортными транзисторами типа BS170, но могут быть применены и отечественные КП501А. Вместо транзисторов типа ВС547С можно использовать в схемах отечественные транзисторы, например, КТ3102Б, КТ315Г или аналогичные. Максимальный постоянный рабочий ток этих транзисторов составляет 100 мА.
Литература
1.  Prabakaran D. Incandescent lamp flasher // Eiektor. - 2009. - №12. - P.56-57.
2.  Rainer Schuster. Simple LED Constant Current Source // Elektor. - 2010. - №7/8.
3.  Григорьев О.П. и др. Транзисторы (справочник). - М.: Радио и связь, 1989. - С.76.
РА 2'2014