Вам понадобятся:
- Макетная плата.
- Паяльник-карандаш мощностью 15 Вт.
- Тонкий припой диаметром 0,6 мм или около того.
- Инструмент для снятия изоляции и кусачки.
- Простая перфорированная плата (без медных протравленных проводящих соединений между отверстиями).
- Небольшие тиски или струбцина для удерживания вашей перфорированной платы.
- Резисторы различного номинала.
- Конденсаторы электролитические емкостью 100 мкФ и 220 мкФ, по одному каждого номинала.
- Красный светодиод диаметром 5 мм, с прямым напряжением около 2 В.
- Программируемый однопереходный транзистор 2N6027.
В вашей первой схеме с использованием однопереходного транзистора для генератора низкой частоты, который заставлял мигать светодиод дважды каждую секунду. Мигания выглядели очень «электронными», под которыми я имею в виду то, что свечение светодиода было типа «включен/выключен» без постепенного перехода между этими состояниями. Мне кажется, что мы сможем модифицировать эту схему так, чтобы сделать мигания светодиода более плавными и интересными, как предупреждающее мигание компьютера Apple MacBook, когда он переходит в «спящий» режим. Мне кажется, что что-то подобное можно использовать в качестве украшения одежды, если оно будет достаточно небольшое и элегантное.
Я также думаю, что этот первый проект с использованием пайки будет служить трем другим целям. Это приведет к проверке и закреплению ваших навыков соединения проводов, научат вас выполнению навесного монтажа на перфорированной плате, а также даст вам некоторые дополнительные знания о том, каким образом могут быть использованы конденсаторы для настройки временных параметров.
Посмотрите снова на исходную монтажную схему эксперимента 11 (см. рис. 1). Освежите вашу память, вспомнив, каким образом она работает. Конденсатор C1 через резистор R1 заряжается до тех пор, пока не достигнет достаточного напряжения, которое преодолеет внутреннее сопротивление однопереходного транзистора Q1 и через него потечет ток. В результате через открытый транзистор Q1 конденсатор C1 разряжается, а светодиод вспыхнет.
Если вы нарисуете график зависимости изменения яркости свечения светодиода во времени, то увидите узкий прямоугольный импульс, такой как на рис. 1. Можем ли мы сделать его таким, чтобы он был похож на более пологую кривую (рис. 2), когда светодиод включался и выключался постепенно, подобно сердцебиению?
Одна вещь является очевидной: в течение каждого цикла светодиод должен светить ярче. Поэтому нам потребуется более высокое напряжение питания. Это означает, что конденсатор, показанный на рис. 3, должен обладать большей емкостью.
Рис. 1. График зависимости яркости свечения светодиода во времени
Рис. 2. Схема генератора на базе однопереходного транзистора в эксперименте 11 заставляет мигать светодиод короткими резкими вспышками. График на рис. 1 показывает, что мы могли бы получить, если провести измерения яркости светодиода во времени. На этом рисунке показано более плавное начало и окончание каждой вспышки. Для реализации этого эффекта могут быть использованы конденсаторы
Рис. 3. Первый шаг по направлению создания эффекта плавного мигания это использование в качестве конденсатора C1 большой емкости и его разряда через резистор R4. Для достаточно быстрого разряда конденсатора потребуется резистор с относительно небольшим сопротивлением. R1 — резистор c сопротивлением 33 кОм; R2 — резистор c сопротивлением 1 кОм ; R3 — резистор c сопротивлением 1 кОм; R4 — резистор c сопротивлением 1 кОм; C1 — электролитический конденсатор емкостью 100 мкФ; Q1 — однопереходный транзистор 2N6027
Когда мы будем использовать конденсатор большей емкости, то он будет заряжаться в течение большего времени. Чтобы увеличить частоту мигания светодиода, нам потребуется резистор R1 с меньшим сопротивлением, чтобы заряжать этот конденсатор достаточно быстро. Дополнительно мы должны уменьшить значения сопротивлений резисторов R2 и R3, чтобы однопереходный транзистор делал импульс более длительным.
Более важно то, что я хочу разряжать конденсатор через резистор таким образом, чтобы это происходило постепенно, а не одномоментно. Следует помнить, что, когда резистор подключен последовательно с конденсатором, конденсатор не только более медленно заряжается, но и разряжается более медленно.
З рис. 3 показаны все эти три особенности. Сравните их с рис. 6 эксперимента 11. Теперь сопротивление резистора R1 33 кОм вместо 470 кОм. Сопротивления резисторов R2 и R3 уменьшены до 1 кОм. Сопротивление резистора R4 также становится равным 1 кОм, что увеличивает время разряда конденсатора через него. Кроме этого, конденсатор C1 теперь становится 100 мкФ вместо прежних 2,2 мкФ.
Соберите эту схему на макетной плате и сравните результаты с теми, которые будут получены при включенном и при закороченном резисторе R4. Это несколько сглаживает импульс, но мы можем продолжить работу по его дальнейшему сглаживанию. На выходе однопереходного транзистора мы можем добавить другой конденсатор. Он будет заряжаться от импульса, который возникает на выходе однопереходного транзистора Q1, а затем постепенно разряжаться через другой резистор R5, поэтому светодиод будет гаснуть более медленно.
З рис. 4 показана соответствующая электрическая схема. Конденсатор C2 имеет большую емкость — 220 мкФ, поэтому он относительно быстро заряжается от импульса, поступающего от транзистора Q1, а затем постепенно разряжается через резистор R5 с сопротивлением 330 Ом и светодиод. Вы заметите, что поведение светодиода будет несколько другим. Он теперь вместо быстрого выключения будет постепенно гаснуть. Однако сопротивления, которые я добавил, приведут к тому, что свечение светодиода становится менее интенсивным, поэтому я должен увеличить напряжение источника питания с 6 до 9 В.
Рис. 4. Вторым шагом к достижению более плавного мигающего эффекта является использование дополнительного конденсатора C2, который быстро заряжается каждым импульсом от транзистора Q1, а потом медленно разряжается через резистор R5 и светодиод. Те же самые компоненты, что и ранее, плюс: R5 — резистор с сопротивлением 330 Ом; C2 — электролитический конденсатор емкостью 220 мкФ. Напряжение питания увеличено до 9 В.
Помните, что конденсатор создает эффект сглаживания только в том случае, если один из его выводов подключен к отрицательному выводу источника питания. Присутствие отрицательного заряда на этой обкладке конденсатора приводит к притягиванию положительного заряда к другой.
Мне нравится внешний вид такого пульсирующего свечения светодиода. Я могу себе представить небольшое электронное ювелирное украшение для одежды, которое будет пульсировать таким чувственным образом (рис. 5), сильно отличающимся от резко обрывающегося и возникающего на короткое время свечения, вызываемого схемой простого генератора. Единственная проблема, которая здесь возникает — это компактная упаковка всех компонентов схемы, такая, чтобы корпус устройства мог быть достаточно мал для того, чтобы можно было его носить.
Рис. 5. Такое мигающее устройство с частотой сердцебиения ночью в сельской местности может быть непредсказуемо привлекательным.
Изменение размеров схемы
В качестве первого шага для этого следует взглянуть на физические размеры всех компонентов схемы и представить, как их можно разместить в небольшом объеме. На рис. 6 показан пример трехмерного изображения компактного расположения компонентов. Тщательно проверьте эту компоновку, определив все пути соединений, и вы увидите, что все здесь выполнено в соответствии со схемой. Проблема состоит в том, что, если компоненты спаять представленным образом, то они не будут достаточно прочно зафиксированы. Все соединительные провода могут легко сгибаться, и поэтому не существует очень простого способа для монтажа схемы.
Рис. 6. Такая компоновка компонентов полностью повторяет их подключение на изображении схемы, и при этом они размещены в очень малом объеме.
Ответ состоит в том, чтобы разместить все компоненты на некоторой основе, которая является одним из тех элементов, которыми предпочитают пользоваться люди, занятые в электронике, возможно потому, что тогда монтаж выглядит более солидно, чем «макетная плата». Перфорированная плата это именно то, что нам нужно. На рис. 7 показаны компоненты, перенесенные на кусок такой платы размером всего лишь 25×10 мм.
Рис. 7. Перфорированная плата может быть использована для крепления и компоновки компонентов. Для создания работающей схемы выводы компонентов под платой припаиваются друг к другу. На рисунке в середине пунктирными линиями показано расположение выводов элементов на обратной стороне платы. На рисунке внизу представлена обратная сторона платы после переворачивания ее слева направо. Небольшие кружки показывают те места, где должны быть выполнены соединения пайкой
На центральном варианте изображения платы штриховыми линиями показано каким образом компоненты будут соединены друг с другом. Большинство выводов компонентов схемы, которые выходят на нижнюю сторону перфорированной платы, по своей длине достаточны для выполнения таких соединений.
Наконец на нижнем изображении показана перфорированная плата после ее переворота обратной стороной слева направо (следует заметить, что для изображения обратной стороны платы я использовал более темные цвета). Небольшие кружки на этом изображении показывают те места, где должны быть выполнены соединения пайкой.
Светодиод должен быть легко отсоединяем, поскольку вы можете захотеть сделать так, чтобы светодиод находился на некотором.
расстоянии от платы. Точно также должен легко отсоединяться и источник питания. К счастью, мы имеем возможность купить миниатюрные разъемы, которые устанавливаются прямо в перфорированную плату. Вы можете обратиться к одному из крупных розничных поставщиков в Интернете для приобретения таких разъемов. Некоторые производители называют их «однорядными линейками гнезд и штырьков», в то время как другие называют «однорядной многоконтактной колодкой гнезд или штырьков для установки на плату». Посмотрите на приведенный раніше и проверьте список необходимых закупок компонентов для выполнения экспериментов в данной главе.
Это достаточно компактное размещение элементов схемы, которое требует внимательной работы, исполняемой с помощью паяльника-карандаша. Поскольку отрезок перфорированной платы настолько мал, что ее будет трудно удержать, я предлагаю вам использовать миниатюрные тиски, чтобы зафиксировать в них плату, которую тем не менее можно будет легко поворачивать.
Когда выполняются такого рода проекты, я люблю устанавливать плату (с присоединенными тисками) на мягкий кусок полиуретановой губки — это тип уплотнения, который обычно используется в качестве набивки для мягких кресел. Губка защищает компоненты от повреждения, когда плата находится в перевернутом состоянии, а также помогает предотвратить перемещение платы непредсказуемым образом.
Шаг за шагом
Далее приведена последовательность изготовления и монтажа схемы на приведенной плате.
- Отрежьте небольшой кусок перфорированной платы от листа, на котором нет медных контактирующих дорожек. Вы можете отрезать такой кусок платы, используя пилку для ручного творчества, или попробовать сломать плату вдоль линии перфорированных отверстий, если будете при этом очень аккуратны. В качестве альтернативы следует использовать готовую к изготовлению перфорированную плату с медными контактными кружками на ней, которые однако не имеют между собой соединений. В этом проекте вы можете использовать простейшую перфорированную плату даже без медных контактных кружков. (В следующем эксперименте вы будете иметь дело с дополнительной возможностью выбора в изготовлении соединений между компонентами и медными перемычками на перфорированной плате.)
- Подберите все компоненты и аккуратно вставьте их через отверстия на плату, подсчитывая отверстия, чтобы убедиться, что все компоненты установлены правильно (рис. 3.61). Переверните плату и загните выводы компонентов, чтобы закрепить их таким образом на плате и создать линии соединения, которые показаны на рисунке (рис. 3.62). Если некоторые из выводов компонентов недостаточно длинные, то вы можете удлинить их, чтобы добавить дополнительный отрезок одножильного провода 22 AWG (0,64 мм). Вы можете снять с провода всю изоляцию, поскольку он будет установлен на перфорированную плату в той части, где находится пластик, т. е. изолятор.
- С помощью кусачек откусите лишние части выводов и провода. Летающие куски провода
Губки ваших кусачек, сдавливая провода или выводы компонентов, создают значительное усилие, которое нарастает, а затем внезапно уменьшается до нуля, когда провод перекусывается. Это усилие может быть трансформировано в неожиданные отскакивания отрезанного куска провода или вывода. Некоторые из них являются относительно мягкими и не представляют особой опасности, но более жесткие, твердые провода могут улетать в непредсказуемом направлении с высокой скоростью и, следовательно, могут повредить ваши глаза. В этом отношении особенно опасны выводы транзисторов.
Я думаю, что при откусывании выводов и проводов было бы неплохой идеей одевать защитные очки. - Выполните все соединения паяльником-карандашом. Нужно помнить, что это схема, в которой вы всего лишь соединяете выводы друг с другом. Компоненты находятся так близко друг к другу, что у них нет возможности перемещаться вблизи места установки. Если вы используете плату с медными площадками (что в данном примере делал и я), то некоторые паяные соединения с ними будут обеспечивать нормальное крепление компонентов, не приводя к пересечению выводов друг с другом и не создавая короткое замыкание между ближайшими компонентами.
- Проверьте соединения путем их осмотра с помощью увеличительной лупы, а затем попробуйте их прочность тонкогубцами. Если припоя недостаточно для выполнения по-настоящему прочного соединения, то надо подогреть соединение и добавить еще припоя. Если припой создал контакт, которого в данном месте быть не должно, то следует использовать универсальный нож для того, чтобы сделать параллельные разрезы в припое, чтобы убрать небольшую часть припоя между ними.
Обычно я устанавливаю три или четыре компонента, откусываю выводы, оставляя примерно необходимую их длину, затем припаиваю выводы друг к другу, откусываю выводы окончательно, затем делают паузу, чтобы проверить прочность соединения и место его расположения. В случае последовательного припаи-вания большого количества компонентов возникает большая вероятность пропуска плохого соединения, и, если я делаю ошибку при установке какого-либо компонента, то возвращение ситуации в исходное состояние будет гораздо более проблематичным, если я уже добавил много компонентов вокруг него.
З рис. 8 і 9 показан пример реализации данного проекта, который я выполнял до того, как обрезал плату до минимального размера.
Рис. 8. Компоненты, установленные на отрезке перфорированной платы
Рис. 9. Собранная схема на плате — вид с обратной стороны. Медные контактные кружки вокруг каждого отверстия платы не являются обязательными для данного проекта. На некоторые из них попадает какое-то количество припоя, но это не имеет значения, поскольку при этом не создаются неумышленные короткие замыкания.
Завершение работы
Я всегда пользуюсь сильным освещением; это не дань роскоши, это необходимость. Купите дешевую настольную лампу, если у вас еще нет такой. Я использую флуоресцентную лампу со спектром, который близок к спектру дневного освещения, поскольку это помогает мне лучше идентифицировать цветные полоски на транзисторах. Следует помнить, что такого типа лампы излучают достаточно сильно ультрафиолетовые лучи, которые не очень хороши для хрусталиков ваших глаз. Следует избегать смотреть на лампу прямо и с близкого расстояния, и если вы наденете очки, то только они будут обеспечивать дополнительную защиту.
Вне зависимости от того, насколько у вас хорошее зрение на близком расстоянии, вам все равно для проверки понадобится рассмотреть каждое соединение с помощью увеличительной линзы. Вы будете удивлены, насколько несовершенны эти соединения. Удерживайте увеличительное стекло максимально близко вблизи вашего глаза, затем направьте его на объект, который надо изучить, а затем приближайтесь к объекту, чтобы сфокусироваться на нем.
В конце концов, вы должны закончить монтаж рабочей схемы. Вы должны вставить провода от вашего источника питания в два маленьких гнезда разъема, которые предназначены для подачи питающего напряжения, а затем установить красный светодиод в оставшихся два гнезда. Помните, что два центральных гнезда имеют отрицательный потенциал, а два наружных гнезда положительный, они расположены так, поскольку в этом случае компоненты схемы легче соединить проводами. Вы должны выполнить цветную кодировку проводов, чтобы избежать ошибок.
Итак, вы наконец собрали небольшую схему, которая генерирует световые импульсы с частотой, подобной пульсациям сердца. Или нет? Если у вас появились трудности при выполнении этой работы, то надо проверить правильность всех соединений и сравнить их со схемой. Если вы не найдете ошибки, то на схему надо подать напряжение питания, затем присоединить черный общий провод вашего мультиметра к отрицательному выводу источника питания, а затем другим измерительным щупом красного цвета проверить напряжение в разных точках схемы. При работающей схеме на каждом ее компоненте должно наблюдаться хотя бы минимальное падение напряжения. Если вы найдете обесточенное соединение (когда на разных выводах компонента имеется одинаковое значение напряжения), то может быть вы сделали плохую пайку или не выполнили ее вообще.
Наконец-то вы все сделали, что дальше? Хорошо, теперь вы можете прекратить свое пребывание в образе любителя электронных схем и заняться художественным промыслом. Вы можете попытаться придумать каким образом сделать так, чтобы это устройство можно было бы носить.
Сначала вы должны подумать об источнике питания. Поскольку вы применяли компоненты, которые использовал и я, то вам также понадобится источник с напряжением питания 9 В. Итак, требуемое напряжение питания можно получить от достаточно объемной 9-вольтовой батарейки, а как же тогда носить такое громоздкое устройство? Я думаю, что на этот вопрос имеется три ответа.
- Вы можете положить батарейку в карман и установить «мигалку» за пределами вашего кармана, соединив их тонким проводом под одеждой. Следует помнить, что небольшой разъем для подачи напряжения на перфорированную плату пригоден для подключения с помощью проводов 22 AWG, если они имеют одну или множество плетеных жил (как провода, идущие от разъема для батарейки 9 В), но при этом покрытых тонким слоем припоя.
- Вы можете установить батарейку внутри верхней части бейсболки, но с «мигалкой» на козырьке.
- Вы можете соединить вместе три 3-вольтовые пальчиковые батарейки в один блок, закрепив их пластиковой стяжкой. Если вы попробуете таким образом решить проблему, то это не слишком хорошее решение, поскольку придется припаивать провода к батарейке. Вам нужно будет подогревать химические реактивы внутри батарейки, что может оказаться не слишком полезным для них, а также не слишком полезным для вас, если эти реактивы закипят и батарейка взорвется. Кроме того, припой плохо скрепляется с металлическими выводами батареек.
Большинство светодиодов создают четко очерченный пучок света, который вы можете захотеть сделать более размытым для более предпочтительного внешнего вида. В качестве одного из способов можно использовать кусок акрилового пластика толщиной не менее 6,5 мм, как это показано на рис. 8. Обработка наждачной бумагой лицевой поверхности акрила с помощью шлифовальной машинки не будет оставлять заметных следов. Обработка наждачной бумагой сделает акрил более замутненным, чем прозрачным.
Рис. 8. Это поперечное сечение листа прозрачного акрилового пластика, в котором просверлено несквозное отверстие с обратной стороны. Поскольку сверло создает дно конической формы, а светодиод имеет закругленный корпус, то перед установкой светодиода в отверстие следует добавить немного прозрачного эпоксидного клея или силиконового герметика.
Высверлите полость с обратной стороны акрила сверлом, диаметр которого несколько больше диаметра светодиода. Будьте аккуратны, не следует просверливать пластик насквозь. Удалите все фрагменты и пыль из полости сжатым воздухом или промойте эту полость, если у вас нет компрессора. После того как полость полностью высушена внесите в нее немного силиконового герметика или некоторое количество прозрачного эпоксидного клея, который затвердевает в течение 5 мин. Затем вставьте светодиод, вдавив его таким образом, чтобы клей несколько выступил наружу, сделав герметичное соединение (см. рис. 8).
Попробуйте включить светодиод и, если это потребуется, дополнительно обработайте поверхность шкуркой. В заключение вы можете решить куда установить схему — на заднюю часть акрилового пластика или протянуть провод куда-либо еще.
Поскольку светодиод будет мигать примерно с частотой сердцебиения человека, во время его отдыха, то это может выглядеть, как измерение пульса, особенно, если вы установите его в середине груди или на запястье. Если вам нравится вводить людей в заблуждение, то вы можете продемонстрировать, что находитесь в отличной форме, поскольку частота вашего пульса будет оставаться постоянной даже при энергичном выполнении физических упражнений.
Чтобы сделать привлекательный внешний вид корпуса для схемы, я могу предложить варианты от заливки всей схемы эпоксидной смолой до поиска соответствующего медальона Викторианской эпохи. Я оставляю вам возможность поразмышлять над альтернативными вариантами, поскольку мы занимаемся электроникой, а не художественными промыслами.
Однако я хочу задать вам один заключительный вопрос: «как же долго будет мигать ваше устройство?»
Если вы обратитесь к следующему разд. «Важные сведения — Срок службы батарейки», то обнаружите, что обычная 9-вольто-вая батарейка должна поддерживать мигание светодиода в течение примерно 50 час.
|
Важные сведения |
Срок службы батарейкиКаждый раз при завершении схемы, питание которой вы собираетесь осуществлять от батарейки, вам может понадобиться расчет вероятного срока службы батарейки. Сделать это достаточно легко, поскольку производители указывают емкость батареек в соответствии с «ампер-часами», которые они могут выдавать. Имейте в виду следующее:
Таким образом теоретически 1 А-час означает, что батарейка может выдавать ток в 1 А в течение 1 часа или ток 0,1 А в течение 10 часов или 0,01 А в течение 100 часов и т. д. На практике все не так просто, как кажется, поскольку химические вещества внутри батарейки расходуются гораздо быстрее, когда они выдают больший по величине ток, особенно, если батарейка при этом нагревается. Вы будете ограничены предельными значениями, которые определяются физическими размерами батарейки. Например, если у вас есть маленькая батарейка на 0,5 А-час, то вы не можете ожидать получить от нее ток величиной 30 А в течение даже одной минуты. Но будете в состоянии получить 0,005 А (т. е. 5 мА) в течение 100 часов без проблем. При этом следует помнить, что напряжение, которое выдает батарейка, будет несколько больше номинального значения, когда она свежая, но по мере использования оно будет уменьшаться и в конце концов станет меньше номинального значения. В соответствии с некоторыми данными испытаний, которым я доверяю (я думаю, они несколько более реалистичны, чем оценки производителей батареек), для типичных батареек справедливы следующие цифры.
|
Автор: Чарльз Платт
