СИНТЕЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

ОБЗОР ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Классификация устройств светодинамической индикации

Светодинамические установки (СДУ), описания которых часто встречаются на страницах радиотехнической литературы, по архитектуре построения можно условно разделить на три группы. Первая группа - это устройства, в которых реализован ограниченный набор эффектов при относительно небольших аппаратных затратах, вторая группа - более сложные по архитектуре устройства с использованием ИМС памяти типа РПЗУ, третья группа – СДУ на микроконтроллерах. Применение устройств второй и третьей групп позволяет получить большое многообразие светодинамических эффектов. Реализация устройств первого типа не вызывает затруднений, в то время как изготовление СДУ второй группы требует применения специальных программаторов.

Как показывает практика эксплуатации светодинамических устройств, эстетический визуальный эффект создают именно устройства с "запрограммированным" алгоритмом, а не сформированным случайным образом с использованием генератора случайных чисел (ГСЧ). Поэтому устройства на основе ГСЧ можно не рассматривать в данной классификации.

Второй недостаток заключается в том, что в любом из указанных случаев набор светодинамических эффектов жестко фиксирован. Поэтому, если в устройствах на основе РПЗУ можно изменить набор эффектов путем перепрограммирования микросхемы памяти с использованием программатора, то в устройствах на основе жесткой логики, в которых заложен фиксированный алгоритм, это вообще невозможно. Неограниченное число световых эффектов доступно лишь автоматам на базе ПЗУ и МК, но для запуска таких приборов в действие пользователь должен располагать компьютером и программатором.

Третьим недостатком можно назвать возможность управления только ограниченным набором светоизлучающих элементов (светодиодов, ламп накаливания), поскольку на каждый элемент приходится один сигнальный провод.

Схемы-аналоги

1) Переключатель гирлянд.

Рисунок 1.1 – Переключатель гирлянд

Схема первого переключателя представлена на рис. 1. Это устройство управляет двумя гирляндами, состоящими из малогабаритных светодиодов красного и зеленого цветов, и предназначено для украшения небольшой новогодней елки.

На транзисторах VT1, VT2 собран симметричный мультивибратор, частота переключения которого определяется номиналами резисторов R1 — R4 и конденсаторов Cl, C2. Для указанных на схеме номиналов этих элементов частота составляет около 1 Гц. В коллекторные цепи транзисторов включены две гирлянды из светодиодов HL1 — HL32. Диоды VD1, VD2 и резисторы Rl, R4 необходимы для обеспечения перезарядки конденсаторов С1 и С2. Источник питания переключателя гирлянд выполнен по схеме однополупериодного выпрямителя на диоде VD3 с использованием балластного конденсатора С4 для гашения напряжения. Диод VD4 необходим для перезарядки конденсатора при положительной волне (относительно нижнего по схеме провода сети) напряжения, резистор R6 ограничивает импульс тока при включении устройства в сеть, когда конденсатор разряжен. Через резистор R5 конденсатор С4 разряжается после выключения устройства из сети. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются конденсатором СЗ. Стабилитрон в блоке питания отсутствует, а напряжение на элементах мультивибратора ограничивается напряжением на включенной гирлянде светодиодов, т.е. светодиоды выполняют функцию стабилитронов. Поскольку в любой момент времени обязательно включена одна из двух гирлянд, напряжение на конденсаторе СЗ не может превысить напряжение на светящейся гирлянде.

Достоинство схемы: простота реализации.

Недостатки схемы: маленькая выходная мощность, наличие всего одного режима переключения гирлянды.

2) Автоматический переключатель гирлянд.

Данная схема довольно проста, но и она реализует достаточно большое количество световых эффектов, таких как «бегущая тень», «бегущий огонь», «попарное включение», «поочерёдное включение и гашение» и т.д.

Рисунок 1.2 – Автоматический переключатель гирлянд

Основа устройства - четырехразрядный регистр сдвига с параллельной загрузкой К555ИР16. Узел управления регистром состоит издвоичного счетчика К555ИЕ7 и логических элементов DD1.3 и DD3.1. Эффект "бегущих огней" достигается в одну сторону за счет обычного сдвига кода в регистре, в обратную - параллельной записью в регистр его на один разряд.

Задающий генератор автомата собран на элементах DD1.1 и DD1.2. Частота импульсов 3-4Гц. Её можно изменить подбором R1 И С1. Автомат может управлять не только светодиодами, но и лампами питающимися от сети. Для этого их надо подключить по следующей схеме.

Рисунок 1.3 – Схема включения ламп, питающихся от сети

Рассмотрим особенности работы этого устройства. На инвертирующий вход компаратора DA2 поступают пилообразные импульсы с частотой, равной двойной частоте сети. На неинвертирующий вход компаратора поступают треугольные импульсы инфранизкой частоты, которые формирует генератор, собранный на логических элементах микросхемы DD1. Элементы D1.1, DD1.2 и резисторы R10, R11 образуют триггер Шмитта, входящий в состав генератора. Допустим, на выходе логического элемента DD1.3 действует напряжение высокого уровня, а конденсатор С4 разряжен. В этом случае через диод VD5 и резистор R11 конденсатор С4 будет заряжаться, а напряжение на нем будет увеличиваться. Когда оно достигнет верхнего порога переключения триггера Шмитта, последний переключится в противоположное состояние, и на выходе элемента DD1.3 установится напряжение низкого уровня. Теперь конденсатор С4 будет разряжаться через открывшийся диод VD4 и резистор R10. При уменьшении напряжения до нижнего порога переключения триггер Шмитта вновь переключится в противоположное состояние, и процесс формирования импульса повторится. В результате на конденсаторе С4 форма напряжения будет близка к треугольной. Воздействие этого напряжения на неинвертирующий вход компаратора приводит к формированию на выходе компаратора импульсов тока изменяющейся скважности; эти импульсы тока, протекая через цепь управляющего электрода симистора VS 1, изменяют яркость ламп гирлянды (они подключены к гнездам "Нагрузка") от минимальной до максимальной и наоборот.

Стабилитрон VD3 необходим для того, чтобы "приподнять" пилообразное напряжение до уровня, соответствующего нижнему порогу переключения триггера Шмитта. В качестве микросхемы DA2 можно использовать, помимо указанной на схеме, компараторы типа К521САЗ. При использовании компараторов других типов придется применить усилитель тока выходного каскада. Транзисторы VT1, VT2 могут быть любыми структуры n-р-n. Замена остальных радиодеталей, думается, не вызовет затруднений.

Настройка устройства состоит в регулировании подстроечными резисторами R10 и R 11 скоростей зажигания и гашения ламп гирлянды.

Достоинства схемы: Больше режимов, чем у первой схемы, но меньше чем у нашей схемы, есть режимы, когда все огни горят либо все погашены, т.е. в этом случае нет никакого бегущего огня.

Недостатки схемы: Схема управления выходными тиристорами не предусматривает стробирования импульсов управления сигналом нулевого напряжения сети, т.о. переключатель создает помехи для электрооборудования, которые тем больше, чем мощнее нагрузка.

3) Автомат переключения гирлянды.

Предлагаемое устройство предназначено для плавного переключения обычной сетевой елочной гирлянды с часто той 0,2…2Гц. Яркость свечения ламп можно регулировать. Предполагается использование гирлянды напряжением питания 220В, мощностью не более 100 Вт. Принципиальная схема автомата переключения изображена на рис.1. Частотой переключения управляет мультивибратор, собранный на элементах DD1.3, DD1.4. Сдвиг момента открывания тиристора VD6 о т начала полупериода сетевого напряжения происходит из-за задержки переключения инверторов на логических элементах DD1.1 и DD1.2, формируемой цепью R6, R7, R9, С3. В каждом полупериоде напряжения сети конденсатор С3 медленно заряжается через резисторы R5, R6, R7 и быстро разряжается после переключения элементов DD1.1, DD1.2 через диод VD10 и открывшийся тиристор VD6.

Рисунок 1.4 – Автомат переключения гирлянды

Начальный сдвиг фазы напряжения, определяющий яркость свечения ламп гирлянды, устанавливают подстроечным резистором R6. Желаемую часто ту переключения мультивибратора устанавливают подстроечным резистором R8. Конденсатор С4 лучше всего выбрать неполярным. Допускается применение оксидного конденсатора с малым током утечки. При налаживании устройства следует помнить, что его элементы находятся под напряжением сети. Сначала отключают один из выводов диода VD11 и налаживают регулятор мощности так, что бы при перемещении движка резистора R6 освещенность ламп гирлянды изменялась от нуля до номинальной. После подключения диода VD11 подстроечным резистором R8 устанавливают желаемую частоту переключения гирлянды. Подстроечным резистором R9 добиваются, что бы конденсатор С2 успевал полностью заряжаться за полупериод переключения мультивибратора; это обеспечивает плавность переключения гирлянды. При необходимости мощность гирлянды может быть увеличена. Для этого тиристор КУ202К должен быть установлен на тепло отводящий радиатор, а диоды моста заменены на поддерживающие соответствующий ток нагрузки (их так же придется у становить на радиаторы). Если же вместо тиристора использовать симистор КУ208, то диодный мост вообще не потребуется, а мощность гирлянды может быть доведена до 2 к Вт. Приведенная схема реализует простейший световой эффект – плавное мигание ламп. Она является одной из самых примитивных конструкций автоматов световых эффектов.

Достоинство схемы: простота реализации.

Недостатки схемы: Управление всего одной гирляндой, отсутствие световых эффектов, а лишь мигание, схема создает помехи для других электроустройств.

4) «Дирижер иллюминации».

Многообразные световые эффекты для праздничной иллюминации позволяет создавать программируемая светодинамическая установка (ПСДУ). В ней вместо микросхем с жесткой логикой использовано постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Прибор может коммутировать 8 различных устройств по 32 программам, состоящим из 16 тактов. Причем возможны следующие варианты управления: фиксированный выбор (нажаты кнопки «Р» - «ручной режим» и одна из программ с обозначениями «1», «2», «4», «8», «16»); автоматическая смена программ, начиная с любой фиксированной (кнопка «Р» отжата - автоматический режим); дискретная смена времени повторения каждой программы ( кнопка «n»); ручная смена направления движения программ (тумблер «реверс»); автоматический реверс (тумблер «реверс» в среднем положении); изменение скорости движения программ (ручка «частота»); остановка программы (кнопка «S»); регулировка яркости свечения ламп экрана (ручка «яркость»).

Рассмотрим блок-схему ПСДУ (рис. 1.5).

I – генератор импульсов;

II – счетчик тактов;

III – счетчик программ;

IV – счетчик количества повторений;

V – устройство реверса;

VI – ПЗУ;

VII – узел коммутации и индикации;

VIII – экран;

IX – регулятор яркости.

Рисунок 1.5 – Блок-схема программируемой светодинамической установки

Принципиальная схема устройства представлена на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 – Принципиальная схема ПСДУ (резисторы R7, R15 опущены)

В ПЗУ хранятся 32 программы по 16 тактов. С каждым импульсом, приходящим с генератора, меняется выходной код счетчика тактов. Соответственно меняется выходной код ПЗУ. Через каждые 16 тактов на счетчик количества повторений и устройство реверса приходит импульс, увеличивающий состояние первого и изменяющий действие второго. В результате направление счета счетчика тактов изменяется на противоположное, и ячейки ПЗУ опрашиваются в обратном порядке, приводя к смене изображений на экране. Когда состояние счетчика количества повторений достигает значения, заданного переключателем программ, счетчик программ увеличивает свое состояние на 1, вызывая тем самым новую программу, записанную в ПЗУ.

Действует ПСДУ следующим образом. На логических элементах DD2.1 и DD2.2 (рис. 1.6) выполнен генератор прямоугольных импульсов. Частоту их следования можно плавно менять переменным резистором R4. С генератора импульсы поступают на двоичный реверсивный счетчик DD4, и далее с его выхода информация приходит на ПЗУ. Когда счетчик тактов досчитывает до 15, на выходе переноса Р появляется импульс, который через счетчик количества повторений DD1 поступает непосредственно на тактовый вход микросхемы DD5 счетчика программ. Счетчик программ выполнен на МС DD5 и триггере DD3.2. Входным кодом ПЗУ, определяемым счетчиками тактов (DD4) и программ (DD5, DD3.2), задается состояние его выходов. Рассмотрим возможности управления направлением «бега» огней. Если переключатель SA1 находится в нижнем по схеме положении, на выходе триггера DD3.1, соединенного со входом +1 DD4, присутствует логическая I, что соответствует прямому направлению счета. В верхнем положении SA1 реализуется обратный счет. В среднем положении того же переключателя импульсы поступают со счетчика количества повторений (DD1), и на триггере DD3.1 попеременно будут появляться логические 0 и 1 - направление «бега» периодически меняется. Возможны два режима выбора программ. В ручном фиксируется одна из 32 программ, номер которой в двоичном коде задается положением кнопок SB1 - SB4, SB6. При отпускании кнопки SB5 осуществляется автоматический перебор программ, начиная с номера, установленного SB1 - SB4, SB6.

Достоинства схемы: схема реализует широкий спектр световых эффектов, возможность ручного управления и автоматической смены программ, невысокая стоимость элементной базы.

Недостатки схемы: сложность управления (панель управления непонятна обычному пользователю), отсутствует защита от наведения помех в электрической сети.

СИНТЕЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ