Глава 3 Датчики и индикаторы
3.1. Электронные часы на ЖКИ
В современной электронной технике используется, в основном, только три типа индикаторов: светодиоды, вакуумные электролюминесцентные лампы и жидкокристаллические индикаторы (сокращенно — ЖКИ). Наибольшее распространение получили ЖКИ, что неудивительно: по сравнению с остальными типами индикаторов, они почти идеальны по электрическим характеристикам.
Светодиодные индикаторы имеют низкое напряжение питания (1,5…3,5 В), что удобно, однако их потребляемый ток довольно велик (2…20 мА), и это практически «ставит крест» на их использовании в современной микромощной радиоэлектронной аппаратуре.
У всех электронных ламп есть нить накала, потребляющая значительный ток (десятки миллиампер при напряжении единиц вольт, к тому же для управления ими нужно довольно высокое напряжение (12…18 В). И только ЖКИ при рабочем напряжении 3…5 В потребляют малые токи в доли микроампера.
Управляются они переменным напряжением, но для современной техники это — не проблема. В отличие от всех остальных индикаторов, ЖКИ практически не чувствительны к электрическим перегрузкам. И еще одна особенность: если светодиоды и ламповые индикаторы излучают свет, то ЖКИ наоборот поглощают. В итоге при ярком свете разобрать информацию на первых двух типах индикаторов очень сложно — свет «забивает» их неяркое свечение; ЖКИ в таких случаях читаются идеально (имеются в виду монохромные ЖКИ). В темноте ЖКИ не видны, но это легко исправить, добавив подсветку — хотя бы на светодиодах или лампах накаливания.
3.1.1. Электрическая схема электронных часов на ЖКИ
Жидкокристаллический индикатор представляет собой две плоские пластинки из стекла, склеенные по периметру таким образом, чтобы между стеклами оставался промежуток, его заполняют специальными жидкими кристаллами.
На обеих пластинах специальным веществом, которое прозрачно и проводит электрический ток, нарисованы собственно сегменты индикатора. Обычно одна из пластинок выполняет роль общего провода.
Жидкокристаллические индикаторы работают с поляризованным светом — для этого с обеих сторон индикатора наклеены специальные пленочные поляризаторы. В зависимости от взаимного расположения поляризаторов, ЖКИ может быть позитивным (темные символы на светлом фоне — как в часах, микрокалькуляторах) и негативным (прозрачные символы на черном фоне — используются в автомобильных магнитолах). Жидкие кристаллы, при отсутствии протекающего через них тока, располагаются внутри индикатора хаотическим образом, и практически не перекрывают свет, т. е. все сегменты прозрачны. При возникновении между какими-нибудь сегментами на обеих сторонах стекла разности потенциалов, жидкие кристаллы в этом месте упорядоченно выстраиваются поперек светового потока, перекрывая его, и соответствующий сегмент становится непрозрачным. Причем, изменяя величину приложенного напряжения, можно изменять степень непрозрачности индикатора.
Жидкие кристаллы — диэлектрик, т. е. не проводят электрический ток. Поэтому управлять ими можно только переменным напряжением: ведь две обкладки ЖКИ-стекла — это практически конденсатор, а при подаче на выводы конденсатора переменного напряжения через него течет ток. Для жидких кристаллов нужен ничтожный ток, поэтому частота управляющего напряжения может быть довольно низкой (50…100 Гц). Сверху диапазона эта частота практически не ограничена, однако не рекомендуется делать ее выше 1 кГц — проводники, которыми нарисованы сегменты, имеют конечное сопротивление (обычно 1…10 кОм), поэтому при увеличении частоты контрастность индикатора будет ухудшаться. Заодно, благодаря этому сопротивлению, индикатор нечувствителен к перегрузкам по напряжению — он выдерживает напряжение до 30…50 В (при этом сегменты, иногда вместе с дорожками, чернеют, и после снятия напряжения становятся прозрачными в течение нескольких минут, в то время как все остальные индикаторы выходят из строя уже при двукратных перегрузках. Но все равно, несмотря на отсутствие видимых повреждений, слишком увлекаться перегрузками ЖКИ не стоит — это резко уменьшает ресурс его работы, в частности, снижает контрастность.
Для управления ЖКИ обычно используются логические элементы «Исключающее ИЛИ», один из входов всех элементов соединяют вместе и подключают к генератору и общему выводу ЖКИ, а на второй вход элемента подают управляющие сигналы. Как известно, эти элементы при уровне «логического нуля» на одном из входов работают как повторители уровня с другого входа (то есть разность напряжений между выходом элемента и общим индикатора равна нулю — сегмент не виден), а при «единице» — как инверторы, и соответствующий сегмент индикатора становится видимым. Таким образом, чтобы «засветить» сегмент, на вход элемента нужно подать «единицу».
Кроме того, для работы с ЖКИ удобно использовать микросхемы серии К176: К176ИЕ3 (счетчик-делитель на 2 и 6), К176ИЕ4 (счетчик-делитель на 4 и 10) и К176ИД2 или К176ИД3 (двоично-десятичные дешифраторы, только у К176ИД3 более мощные выходы). У всех этих микросхем на выходах уже стоят элементы «Исключающее ИЛИ», что значительно упрощает схему устройства.
На рис. 3.1 приведена схема несложных электронных часов, состоящих из минимума деталей. Для большего удобства в схему добавлен узел гашения нуля в разряде десятков часов.
На специализированной микросхеме К176ИЕ12 собран кварцевый генератор, в качестве кварцевого резонатора ZQ1 можно использовать любой «часовой» кварц. Частоту генератора можно скорректировать, изменяя емкость конденсатора С1. На выводе 4 микросхемы формируются секундные импульсы — они используются для моргания разделительной точки, на выводе 10 секундные импульсы уже разделены на 60. Таким образом получаются минутные импульсы. Они поступают на линейку счетчиков DD2…DD5: DD2 считает единицы минут, DD3 — десятки минут и т. д. На диоде VD2 и резисторе R8 собрана схема обнуления часов — как только часы досчитают до 24, на выходах 4 DD4 и 2 DD5 появятся уровни логической «1», которые обнулят все счетчики. Пока количество часов меньше 24, хотя бы на одном из этих выводов присутствует уровень логического «0», который запрещает сброс.
Так как у микросхемы DD1 нет сравнительно низкочастотного выхода, пришлось задействовать тактовые выходы T1…T4. На элементах R3 и VD1 собран простейший сумматор, благодаря которому в точке соединения этих элементов — правильный меандр частотой 256 Гц. Он используется для работы ЖКИ.
На элементах DD6.1, DD6.2 собрана схема управления десятичной точкой (все остальные точки и дополнительные сегменты должны быть соединены с общим проводом индикатора). Элемент DD6.2 выполняет функцию инвертора (при уровне логической «1» на управляющем входе он замкнут и подает уровень «0» на DD6.1, при «0» — разомкнут и на вход DD6.1 поступает «1» через резистор R4), элемент DD6.1, в зависимости от уровня на выходе «1 Гц», подает на сегмент «точка» то прямой, то инвертированный сигнал генератора, т. е. точка будет видна на протяжении 0,5 сек, а следующие 0,5 сек — нет.
Конечно, было бы проще собрать этот узел на одном элементе «Исключающее ИЛИ», однако собрать на оставшихся элементах схему гашения лишнего нуля будет невозможно, а вводить в схему лишнюю микросхему — логически неразумно.
Этот самый узел гашения нуля собран на элементах DD6.3 и DD6.4. Несложно заметить, что в старшем разряде сегмент f будет виден только при коде цифры 0, при кодах цифр 1 и 2 — этот сегмент не светится. Поэтому вполне логично будет задействовать этот выход дешифратора для нашего анализатора. При уровне логической «1» на выходе генератора элемент DD6.4 соединяется с выходом f дешифратора, и заряжает или разряжает конденсатор С3. В это время на выводе 6 микросхемы DD5 уровень логической «1». Таким образом, при коде цифры «0», на выходе сегмента f будет уровень логического «0», а при кодах цифр 1 или 2 там будет уровень логической «1». Соответствующий уровень и на конденсаторе С3. При уровне логической «1» на этом конденсаторе элемент DD6.3 замкнут, и микросхема DD5 работает так же, как и остальные счетчики — разряд десятков часов виден, при уровне логического «0» на конденсаторе С3 элемент DD6.3 разомкнут, и выходы счетчика не переключаются.
3.1.2. О деталях
Микросхему DD1 в этой схеме можно заменить на К176ИЕ18, но тогда выводы 4 и 7 нужно будет разомкнуть, вывод 14 соединить с общим проводом, а сигнал для моргания точки снимать с вывода 4 микросхемы.
Напряжение питания этой схемы не должно превышать 5 В, большее напряжение вредно для индикатора. Но, если подключить все выводы индикатора через резисторы сопротивлением 100…300 кОм (потребуется 30 резисторов), напряжение можно будет повысить и до 9…12 В. Также, при питании от 5 В некоторые кварцы не запускают генератор микросхемы К176ИЕ12 (однако запущенный генератор нормально работает). В таких случаях можно уменьшить сопротивление резистора R2 в 2…4 раза.
Помимо рассмотренных здесь статических ЖКИ, существуют также динамические, или мультиплексные ЖКИ. Отличаются они тем, что у мультиплексных ЖКИ к каждому выводу подключено сразу несколько сегментов и, соответственно, на другой половине индикатора нарисовано столько же общих выводов.
Мультиплекс бывает в пропорциях 1:1…1:4 (то есть к каждому выводу подключено по 1…4 сегмента; ЖКИ с мультиплексом 1:1 обычно называют статическим) у простых 7-сегментных индикаторов, и может доходить в пропорциях до 1:00… 1:000 у графических и цветных ЖКИ для телефонов и компьютеров. Преимущества использования мультиплексных ЖКИ очевидны — благодаря этому удается значительно уменьшить количество выводов ЖКИ, да и проще изготовить состоящий из рядов «квадратиков» индикатор (дисплей), но у них есть и недостаток — напряжение питания нужно разделить на несколько «кусков» (обычно 3…5), и управлять дисплеем, комбинируя эти части по очень сложной схеме. Поэтому для управления мультиплексным ЖКИ используются только специализированные микросхемы — собрать схему управления на обычных микросхемах серии К561 почти невозможно — а сами эти микросхемы, как правило, управляются только через последовательный интерфейс, от внешнего процессора. Поэтому здесь они не будут подробно рассмотрены. А вообще чаще всего используются микросхемы D7225G (интерфейс SPI, 32 выхода на сегменты, мультиплекс от 1:1 до 1:4), PCF8576 (I2C, 32 выхода, мультиплекс 1:1 и 1:2) и PCF8577 (I2C, 40 выходов, мультиплекс от 1:1 до 1:4). Более удобна в работе микросхема D7225G — у нее сгруппированы выходы, в отличие от PCF8576, у которых группировки вообще нет. Зато PCF8576 можно использовать в качестве последовательнопараллельного регистра. Существуют и другие микросхемы, есть даже процессоры со встроенным контроллером мультиплексного ЖКИ — но эти микросхемы более популярны. Ну а все ЖКИ, с мультиплексом более 1:4, продаются только со встроенным контроллером — он может быть расположен непосредственно на самом ЖКИ-стекле (так называемые ТАВ-дисплеи, стоят во всех современных телефонах) или на плате, на которой закреплено «стекло». Иначе говоря, при выходе из строя контроллера придется покупать полностью новый дисплей, с новым контроллером — даже несмотря на то, что один из этих элементов исправен.
3.1.3. Особенности определения цоколевки индикаторов
Определить цоколевку и мультиплекс ЖК-индикаторов довольно просто, но для этого нужен любой блок питания или любое другое низковольтное устройство, включенное в сеть переменного тока через понижающий трансформатор. Понадобится один-единственный проводок, выходящий из любой части этого устройства (из его низковольтной части), с хорошей изоляцией. Берем пальцами индикатор за боковину (это будет один контакт источника питания) и касаемся проводком выводов ЖКИ. При этом загорится один или несколько сегментов. Сколько сегментов насчитали — таков и мультиплекс. При касании проводком общего вывода индикатора становятся видны все его сегменты (если индикатор статический) или строка символов — если ЖКИ мультиплексный.
В современной электронной технике используется, в основном, только три типа индикаторов: светодиоды, вакуумные электролюминесцентные лампы и жидкокристаллические индикаторы (сокращенно — ЖКИ). Наибольшее распространение получили ЖКИ, что неудивительно: по сравнению с остальными типами индикаторов, они почти идеальны по электрическим характеристикам.
Светодиодные индикаторы имеют низкое напряжение питания (1,5…3,5 В), что удобно, однако их потребляемый ток довольно велик (2…20 мА), и это практически «ставит крест» на их использовании в современной микромощной радиоэлектронной аппаратуре.
У всех электронных ламп есть нить накала, потребляющая значительный ток (десятки миллиампер при напряжении единиц вольт, к тому же для управления ими нужно довольно высокое напряжение (12…18 В). И только ЖКИ при рабочем напряжении 3…5 В потребляют малые токи в доли микроампера.
Управляются они переменным напряжением, но для современной техники это — не проблема. В отличие от всех остальных индикаторов, ЖКИ практически не чувствительны к электрическим перегрузкам. И еще одна особенность: если светодиоды и ламповые индикаторы излучают свет, то ЖКИ наоборот поглощают. В итоге при ярком свете разобрать информацию на первых двух типах индикаторов очень сложно — свет «забивает» их неяркое свечение; ЖКИ в таких случаях читаются идеально (имеются в виду монохромные ЖКИ). В темноте ЖКИ не видны, но это легко исправить, добавив подсветку — хотя бы на светодиодах или лампах накаливания.
3.1.1. Электрическая схема электронных часов на ЖКИ
Жидкокристаллический индикатор представляет собой две плоские пластинки из стекла, склеенные по периметру таким образом, чтобы между стеклами оставался промежуток, его заполняют специальными жидкими кристаллами.
На обеих пластинах специальным веществом, которое прозрачно и проводит электрический ток, нарисованы собственно сегменты индикатора. Обычно одна из пластинок выполняет роль общего провода.
Жидкокристаллические индикаторы работают с поляризованным светом — для этого с обеих сторон индикатора наклеены специальные пленочные поляризаторы. В зависимости от взаимного расположения поляризаторов, ЖКИ может быть позитивным (темные символы на светлом фоне — как в часах, микрокалькуляторах) и негативным (прозрачные символы на черном фоне — используются в автомобильных магнитолах). Жидкие кристаллы, при отсутствии протекающего через них тока, располагаются внутри индикатора хаотическим образом, и практически не перекрывают свет, т. е. все сегменты прозрачны. При возникновении между какими-нибудь сегментами на обеих сторонах стекла разности потенциалов, жидкие кристаллы в этом месте упорядоченно выстраиваются поперек светового потока, перекрывая его, и соответствующий сегмент становится непрозрачным. Причем, изменяя величину приложенного напряжения, можно изменять степень непрозрачности индикатора.
Жидкие кристаллы — диэлектрик, т. е. не проводят электрический ток. Поэтому управлять ими можно только переменным напряжением: ведь две обкладки ЖКИ-стекла — это практически конденсатор, а при подаче на выводы конденсатора переменного напряжения через него течет ток. Для жидких кристаллов нужен ничтожный ток, поэтому частота управляющего напряжения может быть довольно низкой (50…100 Гц). Сверху диапазона эта частота практически не ограничена, однако не рекомендуется делать ее выше 1 кГц — проводники, которыми нарисованы сегменты, имеют конечное сопротивление (обычно 1…10 кОм), поэтому при увеличении частоты контрастность индикатора будет ухудшаться. Заодно, благодаря этому сопротивлению, индикатор нечувствителен к перегрузкам по напряжению — он выдерживает напряжение до 30…50 В (при этом сегменты, иногда вместе с дорожками, чернеют, и после снятия напряжения становятся прозрачными в течение нескольких минут, в то время как все остальные индикаторы выходят из строя уже при двукратных перегрузках. Но все равно, несмотря на отсутствие видимых повреждений, слишком увлекаться перегрузками ЖКИ не стоит — это резко уменьшает ресурс его работы, в частности, снижает контрастность.
Для управления ЖКИ обычно используются логические элементы «Исключающее ИЛИ», один из входов всех элементов соединяют вместе и подключают к генератору и общему выводу ЖКИ, а на второй вход элемента подают управляющие сигналы. Как известно, эти элементы при уровне «логического нуля» на одном из входов работают как повторители уровня с другого входа (то есть разность напряжений между выходом элемента и общим индикатора равна нулю — сегмент не виден), а при «единице» — как инверторы, и соответствующий сегмент индикатора становится видимым. Таким образом, чтобы «засветить» сегмент, на вход элемента нужно подать «единицу».
Кроме того, для работы с ЖКИ удобно использовать микросхемы серии К176: К176ИЕ3 (счетчик-делитель на 2 и 6), К176ИЕ4 (счетчик-делитель на 4 и 10) и К176ИД2 или К176ИД3 (двоично-десятичные дешифраторы, только у К176ИД3 более мощные выходы). У всех этих микросхем на выходах уже стоят элементы «Исключающее ИЛИ», что значительно упрощает схему устройства.
На рис. 3.1 приведена схема несложных электронных часов, состоящих из минимума деталей. Для большего удобства в схему добавлен узел гашения нуля в разряде десятков часов.
На специализированной микросхеме К176ИЕ12 собран кварцевый генератор, в качестве кварцевого резонатора ZQ1 можно использовать любой «часовой» кварц. Частоту генератора можно скорректировать, изменяя емкость конденсатора С1. На выводе 4 микросхемы формируются секундные импульсы — они используются для моргания разделительной точки, на выводе 10 секундные импульсы уже разделены на 60. Таким образом получаются минутные импульсы. Они поступают на линейку счетчиков DD2…DD5: DD2 считает единицы минут, DD3 — десятки минут и т. д. На диоде VD2 и резисторе R8 собрана схема обнуления часов — как только часы досчитают до 24, на выходах 4 DD4 и 2 DD5 появятся уровни логической «1», которые обнулят все счетчики. Пока количество часов меньше 24, хотя бы на одном из этих выводов присутствует уровень логического «0», который запрещает сброс.
Так как у микросхемы DD1 нет сравнительно низкочастотного выхода, пришлось задействовать тактовые выходы T1…T4. На элементах R3 и VD1 собран простейший сумматор, благодаря которому в точке соединения этих элементов — правильный меандр частотой 256 Гц. Он используется для работы ЖКИ.
На элементах DD6.1, DD6.2 собрана схема управления десятичной точкой (все остальные точки и дополнительные сегменты должны быть соединены с общим проводом индикатора). Элемент DD6.2 выполняет функцию инвертора (при уровне логической «1» на управляющем входе он замкнут и подает уровень «0» на DD6.1, при «0» — разомкнут и на вход DD6.1 поступает «1» через резистор R4), элемент DD6.1, в зависимости от уровня на выходе «1 Гц», подает на сегмент «точка» то прямой, то инвертированный сигнал генератора, т. е. точка будет видна на протяжении 0,5 сек, а следующие 0,5 сек — нет.
Конечно, было бы проще собрать этот узел на одном элементе «Исключающее ИЛИ», однако собрать на оставшихся элементах схему гашения лишнего нуля будет невозможно, а вводить в схему лишнюю микросхему — логически неразумно.
Этот самый узел гашения нуля собран на элементах DD6.3 и DD6.4. Несложно заметить, что в старшем разряде сегмент f будет виден только при коде цифры 0, при кодах цифр 1 и 2 — этот сегмент не светится. Поэтому вполне логично будет задействовать этот выход дешифратора для нашего анализатора. При уровне логической «1» на выходе генератора элемент DD6.4 соединяется с выходом f дешифратора, и заряжает или разряжает конденсатор С3. В это время на выводе 6 микросхемы DD5 уровень логической «1». Таким образом, при коде цифры «0», на выходе сегмента f будет уровень логического «0», а при кодах цифр 1 или 2 там будет уровень логической «1». Соответствующий уровень и на конденсаторе С3. При уровне логической «1» на этом конденсаторе элемент DD6.3 замкнут, и микросхема DD5 работает так же, как и остальные счетчики — разряд десятков часов виден, при уровне логического «0» на конденсаторе С3 элемент DD6.3 разомкнут, и выходы счетчика не переключаются.
3.1.2. О деталях
Микросхему DD1 в этой схеме можно заменить на К176ИЕ18, но тогда выводы 4 и 7 нужно будет разомкнуть, вывод 14 соединить с общим проводом, а сигнал для моргания точки снимать с вывода 4 микросхемы.
Напряжение питания этой схемы не должно превышать 5 В, большее напряжение вредно для индикатора. Но, если подключить все выводы индикатора через резисторы сопротивлением 100…300 кОм (потребуется 30 резисторов), напряжение можно будет повысить и до 9…12 В. Также, при питании от 5 В некоторые кварцы не запускают генератор микросхемы К176ИЕ12 (однако запущенный генератор нормально работает). В таких случаях можно уменьшить сопротивление резистора R2 в 2…4 раза.
Помимо рассмотренных здесь статических ЖКИ, существуют также динамические, или мультиплексные ЖКИ. Отличаются они тем, что у мультиплексных ЖКИ к каждому выводу подключено сразу несколько сегментов и, соответственно, на другой половине индикатора нарисовано столько же общих выводов.
Мультиплекс бывает в пропорциях 1:1…1:4 (то есть к каждому выводу подключено по 1…4 сегмента; ЖКИ с мультиплексом 1:1 обычно называют статическим) у простых 7-сегментных индикаторов, и может доходить в пропорциях до 1:00… 1:000 у графических и цветных ЖКИ для телефонов и компьютеров. Преимущества использования мультиплексных ЖКИ очевидны — благодаря этому удается значительно уменьшить количество выводов ЖКИ, да и проще изготовить состоящий из рядов «квадратиков» индикатор (дисплей), но у них есть и недостаток — напряжение питания нужно разделить на несколько «кусков» (обычно 3…5), и управлять дисплеем, комбинируя эти части по очень сложной схеме. Поэтому для управления мультиплексным ЖКИ используются только специализированные микросхемы — собрать схему управления на обычных микросхемах серии К561 почти невозможно — а сами эти микросхемы, как правило, управляются только через последовательный интерфейс, от внешнего процессора. Поэтому здесь они не будут подробно рассмотрены. А вообще чаще всего используются микросхемы D7225G (интерфейс SPI, 32 выхода на сегменты, мультиплекс от 1:1 до 1:4), PCF8576 (I2C, 32 выхода, мультиплекс 1:1 и 1:2) и PCF8577 (I2C, 40 выходов, мультиплекс от 1:1 до 1:4). Более удобна в работе микросхема D7225G — у нее сгруппированы выходы, в отличие от PCF8576, у которых группировки вообще нет. Зато PCF8576 можно использовать в качестве последовательнопараллельного регистра. Существуют и другие микросхемы, есть даже процессоры со встроенным контроллером мультиплексного ЖКИ — но эти микросхемы более популярны. Ну а все ЖКИ, с мультиплексом более 1:4, продаются только со встроенным контроллером — он может быть расположен непосредственно на самом ЖКИ-стекле (так называемые ТАВ-дисплеи, стоят во всех современных телефонах) или на плате, на которой закреплено «стекло». Иначе говоря, при выходе из строя контроллера придется покупать полностью новый дисплей, с новым контроллером — даже несмотря на то, что один из этих элементов исправен.
3.1.3. Особенности определения цоколевки индикаторов
Определить цоколевку и мультиплекс ЖК-индикаторов довольно просто, но для этого нужен любой блок питания или любое другое низковольтное устройство, включенное в сеть переменного тока через понижающий трансформатор. Понадобится один-единственный проводок, выходящий из любой части этого устройства (из его низковольтной части), с хорошей изоляцией. Берем пальцами индикатор за боковину (это будет один контакт источника питания) и касаемся проводком выводов ЖКИ. При этом загорится один или несколько сегментов. Сколько сегментов насчитали — таков и мультиплекс. При касании проводком общего вывода индикатора становятся видны все его сегменты (если индикатор статический) или строка символов — если ЖКИ мультиплексный.
3.2. Индикатор протечки
Многие семьи сегодня живут в многоэтажных домах и пользуются бытовыми стиральными машинами. Каждый, кто подключал такую машину (к электрощитку и сантехническим коммуникациям), знает, как важны оба эти действия. В частности, при некачественном подключении сливного патрубка стиральной машины к фановым трубам квартирной коммуникации может произойти протечка воды, которая не только испортит настроение и интерьер, но и доставит многочисленные хлопоты по компенсации ремонта соседям снизу.
Даже при качественном подключении стиральной машины хомуты, стягивающие гофры и патрубки водосливных шлангов, рекомендуется время от времени проверять их на надежность и при необходимости подтягивать.
Кроме того, протечки могут происходить и в других подобных случаях, как то: протечки (из-за брака строителей) сверху, если квартира расположена на последнем этаже, протечки из-за устаревших и выслуживших «все сроки» штатных сантехнических коммуникаций (труб, патрубков, сливных горловин раковин). Все эти случаи также грозят затоплением соседей, живущих снизу со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Чтобы избежать неприятностей, рекомендую собрать простое устройство сигнализатора протечки, имеющее регулировку чувствительности в широких пределах и (при установке максимальной чувствительности) реагирующее даже на слабую влажность воздуха вокруг датчика. Это устройство звуковой сигнализации обеспечивает прерывистый и громкий звук примерно 40 дБ при возникновении опасной ситуации. Электрическая схема устройства показана на рис. 3.2.
3.2.1. Принцип работы устройства
Устройство собрано на микросхеме К561ТЛ1 (в схеме используется только один ее элемент). Эта многофункциональная микросхема популярна среди радиолюбителей и имеет ряд преимуществ по сравнению с другими микросхемами К561 серии. В состав микросхемы К561ТЛ1 входят четыре однотипных элемента И (с инверсией) с передаточной характеристикой триггера Шмитта. Передаточная характеристика каждого элемента имеет два порога — порог срабатывания и порог отпускания. Разность Uсраб и Uопт есть напряжение гистерезиса, которое в данном случае пропорционально напряжению питания (зависит от него). Благодаря высокой чувствительности элементов микросхемы К561ТЛ1 удалось создать узел, реагирующий на незначительное изменение напряжения на входе.
Между входом элемента DD1.1 и «+» питания включен ограничительный резистор и переменный резистор R1, регулирующий чувствительность устройства. При верхнем (по схеме) положении движка переменного резистора R1 чувствительность узла минимальна.
Как видно из рис. 3.2, ничего сложного в схеме нет, и ее мог бы придумать, пожалуй, любой школьник. Однако вторым по значимости элементом в схеме является датчик влажности. Он конструктивно выполнен из датчика вращения электродвигателя НГМД (накопителя на гибких магнитных дисках) типа МС-5301, который сейчас является анахронизмом эпохи, но когда-то был очень популярен у тех радиолюбителей, кто увлекался самостоятельной сборкой персональных компьютеров типа «Радио-86РК», «Спектрум» и других подобных. Электродвигатель дисковода аккуратно разбирается и из него извлекается датчик вращения.
Замкнутые проводники-дорожки, расположенные в форме лабиринта, перерезаны скальпелем в одном месте. Это сделано для размыкания короткозамкнутой цепи датчика. Электрические проводники аккуратно припаиваются к штатным контактам (хорошо видны на рисунке) гибким проводом МГТФ-0,6. Устройство и датчик соединяют любые электрические провода длиной до трех метров (большая длина не испытывалась) — это может быть витая пара из тех же проводов МГТФ, телефонный провод или гибкие электрические многожильные провода. Непосредственно к датчику необходимо припаивать только гибкий провод МГТФ (или аналогичный), чтобы не спровоцировать отслоение дорожек на металлической основе датчика. А далее этот провод может быть соединен (например, через электрический клеммник) с проводами другой гибкости и сечения. На другом конце (у корпуса устройства) эти провода переходят в разъем типа B2B-XH-А или аналогичный.
Перед использованием с датчика мелкозернистой наждачной бумагой удаляют небольшой слой лака, покрывающего токопроводящие дорожки на поверхности датчика.
Пока вокруг датчика сухо, на входе элемента DD 1.1 высокий уровень напряжения. На выходе элемента (вывод 3 DD1.1) низкий уровень и сигнализация выключена. При небольшой влажности, а тем более при воздействии на датчик влаги (капель воды) на входе элемента напряжение уменьшается, благодаря передаточной характеристики триггера Шмитта, внутреннее состояние скачком изменяется на противоположное, на выводе 3 микросхемы DD1 присутствует высокий уровень. При высоком уровне на выходе элемента DD1.1 транзистор VT1 открывается и через капсюль НА1 начинает протекать ток — включается звуковая сигнализация.
Недостатком всего устройства можно отметить некоторую инертность выключения сигнализации, связанную с высыханием датчика. Однако в схеме предусмотрен выход из этой ситуации — при обнаружении протечки и ее локализации устройство сигнализации принудительно выключают включателем SB1.
Если этого не сделать, то после высыхания датчика устройство выключит сигнализацию и автоматически перейдет в режим ожидания.
Микросхемы данного типа являются маломощными, и выходной ток каждого элемента не превышает несколько миллиампер. Поэтому к выходу элемента DD1.1 подключен усилитель тока на транзисторе VT1. В цепи коллектора этого транзистора включен звуковой капсюль HA1 с встроенным прерывистым генератором ЗЧ типа KPI-4332-12, который можно приобрести в магазинах радиотоваров за 20 руб.
Элементы устройства монтируются в любом подходящем компактном корпусе. В авторском варианте используется корпус от аквариумного компрессора воздуха. Проводники питания можно соединять через разъем Х2 (например, от батареи типа 6F22 Крона) или выводить через штатное отверстие сбоку корпуса устройства.
3.2.2. Налаживание
Устройство в налаживании не нуждается и начинает работать сразу после подачи питания. Датчик располагают на полу в труднодоступном месте под трубами (где его не видно) контактной площадкой вверх, при необходимости фиксируют провода изолентой к полу. Перед первым включением движок переменного резистора R1 устанавливают в среднее положение.
Для проверки работоспособности устройства на расстоянии 0,5–1 м от датчика распыляют влагу из емкости для глажения (или другой емкости с распылителем). Этого оказывается достаточным, чтобы «проснулась» звуковая сигнализация.
3.2.3. О замене деталей и элементов
В качестве источника питания применяется промышленное устройство ПУ-1М производства завода «Северный пресс» Санкт-Петербург. Выходное напряжение 9 или 6 В — на корпусе блока имеется переключатель выходного напряжения. Источник питания с трансформаторной развязкой от сети переменного тока. Максимальный ток нагрузки — 150 мА.
Кроме указанного источника питания можно использовать любой (в том числе нестабилизированный) источник с выходным напряжением в диапазоне 7—12 В.
При подключении звукового капсюля со встроенным прерывистым генератором следует соблюдать полярность. Положительный вывод источника питания подключают к выводу капсюля с обозначением «+».
Микросхему К561ТЛ1 можно заменить на К564ТЛ1 или CD4093B. Переменный резистор R1 типа СПО-1, или аналогичный, желательно с линейной характеристикой. Постоянные резисторы типа МЛТ-0,25. Транзистор VT1 можно заменить на КТ603, КТ608, КТ801, КТ815, КТ972, 2SC1573, 2N4927 и аналогичные. Звуковой капсюль — любой с встроенным генератором, рассчитанный на постоянное напряжение 5—15 В и ток до 100 мА. Например, FXP-1212, FMQ-2015В — в этих случаях звук будет не прерывистый, а монотонный.
Оксидный конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.
Включатель SB 1 штатный, расположенный в корпусе от компрессора. Можно применить и любой другой миниатюрный тумблер, например MTS-1.
Индикаторный светодиод подключен постоянно — он сигнализирует о работоспособном устройстве, находящемся в готовности. Вместо указанного на схеме применяют любой другой светодиод, с током до 20 мА, например, ARL-5013URC-B.
Очевидно, рассмотренный датчик найдется не у каждого радиолюбителя, поэтому он может быть заменен на самодельный, например, со следующими рекомендациями. Соединительные провода припаиваются к двум металлическим спицам. Спицы располагаются параллельно друг другу на полу на расстоянии 0,5–1 см (в районе ожидаемой протечки) и крепятся к полу обыкновенным лейкопластырем. Материал пола значения не имеет.
3.2.4. Варианты применения устройства
Кроме того, конструкция датчика может иметь много вариантов. Определяющее значение в данном устройстве имеет высокая чувствительность микросхемы к даже незначительному изменению сопротивления между контактами Х1.
Многие семьи сегодня живут в многоэтажных домах и пользуются бытовыми стиральными машинами. Каждый, кто подключал такую машину (к электрощитку и сантехническим коммуникациям), знает, как важны оба эти действия. В частности, при некачественном подключении сливного патрубка стиральной машины к фановым трубам квартирной коммуникации может произойти протечка воды, которая не только испортит настроение и интерьер, но и доставит многочисленные хлопоты по компенсации ремонта соседям снизу.
Даже при качественном подключении стиральной машины хомуты, стягивающие гофры и патрубки водосливных шлангов, рекомендуется время от времени проверять их на надежность и при необходимости подтягивать.
Кроме того, протечки могут происходить и в других подобных случаях, как то: протечки (из-за брака строителей) сверху, если квартира расположена на последнем этаже, протечки из-за устаревших и выслуживших «все сроки» штатных сантехнических коммуникаций (труб, патрубков, сливных горловин раковин). Все эти случаи также грозят затоплением соседей, живущих снизу со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Чтобы избежать неприятностей, рекомендую собрать простое устройство сигнализатора протечки, имеющее регулировку чувствительности в широких пределах и (при установке максимальной чувствительности) реагирующее даже на слабую влажность воздуха вокруг датчика. Это устройство звуковой сигнализации обеспечивает прерывистый и громкий звук примерно 40 дБ при возникновении опасной ситуации. Электрическая схема устройства показана на рис. 3.2.
3.2.1. Принцип работы устройства
Устройство собрано на микросхеме К561ТЛ1 (в схеме используется только один ее элемент). Эта многофункциональная микросхема популярна среди радиолюбителей и имеет ряд преимуществ по сравнению с другими микросхемами К561 серии. В состав микросхемы К561ТЛ1 входят четыре однотипных элемента И (с инверсией) с передаточной характеристикой триггера Шмитта. Передаточная характеристика каждого элемента имеет два порога — порог срабатывания и порог отпускания. Разность Uсраб и Uопт есть напряжение гистерезиса, которое в данном случае пропорционально напряжению питания (зависит от него). Благодаря высокой чувствительности элементов микросхемы К561ТЛ1 удалось создать узел, реагирующий на незначительное изменение напряжения на входе.
Между входом элемента DD1.1 и «+» питания включен ограничительный резистор и переменный резистор R1, регулирующий чувствительность устройства. При верхнем (по схеме) положении движка переменного резистора R1 чувствительность узла минимальна.
Как видно из рис. 3.2, ничего сложного в схеме нет, и ее мог бы придумать, пожалуй, любой школьник. Однако вторым по значимости элементом в схеме является датчик влажности. Он конструктивно выполнен из датчика вращения электродвигателя НГМД (накопителя на гибких магнитных дисках) типа МС-5301, который сейчас является анахронизмом эпохи, но когда-то был очень популярен у тех радиолюбителей, кто увлекался самостоятельной сборкой персональных компьютеров типа «Радио-86РК», «Спектрум» и других подобных. Электродвигатель дисковода аккуратно разбирается и из него извлекается датчик вращения.
Замкнутые проводники-дорожки, расположенные в форме лабиринта, перерезаны скальпелем в одном месте. Это сделано для размыкания короткозамкнутой цепи датчика. Электрические проводники аккуратно припаиваются к штатным контактам (хорошо видны на рисунке) гибким проводом МГТФ-0,6. Устройство и датчик соединяют любые электрические провода длиной до трех метров (большая длина не испытывалась) — это может быть витая пара из тех же проводов МГТФ, телефонный провод или гибкие электрические многожильные провода. Непосредственно к датчику необходимо припаивать только гибкий провод МГТФ (или аналогичный), чтобы не спровоцировать отслоение дорожек на металлической основе датчика. А далее этот провод может быть соединен (например, через электрический клеммник) с проводами другой гибкости и сечения. На другом конце (у корпуса устройства) эти провода переходят в разъем типа B2B-XH-А или аналогичный.
Перед использованием с датчика мелкозернистой наждачной бумагой удаляют небольшой слой лака, покрывающего токопроводящие дорожки на поверхности датчика.
Пока вокруг датчика сухо, на входе элемента DD 1.1 высокий уровень напряжения. На выходе элемента (вывод 3 DD1.1) низкий уровень и сигнализация выключена. При небольшой влажности, а тем более при воздействии на датчик влаги (капель воды) на входе элемента напряжение уменьшается, благодаря передаточной характеристики триггера Шмитта, внутреннее состояние скачком изменяется на противоположное, на выводе 3 микросхемы DD1 присутствует высокий уровень. При высоком уровне на выходе элемента DD1.1 транзистор VT1 открывается и через капсюль НА1 начинает протекать ток — включается звуковая сигнализация.
Недостатком всего устройства можно отметить некоторую инертность выключения сигнализации, связанную с высыханием датчика. Однако в схеме предусмотрен выход из этой ситуации — при обнаружении протечки и ее локализации устройство сигнализации принудительно выключают включателем SB1.
Если этого не сделать, то после высыхания датчика устройство выключит сигнализацию и автоматически перейдет в режим ожидания.
Микросхемы данного типа являются маломощными, и выходной ток каждого элемента не превышает несколько миллиампер. Поэтому к выходу элемента DD1.1 подключен усилитель тока на транзисторе VT1. В цепи коллектора этого транзистора включен звуковой капсюль HA1 с встроенным прерывистым генератором ЗЧ типа KPI-4332-12, который можно приобрести в магазинах радиотоваров за 20 руб.
Элементы устройства монтируются в любом подходящем компактном корпусе. В авторском варианте используется корпус от аквариумного компрессора воздуха. Проводники питания можно соединять через разъем Х2 (например, от батареи типа 6F22 Крона) или выводить через штатное отверстие сбоку корпуса устройства.
3.2.2. Налаживание
Устройство в налаживании не нуждается и начинает работать сразу после подачи питания. Датчик располагают на полу в труднодоступном месте под трубами (где его не видно) контактной площадкой вверх, при необходимости фиксируют провода изолентой к полу. Перед первым включением движок переменного резистора R1 устанавливают в среднее положение.
Для проверки работоспособности устройства на расстоянии 0,5–1 м от датчика распыляют влагу из емкости для глажения (или другой емкости с распылителем). Этого оказывается достаточным, чтобы «проснулась» звуковая сигнализация.
3.2.3. О замене деталей и элементов
В качестве источника питания применяется промышленное устройство ПУ-1М производства завода «Северный пресс» Санкт-Петербург. Выходное напряжение 9 или 6 В — на корпусе блока имеется переключатель выходного напряжения. Источник питания с трансформаторной развязкой от сети переменного тока. Максимальный ток нагрузки — 150 мА.
Кроме указанного источника питания можно использовать любой (в том числе нестабилизированный) источник с выходным напряжением в диапазоне 7—12 В.
При подключении звукового капсюля со встроенным прерывистым генератором следует соблюдать полярность. Положительный вывод источника питания подключают к выводу капсюля с обозначением «+».
Микросхему К561ТЛ1 можно заменить на К564ТЛ1 или CD4093B. Переменный резистор R1 типа СПО-1, или аналогичный, желательно с линейной характеристикой. Постоянные резисторы типа МЛТ-0,25. Транзистор VT1 можно заменить на КТ603, КТ608, КТ801, КТ815, КТ972, 2SC1573, 2N4927 и аналогичные. Звуковой капсюль — любой с встроенным генератором, рассчитанный на постоянное напряжение 5—15 В и ток до 100 мА. Например, FXP-1212, FMQ-2015В — в этих случаях звук будет не прерывистый, а монотонный.
Оксидный конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.
Включатель SB 1 штатный, расположенный в корпусе от компрессора. Можно применить и любой другой миниатюрный тумблер, например MTS-1.
Индикаторный светодиод подключен постоянно — он сигнализирует о работоспособном устройстве, находящемся в готовности. Вместо указанного на схеме применяют любой другой светодиод, с током до 20 мА, например, ARL-5013URC-B.
Очевидно, рассмотренный датчик найдется не у каждого радиолюбителя, поэтому он может быть заменен на самодельный, например, со следующими рекомендациями. Соединительные провода припаиваются к двум металлическим спицам. Спицы располагаются параллельно друг другу на полу на расстоянии 0,5–1 см (в районе ожидаемой протечки) и крепятся к полу обыкновенным лейкопластырем. Материал пола значения не имеет.
3.2.4. Варианты применения устройства
Кроме того, конструкция датчика может иметь много вариантов. Определяющее значение в данном устройстве имеет высокая чувствительность микросхемы к даже незначительному изменению сопротивления между контактами Х1.
3.3. Узел звукового сопровождения
В радиолюбительской практике часто требуется озвучить включение (подключение к питанию) какого-либо электронного узла. Звуковое сопровождение — это своеобразный индикатор состояния, отличающийся от светового, прежде всего, тем, что его можно контролировать дистанционно. Как правило, в электронных устройствах (для лучшего контроля их состояния) применяют комплекс — и звуковой и световой индикатор. Звуковой индикатор с универсальным применением представляет собой простой электронный узел, включающий звук при подаче на устройство питание и выключающий его по окончании времени задержки — 2…3 с.
Узел звукового сопровождения подключается непосредственно параллельно к контактам питания того устройства, включение которого он призван контролировать.
В основе этого электронного узла популярная микросхема К561ЛА7. Благодаря применению одного из ее логических элементов, а также использования капсюля со встроенным генератором звуковой частоты (ЗЧ) в схему нет необходимости вводить какие-либо генераторы импульсов или усилители к ним. Такой же узел несложно собрать и на логических элементах других микросхем КМОП (например, К561ЛЕ5, К561ТЛ1), однако наиболее простое схемное решение показано на рис. 3.3.
3.3.1. Принцип действия устройства
Эта схема основана на одном логическом элементе микросхемы К561ЛА7, включенном как инвертор. При подаче питания на входе элемента (выводы 1 и 2 DD1.1) присутствует низкий уровень напряжения до тех пор, пока не зарядится оксидный конденсатор С1 через ограничительный резистор R1. Пока этого не произошло, на выходе элемента (вывод 3 DD1.1) присутствует высокий уровень напряжения. Он поступает через резистор R2, ограничивающий ток, в базу транзистора VT1, работающего в режиме усилителя тока. Транзистор VT1 открыт, сопротивление его перехода коллектор-эмиттер близко к нулю и на пьезоэлектрический капсюль со встроенным генератором звуковой частоты НА1 подано напряжение питания.
Когда постоянное напряжение на пьезоэлектрическом капсюле со встроенным генератором НА1 окажется почти равным напряжению питания устройства, капсюль переходит в режим генерации колебаний звуковой частоты.
По мере заряда конденсатора С1 через резистор R1 и внутренний узел элемента DD1.1 происходит изменение состояния выхода микросхемы. Когда напряжение на обкладках конденсатора С1 достигнет уровня переключения микросхемы, она переключится и высокий уровень напряжения на выходе DD1.1 сменится низким. Транзистор VT1 закроется. Постоянное напряжение на пьезоэлектрическом капсюле со встроенным генератором НА1 окажется почти равным нулю, и капсюль перейдет в режим ожидания.
При указанных на схеме значениях элементов R1 и С1 задержка выключения звука составит около 3 сек. Ее можно увеличить, соответственно увеличив емкость конденсатора С1. В качестве конденсатора С1 лучше использовать оксидный типа К50-29, К50-35 или аналогичный с небольшим током утечки. В обратную сторону длительность временного интервала можно легко сократить, уменьшив сопротивление резистора R1. Если вместо него установить переменный резистор с линейной характеристикой, то получится устройство с регулируемой задержкой.
Функцию данного электронного узла можно поменять на обратную — т. е. сделать так, чтобы пьезоэлектрический капсюль НА1 молчал первые 3 сек после подачи на устройство питания, а затем все остальное время работал. Для этого оксидный конденсатор С1 и времязадающий резистор R1 следует поменять местами (с соблюдением полярности включения оксидного конденсатора — положительной обкладкой к «плюсу» питания). При этом средняя точка их подключения к выводам 1 и 2 элемента DD1.1 сохраняется. В таком варианте устройство без особых изменений можно применять для звукового сигнализатора открытой (сверх меры) дверцы холодильника. Кроме того, вариантов применения данного простого и надежного устройства бесконечно много и они ограничены только фантазией радиолюбителя.
3.3.2. Налаживание
Устройство в налаживании не нуждается. Элементы устройства закрепляют на монтажной плате. Корпус для устройства — любой подходящий.
3.3.3. О деталях
Постоянные резисторы R1, R2 типа МЛТ-0,25. Пьезоэлектрический капсюль может быть любым, рассчитанным на напряжение 4…20 В постоянного тока, например, FMQ-2015D, FXP1212, KPI-4332-12.
Транзистор VT1 любой кремниевый, малой и средней мощности структуры n-p-n, например, КТ603, кТ608, КТ605, КТ801, КТ972, КТ940 с любым буквенным индексом. Источник питания — стабилизированный, обеспечивающий выходное напряжение 5…15 В — в этом диапазоне микросхема DA1 функционирует стабильно.
Элементы VD1 и R3 обеспечивают функцию защиты устройства от скачков питающего напряжения. Благодаря ограничительному резистору и стабилитрону, на данный узел можно «безболезненно» подавать постоянное напряжение до 24–26 В (что актуально при использовании устройства в цепях с питанием 24 В, например, в грузовых автомобилях некоторых марок).
Стабилитрон VD1 обеспечивает напряжение стабилизации в диапазоне 9-12 В. Его можно заменить на Д814А — Д814Д, BZX55, 1N4740A, 1N4742A или аналогичные.
Если такая защита не нужна, то элементы VD1 и R3 из схемы исключают, а напряжение питания подключают к точке А.
Ток потребления в активном режиме звукового сигнала с применением указанных на схеме элементов составляет 10–12 мА. Громкость звука достаточна настолько, что сигнал хорошо слышен в помещении на расстоянии до 10 м.
В радиолюбительской практике часто требуется озвучить включение (подключение к питанию) какого-либо электронного узла. Звуковое сопровождение — это своеобразный индикатор состояния, отличающийся от светового, прежде всего, тем, что его можно контролировать дистанционно. Как правило, в электронных устройствах (для лучшего контроля их состояния) применяют комплекс — и звуковой и световой индикатор. Звуковой индикатор с универсальным применением представляет собой простой электронный узел, включающий звук при подаче на устройство питание и выключающий его по окончании времени задержки — 2…3 с.
Узел звукового сопровождения подключается непосредственно параллельно к контактам питания того устройства, включение которого он призван контролировать.
В основе этого электронного узла популярная микросхема К561ЛА7. Благодаря применению одного из ее логических элементов, а также использования капсюля со встроенным генератором звуковой частоты (ЗЧ) в схему нет необходимости вводить какие-либо генераторы импульсов или усилители к ним. Такой же узел несложно собрать и на логических элементах других микросхем КМОП (например, К561ЛЕ5, К561ТЛ1), однако наиболее простое схемное решение показано на рис. 3.3.
3.3.1. Принцип действия устройства
Эта схема основана на одном логическом элементе микросхемы К561ЛА7, включенном как инвертор. При подаче питания на входе элемента (выводы 1 и 2 DD1.1) присутствует низкий уровень напряжения до тех пор, пока не зарядится оксидный конденсатор С1 через ограничительный резистор R1. Пока этого не произошло, на выходе элемента (вывод 3 DD1.1) присутствует высокий уровень напряжения. Он поступает через резистор R2, ограничивающий ток, в базу транзистора VT1, работающего в режиме усилителя тока. Транзистор VT1 открыт, сопротивление его перехода коллектор-эмиттер близко к нулю и на пьезоэлектрический капсюль со встроенным генератором звуковой частоты НА1 подано напряжение питания.
Когда постоянное напряжение на пьезоэлектрическом капсюле со встроенным генератором НА1 окажется почти равным напряжению питания устройства, капсюль переходит в режим генерации колебаний звуковой частоты.
По мере заряда конденсатора С1 через резистор R1 и внутренний узел элемента DD1.1 происходит изменение состояния выхода микросхемы. Когда напряжение на обкладках конденсатора С1 достигнет уровня переключения микросхемы, она переключится и высокий уровень напряжения на выходе DD1.1 сменится низким. Транзистор VT1 закроется. Постоянное напряжение на пьезоэлектрическом капсюле со встроенным генератором НА1 окажется почти равным нулю, и капсюль перейдет в режим ожидания.
При указанных на схеме значениях элементов R1 и С1 задержка выключения звука составит около 3 сек. Ее можно увеличить, соответственно увеличив емкость конденсатора С1. В качестве конденсатора С1 лучше использовать оксидный типа К50-29, К50-35 или аналогичный с небольшим током утечки. В обратную сторону длительность временного интервала можно легко сократить, уменьшив сопротивление резистора R1. Если вместо него установить переменный резистор с линейной характеристикой, то получится устройство с регулируемой задержкой.
Функцию данного электронного узла можно поменять на обратную — т. е. сделать так, чтобы пьезоэлектрический капсюль НА1 молчал первые 3 сек после подачи на устройство питания, а затем все остальное время работал. Для этого оксидный конденсатор С1 и времязадающий резистор R1 следует поменять местами (с соблюдением полярности включения оксидного конденсатора — положительной обкладкой к «плюсу» питания). При этом средняя точка их подключения к выводам 1 и 2 элемента DD1.1 сохраняется. В таком варианте устройство без особых изменений можно применять для звукового сигнализатора открытой (сверх меры) дверцы холодильника. Кроме того, вариантов применения данного простого и надежного устройства бесконечно много и они ограничены только фантазией радиолюбителя.
3.3.2. Налаживание
Устройство в налаживании не нуждается. Элементы устройства закрепляют на монтажной плате. Корпус для устройства — любой подходящий.
3.3.3. О деталях
Постоянные резисторы R1, R2 типа МЛТ-0,25. Пьезоэлектрический капсюль может быть любым, рассчитанным на напряжение 4…20 В постоянного тока, например, FMQ-2015D, FXP1212, KPI-4332-12.
Транзистор VT1 любой кремниевый, малой и средней мощности структуры n-p-n, например, КТ603, кТ608, КТ605, КТ801, КТ972, КТ940 с любым буквенным индексом. Источник питания — стабилизированный, обеспечивающий выходное напряжение 5…15 В — в этом диапазоне микросхема DA1 функционирует стабильно.
Элементы VD1 и R3 обеспечивают функцию защиты устройства от скачков питающего напряжения. Благодаря ограничительному резистору и стабилитрону, на данный узел можно «безболезненно» подавать постоянное напряжение до 24–26 В (что актуально при использовании устройства в цепях с питанием 24 В, например, в грузовых автомобилях некоторых марок).
Стабилитрон VD1 обеспечивает напряжение стабилизации в диапазоне 9-12 В. Его можно заменить на Д814А — Д814Д, BZX55, 1N4740A, 1N4742A или аналогичные.
Если такая защита не нужна, то элементы VD1 и R3 из схемы исключают, а напряжение питания подключают к точке А.
Ток потребления в активном режиме звукового сигнала с применением указанных на схеме элементов составляет 10–12 мА. Громкость звука достаточна настолько, что сигнал хорошо слышен в помещении на расстоянии до 10 м.
3.4. Универсальные светодиодные индикаторы токовой перегрузки для источников питания
Превышение выходного тока в источниках питания свидетельствует об увеличении потребляемой мощности в устройстве нагрузки. Иногда потребляемый ток в нагрузке (из-за неисправности соединений или самого устройства нагрузки) может увеличиться вплоть до значения тока короткого замыкания (к/з), что неминуемо приведет к аварии (если источник питания не снабжен узлом защиты от перегрузки).
Последствия перегрузки могут оказаться более существенными и непоправимыми, если использовать источник питания без узла защиты (как сегодня часто делают радиолюбители, изготавливая простые источники и покупая недорогие адаптеры) — увеличится энергопотребление, выйдет из строя сетевой трансформатор, возможно возгорание отдельных элементов и неприятный запах.
Для того чтобы вовремя заметить выход источника питания в «заштатный» режим, устанавливают простые индикаторы перегрузки. Простые — потому, что они, как правило, содержат всего несколько элементов, недорогих и доступных, а установить эти индикаторы можно универсально практически в любой самодельный или промышленный источник питания.
Самая простая электронная схема индикатора токовой перегрузки показана на рис. 3.4.
Работа ее элементов основана на том, что последовательно с нагрузкой в выходной цепи источника питания включают ограничивающий резистор малого сопротивления (R3 на схеме). Данный узел можно применять универсально в источниках питания и стабилизаторах с разным выходным напряжение (испытано в условиях выходного напряжения 5—20 В). Однако значения и номиналы элементов, указанных на схеме рис. 3.4, подобраны для источника питания с выходным напряжением 12 В. Соответственно, для того чтобы расширить диапазон источников питания для данной конструкции, в выходном каскаде которых будет эффективно работать предлагаемый узел индикации, потребуется изменить параметры элементов R1—R3, VD1, VD2.
Пока перегрузки нет, источник питания и узел нагрузки работают в штатном режиме, через R3 протекает допустимый ток и падение напряжения на резисторе невелико (менее 1 В). Также невелико в этом случае и падение напряжения на диодах VD1, VD2, при этом светодиод HL1 едва светится.
При увеличении тока потребления в устройстве нагрузки или коротком замыкании между точками А и Б ток в цепи возрастает, падение напряжения на резисторе R3 может достигнуть максимального значения (выходного напряжения источника питания), вследствие чего светодиод HL1 загорится (будет мигать) в полную силу. Для наглядного эффекта в схеме применен мигающий светодиод L36B. Вместо указанного светодиода можно применить аналогичные по электрическим характеристикам приборы, например, L56B, L456B (повышенной яркости), L816BRC-B, L769BGR, TLBR5410 или подобные им.
Мощность, рассеиваемая на резисторе R3 (при токе к/з) более 5 Вт, поэтому этот резистор изготавливается самостоятельно из медной проволоки типа ПЭЛ-1 (ПЭЛ-2) диаметром 0,8 мм.
Ее берут из ненужного трансформатора. На каркас из канцелярского карандаша наматывают 8 витков этого провода, концы ее облуживают, затем каркас вынимают. Проволочный резистор R3 готов.
3.4.1. О деталях
Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,25 или аналогичные.
Вместо диодов VD1, VD2 можно установить КД503, КД509, КД521 с любым буквенным индексом. Эти диоды защищают светодиод в режиме перегрузки (гасят излишнее напряжение).
К сожалению, на практике нет возможности постоянно визуально следить за состоянием индикаторного светодиода в источнике питания, поэтому разумно дополнить схему электронным узлом звукового сопровождения. Такая схема представлена на рис. 3.5.
Как видно из схемы, она работает по тому же принципу, но в отличие от предыдущей, это устройство более чувствительно и характер его работы обусловлен открыванием транзистора VT1, при установлении в его базе потенциала более 0,3 В. На транзисторе VT1 реализован усилитель тока. Транзистор выбран германиевым. Из старых запасов радиолюбителя. Его можно заменить на аналогичные по электрическим характеристикам приборы: МП16, МП39—МП42 с любым буквенным индексом. В крайнем случае, можно установить кремниевый транзистор КТ 361 или КТ3107 с любым буквенным индексом, однако тогда порог включения индикации будет иным.
Порог включения транзистора VT1 зависит от сопротивления резисторов R1 и R2 и в данной схеме при напряжении источника питания 12,5 В индикация включится при токе нагрузки, превышающем 400 мА.
В коллекторной цепи транзистора включен мигающий светодиод и капсюль со встроенным генератором ЗЧ НА1. Когда на резисторе R1 падение напряжения достигнет 0,5…0,6 В, транзистор VT1 откроется, на светодиод HL1 и капсюль НА1 поступит напряжение питания. Поскольку капсюль для светодиода является активным элементом, ограничивающим ток, режим работы светодиода в норме. Благодаря применению мигающего светодиода капсюль также будет звучать прерывисто — звук будет слышен во время паузы между вспышками светодиода.
В этой схеме можно достичь еще более интересный звуковой эффект, если вместо капсюля НА1 включить прибор KPI-4332-12, который имеет встроенный генератор с прерыванием. Таким образом звук в случае перегрузки будет напоминать сирену (этому способствует сочетание прерываний вспышек светодиода и внутренних прерываний капсюля НА1). Такой звук достаточно громкий (слышно в соседнем помещении при среднем уровне шума), обязательно будет привлекать внимание людей.
Еще одна схема индикаторов перегрузки представлена на рис. 3.6.
В тех конструкциях, где установлен плавкий (или иной, например, самовосстанавливающийся) предохранитель, часто требуется визуально контролировать их работу. Простая разработка, схема которой показана на рис. 3.6, позволяет это сделать. Здесь применен двухцветный светодиод с общим катодом и соответственно тремя выводами. Кто на практике испытывал эти диоды с одним общим выводом, знают, что они функционируют несколько иначе, чем ожидается. Шаблон мышления в том, что казалось бы, зеленый и красный цвета будут появляться у светодиода в общем корпусе соответственно при приложении (в нужной полярности) напряжения к соответственным выводам R или G. Однако, это не совсем так.
Пока предохранитель FU1 исправен, к обоим анодам светодиода HL1 приложено напряжение. Порог свечения корректируется сопротивлением резистора R1. Если предохранитель обрывает цепь питания нагрузки, то зеленый светодиод гаснет, а красный остается светить (если напряжения питания совсем не пропало). Поскольку допустимое обратное напряжение для светодиодов мало и ограничено, то для указанной конструкции в схему введены диоды с разными электрическими характеристиками VD1—VD4. То, что к зеленому светодиоду последовательно включен только один диод, а к красному три, объясняется особенностями светодиода АЛС331А, замеченными на практике. При экспериментах оказалось, что порог напряжения включения красного светодиода меньше, чем у зеленого. Чтобы уравновесить эту разницу (заметную только на практике), количество диодов неодинаково.
При перегорании предохранителя к зеленому светодиоду (G) прикладывается напряжение в обратной полярности.
Номиналы элементов в схеме даны для контроля напряжения в цепи 12 В. Вместо светодиода АЛС331А допустимо применять другие аналогичные приборы, например, КИПД18В-М, L239EGW.
Превышение выходного тока в источниках питания свидетельствует об увеличении потребляемой мощности в устройстве нагрузки. Иногда потребляемый ток в нагрузке (из-за неисправности соединений или самого устройства нагрузки) может увеличиться вплоть до значения тока короткого замыкания (к/з), что неминуемо приведет к аварии (если источник питания не снабжен узлом защиты от перегрузки).
Последствия перегрузки могут оказаться более существенными и непоправимыми, если использовать источник питания без узла защиты (как сегодня часто делают радиолюбители, изготавливая простые источники и покупая недорогие адаптеры) — увеличится энергопотребление, выйдет из строя сетевой трансформатор, возможно возгорание отдельных элементов и неприятный запах.
Для того чтобы вовремя заметить выход источника питания в «заштатный» режим, устанавливают простые индикаторы перегрузки. Простые — потому, что они, как правило, содержат всего несколько элементов, недорогих и доступных, а установить эти индикаторы можно универсально практически в любой самодельный или промышленный источник питания.
Самая простая электронная схема индикатора токовой перегрузки показана на рис. 3.4.
Работа ее элементов основана на том, что последовательно с нагрузкой в выходной цепи источника питания включают ограничивающий резистор малого сопротивления (R3 на схеме). Данный узел можно применять универсально в источниках питания и стабилизаторах с разным выходным напряжение (испытано в условиях выходного напряжения 5—20 В). Однако значения и номиналы элементов, указанных на схеме рис. 3.4, подобраны для источника питания с выходным напряжением 12 В. Соответственно, для того чтобы расширить диапазон источников питания для данной конструкции, в выходном каскаде которых будет эффективно работать предлагаемый узел индикации, потребуется изменить параметры элементов R1—R3, VD1, VD2.
Пока перегрузки нет, источник питания и узел нагрузки работают в штатном режиме, через R3 протекает допустимый ток и падение напряжения на резисторе невелико (менее 1 В). Также невелико в этом случае и падение напряжения на диодах VD1, VD2, при этом светодиод HL1 едва светится.
При увеличении тока потребления в устройстве нагрузки или коротком замыкании между точками А и Б ток в цепи возрастает, падение напряжения на резисторе R3 может достигнуть максимального значения (выходного напряжения источника питания), вследствие чего светодиод HL1 загорится (будет мигать) в полную силу. Для наглядного эффекта в схеме применен мигающий светодиод L36B. Вместо указанного светодиода можно применить аналогичные по электрическим характеристикам приборы, например, L56B, L456B (повышенной яркости), L816BRC-B, L769BGR, TLBR5410 или подобные им.
Мощность, рассеиваемая на резисторе R3 (при токе к/з) более 5 Вт, поэтому этот резистор изготавливается самостоятельно из медной проволоки типа ПЭЛ-1 (ПЭЛ-2) диаметром 0,8 мм.
Ее берут из ненужного трансформатора. На каркас из канцелярского карандаша наматывают 8 витков этого провода, концы ее облуживают, затем каркас вынимают. Проволочный резистор R3 готов.
3.4.1. О деталях
Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,25 или аналогичные.
Вместо диодов VD1, VD2 можно установить КД503, КД509, КД521 с любым буквенным индексом. Эти диоды защищают светодиод в режиме перегрузки (гасят излишнее напряжение).
К сожалению, на практике нет возможности постоянно визуально следить за состоянием индикаторного светодиода в источнике питания, поэтому разумно дополнить схему электронным узлом звукового сопровождения. Такая схема представлена на рис. 3.5.
Как видно из схемы, она работает по тому же принципу, но в отличие от предыдущей, это устройство более чувствительно и характер его работы обусловлен открыванием транзистора VT1, при установлении в его базе потенциала более 0,3 В. На транзисторе VT1 реализован усилитель тока. Транзистор выбран германиевым. Из старых запасов радиолюбителя. Его можно заменить на аналогичные по электрическим характеристикам приборы: МП16, МП39—МП42 с любым буквенным индексом. В крайнем случае, можно установить кремниевый транзистор КТ 361 или КТ3107 с любым буквенным индексом, однако тогда порог включения индикации будет иным.
Порог включения транзистора VT1 зависит от сопротивления резисторов R1 и R2 и в данной схеме при напряжении источника питания 12,5 В индикация включится при токе нагрузки, превышающем 400 мА.
В коллекторной цепи транзистора включен мигающий светодиод и капсюль со встроенным генератором ЗЧ НА1. Когда на резисторе R1 падение напряжения достигнет 0,5…0,6 В, транзистор VT1 откроется, на светодиод HL1 и капсюль НА1 поступит напряжение питания. Поскольку капсюль для светодиода является активным элементом, ограничивающим ток, режим работы светодиода в норме. Благодаря применению мигающего светодиода капсюль также будет звучать прерывисто — звук будет слышен во время паузы между вспышками светодиода.
В этой схеме можно достичь еще более интересный звуковой эффект, если вместо капсюля НА1 включить прибор KPI-4332-12, который имеет встроенный генератор с прерыванием. Таким образом звук в случае перегрузки будет напоминать сирену (этому способствует сочетание прерываний вспышек светодиода и внутренних прерываний капсюля НА1). Такой звук достаточно громкий (слышно в соседнем помещении при среднем уровне шума), обязательно будет привлекать внимание людей.
Еще одна схема индикаторов перегрузки представлена на рис. 3.6.
В тех конструкциях, где установлен плавкий (или иной, например, самовосстанавливающийся) предохранитель, часто требуется визуально контролировать их работу. Простая разработка, схема которой показана на рис. 3.6, позволяет это сделать. Здесь применен двухцветный светодиод с общим катодом и соответственно тремя выводами. Кто на практике испытывал эти диоды с одним общим выводом, знают, что они функционируют несколько иначе, чем ожидается. Шаблон мышления в том, что казалось бы, зеленый и красный цвета будут появляться у светодиода в общем корпусе соответственно при приложении (в нужной полярности) напряжения к соответственным выводам R или G. Однако, это не совсем так.
Пока предохранитель FU1 исправен, к обоим анодам светодиода HL1 приложено напряжение. Порог свечения корректируется сопротивлением резистора R1. Если предохранитель обрывает цепь питания нагрузки, то зеленый светодиод гаснет, а красный остается светить (если напряжения питания совсем не пропало). Поскольку допустимое обратное напряжение для светодиодов мало и ограничено, то для указанной конструкции в схему введены диоды с разными электрическими характеристиками VD1—VD4. То, что к зеленому светодиоду последовательно включен только один диод, а к красному три, объясняется особенностями светодиода АЛС331А, замеченными на практике. При экспериментах оказалось, что порог напряжения включения красного светодиода меньше, чем у зеленого. Чтобы уравновесить эту разницу (заметную только на практике), количество диодов неодинаково.
При перегорании предохранителя к зеленому светодиоду (G) прикладывается напряжение в обратной полярности.
Номиналы элементов в схеме даны для контроля напряжения в цепи 12 В. Вместо светодиода АЛС331А допустимо применять другие аналогичные приборы, например, КИПД18В-М, L239EGW.
3.5. Универсальные акустические датчики-выключатели
Среди радиолюбительских конструкций встречаются простые устройства, собранные по разным схемам. Их отличает набор элементов, уровень усиления и чувствительность к акустическим колебаниям. На основе чувствительных акустических устройств — датчиков, управляющих различными устройствами нагрузки, можно создавать автоматические устройства. Большое (определяющее) значение в этом случае имеет чувствительность и возможность ее регулировки. Одним из таких устройств, реагирующим на малейший шум и даже ветерок (об этом далее), является рассматриваемое устройство чувствительного акустического датчика с задержкой выключения.
Электрическая схема устройства представлена на рис. 3.7.
Усилитель слабых звуковых сигналов выполнен на высокочувствительном микрофонном усилителе DA1. Чувствительность микросхемы операционного усилителя (далее ОУ) такова, что он воспринимает входной сигнал амплитудой 1 мВ. Корректировкой сопротивления резистора R7 чувствительность усилителя можно изменять в широких пределах. Суммарный коэффициент усиления при указанных на схеме номиналах элементов составляет более 3000 и может быть еще более увеличен с помощью увеличения сопротивления резистора R7 и емкости конденсаторов С5 до 1000 пФ. Эти конденсаторы компенсационной цепочки введены в схему для устранения возможного самовозбуждения на высоких частотах усилителя при максимальном режиме усиления. Для увеличения общего коэффициента усиления также рекомендуется увеличить емкость разделительных конденсаторов С6 и С8 до 2 мкФ и 50 мкФ соответственно.
Соответственно при уменьшении сопротивления резистора R7 до 50 кОм (в 10 раз) чувствительность ОУ уменьшится так, что устройство будет реагировать только на голос человека (хлопок в ладоши или другой громкий звук) на расстоянии до 1 м от микрофона ВМ1.
Усиленный сигнал переменного напряжения с выхода ОУ DA1.1 через разделительный конденсатор C8 поступает на выпрямитель, реализованный на диодах VD1 и VD2. Выпрямленное напряжение сглаживается оксидным конденсатором С9 и шунтируется резистором R9. Цепь С9R9 одновременно является узлом задержки. Когда в точке А (на выходе схемы) появится высокий уровень напряжения (амплитудой 3,6…3,8 В), заряжающий конденсатор С9, этот уровень будет присутствовать в точке А не менее чем 4 мин. Высокий уровень в точке А является управляющим по отношению к исполнительному узлу (на схеме не показан), соответственно управляющему любой электронной нагрузкой, например, лампой накаливания в сети 220 В, установленной на лестничной клетке. В этом случае устройство будет полезно, как автомат-включатель освещения при приближении жильцов к микрофону ВМ1. Когда вблизи электретного микрофона наступит тишина, по истечении выдержки 4 мин, лампа освещения автоматически погаснет до следующего акустического воздействия на микрофон. Если шум вокруг ВМ1 сохранится во время отсчета времени после первоначального звукового воздействия, то выдержка времени соответственно увеличится и лампа освещения будет гореть до тех пор, пока шум не прекратится плюс еще 4 мин.
Если задержка выключения не нужна, то ее можно отключить. Для этого управляющий сигнал берут напрямую с вывода 7 микросхемы DA1.
Есть и еще одна интересная особенность усилителя сигналов на микросхеме DA1. Если изменить (увеличить емкость) номиналы элементов в цепи обратной связи (конденсаторы С5, С7 и разделительные конденсаторы С6, С8 — об этом написано выше), чувствительность устройства оказывается такова, что управляющий выходной сигнал появится на выводе 7 элемента DA1.2 не после звукового воздействия на микрофон, а даже при слабом ветерке, потоке воздуха, направленного на микрофон ВМ1 с расстояния 0,5–1 м. Для получения такого эффекта потребуется полностью изолировать помещение от посторонних звуков (что в больших городах сделать в бытовых условиях средней квартиры почти невозможно, ибо уровень шума с улицы превышает все мыслимые пределы). Этот авторский эксперимент проводился ночью, поэтому в связи с вышеизложенным можно рекомендовать данную разработку тем радиолюбителям, кто сможет найти для нее другое рациональное применение (взяв за основу), например, для создания шумомера — устройства фиксирующего, измеряющего уровень шума и индицирующего превышение этого уровня. В больших городах, а также в производственных помещениях такой прибор сегодня оказывается весьма актуальным, ибо позволяет сберечь людям здоровье, нервы и, как следствие, продлить жизнь.
Кроме того, рекомендованную на рис. 3.7 электронную схему можно с успехом применить как составную часть других радиолюбительских конструкций, описанных в этой книге, в качестве высокочувствительного акустического узла.
3.5.1. О деталях
Самым дорогим элементом в предлагаемой конструкции является микросхема DA1. Ее можно заменить близким по электрическим характеристикам ОУ TL072 или TL082. У них идентичное расположение выводов. Вторым по значимости в устройстве является пассивный электретный микрофон ВМ1. В отличие от активного микрофона, пассивный микрофон не имеет внутреннего усилителя и отдельного питания. Микрофон СZN-15E широко распространен в продаже и телефонных аппаратах различных марок и стоит недорого. Вместо него с не меньшим успехом можно применить отечественные электретные микрофоны МКЭ-332, МКЭ-333, МКЭ387, МКЭ-389. Оксидный конденсатор С2, например, типа К50-24 или К50-29 сглаживает пульсации напряжения источника питания. Остальные оксидные конденсаторы могут быть К50-29, К50-35. В качестве С9 надо использовать конденсатор с малым током утечки, например, К50-35, К53-1, К53-10 или аналогичные им.
Неполярные конденсаторы типа К10-17, КМ6 или аналогичные. Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-0,25, МF-25 или аналогичные.
Конденсатор С9 своей емкостью определяет время задержки выключения оконечного узла.
Оконечный (исполнительный) узел подбирается таким, чтобы он реагировал на положительный фронт импульса в точке А. Примеров таких узлов в этой книге рассмотрено много.
Налаживание устройства заключается в подборе уровня чувствительности ОУ (корректировкой сопротивления резистора R7). Для этого во время настройки этот резистор лучше заменить подстроечным, например, СП3-29В — с линейной характеристикой изменения сопротивления, а затем, когда оптимальный уровень будет установлен, выпаять резистор из схемы, замерить омметром его сопротивление и установить вместо него постоянный соответствующего сопротивления.
Источник питания для устройства с понижающим трансформатором, стабилизированный. Напряжение для питания схемы в диапазоне 5–8 В.
3.5.2. Альтернативное устройство усилителя слабых сигналов
Аналогичным по функциональности является устройство акустического датчика, электрическая схема которого представлена на рис. 3.8.
На рис. 3.8 представлено устройство усилителя слабых сигналов. Устройство реализовано на двух однотипных кремниевых транзисторах n-p-n проводимости, обладающих высоким коэффициентом усиления (80—100 по току). При звуковом воздействии на микрофон ВМ1 переменный сигнал поступает в базу транзистора VT1 и усиливается им. С коллектора транзистора VT2 снимается выходной сигнал, управляющий периферийными или исполнительными устройствами отрицательным фронтом.
Оксидный конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения источника питания. Резистор обратной связи R4 предохраняет усилитель слабых сигналов от самовозбуждения.
Выходной ток транзистора VT2 позволяет управлять маломощным электромагнитным реле с рабочим напряжением 5 В и током срабатывания 15…20 мА.
Расширенная схема акустического датчика показана на рис. 3.9. В отличие от предыдущей схемы она отличается дополнительными возможностями регулировки усиления и инверсии выходного сигнала.
3.5.3. Расширенная схема акустического датчика
Регулировка усиления слабых сигналов с микрофона ВМ1 осуществляется переменным резистором R6 (см. рис. 3.9). Чем меньше сопротивление данного резистора, тем больше усиление транзисторного каскада на транзисторе VT1. При длительной практике эксплуатации рекомендуемого узла удалось установить, что при сопротивлении резистора R6 равным нулю возможно самовозбуждение каскада. Чтобы его избежать, последовательно с R6 включают еще один ограничительный резистор сопротивлением 100–200 Ом.
На схеме показаны два выхода, с которых снимается управляющий сигнал для последующих схем и оконечных электронных узлов. С точки «ВЫХОД 1» снимают управляющий сигнал с отрицательным фронтом (который появляется при звуковом воздействии на микрофон ВМ1). С точки «ВЫ1ХОД 2» соответственно инверсный сигнал (с положительным фронтом).
Благодаря применению в качестве оконечного токового усилителя полевого транзистора КП501А (VT2) устройство снижает потребление тока (относительно предыдущей схемы), а также имеет возможность управления более мощной нагрузкой, например, исполнительным реле с током включения до 200 мА. Этот транзистор можно заменить на КП501 с любым буквенным индексом, а также на более мощный полевой транзистор соответствующей конфигурации.
Эти простые конструкции в налаживании не нуждаются. Все они испытаны при питании от одного и того же стабилизированного источника с напряжением 6 В. Потребляемый ток конструкции (без учета тока потребления реле) не превышает 15 мА.
Все элементы конструкций, о которых не сказано особо, надлежит использовать тех же типов, которые описаны для схемы на рис. 3.7.
Среди радиолюбительских конструкций встречаются простые устройства, собранные по разным схемам. Их отличает набор элементов, уровень усиления и чувствительность к акустическим колебаниям. На основе чувствительных акустических устройств — датчиков, управляющих различными устройствами нагрузки, можно создавать автоматические устройства. Большое (определяющее) значение в этом случае имеет чувствительность и возможность ее регулировки. Одним из таких устройств, реагирующим на малейший шум и даже ветерок (об этом далее), является рассматриваемое устройство чувствительного акустического датчика с задержкой выключения.
Электрическая схема устройства представлена на рис. 3.7.
Усилитель слабых звуковых сигналов выполнен на высокочувствительном микрофонном усилителе DA1. Чувствительность микросхемы операционного усилителя (далее ОУ) такова, что он воспринимает входной сигнал амплитудой 1 мВ. Корректировкой сопротивления резистора R7 чувствительность усилителя можно изменять в широких пределах. Суммарный коэффициент усиления при указанных на схеме номиналах элементов составляет более 3000 и может быть еще более увеличен с помощью увеличения сопротивления резистора R7 и емкости конденсаторов С5 до 1000 пФ. Эти конденсаторы компенсационной цепочки введены в схему для устранения возможного самовозбуждения на высоких частотах усилителя при максимальном режиме усиления. Для увеличения общего коэффициента усиления также рекомендуется увеличить емкость разделительных конденсаторов С6 и С8 до 2 мкФ и 50 мкФ соответственно.
Соответственно при уменьшении сопротивления резистора R7 до 50 кОм (в 10 раз) чувствительность ОУ уменьшится так, что устройство будет реагировать только на голос человека (хлопок в ладоши или другой громкий звук) на расстоянии до 1 м от микрофона ВМ1.
Усиленный сигнал переменного напряжения с выхода ОУ DA1.1 через разделительный конденсатор C8 поступает на выпрямитель, реализованный на диодах VD1 и VD2. Выпрямленное напряжение сглаживается оксидным конденсатором С9 и шунтируется резистором R9. Цепь С9R9 одновременно является узлом задержки. Когда в точке А (на выходе схемы) появится высокий уровень напряжения (амплитудой 3,6…3,8 В), заряжающий конденсатор С9, этот уровень будет присутствовать в точке А не менее чем 4 мин. Высокий уровень в точке А является управляющим по отношению к исполнительному узлу (на схеме не показан), соответственно управляющему любой электронной нагрузкой, например, лампой накаливания в сети 220 В, установленной на лестничной клетке. В этом случае устройство будет полезно, как автомат-включатель освещения при приближении жильцов к микрофону ВМ1. Когда вблизи электретного микрофона наступит тишина, по истечении выдержки 4 мин, лампа освещения автоматически погаснет до следующего акустического воздействия на микрофон. Если шум вокруг ВМ1 сохранится во время отсчета времени после первоначального звукового воздействия, то выдержка времени соответственно увеличится и лампа освещения будет гореть до тех пор, пока шум не прекратится плюс еще 4 мин.
Если задержка выключения не нужна, то ее можно отключить. Для этого управляющий сигнал берут напрямую с вывода 7 микросхемы DA1.
Есть и еще одна интересная особенность усилителя сигналов на микросхеме DA1. Если изменить (увеличить емкость) номиналы элементов в цепи обратной связи (конденсаторы С5, С7 и разделительные конденсаторы С6, С8 — об этом написано выше), чувствительность устройства оказывается такова, что управляющий выходной сигнал появится на выводе 7 элемента DA1.2 не после звукового воздействия на микрофон, а даже при слабом ветерке, потоке воздуха, направленного на микрофон ВМ1 с расстояния 0,5–1 м. Для получения такого эффекта потребуется полностью изолировать помещение от посторонних звуков (что в больших городах сделать в бытовых условиях средней квартиры почти невозможно, ибо уровень шума с улицы превышает все мыслимые пределы). Этот авторский эксперимент проводился ночью, поэтому в связи с вышеизложенным можно рекомендовать данную разработку тем радиолюбителям, кто сможет найти для нее другое рациональное применение (взяв за основу), например, для создания шумомера — устройства фиксирующего, измеряющего уровень шума и индицирующего превышение этого уровня. В больших городах, а также в производственных помещениях такой прибор сегодня оказывается весьма актуальным, ибо позволяет сберечь людям здоровье, нервы и, как следствие, продлить жизнь.
Кроме того, рекомендованную на рис. 3.7 электронную схему можно с успехом применить как составную часть других радиолюбительских конструкций, описанных в этой книге, в качестве высокочувствительного акустического узла.
3.5.1. О деталях
Самым дорогим элементом в предлагаемой конструкции является микросхема DA1. Ее можно заменить близким по электрическим характеристикам ОУ TL072 или TL082. У них идентичное расположение выводов. Вторым по значимости в устройстве является пассивный электретный микрофон ВМ1. В отличие от активного микрофона, пассивный микрофон не имеет внутреннего усилителя и отдельного питания. Микрофон СZN-15E широко распространен в продаже и телефонных аппаратах различных марок и стоит недорого. Вместо него с не меньшим успехом можно применить отечественные электретные микрофоны МКЭ-332, МКЭ-333, МКЭ387, МКЭ-389. Оксидный конденсатор С2, например, типа К50-24 или К50-29 сглаживает пульсации напряжения источника питания. Остальные оксидные конденсаторы могут быть К50-29, К50-35. В качестве С9 надо использовать конденсатор с малым током утечки, например, К50-35, К53-1, К53-10 или аналогичные им.
Неполярные конденсаторы типа К10-17, КМ6 или аналогичные. Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-0,25, МF-25 или аналогичные.
Конденсатор С9 своей емкостью определяет время задержки выключения оконечного узла.
Оконечный (исполнительный) узел подбирается таким, чтобы он реагировал на положительный фронт импульса в точке А. Примеров таких узлов в этой книге рассмотрено много.
Налаживание устройства заключается в подборе уровня чувствительности ОУ (корректировкой сопротивления резистора R7). Для этого во время настройки этот резистор лучше заменить подстроечным, например, СП3-29В — с линейной характеристикой изменения сопротивления, а затем, когда оптимальный уровень будет установлен, выпаять резистор из схемы, замерить омметром его сопротивление и установить вместо него постоянный соответствующего сопротивления.
Источник питания для устройства с понижающим трансформатором, стабилизированный. Напряжение для питания схемы в диапазоне 5–8 В.
3.5.2. Альтернативное устройство усилителя слабых сигналов
Аналогичным по функциональности является устройство акустического датчика, электрическая схема которого представлена на рис. 3.8.
На рис. 3.8 представлено устройство усилителя слабых сигналов. Устройство реализовано на двух однотипных кремниевых транзисторах n-p-n проводимости, обладающих высоким коэффициентом усиления (80—100 по току). При звуковом воздействии на микрофон ВМ1 переменный сигнал поступает в базу транзистора VT1 и усиливается им. С коллектора транзистора VT2 снимается выходной сигнал, управляющий периферийными или исполнительными устройствами отрицательным фронтом.
Оксидный конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения источника питания. Резистор обратной связи R4 предохраняет усилитель слабых сигналов от самовозбуждения.
Выходной ток транзистора VT2 позволяет управлять маломощным электромагнитным реле с рабочим напряжением 5 В и током срабатывания 15…20 мА.
Расширенная схема акустического датчика показана на рис. 3.9. В отличие от предыдущей схемы она отличается дополнительными возможностями регулировки усиления и инверсии выходного сигнала.
3.5.3. Расширенная схема акустического датчика
Регулировка усиления слабых сигналов с микрофона ВМ1 осуществляется переменным резистором R6 (см. рис. 3.9). Чем меньше сопротивление данного резистора, тем больше усиление транзисторного каскада на транзисторе VT1. При длительной практике эксплуатации рекомендуемого узла удалось установить, что при сопротивлении резистора R6 равным нулю возможно самовозбуждение каскада. Чтобы его избежать, последовательно с R6 включают еще один ограничительный резистор сопротивлением 100–200 Ом.
На схеме показаны два выхода, с которых снимается управляющий сигнал для последующих схем и оконечных электронных узлов. С точки «ВЫХОД 1» снимают управляющий сигнал с отрицательным фронтом (который появляется при звуковом воздействии на микрофон ВМ1). С точки «ВЫ1ХОД 2» соответственно инверсный сигнал (с положительным фронтом).
Благодаря применению в качестве оконечного токового усилителя полевого транзистора КП501А (VT2) устройство снижает потребление тока (относительно предыдущей схемы), а также имеет возможность управления более мощной нагрузкой, например, исполнительным реле с током включения до 200 мА. Этот транзистор можно заменить на КП501 с любым буквенным индексом, а также на более мощный полевой транзистор соответствующей конфигурации.
Эти простые конструкции в налаживании не нуждаются. Все они испытаны при питании от одного и того же стабилизированного источника с напряжением 6 В. Потребляемый ток конструкции (без учета тока потребления реле) не превышает 15 мА.
Все элементы конструкций, о которых не сказано особо, надлежит использовать тех же типов, которые описаны для схемы на рис. 3.7.
3.6. Эффективные микрофонные датчики-усилители
Людям со слабым слухом будут полезны две электрические схемы, рассматриваемые далее. Если у вас есть родные или просто знакомые люди, которые в силу обстоятельств плохо слышат, помогите им, собрав одно из предлагаемых устройств. Схемы чувствительных усилителей слабых звуковых сигналов мне приходилось встречать в публикациях, кроме того, отечественная промышленность выпускает эффективные слуховые аппараты для инвалидов, однако стоимость их достаточно высока. Схемы, показанные на рис. 3.10 и рис. 3.11, имеют низкую себестоимость элементов. Они не требуют настройки, просты и надежны в эксплуатации и весьма доступны для повторения даже начинающим радиолюбителям.
3.6.1. Особенности и принцип работы устройства
Рассмотрим устройство, показанное на рис. 3.10.
Ток, потребляемый схемой от источника питания в рабочем режиме, при использовании указанных на схеме номиналов элементов — 10 мА. Выходной каскад на комплементарной паре транзисторов обеспечивает большой коэффициент усиления по току. Устройство сохраняет работоспособность при понижении напряжения питания до 3 В и может практически эксплуатироваться в таком режиме минимального питания с двумя пальчиковыми батарейками. Тогда ток, потребляемый схемой, еще более сократится, а резистор R4 следует вовсе исключить из схемы. Верхний предел напряжения питания, при котором усилитель работает без перегрузок +12 В, в этом случае сопротивление резистора R4 следует увеличить до 330–360 Ом.
Эффективная чувствительность устройства определяющим образом зависит от чувствительности микрофона и режима работы самого усилителя. Микрофон в схеме применен электретный (конденсаторный), какие стоят в современных телефонных аппаратах и старых магнитофонах. Хорошие результаты получаются при использовании в качестве микрофона В1 микрофона типа МКЭ-84, кроме того, можно применять и МКЭ-3. Возможно имеет смысл попробовать и другие типы электретных микрофонов, тогда, наверное, удастся найти наиболее эффективный вариант.
Эта схема обеспечивает громкую надежную речь в наушнике на расстоянии 7–8 м (при максимальном усилении и минимальном питании). В качестве наушника применен капсюль-наушник ТМ-4, подойдет и ТМ-2М. Можно использовать ДЭМШ, но его неудобно вставлять в ухо, или другие любые динамические наушники с эквивалентным сопротивлением от 100 Ом.
Операционный усилитель работает в режиме автоматической регулировки усиления, что позволяет максимально усиливать полезный сигнал, не допуская самовозбуждения. Делитель на R2, R3 обеспечивает заданный режим по постоянному току, резистор R6 регулирует оптимальный уровень усиленного сигнала. Его придется незначительно скорректировать при изменении напряжения питания относительно указанного на схеме. Собственно, на этом вся регулировка и заканчивается. При исправных элементах и правильном монтаже устройство работает сразу.
Схема успешно работает в качестве устройства контроля и поиска скрытой электрической проводки и телефонных проводов. При помещении катушки рядом с проводами телефонной линии можно контролировать ее состояние. На вход ОУ (вместо микрофона В1) в этом случае можно подключить катушку на ферромагнитном сердечнике типа НМ1500 диаметром 6–8 мм с намотанными внавал 400 витками провода 0,1–0,15 мм. Одним концом к общему проводу, другим к отрицательному выводу конденсатора С1, резистор R3 в этом случае надо исключить.
3.6.2. Устройство микрофонного датчика для работы с наушниками и электретным микрофоном
На рис. 3.11 показана схема, предназначенная для работы с наушниками и электретным микрофоном.
Устройство собрано на однотипных операционных усилителях микросхемы LM387. По сравнению с описанным ранее устройством, такая разработка еще более эффективна по степени усиления слабого входного сигнала и может без доработок использоваться в качестве слухового аппарата и подслушивающего устройства. Отличительным свойством данного устройства является акустическая помехоустойчивость — не восприимчивость к сигналам фона переменного напряжения, которые излучают расположенные вдоль стен квартир электрические сетевые провода. В схеме не предусмотрена ручная регулировка усиления, т. к. с указанными номиналами элементов устройство надежно работает в оптимальном режиме.
Налаживание
Настройка усилителя не нужна.
При необходимости к выходу микрофонного усилителя можно подключать звукозаписывающий аппарат (магнитофон) и более мощный усилитель. Место подключения — точка А.
О деталях
В качестве микрофона В1 использован электретный микрофон типа МКЭ-31, в качестве наушников — телефонные капсюли ТМ-4, ТМ-2М или аналогичные с суммарным сопротивлением не менее 80 Ом. Стабилизированное напряжение питания схемы от 5 до 9 В. Наилучшие результаты получены при питании от 4-пальчиковых батареек по 1,5 В. Потребление тока в активном режиме 12 мА. Конденсаторы-фильтры по питанию С7 и С8 устанавливаются непосредственно у выводов микросхемы. Для устранения эффекта акустического самовозбуждения усилителя наушники следует на гибком проводе удалить от микрофона и общей схемы. В случае применения устройства для подслушивания — наоборот, вынести на гибких (экранированных) проводах не более 1 м электретный микрофон в сторону источника слабого звука, предварительно обернув В1 картонным или металлическим рупором для улавливания, фокусировки и концентрации звуковых колебаний.
Людям со слабым слухом будут полезны две электрические схемы, рассматриваемые далее. Если у вас есть родные или просто знакомые люди, которые в силу обстоятельств плохо слышат, помогите им, собрав одно из предлагаемых устройств. Схемы чувствительных усилителей слабых звуковых сигналов мне приходилось встречать в публикациях, кроме того, отечественная промышленность выпускает эффективные слуховые аппараты для инвалидов, однако стоимость их достаточно высока. Схемы, показанные на рис. 3.10 и рис. 3.11, имеют низкую себестоимость элементов. Они не требуют настройки, просты и надежны в эксплуатации и весьма доступны для повторения даже начинающим радиолюбителям.
3.6.1. Особенности и принцип работы устройства
Рассмотрим устройство, показанное на рис. 3.10.
Ток, потребляемый схемой от источника питания в рабочем режиме, при использовании указанных на схеме номиналов элементов — 10 мА. Выходной каскад на комплементарной паре транзисторов обеспечивает большой коэффициент усиления по току. Устройство сохраняет работоспособность при понижении напряжения питания до 3 В и может практически эксплуатироваться в таком режиме минимального питания с двумя пальчиковыми батарейками. Тогда ток, потребляемый схемой, еще более сократится, а резистор R4 следует вовсе исключить из схемы. Верхний предел напряжения питания, при котором усилитель работает без перегрузок +12 В, в этом случае сопротивление резистора R4 следует увеличить до 330–360 Ом.
Эффективная чувствительность устройства определяющим образом зависит от чувствительности микрофона и режима работы самого усилителя. Микрофон в схеме применен электретный (конденсаторный), какие стоят в современных телефонных аппаратах и старых магнитофонах. Хорошие результаты получаются при использовании в качестве микрофона В1 микрофона типа МКЭ-84, кроме того, можно применять и МКЭ-3. Возможно имеет смысл попробовать и другие типы электретных микрофонов, тогда, наверное, удастся найти наиболее эффективный вариант.
Эта схема обеспечивает громкую надежную речь в наушнике на расстоянии 7–8 м (при максимальном усилении и минимальном питании). В качестве наушника применен капсюль-наушник ТМ-4, подойдет и ТМ-2М. Можно использовать ДЭМШ, но его неудобно вставлять в ухо, или другие любые динамические наушники с эквивалентным сопротивлением от 100 Ом.
Операционный усилитель работает в режиме автоматической регулировки усиления, что позволяет максимально усиливать полезный сигнал, не допуская самовозбуждения. Делитель на R2, R3 обеспечивает заданный режим по постоянному току, резистор R6 регулирует оптимальный уровень усиленного сигнала. Его придется незначительно скорректировать при изменении напряжения питания относительно указанного на схеме. Собственно, на этом вся регулировка и заканчивается. При исправных элементах и правильном монтаже устройство работает сразу.
Схема успешно работает в качестве устройства контроля и поиска скрытой электрической проводки и телефонных проводов. При помещении катушки рядом с проводами телефонной линии можно контролировать ее состояние. На вход ОУ (вместо микрофона В1) в этом случае можно подключить катушку на ферромагнитном сердечнике типа НМ1500 диаметром 6–8 мм с намотанными внавал 400 витками провода 0,1–0,15 мм. Одним концом к общему проводу, другим к отрицательному выводу конденсатора С1, резистор R3 в этом случае надо исключить.
3.6.2. Устройство микрофонного датчика для работы с наушниками и электретным микрофоном
На рис. 3.11 показана схема, предназначенная для работы с наушниками и электретным микрофоном.
Устройство собрано на однотипных операционных усилителях микросхемы LM387. По сравнению с описанным ранее устройством, такая разработка еще более эффективна по степени усиления слабого входного сигнала и может без доработок использоваться в качестве слухового аппарата и подслушивающего устройства. Отличительным свойством данного устройства является акустическая помехоустойчивость — не восприимчивость к сигналам фона переменного напряжения, которые излучают расположенные вдоль стен квартир электрические сетевые провода. В схеме не предусмотрена ручная регулировка усиления, т. к. с указанными номиналами элементов устройство надежно работает в оптимальном режиме.
Настройка усилителя не нужна.
При необходимости к выходу микрофонного усилителя можно подключать звукозаписывающий аппарат (магнитофон) и более мощный усилитель. Место подключения — точка А.
В качестве микрофона В1 использован электретный микрофон типа МКЭ-31, в качестве наушников — телефонные капсюли ТМ-4, ТМ-2М или аналогичные с суммарным сопротивлением не менее 80 Ом. Стабилизированное напряжение питания схемы от 5 до 9 В. Наилучшие результаты получены при питании от 4-пальчиковых батареек по 1,5 В. Потребление тока в активном режиме 12 мА. Конденсаторы-фильтры по питанию С7 и С8 устанавливаются непосредственно у выводов микросхемы. Для устранения эффекта акустического самовозбуждения усилителя наушники следует на гибком проводе удалить от микрофона и общей схемы. В случае применения устройства для подслушивания — наоборот, вынести на гибких (экранированных) проводах не более 1 м электретный микрофон в сторону источника слабого звука, предварительно обернув В1 картонным или металлическим рупором для улавливания, фокусировки и концентрации звуковых колебаний.
3.7. Универсальный датчик сотрясения
Среди многочисленных датчиков состояния встречаются всевозможные приборы, поражающие подчас своими конструктивными особенностями. Однако при разработке датчиков учитываются, как правило, более прозаические параметры, такие как компактность, высокая чувствительность, надежность (большое время наработки до отказа), минимальное наличие механических частей, универсальность в применении, работа в широком диапазоне температур и напряжения питания, отсутствие помех для других узлов устройства, минимальное потребление тока и др. Еще одна электрическая схема из серии датчиков воздействия — устройство датчика сотрясения — представлена на рис. 3.12.
Ее особенность в необычном включении микросхемы-компаратора DA1 во взаимодействии с индуктивным датчиком L1. Катушка L1 намотана на круглом пластмассовом каркасе диаметром 8 мм (от резонансных катушек радиоприемника ВЭФ-202 или аналогичных) проводом ПЭЛ-1 диаметром 0,6 мм внавал и содержит 150 витков. Ферритовый сердечник из каркаса не вынимается и перед первым включением схемы располагается по середине свободного хода внутри каркаса. Напротив катушки L1 на расстоянии 1…2 мм располагают кусочек феррита круглой или прямоугольной формы размерами 4^9 мм на специальных подвесках из эластичной резины так, чтобы феррит при сотрясении вибрировал на свободном расстоянии до каркаса катушки L1.
Переменный резистор R1, включенный как регулятор-ограничитель тока, позволяет регулировать чувствительность датчика. При верхнем (по схеме) положении движка переменного резистора R1 чувствительность узла максимальная.
При отсутствии механических воздействий на датчик магнитное поле и ток, протекающий через катушку L1, носит постоянный характер и составляет доли микроампер. Оксидный конденсатор С1 не пропускает постоянную составляющую напряжения на вход компаратора (вывод 2 DA1). Баланс напряжений между инвертированным и неинвертированным входами компаратора (выводы 1 и 2 DA1) не нарушается, поэтому на выходе компаратора (вывод 7 DA1) присутствует низкий уровень напряжения. Индикатор состояния узла — светодиод HL1 не светится и напряжение в базе транзистора VT1 недостаточно для его открывания. Между общим проводом и выходом (U^) присутствует напряжение (разность потенциалов), близкое к напряжению источника питания.
3.7.1. Особенности устройства
Выходное напряжение для управления устройствами нагрузки (исполнительными элементами и последующими электронными узлами) можно снимать также, используя +UП и Uвых. Тогда в спокойном состоянии датчика напряжение на выходе узла будет стремиться к нулю, а при механическом воздействии принимать значения, близкие по напряжению к напряжению источника питания (12 В). Метод подключения выходных контактов выбирается самостоятельно при каждом конкретном случае. Если в дополнительных исполнительных узлах необходимости нет, то резистор R10 в цепи коллектора транзистора VT1 заменяют на электромагнитное реле на напряжение 8—12 В с током срабатывания не более 100 мА. При токе срабатывания реле более 100 мА, учитывая возможно длительный характер работы реле во включенном состоянии, потребуется заменить транзистор VT1, выполняющий роль усилителя тока, более мощным, например, любым из серии КТ815.
При незначительном сотрясении датчика (ферритового сердечника) вблизи катушки L1 в ней кратковременно создается ЭДС электромагнитной индукции и возникает ток и напряжение в несколько десятков микровольт. Скачок напряжения (импульс) беспрепятственно пропускает оксидный конденсатор С1 и через ограничительный резистор R2 он попадает на вход компаратора DA1.
Компенсационные цепочки в разных плечах компаратора (состоящие из элементов VD1, R5, R6 и VD4, R12) настроены таким образом, что даже такого минимального сигнала, вносящего дисбаланс напряжения на входах микросхемы, оказывается достаточно для срабатывания внутренней схемы сравнения напряжений и появления на выходе компаратора высокого уровня. Напряжение высокого уровня на выводе 7 DA1 включает светодиод HL1, сигнализирующий о воздействии на датчик, проходит через ограничительный резистор R8, детектируется диодом VD3 и через ограничительный резистор R9 поступает в базу транзистора VT1. В момент появления напряжения на выводе 7 микросхемы DA1 заряжается оксидный конденсатор С4. Он включен в схему для того, чтобы обеспечить плавную задержку выключения узла (на 2–3 сек), иначе включение нагрузки будет напоминать дребезг контактов и носить хаотичный характер. Благодаря наличию оксидного конденсатора С4 транзистор VT1, открывшись от импульса напряжения, закроется только через 2–3 сек после окончания управляющего импульса. Если емкость данного конденсатора увеличить до 50 мкФ, задержка выключения узла может составить единицы минут, что может оказаться полезным при определенных задачах, стоящих перед радиолюбителем-конструктором; например, такая задержка будет уместна, если реле, включенное вместо резистора R10, в свою очередь будет включать охранную сирену.
Поступившее в базу транзистора VT1 напряжение высокого уровня открывает его и изменяет состояние выхода узла: между положительным выводом источника питания и контактом Uвых теперь присутствует напряжение источника питания, а между общим проводом и точкой Uвых соответственно напряжение равно нулю.
В налаживании узел не нуждается. Выпрямительный диод VD2 и ограничительный резистор R7 защищают микросхему от перенапряжения источника питания и обратного случайного включения Uпит. Оксидный конденсатор С3 сглаживает пульсации напряжения. При заведомо исправном и стабилизированном источнике питания, а также при питании данного электронного узла от батарей (аккумуляторов) элементы С3, R7, VD2 можно из схемы исключить, т. к. устройство работоспособно в диапазоне напряжения питания +7…+16 В. Ток потребления в режиме покоя не превышает 5 мА. Однако при использовании устройства в автомобиле и в сочетании с нестабилизированными источниками питания, данные элементы выполняют защитную роль и позволяют применять устройство как элемент охраны — датчик сотрясения (удара) в автомобилях.
3.7.2. Монтаж элементов устройства
Элементы устройства компактно монтируются в пластмассовом корпусе и жестко прикрепляются к контролируемой поверхности. В этом может способствовать моментальный клей или липучка.
Возможности использования рекомендуемого датчика практически не ограничены. Он может являться прототипом датчика удара в автомобилях, работать в составе охранной сигнализации — тогда корпус датчика закрепляют на косяке (дверной коробке) или двери охраняемого помещения и в других аналогичных случаях, когда требуется простой, чувствительный и надежный узел контроля сотрясений и ударов.
3.7.3. О деталях
Кажущаяся сложность в изготовлении датчика и катушки L1 не более чем миф. Практика испытаний устройства показала, что даже при удалении феррита от каркаса L1 на расстоянии до 5 мм датчик уверенно срабатывает от сотрясения и качения феррита вблизи катушки. Это достигается высокой чувствительностью компаратора на микросхеме LM358N. Кроме указанной на схеме микросхемы можно применить ее полные аналоги LM358, C358C, НА17358, а также полные аналоги этого популярного компаратора, выпускающиеся другими фирмами. Отечественные микросхемы аналоги компаратора К1401УД5А — К1401УД5Б, К544УД8А — К544УД8Б, КР1040УД1А, КФ1053УД2(А).
При применении микросхемы К544УД8А — К544УД8Б чувствительность узла несколько понизится и придется изменить при подключении выводы микросхемы. Кроме того, в качестве феррита (прямоугольной формы) можно использовать обыкновенный кусочек магнита.
Транзистор VT1 — любой из серии КТ503 или аналогичный. Выпрямительный диод VD2 заменяют на КД213, КД105, Д202 или аналогичные по электрическим характеристикам с любым буквенным индексом. Остальные диоды типа КД521, КД522, Д311, Д220 с любым буквенным индексом. Переменный резистор R1 типа СПО-1, СП3-30В, СП3-12В или подстроечный типа СП5-28В, СП3-1ВБ (оба многооборотные). Главное — при выборе типа этих резисторов в том, чтобы они имели линейную характеристику изменения сопротивления. При необходимости достижения узлом максимальной и нерегулируемой чувствительности данный резистор из схемы просто исключают, а средний вывод, показанный на схеме, соединяют с верхним (по схеме) выводом катушки L1. Ограничительный резистор R7 типа МЛТ-0,5. Все остальные постоянные резисторы типа МЛТ-0,25. Оксидные конденсаторы фирмы Hitano, ESP, их аналоги, или отечественные типа К50-29, К50-35.
Индикаторный светодиод типа L63SRC, КИПД14А, КИПД-36, L1503SRC–C, КИПД41Б1-М или другие аналогичные с током до 10 мА.
В случае замены резистора R10 на слаботочное электромагнитное реле, рекомендации к выбору последнего такие: FRS1 °C-03, TRU-12VDC-SB-SL, TTI TRD-9VDC-FB-CL, Relpol RM85-2011-35-1012, РЭС-22 (исполнение РФ.4.523.023-01) или аналогичное. При выборе реле следует учитывать ток и напряжение коммутации. Все указанные здесь типы реле коммутируют ток до 3 А при напряжении до 250 В.
Среди многочисленных датчиков состояния встречаются всевозможные приборы, поражающие подчас своими конструктивными особенностями. Однако при разработке датчиков учитываются, как правило, более прозаические параметры, такие как компактность, высокая чувствительность, надежность (большое время наработки до отказа), минимальное наличие механических частей, универсальность в применении, работа в широком диапазоне температур и напряжения питания, отсутствие помех для других узлов устройства, минимальное потребление тока и др. Еще одна электрическая схема из серии датчиков воздействия — устройство датчика сотрясения — представлена на рис. 3.12.
Ее особенность в необычном включении микросхемы-компаратора DA1 во взаимодействии с индуктивным датчиком L1. Катушка L1 намотана на круглом пластмассовом каркасе диаметром 8 мм (от резонансных катушек радиоприемника ВЭФ-202 или аналогичных) проводом ПЭЛ-1 диаметром 0,6 мм внавал и содержит 150 витков. Ферритовый сердечник из каркаса не вынимается и перед первым включением схемы располагается по середине свободного хода внутри каркаса. Напротив катушки L1 на расстоянии 1…2 мм располагают кусочек феррита круглой или прямоугольной формы размерами 4^9 мм на специальных подвесках из эластичной резины так, чтобы феррит при сотрясении вибрировал на свободном расстоянии до каркаса катушки L1.
Переменный резистор R1, включенный как регулятор-ограничитель тока, позволяет регулировать чувствительность датчика. При верхнем (по схеме) положении движка переменного резистора R1 чувствительность узла максимальная.
При отсутствии механических воздействий на датчик магнитное поле и ток, протекающий через катушку L1, носит постоянный характер и составляет доли микроампер. Оксидный конденсатор С1 не пропускает постоянную составляющую напряжения на вход компаратора (вывод 2 DA1). Баланс напряжений между инвертированным и неинвертированным входами компаратора (выводы 1 и 2 DA1) не нарушается, поэтому на выходе компаратора (вывод 7 DA1) присутствует низкий уровень напряжения. Индикатор состояния узла — светодиод HL1 не светится и напряжение в базе транзистора VT1 недостаточно для его открывания. Между общим проводом и выходом (U^) присутствует напряжение (разность потенциалов), близкое к напряжению источника питания.
3.7.1. Особенности устройства
Выходное напряжение для управления устройствами нагрузки (исполнительными элементами и последующими электронными узлами) можно снимать также, используя +UП и Uвых. Тогда в спокойном состоянии датчика напряжение на выходе узла будет стремиться к нулю, а при механическом воздействии принимать значения, близкие по напряжению к напряжению источника питания (12 В). Метод подключения выходных контактов выбирается самостоятельно при каждом конкретном случае. Если в дополнительных исполнительных узлах необходимости нет, то резистор R10 в цепи коллектора транзистора VT1 заменяют на электромагнитное реле на напряжение 8—12 В с током срабатывания не более 100 мА. При токе срабатывания реле более 100 мА, учитывая возможно длительный характер работы реле во включенном состоянии, потребуется заменить транзистор VT1, выполняющий роль усилителя тока, более мощным, например, любым из серии КТ815.
При незначительном сотрясении датчика (ферритового сердечника) вблизи катушки L1 в ней кратковременно создается ЭДС электромагнитной индукции и возникает ток и напряжение в несколько десятков микровольт. Скачок напряжения (импульс) беспрепятственно пропускает оксидный конденсатор С1 и через ограничительный резистор R2 он попадает на вход компаратора DA1.
Компенсационные цепочки в разных плечах компаратора (состоящие из элементов VD1, R5, R6 и VD4, R12) настроены таким образом, что даже такого минимального сигнала, вносящего дисбаланс напряжения на входах микросхемы, оказывается достаточно для срабатывания внутренней схемы сравнения напряжений и появления на выходе компаратора высокого уровня. Напряжение высокого уровня на выводе 7 DA1 включает светодиод HL1, сигнализирующий о воздействии на датчик, проходит через ограничительный резистор R8, детектируется диодом VD3 и через ограничительный резистор R9 поступает в базу транзистора VT1. В момент появления напряжения на выводе 7 микросхемы DA1 заряжается оксидный конденсатор С4. Он включен в схему для того, чтобы обеспечить плавную задержку выключения узла (на 2–3 сек), иначе включение нагрузки будет напоминать дребезг контактов и носить хаотичный характер. Благодаря наличию оксидного конденсатора С4 транзистор VT1, открывшись от импульса напряжения, закроется только через 2–3 сек после окончания управляющего импульса. Если емкость данного конденсатора увеличить до 50 мкФ, задержка выключения узла может составить единицы минут, что может оказаться полезным при определенных задачах, стоящих перед радиолюбителем-конструктором; например, такая задержка будет уместна, если реле, включенное вместо резистора R10, в свою очередь будет включать охранную сирену.
Поступившее в базу транзистора VT1 напряжение высокого уровня открывает его и изменяет состояние выхода узла: между положительным выводом источника питания и контактом Uвых теперь присутствует напряжение источника питания, а между общим проводом и точкой Uвых соответственно напряжение равно нулю.
В налаживании узел не нуждается. Выпрямительный диод VD2 и ограничительный резистор R7 защищают микросхему от перенапряжения источника питания и обратного случайного включения Uпит. Оксидный конденсатор С3 сглаживает пульсации напряжения. При заведомо исправном и стабилизированном источнике питания, а также при питании данного электронного узла от батарей (аккумуляторов) элементы С3, R7, VD2 можно из схемы исключить, т. к. устройство работоспособно в диапазоне напряжения питания +7…+16 В. Ток потребления в режиме покоя не превышает 5 мА. Однако при использовании устройства в автомобиле и в сочетании с нестабилизированными источниками питания, данные элементы выполняют защитную роль и позволяют применять устройство как элемент охраны — датчик сотрясения (удара) в автомобилях.
3.7.2. Монтаж элементов устройства
Элементы устройства компактно монтируются в пластмассовом корпусе и жестко прикрепляются к контролируемой поверхности. В этом может способствовать моментальный клей или липучка.
Возможности использования рекомендуемого датчика практически не ограничены. Он может являться прототипом датчика удара в автомобилях, работать в составе охранной сигнализации — тогда корпус датчика закрепляют на косяке (дверной коробке) или двери охраняемого помещения и в других аналогичных случаях, когда требуется простой, чувствительный и надежный узел контроля сотрясений и ударов.
3.7.3. О деталях
Кажущаяся сложность в изготовлении датчика и катушки L1 не более чем миф. Практика испытаний устройства показала, что даже при удалении феррита от каркаса L1 на расстоянии до 5 мм датчик уверенно срабатывает от сотрясения и качения феррита вблизи катушки. Это достигается высокой чувствительностью компаратора на микросхеме LM358N. Кроме указанной на схеме микросхемы можно применить ее полные аналоги LM358, C358C, НА17358, а также полные аналоги этого популярного компаратора, выпускающиеся другими фирмами. Отечественные микросхемы аналоги компаратора К1401УД5А — К1401УД5Б, К544УД8А — К544УД8Б, КР1040УД1А, КФ1053УД2(А).
При применении микросхемы К544УД8А — К544УД8Б чувствительность узла несколько понизится и придется изменить при подключении выводы микросхемы. Кроме того, в качестве феррита (прямоугольной формы) можно использовать обыкновенный кусочек магнита.
Транзистор VT1 — любой из серии КТ503 или аналогичный. Выпрямительный диод VD2 заменяют на КД213, КД105, Д202 или аналогичные по электрическим характеристикам с любым буквенным индексом. Остальные диоды типа КД521, КД522, Д311, Д220 с любым буквенным индексом. Переменный резистор R1 типа СПО-1, СП3-30В, СП3-12В или подстроечный типа СП5-28В, СП3-1ВБ (оба многооборотные). Главное — при выборе типа этих резисторов в том, чтобы они имели линейную характеристику изменения сопротивления. При необходимости достижения узлом максимальной и нерегулируемой чувствительности данный резистор из схемы просто исключают, а средний вывод, показанный на схеме, соединяют с верхним (по схеме) выводом катушки L1. Ограничительный резистор R7 типа МЛТ-0,5. Все остальные постоянные резисторы типа МЛТ-0,25. Оксидные конденсаторы фирмы Hitano, ESP, их аналоги, или отечественные типа К50-29, К50-35.
Индикаторный светодиод типа L63SRC, КИПД14А, КИПД-36, L1503SRC–C, КИПД41Б1-М или другие аналогичные с током до 10 мА.
В случае замены резистора R10 на слаботочное электромагнитное реле, рекомендации к выбору последнего такие: FRS1 °C-03, TRU-12VDC-SB-SL, TTI TRD-9VDC-FB-CL, Relpol RM85-2011-35-1012, РЭС-22 (исполнение РФ.4.523.023-01) или аналогичное. При выборе реле следует учитывать ток и напряжение коммутации. Все указанные здесь типы реле коммутируют ток до 3 А при напряжении до 250 В.
3.8. Датчик пропадания сетевого напряжения со звуковой индикацией состояния
Рассмотрим простое в построении устройство датчика отключения электроэнергии со звуковым сигнализатором состояния, электрическая схема которого представлена на рис. 3.13.
Устройство предназначено для сигнализирования отсутствия (исчезновения) сетевого питания 220 В. Устройство актуально для сельской местности, где напряжение в осветительной сети иногда пропадает из-за природных условий (гроза, замыкание воздушной проводки, критические нагрузки электросети), но будет полезна и широкому кругу радиолюбителей, независимо от региона проживания. Данное устройство можно дополнить ключевым каскадом с исполнительным реле К1, тогда схема будет не только сигнализировать, но и включать контактами реле аварийное питание. В таком варианте элементы DD1.4, DD2.1, DD2.2 удаляются.
3.8.1. Принцип работы схемы
Постоянное напряжение, снимаемое с трансформаторного сетевого адаптера любой марки в пределах 15 В, сглаживается оксидным конденсатором С1 (К50-12), проходит через диод VD1 (КД521, КД522, Д220 с любым буквенным индексом), ограничительный резистор R1 и поступает на вход логического элемента DD1.1 (элемент «ИЛИ» с инверсией). Нормальное состояние на выходе этого инвертора — низкий уровень напряжения (логический «0»). На элементах DD1.2, DD1.3 реализована ячейка запоминания с двумя устойчивыми состояниями, т. е. иначе говоря триггер.
При появлении высокого уровня на выводе 5 DD1.2 (при исчезновении опорного напряжения ивх) такой же уровень будет присутствовать на выводе 10 элемента DD1.3 и сохранится здесь до снятия напряжения питания со всего электронного узла. Через ограничительный резистор R4 напряжение высокого уровня поступает на вход генератора импульсов. Цепочка С2К2 позволяет установить триггер в состояние ожидания (обнулить его) при смене аккумуляторной батареи GB1.
На элементах DD1.4, DD2.1, DD2.2 собран генератор звуковой частоты, он запускается логической «1», приходящей на вход DD1.4 (вывод 12, 13 микросхемы). Частота импульсов определяется значениями элементов С3 и R5. При указанных на схеме значениях частота генератора составляет примерно 800 Гц. Транзистор VT1 работает как усилитель звука. Благодаря ему, в качестве звукового излучателя BZ1 можно применять широкий спектр приборов от пьезоэлектрических капсюлей типа ЗП-3 с высоким сопротивлением до динамических телефонных капсюлей с сопротивлением выше 50 Ом.
Таким образом, пока на вход первого элемента приходит напряжение (контролируемые устройства в исправности), на выводе 4 элемента DD2.2 будет логический «0» и тишина в звуковом капсюле BZ1. Как только контролируемое напряжение пропадает, генератор запускается. Триггер на элементах DD1.2, DD1.3 сохраняет свое состояние и при возобновлении контролируемого питания ивх, поэтому генератор работает постоянно. Чтобы вновь привести схему в состояние готовности (сбросить триггер), нужно кратковременно отключить аккумулятор GB1, снять и снова подключить питание ивх. Подключение аккумулятора GB1 производится при установленном напряжении на контактах ивх. Аккумулятор и контролируемое напряжение подключаются к устройству через разъем типа РП10-11 или аналогичный. Скорректировать тональность звучания генератора можно, изменив емкость конденсатора С3. При уменьшении емкости частота увеличивается. Общий провод питания микросхемы и контролируемой схемы необходимо соединить.
Схема проста в повторении, реализована на двух микросхемах КМОП К561ЛЕ5, не требует настройки и стабильно работает в режиме 24 часа в сутки. В качестве автономного элемента питания применяется дисковый аккумулятор 7Д-0,125 или аналогичный на напряжение 6—12 В. В виде элемента питания GB1 возможно применять автономные элементы питания (батарейки), однако маломощный аккумулятор удобен тем, что его легко подзаряжать. Ток, потребляемый элементами схемы в режиме ожидания (при высоком уровне напряжения на входе микросхемы DD1.1), ничтожно мал, он составляет всего 3 мА. Практикой установлено, что заряженного аккумулятора 7Д-0,125 хватает на три месяца постоянной работы в режиме ожидания. Поэтому нет необходимости подключать GB1 через диод в прямом направлении для постоянной подзарядки от сетевого блока питания — можно быстро испортить аккумулятор.
При необходимости автоматического включения резервного источника напряжения или дополнительной сигнализации к точке «А» подключается узел на транзисторном ключе VT2 (рисунок внизу) с исполнительным реле К1 в коллекторной цепи. Диод VD2 предотвращает броски обратного тока через обмотку реле в моменты включения-выключения К1, тем самым защищая транзистор и устраняя дребезг контактов реле.
3.8.2. Монтаж элементов устройства и варианты замены деталей
Элементы устройства устанавливают на монтажной плате. Транзистор VT1 типа КТ312, КТ315 с любым буквенным индексом. Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,25. Оксидные конденсаторы К50-6, К50-12 или аналогичные. С3 — типа КМ6 или аналогичный. Реле К1 — маломощное, рассчитанное на напряжение срабатывания 7–9 В, например, РЭС-15 (исполнение РС4.591.003).
Рассмотрим простое в построении устройство датчика отключения электроэнергии со звуковым сигнализатором состояния, электрическая схема которого представлена на рис. 3.13.
Устройство предназначено для сигнализирования отсутствия (исчезновения) сетевого питания 220 В. Устройство актуально для сельской местности, где напряжение в осветительной сети иногда пропадает из-за природных условий (гроза, замыкание воздушной проводки, критические нагрузки электросети), но будет полезна и широкому кругу радиолюбителей, независимо от региона проживания. Данное устройство можно дополнить ключевым каскадом с исполнительным реле К1, тогда схема будет не только сигнализировать, но и включать контактами реле аварийное питание. В таком варианте элементы DD1.4, DD2.1, DD2.2 удаляются.
3.8.1. Принцип работы схемы
Постоянное напряжение, снимаемое с трансформаторного сетевого адаптера любой марки в пределах 15 В, сглаживается оксидным конденсатором С1 (К50-12), проходит через диод VD1 (КД521, КД522, Д220 с любым буквенным индексом), ограничительный резистор R1 и поступает на вход логического элемента DD1.1 (элемент «ИЛИ» с инверсией). Нормальное состояние на выходе этого инвертора — низкий уровень напряжения (логический «0»). На элементах DD1.2, DD1.3 реализована ячейка запоминания с двумя устойчивыми состояниями, т. е. иначе говоря триггер.
При появлении высокого уровня на выводе 5 DD1.2 (при исчезновении опорного напряжения ивх) такой же уровень будет присутствовать на выводе 10 элемента DD1.3 и сохранится здесь до снятия напряжения питания со всего электронного узла. Через ограничительный резистор R4 напряжение высокого уровня поступает на вход генератора импульсов. Цепочка С2К2 позволяет установить триггер в состояние ожидания (обнулить его) при смене аккумуляторной батареи GB1.
На элементах DD1.4, DD2.1, DD2.2 собран генератор звуковой частоты, он запускается логической «1», приходящей на вход DD1.4 (вывод 12, 13 микросхемы). Частота импульсов определяется значениями элементов С3 и R5. При указанных на схеме значениях частота генератора составляет примерно 800 Гц. Транзистор VT1 работает как усилитель звука. Благодаря ему, в качестве звукового излучателя BZ1 можно применять широкий спектр приборов от пьезоэлектрических капсюлей типа ЗП-3 с высоким сопротивлением до динамических телефонных капсюлей с сопротивлением выше 50 Ом.
Таким образом, пока на вход первого элемента приходит напряжение (контролируемые устройства в исправности), на выводе 4 элемента DD2.2 будет логический «0» и тишина в звуковом капсюле BZ1. Как только контролируемое напряжение пропадает, генератор запускается. Триггер на элементах DD1.2, DD1.3 сохраняет свое состояние и при возобновлении контролируемого питания ивх, поэтому генератор работает постоянно. Чтобы вновь привести схему в состояние готовности (сбросить триггер), нужно кратковременно отключить аккумулятор GB1, снять и снова подключить питание ивх. Подключение аккумулятора GB1 производится при установленном напряжении на контактах ивх. Аккумулятор и контролируемое напряжение подключаются к устройству через разъем типа РП10-11 или аналогичный. Скорректировать тональность звучания генератора можно, изменив емкость конденсатора С3. При уменьшении емкости частота увеличивается. Общий провод питания микросхемы и контролируемой схемы необходимо соединить.
Схема проста в повторении, реализована на двух микросхемах КМОП К561ЛЕ5, не требует настройки и стабильно работает в режиме 24 часа в сутки. В качестве автономного элемента питания применяется дисковый аккумулятор 7Д-0,125 или аналогичный на напряжение 6—12 В. В виде элемента питания GB1 возможно применять автономные элементы питания (батарейки), однако маломощный аккумулятор удобен тем, что его легко подзаряжать. Ток, потребляемый элементами схемы в режиме ожидания (при высоком уровне напряжения на входе микросхемы DD1.1), ничтожно мал, он составляет всего 3 мА. Практикой установлено, что заряженного аккумулятора 7Д-0,125 хватает на три месяца постоянной работы в режиме ожидания. Поэтому нет необходимости подключать GB1 через диод в прямом направлении для постоянной подзарядки от сетевого блока питания — можно быстро испортить аккумулятор.
При необходимости автоматического включения резервного источника напряжения или дополнительной сигнализации к точке «А» подключается узел на транзисторном ключе VT2 (рисунок внизу) с исполнительным реле К1 в коллекторной цепи. Диод VD2 предотвращает броски обратного тока через обмотку реле в моменты включения-выключения К1, тем самым защищая транзистор и устраняя дребезг контактов реле.
3.8.2. Монтаж элементов устройства и варианты замены деталей
Элементы устройства устанавливают на монтажной плате. Транзистор VT1 типа КТ312, КТ315 с любым буквенным индексом. Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,25. Оксидные конденсаторы К50-6, К50-12 или аналогичные. С3 — типа КМ6 или аналогичный. Реле К1 — маломощное, рассчитанное на напряжение срабатывания 7–9 В, например, РЭС-15 (исполнение РС4.591.003).
ТЕЛЕГРАМКанал с обзорами, анонсами новинок и книжными подборками
Книжный Вестник
Бот для удобного поиска книг (если не нашлось на сайте)
Поиск книг
Свежие любовные романы в удобных форматах
Любовные романы
О психологии, саморазвитии и личностном росте
Саморазвитие
Детективы и триллеры, все новинки
Детективы
Фантастика и фэнтези, все новинки
Фантастика
Отборные классические книги
Классика
ВКОНТАКТЕБиблиотека с любовными романами, которая наверняка придётся по вкусу женской части аудитории
Любовные романы
Библиотека с фантастикой и фэнтези, а также смежных жанров
Фантастика
Самые популярные книги в формате фб2
Топ фб2
книги