Акустический дозатор освещения - 2

Введение

Акустический дозатор освеще­ния - 2 (далее просто АДО) явля­ется автономным экономичным ус­тройством, обеспечивающим включение локального освещения на короткий промежуток времени (2 минуты) по хлопку в ладони. АДО может быть установлен в кладовках, жилых комнатах и других местах, где аварийное пропадание сетевого освещения может приве­сти к большим неудобствам. АДО может также использоваться в ка­честве сигнапизатора появления сквозняка в детской спальне - рез­кого открывания форточки и (даже беззвучного) открывания двери. Родители смогут вовремя предот­вратить переохлаждение ребенка и предохранить его от простуды, зак­рыв форточку. Наконец, АДО явля­ется интересным аттракционом, позволяющим посоревноваться в громкости издаваемых хлопков. Кто с максимально большего рас­стояния сможет зажечь освети­тельный светодиод, становится по­бедителем. Участникам соревнова­ний дается по 2 - 3 попытки на каж­дом этапе при удалении от АДО на 2, 4, 8, 12 метров. Можно не опа­саться забыть выключить АДО и разрядить батарею, так как интен­сивный энергопотребляющий ре­жим (свечение) ограничен во времени таймером - одновибратором, а в дежурном режиме АДО потреб­ляет порядка 100 мкА.

Схема

АДО состоит из акустического градиентного реле - формировате­ля импульсов запуска одновибратора, одновибратора, цепи преду­становки, таймера - одновибрато­ра и токового ключа с нагрузкой - светодиодным излучателем.

Микрофон ВМ1 (см. рис. 1) име­ет встроенный усилитель. Рабочий режим ВМ1 задается подстроечным резистором R2. Акустическое гради­ентное реле состоит из элементов R1...R8.C1.C2, VD1.VD2. DA1. Одновибратор собран на элементах DD1.1, С4 ,R9, VD3; таймер одновибратор - на элементах DDl.2, С6, R11, VD4...VD6; токовый ключ на полевом транзисторе VT1; цепь предустановки - на С5. R10. В со­став нагрузки вместе с EL1 входит токоограничительный резистор R12. Конденсатор фильтра СЗ яв­ляется подавителем вероятных внешних ВЧ-помех.

При замыкании кнопочного выключателя SA1 "Пит.", напряжение батареи GB1 поступает на цепь предустановки и устанавливает триггер DD1 .2 в исходное (нулевое) состояние: в течение времени заряда конденсатора С5 через рези­стор R10, на обкладке "-" С5 при­сутствует положительный потенци­ал (логическая 1). Эта 1 (сигнал сброса/ через диод VD4 поступает на вход R ("Reset" = "Сброс") (вы­вод 10) DDI .2 и устанавливает низ­кий уровень на прямом выходе (вы­вод 13) триггера DD1.2. Как след­ствие, транзистор VT1 закрыт, со­противление канала исток - сток бесконечно большое и нагрузка EL1 обесточена.

ОУ (операционный усилитель) DA1 выполняет функцию компаратора и для получения максималь­ного коэффициента усиления по напряжению включен без резисто­ра обратной связи. При акустичес­ки спокойной картине рабочая точ­ка DA 1 устанавливается автоматически. Меньший (по сравнению с R6) номинал резистора R4 обеспечивает более низкий потенциал на прямом входе (вывод 3) ОУ DA1, поэтому на выходе (выводе 6) DA1 установлен низкий уровень . Напряжение с резистора R3 через диоды VD1, VD2 подается на входы компаратоpa DA1. Так как напряжения на прямом и инвертирующем вхо­дах (выводы 3 и 4 соответственно) DA1 почти одинаковы, чувствительность компаратора макси­мальна.

Если хлопнуть в ладони, то на верхнем выводе микрофона ВМ1 появляются всплески напряжения, которые через переходной конденсатор С1 поступают на диоды VD1, VD2 и несколько задерживаются конденсатором С2 на инвертирующем входе (вывод 2 DA1). Кратков­ременно появившаяся разность на­пряжений на входах ОУ DA1 уси­ливается и на резисторе R8 (сопротивлении нагрузки DA1) появляют­ся импульсы положительной полярности, амплитудой близкой к на­пряжению источника питания. Этот сигнал подается на установочный вход (вывод 6) S ("Set" = "Установ­ка") DD1.1. Первый же положительный перепад напряжения (начало импульса) запускает одновибра­тор, т.е устанавливает высокий уровень (логическую 1) на прямом выходе (вывод 1) триггера DDI .1. Эта 1 через резистор R9 начинает заряжать конденсатор С4. Через 0,5 секунды конденсатор С4 заря­дится до напряжения, равного по­ловине напряжения питания, и од­новибратор на ИМС DD1.1 по вхо­ду "Reset'' (вывод 4 DD1.1) возвра­щается в исходное (нулевое) состо­яние. То есть, на неинвертирующем выходе (вывод 1) DD1.1 снова по­является 0, а конденсатор С4 быс­тро разряжается через диод VD3. Так одновибратор выполняет фун­кцию подавителя дребезга, возни­кающего на выходе (вывод 4) ОУ DA1 из-за различающейся интен­сивности хлопков в ладоши.

Длительность сформированно­го импульса одновибратора на ИМС DD1.1 определяется номина­лами времязадающей цепи С4, R9 и приближенно расчитывается по формуле - т = 0.7RC,

где С - емкость конденсатора С4 в микрофарадах, a R - сопротивление резистора R9 в мегомах.

Cигнал с выхода (вывод 1) DD1.1 подается на стробирующий вход С (вывод 11) таймера одновибратора DD1.2. D-триггер DD1. 2 запускается по фронту на входе С и информация со входа D - логическая 1 записывается на его пря­мой выход, то есть на прямом вы­ходе (выводе 13) DD1 2 появляет­ся логическая 1. С прямого выхода (вывод 13) DD1.2 логическая 1 по­ступает на затвор полевого транзистора VT1. VТ1 открывается и со­противление перехода сток - исток VT1 резко (до единиц ом) уменьша­ется . Напряжение положительной полярности с батареи GB1 посту­пает на осветительный светодиод EL1. Светодиод EL1 будет нахо­диться во включенном состоянии в течение времени, определяемого времязадающей цепью R11, С6, то есть пока на прямом выходе (вы­воде 1) DD1.1 присутствует логи­ческая 1. Эта 1 через резистор R11 плавно заряжает конденсатор С6. Через 120 секунд конденсатор С6 зарядится до половины напряже­ния источника питания (плюс прямое падение напряжения на кремниевом диоде VD5 порядка + 0,7 Вольт), что эквивалентно появле­нию логической 1 на входе R (вы­вод 10) DD1.2. Триггер DD1.2 обну­ляется, то есть на его выводе 13 снова устанавливается уровень ло­гического нуля, а конденса^тор С6 быстро разряжается через диод VD6, подготавливая таймер одно­вибратор к следующему циклу ра­боты. Другими слoвами, на прямом выходе Q (выводе 13) DD1.2 фор­мируется 120 - секундный не ин­вертированный импульс положи­тельной полярности, который по­ступает на затвор транзистора VT1 и открывает его. Осветительный светодиод EL1 ярко светится 120 секунд. А повторные хлопки в ла­дони (в течение этих 120 секунд) таймер - одновибратор пеперезапускают. Диоды VD5, VD6 "органи­зованы" в логическое "ИЛИ" и расширяют вход "Reset" (вывод 10) DD1.2.

Длительность выдержки тайме­ра - одновибратора приближенно рассчитывается по Формуле:

т = 0,7RC, где С - емкость конденсатора С6 в микрофарадах, a R - сопротивление резистора R11 в мегомах

Настройка

Настройка АДО заключается в установке постоянного напряжения от + 0,3 до 1,2 В на верхнем по схе­ме (рис. 1) выводе микрофона ВМ1. "Четкий" уровень логическо­го нуля при заданном фоновом уровне окружающей акустической картины устанавливается подбо­ром номинала резистора R4 (ори­ентировочное значение номинала - от 620 до 910 кОм). Рабочую акус­тическую картину для настройки чувствительности АДО (по отсут­ствию ложных срабатываний) мож­но создать включением на полную громкость абонентского громкого­ворителя на расстоянии 0,5 метров от ВМ1. Микрофон следует напра­вить в противоположную от основ­ного источника фонового звука - абонентского громкоговорителя. Так как АДО должен срабатывать от хлопков в ладони, то для достижения максимальной дальности срабатывании следует обеспечить прямую видимость передней пане­ли микрофона. Еще большую даль­ность срабатывания АДО можно получить, направляя взрывную волну от хлопка в ладони прямо на микрофон. Для этого ладони при хлопке должны располагаться пер­пендикулярно передней (рабочей) панели микрофона. Проще говоря, при установке АДО, например, в длинном коридоре, для обеспече­ния максимальной чувствительно­сти и отсутствия ложных срабатываний, следует руководствоваться рис. 2 (вид сверху). Дополнитель­но, для уменьшения вероятности ложных срабатываний (включений) АДО, микрофону ВМ1 следует обеспечить мягкое (через чашечку из поролона) крепление. А пайку ВМ1 к ПП (печатной плате) выпол­нить мягкими тонкими многожиль­ными проводниками в изоляции. Допустимо ВМ1 припаять к ПП же­стко - толстыми (0,4 ..0,8 мм) од­ножильными медными проводника­ми, а крепления ПП к корпусу, и корпуса к стене (к любой верти­кальной или горизонтальной по­верхности) сделать мягкими.

Ток дежурного режима АДО за­висит от сопротивления подстроен­ного резистора R2. Поэтому жела­тельно, для большей экономично­сти АДО, выбрать ток дежурного режима 90...220 мкА, не более. Если чувствительность АДО при таком токе окажется недостаточ­ной, то рекомендуется воспользо­ваться следующей рекомендацией, повысить чувствительность и, как следствие, дальность действия АДО можно применением резисто­ров R4 и R6 одинаковых номина­лов (1 МОм). При этом в исходном состоянии на выходе DA1 будет логическая 1, а не 0 и остальная (нижняя по схеме) часть АДО будет работать "не по теории", однако это практически не отразится на потре­бительских свойствах АДО. Повы­шение чувствительности АДО объяснимо уменьшением разности напряжений смещения на входах DA1.

Подборным резистором R12 уточняется рабочий ток (50...80 мА, не более) светодиода EL1. Вместо EL1 можно включить любую нагруз­ку с током потребления до 180 мА (Даже зуммер типа TR-1203у не на­правленный прямо на микрофон, не будет давать ложных перезапус­ков таймера - одновибратора.) В последнем случае резистор R12 следует исключить. Устройство со­храняет работоспособность при снижении напряжения питания до 3 В. Не исключается вариант пита­ния АДО и от малогабаритных се­тевых "адаптеров" с выходным на­пряжением +4,5 В. Сопротивление резистора R8 может иметь боль­шой разброс и лежать в пределах 75...120 кОм.

Детали, печатная плата

В АДО применены резисторы: R1, R3...R12 — ОМЛТ 0,125 Вт; R2- СПЗ-19а малогабаритный керметный (D = 6,6 мм, Н = 4,1мм). Кон­денсаторы С1 ...С4 - керамические типа КМ6; С5 - К50-35; С6 - мало­габаритный оксидный с малым то­ком утечки (зарубежного производ­ства). В крайнем случае конденса­тор С4 может быть оксидным ("плюс" С4 соединяется с анодом VD3 на схеме рис. 1), но желатель­но малогабаритным и с малым то­ком утечки. Диоды VD1...VD6 - любые кремниевые, например КД102, КД503, КД510, КД513, КД521. Транзистор VT1 - КП501, КП504 с любым буквенным индек­сом. Микрофон ВМ1 - электретный, может быть заменен анало­гичным, например, особо мини­атюрным XF-18D (размеры: d = 6 мм, h = 3,8 мм). SA1 - кнопочный вык­лючатель с включением повторным нажатием (габаритные размеры D = 16 мм; h = 33 мм) можно заменить тумблером типа MTS-102, SMTS-102 или подобным. В АДО применена микросхема DD1 серии К561, кото­рая (при доработке печатной пла­ты) может быть заменена 564-й се­рией. DA1 - 140УД12. Светодиод EL1 можно заменить современны­ми светодиодами высокой яркости. Например, зеленым OSBG5111A-VW (18 cd; d = 5 мм; 3...3,4 В; 20 мА); изумрудным TTL-500G3VC-2 (+3,5 В, 20 мА) со встроенной линзой. Для миниатюрной конструкции с комби­нированной нагрузкой (например, радиомикрофон + светодиод) по­дойдет светодиод белого цвета свечения типа ARL-3214UWC (20 cd, диаметр 3 мм). Батарея GB1 - "плоская" типа 3R12G.

Микросхемы DD1 и DA1, а так­же транзистор VT1 устанавливают в специальные панельки(розетки) для защиты от статического элек­тричества.

Печатная плата АДО выполне­на из односторонне фольгированного гетинакса или стеклотексто­лита размерами 38x33x1,5 мм (см рис. 3 и рис. 4).

           

Диаметр отверстий на печатной плате под микросхемы 0,7...0,8 мм, под остальные радиоэлектронные компоненты-0,8... 1 мм, под соеди­нительные проводники - 1 ...1,2 мм, под крепежные винты-2,5 ..2,7 мм. Рисунок печати - "трассировка пе­чатной платы" — (см. рис. 4) может быть перенесен на медную фольгу методом термопереноса или пере­веден при помощи копирки и обве­ден кислотостойкими перманент­ными маркерами. Подойдут специ­альные маркеры для подписывания компьютерных CD - дисков. Тра­вится ПП в насыщенном растворе медного купороса и поваренной соли (соотношение растворенных в воде компонентов 1:3) в "водной бане" (при температуре близкой к температуре кипения воды в тече­ние 1 часа) или по другим извест­ным радиолюбителям рецептам.

Варианты оформления фальшпанели корпуса АДО приведены на рис. 5а-в (см. на 3-й странице об­ложки). Печатная плата устанавли­вается в пластмассовый корпус подходящих размеров, например в пластмассовую мыльницу прямоу­гольной формы. Расположение ба­тареи питания, платы и других де­талей в корпусе - мыльнице раз­мерами 105x67x30 мм указано на рис. 6. Осветительный светодиод EL1 вставляется в переднюю па­нель корпуса АДО на трении. Для прочного крепления, под EL1 свер­лится отверстие на 0,2...0,3 мм меньше, чем диаметр светодиода

EL1 и при необходимости растачи­вается круглым надфилем враща­тельными (а не поступательными) движениями. В передней стенке корпуса (в крышке мыльницы) сверлятся отверстия под элементы EL1, ВМ1, SA1 и под винты М2,5 (с потайной головкой) крепления ПП. Затем винты "заподлицо" прикру­чиваются к передней стенке корпу­са и бумажная фальшпанель (рис. 5), отпечатанная на цветном принте­ре, приклеивается клеем ПВА к за­чищенной шкуркой передней стен­ке корпуса. Сушится фальшпанель 24 часа под прессом и после суш­ки защищается от попадания вла­ги широкой полоской скотча.

Чтобы АДО можно было исполь­зовать и в переносном, и стационар­ном вариантах, в задней части кор­пуса АДО надфилем выпиливают две петли типа "ушки" (как у мебе­ли, прикрепленной к стене) для на­вешивания корпуса АДО на два шу­рупа или винта МЗ с полукруглыми головками. К нижней части верти­кально поставленной мыльницы следует приклеить декоративную амортизирующую пористую про­кладку толщиной 1.. 3 мм.

Александр Ознобихинг. Иркутск