18/12/2010

Cамодельная гирлянда – перелив (+видео)

Самодельная гирлядна - перелив

Светящиеся киндеры - просто супер

Тривиальное свечение лампочек гирлянды никого уже не удовлетворяет, от гирлянды требуется светодинамическое шоу. С появлением миниатюрных микроконтроллеров и сверхярких светодиодов такая задача решается довольно просто. При этом значительно упрощается схема, повышается надежность, экономичность и цена. Но провода питания и управления меняются слабо, при этом кабель гирлянды получается толстым и некрасиво смотрится на Новогодней ёлке. Изготовление блока управления и гирлянды под новый год для радиолюбителя то же, что и вырезание снежинок для детей. Вот и у меня на сей счет появилась своя разработка (лет 15 назад) с несколькими оригинальными решениями как в области схемотехники, так и в конструировании…

Идея

Новогодние гирлянды – такой же непременный атрибут Нового Года как и снежинки, елочки и т.п. Решил я в это дело также внести свою скромную лепту, несколько вечеров после работы и вот что получилось. В основу проектирования, кроме доступности деталей и их минимального количества, было положено несколько основополагающих требований:

1. Обеспечение минимального количества проводников в жгуте проводов гирлянды равное двум при условии наличия двух или более каналов управления свечением (групп светильников) которыми можно управлять независимо.  Довольно трудно было найти несколько метров многожильного зеленого провода, а провода других цветов плохо смотрелись на ёлке.

2. Перегорание лампочки одного светильника в гирлянде никак не должно было влиять на работу остальных светильников. Искать перегоревшую лампочку на Новогодней елке (елку можно и самому сделать -http://www.afterwork.com.ua/?p=2023 ) приходилось долго и нудно, что чревато разбитыми игрушками, осыпанием иголок и поражением электрическим током.

3. Включение и выключение лампочек должно было происходить плавно. Это необходимо для увеличения срока службы лампочек накаливания гирлянды (а также для светоэффекта), учитывая то, включив один раз, я ее не выключаю примерно месяц или более того.

Принцип работы

Выполнить все требования, приведенные выше, удалось используя фазовое управление протекающим током через гирлянду и уровневое разделение каналов управления группами лампочек гирлянды. Это по-научному, а по-простому – во время положительного полупериода (рис.1А) сетевого напряжения работает одна группа лампочек гирлянды, а во время отрицательного – другая. Кроме того, отсекая часть полупериода положительного или отрицательного напряжения (рис.1Г) можно управлять яркостью свечения обеих групп лампочек независимо (главное знать, когда положительное, а когда отрицательное).

Самодельная гирлядна - перелив

В этом случае в каждый светильник гирлянды уже входит не только лампочка и рассеиватель, но и элемент, обеспечивающий разделение полупериодов – обыкновенный диод (рис.3б). Причем, здесь все светильники можно включить параллельно, а лампочки разных групп разместить через одну. При параллельном включении используется всего два провода, и выход из строя какой либо лампочки сразу же обнаруживается по отсутствию ее свечения. Кроме того, всегда можно удлинить или укоротить гирлянду, добавив/убрав пару или больше светильников, т.е. наращивать гирлянду постепенно. Таким образом, удовлетворяются первые два требования.Обеспечения плавного переключения (требование №3) реализовано так же, как часто реализуется эффект «бегущего» огня в сетевых гирляндах на тиристорах, а именно – в результате биения частот управляющего (рис.1В) и сетевого напряжения (рис.1Б). Период разносной частоты определяет период «перелива света» из одной группы светильников в другую. Период в несколько секунд особенно приятен для глаза человека, кроме того, в результате такого управления двумя группами светильников суммарная яркость гирлянды практически не меняется, что благоприятно сказывается на длительном восприятии такого светового эффекта (не задрачивает).

Описание схемы

Схема такой гирлянды проста, не содержит дорогих деталей, а варианты замены практически каждого элемента очень широки. Всю схему(рис.2) можно разбить на исполнительную и управляющую часть. Управляющая часть может быть замещена другой схемой, например, на микроконтроллере. А исполнительных частей можно сделать несколько, при этом добавление двух каналов потребует добавление только одного провода в жгут.

Центральным звеном исполнительной части есть выпрямительный диодный мост (VD6…VD9), последовательно с которым включена гирлянда, состоящая из двух групп светильников. Все светильники включены параллельно друг другу. В каждом светильнике лампа накаливания (HL1) соединена последовательно с диодом (VD10). Полярность включения диодов меняется через светильник вдоль цепи гирлянды. Для обеспечения электробезопасности напряжение питания гирлянды выбрано около 6 В.

Таким образом, лампочки подключаются к сетевому напряжению через диодный мост, в выпрямительную диагональ которого включен транзистор (VT4). Когда транзистор открыт, через гирлянду протекает ток. Чем бОльшую часть полупериода транзистор открыт, тем ярче светится светильник той или иной группы. Во время свечения лампочка вспыхивает 50 раз в секунду, но тепловая инерция интегрирует результат до свечения средней яркости. Таким образом, подавая управляющее напряжение на транзистор в нужный момент времени, можно управлять яркостью свечения светильника той или иной группы (рис.1Г).

Самодельная гирлядна - перелив

Управляющая часть схемы состоит из стабильного генератора прямоугольных импульсов (DA1,DD1), усилителя управляющего тока (VT2,VT3) и двух простых источников питания (VD4,VD5).Стабильный генератор прямоугольных импульсов должен обеспечивать частоту близкую к 50Гц с возможностью ее подстройки в пределах примерно одного герца. Подстройка частоты необходима для выбора желаемого периода «перелива» света из одной группы светильников в другую. При этом установленная частота должна оставаться весьма стабильной, не хуже чем частота сети, которая не изменяется больше чем на единицы или сотые доли герца за сутки. Обеспечить такую стабильность и одновременную возможности подстройки частоты без применения кварцевых синтезаторов оказалось весьма проблематично. Мною было испробовано несколько схем с разными элементами.

Наилучший результат показала сборная схема генератора на интегральном 555 таймере (DA1) с термокомпенсирующими элементами (VT1,VD1,VD2,R6) и последующим делением частоты на двоичном счетчике (DD1). Времязадающие конденсаторы С2,С3 должны быть с нулевым температурным коэффициентом емкости (ТКЕ). Подстройка частоты в небольших пределах осуществляется изменением ширины и положения петли гистерезиса интегрального таймера DA1 при помощи регулировки делителя напряжения R1…R3. Конденсатор С1 уменьшает пульсации напряжения на опорных входа компараторов интегрального таймера.

Для устранения необходимости применения нестабильных электролитических конденсаторов большой емкости частота сигнала на выходе интегрального таймера дополнительно делится на 128 при помощи двоичного счетчика DD1.

Микросхемы стабильного генератора прямоугольных импульсов получают питающее напряжение около 8В от выпрямителя (VD5,C8,C9) с параметрическим стабилизатором (VD3,R8,C4,C6). Ток, потребляемый от обмотки трансформатора для питания генератора, не превышает 10мА. Для обеспечения потенциальной развязки, управляющая и исполнительная части устройства запитаны от отдельных обмоток силового трансформатора TV1.

Усилитель управляющего тока (VT2,VT3) необходим для согласования слаботочного (около 1 мА) выхода микросхемы DD1 с мощным базовым током (около 200мА) транзистора VT4. При этом транзистор VT2 используется в качестве согласователя уровней и усилителя тока одновременно, а транзистор VT3 совместно с VT4 образуют составной транзистор с большим коэффициентом усиления (больше 200). Все это позволяет работать VT4 в ключевом режиме с глубокого насыщени.

Питание усилителя управляющего тока осуществляется от простейшего однополупериодного выпрямителя (VD4,C5,C7). Никакой дополнительной стабилизации для этого источника не требуется вследствие «жесткого» ключевого режима работы управляющего транзистора.

Таким образом (рис.2), в результате работы управляющей части транзистор VT4 определяет интервал времени протекания тока через лампочки гирлянды, а небольшая разница частот управляющего и сетевого напряжения смещает этот интервал относительно начала полупериода, что приводит к плавному затуханию первой группы лампочек и плавному загоранию второй группы (перелив). Понижающий трансформатор типовой, многообмоточный -ТПП 257, но вместо него можно использовать многообмоточные накальные трансформаторы серии ТН (6,3В) или подобные. При этом используется 3 раздельные обмотки на 6,3В.Разработанная схема легко адаптируется под лампочки с напряжением до 24В, лампочки могут быть заменены одним или несколькими сверхяркими светодиодами (в каждом светильнике) с токоограничителями и шунтирующим диодом в обратном включении.

Конструкция

В качестве плафона для светильников гирлянды используются контейнеры игрушечки киндер-сюрприза разных цветов (рис.3а). Внутри контейнера располагаются лампочка и диод (рис.3б). Контейнеры для этих целей использовать очень удобно, потому как, они матовые и ни источника света, ни диода снаружи не видно.

Корпус устройства неразборный, склеен из непрозрачного пластика молочного цвета. На корпусе устройства (рис.3в) есть только один орган управления – «регулятор частоты перелива». Так как силовые транзисторы работают в ключевом режиме их тепловыделение минимально даже при больших коммутируемых токах. Если количество лампочек указанного на схеме номинала не превышает 20 (ток до 1А), то от применения радиаторов для управляющего транзистора (VT4) и диодов моста (VD6…VD9) можно отказаться. При больших токах потребления для этих элементов необходимы небольшие радиаторы, а в корпусе – отверстия для охлаждения. Для указанных номиналов на схеме ток нагрузки – 3А, что позволяет включить примерно 40 лампочек в гирлянду безболезненно (рис.4).

Самодельная гирлянда - перелив

Настройка

При условии исправных деталей схема не требует настройки и начинает работать сразу. В крайнем случае, придется подобрать времязадающие элементы генератора R1…R4 для получения частоты на выходе делителя близкой к 50 Гц.

Применение

Для визуализации работы гирлянды прилагается видеофрагмент, в котором вручную изменяется частота «перелива» от минимальной до максимальной.

Примечания

1. Следует отметить, что мощность лампочки, устанавливаемой в киндер-контейнер, не должна превышать 1 Вт (http://www.afterwork.com.ua/?p=2114) ! В противном случае возможна деформация и плавление пластика контейнера.  Применив светодиоды, от этой проблемы можно уйти.

2. Если в светильник включить лампочку без диода, то она будет равномерно светиться. Создается, эдакий, третий канал – канал фоновой подсветки.

3. Количество каналов можно увеличить до 4 применив в управляющей части квадратурное расщепление управляющего меандрового сигнала. Для двух дополнительных каналов потребуется и своя исполнительная часть и дополнительный провод в гирлянде. Но тогда можно получить 5 каналов на 3 проводах.

4. Устранить недостаток схемы, связанный с уходом частоты опорного генератора и нестабильностью частоты промышленной сети можно применив схему на основе делителей с одним тактовым генератором: http://www.afterwork.com.ua/girlyanda-vnutri-kinder-kontejnera.html

Ёлка + гирлянда = полное ощущение Нового Года!

Похожие записи

7 комментариев »

  1. В моей старой гирлянде, которую когда-то тоже слепили собственноручно из маленьких лампочек, которые окрасили автомобильной разноцветной краской, со временем эта краска и слезла, а при нагревании так начинала вонять, что я боялась включать гирлянду больше 15 минут:) Но служила моя старая гирлянда мне лет 25 точно… Вот откуда пошли первые зародки очумелостей. А еще у меня елка стояла в подставке и крутилась, а гирлянда мигала поочередно, и это был самый настоящий праздник:)Кто таким похвастается?

    Комментарий by Alexeya_ale — 18/12/2010 @ 18:34

  2. Красивое решение поставленной задачи. Я теперь сижу и думаю, как сделать гирлянду, по указанным выше условиям, но используя только микроконтроллер и светодиоды. Даже схемка в голове выстроилась. Если эйфория от прочитанного не пройдёт, то реализую.

    Комментарий by Дядя Егор — 18/12/2010 @ 23:13

  3. Очень приятная форма гирлянды. И цвета очень приятные, на елке будут очень смотреться.

    Комментарий by Мастер — 18/12/2010 @ 23:25

  4. Думаю я могу похвастаться! Когда я был маленьким, мой отец собирал подобную гирлянду по старым журналам радио или моделист-конструктор. Наша елка также крутилась и гирлянда мигала, меняя свои цвета. Насколько я помню, на основании был приклеплен контактный круг с токовыми сегментами и ползунок, который при вращении замыкал поочередно разные контакты. Схема проста, но действовала. Так что дерзайте у Вас получиться!!!!!

    Комментарий by Константин — 27/12/2010 @ 13:22

  5. Замечательно, точно так оно и было. Самое главное здесь – это получить медленное вращение елки, нужен был редуктор с большим передаточным числом. Не поверите, но сейчас у меня есть такой редуктор, к этому Новому Году я не успею, но на следующий наверняка сделаю.

    Комментарий by opyvovar — 27/12/2010 @ 16:52

  6. А кроме редуктора ничего не надо? А как же питание гирлянды? Нуна точить кольца, иначе никак…
    Alexeya_ale даже 35 лет назад люди знали что лампочки красят цапонлаком с добавлением в него чуть-чуть паст разных цветов от шариковой ручки, а вот насчёт автомобильной краски… даже боюсь себе представить.

    Комментарий by RodenGT — 07/07/2011 @ 23:15

  7. Вообще то кольца не обязательно точить, энергию можно передать в зазоре вращающегося трансформатора, а и передавать ее нужно совсем не много, если использовать светодиоды. Тут главное механически ёлку крутануть.

    Комментарий by opyvovar — 08/07/2011 @ 8:10

RSS лента комментариев к этой записи.

Оставить комментарий



Творим После Работы работает на WordPress, русская версия WordPress от MyWordPress.Ru
Информация на сайте является собственностью авторов.
ЗАПРЕЩАЕТСЯ копировать и размещать любую информацию без согласия авторов.