Большие контейнеры - больше удовольствия!
В этом году я познакомился с киндер-контейнерами больших и огромных размеров и подумал, а почему бы там не установить светодинамическую схему? Из таких громадных подсвеченных киндер-контейнеров легко собрать гигантскую гирлянду, соединив контейнеры в цепочку. Полупрозрачный пластик контейнеров хорошо рассеивает свет, генерируемый изнутри и на поверхности киндера. Легко и просто можно организовать внутреннюю проекцию. Объем больших киндер контейнеров достаточный для размещения большой группы лампочек или сверхярких светодиодов с печатной платой схемы управления без опасности перегрева пластика. Если схема управления светодинамикой расположена внутри, то снаружи, по двум проводам, остается подать питающее напряжение и радоваться получившемуся эффекту.
Идея
В основе разработки лежит несколько принципов:
1. Вся схема управления и светоизлучающие приборы размещаются внутри большого киндер-контейнера .
2. Для питания такой “внутренней” гирлянды следует использовать стандартный блок питания (12В) от компьютерной техники: ноутбуков, принтеров, сканеров, мониторов и т.п.
3. Цветодинамика устройства должна быть стабильной и плавной, чтобы не слишком раздражала глаза резким миганием.
4. Все элементы должны быть дешевыми, легкодоступными и допускать широкий спектр эквивалентных замен без каких либо переделок в схеме.
Размышления
В эпоху доминирования цифровой техники сочинять аналоговую схему для плавного переключения и выполнения приведенных выше трабований не хотелось, так как предусматривалось использовать разнообразные типы светоизлучающих устройств, в основном лампочки накаливания и светодиоды (в том числе и сверхяркие), которые имеют весьма разнообразные характеристики светимости. Поэтому, плавность изменения яркости реализована на основе широтно-импульсного дискретного управления. Для получения нескольких каналов светосопровождения используется квадратурное расщепление управляющего сигнала, предусмотренное еще в самодельной гирлянде (http://www.afterwork.com.ua/?p=1955). А для получения большого и, самое главное, стабильного периода изменения яркости используются два счетчика-делителя, вырабатывающие близкие частоты от от единой тактовой частоты. Все это позволяет разместить печатную плату схемы внутри киндер-контейнера большого размера, что бы подсветить его изнутри.
Материалы и инструменты
1. Киндер-контейнер большого или очень-большого размера, по моей классификации – гигант или супергигант.
2. Блок питания на 12 В , 1А (или больше), можно собрать вот в таком корпусе.
3. Радиодетали согласно схеме электрической принципиальной (рис.2) и макетная печатная плата .
4. Паяльник и паяльные принадлежности.
Общий принцип работы
Принцип работы, как и в самодельной гирлянде – перелив (http://www.afterwork.com.ua/?p=1955), состоит в биении частот двух генераторов с близкими частотами. В предыдущем случае творения гирлянды использовались частоты промышленной сети (50 Гц) и отдельного низкочастотного RC- генератора. Как показала практика использования схемы , частота биения из за сильной температурной нестабильности изменялась в довольно широких пределах и получить долговременное плавное включение и выключение, например, на протяжении 10 сек удавалось только на непродолжительное время. Частота биений, почему то, все время уходила в режим резкого мерцания, что противоречило исходным требованиям плавности переключения (переливу).
Решается проблема довольно просто с использованием двух 8…12 разрядных делителей(см. рис.1.Б и рис.1.Г), работающих от одного задающего генератора. Смешиванием двух близких частот делителей на элементе “Исключающее ИЛИ” получается управляющий сигнал (см. рис1.Д) с частотой близкой к удвоенной выходной частоте выходов делителей (сравнить рис1.А и рис1.Д) и коэффициентом заполнения периода, зависящим от текущей фазы опорного и управляемого делителей. Фактически это - ШИМ ( широтно-импульсная модуляция ) управления зажиганием ламп гирлянды. Так и реализуется плавность включения/выключения, причем все элементы работают в ключевом режиме и потребление даже силовой части – небольшое.
Для создания эффекта бегущего огня используется квадратурное расщепление выхода опорного делителя (рис.1.В) путем объединения сигналов на предыдущем выходе делителя (рис1.А) с последующем (рис.1.Б) на элементе “Исключающее ИЛИ” (по схеме формирования функций Уолша). Получив прямой и квадратурный сигналы, легко получить их инверсию, и, организовав, таким образом, квадратурную четверку каналов с плавным переключением – приятный эффект бегущей волны.
Описание схемы
Вся схема электрическая принципиальная гирлянды(рис.2) состоит из задающего генератора (DD1,C1,R1,R2), опорного делителя частоты (DD4), управляемого делителя частоты (DD3), логического формирователя (отдельные вентили DD1,DD4) и четырех одинаковых ключевых усилителей (А1…А4) с подключенными группами миниатюрных лампочек. Питание схемы осуществляется от источника питания напряжением от 5 до 15 В в зависимости от типа лампочек, которыми Вы располагаете и источника питания. Общее потребление схемы в основном определяется потреблением светоизлучающих приборов, например, в случае применения лампочек может достигать до 0,5А на один киндер-контейнер гирлянды.
Задающий генератор собран по простейшей схеме автогенератора на двух инверторах DD1.1 и DD1.2. Наименьшая частота автогенератора определяется коэффициентом пересчета опорного генератора (256) и нижней частотой мерцания для глаза (около 60 Гц). Частоту управления светодиодами разумно взять несколько выше частоты мерцания. В результате, минимальная частота генератора должна составлять около 25 кГц и может быть реализована без особых проблем на неприхотливых и устаревших сериях микросхем (176, 561).
При этом период плавного переключения около 1 с. Дискрет изменения яркости в 1/255 намного больше динамического диапазона свечения лампочки накаливания (глазом градиент я так и не увидел). Для увеличения периода плавного переключения на порядок, потребуется добавить ещё один счетчик и увеличить частоту задающего генератора также на порядок, что не составит особого труда.
Стабильность частоты тактового генератора особого значения не имеет, как например, при творении схемы самодельной гирлянды (ссылка), так что времязадающие элементы (R1,R2,C1) могут быть различных типов. Построечный резистор R2 (рис.2) пригодиться для подбора периода плавного переключения световой волны. Два буферных элемента (DD1.4, DD1.5) развязывают задающий генератор от делителей, а также обеспечивают тактирование опорного и управляемого делителя в противофазе, что уменьшает помехи по линиям питания.
Опорный делитель частоты (DD3) представляет собой двоичный счетчик с коэффициентом пересчета 256 (два внутренних счетчика по 4 разряда). Прямой сигнал реализуется на выходе 14 (DD3). Сигналы двух старших разрядов этого счетчика используются для формирования сигнала сдвинутого по фазе на 90 градусов (квадратурного сигнала) относительно прямого сигнала.
Управляемый делитель частоты собран на двоичном счетчике DD2. Коэффициент пересчета управляемого делителя задается диодами VD1-VD8, которые представляют собой логический элемент «8И» и обеспечивает фиксацию состояния 255 на выходах DD3 и сброс счетчика по асинхронному входу – R. Элемент DD4.4 используется как повторитель и формирователь сигнала асинхронного сброса. Сигнал на выходе старшего разряда управляемого делителя (выв.14 DD2) очень близкий к меандру (рис.1.Г) и используется для взаимодействия с сигналами опорного генератора для получения биений.
Логический формирователь предназначен для получения частоты биений и 4-х квадратурных сигналов. Два сигнала от квадратурного формирователя опорного делителя (рис.1.В) и управляемого делителя (рис.1.Г) подаются на схемы совпадения, собранные на логических элементах DD4.2, DD4.3. В результате наличия разности частот, фазы этих сигналов также различаются. Таким образом, с периодом разностной частоты будет меняться и заполнение импульсного сигнала, а значит и усредненная яркость светодиодов, подключенных к каналу. Четыре канала соответствуют всем четырем квадратурным фазам опорного сигнала, инверсные сигналы формируются элементами DD1.3, DD1.6.
Ключевые усилители (А1..А2) собраны по составной схеме эмиттерного повторителя на транзисторах (VT1 и VT2). Резистор R1 после настройки схемы можно заменить гальванической перемычкой. Резистор R2 ограничивает ток базы VT2, а значит и ток колектора (около 0,5А). Резистор R3 обеспечивает надежное закрытие транзистора VT2. В качестве светоизлучающих приборов я использовал лампочки на напряжение 12В и ток 0,12А, а также блок питания от сканера на напряжение также 12 В.
Конструкция
Все элементы схемы расположены на небольшой макетной печатной плате, а соединения проводятся навесным монтажом (рис.3). Работа довольно кропотливая, но её вполне возможно осуществить за вечер после работы. Лампочки располагаются на кольцах (рис 3), и расположить по кругу их нужно в определенном порядки зажигания, что бы обеспечить эффект бегущей волны. В моём случае лампочки расположены так, что в верхней части киндер-контейнера огонь “бежит” по часовой стрелке, а в нижней части – против часовой стрелки. Как по мне, то это создает эффект бОльшего разнообразия переливов на пластиковой поверхности.
После сборки печатной платы с установленными лампочками, вся система размещается внутри киндер-контейнера (рис.4). Если подвесить закрытый контейнер с размещенной внутри платой за шнур питания, то плата в контейнере расположится вертикально и особого крепления не потребуется (рис.5а).
Питание схемы можно осуществить как от стабилизированного, так и нестабилизированного источника питания. В моем случае (рис.5б) я применял сетевой понижающий трансформатор на 12 В, выпрямительный мост и сглаживающий конденсатор на 1000мкф. Этого оказалось достаточно для нормальной работы схемы.
Настройка
Настройка такой схемы состоит в подборе нужной частоты плавного переключения и расположения лампочек таким образом, что бы получить эффект бегущей волны с нужной частотой перелива.
Работу гирлянды снаружи и внутри можно посмотреть на видео:
Could not parse XML from YouTube
Применение
1. Питание устройства можно осуществить и от USB-порта, тогда в качестве светоизлучателей скорее всего придется применить светодиоды.
2. Если для подсветки применяются светодиоды, то следует помнить о токоограничительных сопротивлениях (смотри светодиодная лампа – http://www.afterwork.com.ua/?p=2589).
3. В конструкции возможно применение и комбинированной подсветки одновременно лампами и светодиодами.
4. Для обеспечения подсветки киндера питанием подойдут и высокочастотные преобразователи для галогенных 12 В ламп, которые продаются практически во всех супермаркетах, однако к ним нужно добавить диодный мост на высокочастотных диодах и небольшой конденсатор в качестве фильтра пульсаций.
5. Из такого контейнера получится неплохая светодинамическая верхушка для новогодней ёлки ( http://www.afterwork.com.ua/?p=640 ).
6. Если гирлянду планируется разместить на улице, то размещать контейнеры следует таким образом, что бы отверстие для шнура питания располагалось внизу (блокирование затекания влаги).
Большой киндер – большая радость!
!