07/12/2013

Сверхплавная ШИМ USB гирлянда

Сверхплавная ШИМ USB гирлянда

для Новогоднего оформления

Как то так сложилось, что в конце каждого года уже много лет подряд мне хочется сделать гирлянду на ёлку или саму ёлку, или игрушку на ёлку, либо иную новогоднюю поделку для украшения праздника Нового Года. Некоторые прошлогодние поделки модернизируются, а некоторые прекрасно совмещаются с прошлогодними, реализуя новое качество. Самое завораживающее возле новогодней ёлки – цветодинамическое шоу, к которому я уже обращался не один раз. Теперь к рассмотрению предлагается новый вариант плавной гирлянды на простой дискретной элементной базе.

Идея

Основные принципы, лежащие в основе разработки схемы и конструкции это:

1. Плавное изменение яркости свечения за счет постепенного изменения скважности импульсов (ШИМ – модуляция). Это позволяет использовать в качестве светоизлучателей как лампы накаливания различной мощности  так и разноцветные светодиоды. В результате применения ШИМирования управляющий элемент работает в ключевом режиме и практически не рассеивает мощности, как и в случае чисто цифрового варианта реализации плавного включения.

2. Период плавного нарастания и спадания должен быть не менее нескольких минут, что затруднительно сделать в схеме, которая представлена на этом сайте здесь.

3. Схема должна сохранять работоспособность в широком диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В, что бы была возможность применять различные лампочки или цепочки светодиодов, или то и другое вместе и побольше. Если применить светодиоды то питание можно осуществить и от USB – порта (http://www.afterwork.com.ua/?p=2114).

4. Ну и традиционное – простота как схемы , так и конструкции. Минимум деталей – максимум функциональности. Например, как здесь.

По результатам тестирования , по моему мнению, разработанная сверхплавная ШИМ гирлянда этим принципам вполне соответствует.

Принцип работы

Для получения плавного свечения на основе ШИМ – управления используется взаимодействие двух симметричных пилообразных напряжений. Период первого сигнала составляет около милисекунды, период второго – минуты. Сравнивая этих два сигнала  на компараторе получаем выходное  ШИМ колебание с частотой медленного генератора (рис.1), которое направляется к светоизлучателям через ключевые элементы.

Цифровая схема перераспределяет полученное ШИМ колебание на источник света, который плавно и долго  “зажигается” до максимальной яркости, а потом яркость плавно спадает до нуля. В следующем периоде плавного напряжения срабатывает другой источник (другого цвета). Всего в этой схеме реализовано 10 цветов, при условии использования красного, зеленого, синего и желтого светодиодов. Изменив цифровую схему перераспределения и  совсем несложные доработки позволяют значительно расширить этот ассортимент цветовых комбинаций.

Сверхплавная ШИМ USB гирлянда

Схема электрическая

По функциональному признаку электрическую схему можно разделить на аналоговую часть, цифровую часть и исполнительную. Состав и схема исполнительной части зависят от источников света. В моем случае это светодиоды, а потому исполнительная часть простейшая.

Аналоговая часть состоит из двух идентичных по схеме генераторов на интегральном таймере 1006ВИ1 (555), который весьма удачно и многочисленно вписался в радиолюбительскую практику повсеместно ( http://www.afterwork.com.ua/?p=3719). Схема включения таймера традиционная, в режиме генерации меандрового сигнала (скважность – 2 или коэффициент заполнения импульсов 50%).

Генератор с большим периодом (несколько минут) и времязадающей цепочкой C1R1 собран на микросхеме DA1.  Если сигнал такого генератора будет не меандровым, то время зажигания и спадания будет различным, потому в его состав введена цепочка R2VD1, которая симметрирует выходной сигнал. Хотя, ее можно и не применять, так как на больших интервалах времени разность зажигания и угасания гирлянды оценить очень сложно. Конденсатор С1 – традиционный, обеспечивает стабильность напряжения (минимизацию пульсаций) на внутреннем компараторе 555 таймера (1006ВИ1).

Генератор с малым периодом (большой частотой) собран на DA2 и принципиальных различий с предыдущим генератором не имеет, кроме различия в номиналах С3 и С4, с которых и снимается напряжение близкое к пилообразному (рис.2) для подачи на компаратор сравнения DA3. Если напряжение быстрого пилообразного сигнала будет больше медленного, то на выходе компаратора DA3 сформируется логическая единица, если нет, то логический ноль. В результате формируется последовательность прямоугольных импульсов с коэффициентом заполнения от 0 до 100%  и обратно в течение периода медленного генератора.

Сверхплавная ШИМ USB гирлянда

Если в составе гирлянды только один светоизлучатель, то этот сигнал сразу подается на исполнительную часть. Если каналов светоизлучателей несколько (http://www.afterwork.com.ua/?p=1955), то потребуется  цифровая часть для перераспределения управляющих ШИМ – импульсов. Цифровая часть должна содержать как минимум счетчик и демультиплексор  импульсов медленного генератора.

Цифровая часть может быть собрана на различной элементной базе, в моем случае применены те элементы, которые были в наличии, а именно счетчик с дешифратором DD1 (561ИЕ8) и логические элементы 2И-НЕ DD2 (561ЛА7). Все аналоговые и цифровые интегральные схемы работают в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В и соответствуют выдвинутому ранее принципу нечувствительности к напряжению источника питания, а также к его параметрам по пульсациям и стабилизации.

Счетчик-дешифратор DD1 последовательно формирует на своих выходах Q0…Q9 импульсы длительностью в период тактового сигнала (несколько минут), с качестве которого использован сигнал медленного генератора. Каждому из 10 состояний соответствует включение одного или нескольких каналов, в моем случае сначала  поочередно срабатывают по одному каналу (4 комбинации) , а потом одновременно 2 канала (6 комбинаций), что обеспечивает получение плавного свечения 10 различных цветов.

Для поддержки всех перечисленных комбинаций на основе имеющихся 4 светоизлучателей разного цвета применен диодный дешифратор VD3…VD9, упрвляющий прохождением ШИМ-сигнала управления через елементы 2И-НЕ (DD2). Сигнал с выхода диодного дешифратора создает определяющий уровень логической единицы для элемента 2И-НЕ в случае появления логической единице на определенном выходе DD1.  Резисторы R6..R9 служат нагрузкой сегментам диодного дешифратора обеспечивая уровень логического нуля для элементов 2И-НЕ в случае нулевого уровня на входе всех диодов сегмента светоизлучателя.

Исполнительная часть также зависит от примененного источника светового сигнала. В моем случае это яркие светодиоды разных цветов с током потребления около 20мА и напряжением 3..4В. Такой ток слишком велик для выходного каскада логического элемента DD2, поэтому для управления светодиодами пришлось установить простейший электронный ключ на транзисторах VT1…VT4.

Вообще то неплохо было бы совместить электронный ключ с источником тока (похожим на такой, как применен http://www.afterwork.com.ua/?p=3650 ) для возможности подключения различных источников питания, но предполагалось использовать зарядное устройство от старого мобильного телефона, для которых токоограничивающие резисторы R14…R17 имеют сопротивление около 200 Ом.

Для устранения пульсаций питающее напряжение заблокировано конденсатором С5 большой емкости. Пульсации питающего напряжения большой проблемы для устройства не составляют так как сравниваются два пилообразных напряжения полученные от одного источника питания и на идентичных микросхемах по идентичной схеме (дифференциальная обработка).

Настройка, а вернее подстройка может потребоваться в двух точках схемы.

Во-первых резистором R2 следует установить приблизительно одинаковое время нарастания  и затухания свечения. Для более быстрой оценки рекомендуется временно уменьшить С3 до 1 мкФ.

Во-вторых, разумно  подстроить токи светодиодов VD20…VD23 для получения одинаковой яркости при разной цветности.  Подстройка осуществляется соответствующим токоограничивающим сопротивлением светодиодов R14…R17. Например, у меня синий светодиод ощутимо много ярче светился чем остальные и увеличением сопротивления был несколько потушен.

Вся схема потребляет ток не более 100мА и запросто может быть подключена к USB порту через соответствующий USB кабель. Тогда это может быть новогодним украшением стола возле компьютера.

Конструкция и применение

Изначально сверхплавная гирлянда предназначалась  подсветки самодельной настольной ёлочки изнутри. Схема реализована на двусторонней макетной печатной плате с процарапанными дорожками, примерно размерами 60 на 60 мм и размещена в литровой молочной пластиковой бутылке у основания. В центре платы проделано одно отверстие через которое плата крепится к внутренней центральной выпуклости основания молочной бутылки винтовым соединением М3 или пластиковой заклепкой (http://www.afterwork.com.ua/?p=2326). Аналоговая и цифровая части расположены на нижней стороне платы, исполнительный блок и светодиоды на верней стороне платы. Светодиоды большие такие, жирненькие, примерно сантиметр в диаметре , от автомобильных светильников.

Сверхплавная ШИМ USB гирлянда

После подключения зарядного устройства от страрого мобильника и проверки работоспособности “на месте” на пластиковый стакан с закрепленной схемой устанавливается самодельная настольная ёлочка ( http://www.afterwork.com.ua/?p=2023 ) из 5..6 ярусов. (рис.3). Не стои делать ёлочку слишком высокой, так как замено будет ощущаться неравномерность освещения вдоль ствола. Елочка и стакан скрепляются скотчем. Место крепления находится под нижним ярусом веток и совсем не заметно.  В темноте цвета ёлочки плавно и последовательно изменяются. Получилась такая себе Новогодняя тема.

Примечания

1. В следствие  плавного включения гирлянды первое зажигание происходить через несколько минут после включения, так что не удивляйтесь, что после включения в сеть с гирляндой первое время ничего не происходит.

2. Светодиоды имеют очень узкую диаграмму направленности света, потому , для создания рассеяного освещения их пластиковые прозрачные корпуса  слегка зашкурены. Это способствует лучшему смешиванию цветов, а не появлению разноцветных пятен.

С наступающим 2014 годом!

Похожие записи

Нет комментариев »

Еще нет комментариев.

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.