31-летний светодиодный фонарик для модельных маяков и т. Д .: 11 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Модельные маяки вызывают всеобщее восхищение, и многие владельцы должны подумать, как было бы хорошо, если бы вместо того, чтобы просто сидеть там, модель действительно вспыхивала. Проблема в том, что модели маяков, вероятно, будут небольшими с небольшим местом для батарей и схем, а чайный светильник, показанный на картинке выше, является хорошим примером, когда есть место, чтобы втиснуть батарею PP3 или небольшую стопку литиевых кнопок. ячеек вместе с очень маленькой печатной платой.

Интернет изобилует светодиодными мигалками. Многие из них основаны на микросхеме 555 и, следовательно, можно ожидать, что они будут потреблять около 10 мА тока, что приведет к разрядке небольшой батареи в течение нескольких дней. После некоторой бессистемной игры с компонентами на макетной плате я наткнулся на схему CMOS, которая является основой этой статьи. Эта схема в 5000 раз лучше, чем 555, и потребляет 2 мкА, что означает, что щелочная 9-вольтовая батарея PP3 должна прослужить 31 год, хотя это академично, поскольку это намного превышает срок службы батареи. Стек из 3 литиевых элементов по 2032, также выдающих 9 вольт, прослужит всего 12 лет.

Для достижения такой производительности нарушаются некоторые правила, и профессионалы в области электроники, если не двое, поднимут бровь.

Шаг 1: базовая схема 1

Может быть полезно сначала запустить схему на беспаечной макетной плате, и помимо макета вам понадобятся:

1 X CMOS CD4011 с четырьмя воротами NOR. (Мы используем микросхему в качестве счетверенного инвертора, поэтому CD 4001 также подойдет.)

1 резистор на 4,7 МОм. (Для увеличения продолжительности цикла можно использовать до 10 МОм.)

1 резистор на 10 Ом.

1 электролитический конденсатор емкостью 1000 мкФ.

1 x 1 мкФ неполярный электролитический конденсатор. (Можно использовать керамические конденсаторы 1 мкФ, но их немного сложнее найти.)

2 высокоэффективных белых светодиода.

2 X 2N7000 N канальный полевой транзистор.

1 электролитический конденсатор на 4,7 мкФ (лучше всего танталовый).

1 х 9 вольтная батарея, например PP3.

На схеме выше показана основная схема. CMOS CD 4011 имеет все пары входов затвора, связанные вместе, что делает его четырехкратным инвертором. Два затвора подключены как нестабильные с синхронизацией, определяемой резистором 4,7 МОм и неполярным электролитическим конденсатором 1 мкФ, что дает время цикла от трех до четырех секунд. Время можно легко увеличить вдвое, добавив еще один конденсатор на 1 мкФ или более параллельно, а резистор 4,7 МОм можно увеличить до 10 МОм, чтобы можно было увеличить время цикла. Остальные два затвора подключены как инверторы, питаемые от нестабильной секции, а их противофазные выходы питают соответствующие затворы полевых транзисторов 2N7000, которые подключены последовательно через линию питания. Когда последний инвертор в цепи переходит в высокий уровень, предыдущий инвертор становится низким, и верхний 2N7000 проводит зарядку конденсатора 4,7 мкФ через один светодиод, который мигает. Когда последний инвертор в цепочке переходит в низкий уровень, нижний 2N7000 проводит ток, позволяя разрядиться 4,7 мкФ через другой светодиод, давая еще одну вспышку. Выходной каскад потребляет нулевой ток вне времени перехода.

Резистор на 10 Ом и конденсатор на 1000 мкФ в линии питания предназначены только для развязки и не являются жизненно важными, но очень полезны на этапе тестирования.

Пуристы в области электроники укажут на то, что выходной каскад не является хорошей конструкцией, потому что любой дизеринг или неопределенность в точке, где переключаются цепи, могут привести к тому, что оба 2N7000 будут включены на короткое время одновременно, что приведет к короткому замыканию в источнике питания. На практике я обнаружил, что этого не происходит и будет отображаться в текущем потреблении, см. Позже.

Было обнаружено, что показанная схема потребляет в среднем 270 мкА, что неплохо, но слишком много для нашей цели.

Шаг 2: Базовая схема 2

На картинке выше показана схема, собранная на беспаечной макетной плате.

Шаг 3: усовершенствованная схема 1

Схема, показанная на схеме выше, выглядит почти идентичной предыдущей. Здесь добавление всего одного компонента приводит к радикальному изменению характеристик, которое вы когда-либо можете увидеть в простой электронной схеме.

Резистор 1 МОм был включен последовательно с питанием микросхемы CD4011. (Профессионалы в области электроники скажут, что этого никогда не следует делать.) Схема продолжает работать, НО среднее потребление падает примерно до 2 мкА, что соответствует сроку службы 31 года для щелочного элемента PP3 емкостью 550 мА-часов. Невероятно, но выходное напряжение все еще достаточно высокое, чтобы надежно переключать полевые транзисторы 2N7000.

Шаг 4:

На рисунке выше показан добавленный резистор, обведенный красным.

Измерение среднего тока, потребляемого этой схемой, является сложной задачей, но быстрый тест состоит в том, чтобы извлечь батарею и позволить цепи разрядиться от заряда в развязывающем конденсаторе 1000 мкФ, если вы его установили - схема должна работать в течение пяти или за шесть минут до того, как одна из вспышек перестанет мигать.

Я добился некоторого успеха, вставив резистор 100 Ом плюс суперконденсатор 3 Фарада (соблюдайте полярность) параллельно в линию питания и позволив несколько часов достичь равновесия. С помощью милливольтметра можно измерить напряжение на резисторе и рассчитать средний ток по закону Ома.

Шаг 5: Некоторые мысли на этом этапе

Я совершил кардинальный грех, поместив резистор в линию питания КМОП-микросхемы. Однако ИС стоит отдельно, а не является частью логической цепи, и я бы посоветовал нам использовать эту единственную ИС просто как набор комплементарных КМОП-транзисторов. Может быть, это релаксационный генератор сверхмалой мощности для бедняков.

Конденсатор типа «ведро», который заряжается и разряжается через два светодиода, может быть увеличен, чтобы обеспечить более яркую вспышку, но при значениях в сотни микрофарад может быть разумной мерой предосторожности, если добавить небольшой резистор последовательно со светодиодами для ограничения пикового тока и Предлагается 47 или 100 Ом. При больших значениях конденсатора вспышка может стать немного «ленивой», так как последняя часть заряда конденсатора рассеивается через нижний светодиод, хотя вы можете подумать, что это обеспечивает более реалистичное впечатление от маяка. Потребление тока, конечно, вырастет, может быть, даже до двадцати или тридцати микроампер.

Шаг 6: Создание постоянной версии вашей схемы 1

Мы сделали легкую часть, но должны были доказать, что схема работает и теперь может быть сохранена в постоянной форме, чтобы войти в наш маяк.

Для этого потребуются элементарные электронные инструменты и навыки сборки. Необходимые компоненты будут зависеть от того, как вы решите выполнить эту часть, и от имеющихся у вас навыков. Я покажу пару примеров и дам дальнейшие предложения.

На изображении выше показана небольшая двухсторонняя печатная плата Prototype PCB, состоящая из двух точек. Они доступны на EBay во многих размерах, и этот - один из самых маленьких. Также показан квадрат простой печатной платы с присоединенным проводом, который образует одно соединение для нашей батареи, которая должна представлять собой стопку из трех литиевых ячеек. Я считаю, что с этим типом платы невозможно перекрыть соседние контактные площадки припоем, поскольку припой проходит через отверстия - вы должны перемыть проводом.

Шаг 7: Создание постоянной версии вашей схемы 2

На картинке выше мы видим, что строительство идет полным ходом. Обратите внимание, что для синхронизации использовались два конденсатора емкостью 1 мкФ, а три литиевых кнопочных элемента 2025 г. готовы к установке между концевыми разъемами батареи.

Шаг 8: Создание постоянной версии вашей схемы 3

На картинке выше мы видим готовое изделие, готовое к установке на маяк. Обратите внимание, что три литиевых элемента были соединены последовательно положительным и отрицательным полюсом до верхнего положительного полюса, который соединен с квадратом простой печатной платы, припаянным к красному выводу. Затем пакет ячеек был плотно скреплен самоамальгамирующейся лентой. Вы найдете примеры этого метода изготовления батарей из нескольких кнопочных ячеек в другом месте на сайте Instructables.

Шаг 9: Создание постоянной версии вашей схемы 4

На картинке выше мы видим другую версию, собранную на стрипборде, которая является современной версией Veroboard. Это нормально, но современная плата не прощает ошибок и не выдержит долгой пайки и демонтажа перед подъемом медных полос, так что сделайте это правильно с первого раза! Батарея представляет собой щелочную батарею PP3, емкость которой составляет 450 мА · ч, что соответствует довольно академическому сроку службы 31 год.

Шаг 10: Создание постоянной версии вашей схемы 5

Здесь схема платы и батарея PP3 были заключены в пластиковый упаковочный материал и вклиниваются в держатель для чайных фонарей, что позволяет вставить нашу сборку в маяк.

Для такой простой схемы вы также можете сделать свою собственную печатную плату с помощью печатной ручки, но вы должны иметь возможность протравить ее, желательно не на кухне! Наконец, небольшой лист простой печатной платы может быть предметом «мертвого жучка», который может дать самую маленькую и самую прочную конструкцию из всех примеров.

Шаг 11: Последние мысли

Эта схема настолько дешева в изготовлении, что может быть одноразовой. Его можно сделать настолько маленьким, что он поместится в небольшую стеклянную банку, а затем даже залит смолой или воском, если светодиоды оставить в чистом виде. В такой надежной форме может быть множество потенциальных применений. Я бы предположил, что это может быть ценным предметом безопасности при спелеологии и особенно пещерном дайвинге, где некоторые из них могут освещать выход из пещеры или изнутри извилистого затонувшего корабля. Их можно было оставить на годы.

Ковшовый конденсатор можно сделать меньшего размера, снизив потребление энергии до уровня, при котором цепь могла бы приводиться в движение «грудой» батареи разнородных металлических пластин, чередующихся с электролитными подушечками. Это могло бы даже привести к созданию сборки, которую можно было бы поместить в «капсулу времени», которую откопали бы спустя пятьдесят лет!