Световые эффекты на транзисторах и микросхемах / Хабр
Привет, Хабр! Сегодня изучим и соберём несколько простых схем, которые можно использовать в новогодней иллюминации, для украшения вывесок и витрин, а также в играх и игрушках. То есть получим шанс отвлечься от житейских трудностей и при этом смастерить что-нибудь уникальное (если это уникально оформить).
Для самых ленивых и занятых любителей, у кого нет возможности или желания травить печатные платы, возиться с макетками и разыскивать необходимые детали, выпускается огромный ассортимент наборов для сборки по весьма скромной цене.
Каждый из эффектов, что мы сегодня рассмотрим, можно реализовать и на Ардуино или более современной микропроцессорной платформе. Но зачем тратить микроконтроллер, когда достаточно пары-тройки транзисторов? И на мой взгляд, интереснее разобраться, как работают простые аналоговые и цифровые схемы.
▍ Симметричный мультивибратор
Самый простейший световой эффект — электронная мигалка, в которой передают друг другу эстафету пара светодиодов или их групп.
Авторы этого китайского конструктора с Алиэкспресс предлагают собрать «неправильный» мультивибратор. Неправильность заключается в том, что на схеме не нарисовано активных сопротивлений в коллекторных цепях транзисторов, куда напрямую подключены светодиоды.
Иметь в цепи только P-N переходы и источник питания — это не очень хорошая идея. Потому что P-N переход светодиода функционирует как стабистор, удерживая напряжение на уровне, свойственном данному светодиоду. Для красного светодиода это примерно 1.7 вольта.
А биполярный транзистор имеет параметр Uкэ — напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения. Для транзистора S9014, или КТ3102 (BC547, 2SC2675), кому как больше нравится, это 300 милливольт или даже меньше.
Выходит, что светодиод и транзистор задают напряжение 2 вольта, а источник питания в виде двух мизинчиковых батареек ААА обеспечивает 3 В.
Сила тока ничем не ограничивается, светодиоды и транзисторы должны сгореть.
Реальная жизнь отличается от идеализированной схемы. Каждый из элементов цепи, включая батарейки и проводники, имеет омическое сопротивление. В итоге «неправильная» схема прекрасно, стабильно и долго работает. Главное только выбрасывать разряженные батарейки не куда попало, а в специальные ящики в супермаркетах.
Если отсутствие последовательного резистора всё же не даёт вам покоя, можно его добавить: по одному на каждый светодиод или общий последовательно с источником питания.
На экзамене за такую схему без резисторов можно получить плохую оценку. Многие преподаватели не любят, когда студенты умничают, потому проще заранее нарисовать один резистор, а лучше два.
Как же работает мультивибратор? Он представляет собой два каскада с общим эмиттером, выход каждого из которых соединён со входом другого через конденсатор.
Такие каскады ещё называют транзисторными инверторами, потому что высокий логический уровень на входе даёт низкий на выходе, и наоборот.Это изменение не полярности, а уровня напряжения относительно общего провода схемы.
Это изменение не полярности, а уровня напряжения относительно общего провода схемы.Ток с плюса питания через резистор в цепи базы открывает NPN транзистор. Считаем, что прямое смещение эмиттерного перехода составляет 700 милливольт. Тогда на сопротивлении 68 кОм напряжение составит 2.3 вольта, а ток по закону Ома 34 микроампера.
Транзисторы в наборе с буквенным индексом С, что означает коэффициент усиления по току от 200 до 600. При максимальном Hfe ток коллектора составит 34 * 600 / 1000 = 20 миллиампер. Это как раз максимальный допустимый ток большинства обычных 5-миллиметровых светодиодов.
Итак, мы «оправдали» схему. Транзисторы в данном мультивибраторе работают не в режиме насыщения, а в режиме усиления по току. Ток светодиода задаётся коэффициентом усиления транзистора, напряжением питания и сопротивлением резистора в цепи базы.
Резисторы последовательно светодиодам тут действительно не нужны.
Но не следует питать схему напряжением выше 3 вольт, например, от USB. Если всё-таки есть такое желание или необходимость, придётся взять транзисторы с более низким Hfe, либо повысить сопротивление резисторов.
При 5 вольтах питания, чтобы получить ток базы 34 микроампера при 5 – 0.7 = 4.3 вольтах, понадобятся резисторы сопротивлением 130 килоом.
Напряжение на коллекторе открытого транзистора будет составлять 5 – 1.7 = 3.3 вольта. При токе 20 мА на транзисторе будет выделяться 3.3 * 20 / 2 = 33 милливатта тепла. Корпус SOT23 рассеивает до 200 милливатт, так что наши 33 не превышают пределов нормы.
Почему 33, а не 66? Потому что скважность импульсов меандра, выдаваемого симметричным мультивибратором, равна 2. Половину времени открыт один транзистор и светит его диод, половину — второй.
Вместо каждого из светодиодов можно спаять светодиодную ёлочку. Те, что спаяла я, тоже «неправильные», потому что в них напрямую параллельно соединены светодиоды разных цветов.
Мне просто повезло, что в распоряжении оказались зелёные и жёлтые светодиоды с почти одинаковым рабочим напряжением. Измерить это напряжение можно мультиметром в режиме проверки P-N переходов.
▍ Бегущие огни
Транзисторный мультивибратор может иметь не только два, но и три или больше каскадов. Получается эффект бегущих огней, одним из примеров которого является популярный радиоконструктор «светодиодное сердце».
Здесь мультивибратор уже нормальный. Транзисторы работают в режиме насыщения, а ток через группы параллельных светодиодов задаётся последовательными резисторами.
▍ Электронный жучок
Этот шестиступенчатый мультивибратор тоже собран на транзисторных инверторах, только на этот раз в виде не дискретных транзисторов, а микросхемы 74HC04, она же К561ЛН2.
Эта КМОП-микросхема имеет высокое входное сопротивление, что позволяет собрать времязадающие цепочки с резисторами большого сопротивления — полтора мегаома.
Последовательность, в которой загораются и гаснут светодиоды, имитирует движение лапок жука. Эту электронную игрушку все почему-то упорно называют паучком, но у реального паука восемь ног, а у жука шесть.
Наверное, такое название придумали, чтобы не путать световой эффект с устройством тайного прослушивания переговоров, потому что «жучком» давно принято называть компактный замаскированный микрофон с радиопередатчиком и автономным источником питания.
Либо без источника питания и не очень компактный, но замаскированный, как эндовибратор «Златоуст», что когда-то разработал Лев Сергеевич Термен.
Все инверторные мультивибраторы работают по одному принципу. В момент открытия транзистора или вакуумного триода, потенциал его коллектора или анода становится ближе к общему проводу («земле» схемы).
Возникает отрицательный (в случае радиолампы, N-P-N биполярного или N-канального полевого транзистора) импульс, который передаётся конденсатором на вход следующего инвертора и вызывает закрытие транзистора или триода.
Далее конденсатор заряжается через времязадающий резистор, и ключ инвертора снова открывается, посылая закрывающий импульс на следующий каскад.
Термин «мультивибратор» был предложен голландским физиком Ван дер Полем, потому что в спектре колебаний этого генератора много гармоник, в отличие от «моновибратора», производящего синусоидальные колебания.
Слева на фото ламповый мультивибратор, созданный Генри Абрахамом и Евгеном Блохом в 1919 году. Его гармоники использовались для калибровки волномера (на снимке он в центре)
Также инвертор, а, соответственно, мультивибратор, можно собрать на операционном усилителе. На схеме ОУ работает в режиме компаратора. Неинвертирующий вход подключён к делителю R1R2 с выхода ОУ.
При высоком логическом уровне на выходе компаратора — точке с — будет напряжение, близкое к плюсу питания, при низком — близкое к минусу питания. Точные значения зависят от параметров выходного каскада микросхемы. Напряжение в точке а, то есть на неинвертирующем входе, равняется части выходного, определяемой соотношением сопротивлений плеч делителя.
Когда напряжение на инвертирующем входе (точка б) ниже напряжения на неинвертирующем, на выходе высокий логический уровень, и конденсатор С заряжается с выхода ОУ через резистор R.
Как только напряжение в точке б превысит половину выходного (точка а), компаратор переключится в низкий уровень на выходе, и конденсатор начнёт разряжаться через резистор R, до тех пор, пока напряжение в точке б не станет ниже напряжения точки а.
Чего никогда не произойдёт, если питание операционного усилителя однополярное, и символ земли означает минус питания. Доля выходного напряжения будет ниже его полного значения, ниже которого не сможет разрядиться конденсатор.
Потому очевидно, что символ земли здесь означает искусственную среднюю точку, равную половине напряжения однополярного питания, либо настоящую среднюю точку двухполярного питания операционного усилителя.
Изучать схемы следует внимательно. На схеме транзисторного мультивибратора не подписан буквенный индекс транзистора, потому непонятно, чему будет равняться ток светодиода. Схема на компараторе не уточняет особенности питания ОУ, о которых следует догадаться самим. Иначе при попытке воплощения конструкции первый мультивибратор сгорит, а второй не будет работать.
Когда конденсатор разрядится до напряжения ниже, чем в средней точке делителя R1R2, компаратор переключится в состояние высокого уровня на выходе, и процесс повторится.
▍ Колесо фортуны
Следующая схема бегущих огней использует как раз такой мультивибратор на компараторе, реализованный с помощью таймера NE555.
Резистор между катодами светодиодов и землёй авторы схемы снова забыли. На этот раз зря, однако схема работает.
Разрядка времязадающего конденсатора С1 происходит через вывод 7 микросхемы таймера, а заряжается он посредством ИТУН — источника тока, управляемого напряжением, реализованного на транзисторе Q1.
Q1 включён по схеме с общим коллектором, она же эмиттерный повторитель. Напряжение на делителе R2R3 равняется напряжению базы минус прямое падение на эмиттерном переходе транзистора.
Если нажать кнопку, конденсатор С2 практически мгновенно зарядится до напряжения питания. При отпущенной кнопке он медленно разряжается через резистор R1. То есть ток заряда конденсатора С1, являющегося времязадающим для мультивибратора на NE555, будет сначала высоким, затем снижаться.
Соответственно, частота колебаний мультивибратора будет сначала выше, затем снижаться вплоть до полной остановки, когда конденсатор С2 разрядится.
Импульсы с выхода мультивибратора поступают на счётчик-дешифратор CD4017 (К561ИЕ8), к каждому из десяти выходов которого подключены светодиоды.
В результате при нажатии кнопки светодиоды поочерёдно загораются и гаснут по кругу. Скорость движения бегущего огонька постепенно снижается, и наконец он останавливается в одном из положений.
Такой эффект имитирует движение колеса фортуны или шарика в рулетке, и может быть использован в качестве генератора случайных чисел для новогодних азартных игр.
▍ Что дальше?
Также на базе счётчика-дешифратора можно сделать интересную ёлочную гирлянду. Если взять двухцветные или RGB-светодиоды с общим катодом, получится ещё интереснее.
Можно собрать музыкальную шкатулку, если к выходам счётчика-дешифратора подключить через обычные импульсные диоды или светодиоды времязадающие резисторы мультивибратора.
Если десяти ступеней секвенсора (так в электронной музыке называется прибор, генерирующий последовательность напряжений, задающих высоту тона) недостаточно, микросхемы CD4017 можно соединять последовательно.
Когда текущий счётчик досчитает до десяти, он перестаёт считать, потому что с десятого выхода получает запрещающий сигнал CP1. Это продолжится до тех пор, пока он не получит сигнал сброса MR.
Следующий счётчик получит тактирующий сигнал СP0 только в случае, если предшествующий досчитал до десяти и находится в режиме запрета тактирования. За это отвечает логический элемент И.
Немного жаль, что разработчики микросхемы не встроили в неё этот очень полезный во многих случаях элемент. Потребовалось бы добавить два вывода, и у микросхемы было бы 18 ножек. Один из входов элемента И можно соединить с входом запрета тактирования внутри микросхемы.
Спасибо за внимание! Напишите в комментариях, какие световые и звуковые эффекты, в том числе с применением микроконтроллеров и Ардуино, вы собирали и хотели бы собрать.
Играй в нашу новую игру прямо в Telegram!
CAKE показала сверхмощный грузовой электровелосипед c запасом хода 359 км
Екатерина Шемякинская
Компания CAKE представила на выставке CES 2023 свой новый электрический двухколесный велосипед.
В отличие от более ранних электромотоциклов и скутеров компании, CAKE Aik имеет педали. Электровелосипед может разгоняться до 32 км/ч и поддерживает работу сразу от трех батарей, что увеличивают запас хода до невероятных 359 км. Aik входит в линейку большегрузных двухколесных транспортных средств CAKE «: Work» и нацелен на корпоративных клиентов.
CAKE Aik может использоваться как уличный электрический велосипед, но на самом деле он создан для тяжелых условий эксплуатации и работы. Алюминиевая рама спроектирована как ультрамодульная, чтобы вместить широкий спектр служебных инструментов. Велосипед имеет полную массу 200 кг. Вычитая 35,5 кг веса самого велосипеда и одной батареи, остается 165 кг полезной грузоподъемности. При весе ездока в пределах 80 кг, велик сможет перевозить еще 80-90 кг грузов.
В транспортное средство можно установить пару запасных батарей весом по 5,5 кг. Они обеспечат дополнительный запас хода в 220 км. Aik поддерживает работу сразу с тремя батареями (две продаются отдельно), что дает общий запас хода в 359 км при педалировании.
Аккумуляторы емкостью 750 Втч функционируют как блоки питания, которые можно использовать для питания устройств и инструментов.
Дросселирование вместо использования педали обеспечит меньший запас хода, но с батареей 2,25 кВтч электровелосипед все равно проработает весь день. Если владелец Aik решит ехать только с помощью дроссельной заслонки, без педалирования, транспортное средство сможет развить скорость 32 км/ч.
В трансмиссии используется пиковый двигатель среднего привода мощностью 1000 Вт с номинальной мощностью 500 Вт и номинальным крутящим моментом 100 Нм. Он работает в паре с цепным приводом, но совместим с ременным приводом. И ременная, и цепная передачи передают мощность двигателя на ступицу Enviolo Extreme CVP, которая работает как бесступенчатая трансмиссия (CVT). Автоматическое переключение обеспечивает плавность и низкие эксплуатационные расходы ременного привода, при этом сохраняется легкое переключение передач. Велосипед может переключаться в состояние покоя, что полезно для электровелосипедов, перевозящих тяжелые грузы.
CAKE Aik оснащен шинами 20″ x 3,0″ и четырехпоршневыми гидравлическими дисковыми тормозами Tektro Auriga на больших роторах 203×2,3 мм. Подвески нет, так что 3-дюймовые шины несут основную нагрузку по поглощению ударов. Рама представляет собой сквозную модель одного размера, которая рекомендуется для велосипедистов ростом от 150 до 195 см, то есть почти для всех. Велосипед оснащен зарядным портом USB-C для питания личной электроники и включает объемное светодиодное освещение.
CAKE Aik оснащен блоком телематики с подключениями GPS, Bluetooth и GSM, который совместим с приложением Cake, приложением Cake Fleet Management и внешней интеграцией API. Противоугонные функции включают сигнализацию и отслеживание с помощью GPS, а также предохранительные винты для обоих колес и противоугонный зажим сиденья.
Цена такого транспортного средства немаленькая. CAKE Aik стоит от 6 470 долларов США с одной батареей и без дополнительных аксессуаров серии «: Work». Дополнительные батареи стоят по $780 каждая, плюс еще пара сотен долларов за док-станции и проводку для их параллельной работы.
Но CAKE в основном ориентируется не на массового потребителя, а на коммерческих клиентов.
-3, …
Оценка выражений с показателями — Викторина
quizizz.com › администратор › викторина › оценка выражений с показателями
СЕССИЯ ПОД РУКОВОДСТВОМ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ Начните живую викторину … выбор ответа. Выражение. Экспонента. Фактор. Срок. 2. Множественный выбор… Оцените m2, если m = 7. вариантов ответа.
Вычисление выражений (с показателями) | Алгебра I — Викторина
quizizz.com › admin › викторина › оценка-выражения-…
Сыграйте в эту игру, чтобы просмотреть Алгебру I. Оцените следующее выражение: -3x 2 — 5x + 7, когда x = -2.
Bilder
Alle anzeigen
Alle anzeigen
Ähnliche Fragen
Какой ответ вы получите при оценке выражения?
Как шаг за шагом вычислить выражение?
Решено .com/Player/ 1.15 Вычисление выражений с помощью | Chegg.com
www.
chegg.com › … › Вопросы и ответы по алгебре
Эта проблема решена! Вы получите подробное решение от эксперта в предметной области, который поможет вам изучить основные понятия. См. ответ …
Рабочие листы для вычисления числовых выражений с показателями степени
www.mathworksheets4kids.com › Evaluating-express…
Возьмите наши рабочие листы для вычисления числовых выражений с показателями степени, чтобы научиться упрощать выражения с одним или несколькими членами в качестве показателей степени.
Вычисление выражений с переменными: показатели степени — Khan Academy
www.khanacademy.org › math › cc-sixth-grade-math
11.02.2012 · Вычисление выражений с переменными: показатели степени. CCSS.Math: … но это позволит вам …
Dauer: 2:42
Прислан: 11.02.2012
Переменные выражения с показателями (практика) — Khan Academy
www.khanacademy.org › math › cc-sixth-grade-math
Узнайте о математике бесплатно , искусство, компьютерное программирование, экономика, физика, химия, биология, медицина, финансы, история и многое другое.
Академия Хана – это …
Результаты оценивания выражений с показателями — TPT
www.teacherspayteachers.com › Обзор › Search:ev…
Результаты 1 — 24 из 643 · Оценка алгебраических выражений с рабочим листом показателей … с положительными и отрицательными показателями, викториной или рабочим листом с ключом ответа.
Ответы для I-Ready Урок F Числовые выражения с показателями
www.youtube.com › смотреть
08.12.2020 · Ответы для I-Ready Нравится, подписывайтесь и комментируйте. Также подписывайтесь на Gresujahttps://m .youtube …
Добавлено: 0:56
Прислан: 08.12.2020
Ähnlichesuchanfragen 92)
пост-тест-основы-алгебры — Googlesuche
AlleBilderShoppingVideosMapsNewsBücher
suchoptionen
Algebra I — Unit 1: Foundations of Algebra Test Flashcards — Quizlet
4 -1-основы-алгебры…
Bewertung 4,8
(23)
Изучайте с помощью Quizlet и запоминайте карточки, содержащие такие термины, как Упростить 6(-5), Добавить -54 + 18.
, Что такое мультипликативная обратная 1/2? и больше.
Основы алгебры. Часть 1. Послетест — викторина
quizizz.com › admin › викторина › основы алгебры…
Сыграйте в эту игру, чтобы повторить математику. Какая ось проходит вертикально (вверх и вниз)?
Предварительный/последующий тест для модуля 2 викторины по основам алгебры — Quizizz
quizizz.com › admin › prepost-test-for-unit-2-for-fo…
Сыграйте в эту игру, чтобы просмотреть алгебру I. Какие две вещи должны быть верны в отношении подобных терминов. … Pre/Post Test для Unit 2 для Foundations of AlgebraDRAFT. 9й класс.
Post Test Foundations of Algebra.docx — введите правильно…
www.coursehero.com › file › Post-Test-Foundations…
View Post Test Foundations of Algebra.docx из MATH 137 at Общественный колледж Ivy Tech, Индианаполис. Введите правильный ответ в поле.
Модуль 1 — Основы алгебры — Тест — Algebra1Coach.
com
алгебра1coach.com › модуль-1-основы-алгебра-тест
БЕСПЛАТНО Основы алгебры — Тест с ответами. Одной из самых напряженных вещей, которые приходится делать учителям, является создание оценок. Мы сделали это для вас!
Ähnliche Fragen
Что такое основы алгебры?
Что такое алгебра1?
Модуль 1 — Основы алгебры — Руководство по обзору теста
алгебра1коуч.com › модуль-1-основы алгебры-…
БЕСПЛАТНО Основы алгебры — Руководство по обзору теста с ответами. Одной из самых напряженных вещей, которые приходится делать учителям, является создание оценок. Мы сделали это для вас!
Основы алгебры | Алгебра 1 | Математика — Академия Хана
www.khanacademy.org › математика › алгебра › x2f8bb1…
Этот модуль представляет собой обзор некоторых фундаментальных идей и инструментов, которые мы будем использовать в алгебре.
Es fehlt: пост- | Muss Folgendes enthalten:post-
Тест по основам алгебры Лизы Дэвенпорт — TPT
www.