Автомат периодического включения и выключения нагрузки

В домашнем обиходе часто требуется, чтобы электробытовые приборы работали в периодическом режиме. Например, электронагреватель и вентилятор должны включаться и выключаться с определенными промежутками времени. Данное устройство (рис. 11.6) понадобится вам в такой ситуации, также оно может пригодиться, если ваш холодильник перестал отключаться.

 

 

Рис. 11.6. Принципиальная схема автомата периодического включения и выключения нагрузки.

 

Работает устройство так: при подаче питания на микросхему U1 начинает заряжаться конденсатор С1, в результате на выводе 3U1 появляется напряжение, близкое к напряжению питания. По окончании зарядки конденсатора С1 внутри микросхемы U1 открываться транзистор, соединяющий ее седьмой и первый выводы, вследствие чего конденсатор С1 разряжается через резистор R2. После этого цикл работы прибора повторяется. Время работы и отключения нагрузки представлены в табл. 11.1. Сверяясь с ней, легко рассчитать другое время.

Обязательно прикрепите симистор Q1 к радиатору. Размеры радиатора зависят от мощности коммутируемой нагрузки: чем больше мощность, тем больше радиатор.

 

 

 

Универсальное зарядное устройство

Эта самоделка (рис. 11.7) предназначена для зарядки любого количества никель‑кадмиевых аккумуляторов. Достигается это изменением подачи определенного входного напряжения +VCC на устройство.

 

 

Рис. 11.7. Принципиальная схема универсального зарядного устройства.

 

Входное напряжение должно быть больше суммы заряжаемых аккумуляторов на 2 В, то есть, если вы заряжаете два аккумулятора, каждый естественно является носителем 1,5 В (а это в общем 3 В), подаваемое входное напряжение должно быть 5 В. Для этого устройства можно подобрать любые компоненты, главное, чтобы диоды были способны выдержать зарядный ток. Резисторы на схеме ваттностью 0,25 Вт, транзистор КТ814 можно заменить на КТ816. В процессе зарядки светодиод HL2 горит, по окончании гаснет.

Зарядное устройство собрано на плате из текстолита (рис. 11.8) размерами 76429 мм. На ней размещены детали и аккумуляторный отсек. Размеры платы рассчитаны на монтаж батарейного отсека на два аккумулятора. На рисунке слева представлен фрагмент платы, в котором исключен батарейный отсек. Далее дело за вами…

 

 

Рис. 11.8. Печатная плата универсального зарядного устройства.

 

 

Цифровые электронные часы

Цифровые электронные часы (рис. 11.9), предлагаемые вашему вниманию, собраны на хорошо известном радиолюбителям комплекте микросхем – К176ИЕ18 (двоичный счетчик для часов с генератором сигнала звонка), К176ИЕ13 (счетчик для часов с будильником) и К176ИД2 (преобразователь двоичного кода в семисегментный). Поэтому на рассказе о работе этих микросхем мы не будем останавливаться.

 

 

Рис. 11.9. Принципиальная схема электронных часов.

 

При включении питания в счетчик часов, минут и в регистр памяти будильника микросхемы U2 автоматически записываются нули. Для установки времени следует нажать кнопку S4 (Time Set) и, придерживая ее, нажать кнопку S3 (Hour) – для установки часов или S2 (Min) – для установки минут. При этом показания соответствующих индикаторов начнут изменяться с частотой 2 Гц от 00 до 59 и далее снова 00. В момент перехода от 59 к 00 показания счетчика часов увеличатся на единицу. Установка времени будильника происходит также, только придерживать нужно кнопку S5 (Alarm Set). После чего следует нажать кнопку S1 для включения будильника (контакты замкнуты). Кнопка S6 (Reset) служит для принудительного сброса индикаторов минут в 00 при настройке. Светодиоды D3 и D4 играют роль разделительных точек, мигающих с частотой 1 Гц. Цифровые индикаторы на схеме расположены в правильном порядке: индикаторы часов, две разделительные точки (светодиоды D3 и D4) и индикаторы минут.

В часах использовались резисторы R6‑R12 и R14‑R16 ваттностью 0,25 Вт остальные – 0,125 Вт. Кварцевый резонатор XTAL1 на частоту 32768 Гц – обычный часовой (лучше «совковый» в виде лодочки, импортные желательно не ставить, так как они не очень точные). Транзисторы КТ315А можно заменить на любые маломощные кремниевые соответствующей структуры, КТ815А – на транзисторы средней мощности со статическим коэффициентом передачи тока базы не менее 40, диоды – любые кремниевые маломощные. Пищалка BZ1 – динамическая, без встроенного генератора, сопротивление обмотки 45 Ом. Кнопка S1 естественно с фиксацией.

Индикаторы TOS‑5163AG зеленого свечения, можно применить любые другие с общим катодом, не уменьшая при этом сопротивление резисторов R6‑R12. На рис. 11.10 вы видите распиновку данного индикатора, выводы показаны условно, так как представлен вид сверху.

 

 

Рис. 11.10. Цоколевка:

_{а – транзистора КТ315; б – транзистора КТ815; в – индикатора TOS‑5163AG (вид сверху)}

 

После сборки часов, возможно, понадобится подстроить частоту кварцевого генератора. Лучше всего это сделать, контролируя цифровым частотомером период колебаний 1 с на выводе 4 микросхемы U1. Настройка генератора по ходу часов потребует значительно большей затраты времени. Может быть, придется также подстроить яркость свечения светодиодов D3 и D4 подбором сопротивления резистора R5, чтобы все светилось равномерно ярко. Потребляемый часами ток не превышает 180 мА.

Часы питаются от обычного блока питания (рис. 11.11), собранного на плюсовом микросхемном стабилизаторе 7809 (рис. 11.12) с выходным напряжением +9 В и током 1,5 А.

 

 

Рис. 11.11. Принципиальная схема блока питания часов.

 

 

Рис. 11.12. Распиновка плюсового микросхемного стабилизатора 7809.

 

Трансформатор должен быть с выходным напряжением ‑9‑12 В, лучше ~9 В, потому что в этом случае падение напряжения на микросхемном стабилизаторе будет минимальным, соответственно и его нагрев тоже. Это немаловажно для часов, питающихся от сети непрерывно.

Не забудьте поставить микросхемный стабилизатор на небольшой радиатор, сделанный из куска дюралюминиевой пластины. Конденсатор СЗ расположите вблизи цепи питания микросхем. Элементы часов лучше собрать в корпусе, спаянном из стеклотекстолита, и соединить его фольгу с общим проводом питания. Это устранит помехи в работе часов.

 

Глава 12

Софт радиоконструктора

 

В этой главе речь пойдет о компьютерных программах, которые помогают радиолюбителям (рисовальщики принципиальных схем, разработчики печатных плат, программы для определения номиналов радиодеталей и т. д.). Особого внимания заслуживает комплекс программ CircuitMaker 2000.

 

 

Описание пакета CircuitMaker

Пакет программ CircuitMaker 2000 предназначен в основном для обучения навыкам схемотехнического моделирования смешанных аналого‑цифровых устройств и разработки печатных плат на компьютерах под управлением Windows 95/98/2000/NT/XP. Он имеет некоторые особенности, ориентированные на применение в учебном процессе. CircuitMaker (рис 12.1), разработанный фирмой MicroCode, в настоящее время принадлежит компании Altium.

 

 

Рис. 12.1. Внешний вид программы для рисования принципиальных схем.

 

Существует несколько разновидностей этой программы, их вы можете увидеть в табл. 12.1. С помощью CircuitMaker производится графический ввод принципиальных электрических схем, моделирование смешанных аналого‑цифровых устройств и разработка печатных плат.

 

 

Фактически в одном пакете содержится компьютерная виртуальная электронная лаборатория, выполняющая цикл сквозного проектирования электронной аппаратуры широкого профиля. Программа CircuitMaker обеспечивает графический ввод принципиальных схем и их моделирование, разработка печатных плат производится с помощью входящего в состав пакета программы TraxMaker (рис. 12.2) или внешних программ PADS, P‑CAD, Protel и др.

 

 

Рис. 12.2. Внешний вид программы для рисования печатных плат.

 

Однако обратим внимание, что в наиболее привлекательной для студентов версии пакета список соединений проекта, необходимый для разработки плат, выполняется только в формате программы ТгахМакег, которая не входит в его состав. Поэтому студенческую версию возможно использовать только для схемотехнического моделирования, а для разработки плат следует применять коммерческие версии. Стандартная версия (Standard Edition) обладает характеристиками, которые вы можете увидеть ниже.

Редактор принципиальных схем:

• чертеж схемы располагается на одном или нескольких листах;

• при создании схемы используются символы стандартных электрорадиоэлементов и макромодели нестандартных элементов, создаваемых пользователями;

• имеются удобные средства для изменения параметров источников сигналов и других компонентов;

• имеются средства имитации неисправностей (короткое замыкание контактов, разрыв цепи, неверные номиналы компонентов и др.);

• списки соединений схемы составляются в форматах ТгахМакег, Protel, Tango (используется в P‑CAD для Windows) и OrCAD;

• в текстовых надписях символы кириллицы не допускаются;

• ограничений на количество компонентов, выводов, узлов цепей не имеется.

 

Программа моделирования:  

• использует расширенную версию алгоритма SPICE 3F5 для моделирования аналоговых устройств и алгоритм XSPICE для моделирования смешанных аналого‑цифровых устройств. При этом полностью поддерживаются встроенные модели и макромодели аналоговых компонентов в формате SPICE, разрабатываемые фирмами – производителями электронных компонентов и публикуемые в Интернете (для цифровых компонентов эта практика менее распространена);

• имеет встроенные модели полупроводниковых приборов (диодов, фотодиодов, тиристоров, биполярных и полевых транзисторов, МОП‑ и БСИП‑транзисторов [последние в виде макромоделей], оптоэлектронных приборов), электронных ламп, индикаторов, ключей, примитивов элементов цифровой логики, цифровых ИС, аналоговых линейных ИС, регуляторов напряжения, линий задержки, линий передачи, устройств выполнения математических операций, источников аналоговых и цифровых сигналов, виртуальных инструментов (осциллографов, измерителей частотных характеристик, цифровых мультиметров, анализаторов логических сигналов);

• библиотека моделей содержит модели 4000 компонентов;

• выполняет стандартные виды анализа: расчет режима нелинейных схем по постоянному току (ОР) и передаточных характеристик в режиме по постоянному току (DC), расчет частотных характеристик (АС) и переходных процессов (Transient), включая расчет спектров (Fourier), выполняет одновременную вариацию двух параметров (Parameter Sweep);

• предусмотрена возможность отображения текущих результатов моделирования;

• для аналоговых устройств рассчитываются токи, напряжение и другие характеристики, для цифровых – временные диаграммы логических состояний;

• имеется постпроцессор обработки результатов моделирования;

• предусмотрена «горячая» связь между схемой и экраном отображения результатов моделирования.

 

Редактор печатных плат:  

• печатные платы имеют до 8 электрических слоев (6 сигнальных и 2 слоя металлизации), а также средства нанесения масок краски и пасты;

• поддерживается английская и метрическая система единиц;

• максимальный размер платы 32x32 дюйма;

• разрешающая способность 1 мил = 0,001 дюйма = 00254 мм;

• поддерживаются компоненты как со штыревыми, так и с планарными выводами;

• библиотека корпусов содержит 2000 компонентов;

• списки соединений схемы проекта загружаются в форматах TraxMaker, Protel, Tango (используется в P‑CAD для Windows), PADS и OrCAD;

• имеются средства автоматического размещения компонентов и трассировки сеточного типа;

• создаются Gerber ‑файлы в формате RS274 (D и X) и управляющих файлов для сверлильных станков;

• создаются отчеты о проекте, DXF‑файлы и данные для оборудования автоматического монтажа компонентов.

Студенческая версия (Student Edition) предназначена только для применения на домашних компьютерах и не может использоваться в учебных заведениях. Эта версия в целом аналогична Standard Edition, но имеет следующие ограничения:

• не более 50 компонентов в проекте;

• библиотека моделей ограничена 1000 компонентами;

• редакторы символов и макромоделей (иерархических структур) недоступны;

• список соединений схемы проекта, передаваемый редакторам печатных плат, формируется только в формате программы TraxMaker.

 

Профессиональная версия (Professional Edition)  

отличается от стандартной наличием 6 дополнительных видов моделирования (расчет комплексных сопротивлений двухполюсников, вариация температуры, статистический анализ по Монте‑Карло, анализ наихудшего случая, расчет передаточных функций по постоянному току, анализ уровня внутреннего шума). Она также имеет новые встроенные модели компонентов, библиотека увеличена до 6000 моделей, расширены возможности импорта/экспорта данных и усовершенствованы алгоритмы трассировки проводников печатных плат (в частности, добавлен новый волновой алгоритм с возможностями Ripup & Retry), библиотека корпусов компонентов расширена до 5400 типов. Кроме того, предоставляется возможность описания моделей цифровых устройств на языке высокого уровня SimCode. В ее состав включена также программа TraxCAM PRO для просмотра и редактирования Gerber ‑файлов.

CircuitMaker 2000 дополняется обучающей программой CircuitMaker CBT (Computer Based Training), имеющей 28 разделов по основам электроники и методам моделирования. Она поставляется на отдельном компакт‑диске вместе с учебником для студентов и ответами к упражнениям.

 

 

Подводим итоги

CircuitMaker – это один из наиболее удобных пакетов для работы со схемами, хотя, конечно, не без недостатков, а где их нет? Во всяком случае, затраты времени на рисование схем и печаток в пакете CircuitMaker небольшие. Имея минимум знаний по теории электроники (электронных приборов), вы можете успешно использовать CircuitMaker, чтобы разрабатывать и моделировать электрические цепи. Для новичков CircuitMaker идеально подходит для изучения и экспериментирования с электроникой (электронным приборами) и проектированием интегральных микросхем.

Основная и грубая ошибка программы, оставшаяся из предыдущей версии, заключается в том, что при размере схемы больше, чем экран монитора, и при экспорте файла в формат BMP, соединительные точки, а иногда и детали исчезают. Выход из этой ситуации – экспорт файла в WMF, а затем его конвертация в любой другой формат, здесь особых проблем нет. Все остальное в программе работает отлично.

 

Справочный листок

 

Я решил дополнить эту книгу полезной информацией, необходимой в электронной практике, так как без справки радио любителю очень‑очень трудно.

 

 

Учимся выбирать батарейки

Батарейки типоразмеров в блистерной упаковке, как правило, отличаются высоким качеством в своей подгруппе. Блистер – это прозрачная пластмассовая коробочка, в которой лежат 1–4 батарейки. Коробочка приклеена к цветной картонной открытке, на которой указывается:

• название фирмы (DURACELL, EVEREADY);

• тип батареек – самая важная, по мнению фирмы, информацию (extra power, nothing lasts longer, heavy duty);

• обозначение типоразмера по разным стандартам (С, А‑343, LR14, LR20, D);

• обязательно срок годности (install by jan 2000, best before mar 2000).

На обороте открытки на нескольких языках (включая русский) сообщаются сведения о гарантиях, режиме работы, развернутая информация по типоразмерам, штриховой код (который можно вырезать и отправить на фирму с претензией по качеству), название страны, где изготовлены батарейки. Кроме блистеров используют еще два вида упаковок – прозрачную термоусаживаемую пленочную или в виде мешочка (у 9‑вольтовых батареек), а также коробки – обычно на 24 штуки. В таких картонных коробках батарейки могут размещаться в блистерах, в пленке или без индивидуальной упаковки. На коробке обязательна информация, о которой говорилось выше.

Батарейки совершенно разные, они подразделяются на несколько групп:

1. Первая группа – простые элементы Лекланше (например, отечественный элемент 373). Отрицательный вывод – донышко цинкового стаканчика, положительный – латунный колпачок на конце графического стержня. Специального защитного корпуса нет, стаканчик обернут кабельной бумагой или помещен в тонкую картонную трубку, на поверхности которой напечатаны основные данные.

Недостатки: малая емкость, ненадежная конструкция (цинковый стаканчик в процессе работы разрушается, и электролит через бумажную оболочку протекает внутрь аппарата), малый срок годности (от 9 до 12 месяцев).

Достоинства: низкая цена.

2. Вторая группа – усовершенствованные элементы Лекланше (например, японские UM‑3, отечественные 316, «Уран»). Основные отличия этого типа батареек от предыдущего не в конструкции, а в технологии изготовления, при которой обеспечивается более плотная набивка активных материалов, что увеличивает емкость примерно на 30 %. Здесь использован более эффективный хлоридный электролит.

Недостатки: ненадежная конструкция, малый срок годности (до 12 месяцев).

Достоинства: повышенная емкость, невысокая цена.

3. Третья группа – современные элементы с хлоридным электролитом. Электрохимическая система та же, но в активные материалы добавлены вещества, улучшающие качество. Конструкция более надежна, положительный вывод достаточно герметичен, есть особая прокладка между цинковым стаканчиком и наружным металлическим или пластмассовым корпусом. Эти батарейки бывают двух разновидностей: первая имеет емкость на 60–70 % больше, чем у простого элемента Лекланше, а вторая – практически вдвое больше.

Японские фирмы обозначают такие элементы SUM. Используют и другие обозначения (HD или ED), которые, к сожалению, у всех фирм разные.

Недостатки: трудно различать разновидности по символической или словесной информации.

Достоинства: современная конструкция, приемлема цена, достаточно высокая герметичность, повышенный срок годности – до 24 месяцев.

4. Четвертая группа – алкаличесткие элементы. К основному названию у них добавляется буква L (вместе R20 – LR20). Главное отличие – использование щелочного электролита и особо надежная конструкция корпуса, основой которого является стальной наружный стакан. Они обладают наивысшей степенью герметичности, а емкость в 6 и более раз выше, чем у простых элементов Лекланше.

Недостатки: высокая цена и большая, чем у предыдущих элементов, масса (на 15–25 %).

Достоинства: надежная герметичность, высокая емкость (а значит, большой срок службы), сохранность (до 5 лет).

Если в цилиндрических батарейках донышко отрицательного вывода элемента типоразмера R6 плоское, то это элемент первой или второй группы (то есть с невысокими показателями). Если донышко выполнено в виде фасонной штампованной шайбы – это современный элемент третьей группы. Все современные зарубежные элементы типоразмеров R14 и R20 второй и третьей групп по конструкции одинаковы, отрицательный вывод у них выполнен в виде фасонной штампованной шайбы.

Качество 9‑вольтовой батарейки можно определить только по информации на корпусе, но ни в коем случае не по донышку. Обратите внимание на шифр и срок годности. По этим данным 9‑вольтовые батарейки можно разделить на две группы:

• простые батарейки с шифром 6F22, 006F или 1604 – они самые дешевые, малой емкости, со сроком годности до 12 месяцев;

• улучшенные батарейки. По японским стандартам используют обозначение S – 006Р, по американским – 1604S. Эти батарейки дороже, имеют увеличенную емкость и срок годности до 18 месяцев.

Современные алкалические батарейки с обозначениями 6LF22 или 6LR61 имеют самую высокую емкость и срок годности до 60 месяцев. При обозначении срока годности зарубежные фирмы, как правило, указывают конечную дату использования, отечественные – дату изготовления, после которой в течение года гарантируется нормальная работа. В последнее время стали использовать и зарубежную систему маркировки, что часто приводит к неопределенности и путанице.

Использование в конструкции батареек вредных для человека и природы химических веществ требует соблюдения определенных правил хранения и утилизации элементов и батарей, особенно недостаточно экологически чистых.

Конструкция сильно влияет на эксплуатационную надежность. При разъедании корпуса батареи, выполненной по схеме Лекланше, электролит вытекает и может испортить не только батарейный отсек аппарата, но и сам аппарат.

Алкалические элементы могут вызвать замыкание с металлическим корпусом аппарата или другого конструктивного элемента, что может привести к быстрому разряду элемента, вытеканию вредных химических веществ, а при неправильном включении – к взрыву. Наиболее надежны конструкции корпусов, выполненные из металла и изолированные от выводов элементов и батарей. По такой схеме, в частности, сделаны практически все батареи галетного типа на 9 В и современные элементы на 1,5 В.

Батарейки можно подзаряжать. В отечественной научно‑популярной литературе прежде довольно часто встречались рекомендации по повторным подзарядкам батарей с помощью специальных зарядных устройств или просто за счет кратковременного нагревания. В настоящее время этого делать не рекомендуется, а порой запрещается, чтобы уберечь человека от возможных взрывов, выбросов химически активных и вредных веществ и других неприятных и опасных воздействий.

При покупке внимательно осмотрите элементы и батарейки – убедитесь, что на них и на упаковке нет никаких дефектов. Обязательно проверьте срок годности и реальность гарантии. Общеизвестно, что европейские и японские батарейки дорогие. Батарейки из регионов Юго‑Восточной Азии дешевы благодаря использованию не очень качественных материалов и устаревших технологий. Кроме того, там чаще встречаются подделки, случается, на одном и том же конвейере на одинаковые батарейки наклеивают разные этикетки, например, Philips, Panasonic и т. п.

При эксплуатации отечественных изделий проверьте отсутствие подтеков электролита на отрицательном выводе, при необходимости подожмите пружинные контакты батарейки и чернильным ластиком зачистите контакты элементов. Не оставляйте элементы и батарейки в батарейном отсеке, если знаете, что аппарат вам долго не понадобится.

Помните, что миниатюрные плееры весьма «прожорливы» и их (как и магнитолы) лучше «кормить» алкалическими батарейками – они дороже простых батареек в 4–5 раз, но будут работать дольше в 6–8 раз.

Емкость никель‑цинковых аккумуляторов равна или меньше емкости обычных МЦ батарей и элементов, но их преимущество в том, что они допускают 200–400 циклов «заряд‑разряд». Недостаток – частая смена аккумуляторов, необходимость контроля конечного напряжения.

Отечественные 9‑вольтовые батареи типоразмера АЕ22 по емкости и стоимости эксплуатации выгоднее зарубежных в два‑три раза. Но их следует эксплуатировать в индивидуальной полиэтиленовой упаковке, чтобы предохранить от утечек электролита в батарейный отсек.

Отечественные 1,5‑вольтовые элементы «Прима М», незначительно уступая американским и швейцарским по величине емкости, втрое дешевле. Их конструктивный недостаток – слишком длинные лепестки изоляционной шайбы. Однако при установке в батарейный отсек ее можно аккуратно подрезать и таким образом обеспечить надежный контакт.

Отечественные и литовские 1,5‑вольтовые элементы А343 по емкости в два‑три раза превышают элементы фирм Eveready и Varta, но при этом их стоимость в 3–5 раз ниже. Отечественный 1,5‑вольтовый элемент типоразмера R2 °C73) для эксплуатации при заметных разрядных токах не пригоден. Его с определенными предосторожностями можно использовать только при малых разрядных токах (например, в электромеханических часах). Отечественная батарейка «Корунд» в экспортном исполнении превосходит зарубежные аналоги по величине емкости на 23–35 % и почти в 6 раз дешевле.

Если в ваших наручных часах или калькуляторе батарейка села в самый неподходящий момент, воспользуйтесь типичным способом по восстановлению ее сил. Для этого большую и полную сил батарейку на 1,5 В соедините с маленькой и обессилившей, обязательно проследив, чтобы плюс подсоединялся к плюсу, а минус к минусу. Уже через 10–15 минут зарядки маленькая батарейка начнет «оживать» и сможет питать ваш прибор несколько часов. Для того чтобы батарейка зарядилась лучше, мы рекомендуем оставить их в таком положении на ночь. За это время реанимируемая батарейка получит такой «заряд бодрости», что ваши электронные часы смогут проходить еще несколько месяцев. Причем батарейкой‑донором тоже можно будет пользоваться.

Предупреждение: если маленькая батарейка имеет напряжение 3 В, то для ее зарядки надо использовать две включенные последовательно батарейки по 1,5 В.