Существует немало электронных устройств, которые способны сделать более удобной и приятной нашу жизнь. Все, что нужно покупать в магазине уже готовым, — затруднительно или же слишком дорого. В то же время никто не помешает некоторые из таких устройств сделать самостоятельно. В этой главе вы познакомитесь с простейшими практическими конструкциями, которые легко можно изготовить в домашних условиях.
Простейшие зарядные устройства
В настоящее время в качестве элементов питания все более широко применяются аккумуляторы. При интенсивной эксплуатации автономных устройств с аккумуляторами, несмотря на то, что стоят они дороже, в итоге питание обходится дешевле, чем если каждый раз тратить деньги на новые батарейки. Во многих устройствах из-за своей относительно невысокой цены используются никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металл-гидридные (NiMH) аккумуляторы. Они способны работать в диапазоне температур от —20 до +45 °C и от —20 до +60 °C, соответственно. А число циклов перезарядки при правильной эксплуатации составляет для NiCd аккумуляторов — 500… 1000; для NiMH — несколько тысяч. К сожалению, несмотря на все достоинства, такие аккумуляторы имеют значительный ток саморазряда. Потеря запасенной энергии в месяц составляет от 10 до 30 %. При увеличении окружающей температуры на каждые 10 °C ток саморазряда удваивается, и если оставить элемент без работы на 3–4 недели, он окажется практически разряжен. Поэтому рекомендуется выполнять заряд таких аккумуляторов непосредственно перед использованием.
Заряжать аккумулятор можно продолжительное время (10… 15 ч) или быстро (за 1…2 ч). Установлено, что при медленном заряде оптимальным (с точки зрения проходящих внутри электрохимических реакций) является ток, составляющий 10 % от номинальной емкости Q, то есть I зар = 0,1·Q. В этом случае не обязательно индицировать окончание процесса зарядки — достаточно выдержать интервал времени 15 ч, и элемент наберет 100 % своей номинальной емкости. При таком режиме заряда срок службы аккумуляторов будет максимальным.
Иногда нет времени столько ждать — требуется более быстрый заряд. Чтобы этого добиться, ток заряда увеличивают в 1,2 раза от номинальной емкости I зар = 1,2·Q). В этом случае аккумулятор сможет получить только 80 % своей емкости (для ее увеличения до 100 % рекомендуется дальнейшая подзарядка малыми токами 0,05·Q). К тому же при быстром заряде необходимо следить за состоянием аккумулятора, чтобы вовремя прекратить процесс. Проще это делать, контролируя напряжение на элементе, — по мере заряда оно постепенно растет и достигает максимума, после чего начинает так же медленно немного снижаться (из-за сильного внутреннего саморазогрева). Как только начался процесс снижения напряжения на элементе (или его перегрев), зарядку надо прекращать.
Большинство зарядных устройств предусматривает работу от обычной бытовой сети (220 В, 50 Гц) и понижает напряжение до нужного уровня. Давайте рассмотрим, как можно самостоятельно изготовить зарядные устройства для различных применений.
Малогабаритные бестрансформаторные
Бестрансформаторное зарядное устройство есть смысл сделать, когда элементам требуется небольшой ток заряда (до 100 мА). В этом случае для понижения напряжения применяется высоковольтный конденсатор небольших размеров, за счет чего габариты всей конструкции удается уменьшить. Избыточное напряжение сети 220 В гасится реактивным сопротивлением конденсаторов (Хс). При этом нет потерь на разогрев, как это происходит с добавочным активным резистором.
Простейшее зарядное устройство показано на рис. 15.1. Оно позволяет заряжать пульсирующим током 26 мА одновременно три или четыре аккумулятора типа Д-0,26 (включенных последовательно) в течение 12…16 ч.
Рис. 15.1. Схема зарядного устройства
Назначение всех элементов этой схемы следующее:
C1, С2 — гасят напряжение сети;
R1 — обеспечивает ускорение разряда конденсаторов — после отключения устройства, что исключает получение удара тока при случайном касании руками контактов вилки X1;
R2 — ограничивает ток в цепи при включении вилки в сеть, поскольку этот момент может совпасть с максимальной амплитудой напряжения;
R3 — обеспечивает разветвление тока, так как через большинство светодиодов нельзя пропускать ток более 20 мА;
HL1 — светодиод для индикации работы зарядного устройства (размешается на видном месте корпуса);
VD1 — диодный мост обеспечивает двухполупериодное выпрямление напряжения;
VD2 — стабилитрон для защиты от удара электрическим током при касании руками контактов Х2 во время работы устройства.
Данную схему легко приспособить для заряда любых аккумуляторов с током 10…100 мА (можно сделать и на больший ток, но в этом случае все преимущества «зарядки» теряются, так как потребуется увеличение емкости конденсатора, а они при допустимом рабочем напряжении 400…500 В имеют большие габариты).
Для наиболее часто используемых номиналов конденсаторов их сопротивление и максимально возможный ток (действующий в режиме короткого замыкания нагрузки) указан в табл. 15.1.
Таблица посчитана по формуле:
где С — емкость подставляется в микрофарадах, тогда результат получится в омах.
Используя эту электрическую схему и зная рекомендуемый для конкретного типа аккумуляторов ток заряда (I зар ), по приводимым ниже формулам можно определить емкость гасящего конденсатора (суммарную) С = С1 + С2. Остальные элементы данной схемы являются вспомогательными и на основной режим работы не влияют.
Пример расчета приведен для аккумуляторов Д-0,26 с зарядным током I зар = 26 мА.
Необходимо использовать ближайший номинал из ряда (в сторону увеличения).
Нужную емкость можно получить из двух конденсаторов, включенных параллельно или последовательно. После этого надо выбрать по справочнику тип стабилитрона VD2 так, чтобы напряжение его стабилизации превышало напряжение заряженных аккумуляторов (ом устанавливается в целях электробезопасности, ограничивая напряжение на выходных контактах, когда аккумулятор не подключен или неисправен). Тип стабилитрона зависит только от количества одновременно заряжаемых аккумуляторов и величины конденсатора, поскольку необходимо, чтобы возможный ток в цепи не превысил максимально допустимый для него.
В этом зарядном устройстве применяются резисторы типа МЛТ или С2-23, конденсаторы С1 и С2 типа К73-17В на рабочее напряжение не менее 400 В. Резистор R1 может иметь номинал 330…620 кОм. Светодиод HL1 подойдет любой, при этом для других токов заряда резистор R3 лучше подобрать экспериментально так, чтобы свечение было достаточно ярким. Диодная матрица VD1 заменяется четырьмя диодами КД102А или аналогичными выпрямительными.
Топология печатной платы с расположением элементов показана на рис. 15.2.
Рис. 15.2. Топология печатной платы и расположение элементов
Плата односторонняя (без отверстий), и элементы устанавливаются со стороны печатных проводников (припаиваются к контактам). При использовании элементов, указанных на схеме, зарядное устройство легко устанавливается в корпусе от блоков питания, выполняемых в виде вилки, или же может размещаться внутри устройства, где установлены сами аккумуляторы.
Проверку зарядного устройства лучше проводить при подключении вместо аккумуляторов измерительных приборов и эквивалентной нагрузки (рис. 15.3), минимальная величина которой для четырех аккумуляторов определяется по закону Ома:
R = U/I = 4/0,026 = 150 Ом,
где U — напряжение на разряженных аккумуляторах (у основной массы аккумуляторов эта величина составляет один вольт на элемент).
Рис. 15.3. Эквивалентная нагрузка, используемая для проверки зарядного устройства
На рис. 15.4 приведена еще одна схема бестрансформаторного зарядного устройства, предназначенного для одновременного заряда двух аккумуляторов типа НКГЦ-0,45 (НКГЦ-0,5 и аналогичных). Здесь обеспечивается асимметричный режим заряда, что, как установили ученые, позволяет продлить срок службы элементов.
Рис. 15.4. Схема зарядного устройства на два аккумулятора
Суть этого метода состоит в том, что заряд аккумуляторов G1 и G2 проводится током 40…45 мА поочередно в течение одной полуволны сетевого напряжения. Так, например, в течение положительной полуволны заряжается G1 (G2 — разряжается). В течение второй полуволны, когда соответствующий диод закрыт, элемент G1 разряжается через резистор R4 током 4,5 мА. Такое построение схемы позволяет осуществлять процесс заряда аккумуляторов независимо друг от друга, и любая неисправность одного из них не нарушит процесс заряда другого.
Имеющийся в схеме переключатель SA1 позволяет увеличить в два раза ток заряда, что может пригодиться для ускорения процесса.
Назначение симметричного стабилитрона VD1 такое же, как и на предыдущих схемах. Для индикации наличия сетевого напряжения используется миниатюрная лампа HL1 (типа СМН6.3-20 или аналогичная). Конденсаторы подойдут из серий К73-17, К73-21, МБГ и другие высоковольтные. Конденсаторы большей емкости можно включить последовательно по схеме, показанной на рис. 15.5.
Рис. 15.5. Возможный вариант подключения конденсаторов в схеме рис. 15.4
При правильной сборке устройства его настройка не потребуется. Во время зарядки надо помнить, что аккумуляторы не следует оставлять подключенными к схеме без включения устройства в сеть, так как при этом происходит их разряд через резисторы R4-R5.
С трансформаторным питанием от сети
Несмотря на принимаемые меры зашиты, все же лучше, если зарядное устройство будет иметь гальваническую развязку от сети. Тем более что в продаже несложно найти подходящий по мощности трансформатор (его выбирать надо не менее чем с двойным запасом по току). Схемы в этом случае могут иметь вид, показанный на рис. 15.6.
Рис. 15.6. Простейшие трансформаторные зарядные устройства:
а — с пульсирующим током, б — с асимметричным током (чередуется цикл заряд/разряд)
Они являются универсальными и легко приспосабливаются для заряда большинства аккумуляторов. В схеме на рис. 15.6, а токоограничивающие резисторы R2-R4 можно рассчитать по закону Ома, зная напряжение на выходе трансформатора, после выпрямителя и нужный ток для конкретных аккумуляторов. Но так как часто приходится использовать низковольтные трансформаторы с неизвестным внутренним сопротивлением (падением напряжения под нагрузкой), надежней будет определить эти резисторы экспериментально, для чего включаем в разрыв цепи заряда аккумулятора миллиамперметр и подбираем номинал под нужный ток.
Диоды VD5—VD7 предотвращают разряд элементов в случае отключения питания устройства.
Схема на рис. 15.6, б позволяет одновременно заряжать 2 аккумулятора (или 4, если к обмотке после выпрямительных диодов подключить аналогичный каскад). Заряд элементов производится поочередно (только через резисторы R5, R6), так как они питаются от раздельных однополупериодных выпрямителей.
В то время когда нет заряда, происходит разряд элемента током, в 10 раз меньшим, чем зарядный ток I зар — резисторы рассчитываем для нужного тока разряда из соотношения:
R5 = R6 = 12/I зар
где значения тока подставляются в амперах, тогда результат получится в омах.
Теперь о том, как определить резисторы в цепи заряда. Лучше это сделать экспериментально по миллиамперметру, как и для схемы с мостовым Выпрямителем, но с небольшой поправкой. Ведь, во-первых, измерительный прибор будет показывать действующее значение тока всего за один полупериод, во-вторых, часть тока в цепи идет не только на заряд, но и ответвляется через разрядный резистор. Поэтому, чтобы получить амплитудное значение тока в цепи, показания стрелочного миллиамперметра умножаются на коэффициент 0,36 (для амплитуды тока заряда 50 мА измерительный прибор должен показывать не менее 18 мА).
В схеме асимметричного заряда допустимо существенно (в несколько раз) увеличивать зарядный ток. Дополнительные резисторы (R3, R4) и переключатель SA1 позволяют увеличить ток в цепи в два раза для ускорения заряда. Если трансформатор имеет только одну низковольтную обмотку, то подключение VD2 и аккумулятора G2 изменится на противоположное, рис. 15.6, в.
Со стабилизатором тока на транзисторе
Аккумуляторы прослужат дольше, если их зарядку выполнять от источника стабильного тока. С несколькими вариантами построения стабилизатора тока вы уже знакомы по первой книге, там же описан подробно принцип работы Такого стабилизатора. Здесь и далее мы рассмотрим варианты практического использования их в зарядных устройствах.
Простой стабилизатор тока можно выполнить на основе транзистора, рис. 15.7.
Рис. 15.7. Зарядное устройство со стабилизатором тока на транзисторе
В схеме опорное напряжение берется со светодиода (одновременно он является и индикатором того, что идет процесс заряда), а отрицательную обратную связь по току обеспечивает резистор R2.
В диапазоне 10…100 мА нужный ток заряда при настройке устанавливается за счет изменения напряжения токовой обратной связи подстроечным резистором R2. Эту схему можно подключить к таймеру, который будет описан чуть позже (рис. 15.13). Это избавит от необходимости помнить о работе устройства, так как позволит автоматически выключать процесс заряда через нужное время.
Со стабилизатором тока на микросхеме
Зарядное устройство может быть собрано на микросхеме КР142ЕН12А(Б) или ее импортном аналоге LM317T. От такого источника тока можно заряжать не только отдельные элементы, но и составленные из них батареи. Для нормально!) работы схемы надо, чтобы напряжение после выпрямителя было на 6…7 В больше, чем номинальное напряжение заряжаемого аккумулятора.
Схема, приведенная на рис. 15.8, содержит минимальное количество элементов и может быть выполнена универсальной. Она позволяет получать разный ток стабилизации, в зависимости от выбранного резистора R1 (выбрать этот резистор можно из табл. 15.2).
Рис. 15.8. Зарядное устройство со стабилизатором тока на микросхеме
При желании сопротивление задающего ток резистора можно изменять галетным переключателем — в этом случае удастся заряжать разные типы аккумуляторов. В автономных условиях в качестве источника напряжения для подключения зарядного устройства возможно применение автомобильного аккумулятора.
Диод VD1 предотвращает повреждение микросхемы в случае, когда заряжаемый элемент будет подключен раньше, чем включено питание устройства. Монтаж удобно выполнить объемными перемычками, а саму микросхему лучше закрепить к теплоотводу (радиатору), обеспечив его изоляцию от корпуса конструкции.
Перезарядка гальванических элементов
Тот факт, что большинство типов современных гальванических элементов удается восстанавливать после разряда, уже давно ни для кого не секрет. Правда, они выдерживают намного меньше циклов перезарядки, чем аккумулятор, но порой даже несколько циклов перезаряда могут сильно выручить. Во всяком случае, наши и зарубежные радиолюбители этим свойством пользуются. Знают об этой возможности и разработчики гальванических элементов, но они не рекомендуют заниматься перезарядкой, так как при многократном и неграмотном повторении этого процесса последствия могут быть непредсказуемыми (возможна утечка электролита из-за нарушения герметичности корпуса).
Тем не менее, с начала 80 гг. XX в. некоторые американские фирмы начали выпускать гальванические элементы с гарантированным перезарядом (при условии использования «фирменного» зарядного устройства) [1]. Стоят такие элементы в два раза дороже обычных батареек, но это — вполне оправданные затраты, даже несмотря на то, что после каждого цикла «заряд-разряд» их емкость постепенно уменьшается, — в аккумуляторах она постоянна в течение всего срока эксплуатации, но аккумуляторы и стоят существенно дороже.
Многократная перезарядка большинства типов гальванических элементов возможна при выполнении следующих условий:
1. Нельзя доводить элемент до полного разряда, т. е. надо его ставить на подзаряд при снижении напряжения не ниже уровня в 1 В;
2. Подзарядку необходимо выполнять асимметричным током в режиме «заряд-разряд», при этом зарядный ток в 10 раз превышает разрядный;
3. Время процесса подзаряда не должно превышать 6…10 часов;
4. После окончания процесса необходимо, чтобы элемент 1…2 часа никуда не устанавливался, так как у него будет повышенное напряжение (до 1,85 В), которое постепенно вернется к номинальному (1,5 В).
А теперь посмотрим, как можно сделать собственное «фирменное» зарядное устройство для разных типов гальванических элементов.
«Таблетки» из серии СЦ
Элементы питания из серии СЦ часто используются в часах и разных игрушках. Если требуется восстановить у них заряд, схема для регенерации может быть очень простой и малогабаритной при выполнении ее с бестрансформаторным сетевым питанием. Несколько вариантов таких зарядных устройств показано на рис. 15.9.
Рис. 15.9. Три схемы зарядных устройств для миниатюрных элементов
В схеме на рис. 15.9, а зарядный ток (I зар ) элемента G1 протекает через цепь VD1-R1 в момент положительной полуволны сетевого напряжения. Величина I зар зависит от величины R1. В момент отрицательной полуволны диод VD1 закрыт и разряд идет по цепи VD2-R2. Соотношение I зар и I разр выбрано 10:1. У каждого типа элемента серии СЦ своя емкость, но известно, что величина зарядного тока должна составлять примерно десятую часть от электрической емкости элемента питания. Например, для СЦ-21 (емкость 38 мАч) — I зар = 3,8 мА, I разр = 0,38 мА, для СЦ-59 (емкость 30 мА ч) — I зар = 3 мА, I разр = 0,3 мА. Близкие по емкости элементы можно заряжать от одного и того же зарядного устройства, но соответствующим образом изменив время зарядки.
На схеме указаны номиналы резисторов для регенерации элементов СЦ-59 и СЦ-21, а для других типов их легко определить, воспользовавшись соотношениями:
R1 = 220/(2·I зар ), R2 = 0,1·R1.
Установленный в схемах стабилитрон в работе зарядного устройства участия не принимает, но выполняет функцию защиты от поражения электрическим током — при отключенном элементе
G1 на выходных контактах напряжение не сможет возрасти больше, чем уровень стабилизации. Стабилитрон КС175 подойдет с любой последней буквой в обозначении или же может быть заменен двумя стабилитронами типа Д814А, включенными последовательно навстречу друг другу.
В качестве диодов VD1, VD2 подойдут любые выпрямительные с рабочим обратным напряжением не менее 400 В (КД243(Г — Ж), КД247(В — Е) и др.).
Аналогичный принцип работы имеют схемы, показанные на рис. 15.9, б и в. Они в особых пояснениях не нуждаются.
Для удобства эксплуатации во все схемы можно добавить светодиодный индикатор наличия сетевого напряжения, как это сделано в схеме на рис. 15.9, в или на «неонке» (см. вторую главу книги 1).
Для закрепления элементов при заряде можно сделать зажим на основе тонкой латунной пластины или деревянной бельевой прищепки, как это показано на рис. 15.10 (первый вариант более компактный). Восстанавливать таким образом элементы СЦ удается три-четыре раза, если их ставить вовремя на подзарядку, не допуская полного разряда (ниже 1 В).
Рис. 15.10. Варианты выполнения конструкции зажима для подключения элементов к зарядному устройству
Элементы типоразмера АА и ААА
Так как эти гальванические элементы для подзаряда требуют ток более 100 мА, для них зарядное устройство лучше делать на основе понижающего напряжение трансформатора. Проще всего зарядное устройство выполнить по схеме на рис. 15.11.
Рис. 15.11. Схема зарядного устройства для гальванических элементов
Как и предыдущие схемы, данное зарядное устройство обеспечивает асимметричный режим заряда (заряд током 150…160 мА, разряд — 15 мА). Два элемента заряжаются независимо друг от друга, и дефект одного из них не приведет к прекращению заряда другого. Ну а так как заряд проводится в течение одной полуволны сетевого напряжения, когда соответствующий диод открыт, то для получения действующего значения тока заряда 150 мА необходимо, чтобы ток в цепи был не менее 315 мА (15 мА ответвляется через разрядные резисторы).
Светодиод HL1 является индикатором наличия питающего напряжения, а назначение остальных элементов описано было ранее.
Схема не критична к выбору типа элементов. Выпрямительные диоды (VD2, VD3) подойдут с допустимым током не менее 0,5 А. Трансформатор (TV1) подойдет любой с напряжением во вторичной обмотке 4,5…10 В и допустимым током не менее 0,5 А (см. справочный раздел книги). Можно использовать трансформаторы из серии ТН — все они имеют хотя бы одну обмотку на 6,3 В.
Номиналы резисторов R1, R2 + R3 на схеме указаны для напряжения 10 В — для меньшего их соответственно придется уменьшить. Величину резисторов R2 + R3 лучше подобрать экспериментом для конкретного трансформатора, для чего в разрыв цепи от вторичной обмотки TV1 подключается миллиамперметр, а в гнезда устанавливаются разряженные гальванические элементы.
Плата для сборки не приводится, так как она выполняется под размер имеющегося свободного места в конкретном корпусе (топология простая, и вы ее легко разведете самостоятельно).
Конструкция зарядного устройства может быть выполнена на основе вилки с встроенным трансформатором. Из них есть такие корпуса, которые позволяют легко закрепить на верхней крышке контактную колодку (отсек) для установки гальванических элементов, рис. 15.12.
Рис. 15.12. Вид собранной конструкции зарядного устройства
Времязадающие управляющие автоматы
Большинство проходящих процессов требует определенного времени. Довольно удобно, когда вместо вас за процессом следит электроника, в XXI веке живем все же. Электронный таймер может не только напомнить звуковым или световым сигналом о том, что уже пора выключить или включить (плиту, зарядное устройство и т. д.), но может сделать это и сам.
По схемотехнической реализации такие таймеры бывают двух типов: аналоговые и цифровые. С аналоговыми таймерами вы уже знакомы по главе 13.
Временной интервал у них задается при помощи цепи заряда конденсатора. Пороговый элемент срабатывает при достижении напряжения на конденсаторе определенного уровня, то есть переключает напряжение на выходе. Схема получается очень простой, но из-за технологического разброса номиналов элементов она требует много времени на настройку интервала (подбор может быть нужен даже в том случае, если времязадающие элементы использовать прецизионные высокоточные и дорогие). Есть еще два недостатка у таких схем, которые ограничивают их применение. Это невысокая точность формируемого интервала (обычно не более 1 % в лучшем случае) из-за влияния окружающей температуры и сложность получения больших временных интервалов (более 30 мин) из-за тока утечки в конденсаторах большой емкости.
В цифровых таймерах используют стабильный задающий генератор импульсов и счетчики импульсов (делители частоты). Увеличивая число счетчиков, можно получить таймер на любой интервал времени. При этом они полностью лишены недостатков аналоговых таймеров, ведь частоту задающего генератора можно легко измерить и подстроить по частотомеру или же воспользоваться кварцевым резонатором для стабилизации.
Таймер для зарядных устройств
При пользовании большинством простейших зарядных устройств необходимо следить за временем, так как они не имеют защиты от повреждения аккумуляторов избыточным зарядом. В наше время и без того дел хватает, чтобы еще помнить и об аккумуляторах. Проще поручить эту задачу электронному таймеру.
Предлагаемый цифровой таймер позволяет устанавливать один из трех временных интервалов (4, 8 и 16 ч), наиболее часто необходимых для заряда аккумуляторов. Он легко встраивается в большинство зарядных устройств и в этом случае может сам прервать процесс заряда, что исключит вероятность получения аккумулятором избыточной энергии, снижающей его ресурс. Кроме отключения зарядного тока, в таймере предусмотрено включение прерывистого звукового сигнала. В качестве источника звука подойдет любой пьезоизлучатель.
Устройство выполнено всего на двух КМОП микросхемах (рис. 15.13) и состоит из задающего генератора на триггере Шмитта (DD1.1), импульсы с которого поступают на счетчик (DD2). Через переключатель SA1 к одному из выходов счетчика через инвертор (DD1.2) подключен транзисторный ключ VT1.
При подаче питания на схему за счет импульса, сформированного цепью C3-R2, счетчик DD2 обнуляется. При этом на выходе элемента DD1.2 будет присутствовать лог. 1, которая поддерживает транзистор в открытом состоянии. Это продолжается до того момента, пока на соответствующем выходе счетчика не появится лог. 1 (лог. 0 на DD1/4), что приведет к остановке задающего генератора (лог. 0 на входе DD1/2 его блокирует) и закрыванию транзистора VT1. В таком состоянии схема будет находиться до момента отключения питания и его повторного включения. Для прерывистой звуковой индикации окончания установленного интервала используются два связанных между собой генератора на элементах DD1.3 (2 Гц) и DD1.4 (1800 Гц).
Схема может работать от напряжения 5…15 В, а потребляемый ток в режиме выдержки интервала не превышает 0,3…2,8 мА.
Рис. 15.13. Таймер для отключения устройств через заданный интервал времени
Для сборки схемы можно воспользоваться односторонней печатной платой, приведенной на рис. 15.14.
Рис. 15.14. Топология печатной платы, расположение элементов и внешний вид монтажа
Плата предусматривает установку прямо на нес переключателя SA1 типа ПД21-3 (допустимо также использовать любой внешний). При монтаже могут устанавливаться любые малогабаритные резисторы и конденсаторы. Диод VD1 заменяется любым импульсным.
Коммутацию нагрузки можно реализовать двумя способами. Первый — непосредственно полевым транзистором (например, это удобно делать в схемах на рис. 15.7 и 15.8 — для данного транзистора допустимым является ток до 200 мА). Второй — при помощи контактов реле К1, как это показано на рис. 15.15. Реле подойдет с двумя группами переключающих контактов и рабочим напряжением, соответствующим питающему всей схемы.
Рис. 15.15. Подключение таймера для полного отключения из сети зарядного устройства
Включается устройство кратковременным нажатием кнопки SB1. В этом случае срабатывает реле К1 и своими контактами (К1.1) блокирует цепь кнопки. После окончания зарядного интервала, когда реле отключится, происходит не только отключение цепи заряда при помощи второй группы контактов (К 1.2), но и полное выключение из сети всего устройства. Для следующего включения схемы необходимо опять нажать кнопку SB1.
Цифровой циклический таймер
Для создания комфортных условий есть немало устройств, которые нужно периодически включать на небольшие интервалы времени, причем независимо от времени суток. К ним относятся ионизатор воздуха, воздухоочиститель, вентилятор, электронагреватель и другие. Эту задачу и выполняет приведенная на рис. 15.16 схема.
Рис. 15.16. Схема автомата для периодического включения сетевых устройств
Устройство собрано на широко распространенной КМОП микросхеме из серии 176 — 15-разрядном счетчике. Это позволяет существенно упростить схему за счет того, что имеется возможность собрать задающий RC-генератор на уже имеющихся в корпусе элементах. К сожалению, у. этой микросхемы нет аналогов в других, более современных сериях, поэтому приходится использовать напряжение питания от 9 до 12 В.
При включении питания короткий импульс, сформированный цепью C2-R1, обнуляет счетчики и начинается отсчет временного интервала. Формируемый интервал зависит от частоты генератора, задаваемой конденсатором С3, и суммарного сопротивления резисторов R3 + R4. Первоначально лог. 1 появится на выходе DD1/5 через 11 минут, если R3 = 0, или через 2 часа — при R3 = 2,2 МОм (применение подстроечного резистора позволяет регулировать рабочий интервал в этом диапазоне). Причем время, в течение которого будет включена нагрузка, и пауза получаются одинаковыми.
Коммутацию нагрузки (на схеме нагрузкой является обычная лампа EL1) выполняет электронный ключ — симистор VS1. Это делает процесс переключения бесшумным и более надежным, чем у реле. Ну а для того, чтобы снизить потребление тока схемой управления, для включения симистора используются импульсы, сформированные автогенератором на одно переходном транзисторе (он подробно был описан в главе 13).
Для монтажа элементов можно воспользоваться печатной платой, показанной на рис. 15.17.
Рис. 15.17. Топология печатной платы, расположение элементов и внешний вид монтажа
Импульсный трансформатор Т1 придется изготовить самостоятельно. Он наматывается проводом ПЭЛШО диаметром 0,12…0,18 мм ни ферритовом кольце М4000НМ1 типоразмера К16x10x4 мм или кольце М2000НМ1 — К20х12х6 мм и содержит в обмотке 1 — 80 витков, 2 — 60 витков. Перед намоткой острые грани сердечника нужно закруглить надфилем, чтобы они не прорезали изоляцию провода. Желательно также обмотать каркас магнитопровода фторопластовой лентой или покрыть лаком. Обмотки располагаются напротив друг друга (намотка внавал), рис. 15.18.
Рис. 15.18. Конструкция импульсного трансформатора
После намотки и пропитки катушек лаком обязательно убедитесь в отсутствии утечки между обмотками, а также обмотками и ферритом магнитопровода (делать это надо после закрепления трансформатора на плате при помощи винта). Между платой и трансформатором лучше проложить резиновую прокладку.
Если мощность нагрузки не превышает 100 Вт, что бывает наиболее часто, симистор в радиаторе не нуждается. Он крепится при помощи скобы из толстого провода прямо к плате. В противном случае радиатор можно изготовить из медной или алюминиевой пластины. Допускается также подключение более мощных симисторов, например, типа ТС122-20-6 (на ток 20 А), ТС122-25-6 (ток 25 А) и многие другие, но допустимое рабочее напряжение у них должно быть не меньше 500 В.
Остальные детали схемы подойдут любого типа, например переменные резисторы R3 — СП4-1; постоянные резисторы С2-23 или MЛT; все конденсаторы могут быть К10-17 и др.
Источник питания для схемы нужен на напряжение 9..12 В. Потребляемый при этом ток составляет 1,6…2,4 мА — он увеличивается до 2,9…4,5 мА при работе автогенератора на транзисторе VT1, управляющего включением симистора. Например, сам таймер можно питать от сети по бестрансформаторной схеме, приведенной на рис. 15.19. Топология для сборки такого источника дана на рис. 15.20.
Рис. 15.19. Вариант бестрансформаторного источника питания
Рис. 15.20. Топология печатной платы и расположение элементов
Несколько слов о настройке каскада электронного коммутатора. Первоначально надо включить в качестве нагрузки лампу накаливания мощностью 40…60 Вт и, дождавшись, когда она загорится, проверить на ней уровень переменного напряжения. Если оно будет менее 218 В (в этом случае яркость свечения лампы пониженная), необходимо изменить фазировку подключения любой из обмоток трансформатора Т1 (для чего достаточно поменять выводы местами). Конечно, делать это надо при отключенном устройстве.
Кроме симистора, для управления нагрузкой можно приспособить и реле, подключив его вместе с транзистором, как это показано на рис. 15.21.
Рис. 15.21. Подключение электромагнитного реле к схеме автомата
Вместо полевого транзистора можно установить и биполярный с большим коэффициентом усиления и допустимым током не менее 200 мА. Такими являются составные транзисторы КТ972, КТ829(А, Б) и др. Аналогичный циклический таймер можно выполнить на микросхеме К176ИЕ12, но к ней времязадающие элементы генератора подключаются иначе, рис. 15.22.
Рис. 15.22. Вариант схемы автомата для периодического включения сетевых устройств
Таймер для забывчивых
В каждой квартире есть вспомогательные помещения, такие, как кладовка, коридор и туалет. Обычно свет там требуется ненадолго, после чего нужно не забыть отключить освещение. Но многие из-за рассеянности оставляют свет включенным, что приводит к лишнему расходу электроэнергии, а значит, и денег.
Чтобы избавиться от этой проблемы, можно воспользоваться устройством автоматического отключения освещения через заданный интервал времени, если вы сами не сделаете это раньше. Приведенный вариант таймера, в отличие от опубликованных аналогов, имеет меньшие размеры, удобнее в эксплуатации, проще в изготовлении и подключении, так как не требует установки дополнительных датчиков и кнопок. Работу этого устройства вы редко будете замечать, а сэкономить оно позволит немало денег.
Электрическая схема цифрового таймера показана на рис. 15.23. Она имеет бестрансформаторное питание от сети. Это позволяет сделать конструкцию малогабаритной, что удобно при размещении. Устройство устанавливается вблизи лампы и подключается в разрыв проводов, идущих к лампе.
Рис. 15.23. Электрическая схема сетевого таймера
Схема начинает работать только при включении освещения обычным включателем (SA1). Лампа освещения EL1 будет светиться в течение 9 мин, конечно, если до этого момента вы сами ее не отключите. Происходит это потому, что в начальный момент тиристор VD1 будет полностью открыт за счет проходящего через резисторы R5-R6 управляющего тока (транзистор VT1 закрыт). Эти резисторы из-за разброса параметров тиристоров при настройке устройства могут потребовать подбора так, чтобы их общее сопротивление было в диапазоне 24…30 кОм. От них зависит, яркость свечения лампы.
Сам таймер собран всего на одной микросхеме К176ИЕ12, которая содержит внутри автогенератор с внешними задающими частоту элементами и счетчики импульсов. Временной интервал задержки отключения зависит от емкости конденсатора С3 и может быть легко изменен.
Как только на выходе DD1/10 счетчика появится лог. 1, откроется полевой транзистор VT1, что приведет к закрыванию тиристора VS1 — его управляющий электрод будет закорочен. Свет выключится. Для того чтобы это состояние зафиксировалось, установлен диод VD6. Он обеспечивает прекращение работы задающего RC-автогенератора, подавая запирающее напряжение с выхода счетчика. Когда на DD1/10 лог. 0, этот диод на работу автогенератора влияния не оказывает.
После отключения света таймером для повторного включения освещения потребуется выключить и включить SA1. При этом цепью из элементов C2-R1 формируется импульс обнуления счетчиков микросхемы и отсчет временного интервала начинается сначала. Чтобы сформировать импульс обнуления, конденсатор С1 должен за короткое время отключения питания схемы успеть разрядиться. Поэтому его номинал не рекомендуется устанавливать больше, чем это указано на схеме.
Для монтажа устройства использована односторонняя печатная плата с размерами 75х40 мм (рис. 15.24). Внешние подключения выполняются через четыре контактных зажима (XI), припаянных на плате.
Рис. 15.24. Топология печатной платы и расположение элементов
При сборке применены все резисторы типа MЛT с указанной на схеме мощностью. Конденсаторы могут быть любыми малогабаритными. Стабилитрон VD1 подойдет с произвольной последней буквой в обозначении, но обязательно в пластмассовом корпусе, иначе он не поместится на приведенной печатной плате. Диод VD2 — любой из импульсных.
При правильной сборке и исправных деталях схема начинает работать сразу, а настройка заключается в выборе необходимого интервала времени, в течение которого включено освещение.
Микрофон для компьютера
Сегодня, имеется довольно много интерактивных компьютерных программ, в которых необходим микрофон. Это помогает изучать иностранные языки (компьютер контролирует произношение). Есть программы, которые позволяют с вашего голоса печатать текст или развлекать песнями по типу «караоке». С установленным микрофоном любой компьютер легко превращается в цифровой магнитофон. И это далеко не все, на что он способен! Но мы отвлеклись — данная тема для отдельного разговора, пока же давайте вернемся к «железу».
Мировая промышленность выпускает немало моделей различных компьютерных микрофонов. Но если вы его покупаете не в комплекте со звуковой картой, то довольно велика вероятность столкнуться с проблемой совместимости. Его чувствительность может быть Мала, а качество работы оставит желать лучшего. Придется сожалеть о напрасно потраченных деньгах, да и стоит такая «штучка» (даже китайского производства) не дешево. Но есть простой вариант решения этой проблемы. Он не только обойдется намного дешевле, но и качество будет значительно выше.
Вам потребуется приобрести любой малогабаритный отечественный или импортный электретный микрофон (см. табл. 7.2 из первой книги, где описаны их особенности). Для того чтобы получить достаточный уровень звукового сигнала, потребуется усилитель.
На рис. 15.25 приведена схема универсального микрофонного усилителя.
Рис. 15.25. Универсальный микрофонный усилитель
Так как для ее питания используются дополнительные гальванические элементы, установленные прямо на плате, она может подключаться не только к компьютеру.
Схема работает в режиме микротоков и потребляет очень мало (не более 0,5 мА). Поэтому для ее питания подойдут любые гальванические элементы. Приведенная для сборки на рис. 15.26 конструкция печатной платы предусматривает установку элементов типоразмера ААА.
Рис. 15.26. Топология печатной платы, расположение элементов и внешний вид монтажа
Во многих современных звуковых картах на входном гнезде имеется небольшое постоянное напряжение. Например, в распространенной карте Creative Live 5.1 это напряжение составляет 5 В. Им вполне можно воспользоваться для питания микрофонного усилителя (для чего, собственно, оно и предназначено). Правда, схему потребуется немного изменить, как это показано на рис. 15.27. С таким усилителем вам не потребуется кричать в микрофон, он без труда сможет записать любой тихий разговор в помещении. Но, так как все микрофоны имеют большой разброс по чувствительности, при необходимости, нужный уровень сигнала можно установить при помощи подстроенного резистора R4.
Рис. 15.27. Микрофонный усилитель с питанием от звуковой карты
Рис. 15.28. Топология печатной платы и расположение элементов микрофонного усилителя
Ретранслятор команд на ИК-лучах
Большая часть современной радиоаппаратуры предусматривает дистанционное управление от пульта, излучающего инфракрасные (ИК) лучи. Это излучение имеет длину волны 0,78…1,0 микрометра и лежит в невидимой части спектра. Такой сигнал, так же как и обычный видимый глазом свет (у него длина волны находится в диапазоне 0,38…0,78 мкм), подчиняется законам оптики и из-за малой мощности распространяется на небольшое расстояние.
Обычно пульт управления действует не более чем с 5…6 м. Но иногда требуется управлять радиоаппаратурой с большего расстояния или же из соседней комнаты. Возможна ситуация, когда радиоаппаратуру удобнее установить скрытно и так, что прямая оптическая связь между ИК-передатчиком и ИК-приемником будет отсутствовать или она окажется затрудненной. Во всех этих случаях нужен ретранслятор команд.
Самая простая схема, способная выполнить эту задачу, приведена на рис. 15.29. Она позволяет преобразовать ИК-лучи в электрический сигнал, который передается по проводам на нужное расстояние, а затем этот сигнал опять превратить в ИК-лучи.
Схема состоит всего из двух транзисторов: усилителя напряжения (VT1) и усилителя тока (VT2). Между базой и коллектором первого транзистора установлен инфракрасный фотодиод (VD1). Сигнал с фотодиода довольно слабый, для его усиления по напряжению и необходим VT1. Обратное включение ИК-фотодиода позволяет получить большую чувствительность и динамический диапазон — его сопротивление под действием ИК-лучей меняется, изменяя ток базы транзистора, что приводит к изменению тока коллектора в соответствии с коэффициентом усиления.
Рис. 15.29. Схема ретранслятора ИК-команд
В данной схеме небольшая внешняя засветка фотодиода не влияет на работу, благодаря отрицательной обратной связи через сам фототодиод. Увеличение постоянного тока через BL1 приводит к уменьшению напряжения на коллекторе VT1, что в свою очередь уменьшает ток через фотодиод. Мигание светодиода HL1 в такт импульсам ИК-передатчика говорит о том, что схема работает и кодовая посылка принята для ретрансляции. Импульсы с коллектора VT1 через конденсатор С1 поступают на каскад эмиттерного повторителя для увеличения тока, проходящего по цепи питания.
Излучающий фотодиод включен последовательно в цепь питания на удаленном конце провода, и импульсы тока, проходящие через него, вызывают ИК-излучение. Этот ИК-диод располагается на небольшом расстоянии (не более 20 см) от фотоприемника радиоаппаратуры.
Дальность, на которой воспринимает команды фотоприемник ретранслятора, зависит от типа и чувствительности установленного в схему ИК-фотодиода (это расстояние может достигать 40 см). Так как у фотодиодов разных типов разное обратное сопротивление, подбор резистора R1 позволяет убрать подсвечивание индикатора HL1, если оно есть при отсутствии команд.
Схема сохраняет работоспособность при изменении питающего напряжения от 4,5 до 10 В. При этом потребляемый ток составляет 1,5…2,5 мА (во время ретрансляции импульсов увеличивается на 2 мА). Ток, потребляемый схемой, надо проверить и если он больше, чем указано, то подобрать (увеличить) резистор R3.
Несколько слов о деталях. Светодиод HL1 использован с диаметром корпуса 3 мм (из серии КИПД24 или аналогичных импортных) — им для свечения достаточно небольшого тока (1…5 мА), в отличие от других типов. В качестве ИК-излучающих и приемных диодов подойдут очень многие типы из современных отечественных или импортных. Транзистор VT2 можно заменить на любой из серии КТ3102, но в этом случае потребуется подбор-резистора R1 (в некоторых случаях он может вообще не устанавливаться). Резисторы и конденсаторы годятся любые.
Кроме излучающего ИК-диода (BLI), для монтажа всех остальных элементов можно воспользоваться печатной платой, показанной на рис. 15.30. Ее миниатюрные размеры позволяют в качестве корпуса взять колпачок от сетевой вилки (именно он показан на рисунке) или же коробку от конфет «Тик-так».
Рис. 15.30. Топология печатной платы и внешний вид конструкции
Как сделать «Люстру Чижевского»
Устройство названо так в честь своего гениального изобретателя, биофизика и основоположника гелиобиологии, Александра Леонидовича Чижевского (1897–1964) . Благодаря своим достижениям он был принят почетным членом 18 академий мира. Многогранная научная и литературная деятельность ученого позволила американцам с восхищением его называть «Леонардо да Винчи XX века». Его идеи были настолько передовыми, что не все современники готовы были к их пониманию. На вопрос, чему он, собственно, посвятил себя, сам ученый отвечал: «Электричеству жизни!».
Давайте познакомимся с одним из изобретений А. Л. Чижевского. Как вы знаете из первой книги, в воздухе всегда имеются ионизированные молекулы — ионы (положительные и отрицательные). Ученый установил, что, чем в воздухе больше отрицательных аэроионов, тем он полезнее. Электрометрические измерения показали интересную зависимость содержания аэроионов в разных местах, приведенную в табл. 15.3.
Из таблицы видно, что в жилых помещениях концентрация сильно снижается — аэроионов в десятки раз меньше, чем это необходимо для того, чтобы быть здоровым. Такого количества еле хватает для жизни, способствует быстрой утомляемости, а также появлению разных заболеваний. Но лучше все же не доводить дело до необходимости лечения, а создать нужную концентрацию искусственно. Увеличить насыщенность воздуха в помещении отрицательными аэроионами можно с помощью специального устройства — аэроионизатора.
Сегодня существуют научно обоснованные нормы по содержанию отрицательных ионов, в которых указано, что необходимым минимумом в производственном помещении должно являться 600 ионов/см3, а оптимальное содержание 3000…5000 ионов/см3. Как этого можно добиться? Ведь основная часть молекул воздуха электрически нейтральна… В естественных условиях причиной ионизации может являться энергия фотонов света, ударная энергия (при столкновении разогретых движущихся молекул), а также излучения радиоактивных микрочастиц. В природе некоторые растения способны выделять отрицательные ионы в больших количествах. Более редкой причиной ионизации служит электростатическое поле, например во время грозы. Подробно с физикой происходящих процессов можно познакомиться в статье [2].
Профессором Чижевским был разработан принцип искусственной аэроионизации воздуха в помещениях и создано первое устройство для этих целей — электроэффлювиальная люстра («эффлювий» — по-гречески означает «истечение»). Она впоследствии получила более короткое название: «Люстра Чижевского» — ведь конструкция была немного похожа на люстру и крепилась к потолку. В авторском варианте излучатель выполняется в виде обруча (диаметром 75…100 см), внутри которого натянута проволочная сетка, рис. 15.35, а. В узлах сетки закреплено много острых иголочек длиной 34…45 мм. Когда к иголочкам подведено высокое отрицательное напряжение, с них стекают заряды (электроны), которые присоединяются к молекулам воздуха, превращая их в отрицательные аэроионы [3].
Экспериментально было установлено, что действие аэроионизатора увеличивает активную жизнь всех живых организмов. Но в этом нет ничего удивительного, ведь в горах, где воздух перенасыщен отрицательными аэроионами, живет рекордное число долгожителей. Многочисленные эксперименты профессора А. Л. Чижевского и его сотрудников на животных доказали, что дышать воздухом без отрицательных аэроионов невозможно. Например, морские свинки и кролики, находящиеся в помещении с полностью очищенным от отрицательных ионов воздухе, очень скоро заболевали и умирали. Если же воздух был насыщен отрицательными аэроионами выше обычного уровня, то животные не только очень комфортно себя чувствовали, но и прибавляли в весе.
Идеи нашего ученого заинтересовали многих. Например, вот фраза из одного отчета американских ученых, посвященных исследованиям аэроионов: «Влияние отрицательных заряженных аэроионов, не имеющих ни вкуса ни запаха, схоже с действием витаминов А, Е и D, а в ряде случаев обладает более выраженным лечебным эффектом…».
Отрицательные аэроионы в состоянии помочь при лечении и профилактике десятков самых массовых заболеваний. Это болезни органов дыхания, сердечно-сосудистой и нервной систем. Сейчас уже известно, что причиной многих, причем совершенно разных болезней является то, что клетки организма теряют заряд. Отрицательные аэроионы легко проникают через легкие в кровь и передают свой заряд клеткам, тем самым, восстанавливая их нормальную работу.
Отрицательные ионы также увеличивают активность крови — основного поставщика кислорода клеткам. Кроме того, под действием отрицательных аэроионов в организме вырабатывается особое вещество, которое замедляет старение («изнашивание») тканей. Целебное действие отрицательных аэроионов кислорода воздуха более подробно объясняется современной биоэнергетикой, но, чтобы глубоко понять суть происходящих процессов, требуется получить соответствующее образование.
Применение генератора отрицательных ионов особенно актуально в наше время, когда вокруг много электронных приборов (телевизоров, компьютеров и др.), способных притягивать к себе отрицательные ионы и таким образом их нейтрализовать (разряжать). Но в городской квартире, даже не имеющей электронных приборов, присутствует очень мало отрицательных ионов. Чижевский еще в 30-е г. предсказал «аэронный голод» и придумал эффективное средство борьбы с ним, которое до сих пор считается идеальным.
На протяжении многих десятилетий аэроионизаторы прошли всестороннюю проверку в лабораториях, медицинских учреждениях, школах и в домашних условиях, показав высокую эффективность аэроионизации в качестве профилактического и лечебного средства. Но, к сожалению, ионизаторы воздуха промышленного изготовления довольно дороги. В то же время собрать такое устройство по силам даже начинающему радиолюбителю. Поэтому рассмотрим, как можно изготовить аэроионизатор самостоятельно.
Электрическая схема
Согласно исследованиям профессора, только аэроионы, полученные от источника напряжения — 25000…45000 В, обладают ярко выраженным лечебным эффектом. При ионизации меньшим напряжением продолжительность существования («живучесть») таких ионов очень небольшая, они быстро нейтрализуются положительными зарядами (меньшее напряжение часто используется в электростатических очистителях воздуха).
Чем больше объем помещения, тем большее напряжение желательно иметь. Для помещения типа классной комнаты или школьного спортивного зала оптимальным является напряжение — 40…50 кВ. Не проблема получить напряжение и выше, но делать это все же не стоит, так как увеличивается вероятность появления коронного разряда (свечение синего цвета на кончике иголок) и образования озона — нового химического соединения кислорода, имеющего характерный запах. Появление озона не только снижает эффективно работы устройства, но и в больших количествах вредно, а это уже другая история.
Рассмотрим схему, обеспечивающую получение высокого напряжения, рис. 15.31.
Рис. 15.31. Электрическая схема преобразователя ( а ) и дополнительные каскады умножителя ( б ) при использовании в качестве Т1 стандартной автомобильной катушки зажигания (типа Б115)
Она состоит из однополупериодного выпрямителя (VD1), заряжающего высоковольтный конденсатор (С2) и автогенератор на однопереходном транзисторе (VT1), который управляет открыванием тиристора (VS1). Частота работы автогенератора синхронизирована с сетевой частотой, так как на него, поступает пульсирующее напряжение. Момент открывания тиристора выбран (при помощи резистора R2) так, чтобы конденсатор С2 успел зарядиться до максимальной амплитуды сетевого напряжения. При открывании тиристора происходит быстрый разряд конденсатора С2 через первичную обмотку трансформатора Т1. Возникающий при этом импульс тока наводит во вторичной обмотке Т1 импульсное напряжение. Напряжение от вторичной обмотки выпрямляется классическим диодным умножителем (в два раза). Пульсация сглаживается конденсатором С4. На излучатель через ограничительный резистор R6 поступает уже постоянное отрицательное напряжение. Соединение первичной и вторичной обмоток трансформатора, показанное на схеме пунктиром, не является обязательным — его лучше использовать в крайнем случае, если эффективность работы люстры недостаточна.
Такое построение схемы делает ее некритичной к выбору типа большинства элементов. Следует обратить внимание, что конденсатор С2 можно использовать только из тех типов, что допускают работу при напряжении 500 В в жестком («жестоком») режиме: заряд-разряд, например, МБМ, ОМБМ, МБГ (конструкция платы предусматривает установку С2 типа ОМБГ-2 на 630 В); конденсаторы СЗ, С4 типа К15-4 на рабочее напряжение 30 кВ (от телевизора). Резисторы: R1 типа ПЭВ на 7,5 Вт; R6 может иметь номинал 10…30 МОм, например типа СЗ-14-1 или КЭВ-1 (он может быть составлен из нескольких последовательно соединенных резисторов MЛT-2). В качестве высоковольтных выпрямителей желательно использовать диоды с обратным напряжением не менее 7 кВ (допустимый ток подойдет любой, но при большом токе возрастают и габариты всей конструкции, а это плохо). Такие диоды вы найдете не во всяком справочнике, поэтому для облегчения подбора замены можно воспользоваться приведенной ниже таблицей.
Для монтажа элементов, выделенных на электрической схеме пунктиром, использована печатная плата, рис. 15.32 (на ней сами элементы, установленные с обратной стороны, показаны пунктиром). Элементы умножителя соединяются объемными проводниками и заливаются парафином или герметиком, аналогично, как это описано далее, для высоковольтного трансформатора Т1. Соединительные провода для высоковольтной части были взяты от старого, отслужившего телевизора.
Рис. 15.32. Топология печатной платы для монтажа схемы преобразователя
Импульсный высоковольтный трансформатор — наиболее трудоемкая при изготовлении часть устройства и потребует внимательности и аккуратности. Впрочем, если у вас нет опыта в изготовлении намоточных изделий, то в качестве Т1 можно взять серийную промышленную катушку от автомобильной дли мотоциклетной системы зажигания. Но в этом случае габариты всего устройства существенно увеличатся, да и из-за меньшего коэффициента трансформации в умножитель придется добавить дополнительные каскады, как это показано на рис. 15.31, б, что тоже потребует много дополнительного места.
Теперь о том, как самому можно сделать высоковольтный трансформатор. Конструкция у него очень простая — в качестве магнитопровода используются прямоугольные пластины из трансформаторного железа, набранные в пакет, рис. 15.33.
Рис. 15.33. Конструкция магнитопровода ( а ) для намотки трансформатора Т1; каркас для герметизации ( б ) и вид сборки после заливки герметиком ( в )
Так как при работе магнитное поле в такой катушке незамкнутое, это исключит намагничивание сердечника постоянной составляющей напряжения в первичной обмотке («подмагничивание»).
Намотка обмоток Т1 выполняется виток к витку (сначала вторичную обмотку). Обмотка 2 содержит 1800…2000 витков проводом ПЭЛ диаметром 0,08…0,12 мм (в четыре слоя, между которыми прокладываются слои диэлектрика). Межслойную изоляцию лучше выполнять из нескольких витков тонкой (0,1 мм) фторопластовой ленты, но подойдет также и конденсаторная бумага — ее можно достать из высоковольтных неполярных (бумажных) конденсаторов. Первичная обмотка содержит 20 витков проводом диаметром 0,35 мм — над ней изоляция не нужна.
После намотки обмоток весь трансформатор герметизируют путем заливки двухкомпонентным эпоксидным клеем (он должен быть разведен достаточно жидким). В клей перед использованием желательно еще добавить несколько капель конденсаторного масла (пластификатор) и хорошо его перемешать. При перемешивании в заливочной массе клея не должно образовываться пузырьков воздуха (на это следует обратить особое внимание, так как у воздуха пробивное напряжение намного меньше, чем у герметика, и пузыри могут послужить причиной внутренних пробоев). Для хорошего перемешивания смесь до заливки можно даже немного разогреть, а саму заливку нужно выполнять медленно, чтобы воздух вытеснялся, из намотанного трансформатора, не образовывая внутренних пузырей.
Для удобства заливки потребуется предварительно изготовить картонный каркас с габаритами чуть больше размеров намотанной конструкции трансформатора — это примерно 55х30х25 мм, где и выполняется герметизация. Для выводов обмоток на дранях каркаса в соответствующих местах заранее делаются отверстия. Чтобы жидкий клей не вытекал в местах выводов, их можно временно закрыть пластилином.
У вас наверняка возник вопрос, а зачем нужны такие хитрости с заливкой? К сожалению, если ее не сделать, то высокое напряжение будет пробивать воздух и давать искру не там, где нам надо, а где оно само посчитает удобным. В этом случае на выходных выводах вторичной обмотки не удастся получить нужное напряжение.
Теперь, чтобы труд не пропал даром, несколько слов об аккуратности. Весь процесс намотки должен проходить в чистоте. Во-первых, если у вас нет намоточного приспособления, которое исключает касание провода руками при намотке, то потребуется запастись тонкими хлопчатобумажными перчатками. Они позволят изолировать потные жирные «ручонки» от провода и диэлектрика. Это в дальнейшем уменьшит вероятность появления внутренних пробоев и утечек внутри трансформатора. Во-вторых, в начале намотки слоя провод нужно зафиксировать обычными нитками — аналогично делается фиксация витков в конце каждого слоя, иначе он может соскочить и запутаться. В-третьих, на выводы высоковольтной обмотки лучше надеть фторопластовые трубки.
Изготовленный таким образом трансформатор может обеспечить во вторичной обмотке амплитуду напряжения больше 15…30 кВ (он использовался даже в электрошоковом устройстве [4]), но, чтобы исключить появление внутреннего пробоя внутри катушки при повышенном напряжении в режиме холостого хода (когда ко вторичной обмотке не подключена нагрузка, которой является излучатель), включать его без защитного разрядника (F1) не рекомендуется.
Защитный разрядник F1 выполняется из двух оголенных проводов диаметром 0,5…1 мм, расположенных на расстоянии 10…12 мм.
Вид электродов разрядника F1 показан на рис. 15.34.
Рис. 15.34. Расположение элементов и узлов высоковольтного преобразователя
Элементы конструкции — плата с элементами и трансформатор (их условное расположение также показано на рисунке) крепятся на основании из оргстекла толщиной 5…6 мм, которое после сборки накрывается пластмассовой крышкой.
Монтаж высоковольтного выпрямителя сделан в виде отдельного узла (коробки, размещаемой вблизи преобразователя). При его сборке следует обеспечить между выводами диодов и конденсаторов достаточное расстояние, исключающее образование коронных разрядов и токов утечки. После монтажа и проверки работы все выводы покрываются расплавленным парафином, иначе избежать коронных разрядов не удастся. Высоковольтный преобразователь напряжения желательно установить вблизи от излучателя (0,5… 1 м).
Конструкция излучателя
От конструкции излучателя и места его установки во многом зависит эффективность работы аэроионизатора. Размеры излучателя, предложенного Чижевским, предназначены для больших помещений: залов, производственных цехов и т. п. В обычной квартире такие габариты просто не нужны, к тому же они не украсят помещение.
Такое устройство необязательно должно подвешиваться к потолку (как люстра). Например, промышленностью выпускаются малогабаритные настенные и настольные варианты для небольших бытовых помещений (конструкцию этих излучателей можно посмотреть в магазине). Большинство из них имеет каркас с натянутой проволочной сеткой, в узлах которой припаяны иголочки.
Аналогичную рамку несложно сделать самостоятельно. Но все же лучше будет не копировать слепо промышленные излучатели, а форму у них делать с учетом удобства размещения в конкретном месте вашей комнаты. Например, если его устанавливать над входной дверью или кроватью, то «люстру» лучше иметь в виде, показанном на рис. 15.35, б. Можно также сделать настольный излучатель оформленный в виде небольшого кактуса, — все зависит от имеющихся в наличии материалов и фантазии.
15.35. Форма излучателей: а — «Люстра Чижевского» для больших помещений; б — вариант аэроизлучателя для дома и один из способов закрепления иголок в узлах ( в )
Для ее изготовления подойдет медный провод: толстый (3…4 мм) в качестве каркаса, а более тонкий (0,25…0,5 мм) — для сетки и иголок. Иголки получаются из кусков провода при помощи острых бокорезов (их длина должна быть не более 5 см). Провод закручивается в узлах сетки и пропаивается. За одну накрутку Мы можем сразу получить две иголочки, которые будут достаточно острыми, если провод обрезать бокорезами под острым углом. Острые иголки нужны потому, что в этом случае ток, поступающий с острия, увеличивается, а возможность образования побочного вредного продукта — озона — уменьшается.
Конечно, для изготовления иголок провод можно использовать не только медный. Например, взять стальные иголки от одноразовых шприцев или купить иголки с колечком, которые обычно продаются в магазинах канцелярских принадлежностей под названием «булавка цельнометаллическая одностержневая». Правда, в этом случае возникнут проблемы с пайкой. Без кислоты или активного флюса на ее основе хорошо ничего припаять не удастся.
При работе аэроионизатора не должно появляться никаких запахов. Если они есть, осмотрите внимательно монтаж конструкции устраните места образования коронных разрядов.
Проверка работы
При правильном монтаже настройка схемы не требуется, но при проверке устройства не следует забывать о технике безопасности. Ведь приходится иметь дело с высоким напряжением, которое присутствует на излучателе не только во время работы преобразователя. Конденсаторы способны хранить заряд продолжительное время и после того, как схема выключена.
Само по себе высокое напряжение не опасно — опасен для жизни проходящий ток (свыше 30 мА), особенно если он протекает через область сердца (левая рука — правая рука). В нашем аэроионизаторе максимальная сила тока будет значительно меньше этого уровня, но соблюдать меры предосторожности все же нужно. При прикосновении к высоковольтным частям вы получите довольно неприятный укол искрой разрядки конденсаторов умножителя. Поэтому при перепайке деталей или проводов в конструкции не только выключите ее из сети, но и замкните высоковольтный провод умножителя на заземленный (соединенный с общим проводом). Еще желательно убрать подальше электронные приборы и устройства, чтобы их случайно не повредить накопленными статическими зарядами или касанием к высоковольтному электроду.
Теперь о том, как можно убедиться в нормальной работе высоковольтного преобразователя и излучателя аэроионизатора, не имея специальных измерительных приборов, — киловольтметра и измерителя концентрации ионов. Не покупать же дорогие приборы, чтобы ими воспользоваться всего один раз в жизни. Безвыходных положений не бывает. Достаточно точно можно узнать уровень напряжения на электродах по способности его пробивать воздушный зазор (зрелище само по себе красивое). Известно, что пробой воздуха происходит для переменного напряжения при 1 кВ на 1 мм, а для постоянного — 3 кВ на 1 мм (пробивная напряженность — эта величина немного зависит от температуры, влажности, атмосферного давления). Зная, на каком расстоянии между электродами появляется искра (или видимое свечение коронного разряда), и умножив его на пробивное напряжение, мы получим величину напряжения на электроде.
Убедиться в том, что излучатель нормально работает и происходит образование ионов, можно при помощи небольшого кусочка ваты. Он должен притягиваться к «люстре» с расстояния 5…6 см. А если осторожно поднести к излучателю руку, уже на расстоянии 7 см ощутим холодок, вызванный усиленным движением ионов по направлению силовых линий поля, — электронный ветерок.
Особенности эксплуатации
Устанавливают устройство на расстоянии не менее 80 см от потолка, стен, осветительных приборов и 120 см от места нахождения людей в комнате. Не рекомендуется включать ионизатор вблизи радиоаппаратуры или компьютерной техники (при работе ионизатора все металлические предметы, если они не заземлены, способны накапливать заряды), что для некоторых приборов небезопасно.
Перед включением аэроионизатора помещение желательно проветрить. В помещении с плохой вентиляцией аэроионизатор лучше включать периодически в течение всего дня через некоторые интервалы времени, так как продолжительность существования созданных ионов из-за их постоянного хаотичного движения и соударений друг с другом не очень большая.
Ионизировать надо чистый воздух с нормальным химическим составом. Электрическое поле аэроионизатора очищает воздух от пыли, но эта пыль будет налипать к стенам и предметам, что конечно же плохо. В сильно запыленных помещениях люстру использовать нельзя — предварительно можно воспользоваться пылеуловителем, эту задачу выполняют специальные устройства.
Необходимости в постоянной работе ионизатора нет. Считается, что в обычном помещении достаточно продолжительности ежедневного сеанса 30…50 мин.
Цветная музыка
Любую музыку могут сопровождать разнообразные световые эффекты, одним из которых является светомузыка (ее еще называют цветомузыкальной установкой, или сокращенно — ЦМУ). Это украсит дискотеку, школьный вечер или просто домашний праздник. Принцип работы такого устройства основан на разделении всего звукового спектра на участки, в которых частоты электрического сигнала смогут управлять соответствующим световым излучателем.
При этом, если поставить в каждом канале фильтры разного цвета и направить все световые излучатели в одно место, цветовая картина получается всегда неповторимой, так же как неповторимы все музыкальные произведения. Ведь для синтеза любого цвета из солнечного спектра достаточно всего трех базовых цветов: красного, синего и зеленого.
В простейшем случае схема светомузыки представляет собой пассивный трехканальный фильтр, разделяющий звуковой сигнал на три полосы: НЧ (частота среза 100 Гц), СЧ (полоса 50 Гц…10 кГц) и ВЧ (частота среза 10 кГц). Действие установки основано на постоянной смене вида частотного спектра в музыкальном сигнале. Низкие, «ударные» частоты могут появляться и пропадать. То же самое происходит с другими частотами сигнала, но картина меняется по-разному для разных участков спектра. Следовательно, если разделить спектр сигнала на полосы и подать их на управляющие электроды тиристоров VS1-VS3, они будут переключаться с разной интенсивностью. Фильтр ВЧ — это конденсатор С1, фильтр НЧ — катушка индуктивности L2. Фильтр СЧ представляет собой резонансную цепочку L1, С2, «вырезающую» из сигнала среднечастотную часть. Резисторы R1-R3 предназначены для настройки интенсивности свечения ламп EL1-EL3, управляемых тринисторами VS1-VS3. Чтобы не допустить попадания отрицательных полуволн сетевого напряжения на тринисторы, в конструкции имеется диодный мост VD1-VD4. Трансформатор Т1, установленный на входе, осуществляет гальваническую развязку источника сигнала от схемы, элементы которой находятся под сетевым напряжением.
Рис. 15.36. Простая светомузыкальная приставка
Смонтировать приставку можно методом навесного монтажа или на отрезке макетной платы, поместив ее в подходящий корпус. Резисторы R1—R3 подойдут любые, но лучше использовать движковый вариант. Катушки L1 и L2 наматываются на ферритовых кольцах диаметром 6—10 мм из материала 600НН или 2000НМ. Катушка L1 набирается из трех колец и содержит 200 витков провода ПЭТВ-0,1, а катушка L2 — из двух колец. Она содержит 150 витков того же провода. Конденсаторы — любые неполярные, например К10-17а. Тиристоры необходимо выбрать из серии КУ202 с величиной допустимого обратного напряжения не ниже 400 В, например КУ202Н. Диоды подойдут типа КД203, Д242. Все силовые элементы нужно установить на радиаторы, позаботившись об исключении возможности прикосновения к ним в процессе эксплуатации.
Очень важный элемент конструкции — трансформатор Т1. От его выбора зависит работоспособность ЦМУ. Рекомендуется использовать согласующий трансформатор от абонентского громкоговорителя («радио»), включив его первичную обмотку, имеющую большое количество витков, к левым (по схеме) выводам резисторов R2-R4, а на вторичную обмотку подав сигнал с источника. Таким образом, трансформатор будет работать в режиме повышения напряжения. Резистор R1 ограничивает ток через трансформатор и одновременно защищает источник звукового сигнала от повреждения.
Если найти готовый трансформатор не удастся, возможно изготовить его из подручных средств. Для этого нужно разыскать Ш-образный сердечник из электротехнического железа с площадью сечения не менее 3 кв. см, например, Ш14x20, Ш16x24. Каркас можно склеить из картона или вырезать из стеклотекстолита. Вторичная обмотка мотается в первую очередь. Она должна содержать 2000 витков провода ПЭВ, ПЭЛ, ПЭТВ диаметром 0,1 мм. Каждый слой вторичной обмотки нужно отделять прокладкой из двух-трех слоев бумаги, тонкой лакоткани или фторопластовой ленты. Первичная обмотка (она укладывается во вторую очередь) содержит 300 витков провода той же марки диаметром 0,2 мм. Первичная обмотка отделяется от вторичной прокладкой.
Какой источник сигнала можно использовать с этой простой ЦМУ?Далеко не всякий. Поскольку схема представляет собой пассивный вариант, ее подключение к линейному выходу со стандартным значением сигнала 250 мВ ничего не даст и, более того, может оказаться опасным для источника сигнала по причине малого входного сопротивления у трансформатора Т1. Лучше всего подключаться к выходу низкоомных головных телефонов, предназначенному для работы с нагрузкой порядка 8 Ом (если такой выход есть). Если же выхода на головные телефоны нет, можно использовать усилитель мощности, построенный, например, на микросхеме К174УН14 (эта схема в первой книге есть). У Еще один вариант схемы светомузыки показан на рис. 15.37. В ней для управлением лампами применены симисторы. Это позволило отказаться от применения выпрямительного диодного моста и немного упростить схему.
Схемы не нуждаются в настройке. Варьируя громкостью на выходе источника сигнала, а также управляя сопротивлением резисторов R1—R3, возможно добиться наиболее оптимального света, излучаемого прожекторами.
Рис. 15.37. Светомузыкальная приставка на симисторах
Литература
1. Заряжаемые гальванические элементы. — М.: Радио, 1999, № 7.
2. Поляков В. Физика аэроионизации. — М.: Радио, 2002, № 3, с. 36.
3. Чижевский А. Л. Аэроионификация в народном хозяйстве. — М.: Госпланиздат, 1960 (2-е изд. — Стройиздат, 1989).
4. Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 2. — М.: СОЛОН-Р, 2001.