Temat jest powiązany z:
edu elektroda.pl #04 wzmacniacze operacyjne - stabilizacja prądu LED
FAQ LED migająca w rytm muzyki
Jak widać wiele miejsca poświęcono na miganie LED w rytm muzyki i dlaczego zakładać nowy, pokrewny temat? Przyczynkiem do tego jest zaprojektowany układ, chiński kit, który do tego celu potrzebuje najmniej części. Zaprezentowane schematy w wątkach pokrewnych są bardziej zaawansowane, złożone i mogą mieć inne możliwości, natomiast ewenementem tego kitu jest jego minimalistyczny projekt, przy jednakowej skuteczności. Nie chciałbym tu używać sformułowań jak "piękno zaprojektowania”, ale projekt jest naprawdę dobrze wykonany, pomimo podejrzeń o upalanie LED czy tranzystora wyjściowego. Widać że jest to przemyślana konstrukcja, pomimo tego że jest prosta, natomiast ta prostota jest efektem dobrej znajomości elektroniki.
Do pulsowania LED w rytm muzyki autorowi wystarczyły:
3 rezystory
2 tranzystory NPN
2 kondensatory
Mikrofon
Diody LED
PCB jest wielkości 34x25 mm (jednostronne).
Schemat:
Podejrzenie o nadmiernym prądzie mogącym uszkadzać diody lub tranzystor Q2 (NPN 9014) postanowiłem sprawdzić mierząc pobór prądu całego układu w stanie spoczynku i podczas największego obciążenia:
- w spoczynku układ pobierał mniej niż 1 mA [miliamper]
- w największym możliwym hałasie jaki byłem w stanie wytworzyć 91 mA [miliamper], przy czym jest to nierealne, ponieważ nawet bezpośrednio pocierając i pukając w sam mikrofon natężenie nie przekraczało 80 miliamperów.
Producent przewidział możliwość zasilania 3 do 5 V, ja mierzyłem pobór przy 5 V, aby zmierzyć "worst case”.
Mając dwie wartości - napięcia zasilania oraz natężenia prądu – korzystając z najprostszych wzorów można obliczyć impedancję obwodu, oraz moc wydzielaną.
Obliczenie impedancji z prawa Ohma:
R = U/I = 5V / 0.091A = 55Ω
Skoro już wysililiśmy się na obliczenie impedancji, to można obliczyć moc obwodu:
P[W]= I*I [A*A]*R[Ω]=0.091[A]*0.091[A]*55[Ω]= 0.45545 [W]≈0.45[W]
W zasadzie nawet nie trzeba było się wysilać z obliczeniem impedancji, ponieważ mając wartość pobieranego prądu i napięcia zasilania można obliczyć zużycie mocy korzystając z wzoru:
P[W]=U[V]*I[A]=5[V]*0.091[A]=0.45545 [W]≈0.45[W]
Wiedząc że w spoczynku pobór prądu przez układ był znikomy, widać na schemacie, że najbardziej obciążonym elementem jest tranzystor Q2 9014.
W każdym razie mamy dwa ważne wyniki, aby próbować zweryfikować obciążenie obwodu:
1. Moc 0.45 W
2. Prąd maksymalny 0.091 A
Mając kartę produktu od 9014C (sprawdzałem, są zamontowane wersje "C”) można poszukać 3 parametrów tego tranzystora:
1. Maksymalny prąd jaki można przez niego "przepuścić” = 0.1 A
2. Moc rozpraszaną 0.45 W
3. Można zerknąć na HFE, chociaż to tylko dla szacunku, ponieważ rozrzut jest zbyt duży (200-600).
Maksymalnego prądu tranzystora nie przekraczamy, tak naprawdę nie przekracza on 80 mA, moc rozpraszana choć jest niby na styk, to musimy wiedzieć, że ta moc jest nie przez cały czas, tylko w największej szpilce piku na wykresie fali głosu. Chodzi mi o to, że nie jest to ciągłe obciążenie, jak widać na oscylogramie zdjętym z kolektora tranzystora wyjściowego Q2.
Przy okazji można zobaczyć jak wygląda poziom sygnału z mikrofonu.
Układ jest bardzo prosty i można go zasymulować, poniżej link do symulacji.
https://everycircuit.com/circuit/4631294967021568/minimal-led-blink
Screenshoot symulacji:
Widać, że sygnał z mikrofonu oscyluje w okolicach masy ± 25 mV. Po odcięciu składowej stałej za kondensatorem 1µF oscylacja nadal jest 50 mVpp, lecz przeniosła się na poziom 0.75 V dzięki spolaryzowaniu bazy rezystorem 1 MΩ i steruje bazą tranzystora. Na kolektorze Q1 i bazie Q2 sygnał oscyluje od 0 do ponad 1 V na przemian otwierając i zatykając tranzystor wyjściowy Q2, który ma spolaryzowaną bazę przez dość duży rezystor 10 K, dzięki czemu Q2 nie wejdzie w stan głębokiej saturacji. Stosując właśnie takie większe rezystory, można zminimalizować liczbę elementów i nie trzeba stosować rezystora ograniczającego prąd kolektor-emiter, ot i taka sztuczka.
Mniej lub bardziej, ale raczej bardziej należy zakładać że prądy przepływające przez D1 do D5 są proporcjonalnie podzielone na 5 równych prądów, dzięki czemu nie przekraczamy prądu, który mógłby uszkodzić LED’y. 90 mA (w piku) podzielone na 5 diod nie przekracza nawet 20 mA. Tym sposobem doszliśmy do tego, iż wiemy że o najbardziej obciążone elementy układu, tranzystor wyjściowy Q2 i diody LED możemy być spokojni, chociaż trzeba przyznać, że trzeba się było nad tym trochę zastanowić.
Jakiekolwiek niedokładności i zniekształcenia ma ten układ, musimy wiedzieć że nie przenosi on głosu do odsłuchiwania, tylko używa sygnału głosowego do pulsowania diodami LED, do czego układ jest w zupełności wystarczający.
Ponieważ układ jest bardzo prosty w budowie, a przy tym jest dość nietypowy, wykonanie go na PCB nie stanowi żadnej trudności:
Film pokazujący działanie układu.
W załączniku pliki gerber, jeżeli ktoś chciałby zamówić PCB omawianego układu.
Fajne? Ranking DIY
