Лампа с сенсорным выключателем и питанием от сети для детской комнаты
Небольшая лампа над кроватью или рядом с ней, выключатель которой всегда освещен, помогает ребенку чувствовать себя в безопасности. В зависимости от исполнения и источника напряжения она может быть пригодна и для чтения. Питание лампы можно обеспечить с помощью несколько более нагруженного звонкового трансформатора (6В/1А) или другого надежно закрытого трансформатора. Устройство управления лампой содержит две пары сенсорных электродов, выполненных по указаниям раздела 4.1.1.
В рассмотренном образце эти электроды были сделаны следующим образом: четыре куска проволоки, параллельно друг другу и попарно уложенные на пластину полистирола, были нагреты и утоплены в эту пластину. Расстояние между кусками проволоки в каждой паре равнялось 2 мм. Выключающие электроды расположили под лампой. Электроды же, предусмотренные для включения, должны быть всегда хорошо видны в темноте, поэтому над ними закрепили светодиод, выключающийся только на время горения лампы.
«Сердцем» электронной схемы, представленной на рис. 5.3, является бистабильный мультивибратор (триггер). Он собирается на двух логических элементах микросхемы D110, которые имеют перекрестную связь. Благодаря этому выход, имеющий потенциал логического уровня L и связанный со входом другого элемента, поддерживает на выходе последнего логический уровень Н. Это состояние сохраняется до тех пор, пока потенциал другого входа также имеет уровень Н. Оба несвязанных друг с другом входа соединены с коллекторами двух малогабаритных транзисторов в пластмассовых корпусах (желательны SS216), но при малых переключающих токах возможно использование и пленарных транзисторов, SC206, SF215 и т. п. Несмотря на неопределенное исходное состояние при включении устройства, каждый из этих транзисторов на входе логического элемента, даже имеющем логический уровень Н, обеспечивает уровень L, если ток его базы достаточен. Коллекторный ток, текущий при этом через транзистор от входа логического элемента, не превышает 1,6 мА.
При усилении по току, например 200, ток базы может быть, следовательно, менее 10 мкА.
Токи обоих транзисторов текут через кожу пальца при касании им сенсорного выключателя, при этом палец играет роль перемычки между плюсом питания и базой (через защитный резистор). Целесообразно обеспечить определенный «запас», т. е. рассчитывать на малое сопротивление кожи пальца, чтобы получить напряжение на коллекторе менее 0,4 В, соответствующее логическому уровню L. Устройство должно работать при соответствующем усилении тока транзистора и сопротивлении кожи больше 100 кОм (авторский образец начинал работы при сопротивлении около 300 кОм), хотя вряд ли у ребенка могут быть очень сухие руки. Для повышения надежности работы триггера введен третий логический элемент, осуществляющий его развязку от транзисторного переключателя. В качестве переключающего транзистора, управляемого кремниевым n-р-n транзистором, выбран транзистор, предназначенный для любительских схем — серии GD (германиевый, р-n-р), коллекторный ток которого достигает 3 А. Следовательно, ток лампы не должен превышать 0,5 А, но даже при использовании лампы на 6 В/5 Вт пик тока при включении можно выдержать ниже критического значения за счет выбора соответствующего балластного резистора. В образце устройства была установлена именно такая лампа, которой вполне достаточно для этой цели. Если нужна лампа большей мощности, на ее место в схеме необходимо установить реле с сопротивлением обмотки не менее 100 Ом, через контакты которого и будет включаться более мощная лампа.
Рис. 5.4. Блок питания, собираемый на базе звонкового трансформатора на ток 1 А для лампы с сенсорным управлением
Применение ТТЛ-микросхемы требует стабилизации напряжения питания (но, конечно, не цепи питания лампы). Эффективность стабилизации полностью проявляется только «в темноте», когда напряжение зарядки конденсатора в цепи питания возрастает намного выше 6 В. Когда лампа горит, течет практически только ток цепи переключения (если только «излом» характеристики стабилитрона достаточно крут), и благодаря балластному резистору напряжение питания падает фактически ниже 5 В.
В данном случае небольшое снижение напряжения ниже минимально допускаемого для ТТЛ-микросхемы уровня (4,75 В) еще не нарушает ее работы. Однако с помощью измерений при включенной и выключенной лампе целесообразно проверить, необходима корректировка схемы или нет.
В устройстве по схеме на рис. 5.3 транзистор V4 — р-n-р германиевый, аналогичный П215. Возможно применение П214В, П213Б. Остальные транзисторы КТ312Б или КТ201Г. Светодиод АЛ307А, стабилитрон КС147А диод КД105Б или Д220, микросхема — К155ЛА4.
Следует дать несколько рекомендаций (которые, правда, требуют наличия как минимум вольтметра постоянного тока). Прежде всего необходимо собрать блок питания от сети (рис. 5.4).
В устройстве по схеме на рис. 5.4 диоды Д242 или КД205 с любыми последующими буквенными индексами.
Первичная обмотка звонкового трансформатора может подключаться к сети с помощью шнура, а к вторичной подключаются выпрямительный мост и зарядный конденсатор. Этот блок не обязательно собирать на печатной плате, но при желании можно использовать и ее. После включения блока питания в цепь замеряют напряжение на конденсаторе, которое должно быть выше 6 В, например 11 В. Затем подключают лампу, которая будет использоваться с этим устройством. Теперь напряжение должно упасть, например до 6,5 В. Хотя лампа и рассчитана на номинальное напряжение 6 В, однако на переключающем транзисторе напряжение остается равным примерно 0,2...0,3 В. Но если напряжение на лампе значительно превышает 6,5 В, то необходим балластный резистор.
К собранной схеме подключают лампу и источник напряжения. Затем замеряют напряжение на стабилитроне при двух рабочих режимах (при горящей и выключенной, лампе). При «затрудненном» включении палец можно слегка увлажнить. Если напряжение на стабилитроне при зажженной лампе (т. е. при надежно запертом стабилитроне) составляет менее 4,5 В, то по разнице напряжения питания и напряжения пробоя, деленной на сопротивление резистора Rv (150 Ом), рассчитывают фактически требуемый ток (здесь могут быть различия от образца к образцу).
Сопротивление балластного резистора Rv будет равно:
RV=(Uп — 4,5 В)/ IS
где Un — напряжение питания, В, замеряют при зажженной лампе; Is — ток схемы переключения, мА; Rv получают в кОм.
После установки балластного резистора производится окончательный контроль напряжений. Стабилитрон не перегружен, если через него при выключенной лампе, т. е. при самом большом входном напряжении, течет ток не более 40 мА, причем при увеличении напряжения питания (при выключенной лампе) необходимо и увеличение сопротивления резистора Rv .
5.3. ЛАМПА, ВКЛЮЧАЕМАЯ И ВЫКЛЮЧАЕМАЯ
ЛУЧОМ СВЕТА
На рис. 5.5 приведена схема электронного переключателя, собранного на дискретных элементах, аналогичная схеме такого же устройства, но на микросхеме SUS-1. Благодаря малому потреблению тока в состоянии покоя (всего около 100 мкА при напряжении 4 В) это устройство уступает только схемам, собранным на КМОП-микросхемах, и по сравнению с ними имеет еще то преимущество (на момент написания этой книги), что может быть собрано из легко доступных элементов.
