Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника

Текст добавлен: 12 апреля 2017, 14:00

Текст книги "Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника"

Автор книги: Дмитрий Мамичев

Жанры:

Прочая компьютерная литература

Радиоэлектроника

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 7 страниц)

Назад к карточке книги

Глава 7
СХЕМОТЕХНИКА ИГРУШЕК

В главе даны описания работы различных вариантов принципиальных схем виброходов и электронных кубиков.

Вступление

Не секрет, что схемотехника изделий определяется в первую очередь их функциональными назначениями и возможностями. С другой стороны «анализ внешнего вида схемы» многое скажет о самом изделии. В шутку часто можно услышать, что схемотехника – это наука о кружочках, квадратиках и соединяющих их линиях, а также о непонятных символах – словах, «написанных не по-русски». Отчасти это, правда, ибо «голая схема» без подробного описания её работы вряд ли сможет помочь любителю изготовить рабочую поделку.

В моём представлении «успешная схемотехника» позволяет конструктору-самоучке решать следующие задачи:

1. Построение схемы, какого либо устройства на базе отдельных элементов, базовых схем, программ.

2. Анализ работы того или иного изделия на основе работы его схемы, с целью его преобразования или модернизации.

3. Получение новых знаний для практических занятий.

Говоря языком определений, схемотехника – это научно-техническое направление, охватывающее проблемы проектирования и исследования схем электронных устройств радиотехники и связи, вычислительной техники, систем автоматики, а так же иных областей техники. Основная задача схемотехники – определение структуры электронных схем, выполняющих определённые функции, расчёт параметров и указание типономиналов входящих в них элементов.

Термин схемотехника появился в 60-х гг. прошлого века в связи с разработкой унифицированных схем, имеющих одновременно несколько применений.

Теоретической основой схемотехники можно считать теорию линейных и нелинейных электрических цепей, электродинамику, математическое программирование, теорию автоматов.

Схемотехника обычно рассматривает все реальные электронные компоненты как некие черные ящики с идеальными однотипными свойствами, не зависящими от экземпляра. При этом для неё совершенно не важно, как устроены электронные компоненты «внутри», какие физические принципы положены в основу их работы. Вот почему схемотехника является лишь этапом воплощения реальной конструкции в жизнь.

Несколько схем виброходов

В этом пункте рассказ пойдёт о разных «поведенческих моделях» виброходов, определяемых схемой изделия. Первый вариант схемы представлен на рис. 1, а внешний вид готового изделия на рис. 1А.

Это жучок-колпачок. Его особенность такова, что в темноте он неподвижен (светятся глаза-светодиоды HL1, HL2), а на свету приходит в движение. Конструкция выполнена так, что управляющий фототранзистор VT1 отслеживает цвет подстилающей поверхности. Такое решение расширяет игровые возможности игрушки. Функционирует схема так.

Напряжение на электродигатель M1 – виброзвонок от сотового телефона, поступает через транзистор VT2, который в свою очередь, открывается и закрывается в зависимости от освещённости фототранзистора VT1. Сам фототранзистор установлен так, что реагирует на освещённость подстилающей поверхности. Когда «жук» находится под непрозрачным колпаком или на чёрном поле, сопротивление фототранзистора велико, транзистор VT2 закрыт и тока, протекающего через электромотор недостаточно для вращения ротора последнего. В этом случае через обмотку электромотора проходит только небольшой ток светодиодов HL1 и HL2. Поэтому «жук» неподвижен и его глаза светятся. При освещении фототранзистора через него начинает протекать ток, который открывает транзистор VT2. На электромотор поступает питающее напряжение, светодиоды гаснут, будучи зашунтированы открытым транзистором VT2. «Жук» станет перемещаться по белому полю до границы с чёрным, где и останавливается, поскольку ток через фототранзистор резко уменьшается. Конденсатор С1 обеспечивает плавные старт «жука» и остановку после пересечения границы между белым и чёрным полем.

Отличие ходовой части состоит в том, что виброход имеет один ряд ножек и два опорных уса (рис. 1А) – элементы 1 и 2 соответственно.

На подобной основе можно реализовать другой вариант изделия. Схема представлена на рисунке 2.

Этот виброход получил имя Жучок-сверчок. Он трещит, перебегает и мигает, в общем, три в одном. И происходит это всё с ним только в тёмное время суток.

Основой схемы является блокинг-генератор, реализованный на транзисторе VT3 и трансформаторе Т1. Резистор R1 ограничивает базовый ток. Такое схемное решение позволяет питать игрушку от одной «таблетки – элемента». Фототранзистор VT2 управляет работой блокинг-генератора. При хорошей внешней освещённости сопротивление перехода фототранзистора мало и транзистор VT3 закрыт – жук недвижим и тих. При попадании в плохо освещённое помещение или на улице вечером жук оживает. Сопротивление фототранзистора увеличивается, «разрешая» работу блокинг-генератора. Он имеет две нагрузки: с одной стороны это мигающий светодиод HL1, с другой конденсатор С1. Эти нагрузки взаимозависимы. Так, когда вспыхивает светодиод, вся энергия, накопленная в трансформаторе за «период колебаний в блокинге» расходуется на него. В паузах между вспышками светодиода происходит периодическая зарядка конденсатора С1, то есть энергия, накопленная в трансформаторе расходуется на его зарядку. При нарастании напряжения на конденсаторе до величины 9-11В происходит лавинообразное открывание транзистора VT1 и разряд конденсатора на телефон TL1. В капсуле раздастся щелчок. Так как ёмкость конденсатора относительно мала, частота щелчков будет таковой, что они сольются в единый звук, напоминающий стрекотание кузнечика.

При очередном вспыхивании светодиода стрекотание прекращается, ток идёт по цепочке VD2, HL1, база-эмиттер VT4. Транзистор открывается и через двигатель Ml идёт ток. Виброход приходит в импульсное движение. Диоды VD1, VD2 выпрямительные, конденсатор С2 накопительный и нужен для обеспечения нормальной работы светодиода (без него светодиод не будет вспыхивать). Сердечник трансформатора Т1 взят из «схемы» энергосберегающей лампы. Его обмотки содержат по 30 витков провода ПЭЛ-0,3. Звукоизлучатель изъят из материнской платы старого компьютера.

Элементы удобно монтировать на плате овальной формы с размерами в пределах 30 мм на 40 мм.

Ещё одна разновидность жуков представлена на схеме рис. 3.

Это жук-светоед. Он живёт на открытых солнечных подоконниках. И через определённые промежутки времени приходит в движение. Его отличие состоит в том, что он не имеет химического источника питания и использует в своей жизни энергию солнца.

Трансформатор Т1 и транзистор VT1 образуют блокинг-генератор. После замыкания ключа (выключатель SA1), в моменты времени когда транзистор закрыт, импульсы тока индуцированного суммарного напряжения обмоток трансформатора через развязывающий диод VD1 заряжают конденсатор С1. Резистор R1 ограничивает импульсы тока, управляющие работой транзистора. С течением времени напряжение на конденсаторе растёт. При его значении около 22 В происходит лавинообразное открывание транзисторов VT2, VT3. Через развязывающий диод VD2 заряжается конденсатор С4. Роторы последовательно включённых двигателей M1, М2 начинают вращаться. При снижении напряжения конденсатора С1 до 16 В транзисторы закрываются, однако открывается транзистор VT4. Происходит дальнейший разряд конденсатора С1 на обмотки двигателей. Для предохранения двигателей от перегорания (в зависимости от имеющихся экземпляров виброзвонков) последовательно в цепь с ними желательно включать ограничительный резистор номиналом 27–56 Ом. Далее цикл работы схемы повторяется. Конденсаторы С2, СЗ обеспечивают устойчивый «лавинный пробой» транзисторов.

Игровые электронные кубики в схемах

Электронная версия игрового кубика довольно часто встречается в радиолюбительской литературе и имеет много разнообразных схемных решений. Все грани реального кубика можно имитировать светодиодным индикатором, состоящим из семи светодиодов. Светодиоды объединяются в четыре сегмента – три парных и один одиночный светодиод. Переключаясь в различных сочетаниях они, имитируют выпавшую грань при остановке переключений. Рассмотрим наиболее «популярную схемотехнику» данного типа изделий.

Принципиальная схема варианта устройства изображена на рис. 4.

На элементах DD1.1– DD1.3 микросхемы DD1 по стандартной схеме собран генератор импульсов. Импульсы подаются на вход С2 (вывод 1) счетчика, выполненного на микросхеме DD2. Благодаря обратным связям на входы & и R (выводы 3 и 2) счетчик работает с коэффициентом пересчета 6. Диоды VD1—VD5, элемент DD1.4 и элементы микросхемы DD3 образуют преобразователь двоичного кода в «код граней кубика». Сигналы последнего подаются на светодиоды HL1—HL7, индицирующие выпавшее число. Для ограничения тока через светодиоды установлены резисторы R2—R8.

Работает устройство так: пока контакты кнопочного выключателя SB1 разомкнуты, генератор подает тактовые импульсы на счетчик и на индикаторе с большой частотой переключаются светодиоды, индицируя «грани кубика» последовательно от 1 до 6. Как только контакты SB1 замкнут, нажав на кнопку, генерация импульсов прекратится. На выходах микросхемы DD2 зафиксируется число в двоичном коде, а на индикаторе – соответствующее «выпавшее число». Таким образом, чтобы «запустить» кубик, надо включить его выключателем SA1, а чтобы остановить – нажать кнопку выключателя SB1.

Теперь скажем несколько слов о конструкции и деталях устройства: микросхемы DD1 и DD3 – К155ЛАЗ, К555ЛАЗ; DD2 – К155ИЕ5, К555ИЕ5; диоды VD1 – VD5 – КД522Б или серий КД102, КД103; резисторы R2—R8 любые, подходящие по размерам, номиналом от 120 до 470 Ом (от их сопротивления зависит яркость свечения диодов индикатора); конденсатор С1 должен быть керамическим, его допустимо заменить оксидным емкостью 1…2 мкФ. При отсутствии таких конденсаторов можно использовать два оксидных полярных (электролитических), включив их последовательно, «навстречу» друг другу.

Если емкость конденсатора С1 увеличить до 50—100 мкФ, а вместо постоянного резистора R1 поставить переменный, с большим сопротивлением, то частоту переключения индикатора можно будет изменять в широких пределах. Тогда, при малых значениях сопротивления резистора R1, выпавшее значение на индикаторе носит случайный характер (устройство выполняет функцию кубика). При больших значениях сопротивления резистора R1 частота переключений «граней кубика» уменьшается, что позволит визуально контролировать и фиксировать число на индикаторе (игры на реакцию).

Устройство можно существенно упростить, если сразу преобразовывать импульсы генератора в коды индикатора. Этого можно добиться, используя три D-триггера, например, входящих в микросхему К155ТМ8, соединив их в кольцевой счетчик. Схема модифицированного устройства показана на рис. 5.

Генератор импульсов собран на логических элементах микросхемы DD1. Прямоугольные импульсы с его выхода (вывод 8) подаются на счетный вход микросхемы DD2 (вывод 9). По фронту четвертого импульса, благодаря обратным связям через элемент DD1.4, происходит обнуление триггеров (в начале седьмого такта). В остальном работа устройства происходит так же, как и предыдущего.

Далее рассмотрим несколько вариантов схем на KMOП-микросхемах. Электронный кубик (рис. 6) собран на микросхеме CD4060BE (DD1). Она представляет собой двоичный счётчик с дешифратором и встроенными элементами для построения генератора импульсов. Светодиоды HL1-HL5 образуют индикатор. Частота следования переключающих импульсов определяется параметрами элементов С1 и R2. Для упрощения схемы и в целом конструкции вариант кубика реализован с использованием индикатора, в котором грань «6» заменена гранью «пусто – зеро».

Порядок расположения светодиодов на индикаторе и последовательность переключений граней поясняет рис. 7 (элемент 1).

Работает схема следующим образом. После включения питания (SA2), при разомкнутых контактах выключателя SA1 запускается генератор микросхемы и происходит «перебор граней кубика». Процесс преобразования двоичного кода на выходах счётчика DD1 (выводы 5, 4, 6) в «код» граней происходит так. При коде 000 ни один из светодиодов не горит это грань «пусто». При коде 001 (высокий уровень на выводе 5) загорается светодиод HL1 – грань «1», при коде 010 светят светодиоды HL4, HL5 это грань «2» и т. д. Когда на выходах счётчика установится код 110 (цифра 6) благодаря обратным связям через диоды VD1, VD2 на входе R счётчика установится высокий уровень. Произойдёт его обнуление и рабочий цикл повторится вновь.

При желании создания традиционного кубика (рис. 7 – элемент 3) схему можно доработать в соответствии с рисунком 8.

Если применять «восьмигранный кубик» то его можно реализовать по схеме рисунка 9.

Сделать его, правда, можно только в электронном виде.

Появление ярких светодиодов с током потребления в доли миллиампера при заметном свечении сделало возможным реализацию кубика в шесть граней согласно схеме рисунка 10.

Её основа микросхема К561ИЕ8. Это десятичный счётчик с дешифратором. При подаче тактовых импульсов, например, на вход СР происходит последовательное появление логической единицы на каждом выходе 0–9. Диодная матрица VD1-VD11 преобразует последовательный код в код граней кубика. При наличии единицы на выходе 3 ток через диод VD1 поступает на светодиод HL1. Например, при наличии высокого уровня на выводе 1 ток поступает через диод VD10 на светодиоды HL3, HL4, а через диод VD11 на светодиоды HL5, HL6. Непосредственно элементы HL7, HL8 питаются с выхода микросхемы. Мигающий светодиод HL1 создаёт импульсы, переключающие триггеры счётчика.

Заключение

Вот и всё, читатель, о чём я хотел тебе рассказать в рамках «игрушечной электроники» самоделок. Эта третья книга – последняя в данной тематике.

Транзисторная электроника и электроника логических схем неотвратимо уходит, уступая место микроконтроллерам. Вместо паяльника и фольгированного текстолита приходит «беспаечная макетка» и компьютер, готовая плата и написанные кем-то программы. Разнообразие простых самоделок заменяется обилием конструкторов и «настольных проектов» в стадии вечных макетов. Описания-рассказы трансформируются в доходчивые инструкции-приложения. Наверное, так и должно быть в стране, в которой радиоэлектронная промышленность – давно уже не промышленность, а увлечение или хобби многих людей, никак не связано с их профессиональной деятельностью. Мир преображается.

Читая эти строки, ты читатель, возможно, отметишь про себя, что эта книга старомодна и мало востребована. Отчасти ты прав. И, тем не менее, мне вдвойне приятно выразить слова благодарности издателю в лице Митина Владимира Александровича, взявшего на себя финансовые риски, решившись на издание данных книг. Сегодня радиолюбительство переживает не лучшие времена, поколения меняются, взгляды и интересы тоже. Однако разнообразие и альтернативность, простота и доступность всегда определяли направление вектора творческой самореализации человека.

Успехов и радости!

Автор