Каталог радиолюбительских схем. СДУ в сетевом удлинителе

В технике связи широко применяется микросхема, имеющая маркировку “567”. В зависимости от фирмы-производителя префикс в названии может быть любым, а вот цифры 567 обозначают, что это тональный декодер или частотный детектор. Кому как нравится. По удачной внутренней структуре и распространённости микросхему вполне можно сравнить с популярным 555-тым таймером. Выполнена в корпусе DIP8, а цена колеблется от 0,25$ до 0,5$. Структура и основные характеристики, заимствованные из даташитов и другой литературы, приведены на РИСУНКЕ 1:

Самая дешевая и простая система ФАПЧ с ключевым устройством на выходе, срабатывающем при захвате петлей ФАПЧ входного сигнала (рис. 1.1).

Микросхемы 567 систему ФАПЧ используют для обнаружения сигнала заданной частоты на входе и включают в себя усилитель А, управляемый напряжением RC-генератор (ГУН) с внешними частотозадаюцими элементами, Фазовый компаратор (ФК), фильтр нижних частот (ФНЧ), транзисторный ключ управления (КУ).

При подаче Uпит начинает работать RC-генератор на частоте свободных колебании fопорн, которая определяется внешними R(R1) и С(C1), подключенными к выводам 5 и 6. На выходе КУ (выв.8) при этом присутствует напряжение, близкое к Uпит (ключ закрыт). При появлении на входе (выв.3) НЧ-колебания, лежащего в полосе захвата декодера, в ФК вырабатывается сигнал ошибки, заставляющий ГУН следить за частотой входного напряжения (режим захвата). Одновременно КУ открывается и с вывода 8 снимается низкий уровень.

Uпит.мин/макс=4,5В/9В, Iпотребл.статич/динамич=6мА/12мА.

~Uвх.норм=20-200mB,Rвх.мин=20кOm, Fвх.мин/макс= 0,01Гц/500кГц, подстройка полосы до 14% от - Fопорн.

Центральная частота fопорн.≈1/R1C1 (1,1/R1C1; 1/1,1R1C1 в разной литературе),

Детектируемая (зависимость от С2) полоса частот: BD=1070√(Vin/f0C2) в % от fопорн., где Vin [В(ср.кв.зн.)], С2 [мкФ]

OUTPUT FILTER-C3 (Выв1): T3=R3C3, где R3=4,7 к0м-внутренний импеданс вывода 1. Точность номинала С3 не критична и, как правило, выбирается (рекоммендуется): С3>2С2, либо С3=2С2 или: С3=260/f0 [Ф].

LOOP FILTER - C2 (Выв2): T2=R2C2, где R2=10 кОм - внутреннии импеданс вывода 2. Можно выбрать С2=130/f0 [Ф].

Если имеется в наличии R1=8,3 кОм; для удобства расчета возьмем R1=8 кОм

fопорн=1,1/(8000*C1). Преобразуем: C1=1,1/(8000*fопорн.), подставляем необходимую частоту вместо fопорн. и находим С1. Например, для 100Гц:

C1=1,1/(8000*100)=0,0000014F= 1,4 мкФ. Приведем полученное значение емкости к стандартному ряду: 1,5 мкФ. Ошибка будет скорректирована подстройкой или регулировкой, если резистор переменный)резистора R1.

Чем не готовые фильтры с довольно мощным (Iмакс.=100мА) ключом на выходе и регулируемой полосой пропускания? Когда понадобилось сделать световое сопровождение музыки для домашней вечеринки, выбор пал именно на эту микросхему.

Устройство должно было получиться компактным и, чтобы не тратить время на изготовление корпуса, схему решено было разместить в сетевом (~220В) удлинителе. В результате родилась непритязательная принципиальная схемка цветомузыкального устройства (ЦМУ), показанная на РИСУНКЕ 2.

Источник питания выполнен по бестрансформаторной схеме с балластным конденсатором С16. Напряжение формируется однополупериодным выпрямителем-стабилизатором на диоде VD4 и стабилитроне VD5. Конденсатор С15 сглаживает пульсации. Операционный усилитель DA1 усиливает сигнал электретного микрофона BM1, получая питание через фильтр R8-C1. Делитель напряжения R2-R3 формирует среднюю точку питания на выводе 3DA1, а конденсатор C3 дополнительно устраняет пульсации (или наводки) напряжения. Рабочий ток микрофона BM1 задаёт резистор R1.

Усиленный сигнал, амплитуда которого определяется резистором R4, с выхода 6DA1 через разделительный конденсатор C4 поступает на входы тональных декодеров DA2-DA4, в данном случае выполняющих функцию частотных фильтров. Входной импеданс при объединении входов снижается до ~7 кОм, что вполне достаточно для нормальной работы DA1. Внешними резистором и конденсатором, подключенными к выводам 5 и 6 декодеров DA2-DA4, задаётся центральная (или опорная) частота внутреннего генератора.

Конденсатор, подключенный к выводу 1, формирует ширину полосы пропускания декодера, а конденсатор на выводе 2 определяет постоянную времени декодирования входного сигнала. И, если в схемах ЦМУ с классическими фильтрами идут на разные “хитрости”, чтобы сузить полосу пропускания, т.е. получить чёткое разделение каналов, то здесь, наоборот, пришлось расширять. Поэтому, ёмкости С5, С7 и С9 выбраны небольшими. Практически подобрано соотношение для оптимальной работы ЦМУ: ёмкость этих конденсаторов должна быть 6-10 раз больше ёмкости конденсаторов, работающих в опорном генераторе для СЧ и ВЧ каналов, и в 1,5-3 раза больше для НЧ канала. Ёмкости конденсаторов С6, С8 и С10 выбираются исходя из рекомендаций в техническом описании микросхем. Недостаточная ёмкость этих конденсаторов задаёт малое время декодирования и на лампах это проявляется как мерцание, вместо включения полным накалом, т.е. декодер находится в режиме “биений”. Превышение номинальной ёмкости ведёт к увеличению времени декодирования, а на лампах это проявляется как включение полным накалом в том случае, если сигнал заданной частоты на входе декодера имеет относительно большую длительность. Выходы декодеров подключены непосредственно к управляющим электродам (УЭ) симисторов VS2-VS4 через резисторы R11-R13, ограничивающие ток на уровне Iуэ = Uпит/Rуэ = 5,6/360 = 16мА. Симистором VS1 в канале фона управляет полевой транзистор с изолированным затвором VT1. Работа фонового канала организована схемой “диодное ИЛИ” следующим образом: когда закрыты выходные ключи в декодерах частотных каналов, развязывающие диоды VD1-VD3 также закрыты, а точнее их катоды находятся в “подвешенном” состоянии. Конденсатор С14 заряжен до напряжения питания через R9, транзистор VT1 открыт и УЭ симистора VS1 через R10 подключен к общему проводу схемы. Следовательно, VS1 открыт и лампа EL1 горит. При открытии выходного ключа хотя бы в одном декодере, конденсатор С14 разряжается через этот ключ и подключенный к нему диод. Транзистор VT1 закрывается, что приводит к закрытию симистора VS1 и лампа EL1 гаснет. За время следования импульсов с низким уровнем на выходах декодеров, через большое сопротивление R9 конденсатор не успевает зарядиться до напряжения насыщения VT1, поэтому лампа EL1 не будет гореть. Отмечу, что теоретически можно получить большое число независимых частотных каналов по принципу “один музыкальный инструмент (один тембр голоса, одна частота ноты) – одна микросхема декодера”, если рассчитать fопорн. и задать минимально возможную полосу пропускания. Конструкция ЦМУ показана на ФОТО 1:

Логическим продолжением схемы ЦМУ стала задумка схемы светодинамического устройства (СДУ), когда знакомые отдали мне блочёк управления (FLASHER CONTROL UNIT) от двухканальной китайской новогодней гирлянды. Блочёк за ненадобностью был отрезан, а сама гирлянда благополучно перекочевала на потолок спальни в виде декоративного освещения, управляемого диммером. Внешний вид блочка и его плата показаны соответственно на ФОТО 2 и ФОТО 3:

Прежде чем приступить к разработке схемы СДУ, надо было разобраться с этим “китайским хозяйством”, для этого по печатным дорожкам зарисовал соединения между деталями (см. РИСУНОК 3.1),

а затем по ним была составлена принципиальная схема (см. РИСУНОК 3.2):

Указанные напряжения в схемах на РИСУНКЕ 3 измерялись цифровым мультиметром Sinometer VC97. Минимальное показание соответствует максимальной яркости подключенных к тринисторам ламп (~220В, 10Вт каждая), а максимальное - наоборот. Подключать осциллограф к схеме без гальванической развязки от сети ~220В не хотелось, поэтому для пробы схема была запитана через трансформатор (см. РИСУНОК 3.3, а),

имеющий вывод от средней точки вторичной обмотки и с общим выходным напряжением ~15 вольт. Лампы на 220В были заменены 12-ти вольтовыми миниатюрными лампочками. Схема прекрасно работала без вмешательства для замены установленных на ней элементов. Вариант такого теста показан на ФОТО 4:

Далее напряжение питания было уменьшено до ~7,5 вольт, как показано на РИСУНКЕ 3.3, б. И в этом случае схема нормально работала. Вариант теста показан на ФОТО 5:

Таким образом, схема контроллера бегущих огней оказалась работоспособной в интервале питающих напряжений от ~7,5В до ~220В! Осциллограммы показали, что на выводах DD1 с 5-го по 8-й присутствуют последовательности импульсов с амплитудой напряжения питания и с изменяемой скважностью. А вот на выводах 3 и 4 осциллограф показал обрыв. Теперь осталось подключить к неиспользуемым выводам 5 и 7 какие-нибудь усилители мощности и посмотреть создаваемые эффекты на четырёх лампочках. Подобных тринисторов не было, зато были “телефонные” токовые ключи типа КР1014КТ1А. Полученный четырёхканальный вариант схемы показан на РИСУНКЕ 3.4,

Когда появилась идея соорудить некий симбиоз из цветомузыки (ЦМУ) и бегущих огней (БО), возник вопрос, как эти режимы должны переключаться. Желательно, чтобы автоматически (закинул розетку-корпус на шкаф или мебельную стенку и забыл), тогда управление должно формироваться по наличию или отсутствию звуковых сигналов. Очевидно, что при наличии музыки должен быть режим ЦМУ, а при отсутствии - режим БО. Следовательно, режим БО заменит собой канал фона, тогда имеет смысл добавить в схему ЦМУ ещё один частотный канал. Исходя из этого, разработана принципиальная схема СДУ, показанная на РИСУНКЕ 4:

Основные моменты работы были рассмотрены выше, остановлюсь на некоторых нюансах. В источнике питания, чтобы обеспечить необходимый номинальный ток, ёмкость балластного конденсатора С10 увеличена в два раза и добавлена микросхема стабилизатора DA6 типа 78L05. В усилителе теперь работает микромощный операционный усилитель DA1 типа КР140УД1208, ток потребления которого задан резистором R6, а коэффициент усиления - резистором R5. С выхода 6DA1 усиленный сигнал через C4 и R7 поступает на фриттер, образованный встречно-параллельным включением германиевых диодов VD1 и VD2. Так осуществляется ограничение сигнала на уровне ~300…~400 мВ от пика до пика, что положительно сказывается на работе декодеров DA2–DA5. Одновременно через разделительный конденсатор C5 выходное напряжение поступает на активный детектор RP1, R8, VT1, R10 и C6. Подстроечный RP1 задаёт рабочую точку VT1, т.е. устанавливает шумовой порог, превышение которого звуком приводит к переключению между режимами ЦМУ и БО. При достижении Uвых. DA1 заданного уровня транзистор VT1 открывается и конденсатор С6 заряжается. Когда на нём напряжение превысит 1,5 вольта, откроется транзистор VT6 и сработает реле К1. Своими контактами К1.1 оно зашунтирует вывод 10DD1, а контактами К1.2 подаст питание на частотные фильтры DA2–DA5. Включится режим ЦМУ, а работа DD1 будет заторможена, при этом транзисторы VT2–VT5 закроются. Работа DD1 именно затормозится, а не выключится, т.к. при следующем размыкании контактов К1.1 будет продолжена текущая программа с места остановки, а не начнётся первая как при включении. Таким образом, с помощью контактов К1.2, отключающих питание частотных каналов на время работы режима БО, удалось повысить экономичность устройства и использовать конденсатор С10 относительно небольшой ёмкости. Светодиоды HL1–HL4 для красоты и вместе с резисторами R11-R14 могут не устанавливаться.

По контрольным точкам: замеренный ток 0,13мА через резисторы R1 и R2 потребляет данный экземпляр микрофона BM1, взятый из трубки телефонного аппарата. Ток, потребляемый другим типом микрофона, может отличаться от указанного на схеме. Напряжение +10В на стоках VT2–VT5 замерено при закрытых транзисторах и разомкнутых контактах К1.2 (при закрытых VS1–VS4). Токи УЭ симисторов замерены при максимальной яркости ламп EL1–EL4 в режиме БО. Различия объясняются разбросом номиналов резисторов R15–R18 и, возможно, внутренним сопротивлением переходов симисторов. При этом падение напряжения на этих резисторах составляет: Iуэ помноженный на R в цепи УЭ, т.е. порядка 7,5…7,8 вольт. Тогда мощность, рассеиваемая резисторами R15 – R18 составит не менее 0,11Вт, поэтому применены резисторы МЛТ-0,25. Напряжение +10В в точке Б сильно зависит от резисторов R15–R18. Так с указанными номиналами в режиме БО и включенными EL1–EL4 оно равнялось 9,8 вольтам, при проверке с номиналами 460 Ом, напряжение снижалось до 8,48 вольт. Замеренный ток в точке Б в режиме БО при выключенных EL1–EL4 равен 3,9мА, а при включенных - 3,65мА. В режиме ЦМУ при закрытых выходных ключах декодеров DA2–DA5 этот ток равен 27,9мА, а при максимальной громкости звука в помещении достигал 40…45мА. Ток 23,68мА в цепи питания DA2–DA5 измерен в статическом режиме и практически соответствует паспортному с учётом четырёх корпусов микросхем. Переменный ток в точке А (общий ток, потребляемый схемой управления от сети ~220В) составил ~138…~140мА.

Далее на РИСУНКЕ 5 представлены вариации на тему доработок.

На РИСУНКЕ 5.1 показан вариант введения в схему микрофонного усилителя глубокой АРУ взамен фриттера.

Резистор R2 и канал сток-исток транзистора VT1 образуют управляемый делитель напряжения, амплитуда которого задаётся подстроечным RP1 на уровне ~200мВ…~300мВ. В схеме показано подключение отечественного электретного микрофона типа МКЭ-3 (устанавливался в советских кассетных магнитофонах), частотный диапазон которого достаточно широк: от 50Гц до 15000Гц в отличие от микрофонов, применяемых в телефонных аппаратах. В схеме СДУ на РИСУНКЕ 4 симисторы VS1–VS4 открываются тем сильнее, чем сильнее сигнал на входе декодеров. Возможность работы симисторов в дискретном режиме (яркость ламп не зависит от уровня входного сигнала и всегда максимальна при открытом симисторе) реализована на РИСУНКЕ 5.2.

К выходам декодеров подключены интегрирующие цепочки из резисторов сопротивлением 1М и конденсаторов ёмкостью 100nF, а также добавлены логические элементы, формирующие порог переключения, при этом, вероятно, придётся подкорректировать номиналы конденсаторов, подключенных к выводам 1 и 2 декодеров DA2-DA5. В качестве пороговых могут работать логические элементы в составе любой КМОП-микросхемы, например, К561ЛЕ5, К561ЛА7, К561ТЛ1 и т.п. Если применить К561ЛН2, как на рисунке, то на оставшихся двух элементах “НЕ” можно реализовать генератор импульсов большой длительности, обеспечивающий автоматическую смену световых эффектов посредством транзисторного ключа по входу MODE (выв. 2DD1). На РИСУНКЕ 5.3 показан вариант замещения реле К1.

Контакты К1.2 заменены ключом на транзисторе КТ361Б, а контакты К1.1 – транзистором КП501А. На РИСУНКЕ 5.4.а показан дедовский способ увеличения числа каналов СДУ путём введения дополнительного канала в каждый основой канал.

На РИСУНКЕ 5.4.б показан вариант использования двух корпусов, если не найдётся сетевой удлинитель с нужным числом розеток. В этом случае корпус удлинителя для дополнительных каналов соединяется с корпусом удлинителя со схемой управления пятижильным кабелем.