Der 31-jährige LED-Blinker für Modellleuchttürme usw. - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Modellleuchttürme üben eine große Faszination aus und viele Besitzer müssen sich denken, wie schön es wäre, wenn das Modell, anstatt nur da zu sitzen, tatsächlich blitzte. Das Problem ist, dass Leuchtturmmodelle wahrscheinlich klein sind und wenig Platz für Batterien und Schaltkreise haben, und das im Bild oben gezeigte Teelicht ist ein gutes Beispiel, bei dem nur Platz zum Einpressen einer PP3-Batterie oder eines kleinen Stapels Lithium-Knopf vorhanden ist Zellen zusammen mit einer sehr kleinen Platine.

Das Internet ist reich an LED-Blinkern. Viele basieren auf dem 555-Chip und verbrauchen daher voraussichtlich etwa 10 mA Strom, was eine kleine Batterie innerhalb von Tagen entladen würde. Nach einigem unbestimmten Spielen mit Komponenten auf einem Steckbrett bin ich über die CMOS-Schaltung gestolpert, die die Grundlage für diesen Artikel bildet. Diese Schaltung ist 5000 mal besser als eine 555 und verbraucht 2 Mikroampere, was bedeutet, dass eine 9 Volt PP3-Alkalibatterie 31 Jahre halten sollte, obwohl dies akademisch ist, da sie weit über die Haltbarkeit der Batterie hinausgeht. Ein Stapel von 3 x 2032 Lithiumzellen, die ebenfalls 9 Volt liefern, hält nur 12 Jahre.

Um diese Leistung zu erreichen, werden einige Regeln gebrochen und Elektronikprofis werden eine Augenbraue hochziehen, wenn nicht sogar zwei.

Schritt 1: Die Grundschaltung 1

Es kann hilfreich sein, die Schaltung zunächst auf einem lötfreien Steckbrett zum Laufen zu bringen, und neben dem Steckbrett benötigen Sie:

1 X CMOS CD4011 Quad-NOR-Gatter. (Wir verwenden den IC als Quad-Inverter, daher funktioniert auch ein CD 4001.)

1 x 4,7 Megaohm Widerstand. (Für längere Zykluszeiten können bis zu 10 MegaOhm verwendet werden.)

1 x 10 Ohm Widerstand.

1 x 1000 MikroFarad Elektrolytkondensator.

1 x 1 microFarad unpolarer Elektrolytkondensator. (1 MikroFarad-Keramikkondensatoren können verwendet werden, aber sie sind etwas schwieriger zu beschaffen.)

2 X hocheffiziente weiße LEDs.

2 x 2N7000 N-Kanal-FET.

1 x 4,7 MikroFarad Elektrolytkondensator (Tantal wäre am besten.)

1 x 9-Volt-Batterie, z. B. PP3.

Das obige Schema zeigt die Grundschaltung. Bei einem CMOS CD 4011 sind alle Paare von Gate-Eingängen miteinander verbunden, was ihn zu einem Quad-Inverter macht. Zwei der Gates sind als astabil verdrahtet, wobei das Timing durch den 4,7-MegOhm-Widerstand und den unpolaren 1-MikroFarad-Elektrolytkondensator definiert wird, was zu einer Zykluszeit von drei bis vier Sekunden führt. Die Zeit kann leicht durch das Hinzufügen eines weiteren 1-MikroFarad-Kondensators oder mehr parallel verdoppelt werden und der 4,7-MegOhm-Widerstand kann auf 10 Megaohm erhöht werden, so dass lange Zykluszeiten möglich sind. Die verbleibenden beiden Gates sind als Wechselrichter verdrahtet, die vom astabilen Abschnitt gespeist werden, und ihre gegenphasigen Ausgänge speisen die jeweiligen Gates der 2N7000 FETs, die über die Versorgungsleitung in Reihe geschaltet sind. Wenn der letzte Wechselrichter im Kettenausgang hoch wird, ist der vorherige niedrig und der obere 2N7000 lädt den 4,7-MikroFarad-Kondensator über eine LED auf, die blinkt. Wenn der letzte Wechselrichter in der Kette auf Low geht, leitet der untere 2N7000, sodass sich die 4,7 Mikrofarad durch die andere LED entladen und ein weiteres Blinken auslöst. Außerhalb der Übergangszeiten verbraucht die Endstufe null Strom.

Der 10-Ohm-Widerstand und der 1000 Mikrofarad-Kondensator in der Stromversorgungsleitung dienen nur zur Entkopplung und sind nicht unbedingt erforderlich, aber in der Testphase sehr nützlich.

Elektronik-Puristen werden darauf hinweisen, dass die Endstufe kein gutes Design ist, da jegliches Zittern oder Unsicherheit an der Stelle, an der die Schaltungsschalter auftreten, dazu führen könnte, dass beide 2N7000 gleichzeitig kurz eingeschaltet werden, was zu einem Kurzschluss in der Stromversorgung führt. In der Praxis stelle ich fest, dass dies nicht der Fall ist und sich im Stromverbrauch zeigen würde, siehe später.

Es wurde festgestellt, dass die gezeigte Schaltung durchschnittlich 270 Mikroampere verbraucht, was anerkennenswert ist, aber für unseren Zweck viel zu hoch ist.

Schritt 2: Die Grundschaltung 2

Das Bild oben zeigt die auf einem lötfreien Steckbrett montierte Schaltung.

Schritt 3: Die erweiterte Schaltung 1

Die im obigen Schema gezeigte Schaltung scheint fast identisch mit der vorherigen zu sein. Hier bewirkt das Hinzufügen von nur einer Komponente eine so drastische Leistungsänderung, wie Sie sie bei einfachen elektronischen Schaltungen wahrscheinlich nie sehen werden.

Ein 1-MegOhm-Widerstand wurde in Reihe mit der Versorgung des CD4011-ICs geschaltet. (Elektronikprofis werden sagen, dass dies niemals getan werden sollte.) Die Schaltung funktioniert weiterhin, ABER der durchschnittliche Verbrauch sinkt auf etwa 2 Mikroampere, was einer Lebensdauer von 31 Jahren für eine alkalische PP3-Zelle mit 550 mA Stunden Kapazität entspricht. Erstaunlicherweise ist die Ausgangsspannung immer noch hoch genug, um die 2N7000 FET's zuverlässig zu schalten.

Schritt 4:

Das Bild oben zeigt den hinzugefügten Widerstand rot umrandet.

Die Messung des durchschnittlichen Stroms, der von dieser Schaltung gezogen wird, ist eine entmutigende Aufgabe, aber ein schneller Test besteht darin, die Batterie zu entfernen und die Schaltung mit der Ladung im 1000-MikroFarad-Entkopplungskondensator, wenn Sie ihn eingebaut haben, ablaufen zu lassen - die Schaltung sollte fünf. laufen oder sechs Minuten, bevor einer der Blitze aufgibt.

Ich habe einige Erfolge erzielt, indem ich einen 100 Ohm Widerstand plus 3 Farad Superkondensatoren (Polarität beachten,) parallel in die Zuleitung geschaltet habe und mehrere Stunden bis zum Erreichen des Gleichgewichts gelassen habe. Mit einem Millivoltmeter kann die Spannung am Widerstand gemessen und der durchschnittliche Strom nach dem Ohmschen Gesetz berechnet werden.

Schritt 5: Einige Gedanken in dieser Phase

Ich habe die Kardinalsünde begangen, einen Widerstand in die Versorgungsleitung eines CMOS-ICs zu legen. Der IC steht jedoch allein und ist nicht Teil einer Logikkette, und ich würde vorschlagen, dass wir diesen einzelnen IC einfach als Sammlung komplementärer CMOS-Transistoren verwenden. Es kann sein, dass wir hier einen Relaxationsoszillator mit extrem niedriger Leistung für arme Leute haben.

Der „Eimer“-Kondensator, der durch die beiden LEDs geladen und entladen wird, kann erhöht werden, um einen helleren Blitz zu erzielen, aber bei Werten im Bereich von Hunderten von Mikrofarad kann es eine kluge Vorsichtsmaßnahme sein, einen kleinen Widerstand in Reihe mit den LEDs hinzuzufügen, um den Spitzenstrom zu begrenzen und 47 oder 100 Ohm werden empfohlen. Bei größeren Kondensatorwerten kann der Blitz etwas "faul" werden, da der letzte Teil der Kondensatorladung durch die untere LED abgeführt wird, obwohl Sie vielleicht der Meinung sind, dass dies ein realistischeres Leuchtturmerlebnis bietet. Der Stromverbrauch wird natürlich vielleicht sogar auf zwanzig oder dreißig Mikroampere steigen.

Schritt 6: Erstellen einer permanenten Version Ihres Schaltkreises 1

Wir haben den einfachen Teil geschafft, hätten aber beweisen sollen, dass die Schaltung funktioniert und können nun in einer dauerhaften Form in unseren Leuchtturm gehen.

Dies erfordert elementare elektronische Werkzeuge und Montagekenntnisse. Welche Komponenten benötigt werden, hängt davon ab, wie Sie sich für diesen Teil entscheiden und welche Fähigkeiten Sie haben. Ich werde ein paar Beispiele zeigen und weitere Vorschläge machen.

Das Bild oben zeigt eine kleine doppelseitige Prototyp-Leiterplatte mit Punkt-zu-Punkt-Leiterplatte. Diese sind bei EBay in einer Reihe von Größen erhältlich und diese ist eine der kleinsten. Ebenfalls gezeigt ist ein Quadrat aus einer einfachen Leiterplatte mit einem daran befestigten Draht, der eine Verbindung für unsere Batterie bildet, die ein Stapel von drei Lithium-Knopfzellen sein soll. Bei dieser Art von Platine finde ich, dass es nicht möglich ist, benachbarte Pads mit Lot zu überbrücken, da das Lot durch die Löcher nach unten läuft - Sie müssen mit Draht überbrücken.

Schritt 7: Erstellen einer permanenten Version Ihres Schaltkreises 2

Auf dem Bild oben sehen wir, dass die Bauarbeiten in vollem Gange sind. Beachten Sie, dass zwei 1-MikroFarad-Kondensatoren für das Timing verwendet wurden und drei 2025-Lithium-Knopfzellen bereit sind, zwischen den Batterieendanschlüssen eingelegt zu werden.

Schritt 8: Erstellen einer permanenten Version Ihres Schaltkreises 3

Im Bild oben sehen wir den fertigen Artikel, der bereit ist, in einem Leuchtturm installiert zu werden. Beachten Sie, dass die drei Lithiumzellen in Reihe positiv mit negativ bis zum oberen Plus verbunden sind, das mit dem Quadrat der einfachen Leiterplatte verbunden ist, die an die rote Leitung gelötet ist. Der Zellenstapel wurde dann mit selbstverschmelzendem Klebeband fest zusammengebunden. Beispiele für diese Methode zur Herstellung von Batterien aus mehreren Knopfzellen finden Sie an anderer Stelle auf der Instructables-Site.

Schritt 9: Erstellen einer permanenten Version Ihres Schaltkreises 4

Im Bild oben sehen wir eine andere Version, die auf Stripboard montiert ist, die die moderne Version von Veroboard ist. Das ist in Ordnung, aber modernes Board verzeiht keine Fehler und hält nicht viel Löten und Entlöten aus, bevor sich die Kupferstreifen anheben, also machen Sie es gleich beim ersten Mal richtig! Bei der Batterie handelt es sich um eine Alkaline PP3, die bei 450 mA Stunden Kapazität auf eine eher akademische Lebensdauer von 31 Jahren rechnet.

Schritt 10: Erstellen einer permanenten Version Ihres Schaltkreises 5

Hier wurden die Stripboard-Schaltung plus PP3-Batterie in Plastikverpackungsmaterial eingehüllt und in den Teelichthalter eingeklemmt, der es ermöglicht, unsere Baugruppe bis in den Leuchtturm einzuführen.

Für eine einfache Schaltung wie diese kann man mit einem Leiterplattenstift auch eine eigene Leiterplatte herstellen, aber man muss sie ätzen können, am besten nicht in der Küche! Schließlich kann ein kleines Blatt einer einfachen gedruckten Leiterplatte Gegenstand einer "toten Fehler"-Konstruktion sein, die die kleinste und robusteste Konstruktion aller Beispiele ergeben kann.

Schritt 11: Letzte Gedanken

Diese Schaltung ist so billig herzustellen, dass sie wegwerfbar ist. Es kann so klein gemacht werden, dass es in ein kleines Glasgefäß passt und dann sogar in Harz oder Wachs eingegossen wird, wenn die LEDs im Klaren bleiben. In solch einer robusten Form kann es eine Vielzahl von möglichen Verwendungen geben. Ich würde vorschlagen, dass es ein wertvoller Sicherheitsgegenstand bei der Höhlenforschung und insbesondere beim Höhlentauchen sein könnte, wo einige davon einen Weg aus einer Höhle oder aus dem Inneren eines gewundenen Wracks erhellen könnten. Sie könnten jahrelang an Ort und Stelle bleiben.

Der Bucket-Kondensator kann kleiner gemacht werden, wodurch der Stromverbrauch auf ein Niveau gesenkt wird, bei dem die Schaltung durch eine "Stapel"-Batterie aus ungleichen Metallplatten, die mit Elektrolyt-Pads verschachtelt sind, betrieben werden könnte. Dies könnte sogar zu einer Baugruppe führen, die in einer „Zeitkapsel“platziert werden könnte, um etwa fünfzig Jahre später ausgegraben zu werden!