Blikač s plynulým rozsvícením LED

Tento blikač byl navržen jako jednoduchý výrobek pro nejmladší katetegorii soutěže mladých elektroniků. Cílem konstrukce bylo ukázat základní princip integračního článku a následně i funkci zesilovače s bipolárním tranzistorem, který má vysoký vstupní odpor (emitorový sledovač) a v neposlední řadě vytvořit relativně jednoduchý efektový blikač. Blikač je postaven na jednoduchém kruhovém oscilátoru pomocí tří hradel NAND se Schmittovým vstupem (u kruhového oscilátoru je nutný lichý počet invertujících prvků v kaskádě), které jsou mezi sebou vázány integračním RC články, které definují interval blikání. Běžně se u těchto blikačů využívá výstup hradla na který je připojena LED dioda, která bliká v intervalu překlápění jednotlivých hradel. Pro plynulé rozvícení LED diod se zde využívá sledování integrovaného napětí na kondenzátoru, které je snímáno emitorovým sledovačem tvořeného tranzistorem s předřazeným bázovým odporem a dioda LED s omezovacím odporem je zařazena do emitoru sledovacího tranziastoru.

Napětí na integračním kondenzátoru se pohybuje v závislosti na výrobci, protože definované úrovně překlápění se dle jednotlivých výrobců podstatně liší, pro srovnání jsem vyhledal několik údajů různých výrobců a uvedl do následující tabulky. Jen pro dopřesnění, jedná se o typické hodnoty pro napájecí napětí 5V a teplotu 25°C.

 

Výrobce
označení hradla
Vysoká rozhodovací
úroveň [V]
Nízká rozhodovací
úroveň [V]
FAIRCHILD
CD4093
3,3 1,8
PHILIPS
HEF4093
2,9 2,2
STMicroelectronics
HCF4093
3,3 2,3
Texas Instruments
CD4093
3,3 2,3
Tabulka č. 1 - Srovnání vstupních rozhodovacích úrovní
obvodů typu 4093 různých výrobců

Z výše uvedených úrovní komparace, je patrné, že napětí na výstupu emitorového sledovače se bude pohybovat v rozmezí rozhodovacích úrovní daného obvodu snížené o úbytek přechodu báze-emitor. Pro příklad výpočtu omezovacího odporu LED budu předpokládat komparační úrovně UT+=3,3V, UT-=2,3V a úbytek přechodu báze-emitor UBE=0,6V, z čehož vyplývá, že napětí na výstupu emitorového sledovače bude přibližně v rozmezí 1,7V až 2,7V. Z výše uvedeného plyne, že při použití LED diod bude značně záviset na úbytku napětí v propustném směru, kde u diod s propustným napětím cca 1,5V (běžné červené diody) bude doba svitu delší než při použití diod s napětím 1,9V - 2V (zelené, žluté), kde se dioda rozsvítí pouze na dobu vrcholu integrační křivky. Diody s vyšším napětím jako například bílé a modré LED, se dají použít také, jen je potřeba uvažovat s napájecím napětím kolem 6-7V, což použitá technologie CMOS plně umožňuje. Pro výpočet budeme uvažovat diodu červenou s úbytkem napětí UF=1,5V a maximálním pracovním proudem IF=15mA. Při této konfiguraci je potřeba spočítat omezovací odpor při práci s nejvyšším napětím což v našem případě bude odpovídat přibližně UO=UT+-UBE UO=3,3-0,6=2,7V potom UR=UO-ULED což v našem případě bude UR=2,7-1,5=1,2V, proud diodou zvolíme ID=5mA a vypočítáme odpor R=UR/ID tedy R=1,2/0,005=240Ω. Tato hodnota se vyrábí v v normované řadě E24 a pokud bychom se rozhodli pro řadu E12 volíme nejbližší vyšší což by byl odpor 270Ω.

 

 Orb. č. 1 - Schéma zapojení blikače

 

Na obrázku výše je zapojení tohoto jenoduchého blikače, kde tranzistory KC147 nejsou v tomto případě kritické a použitý typ tranzistoru zásadně neovlivňuje funkci. Použití tranzistorů KC147 bylo voleno pouze pro aplikaci soutěže, kdy se využívaly současné zásoby a také proto, aby se použitím tohoto netradičního pouzdra trošičku zamotala hlava mladým elektronikům.  Zato použité hradla se Schmittovým vstupem jsou pro tuto aplikaci nutná protože je zde hystereze a nemůže dojít při integraci v oblasti zakázané oblasti k rozkmitání. Pokud by byl použit šestinásobný invertor 40106, je možné rozšířit počet diod v kaskádě až na pět. Po připojení osciloskopu se dá výrobek použít i k jednoduché demostraci práce Schmittova klopného obvodu ve vstupu a pro porovnání s klasickým hradlem je pro názornost dobré, vytvořit tento blikač  třeba s IO 4011 a porovnat rozdílnost chování těchto obvodů.

 

Obr. 2. - Plošný spoj
 
Obr. 3. - Osazovací plán