De 31 jaar LED-flitser voor modelvuurtorens enz. 11 Stappen (met afbeeldingen) - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Modelvuurtorens hebben een brede fascinatie en veel eigenaren moeten bedenken hoe mooi het zou zijn als het model in plaats van alleen maar te blijven flitsen. Het probleem is dat vuurtorenmodellen waarschijnlijk klein zijn met weinig ruimte voor batterijen en circuits en het theelichtje in de afbeelding hierboven is een goed voorbeeld waar er gewoon ruimte is om een PP3-batterij of een kleine stapel lithiumknop in te persen cellen samen met een zeer kleine printplaat.

Het internet staat vol met LED-flitsers. Velen zijn gebaseerd op de 555-chip en kunnen daarom naar verwachting ongeveer 10 mA stroom verbruiken, wat een kleine batterij binnen enkele dagen zou doen leeglopen. Na wat onstuimig spelen met componenten op een breadboard stuitte ik op het CMOS-circuit dat de basis vormt voor dit artikel. Dit circuit is 5000 keer beter dan een 555 en verbruikt 2 microampère, wat betekent dat een alkaline 9 Volt PP3-batterij 31 jaar meegaat, hoewel dit academisch is omdat het veel langer is dan de houdbaarheid van de batterij. Een stapel van 3 x 2032 lithiumcellen die ook 9 volt leveren, gaat slechts 12 jaar mee.

Om deze prestatie te bereiken, worden sommige regels overtreden en zullen elektronicaprofessionals een wenkbrauw optrekken, zo niet twee.

Stap 1: Het basiscircuit 1

Het kan handig zijn om het circuit in eerste instantie op een soldeerloze breadboard te laten werken en naast het breadboard heb je nodig:

1 X CMOS CD4011 quad NOR-poort. (We gebruiken het IC als een quad-omvormer, dus een CD 4001 zal ook werken.)

1 X 4,7 Meg Ohm weerstand. (Tot 10 megOhm kan worden gebruikt voor langere cyclustijden.)

1 X 10 Ohm weerstand.

1 X 1000 microFarad elektrolytische condensator.

1 X 1 microFarad niet-polaire elektrolytische condensator. (1 microFarad keramische condensatoren kunnen worden gebruikt, maar ze zijn iets moeilijker te vinden.)

2 X hoog rendement witte LED's.

2 X 2N7000 N-kanaal FET.

1 X 4.7 microFarad elektrolytische condensator (tantaal zou het beste zijn.)

1 X 9 Volt batterij zoals een PP3.

Het bovenstaande schema toont het basiscircuit. Een CMOS CD 4011 heeft alle paren gate-ingangen aan elkaar gebonden, waardoor het een quad-omvormer is. Twee van de poorten zijn bedraad als een astabiel met de timing gedefinieerd door de weerstand van 4,7 megOhm en de niet-polaire elektrolytische condensator van 1 microFarad, wat resulteert in een cyclustijd van drie tot vier seconden. De tijd kan gemakkelijk worden verdubbeld door het toevoegen van nog een condensator van 1 microFarad of meer parallel en de weerstand van 4,7 megOhm kan worden verhoogd tot 10 megOhm, zodat lange cyclustijden haalbaar zijn. De overige twee poorten zijn bedraad als inverters die worden gevoed vanuit het astabiele gedeelte en hun antifase-uitgangen voeden de respectieve poorten van de 2N7000 FET's die in serie zijn geschakeld over de voedingslijn. Wanneer de laatste omvormer in de ketenuitgang hoog wordt, zal de vorige laag zijn en de bovenste 2N7000 laadt de 4.7 microFarad-condensator op via één LED die een flits geeft. Wanneer de laatste omvormer in de keten laag wordt, geleidt de onderste 2N7000 waardoor de 4,7 microFarad kan ontladen via de andere LED en nog een flits geeft. Buiten de overgangstijden verbruikt de eindtrap geen stroom.

De weerstand van 10 Ohm en de condensator van 1000 microfarad in de voedingslijn zijn alleen voor ontkoppeling en zijn niet essentieel, maar zijn erg handig in de testfase.

Elektronisch puristen zullen erop wijzen dat de eindtrap geen goed ontwerp is, omdat eventuele dithering of onzekerheid op het punt waar de circuitschakelaars ertoe kunnen leiden dat beide 2N7000's tegelijkertijd kort worden ingeschakeld, wat resulteert in een kortsluiting over de voeding. In de praktijk merk ik dat dit niet gebeurt en zou blijken in het huidige verbruik, zie verderop.

Het getoonde circuit bleek gemiddeld 270 microampère te verbruiken, wat verdienstelijk is, maar veel te hoog voor ons doel.

Stap 2: Het basiscircuit 2

De afbeelding hierboven toont het circuit gemonteerd op een soldeerloze breadboard.

Stap 3: Het verbeterde circuit 1

Het circuit dat in het bovenstaande schema wordt getoond, lijkt bijna identiek aan het vorige. Hier zorgt de toevoeging van slechts één component voor een transformatie in prestaties die zo drastisch is als je ooit zult zien in eenvoudige elektronische schakelingen.

Een weerstand van 1 MegOhm is in serie geplaatst met de voeding naar het CD4011 IC. (Elektronicaprofessionals zullen zeggen dat dit iets is dat nooit zou moeten worden gedaan.) Het circuit blijft werken MAAR het gemiddelde verbruik daalt tot ongeveer 2 microampère, wat overeenkomt met een levensduur van 31 jaar voor een alkaline PP3-cel met een capaciteit van 550 mA uur. Ongelooflijk, de uitgangsspanning is nog steeds hoog genoeg om de 2N7000 FET's betrouwbaar te schakelen.

Stap 4:

De afbeelding hierboven toont de toegevoegde weerstand rood omrand.

Het meten van de gemiddelde stroom die door dit circuit wordt getrokken, is een ontmoedigende taak, maar een snelle test is om de batterij te verwijderen en het circuit te laten leeglopen op de lading in de 1000 microFarad ontkoppelingscondensator als u deze hebt gemonteerd - het circuit zou vijf of zes minuten voordat een van de flitsen het begeeft.

Ik heb enig succes gehad door een 100 Ohm-weerstand plus 3 Farad-supercondensatoren (let op de polariteit) parallel in de toevoerleiding te plaatsen en enkele uren toe te staan voor het bereiken van het evenwicht. Met behulp van een milli-Voltmeter kan de spanning over de weerstand worden gemeten en kan de gemiddelde stroom worden berekend met behulp van de wet van Ohm.

Stap 5: Enkele gedachten in dit stadium

Ik heb de doodzonde begaan van het plaatsen van een weerstand in de voedingslijn van een CMOS IC. De IC staat echter op zichzelf en maakt geen deel uit van een logische keten en ik zou willen voorstellen dat we deze enkele IC gewoon gebruiken als een verzameling complementaire CMOS-transistoren. Het kan zijn dat we hier een ultra-lage vermogensontspanningsoscillator van een arme man hebben.

De 'bucket'-condensator die via de twee LED's oplaadt en ontlaadt, kan worden verhoogd om een helderdere flits te geven, maar met waarden in de honderden microFarads kan het een verstandige voorzorgsmaatregel zijn om een kleine weerstand in serie met de LED's toe te voegen om de piekstroom te beperken en 47 of 100 Ohm wordt aanbevolen. Bij grotere condensatorwaarden kan de flitser een beetje 'lui' worden omdat het laatste deel van de condensatorlading door de onderste LED verdwijnt, hoewel je misschien van mening bent dat dit een meer realistische vuurtorenervaring biedt. Het stroomverbruik zal natuurlijk misschien zelfs oplopen tot twintig of dertig micro Ampère.

Stap 6: Een permanente versie van uw circuit maken 1

We hebben het gemakkelijke deel gedaan, maar hadden moeten bewijzen dat het circuit werkt en kunnen nu worden vastgelegd in een permanente vorm om onze vuurtoren in te gaan.

Dit vereist elementaire elektronische gereedschappen en montagevaardigheden. Welke componenten nodig zijn, hangt af van hoe u ervoor kiest om dit onderdeel te doen en de vaardigheden die u heeft. Ik zal een paar voorbeelden laten zien en verdere suggesties geven.

De afbeelding hierboven toont een kleine dubbelzijdige Prototype PCB stripboard point-to-point printplaat. Deze zijn op eBay verkrijgbaar in een aantal maten en deze is een van de kleinste. Ook wordt een vierkant van een gewone printplaat getoond met een draad eraan bevestigd en dit zal één verbinding vormen voor onze batterij, die een stapel van drie lithiumknoopcellen zal zijn. Met dit type bord vind ik dat het niet mogelijk is om aangrenzende pads met soldeer te overbruggen, omdat het soldeer door de gaten naar beneden loopt - je moet overbruggen met draad.

Stap 7: Een permanente versie van uw circuit maken 2

Op de foto hierboven zien we dat de bouw in volle gang is. Merk op dat er twee 1 microFarad-condensatoren werden gebruikt voor de timing en dat drie 2025 lithium-knoopcellen klaar zijn om tussen de connectoren aan het uiteinde van de batterij te worden geplaatst.

Stap 8: Een permanente versie van uw circuit maken 3

In de bovenstaande afbeelding zien we het voltooide artikel klaar om in een vuurtoren te worden geïnstalleerd. Merk op dat de drie lithiumcellen in serie zijn geschakeld van positief naar negatief tot aan de bovenste positieve die is verbonden met het vierkant van een gewone printplaat die aan de rode draad is gesoldeerd. De stapel cellen is vervolgens stevig aan elkaar gebonden met zelf-samenvoegende tape. U vindt voorbeelden van deze methode om batterijen te maken van meerdere knoopcellen elders op de Instructables-site.

Stap 9: Een permanente versie van uw circuit maken 4

Op de foto hierboven zien we een andere versie gemonteerd op stripboard, de moderne versie van Veroboard. Dit is prima, maar een modern bord is meedogenloos voor fouten en zal niet veel solderen en desolderen voordat de koperstrips omhoog komen, dus zorg dat het de eerste keer goed is! De batterij is een alkaline PP3 die met een capaciteit van 450 mA uur rekent op een nogal academische levensduur van 31 jaar.

Stap 10: Een permanente versie van uw circuit maken 5

Hier zijn het stripboard-circuit plus PP3-batterij in plastic verpakkingsmateriaal verpakt en in de theelichthouder geklemd, waardoor onze montage in de vuurtoren kan worden gestoken.

Voor zo'n simpele schakeling kun je ook je eigen printplaat maken met een printpen maar dan moet je hem wel kunnen etsen, liefst niet in de keuken! Ten slotte kan een klein vel gewone printplaat het onderwerp zijn van een 'dead bug'-constructie die de kleinste en meest robuuste constructie van alle voorbeelden kan opleveren.

Stap 11: Laatste gedachten

Dit circuit is zo goedkoop te maken dat het wegwerpbaar is. Het kan zo klein worden gemaakt dat het in een kleine glazen pot past en dan zelfs in hars of was worden gepot als de LED's in het heldere licht blijven. In zo'n robuuste vorm kan er een veelvoud aan potentiële toepassingen zijn. Ik zou willen suggereren dat het een waardevol veiligheidsitem kan zijn bij speleologie en vooral bij grotduiken, waar een aantal van deze een uitweg uit een grot of van de binnenkant van een kronkelig wrak kunnen verlichten. Ze kunnen jaren blijven staan.

De bakcondensator kan kleiner worden gemaakt, waardoor het stroomverbruik wordt verlaagd tot een niveau waarop de schakeling zou kunnen worden aangedreven door een 'stapel' batterij van ongelijke metalen platen die zijn doorschoten met elektrolytkussentjes. Dit zou zelfs kunnen resulteren in een geheel dat in een 'tijdcapsule' zou kunnen worden geplaatst om zo'n vijftig jaar later weer op te graven!