Neon fånig Lite (3 / 8 steg)

Steg 3: Granska schematiskt bekanta med fånig Lite design

Du har ett beslut att fatta, som faktiskt är ganska cool eftersom de flesta projekt kan endast konstrueras ett sätt och kan bara göra en sak. Men Neon fånig Lite projektet är mer flexibel än så. Är det möjligt att konfigurera projektet att flash 5 neon lamporna i en pseudo-slumpmässiga mönster eller en sekventiell mönster. Jag byggt bägge krets och gillade det pseudo-slumpmässiga mönstret det bästa (se video på sidan Sammanfattning) men dina önskemål kan vara annorlunda från min. Församlingen manual täcker båda typerna i detalj så det är helt upp till dig vilken krets du bygga.

Fånig Lite banan ser enkel men innehåller tillräckligt teori för att hålla en andra året engineering student upptagen. Kärnan i kretsen är en negativ resistans enhet: The NE2 neon lampa (kallas även A1A lampa). Det finns inte många enheter i elektronik som uppvisar negativ resistans; några mikrovågsugn dioder, SCRs, uni-junction transistorn och gas ansvarsfrihet rör som neon lampan. Fina med en negativ resistans enhet är att den kan användas att bygga en enkel oscillator med endast ett par av passiva komponenter. Ingen förstärkare eller feedback nätverk krävs.

Negativ resistans

Att få en uppfattning om vad som menas med "negativ resistans", översyn av två V / jag diagram ovan. Först representerar en V / jag diagram av en diod och ett motstånd, både positiva motstånd enheter du förmodligen redan är bekant med. Andra representerar V / jag diagram av en neon lampa, en negativ resistans enhet. Varsel i positiva motståndet diagram som lutningen på V / jag kurvan är alltid positivt (upp och till höger). Öka nuvarande genom enheten alltid resulterar i ett ökande spänningsfallet över enheten. Men märke att neon lampan har en del av dess V / jag kurvan med en negativ lutning på uppdelning lampspänning (90 volt). I regionen negativ lutning, ökad ström genom lampan resultaten i en minskande spänning över lampan. Detta kännetecken är vad gör blinkande neon lampan i fånig Lite projektet möjligt.

I 50- och 60-talet, var neon-lampor används för att bygga alla typer av intressanta kretsar inklusive oscillatorer, timers, binär räknare, binära avdelare, lampa dimmers och ljus detektorer. Den enda nackdelen med neon lampor idag är deras högspänning krav (60V till 150V). Men tidigare har dessa spänningar var gemensamma för elektronrör (ventil) kretsar vilket gör det mycket enkelt att använda en neon lampa. Granska de två neon lampa kretsscheman ovan. En är en avkoppling Oscillator krets och den andra är en Multivibrator krets. Avkoppling-Oscillator används i Random version av fånig Lite projekt. Multivibrator används i den sekventiella versionen av fånig Lite projekt. Nedan följer en beskrivning av hur varje krets fungerar:

Neon lampa avkoppling Oscillator

För att kontrollera blixthastighet av neon lampan, behöver vi en tidsfördröjning. En enkel tid dröjsmål krets kan konstrueras med ett motstånd och en kondensator i serie, ofta kallad en RC-krets. När strömförande, avgifter för kondensatorn gradvis att nära makten Matningsspänning. Hur snabbt kondensator avgifterna bestäms av värdet på motståndet och värdet av kondensatorn enligt följande formel:

TRC = R * C

Hänvisa till avkoppling Oscillator Schematisk fäst ovanför. När makten som tillämpas för den serien kretsen C1/R1, kondensatorn C1 börjar ladda. När C1 spänning når neon lampan bränning spänning (90V), neon lampan tänds och C1 kommer att fullgöra i neon lampan. Resistor R1 kommer att i grunden isoleras från kretsen på grund av det relativt låga motståndet av neon lampan. När C1 spänningen faller under neon lampan håller spänningen (50V), neon lampan slocknar och C1 kommer att börja ladda igen genom R1. Denna cykel upprepas för så länge driva, appliceras till kretsen.

Granska diagrammet under avkoppling Oscillator Schematisk. Diagrammet innehåller kondensatorn spänningen över tiden. Observera att kondensatorn inte laddas i en rak linje, men i en exponentiell kurva funktion. Ekvationen för kurvan är:

Vcapacitor = Vpower * [1 - e^(-t/RC)]

Du kanske känner igen denna ekvation om du har haft en klass i statistik, fysik eller tandsten. Denna ekvation är mycket lätt att använda med en modern miniräknare så låt inte det skrämma dig. Lösa ekvationen för motstånd och kondensator värden RC kommer att göra det lite mer användbar när du utformar kretsar som fånig Lite:

RC = -t / ln ((Vf - Vh) / Vf)

I ovanstående ekvation, ln är den naturliga loggfunktionen på en miniräknare, Vf är neon lampa bränning spänning, Vh är neon lampa håller spänningen, t är önskad lampa blixthastighet och RC är produkten av kondensator och resistor behövs för att producera en blixthastighet av tiden t.

Till exempel, jag ville ha en blixthastighet omkring 1 sekund för varje lykta så jag använde följande:

Lampa bränning spänning = 90 VDC

Håll lampspänning = 50 VDC

RC = -1 / ln ((90-50) / 90) = 1,23

Jag ville hålla .22uF kondensator värden som används av den ursprungliga P-Box kit, så allt jag behövde göra var att dela upp RC värdet av.00000022 Farads för att få värdet för motståndet:

R = 1,23 /.00000022 = 5,5 Megohms

Det närmaste standard motstånd värde jag hade i lager var 4,7 Megohms så jag använde det för resistor värdena i den slumpmässiga kretsen.

Anledningen till denna krets kallas "Random" är att blixthastighet för varje lykta som neon kommer att variera beroende på toleransen av kondensatorer, resistorer och lampor. Många kondensatorer har en tolerans på 10% och 20%. Motstånden jag använde var 5% tolerans. Neon-lampor verkar ha bränning och hålla spänning som varierar så mycket som 20%. Alla dessa toleranser i kombination kommer att variera den faktiska neon lampa blixthastighet mellan 8 och 1,2 sekunder. Ibland mer. Detta resulterar i vad som verkar i ögat för att vara ett slumpmässigt blixt mönster bland de 5 neon-lamporna. Om du fokuserar på en lampa kommer du se att den blixt som faktiskt fastställs för lampan. De andra lyktorna skjuter på olika priser som skapar illusionen av ett slumpmässigt blixt mönster.

Neon lampa sekventiella Multivibrator

Alla de principer som beskrivs ovan gäller den sekventiella kretsen. Den enda skillnaden är där kondensatorer är kopplade. Den sekventiella versionen av fånig Lite består av flera Multivibrator kretsar fördelas mellan de 5 neon-lamporna. Granska sekventiella kopplingsschemat ovan och diagrammet fäst vid den.

När driva, appliceras, kommer en av de neon-lamporna omedelbart eld först på grund av tillverkningstoleranser. Låt oss anta att neon lampa NE2-1 bränder först i denna beskrivning. När NE2-1 bränder, skapar den en ledande sökväg för kondensatorn C1 ladda. När spänningen på C1 når bränning spänning NE2-2, brand lampan som orsakar spänningen på C1 att släcka neon lampa NE2-1. C1 debiterar sedan genom Konduktiv sökvägen som tillhandahålls av NE2-2 tills det närmar sig bränning spänning NE2-1. NE2-1 sedan brand orsakar spänningen på C1 att släcka neon lampa NE2-2. Denna cykel upprepas för så länge driva, appliceras till kretsen.

Genom att noggrant distribuera Multivibrator kretsen bland de 5 neon-lamporna i tre exemplar, kan sekventiell kretsen göras till flash varje neon lykta en efter den andra.

Step-Up DC-DC-omvandlare

All ovanstående teori inte var nog, behöver vi ändå några sätt att producera 150V DC från en uppsättning av AA-batterier. Den ursprungliga P-Box kit används en audio transformator med 24:1 varv förhållande för att intensifiera 6 VDC batterispänningen för cirka 150 VDC för neon-lampor. Men det ljud transformatorn är inte längre tillgänglig från kommersiella källor (jag har provat dem alla). Ibland någon på eBay kommer att erbjuda en till salu från en estate auktion, men du kan inte av dessa i volym från alla kommersiella företag. En godtagbar lösning på detta problem visar sig vara mycket enkel. Några steg-Down makt transformator kan användas som en step-up makt transformator när de primära och sekundära lindningarna transponeras. Allt jag behövde göra var att hitta den minsta step-down makt transformator kommersiellt tillgänglig som visar förhållandet mellan runt 24:1 eller högre. Det visar sig att Hammond Power Solutions gör en liten transformator med en 115V primära och dubbla 5V sekundära som är perfekt för fånig Lite projektet. Hammond transformatorn är omkring två gånger storleken av den ursprungliga Radio Shack ljud transformatorn men är fortfarande ganska liten och utför mycket bra som ersättning.

Den Step-Up DC-DC-omvandlare är faktiskt en klassisk blockering oscillator som använder en gängade primära induktor för energigivande och återkoppling kretsar. Allt jag behövde göra var att ansluta Hammond transformator sekundära spolarna tillsammans så att de verkade Q1 som en gängade induktor. R6 är en nuvarande gräns för basen av Q1 medan C7 garanterar att basen av Q1 får en "kick" när driva, appliceras först att se till att kretsen som DC-DC omvandlare börjar svänga. Andra sekundärlindningen av T1 ger positiv feedback signalen till Q1 som håller DC-DC omvandlare krets oscillerande. C6 isolerar den feedback slingrande av T1 från 6V batteriet så att bara feedback signalen styr driften av Q1.

När driva, appliceras först, kommer basen av Q1 att bindas kort till V + som omedelbart mättade fettsyror Q1 och startar ström som passerar genom första sekundärlindningen av T1. Feedback från andra sekundärlindningen börjar att vända bias Q1 vilket resulterar i mindre strömmen genom första sekundärlindningen. När Q1 blir avstängd, kombinationen av R6/C7 börjar vrida Q1 tillbaka på igen och hela cykeln upprepas så länge som driva, appliceras.

Frekvensen av svängning bestäms av inductancen av T1 sekundära lindningar och den totala kapacitansen över de sekundära lindningarna enligt ekvationen nedan:

Fo = 1 / (2 * pi * sqrt (L * C))

Omfattande tester av Hammond transformator fastställt att de sekundära lindningarna var 152 mH varje. Lindningen kapacitans, reflekterad impedans och andra magnetiska effekter resulterat i parallella kapacitans av ungefärligt 2.1 uF per lindning. Slingrande kapacitans dominerade C6 och C7 värden så följande ekvation användes för att fastställa den oscillerande frekvensen:

Fo = 1 / (2 * pi * sqrt (.152 *.0000021)) = 288 Hz

Denna frekvens var högre än jag hade önskat men det enda sättet att minska frekvensen var att använda elektrolytkondensatorer för C6 och C7, som jag inte ville göra. Mitt mål var att bevara banan så enkla som möjligt och hålla så många av komponent värdena från den ursprungliga designen som möjligt. Som byggt, löper den nya DC-DC omvandlaren på cirka 240 Hz.

Numrera av tråd vänd i primär spole av T1 är 26 gånger högre än antalet varv i sekundära spolarna. Detta multiplicerar spänning till de sekundära spolar kopplade till Q1 genom 26 vilket resulterar i en spänning till neon lampor av ungefärligt:

Vsecondary * Turns_Ratio = Vprimary

6 VDC * 26 = 156 VDC

Detta är mer än tillräckligt att köra både slumpmässigt och sekventiell versioner av projektet. Genomsnittlig strömförbrukning är 18mA så en uppsättning av fyra AA-batterier ska köra minst två veckor nonstop.

Förhoppningsvis har detta avsnitt hjälpt dig att förstå hur fånig Lite kretsen är utformat och hur det fungerar.