Автор: Игорь Парунин, egor-palunin@rambler.ru
Опубликовано 03.09.2012
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2012!"

Пока юбиляр натирает до блеска свои… призы,
мы продолжаем открывать Америку и изобретать велосипед…
потому, как говорили, об одном не безызвестном историческом
персонаже - он жил, он жив, он будет жить…
я про мультивибратор, если че…

Наверняка каждый автолюбитель попадал в досадную ситуацию - накрылась сиренка сигналки. Досадно - да, а непоправимого тут ничего нет - дело копеечное! Ближайший автомагазин, и новая сирена… и, с этого момента, начинаются бесславные приключения сгоревшей «сиренки-колокольчика». Она валяется в гараже или на балконе, пинается с места на место, мешается то тут, то там и, выкидывается… стоп! Мы ее спасем!

Первым делом оценим повреждения на штатной плате при помощи обычного мультиметра, или визуально. Первые подозреваемые - транзисторы выходного каскада, они самые большие на плате. Очень может быть, что замена этих транзисторов все решит. Второй на очереди, это - динамик, и если он звонится, то есть надежда что он живой. Но причина может быть не только в транзисторах или динамике, но и в микросхеме - в «капле». Тогда сиренке, поможет только пересадка «мозга», который придется сделать заново.

Всем известный мультивибратор имеет высокую нагрузочную способность, и хорошо подходит для пересадки, но для нашего случая обладает одним недостатком - ток в нагрузке протекает в одном направлении. Насколько серьезен этот недостаток зависит от номинальной мощности динамика сирены, точней от той ее части, которая будет не реализована полностью. И конструкции сирены, которая может не способствовать динамику, при таком виде питания, эффективно отдавать звуковую мощность. Исправить этот недостаток можно используя модифицированный мультивибратор.

Итак! Схема сирены с «прокаченным» мультивибратором.

Схема сирены при этом значительно усложняется, по сравнению с однополярным (однотактным Рис. 2.а) выходным драйвером. Стоит подумать, насколько это оправдано, но если надо – значит надо. Стоит наверно сказать о том, где это действительно надо. А надо это там, где надо громко «просиренить», а на аккумуляторе всего шесть вольт. В этой ситуации применение этой схемы до чрезвычайности оправдано!

Прирост потребляемого тока вы обнаружите сразу, он станет в два раза больше в сравнении с однополярной схемой. Активная мощность, выделяемая на нагрузке, становится в четыре раза больше! Это может совсем не понравится вашему динамику, он может перегреться и сгореть. А вот прирост звуковой мощности, четырех или хотя бы двух раз, по субъективной оценке, может и не достигнуть. Все зависит от конструкции самого рупорного динамика и его мощности. Но прирост будет, и это главное!

Так, ну и чего ж там такого-то намодифицировали-то, в мультивибраторе? А вот что… снесли половину мультивибратора и на ее место прилепили половину триггера, да еще и вверх-тармашками… Как видно из схемы, вместо нагрузочных резисторов, в коллекторы транзисторов мультивибратора включены транзисторы, комплементарные транзисторам мультивибратора. Таким образом, схема генератора тона теперь представляет собой комбинацию мультивибратора и триггера. Транзисторы VT3, VT4, на которых собран триггер, служат активной нагрузкой транзисторов мультивибратора. А куда ж делась наша полезная нагрузка, которая была со своего краешку? А она теперь разлеглась поперек кровати! Питание нагрузки происходит теперь двумя импульсными противофазными напряжениями, которые образуются в правом и левом плече генератора на коллекторах транзисторов (Рис. 2.б точки а, б).

Выгодность этой схемы в том, что, ток через нагрузку, за период, протекает в разных направлениях. Решается проблема постоянной составляющей тока в нагрузке. И еще одно замечательное достоинство, это - размах амплитуд напряжения на нагрузке. Он складывается из противофазных питающих напряжений (точки а, б, рис. 2.б), и суммарный размах составит почти в два раза больше питающего напряжения и в идеале может достигнуть 24 Вольт. В реальности, за минусом падения напряжения на открытых транзисторах, этого не произойдет. Если отложить на каждый по вольту, то получим на нагрузке размах в 20 Вольт. Динамик обладают таким параметром как чувствительность, и этот размах очень кстати для жесткого, не чувствительного, рупорного динамика.

С мощностью в нагрузке тоже начинают происходить чудеса, она увеличивается в четыре раза! Давайте разберемся почему.

В первой схеме (рис. 2.а), напряжение на нагрузке, будет иметь такой вид (смотрим рис. 3.б). Питание нагрузки осуществляется напряжением, образующимся на коллекторе транзистора (точка а, рис. 2.а), форма которого имеет вид (смотрим рис.3.а). Как видно из графика, размах амплитуд ни при каких обстоятельствах не может превысить величины источника питания 12 Вольт. А в реальной ситуации он будет меньше, из-за падения напряжения на транзисторе. Примем значение сопротивление нагрузки равным 4 Ома, скважность примем равной 2, а за транзистором оставим вольтик. Сделаем это для упрощения расчета. При этом значение переменного напряжения на нагрузке будет равно среднему за период, то есть половине размаха амплитуд на нагрузке. Ток через нагрузку составит 1,375 Ампера. Активная мощность на нагрузке составит 7,56 Ватта (потолок стандартных сирен - 20 Вт, не исчерпан).

Скважность импульсов напряжения, питающих нагрузку, может отличаться от двух. При этом размах амплитуд сохраняется. А напряжение на нагрузке будет равно среднеквадратическому значению за период Urms. Это значение как раз и показывает ваш мультимерт при измерении переменного напряжения. С уменьшением скважности, прироста громкости точно ни какова не будет, а вот калорифер из динамика получится. А если увеличивать скважность, относительно двух, то напряжение на нагрузке будет падать, а вместе с ним и ток потребления. А вот громкость звукового сигнала может совсем и не падать, а на оборот! Почувствуйте экономические выгоды.

Во второй схеме (рис 2.б) картина немного иная (смотрим Рис.5). Как мы раньше определили, нагрузка запитана от двух противофазных переменных напряжений (точки а, б на Рис. 2.б). Из них и складывается напряжение на нагрузке, размах которого составит 20 Вольт. Ток в нагрузке составит 2,5 ампера. Активная мощность, выделяемая на нагрузке, составит 25 Ватт. Стоит добавить, что шаманство со скважностью в данном случае тоже позволяет сэкономить… но не будем пока об этом.

Таким вот образом мы нагрузили аккумулятор на лишних полтора ампера, потратились на три транзистора, и может быть, получили лишних 17,44 Ватт мощности… очень неплохо!

Вообще, схема напоминает мостовой драйверный каскад (за бугром именуемый «H-bridge»), и это именно он и будет, если мы не будем замечать конденсаторов и резисторов мультивибратора. Такая схема применяется для управления направлением вращения двигателей постоянного тока. Ее также можно увидеть в схемах управления шаговыми двигателями, и еще много где, эта схема, позволяет избавиться от двухполярного источника питания.

Спрашивается, а зачем тут нам какой-то триггер? А вот зачем… пара транзисторов образующих триггер оказалась ведомой (зависимой) от пары образующей мультивибратор. Таким образом, пока не откроется транзистор мультивибратора, не откроется сопоставленный ему транзистор триггера (не переключится триггер). То есть, транзисторы триггера всегда следуют за транзисторами мультивибратора, отставая от них на микроскопическое время. Но этого микроскопического отставания, как раз и достаточно, чтоб наши транзисторы не испустили свой электронный дух.

Основной критерий выбора транзисторов для генератора тона (прокаченного мультивибратора), это U_кэ(нас) - напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения. Что это такое и почему оно важно? Это прямое падение напряжения на открытом на всю катушку транзисторе. Это тот самый вольтик, который мы минусовали в расчетах выше, посмотрите еще раз, если забыли. Чем меньше этот параметр транзистора, тем он более холодно будет смотреть на окружающую суматоху токов – эт первое. Второе - нашей драгоценной нагрузке, о которой мы так печемся, больше достанется. Например, если вы поставите транзисторы с U_кэ(нас)=0,5 Вольта то мощность на нагрузке составит уже 30 Ватт, пересчитайте! Ну и про максимальный ток коллектора Iкмах тоже не забывайте. Три ампера минимум! Транзисторы триггера (VT3, VT4), необходимо выбрать по возможности с наибольшим коэффициентом передачи тока h_21e, в районе 40-50. Остальные транзисторы - в пределах справочного разброса.

Составные транзисторы тоже подойдут. Например, вместо VT3, VT4, можно установить КТ837(Г, Д, Е предпочтительно) и сохранить защитные (рекуперационные) диоды VD1, VD2. При установке в схему транзисторов КТ973, резисторы R6 и R7 необходимо увеличить до 2,2 кОм. Вместо транзисторов мультивибратора VT9, VT10, подойдут КТ829 или КТ972. Из импортного многообразия на место VT3, VT4, можно установить TIP125, TIP126, TIP127, BD876, BD676, BD678, BD680, а на место VT9, VT10 - TIP120, TIP121, TIP122, BD875, BD675, BD677, BD679. При использовании составных транзисторов, на плате, вместо транзисторов VT7, VT8 необходимо установить перемычки база-эмиттер. При применении КТ837 и КТ829 транзисторов, сопротивление нагрузки может быть 2 Ома (мощность сирены составит 40 Ватт), в остальных случаях не менее 3,6 Ом. Количество элементов в схеме при этом значительно сокращается (смотрим рис.6).

Теперь о мелочах. На транзисторах VT1, VT2 собран модулирующий генератор. Напряжение модуляции напоминает «пилу» и поступает на резисторы R9, R10 мультивибратора. От величины модулирующего напряжения зависит, с каким периодом работает генератор. Чем оно выше, тем меньше период и выше частота тона сирены. Транзисторы генератора включены по схеме замещения однопереходного транзистора и могут быть с успехом заменены на КТ117 с соответствующим включением. Основные критерии выбора транзисторов для этого генератора это: маломощный, n-p-n, p-n-p.

Загадочная цепочка из резистора R5 и конденсатор С3 создает на резисторе R2 небольшие запирающие импульсы. А запирают они однопереходный транзистор (VT1, VT2), не позволяя конденсатору С1 разрядится полностью. Зачем это нам? А за тем, чтоб не возится с подбором конденсатора С1. Необходимую длительность «вяка», в небольших пределах, можно изменять резистором R5, от величины которого зависит амплитуда запирающих импульсов. Чем меньше этот резистор, тем выше запирающие импульсы и короче «вяки». Ну и строго на оборот, и в обратном порядке, для «вяков» подлиней. Особо «пытливые» наверняка спросят – а зачем еще и конденсатор? Посмотрите внимательно на схему без этого конденсатора, и подумайте, как в этом случае будет работать триггер.

Еще в этой схеме нет большого электролита по питанию. Почему? Да потому что он стал бесполезным, так как у него нет времени выполнять свою работу, заряжаться и разряжаться. Ток потребления у этой схемы постоянный и по шинам питания протекает гораздо меньше импульсного тока в сравнении с однополярной схемой. А на его месте стоит конденсатор поменьше - С2, потому как ему больше не надо тягать нагрузку в прямом смысле. Но роль его по-прежнему важна! Этот конденсатор делает импульсы на нагрузке прямоугольными, увеличивает крутизну фронтов (да-да это не шутка! именно - крутизну). Чем они круче, тем спокойней живется нашим транзисторам.

Диоды VD1-VD4 нужны для защиты транзисторов от импульса самоиндукции, который возникает на катушке динамика сирены в момент переключения направления тока через него. Можете их не ставить, но только на свой страх и риск. Еще, эти диоды, зачастую устанавливаются непосредственно в транзистор. Если применить такие транзисторы, то необходимость в этих диодах отпадает.

Как уже упоминалось, схему можно применить и при шести-вольтовом питании. Для этого потребуется изменить номиналы некоторых элементов схемы. Резистор R2 уменьшить до 68 Ом, конденсаторы С4 и С5 заменить на 68n, резисторы R6 и R7 на 68 Ом. Можно также немного уменьшить сопротивление резисторов R3 и R4, например, установить 3,3 кОм, но это не обязательно. И вообще, из всего перечисленного, наиболее существенную роль играют только резисторы R6, R7.

Тон сирены можно подбирать по вкусу резисторами R9, R10. А длительность завывания, конденсатором С1 в достаточно больших пределах. А резистором R5 ее можно сократить, если немного переборщили с емкостью конденсатора.

Еще один практический совет. Собрав сирену, погоняйте ее на эквивалент нагрузки, чтоб не нервировать соседей. Минут через пять-десять проверьте температуру транзисторов, например пальцем. Все транзисторы должны быть - «средне-тепленькими». А если среди их найдется горячий, его надо заменить на другой, а виновника отложить в сторону с пометкой – только для реле.

Ну и как не трудно догадаться, для тока в два с половиной ампера, провода надо бы покороче да потолще, а то мы быстро сведем на нет, драгоценные, кровью и потом добытые, ватты.

Ну и в заключение ложка дегтя! Чего боится эта схема, так это «сквозняка»! Образуется он, как мы знаем, когда открыты - и дверь, и окно. И тут так! Сквозной ток плеча возникает, когда открыты, по какой либо причине, оба транзистора. Одна из причин, перегрев транзистора в результате долгой работы и плохого теплоотвода. Транзисторы начинают опаздывать закрываться, в результате начинают проскакивать «иголки» сквозного тока, который приводит к еще большему нагреву, а дальше лавина… и один виновник, тащит за собой всех! Как раз по этой причине и выходит из строя большинство китайских сирен.

В прикрепленном файле - плата, разработанная для установки в сирены с диаметром магнита динамика 60mm (показана на рис.7).

ЗЫ. Ну и учитывая все достоинства этой схемы, помните о недостатках динамика, стоит принюхиваться к его самочувствию…

ЗЫ. ЗЫ. И немного не фильтрованного трэша…

Файлы:
Плата
Семпл

Все вопросы в Форум.