Elektronika 
 
Stroboskop
Hefajstos
Światło stroboskopowe pozwala na uchwycenie poszczególnych faz ruchu. Wiele latarek diodowych ma możliwość włączenia efektu stroboskopowego, jednak często niezbędna jest regulacja częstotliwości błysków.

Wykonanie prostego stroboskopu nie jest specjalnie trudne i możemy pokusić się o przygotowanie jego konstrukcji pod okiem kogoś obeznanego z lutownicą. Jednak zanim zabierzemy się na jego budowę – warto przygotować się teoretycznie, by uniknąć rozczarowania.

Błyski światła powinny być regularne – jest to niezbędne do uzyskania wrażenia zatrzymania ruchu – szczególnie w przypadku obserwacji czegoś co się obraca z mniej więcej stałą prędkością obrotową. Powinny też być na tyle krótkie, by w czasie błysku oświetlany przedmiot nie zdążył się za bardzo poruszyć. Jednak im krótsze są błyski – tym mniejszą mają energię:

 

Dlatego w stroboskopach stosowanych na scenach – stosuje się specjalne lampy wyładowcze, które zasilane są z kondensatorów. Pozwala to na uzyskanie bardzo dużych prądów zasilania co przy stosunkowo dużych napięciach – zapewnia dużą moc błysku, przy jednoczesnym zachowaniu bardzo krótkiego czasu błysku – takiego jakiego nie jesteśmy w stanie uzyskać przy pomocy żarówek – które mają dość dużą bezwładność. Niestety lampy wyładowcze wymagają pracy z napięciami i energiami które są niebezpieczne. Dlatego do naszych eksperymentów użyjemy diód świecących. Musimy użyć diód o jak największej mocy. Pamiętajmy, że czas błysku będzie stosunkowo krótki w porównaniu z czasem między błyskami. Jeśli czas świecenia będzie wynosił 2ms, to przy częstotliwości błysków równej 10Hz, światło o mocy 10W będzie sprawiać wrażenie jakby miało moc:

 

Czyli na każdy 1W mocy diód – efektywna moc będzie wynosić około 0,02W. Dlatego będziemy potrzebowali jak największej mocy diód świecących. Do prostych doświadczeń – wystarczy nam sumaryczna moc około 10W, jednak jeśli myślimy o pokazach w szerszym gronie – na przykład w klasie, warto tą moc kilkukrotnie zwiększyć na przykład łącząc więcej diod razem.

Tu istotna uwaga – diody świecące są sterowane prądowo a nie napięciowo. To znaczy, że przy łączeniu diod razem – nie powinniśmy łączyć ich równolegle, lecz szeregowo – czyli w taki sposób który zapewni, że przez wszystkie diody będzie płynął taki sam prąd. Gdybyśmy połączyli je równolegle – to ze względu na to, że diody mogą mieć różne napięcia przewodzenia1, prąd będzie płynął przez tą która przewodzi przy najniższym napięciu. Jeśli więc przez trzy diody spróbujemy przepuścić prąd różny potrójnej wartości typowego prądu sterującego pojedynczą diodą – to efektem będzie spalenie kolejnych diod, bo cały prąd popłynie najpierw przez jedną a po jej przepaleniu przez kolejną i tak dalej.

Do ustalenia prądu diody możemy zastosować zwykły opornik, jednak lepszym rozwiązaniem będzie przygotowanie źródła prądowego – czyli stabilizatora prądu, który w odróżnieniu od stabilizatora napięcia – utrzymuje stałą wartość natężenia prądu bez względu od oporności obciążenia. Uniezależni nas to od napięcia zasilania – i zmniejszy ryzyko uszkodzenia diod świecących, które przy większych mocach – mają naprawdę mały margines bezpieczeństwa2.

Dołożenie źródła prądowego nie komplikuje nam układu zasilania diod świecących, które musimy włączać tylko na chwilę na tyle krótką, że jakiekolwiek mechaniczne przełączniki niestety nie zdążą zareagować. Dlatego do włączania prądu musimy zastosować tranzystor:

W pierwszym przypadku tranzystor przewodzi lub nie w zależności od wysterowania, a ograniczenie wartości natężenia prądu wprowadza szeregowy opornik. W drugim, wykorzystujemy to, że tranzystor otwiera się jeśli na jego bazie napięcie jest o około 0,6V większe niż na emiterze. Jeśli więc ustabilizujemy napięcie bazy na poziomie 1,2V (przy pomocy dwóch diód krzemowych o napięciu przewodzenia około 0,6V3), to na emiterze tranzystora ustali się pozostałe napięcie – czyli także około 0,6V. Takie napięcie będzie na oporniku włączonym między emiter i masę, więc jego wartość ustali wartość prądu jaka płynie przez emiter.

Prąd emitera jest sumą prądów płynących przez bazę tranzystora i prądu kolektora, a ponieważ wzmocnienie tranzystora jest dość znaczne (przekracza 100 w przypadku tranzystorów średnich mocy) prąd bazy możemy w zasadzie pominąć.

Nie możemy jednak pomijać mocy jaka wydzieli się na tym tranzystorze w postaci ciepła. Moc ta może być policzona jako iloczyn prądu praz napięcia jakie odłoży się na tranzystorze

 

Jeśli moc ta jest duża – musimy zadbać o odprowadzenie ciepła z tranzystora. Pamiętajmy jednak, że chodzi o moc średnią, więc jeśli z obliczeń wyjdzie nam moc na poziomie 5-10W – to ponieważ cykl pracy tranzystora jest taki sam jak cykl świecenia diody – więc średnia moc będzie około 50x mniejsza.

Potrzebujemy jeszcze jednak możliwości wyłączania źródła prądowego (zmniejszania prądu do 0) poprzez zamknięcie tranzystora. Możemy to zrobić dodając jeszcze jeden tranzystor małej mocy zwierający bazę tranzystora stabilizującego do masy.

 

Do sterowania takim źródłem światła użyjemy prostego generatora impulsów opartego na popularnym układzie scalonym 555, który po dołączeniu dwóch oporników i kondensatora może generować odpowiedni przebieg. Jeśli w szereg z opornikami włączymy potencjometry – będziemy mogli sterować zarówno czasem zapalenia, jak i czasem zgaszenia diody.

 

Układ 555 możemy zasilać napięciem z przedziału 4-18V, ale wygodniej będzie zasilać go poprzez niewielki stabilizator.

Układ jest na tyle prosty, że można zmontować go na płytce uniwersalnej. Do testów będziemy potrzebowali spinera lub jakiegokolwiek obracającego się wirnika. Możemy na przykład użyć pracującego robota kuchennego lub wkrętarki.


1
 napięcie przewodzenia – to napięcie jakie występuje na diodzie. Napięcie to jest niemal stałe w szerokim zakresie prądów płynących przez diodę. Pamiętajmy: dioda nie zachowuje się jak opornik i płynący przez nią prąd nie jest proporcjonalny do przyłożonego napięcia
2
 warto zajrzeć do kar katalogowych posiadanych diod i przyjrzeć się typowym warunkom pracy oraz warunkom które są opisane jako krytyczne. Większość diod pracować powinna w zasadzie na krawędzi spalenia
3
 Napięcie to jest typowym napięciem przewodzenia złącza P-N zbudowanego na bazie domieszkowanego krzemu. W przypadku innych materiałów półprzewodnikowych napięcie przewodzenia może być inne. Na przykład dla germanu – jest niższe i wynosi około 0,3V
 
Opinie
 
Facebook
 
  
3492 wyświetlenia

numer 11-12/2017
2017-12-10

Od redakcji
Aktualności
Fizyka
Historia
Kącik poezji
Literatura
Matematyka
Polityka
Psychologia
Rozmaitości
Teorie spiskowe
Zrób to sam

nowyOlimp.net na Twitterze

nowy Olimp - internetowe czasopismo naukowe dla młodzieży.
Kolegium redakcyjne: gaja@nowyolimp.net; hefajstos@nowyolimp.net