SMD практикум № 1. 12 простых схем с несимметричным мультивибратором. Аналог микросхемы LM3909 из дискретных элементов

Многие радиолюбители, конечно же, сталкивались с технологией поверхностного монтажа печатных плат SMT (Surface mount technology), встречали элементы SMD (Surface mount device), монтируемые на поверхность и слышали о преимуществах поверхностного монтажа, который по праву называют четвертой революцией в электронной технике после изобретения лампы, транзистора и интегральной схемы.

Некоторые считают поверхностный монтаж трудно реализуемым в домашних условиях в силу малых размеров SMD элементов и… отсутствия отверстий под выводы деталей.
Отчасти так оно и есть, но при внимательном рассмотрении выясняется, что малые размеры элементов требуют просто аккуратности при монтаже, конечно при условии, что разговор идет о простых SMD компонентах, не требующих для установки специального оборудования. Отсутствие опорных точек, коими являются отверстия под выводы деталей, лишь создают иллюзию трудности выполнения рисунка печатной платы.



Основой наших конструкций является схема несимметричного мультивибратора на транзисторах различной структуры.

Соберем «мигалку» на светодиоде, которая будет служить талисманом, а также создадим задел для будущих конструкций, изготовив прототип популярной у радиолюбителей, но не совсем доступной микросхемы LM3909.

↑ Несимметричный мультивибратор на транзисторах разной структуры

(рис. 1) является настоящим «бестселлером» в радиолюбительской литературе [1 — 4].

Подключая в схему те или иные внешние цепи, можно собрать не один десяток конструкций. Например, звуковой пробник, генератор для изучения азбуки Морзе, прибор для отпугивания москитов, основа одноголосого музыкального инструмента. А применение внешних датчиков или устройств управления в цепи базы транзистора VT1 позволяет получить сторожевое устройство, индикатор влажности, освещённости, температуры и многие другие конструкции.

↑ Генератор световых импульсов или просто мигалка на светодиоде

Генератор световых импульсов («мигалка») на транзисторах разной структуры (рис. 2) отличается простотой, низким напряжением питания и малым потреблением тока (менее 120 мкА). Устройство выполнено по схеме несимметричного мультивибратора и работает следующим образом.

При включении источника питания GB1 конденсаторы С1 и С2 начинают заряжаться каждый по своей цепи. Конденсатор С1 по цепи R1-C1-R2, а конденсатор C2 по цепи R3-C2-R2.

Поскольку постоянная времени второй цепи много меньше первой, сначала зарядится до напряжения источника питания конденсатор С2. По мере заряда конденсатора С1 транзистор VT1 начинает открываться и открывает транзистор VT2.

Далее процесс происходит лавинообразно. Сопротивление участка коллектор – эмиттер транзистора VT2 становится очень малым и напряжение питания батареи GB1 оказывается приложенным к резистору R2.

Благодаря элементам R3, C2, называемым схемой «вольтодобавки», заряженный до напряжения источника питания конденсатор С2 оказывается подключённым последовательно с гальваническим элементов GB1 и приложенное к светодиоду напряжение почти удваивается.

В процессе разряда конденсатора С2 светодиод HL1 некоторое время светится, поскольку к нему приложено напряжение выше порогового (1,6…2,0 В).

В это же время конденсатор С1 также начинает разряжаться, что приводит к закрытию транзистора VT1, а вслед за ним и VT2. Процесс этот снова происходит лавинообразно, до надёжного закрытия обеих транзисторов.

Далее конденсаторы С1 и С2 опять начинают заряжаться, и работа устройства повторяется, как было описано выше.



Частота генерации зависит от сопротивления резисторов R1, R2, ёмкости конденсатора C1 и напряжения источника питания GB1. При указанных на схеме значениях элементов она составляет около 1,3 Гц.

Внешний вид собранной «мигалки» представлен на рис. 3. Здесь SMD элементы сочетаются с традиционными выводными деталями. Такой метод монтажа применяется и в промышленности.

↑ Низковольтная LED мигалка на транзисторах разной структуры

Схема ещё одной низковольтной «мигалки», которую мы соберём, показана на рис. 4 [4]. В ней использованы два транзистора различной структуры со статическим коэффициентом передачи тока не менее 200.



Устройство работает следующим образом. При включении конденсатор С2 заряжается через резисторы R4 и R5 до напряжения питания батареи GB1. Когда этот процесс заканчивается, база транзистора VT1 оказывается подключенной к положительному выводу источника питания через резисторы R2, R4.

Ток заряда конденсатора С1 открывает транзисторы VT1 и VT2, причем последний при этом подключает заряженный конденсатор С2 последовательно с элементом GB1. В процессе разряда конденсатора С2 светодиод HL1 некоторое время светится, поскольку к нему приложено напряжение выше порогового.

После полного разряда конденсатора С2 транзисторы закрываются и процесс повторяется.

При указанных на схеме номиналах элементов частота вспышек светодиода около 1,5 Гц. Устройство сохраняет работоспособность при разряде элемента питания до 1…1,2 В.

↑ Детали «мигалки»,

показанной на рис. 4. В устройстве используются не только двухвыводные SMD элементы: резисторы типоразмера 1206, танталовые конденсаторы А, светоизлучающий диод GNL-1210URC-3, но и трехвыводные – транзисторы общего применения в корпусах SOT-23. Транзисторы ВC847/BC857 заменимы на ВC846/BC856, ВC848/BC858, ВC849/BC859 или на ВC850/BC860.

Минусовой вывод конденсаторов отмечен контрастной полоской, а катод излучающего диода HL1 – угловой меткой.

↑ Практика SMD монтажа: изготовим сувенир-талисман

Приступим к освоению поверхностного монтажа с использованием SMD компонентов.

Соберём «мигалку» для использования в качестве сувенира – талисмана.
Печатная плата и размещение элементов генератора световых импульсов приведены на рис. 5. Никаких отверстий в плате не предусмотрено, а выключатель питания отсутствует. Можно отключать питание устройства, помещая небольшую полоску бумаги между выводом батареи GB1 и прижимной клеммой.

Малые размеры SMD компонентов требуют особой внимательности и аккуратности в монтаже. Не обойтись без паяльника с электронной регулировкой температуры, ведь перегрев элементов совершенно недопустим, так как вызовет нарушение контакта с выводами детали.

Освоение монтажа на поверхность должно стать стимулом для приобретения хотя бы простейшей паяльной станции и специального пинцета (рис. 6, 7).

Рис. 6. Одна из простых паяльных станций Hakko 937

Паяльная станция Hakko 937 относится к разряду простых паяльных станций и прекрасно подойдёт для начинающих радиолюбителей и бытовых паяльных работ, как отличная замена обычному паяльнику. Эта паяльная станция имеет малые габариты 230×170*120 мм.

В комплект поставки входит удобная подставка для паяльника с ванночкой для очистной губки паяльного жала.

Данная паяльная станция, несмотря на свои малые габариты, имеет мощность 60 Вт. На передней панели находится цифровые индикаторы и органы управления. Поддерживается установка рабочей температуры жала от 200°до 480°C.

Паяльная станция оснащена съёмным эргономичным паяльником со сменными жалами. Паяльник разогревается до нужной температуры за считанные секунды.

Рис. 7. Высококачественный пинцет из  нержавеющей стали

Точный пинцет стоматологический прямой — незаменимая вещь в работе со всякой мелочью, особенно с SMD. В качестве материала для изготовления инструментов используются высококачественные «пищевые» марки нержавеющей стали.

Перед тем, как приступить к монтажу, почитайте полезные статьи на Датагоре, содержащиеся в них советы позволят не допустить грубых ошибок и быстрее освоить азы пайки [5, 6].

Для удобства пайки выбираем следующую последовательность установки элементов на печатной плате: VT1 –> VT2 –> C1 –> R3 –> R1 –> R2 –> C2 –> R5 –> R4 –> HL1 –> прижимная клемма батареи GB1.

При правильном монтаже и исправных элементах «мигалка» сразу начинает работать, и будет более года радовать своего владельца до очередной замены элемента питания.

↑ Интегральная микросхема LM3909

Несимметричный мультивибратор на транзисторах разной структуры, показанный на рис. 2, послужил прототипом монолитной интегральной микросхемы (ИМС) LM3909 фирмы National Semiconductor, разработанной специально для питания от гальванических элементов напряжением 1,5 В [7]. Устройства на её основе обладают высокой экономичностью и обеспечивают большой срок работы без замены элементов питания.

Упрощённая принципиальная схема LM3909 представлена на рис. 8. Используется всего два навесных элемента: светодиод HL1 и конденсатор C1, определяющий частоту генерируемых импульсов и одновременно участвующий в работе схемы «вольтодобавки“. Это позволяет работать со светодиодами, имеющими прямое падение напряжения 1,6…2,0 В при напряжении питания 1,5 В и менее.



Максимальное напряжение питания микросхемы не должно превышать 6 В. Для защиты микросхемы при работе на пороге максимальных питающих напряжений служит стабилитрон VD1.

Устройства на микросхеме LM3909 могут найти применение в игрушках, рекламных изделиях, индикаторах предупреждения и т.п. Использование ИМС LM3909 рассмотрено в целом ряде радиолюбительской литературы [1, 7 — 13].

↑ Соберём микросхему LM3909 на дискрете

Сдерживающим фактором популярности у любителей служат недостаточная распространённость микросхемы LM3909 и её неадекватная цена.

Несложно изготовить прототип микросхемы, что предлагает ряд авторов [1, 10, 11, 13]. При этом они приводят весьма близкие схемы, практически копирующие схему из даташита фирмы–изготовителя.

На рис. 9 показана схема прототипа микросхемы LM3909 на электронных компонентах для поверхностного монтажа [14].

Следует помнить, что диапазон питающих напряжений схемы 1,5…6 В, а стабилитрон VD1 (рис. 8) в коллекторной цепи транзистора VT1 отсутствует.

При увеличении сопротивления резистора R1 длительность вспышек светодиода HL1 увеличивается, но уменьшается их яркость. Частоту вспышек определяют ёмкость конденсатора С1 и сумма сопротивлений резисторов R2 и R3.

↑ Детали и печатная плата прототипа микросхемы LM3909

В схеме применены резисторы типоразмера 0805, транзисторы в корпусе SOT-23.


Размеры печатной платы прототипа ИМС LM3909 выбраны не самые маленькие (27,5×20 мм), что позволило не мельчить с расположением элементов (рис. 10) и сделать доступной сборку начинающим радиолюбителям.

Монтаж поверхностных компонентов на печатной плате осуществляется в следующей последовательности: R7 –> R9 –> R8 –> VT2 –> VT3 –> VT4 –> VT1 –> R1 –> R4 –> R6 –> R5 –> R3 –> R2.
Фотография смонтированной печатной платы показана во вводной части статьи.

↑ Калейдоскоп полезных схем на несимметричном мультивибраторе

поможет радиолюбителям собрать целый ряд конструкций [1, 7 — 11].

↑ Питание светодиода от 1,5 В

На рис. 11 изображена схема светодиодного фонаря, питаемого от одного элемента напряжением 1,5 В. В ней могут использоваться сверхъяркие светодиоды с прямым напряжением 1,6…2,0 В. За счёт схемы «вольтодобавки» светодиоды получают требуемое для вспышки напряжение.

Элементы генератора подобраны таким образом, что частота следования вспышек составляет около 2 кГц, поэтому они воспринимаются глазом как непрерывное свечение фонаря. Потребляемый устройством ток около 4 мА.


Хотя микросхема LM3909 предназначена для управления светодиодными индикаторами прерывистого свечения типа «маяк», она может управлять и обычными лампами накаливания, применяемыми в карманных фонарях.

↑ Мигающий фонарь с лампой накаливания

Мигающий фонарь, показанный на рис. 12, обеспечивает частоту вспышек 1,5 Гц.

↑ Мигающий фонарь с лампой накаливания и светодиодом

Фонарь, показанный на рис. 13, размещается в корпусе обычного фонарика с двумя батарейками. Вспышки лампы накаливания дублируются светодиодом HL2.
Переключатель SA1 – штатный, установленный в корпусе устройства, а переключателем SA2 частота вспышек может быть увеличена.

↑ Универсальный фонарь

Схема фонаря, приведённая на рис. 14, обеспечивает работу в двух режимах – обычного фонарика (включается переключателем SA1) и аварийного маяка – мигалки. Этот режим работы устройства наблюдается при включении переключателем SA2, а SA1 должен находиться в положении ВЫКЛ.
Частота вспышек фонаря выбрана около 1,5 Гц.

↑ Параллельное включение сверхъярких светодиодов

Схема, приведённая на рис. 15, управляет четырьмя параллельно соединёнными светодиодами. Последовательно с каждым светодиодом включён токоограничивающий резистор (R2 – R5).
Четыре светодиода требуют повышенной запасённой энергии для вспышки, поэтому ёмкость конденсатора, подключённого к выходу схемы «вольтодобавки» (вывод 2 микросхемы) должна быть соответственно увеличена по сравнению с типовой схемой. Чтобы сохранить частоту вспышек прежней (1,3 Гц), введён резистор R6.
Устройство потребляет от источника питания ток 2 мА.

↑ Звуковой пробник

Микросхема LM3909 поможет радиолюбителям оснастить свою лабораторию простейшими измерительными приборами и пробниками. На рис. 16 – 18 показаны некоторые из возможных устройств.
С помощью звукового пробника (рис. 16) удаётся «прозвонить» монтаж, проверить лампы накаливания, трансформаторы и катушки индуктивности. При этом изменение сопротивления измеряемой цепи на несколько Ом чётко определяется на слух по изменению частоты излучения головки BF1.

↑ Светодиодный «вольтметр»

Схема, изображённая на рис. 17, может применяться в устройствах предупреждения о появлении высокого напряжения. Другое применение устройства – светодиодный «вольтметр» постоянного тока. В таблице, размещенной под схемой, номиналы элементов рассчитаны таким образом, чтобы при входном напряжении 6 В частота вспышек светодиода HL1 была 2 Гц; 15 В – 2 Гц и 100 В – 1,7 Гц. Обратите внимание, что устройство не требует источника питания.

↑ Генератор меандра

Прибор, показанный на рис. 18 – генератор прямоугольных импульсов, имеющих частоту следования 1 кГц и амплитуду более 1 В на нагрузке 10 кОм. Такой пробник применяется для проверки самой разнообразной аппаратуры.

↑ Светодиодный генератор 0…20 Гц

Генератор с регулируемой частотой вспышек (от 0 до 20 Гц) показан на рис. 19. Устройство найдёт применение в игрушках, схемах индикации и т.п.

↑ Генератор кода Морзе

Схема генератора кода Морзе, использующая небольшое число внешних элементов и потребляющая от источника питания минимальный ток, показана на рис. 20.
Один генератор одновременно управляет динамиками ВА1 на одной и ВА2 на другой сторонах. Динамики ВА1 и ВА2 размещаются в небольших корпусах объёмом примерно один кубический дециметр и работают на частоте резонанса (в районе 400 Гц) для наиболее приятного тона с минимальным энергопотреблением.

Для каждого определённого типа динамика размеры корпуса и ёмкость конденсатора С1 выбираются экспериментально по наиболее стабильному резонансному току в пределах изменения напряжения элемента питания от 1 до 1,5 В.

↑ Генератор частотой до 800 кГц

Высокочастотный генератор (на частоту 800 кГц или немного выше) использует катушку, намотанную на стандартном ферритовом сердечнике диаметром 6 мм, рис. 21. Количество витков катушки – 12, отвод сделан от 5-го витка с одного конца. Ёмкость конденсатора С2 колебательного контура – от 250 до 500 пФ. Ёмкостная положительная обратная связь подаётся через конденсатор С1.

↑ Микрофонный усилитель

Убрав цепь положительной обратной связи в типовой схеме включения ИМС LM3909, получаем маломощный усилитель, показанный на рис. 22.
Этот усилитель может использоваться в системе односторонней связи или подслушивания для различных применений.
Максимальный потребляемый ток составляет 12 – 15 мА.


Несмотря на простоту представленных конструкций, следует отметить их совершенство, что вынесено в эпиграф публикации.

↑ Файлы

Схемы и печатные платы можно взять тут:
🎁Two_projects_on_the_SMD_elements.zip  21.09 Kb ⇣ 53

↑ Список источников

1. Мосягин В.В. Секреты радиолюбительского мастерства. – М.: СОЛОН-Пресс. – 2005, 216 с. (с. 47 – 64).
2. Шустов М.А. Практическая схемотехника. 450 полезных схем радиолюбителям. Книга 1. – М.: Альтекс-А, 2001. – 352 с. 
3. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Контроль и защита источников питания. Книга 4. – М.: Альтекс-А, 2002. – 176 с. 
4. Низковольтная «мигалка». (За рубежом) // Радио, 1998, №6, с. 64.
5. Датагорская статья "Главный инструмент — паяльник!"
6. Датагорская статья "Пайка SMD деталей в домашних условиях"
7. Даташит на LM3909
8. Шумейкер Ч. Любительские схемы контроля и сигнализации на ИС. – М:.Мир, 1989 (схема 46. Простой индикатор разряда батареи, с. 104; схема 47. Маркер фалиня (мигающий), с. 105).
9. Генератор на LM3909 // Радиосхема, 2008, №2.
10. Nahrada obvodu LM3909 // Prakticka electronic A Radio, 2009, №6, с. 22.
11. Одинец А.Л. Необычное применение LM3909 // Радиоаматор, 2009, №12, с. 16.
12. Борисевич К. ИМС LM3909 в радиолюбительских конструкциях // Радиомир, 2010, №1, с. 19.
13. Discrete Version Of The LM3909 Oscillator IC
14. Белоусов О.В. Эквивалент ИМС LM3909 на деталях для поверхностного монтажа // Радиоаматор, 2011, №11, с. 34, 35.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации