Malá LED svítilna - klíčenka

První pokusy začínajícího amatéra - elektrotechnika - jsou obvykle spojeny s rozsvěcováním různých "světýlek a blikátek". Jsou to často velmi jednoduchá zařízení, která se dají snadno postavit, oživit a je u nich na první pohled vidět jejich funkce. Pro jejich uvedení do chodu nejsou prakticky potřeba měřicí přístroje, stačí vhodné pájecí zařízení.

Má-li být zařízení podobného druhu navíc i užitečné, není již volba co postavit tak jednoduchá. Na této stránce je popsána stavba malé svítilny - "LED klíčenky", která vám poslouží při nočním návratu domů nebo s ní můžete někomu udělat radost. Světlo ze tří malých 3 mm LED je dostatečné na posvícení na cestu nebo při hledání klíčové dírky. V těžších stavech vám alespoň pomůže najít správné dveře...

Protože jsou použity SMD součástky, doporučuji začátečníkům používat při výrobě mikropáječku s dobrým hrotem.

Konstrukce svítilny

Kamenem úrazu u amatérského výrobku bývá mechanické provedení vhodné krabičky. U malé klíčenky je amatérská výroba malé, lehké, hezké a funkční krabičky ten nejtěžší úkol. Naštěstí se dají zakoupit profesionální plastové krabičky pro různá dálková ovládání.

Z dostupné nabídky byla zvolena krabička s jedním tlačítkem s označením KM09 nebo DK09ABS (podle dodavatele). Její rozměry jsou 56 x 33 x 14 mm a je na horním obrázku.

Uvnitř výlisku krabičky je připraven držák na malou 12 V baterii, která se používá především pro napájení dálkových ovládání zamykání automobilů:

V současnosti se jako nejefektivnější zdroj světla nabízí vysoce svítivá LED. V propustném směru je na LED úbytek napětí mírně nad 3 V, takže zmíněná baterie je schopna napájet celkem 3 sériově zapojené bílé LED. Pokud zvolíme proud protékající přes LED asi 10 mA (aby LED nebyla namáhána na hranici mezních parametrů a baterie nebyla rychle vybitá), pak si snadno i začínající amatér spočítá, jaký by bylo potřeba použít předřadný odpor. Ten, kdo si není jistý, může najít nápovědu zde.

Stačilo by přidat jeden spínač a svítilna je hotová...

... ale bohužel. Najít vhodný malý spínač s aretací, který by se nemusel při svícení držet není snadné. Dáváte-li ale přednost světlu na tlačítko, pak již asi sami vyrábíte.

Kdo si chce dopřát "trochu luxusu" a chce rozsvěcovat a zhasínat svítilnu jedním stisknutím tlačítka, musí investovat trochu více. Protože vhodný spínač, který by vešel do krabičky pravděpodobně po ruce nemáte, nezbývá než použít elektronický obvod pro "ovládání jedním tlačítkem".

Různé verze svítící klíčenky

Původní návod zveřejněný na této stránce používal pro klíčenku ovládání pomocí klopného obvodu D (viz dále). Po delší zkušenosti s klíčenkou v praxi se ukázalo, že systém "stiskem zapni a pak stiskem vypni" není zrovna ideální. Často se totiž stane, že se tlačítko nechtěně zmáčkne v kapse nebo tašce a pak se může baterie dlouhodobým zapnutím zcela vybít.

Proto se ukázalo, že monostabilní klopný obvod může být pro daný účel vhodnější než bistabilní. A i třetí varianta - astabilní klopný obvod - najde své opodstatnění v podobném zařízení - např. když jdete po frekventované cestě večer domů a chcete být vidět. Elektronika pro klíčenku se rozrostla celkem na 5 různých variant (a další si můžete vymyslet sami :-).

Verze A) astabilní klopný obvod s 40106

Astabilní klopný obvod nemá, jak naznačuje jeho název, stabilní stav. Stále mezi oběma stavy překlápí. V našem případě bude blikat a tím nám udělá nouzový výstražný majáček. Pro vytvoření astabilního klopného obvodu (multivibrátoru) stačí použít jedno invertující hradlo se Schmittovým obvodem na vstupu.

Časová konstanta blikání je dána rezistorem R1 a kondenzátorem C1. Pokud použijete i naznačené součástky R3 a D4, změní se pravidelné blikání s poměrem 1:1 na krátké rychlé záblesky, které jsou dostatečně viditelné. Kondenzátor C1 se bude delší dobu nabíjet přes R1 a pak (díky D4) po kratší dobu vybíjet přes R1 a R3.

Zbývajících 5 hradel invertorů v obvodu pak slouží pro ovládání LED. Paralelní zapojení hradel u CMOS obvodů vytváří "výkonový" výstup dostatečný pro buzení LED větším proudem, než by zvládlo jedno hradlo. Zařízení bliká pouze když je stisknuté tlačítko SW1. U této verze je tedy potřeba držet stisknuté tlačítko po celou dobu provozu.

V případě, že byste chtěli mít blikač v barvě červené, můžete použít na výstupu místo 3 bílých LED 4 červené. Červená LED má menší úbytek v propustném stavu a 4 diody v sérii budou mít úbytek napětí do 8 V, což je tak akorát...

Zde je jednostranná deska plošného spoje. Stačí si obrázek vytisknout v rozlišení 600 dpi. Rozměr je 33 x 26 mm.

A zde rozmístění součástek na desce plošného spoje.

A seznam potřebných součástek:

Verze B) monostabilní klopný obvod s 4538

Monostabilní klopný obvod má proti předchozí verzi 1 stabilní stav. V našem případě je na výstupu "0" - vypnuto. Pokud jej z tohoto stavu vybudíte tlačítkem SW1 do stavu "1" - zapnuto, zůstane v něm po přesně definovanou dobu a pak se samovolně vrátí do svého stabilního stavu - vypne světlo. Monostabilní obvod je možné udělat z běžných hradel, ale pro tento účel je asi nejlepší použít přímo obvod 4538.

Časová konstanta překlopení je určena rezistorem R2 a kondenzátorem C1. V našem případě je doba svícení nastavena na přibližně 20 sekund. Během této doby je možné kdykoliv zmáčknout tlačítko SW1 a nastartovat novou periodu a tím dobu svícení prodlužovat.

Výstup z obvodu by nedodal dostatečný proud, proto je posílen tranzistorem T1. Druhá polovina integrovaného obvodu není využita, je zablokována, aby zbytečně nezvyšovala proudový odběr.

Zde je pro tuto verzi jednostranná deska plošného spoje. Stačí si obrázek vytisknout v rozlišení 600 dpi. Rozměr je 33 x 26 mm.

A zde rozmístění součástek na desce plošného spoje.

A seznam potřebných součástek:

Verze C) bistabilní klopný obvod s 40106

Bistabilní klopný obvod je ze všech uvedených obvodů nejstabilnější. Jak již naznačuje jeho název, má stabilní 2 stavy. Zůstává v daném stavu, dokud není vnějším zásahem překlopen do opačného stavu. Sám svévolně stavy nepřeklápí. Pro vytvoření bistabilního klopného obvodu nám postačí použít 2 invertující hradla (v našem případě se Schmittovým obvodem na vstupu - ale to není nutné).

Zapojení představuje klopný obvod R-S přepínaný pomocí náboje, který se objeví na kondenzátoru při výstupním stavu "1" nebo naopak vybitým kondenzátorem při stavu "0". Rezistor 4K7 není při použití obvodů řady 4000 nezbytně nutný, je zde pouze pro "pocit sucha a bezpečí". Nemám totiž rád výstupy, které byť na chvíli pracují do zkratu :-).

Zbývající hradla invertorů v obvodu pak opět slouží pro ovládání LED. Paralelní zapojení hradel u CMOS obvodů vytváří posílený "výkonový" výstup.

Zde je jednostranná deska plošného spoje. Stačí si obrázek vytisknout v rozlišení 600 dpi. Rozměr je 33 x 26 mm.

A zde rozmístění součástek na desce plošného spoje.

A seznam potřebných součástek:

Zařízení ovládaná jedním tlačítkem se v amatérské praxi často řeší pomocí klopného obvodu typu D zapojeného jako dělič dvěma.

Klopné obvody D lze najít v různých integrovaných obvodech, zde jsou uvedeny 2 příklady jak je možné daný úkol vyřešit.

Verze D) Dvojitý klopný obvod 4013

Jedním z nejdostupnějších jednoduchých klopných obvodů z CMOS řady 4000 je dvojitý D klopný obvod 4013. Často se také pro podobné účely k ovládání jedním tlačítkem používá. Na následujícím obrázku je uvedeno zapojení klíčenky s využitím poloviny tohoto obvodu.

Bohužel, klopný obvod z integrovaného obvodu 4013 není ideální pro podobné použití. Jeden z jeho parametrů požadující maximální čas pro hranu hodinového signálu je příliš krátký pro jednoduché přímé připojení tlačítka. Obvykle se zákmity, které má prakticky každý mechanický spínací prvek, potlačují pomocí RC článku s časovou konstantou v oblasti jednotek milisekund. Takto dlouhý čas však může způsobit nesprávnou funkci klopného obvodu.

Proto je v uvedeném zapojení zkrácený čas článku R1 a C1 asi 1000x proti potřebné době vhodné pro ošetření zákmitů tlačítka. Tím nejsou případné zákmity řádně potlačeny a při ovládání se může stát, že přijde několik impulsů na hodinový vstup klopného obvodu.

Při praktických zkouškách na dvou postavených vzorcích se ukázalo, že asi každé desáté až dvacáté zmáčknutí nezareagovalo správně - musí následovat "opravný" stisk. Vzhledem k tomu, že nejde o raketovou techniku, ale pouze o svítící klíčenku, je možné tuto vlastnost tolerovat. Komu by to vadilo, může si postavit druhou verzi s jiným integrovaným obvodem.

Zde je jednostranná deska plošného spoje. Stačí si obrázek vytisknout v rozlišení 600 dpi. Rozměr je 33 x 26 mm.

A zde rozmístění součástek na desce plošného spoje.

A ještě seznam potřebných součástek:

Verze E) Vícestupňový binární čítač

Výše zmíněný problém s odstraněním zákmitů tlačítka by bylo možné řešit např pomocí předřazeného tzv. Schmittova hysterezního klopného obvodu. Tím by se ale celé zapojení komplikovalo a ztratilo svou jednoduchost. Lepším řešením je tedy vybrat jiný integrovaný obvod, který má již potřebný hysterezní obvod integrovaný na svém vstupu.

Z běžně dostupných integrovaných obvodů se nabízejí vícestupňové binární čítače 4020 a 4040. I když jde na daný účel až příliš komplikované obvody (14bitový resp. 12bitový binární čítač), je možné je použít s tím, že využijeme pouze jediný první stupeň celého čítače. Může se to zdát jako "kanón na vrabce", ale cenou ani obvodově se zapojení příliš nekomplikuje.

Na místě čítače je možné použít buď obvod 4020 nebo 4040. Mají stejné pouzdro a i zapojení vývodů pro vstup a výstup prvního stupně je na stejné pozici.

Zde je opět jednostranná deska plošného spoje pro druhou verzi svítilny. Stačí si obrázek vytisknout v rozlišení 600 dpi. Rozměr je shodný - 33 x 26 mm.

Zde máte rozmístění součástek na desce plošného spoje.

A ještě seznam potřebných součástek:

Mechanická konstrukce

Mechanická konstrukce svítilny je velmi jednoduchá a měl by ji zvládnout i opravdový začátečník. Ve spodním čele krabičky je potřeba vyvrtat 3 díry o průměru 3 mm tak, aby byly vzdálené asi 6 mm od sebe. Snažte se je vyvrtat co nejblíže ke hraně, která se dotýká druhé horní poloviny krabičky.

Rozmístění součástek a upevnění plošného spoje je zřejmé z následujícího obrázku:

Pro kontakty baterie použijte kousek tenkého pocínovaného plechu. Pasek o šířce asi 4 mm připájejte k plošnému spoji a vytvarujte tak, aby kontakty dobře dosedly na oba póly baterie. Střed tlačítka SW1 umístěte nad místo označené křížkem na motivu plošného spoje. Tlačítko by mělo být těsně na desce. Jeho vrchol pak dosedne přesně pod gumový hmatník dodávaný jako součást krabičky.

Všechny součástky kromě LED připájejte na plošný spoj. Plošný spoj vložte do krabičky na místo vymezené plastovými výstupky. Spoj není nijak uchycený, na místě jej drží vývody LED a vymezovací výstupky.

Do děr v čele krabičky vtlačte LED. Pro začátečníky jenom připomenu, že delší vývod LED patří k plošce označené "+". Vývody LED vhodně vytvarujte a zapájejte. Pozor na ostré ohyby těsně u pouzdra LED! Nemají to rády!

Po vložení baterie nejprve vyzkoušejte funkci zařízení a pak zaklapněte horní díl krabičky, do kterého jste nejprve zasadili gumový hmatník. Dírku v horním dílu můžete ucpat např. vlepením uštípnuté plastové hlavičky barevné 3 mm LED.

Varianty svítilny

Popsaná zapojení svítilny s vybranými obvody samozřejmě nejsou jedinou možností, jak ovládat podobné svítící zařízení jedním tlačítkem. Porozhlédnete-li se po integrovaných obvodech z řady CMOS 4000, jistě byste objevili řadu vhodných kandidátů.

Jako jeden z přímo pro tento účel určených obvodů se může zdát klopný obvod J-K, který má ve své pravdivostní tabulce stav, kdy funguje jako dělič dvěma. Bohužel, v tomto případě je nutné se mít na pozoru. Obvod 4027 se u jednotlivých výrobců dost liší a můžete s ním mít problémy.

Při použití dvouvstupových hradel NAND 4093 můžete spojit bistabilní klopný obvod podle C) a astabilní klopný obvod podle A). Blikač lze pak ovládat jedním stiskem tlačítka.

Závěr

Jde o velice jednoduchý přístroj vhodný i pro začátečníky. Podaří-li se vám jej úspěšně sestavit, určitě oceníte jeho užitečné služby.

I když lze na tržišti nebo jinde koupit řadu různých svítilen ke klíčům, osobně vyrobené zařízení vždy potěší více (a máte navíc zaručený odborný servis)...