Эффект плавного зажигания светодиода: время зажигания и гашения

Добавление в схему подстроечного резистора и диода для точной синхронизации длительности зажигания и гашения светодиода. Основы наблюдения электрических процессов на осциллографе.

🎬 Демонстрация синхронизации

Ниже представлены видео работы устройства без схемы синхронизации и с ней. Из первого видеоролика заметно, что время зажигания светодиода больше времени его гашения. На втором видеоролике длительность зажигания и гашения светодиода одинаковы.

🔍 Интересная деталь. В самом начале последнего подъёма линия на графике резко и на мгновение падает вниз. Этот одиночный провал напряжения вызван эффектом «дребезга контактов» (смотри подробнее в 📘 [Платт, 2024, с. 251] ¹). В момент, когда штекер заходит в макетную плату, имитируя нажатие кнопки SB1, он соприкасается с гнездом неплотно и на долю секунды буквально отталкивается от его стенок. Из-за этого контакт на миг пропадает. Такие микро-колебания приводят к мгновенному падению напряжения, которое и успевает зафиксировать осциллограф!

Как работает синхронизация

Рассмотрим, как одновременно зажечь и погасить светодиод. Изучим электрическую принципиальную схему в части подключения цепочки установки длительности зажигания VD1:

Начнём крутить подстроечный резистор до тех пор, пока светодиод почти готов зажечься, но ещё не горит. Чтобы увидеть невидимые процессы, воспользуемся осциллографом! Подключим прибор к точке «А» на электрической схеме и настроим его шкалу:
• По вертикали (напряжение): одна клетка (5 точек) равна 1 Вольту.
• По горизонтали (время): одна клетка равна 5 секундам (значит, 1 точка — это ровно 1 секунда).

Затем включаем питание схемы и следим за графиком.

Вот что происходит на экране осциллографа:

1. 🔋 Ожидание (Предзаряд): При включении питания конденсатор успевает «предзарядиться» за 10 секунд до напряжения 2.2 Вольта. На графике виден первый подъём по вертикали. В этом состоянии схема замирает. Напряжения 2.2 В не хватает, чтобы открыть транзистор VT2, поэтому ток через него не идёт, а светодиод VD1 не загорается.

2. 📈 Нажатие кнопки (Заряд): Когда мы нажимаем кнопку SB1, ток бежит от батареи GB1 через резистор R2 в конденсатор и он начинает дозаряжаться. За 7 секунд напряжение на нём поднимается с 2.2 В почти до 3 В (2.96 В). На экране осциллографа мы видим этот момент как плавный подъём линии вверх. Транзистор VT2 постепенно открывается, а светодиод плавно зажигается!

3. 📉 Отпускание кнопки (Разряд): Как только мы отпускаем кнопку, конденсатор начинает разряжаться, а транзистор VT2 постепенно закрываться. На осциллографе линия плавно идёт вниз: за те же 7 секунд напряжение падает с 3 В обратно до 2.2 В, а светодиод постепенно гаснет.

Зачем тут «предзаряд»?
Эта цепочка удерживает конденсатор на «стартовой» отметке в 2.2 В. Благодаря тому, что он никогда не разряжается до полного нуля, а всегда ждёт на этой позиции, мы смогли выровнять время зажигания и гашения! С помощью предзаряда можно легко настроить любые нужные временные интервалы! ⚡⏱️

Примечание. Описание работы адаптировано для понимания ребятами 10–14 лет. Намеренно убраны сложные профессиональные термины, скрытые детали и допущены некоторые упрощения, чтобы суть процессов была максимально понятна. 🧒

Исследовательский потенциал

Упрощенное описание принципа синхронизации оставляет юным исследователям возможность самостоятельно, более детально изучить работу схемы и полупроводниковых приборов. Например, проверить: протекает ли в действительности ток через переход коллектор-эмиттер VT2 при напряжении в точке «А» 2.2 В? А если он всё-таки существует, то что является причиной? И почему при этом не загорается светодиод? Из-за чего в момент «дребезга контактов» напряжение падает ниже 2.2 В? Отличный повод провести детальный исследовательский эксперимент! 🔬

❓🧠 Вопрос для размышления. Если из-за дребезга контактов соприкосновение между штекером и гнездом макетной платы на миг полностью пропадает, то почему напряжение на графике не падает до самого нуля (второе видео)? Что мешает ему это сделать? Напиши свою инженерную версию в комментариях!