Vlammensimulator

Situering
Vlammensimulators zijn van alle tijden: denk maar aan het nabootsen van een haardvuur. De uitvoering zal echter verschillen afhankelijk van de toepassing. In dit geval betrof het de lege schelp van een struisvogelei waarin een brandweerembleem was uitgesneden. Het was dus de bedoeling in het ei een vuurtje te simuleren om de uitstraling van het geheel te verbeteren.

Omdat de inbrengopening van de lampjes zo klein mogelijk moest gehouden worden werd er gekozen voor kerstboomlampjes van 7V – 120 mA. Om een constant licht te krijgen is gekozen voor een rood en geel exemplaar die elkaar tegenwerken: als de lichtsterkte van het ene vergroot zal deze van het andere verminderen.

Algemeen principe
Vlammen kunnen gesimuleerd worden door een (rode) lamp te laten flikkeren, of met andere woorden de lichtsterkte schoksgewijs en willekeurig (dus niet volgens een bepaald patroon) te laten veranderen. Dit ideale principe is niet gemakkelijk te verwezenlijken maar met een paar compromissen kan men een aardig resultaat bekomen.

Elektor heeft vroeger een het schema van een kaarsjessimulator (kerstboomverlichting voor lampen op 220V – zie boek 301 schakelingen nr 117 blz 84) gepubliceerd. Het principe daarvan was het genereren van een bloksignaal met een veranderlijke spanning waarvan de grootte begrensd werd door een driehoeksspanning zoals te zien is in dit figuur:

Omdat een blokspanning meer een pinkend effect veroorzaakt en omdat ik graag werk met opamps is het het vlammenimitatieprincipe (het moduleren van een draaggolf – hier een driehoekssignaal) als dit uitgewerkt is ziet dit er zo uit:

Download hier een printbare versie

Het is als volgt te begrijpen:

De door de oscillator U1 (blokgolfgenerator) opgewekte driehoeksspanning (Vc) aan de condensator C1 wordt door de opamp U2 versterkt. Dit signaal wordt gebruikt als omklapspanning voor de oscillator U3. Indien de frequentie van U3 groter is dan deze van U1 dan zal de spanning (Vc2) aan de condensator C2, versterkt door U4, een verloop kennen zoals hieronder voorgesteld.

Vc2 is het stuursignaal voor de lampen en wordt door een vermogenopamp U5 – een L165 – nogmaals versterkt.

Verdere uitwerking 

Alhoewel de lampjesspanning 7V bedraagt  werd er gekozen voor een voedingsspanning van 12V om ze te kunnen oversturen voor betere lichteffecten.

Kerstboomlampjes kunnen onderling sterk van elkaar verschillen zodat men ze moet  uitzoeken om ongeveer volgende karakteristieken te bekomen: bij 1V zijn de gloeidraden rood afgetekend, bij 2V is er een rood dotje, bij 3V kan men van licht spreken dat bij 4V redelijk schijnt, van 5 tot 7V vergroot de lichtsterkte evenredig.

Met deze karakteristieken is er voor gekozen om Vc2 van 3,5 tot 8,5 V te laten variëren.

De spanning over de lampjes zal dus maximaal 8,5 V bedragen.

        Voor lamp 1 variërend tussen  0 en 8,5 V

        Voor lamp 2 variërend tussen  3,5 en 12 V

De weerstandwaarden van de oscillatoren moeten in functie van dit doel berekend  worden.

Omdat de uitgangsgegevens bekend zijn bepalen we in eerste instantie de componenten van de oscillator U3. Voor de werking en componentenbepaling van een oscillator wordt verwezen naar andere schakelingen op deze website.

De uitgangsspanning Vy2 van deze oscillator is afwisselend 1,6 en 11,2 Volt (Voor berekeningen werd hiervoor 2 en 11V genomen)

In eerste instantie wordt de combinatie R7 – R8 – D3 – D4 vervangen door een enkele weerstand R.  Zo kan men gemakkelijk voor verschillende waarden van  R, Vc en Vy2 de overeenkomstige waarde van Vc2 bepalen.

SS = spanningssprong bij flikkeringen

Uit bovenstaande tabel kunnen volgende besluiten getrokken worden:

- R verhogen verhoogt de spanningssprong (SS) en dus ook de flikkersterkte

- Voor een bepaalde waarde van R is SS constant. Met het oorspronkelijke schema (R7 – R8 – D3 – D4 ) en met R7 verschillend van R8 wordt SS variabel.

- R verhogen verhoogt Vc2-MIN en Vc2-MAX ( zie figuur “Spanningsverloop Vc2“)

- Voor R klein worden de spanningsvariaties van Vc2 hoofdzakelijk bepaald door Vc

- Voor R groot worden de spanningsvariaties van Vc2 hoofdzakelijk bepaald door Vy.

Rekening houdend met al deze factoren is gekozen voor R = 50 K omdat uit testen bleek dat het werken met  R7 – R8 – D3 – D4 niet het verhoopte resultaten gaf.

Om Vc2 te laten variëren tussen 3,5 en 8,5 V met R = 50K moet, volgens exacte berekeningen ( Vy  = 1,6 of 11,2 V) Vc variëren tussen 4,45 V en 7,15 V.

Met deze gegevens kunnen dan weer de componenten van de oscillator U1 berekend worden. (zie de schakeling kerstboomlampjes op deze website).

Wederom wordt de combinatie R3 – R4 – D1 – D2 vervangen door een enkele weerstand R.

Resultaat van de berekeningen:

  -   R1 = 100K

  -   R2 = 87K  (100K op het schema)

  -   R = 120K (= R3 =  R4)

Voor testen en instellingen naar ieders gading kan men beter met potentiometers werken.

Diegenen die iets uit willen proberen (bijvoorbeeld  lampjes met andere karakteristieken of een enkel lampje) kunnen naar hartelust experimenteren met de variabele weerstanden van het schema zoals het getekend is.

Voor een gebruiksklare uitvoering dient  het schema als volgt gewijzigd:

  - gebruikte opamp: 1458

  - R2 = 87K

  - Vervang de combinatie R3 – R4 – D1 – D2 door een 120K weerstand

  - Vervang de combinatie R7 – R8 – D3 – D4 door een 50K weerstand

Uit testen bleek dat, met de gekozen configuratie, de instellingen niet zo kritisch zijn.

Ook gaf een variabele spanningssprong geen merkbaar verschil.

Onderling verschillende frequentie-instellingen gaven wel andere effecten.

Driehoekgenerator

Omdat de driehoeksgenerator een essentieel onderdeel is van de vlammensimulator is het nuttig zijn werking nader te onderzoeken.

- V_y(max) en V_y(min) zijn afhankelijk van de voedingsspanning en de gebruikte operationele versterker. Voor het IC 1458 is dit bij een voeding van 12 Volt respectievelijk 11,2 en 1,6 Volt.

- V_c(instel)  is in feite een fictieve waarde en is gelijk aan V_x waarbij in dit specifiek geval enkel en alleen rekening gehouden wordt met de weerstanden R1 en R2

- V_c(max) kan nooit kleiner worden dan V_c(instel)

- V_c(min) kan nooit groter worden dan V_c(instel)

- V_c(max) kan gewijzigd worden met R3

- V_c(min) kan gewijzigd worden met R4

Indien R3 of R4 nul zijn dan is het spanningsverschil tussen Vy en Vc de spanningsval over een diode. Op zich is dit geen probleem, maar aangezien de condensator C1 exponentieel wordt geladen en ontladen is het, gezien de condensatorverliezen en de stroomafnames, mogelijk dat de generatorwerking stopt.

De berekening van de weerstanden van een driehoeksoscillator kunnen zeer nauwkeurig gebeuren met de hulp van het programma EXCEL.

Vlammensimulator met met 2 Generatoren 

Toepassing van het bovenstaande laat ons toe driehoeksspanningen op maat te genereren wat nuttig is voor de uitwerking van een vlammensimulator verwezenlijkt met twee driehoeksgeneratoren.

Deze uitvoering laat ons toe het maximum en minimum licht onafhankelijk van elkaar te regelen. De omkipspanningen van U3 worden afwisselend gegeven door de onderste en bovenste grens minus de spanning over een diode. De stuurspanning voor de lampen kent dan het volgende verloop:

De figuur lijkt symmetrisch maar met willekeurige ingestelde frequenties zal het resultaat veel grimmiger zijn. Wie de vlammensimulator met twee driehoeksgeneratoren wil verwezenlijken moet vooral letten op het volgende:

- De onderste en de bovenste grens voor de lichtregeling overlappen elkaar liefst niet: het kan geen kwaad maar de operationele versterker U3 zal oscilleren tot dat de bovenste grens hoger is dan de onderste.

- De frequentie van U3 moet steeds hoger zijn dan deze van de driehoeksgeneratoren die de bovenste en de onderste grens bepalen.

Verwezenlijkingen

Hieronder een foto van de proefuitvoering van de eerste vlammensimulator.

Voor de volledigheid is het printschema van de testopstelling bijgevoegd. Door de voeding moeten er belangrijke en variabele stromen geleverd worden. Het gebruik van grote afvlakelco’s (4700μ)  wordt dus aanbevolen.

Het wordt aangeraden het IC  “L165” te koelen bij zware belastingen.

Print 

De twee-generatoren uitvoering gaf betere resultaten en was daarenboven gemakkelijker af te regelen. Het printschema ziet er als volgt uit:

Download hier een niet verkleinde versie

De afregeling van deze laatste kan als volgt gebeuren:

- Stel een redelijke lage frequentie af voor de high-level generator. De veranderingen van de uitgangsspanning (pin 7 van de opamp) kunnen nu gemakkelijk met een voltmeter gevolgd worden. Met de corresponderende hoog en laag potentiometers kunnen de gewenste waarden ingesteld worden.

- Een gelijkwaardige regeling kan ook voor de low-level generator

- Geef de twee generatoren en ook de eindgenerator een gepaste werkingsfrequentie

Mijn verwezenlijking heeft volgende kenmerken:

Voeding: 12V   ///  lampjes 7V  ///  High-generator afgesteld op 5 – 8 V   /// Low-generator afgesteld op 2 – 5 V

En voor de liefhebbers ook een lay-out van de 2 generatoren uitvoering. Het printje meet 86 op 55 mm. Ik heb het nagezien maar niet verwezenlijkt. Er is dus geen 100%  zekerheid dat er geen fouten in zitten. Kijk het nog even grondig na voor u begint. Foutje gevonden? Laat mij het weten.

Download hier een niet verkleinde versie	Download hier een niet verkleinde versie

Met dank aan E. Demuys

Heb je nog vragen over deze schakeling, stel deze dan gerust op het forum.