Путеводитель в мир электроники. Книга 2 - Борис Семенов

В генераторе, схема которого показана на рис. 13.22 (13.23), напряжение на конденсаторе как раз и меняется в интервале от 2/3 до 1/3 от Uп, так как в эти моменты срабатывают соответствующие компараторы и происходит переключение режимов заряд/разряд конденсатора. Из схемы видно, что заряд С1 проходит через два резистора R1 + R2, а разряд через более короткую цепь — всего один — R2 (за счет включения транзистора V14). Естественно, в этом случае и длительность у выходных импульсов будет несимметричной.

На рис. 13.25 показаны различные модификации генераторов, обладающие особыми свойствами, например позволяющие получить симметричные импульсы (когда Т1 = Т2, их называют меандром) или импульсы с регулируемой скважностью в широких пределах при неизменной частоте (например, если лампа аварийных огней будет светиться короткими вспышками, это значительно уменьшит потребление энергии).

Рис. 13.25. Варианты генераторов импульсов:

а — меандра; б — с регулируемой скважностью при неизменной частоте

В этих схемах не используется вывод 7, а разряд конденсатора (так же, как и заряд) проходит через выход микросхемы. Такой генератор может быть не только тактовым (задающим частоту) для работы простейшей цифровой схемы или преобразователя, но и применяться для звукового оповещения (создания сигнала тревоги).

Для генераторов, собранных на классических микросхемах из серии 555, максимальная частота импульсов обычно не превышает 200…500 кГц, но современные аналоги, например из серии 7555, позволяют работать с частотой 1,1 МГц, a TLC555 — 2,1 МГц. При этом надо учитывать, что все микросхемы могут работать и на более высоких частотах, чем это рекомендовано производителями, если для вас не нужны гарантии по стабильности частоты и не важно, какие будут завалы фронтов у выходных импульсов (они станут больше похожи на искаженный синус).

Схемы на таймерах можно легко включать каскадно, т. е. друг за другом, когда первая микросхема управляет второй. Это позволяет получать прерывистое, двухтональное или плавно меняющееся звучание. Например, в схеме на рис. 13.26, если частота у генератора D1 значительно более низкая, чем у D2, то в динамике получится двухтональный сигнал.

Рис. 13.26. Каскадное включение микросхем для получения многофункционального генератора

Имеющийся в схеме включатель SA1 позволяет превращать сигнал из двухтонального в прерывистый — генератор D1 периодически отключает работу D2 (путем подачи через контакты SA1 на вход D2/4 уровня логического нуля). Замечено, что прерывистый звуковой сигнал сильнее привлекает внимание и менее утомителен для слуха. Причем частоту повторения сигналов можно регулировать в широком диапазоне. Приведенная схема предусматривает электронное управление включением, т. е. электрическим сигналом (нулем) можно полностью отключить выходную микросхему. В схеме эту задачу выполняет включатель SA2. Если ввести еще один включатель SA3, то с его помощью генератор можно сделать однотональным, так как при этом отключается генератор на микросхеме D1.

Если же у вас нет необходимости устанавливать произвольную частоту повторения, а достаточно и 2 Гц (два сигнала в секунду), то можно воспользоваться более простой схемой, выполненной всего на одном таймере и специальном светодиоде (с прерывистым свечением), рис. 13.27.

Рис. 13.27. Генератор прерывистого звукового сигнала на мигающем светодиоде

Ну а теперь давайте познакомимся с практической схемой одновибратора. На рис. 13.28 показано типовое включение микросхемы для получения на выходе одного импульса заданной длительности.

Рис. 13.28. Таймер для отключения нагрузки через заданный интервал времени

При подаче питания на схему, так как на инверсном входе нижнего компаратора уровень напряжения низкий, внутренний триггер включится, и на выходе (вывод 3) появится напряжение.

Длительность импульса, т. е. время присутствия напряжения на выходе, определяется временем заряда конденсатора С2 до уровня напряжения срабатывания верхнего компаратора (2/3 от Uп). Его легко можно рассчитать по формуле:

Т = 1,1·С·(R1 + … + Rn),

где Т — в секундах, С — в фарадах, R — в омах.

Чтобы была возможность выбирать разные временные интервалы, времязадающих резисторов может быть установлено много и при помощи переключателя коммутироваться нужные (на схеме их показано всего 5). При указанных номиналах интервалы получаются 2, 4, 6, 8, 10 мин. Любую внешнюю нагрузку (зарядное устройство, ионизатор, нагреватель, приемник или что-то еще) отключит группа контактов электромагнитного реле К1.1 — его можно подобрать по справочному разделу приложения. Напряжение питания схемы выбирается в зависимости от номинального рабочего напряжения реле. Кнопка SB1 служит для того, чтобы повторно включить таймер (не выключая питание).

Для монтажа этой схемы можно воспользоваться топологией печатной платы на рис. 13.29.

Рис. 13.29. Топология печатной платы, расположение элементов и вид монтажа таймера (реле использовано типа РЭС47 на 27 В)

Обычно у каждого, кто собирает временной таймер, своя цель, и, соответственно, нужно иметь свои интервалы времени. В этом случае удобно воспользоваться расчетом по приведенной выше формуле. А чтобы получить значение временного интервала сразу в нужной размерности, при выборе величин удобно руководствоваться табл. 13.2. Можно также воспользоваться компьютерными программами для расчета, см. главу «Компьютер в лаборатории радиолюбителя».

Значения времязадающих элементов могут изменяться в широких пределах, и теоретически не существует ограничений на их выбор, но на практике они все же есть (это справедливо и для генераторов). С точки зрения экономичности работы устанавливать R1 меньше 10 кОм нецелесообразно. Практический минимум для С3 приблизительно 95 пФ — при более низких значениях паразитные емкости станут оказывать существенное влияние на точность формируемого интервала. Воспользовавшись этими значениями, можно рассчитать минимальную длительность импульса на выходе — она составит 1 мкс, что получается в 100 раз меньше, чем рекомендуемый минимум (1 мс), но это позволяет иметь большой запас в выборе значений R и С (обычно удобнее бывает сначала выбрать конденсатор из стандартного ряда, имеющий малые габариты, а затем рассчитать резистор).

Верхний предел для резисторов (R1 + Rn) находится приблизительно около 15 МОм, но он должен быть выбран меньше, если необходимо получить у формируемого импульса длительность с точностью не хуже, чем указано в паспорте для микросхемы (обычно 1 %). Верхний предел сопротивления связан со значением входного тока через выводы микросхемы (утечка). Например, при пороговом токе утечки 120 нА это значение получается 14 МОм (когда рабочее напряжение 5 В). Но, так как при формировании больших временных интервалов обычно используются полярные оксидные конденсаторы с большими номиналами, в этом случае их утечку также следует учитывать, поскольку она может быть соизмерима с входной у микросхемы. Иначе при больших значениях R может получиться ситуация, когда в процессе заряда напряжение на конденсаторе не сможет дорасти до порогового значения (2/3 Uп. В этом случае выходной триггер не переключится. Поэтому на практике значение номинала R выбирают с запасом так, чтобы это не могло случиться даже при максимальном технологическом разбросе применяемых деталей. К тому же для получения импульсов большой длительности лучше использовать специальные оксидные конденсаторы с низкой утечкой (танталовые).

Этот подраздел может быть очень длинным, а может быть очень коротким. Авторы решили остановиться на втором варианте, поскольку описать все типы специализированных аналоговых микросхем, использующихся в современной технике, просто невозможно. Вот краткий перечень устройств, в которых можно встретить эти микросхемы. Например, в телефонных аппаратах — схемы вызова абонента, усилительные схемы, схемы набора номера. В радиоприемной и телевизионной технике, в частности, в бытовых телевизорах, очень много специализированных аналоговых микросхем. Впрочем, если рассматривать внутреннее устройство этих микросхем, то окажется, что они состоят из дискретных элементов, операционных усилителей, компараторов, таймеров и других схемотехнических блоков. В любом случае, если читатель столкнется с такой микросхемой, ему нужно будет разыскать на нее техническую документацию и разобраться с принципами работы.