Автор: Янссон Чарльз Платт Фредрик  

Теги: электротехника   электроника   энциклопедия  

ISBN: 978-5-9775-3749-0

Год: 2017

Похожие

Энциклопедия электронных компонентов. Том 3.

Энциклопедия электронных компонентов. Том 1. Резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, переключатели, преобразователи, реле, транзисторы

Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник

Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы

Текст
                    Encyclopedia of
Electronic
Components
Volume 2
Charles Platt
with Fredrik Jansson
^2)makermedia
SEBASTOPOL, CA


Чарльз Платт
Фредрик Янссон
Энциклопедия
электронных
компонентов
Тиристоры - аналоговые и цифровые
микросхемы - светодиоды - ЖК-дисплеи -
аудиокомпоненты
Санкт-Петербург
«БХВ-Петербург»
2017


УДК 621.3
ББК 32.85
П37
Платт, Ч.
П37 Энциклопедия электронных компонентов. Том 2. Тиристоры, аналоговые и цифровые микросхемы,
светодиоды, ЖК-дисплеи, аудиокомпоненты: Пер. с англ./ Ч. Платт, Ф. Янссон. — СПб.:
БХВ-Петербург, 2017. — 368 с: ил.
ISBN 978-5-9775-3749-0
Во втором томе энциклопедии приведена основная информация о тиристорах (триодных тиристо-
рах, динисторах и симисторах), интегральных схемах (аналоговых и цифровых), источниках света, инди-
каторах, дисплеях и источниках звука. Каждая статья представляет собой законченное описание какого-
либо электронного компонента или группы родственных компонентов. Подробно описано назначение,
принцип действия, основные параметры, варианты изготовления и области применения электронных
компонентов, а также приведены примеры типовых схем их включения. Материал сопровождается фо-
тографиями, схемами и диаграммами.
Для радиолюбителей
УДК 621.3
ББК 32.85
Группа подготовки издания:
Главный редактор Екатерина Кондукова
Зам. главного редактора Игорь Шишигин
Зав. редакцией Екатерина Капалыгина
Перевод с английского Михаила Райтмана
Редакторы Григорий Добин,
Леонид Кочин
Компьютерная верстка Людмилы Гауль
Корректор Зинаида Дмитриева
Оформление обложки МариныДамбиевой
© 2017 BHV-St.Petersburg
Authorized Russian translation of the English edition of Make: Encyclopedia of Electronic Components Volume 2, ISBN 978-1 -449-33418-5
© 2015 Charles Platt, published by Maker Media, Inc.
This translation is published and sold by permission of O'Reilly Media, Inc., which owns or controls all rights to sell the same.
Авторизованный русский перевод английской редакции книги Make: Encyclopedia of Electronic Components Volume 2,
ISBN 978-1 -449-33418-5 © 2015 Charles Platt, изданной Maker Media, Inc.
Перевод опубликован и продается с разрешения O'Reilly Media, Inc., собственника всех прав на публикацию и продажу издания.
Подписано в печать 31.08.1 б.
Формат 84x108Vie. Печать офсетная. Усл. печ. л. 38,64.
Тираж 1000 экз. Заказ № 1584.
«БХВ-Петербург», 191036, Санкт-Петербург, Гончарная ул., 20.
Первая Академическая типография «Наука»
199034, Санкт-Петербург, 9 линия, 12/28
ISBN 978-1 -449-33418-5 (англ.) © 2015 Charles Platt
ISBN 978-5-9775-3749-0 (рус.) © Перевод, оформление, издательство «БХВ-Петербург», 2017


С неоюной памятью о моем отце, Морисе Платте


ОГЛАВЛЕНИЕ
Об авторах XXV
Как пользоваться этой книгой? XXVII
Содержание томов XXVII
Общая организация книги XXIX
Справочник — в сравнении с учебником XXIX
Теория и практика XXIX
Структура XXIX
Поиск компонента XXIX
Добавления и исключения XXX
Выделение текста XXX
Договоренности об условных обозначениях на схемах XXXI
Фон на фотографиях XXXI
Доступ ность компонентов XXXI
Ошибки и опечатки XXXII
Библиотека Safari* Books Online XXXII
Как с нами связаться? XXXII
Электронный архив XXXIII
Благодарности XXXIII
> ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
>> ТИРИСТОРЫ
Статья 1. Триодный тиристор 1
Описание 1
Устройство 2
Особенности переключения 2
Внутренняя структуре 4
Напряжение пробоя и напряжение включения 4
Демонстрация работы триодного тиристора 5
Применение в цепях переменного тока 6
Варианты 6
Оглавление VII


Параметры 6
Часто используемые сокращения 6
Использование 7
Регулирование фазы 8
Защита от перенапряжений 10
Что может пойти не так? 11
Неожиданное включение, вызванное нагревом 11
Неожиданное включение, вызванное выбросом напряжения 11
Смешение номиналов для переменного и постоянного токов 11
Максимальная сила тока и угол отсечки 11
Ошибка при интерпретации обозначений 11
Статья 2. Динистор 13
Описание 13
Варианты условных обозначений 14
Устройство 14
Переключение переменного тока 16
Варианты 16
Параметры 16
Что может пойти не так? 17
Неожиданное включение, вызванное нагревом 17
Эффекты низких температур 17
Разброс параметров 17
Статья 3. Симистор 19
Описание 19
Варианты условных обозначений 20
Устройство 21
Состояния симистора 22
Пороговый ток, ток фиксации и ток удержания 23
Тестирование симистора 23
Напряжение включения 25
Переключение переменного тока 26
Запуск симистора с помощью динистора 27
Другие варианты запуска симистора 28
Накопление заряда 28
Варианты 29
Параметры 29
Что может пойти не так? 30
Неожиданное включение, вызванное нагревом 30
Эффекты низких температур 30
VIII Оглавление


Неправильный тип нагрузки 30
Неверное определение контактов 30
Накопление заряда 30
> ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
>> АНАЛОГОВЫЕ
Статья 4. Твердотельное реле 31
Описание 31
Преимущества твердотельных реле перед электромагнитными 32
Недостатки твердотельных реле по сравнению с электро-
магнитными 32
Устройство 33
Варианты 34
Реле перехода через нулевое значение 34
Нормально замкнутый и нормально разомкнутый режимы 34
Корпус 34
Твердотельный аналоговый переключатель 35
Параметры 36
Использование 36
Что может пойти не так? 37
Перегрев, вызванный перегрузкой 37
Перегрев, вызванный плохим контактом 37
Перегрев, вызванный непрерывной работой 37
Перегрев, вызванный плотным монтажом компонентов 37
Перегрев сдвоенных реле 37
Перегорание из-за подачи напряжения обратной полярности 37
Несрабатывание при низком напряжении на выходе 37
Невозможность измерить выходное переменное напряжение 38
Реле включается, но не выключается 38
Параллельно соединенные реле не работают 38
Устройство на выходе не работает на полную мощность 38
Твердотельные реле и безопасное разъединение 38
Статья 5. Оптрон 39
Описание 39
Устройство 40
Варианты 41
Внутренние датчики 41
Основные типы оптронов 42
Параметры 43
Использование 43
Оглавление IX


Что может пойти не так? 44
Срок службы 44
Перегорание светодиода 44
Выход из строя фотоприемника 44
Статья б. Компаратор .•.••..-....••.••.-•.•.••..•.••....•....•.....•.•..•••.•.. 45
Описание 45
Гистерезис 46
Устройство 46
Различия между компаратором и операционным усилителем 48
Варианты 49
Параметры 49
Использование 51
Логическая схема «И» 53
Бистабильный мультивибратор 53
Релаксационный генератор 53
Преобразователь уровня 54
Двухпоооговый компаратор 54
Другие варианты применения 55
Что может пойти не так? 55
Самовозбуждение 55
Неверное подключение входных контактов 55
Неподходящий тип микросхемы 55
Отсутствие нагрузочного резистора 56
Проблемы КМОП-структур 56
Неправильный выходной сигнал 56
Перепутанные напряжения 56
Зависимость гистерезиса от нагрева 56
Статья 7. Операционный усилитель 57
Описание 57
Устройство 58
Дифференциальный вход 59
Отрицательная обратная связь 60
Операционные усилители и компараторы 60
Варианты 61
Параметры 61
Использование 62
Управление коэффициентом усиления 62
Расчет величины усиления 62
Усиление постоянного напряжения смещения 63
Оглавление


Фильтр нижних частот 64
Фильтр верхних частот 64
Релаксационный генератор 65
Однополярный источник питания 65
Корректировка смещения нуля 66
Что может пойти не так? 66
Проблемы с источником питания 66
Неправильное подключение неиспользуемых ОУ 67
Самовозбуждение 67
Перепутанные входы 67
Статья 8. Цифровой потенциометр 69
Описание 69
Преимущества 70
Устройство 70
Варианты 72
Энергозависимая и энергонезависимая память 72
Характеристика 73
Передача данных 73
Протокол SPI 73
Протокол 12С 74
Протокол Up/Down 75
Другие системы управления 76
Подключения и режимы 76
Параметры 76
Использование 77
Достижение более высокой точности 78
Что может пойти не так? 78
Помехи и искаженный входной сигнал 78
Неправильный тип микросхемы 79
Несинхронная работа микросхемы и контроллера 79
Нелинейные эффекты 79
Слишком высокая скорость передачи данных 79
Статья 9. Таймер 81
Описание 81
Моностабильный режим 81
Автоколебательный режим 82
Устройство 82
Варианты 82
Таймер 555 82
Работа таймера 555 в ждущем режиме 83
Оглавление XI


Работа таймера 555 в автоколебательном режиме 85
Таймер 558........................ 86
КМОП-таймер 555 87
Таймер 5555 87
I d 1г1ЛЛ^?и ш ^} ^}^} ••••••#•••••##••••• •••••••••••••••••••••••••••♦•••••♦•••••rf*•••••••••••••••••••••••••••••• ••••••••••••• •••••••••••^^^Э
Таймер 7556 ...................................................... 88
Таймер 4047В 88
Сдвоенные моностабильные таймеры 88
Параметры 90
Таймер 555 90
Измерение времени в ждущем режиме 90
Измерение времени в автоколебательном режиме 91
Сдвоенные моностабильные таймеры 91
Использование 93
Ждущий режим таймера 555........................................................... 93
Автоколебательный режим таймера 555 94
Раздельное управление длительностью импульса
и паузы на выходе 95
Таймер 555. Автогенератор со скважностью 50%: часть 1 95
Таймер 555. Автогенератор со скважностью 50%: часть 2 96
Использование управляющего вывода таймера 555 96
Имитация триггера с помощью таймера 555 97
Гистерезис таймера 555 98
Таймер 555 и разделительные конденсаторы 98
Таймер 555: подключение динамика 99
Однократный режим 100
Генератор звука «Вы проиграли» 100
Что может пойти не так? 101
Неисправный таймер « 101
Замена биполярного варианта на КМОП-микросхему 101
Бесконечный импульс 101
Возможные причины неправильной работы микросхемы 102
Влияние на работу других компонентов 102
Неправильная работа выходных устройств 102
Неисправимое повреждение, вызванное индуктивной нагрузкой 102
> ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
> > ЦИФРОВЫЕ
Статья 10. Логический элемент........................................... 103
Описание 103
Историческая справка « 103
XII Оглавление


Устройство 104
Инверсия 104
Элементы с одним входом 105
Элементы с более чем двумя входами 105
Булева нотация 106
Арифметические операции 106
Прочие операции 107
Варианты 108
Маркировка 109
Семейства 110
Функциональная совместимость микросхем разных семейств 111
Количество элементов в микросхеме 112
Один элемент: два входа 112
Один элемент: три входа 113
Один элемент: настраиваемая функция 113
Два элемента: два входа 114
Серия 74ххв 14-штырьковом корпусе 114
Цоколевка микросхем серии 74хх
с четырьмя двухвходовыми элементами 114
Цоколевка микросхем серии 74хх
с тремя трехвходовыми элементами 115
Цоколевка микросхем серии 74хх
с двумя четырехвходовыми элементами 116
Цоколевка микросхем серии 74хх
с одним 8-входовым элементом 116
Инверторы серии 74хх 117
Дополнительные варианты 118
Цоколевка микросхем оригинального семейства 4000 119
Инверторы серии 4000 121
Использование 121
Выбор семейства 121
Применение 121
Что может пойти не так? 122
Статическое электричество 122
«Плавающие» выводы 123
Несовместимость семейств 123
Пеоегоузка выходов 123
1 ■^" Г^^* Г^Х *^*^1*^^^Г|* •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• ■ ш**+
Снижение уровня напряжения на выходе 123
Несоблюдение полярности и неправильное напряжение 123
Изогнутые штырьковые выводы 123
Искаженный входной сигнал 123
Аналоговый сигнал на входе 124
Оглавление XIII


Статья 11. Триггер 125
Описание 125
Устройство 126
RS-триггер на основе элемента И-НЕ 126
RS-триггер на основе элемента ИЛ И-НЕ 129
Запрещенные состояния 130
JK-TDi/irreo 131
Двухтактный триггер 133
D-TDnrreobi 134
Подведем некоторые итоги 135
Варианты 136
Варианты корпуса 136
Параметры 137
Использование 138
Что может пойти не так? 138
Недостоверная документация 138
Ошибка запуска 139
Метастабильность 139
Другие проблемы 139
Статья 12. Сдвиговый регистр 141
Назначение 141
Представление на схемах 142
Устройство 143
Аббревиатуры и сокращения 143
Параллельные выходы и входы 144
Варианты 145
Последовательный вход, последовательный выход 145
Последовательный вход, параллельный выход 145
Параллельный вход, последовательный выход 145
Параллельный вход, параллельный выход 145
Универсальный сдвиговый регистр 146
Параметры 146
Питание 147
Выход с тремя состояниями 147
Использование 148
Соединение входов 149
Предварительная загрузка сдвигового регистра 149
Опрос клавиатуры 149
Арифметические операции 149
Буферизация : 150
XIV Оглавление


Что может пойти не так? 150
Ошибочная классификация 150
Неправильно подобранное время установки 151
Неподключенный вход 151
Проблемы с тристабильными микросхемами 151
«Плавающая» выходная шина 151
Статья 13. Счетчик 153
Описание 153
Условное обозначение 154
Устройство 154
Коэффициент пересчета и остаток от деления 155
Обозначения выводов 155
Варианты 156
Асинхронный и синхронный счетчики 157
Кольцевой, двоичный и двоично-десятичный счетчики 157
Источник тактовых импульсов 159
Запуск по фронту или спаду 159
Несколько ступеней 159
Одинарный и сдвоенный счетчики 159
Состояния выходов счетчика 160
Убывающие значения на выходе 160
Программируемые счетчики 160
Примеры 160
Параметры 161
Что может пойти не так? 161
Запрещенная комбинация 161
Импульсные помехи 161
Помехи 162
Статья 14. Шифратор 163
Описание 163
Условное обозначение 164
Похожие компоненты 164
Устройство 165
Варианты 166
Параметры 166
Использование 167
Каскадное соединение шифраторов 167
Что может пойти не так? 168
Оглавление XV


Статья 15. Дешифратор.... 169
Описание 169
Входные устройства 170
Подключение светодиодного индикатора 171
Условное обозначение 171
Похожие компоненты 172
Устройство 172
Варианты 173
Параметры 173
Использование 173
Что может пойти не так? 174
Переходные процессы 174
Неточная классификация 174
Активный высокий или активный низкий сигнал 174
Статья 16. Мультиплексор 175
Описание 175
Дифференциальный мультиплексор 176
Похожие компоненты 177
Устройство 177
Условное обозначение 179
Идентификация выводов 179
Варианты 180
Параметры 181
Использование 182
Иные способы применения 182
Что может пойти не так? 183
Нагрузочные резисторы 183
Разрыв до включения 183
Искажение сигнала 183
Пределы коммутации КМОП-компонентов 183
Переходные процессы 183
> ИСТОЧНИКИ СВЕТА, ИНДИКАТОРЫ ИЛИ ДИСПЛЕИ
>> ОТРАЖАЮЩИЕ
Статья 17. ЖК-индикатор 185
Описание 185
Устройство 186
XVI Оглавление


Варианты 187
Активный и пассивный ЖК-дисплеи 187
Типы жидких кристаллов 188
Семисегментные индикаторы 188
Дополнительные сегменты 190
Матричные индикаторы 191
цвет 193
Варианты задней подсветки 194
Бистабильные дисплеи 194
Использование 195
Числовые индикаторные модули 195
Алфавитно-цифровые индикаторные модули 196
Что может пойти не так? 197
Чувствительность к температуре 197
Неправильное мультиплексирование 198
Повреждение постоянным током 198
Неверный протокол обмена 198
Ошибки при подключении 198
> ИСТОЧНИКИ СВЕТА, ИНДИКАТОРЫ ИЛИ ДИСПЛЕИ
> > ОДИНОЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ
Статья 18. Лампа накаливания 199
Описание 199
Историческая справка 200
Устройство 201
Спектр 201
Другие источники света 202
Потребление мощности 203
Варианты 204
Миниатюрные лампы 204
Индикаторные лампы для панельного монтажа 205
Галогенные и кварцево-галогенные лампы 205
Лампы для духовок 206
Варианты цоколя 206
Параметры 207
Световой поток 207
Освещенность 207
Сила света 208
Средняя сферическая сила света в свечах 208
Светоотдача 208
КПД 208
Оглавление XVII


Использование ♦ 209
Некоторые преимущества ламп накаливания 209
Отклонение от рабочих характеристик. 210
Что может пойти не так? 211
Высокая температура окружающей среды 211
Опасность возгорания 211
Бросок тока 211
Проблемы при замене 211
Статья 19. Неоновая лампа ...
Описание 213
Устройство 214
Конструкция 214
Ионизация 214
Отрицательное сопротивление 215
Использование 216
Ограниченная светоотдача 217
КПД 218
Устойчивость к внешним условиям 218
Проверка источника питания 218
Ожидаемый срок службы 219
Варианты 219
Газоразрядные индикаторы 219
Что может пойти не так? 220
Свечение от наводок 220
Невключение при слабом внешнем освещении 220
Ранний выход из строя при работе на постоянном токе 220
Ранний выход из строя вследствие скачков напряжения 220
Замена „ „ 220
Статья 20. Люминесцентная лампа ....•..♦♦♦•-...•.•♦.♦.•♦.♦•♦..-. 221
Описание 221
Устройство 222
Балласт и стартер ~ 223
Мерцание 224
Варианты 224
Люминесцентные лампы с холодным катодом 224
Размеры 225
Сравнение 225
Параметры 226
Световой поток , 226
Спектр 226
XVIII Оглавление


Что может пойти не так? 226
Ненадежное включение 226
Мерцание незадолго до окончания срока службы 226
Невозможность регулировки интенсивности света 227
Выгорание электродов 227
Опасность ультрафиолетового излучения 227
Статья 21. Лазер 229
Описание 229
Устройство 230
Лазерный диод 230
Когерентный свет 232
Варианты 233
СО2-лазер 233
Волоконный лазер 233
Кристаллический лазер 233
Параметры 233
Использование 234
Варианты применения 234
Что может пойти не так? 235
Риск получения травмы 235
Недостаточный отвод тепла 235
Неподходящий источник питания 235
Неправильная полярность 235
Статья 22» Светодиодный индикатор 237
Описание , 238
Условные обозначения 238
Типичное применение 239
Устройство 239
Многоцветные светодиоды и смешение цветов 240
Варианты 240
Размер и форма 240
Сила света 240
Светоотдача 241
Рассеяние 241
Длина волны и цветовая температура 242
Встроенный резистор 243
Многоцветный светодиод 244
Инфракрасный светодиод 244
Ультрафиолетовый светодиод 244
Оглавление XIX


Параметры 244
Прямой ток 244
Слаботочные светод йоды 245
Прямое напряжение 245
Индекс цветопередачи 246
Ожидаемый срок службы 246
Световая отдача и нагрев 246
«>W«.IWVMII VIf-^ЪЯ • %* »■ IMI ^ VV HIM 1 HHHHIH IHIIHHI > МН< «i IV
Угол обзора 246
Использование 247
Полярность 247
Номинал последовательного резистора 247
Светодиоды, соединенные параллельно 248
Последовательное соединение нескольких светодиодов 248
Сравнение с другими источниками света 248
Другие варианты применения 248
Что может пойти не так? 249
Чрезмерное прямое напряжение 249
Повышенный ток и нагрев 249
Путаница при хранении 249
Полярность 249
Встроенные резисторы 249
Статья 23. Светод иод для освещения 251
Описание 252
Тенденции стоимости и эффективности 253
Условные обозначения 253
Устройство 253
Визуальные различия 254
Попарное сравнение цветов 256
Теплоотвод 257
Светоотдача , 257
Регулировка силы света 257
Ультрафиолетовое излучение 257
Вариации цвета 258
Варианты 258
Сравнение 259
-«•(^М W. •<•»• .»•■». • ••••• —W -г
Параметры 260
Что может пойти не так? 261
Неправильное напряжение 261
Перегрев 261
Проблемы при замене люминесцентных ламп светодиодными 261
Вводящая в заблуждение цветопередача 262
XX Оглавление


> ИСТОЧНИКИ СВЕТА, ИНДИКАТОРЫ ИЛИ ДИСПЛЕИ
> > НЕСКОЛЬКО ИСТОЧНИКОВ ИЛИ ПАНЕЛЬ
Статья 24. Светодиодный дисплей 263
Описание 264
Устройство 264
Варианты 264
Сравнение с жидкокристаллическими дисплеями 264
Семисегментные дисплеи 265
Несколько цифр 266
Дополнительные сегменты 266
Матричные дисплеи 268
Матрицы из пикселов 268
Шкальный индикатор 268
Одиночная световая полоска 269
Параметры 269
Применение 269
Семисегментный дисплей: основные понятия 269
Управляющие микросхемы и мультиплексирование 270
Микросхема управления 16-сегментным дисплеем 272
Матричные светодиодные дисплейные модули 272
Матрицы пикселов 272
Микросхема управления шкальным индикатором 273
Шестнадцатеричная точечная матрица на одну цифру 274
Что может пойти не так? 275
Общий анод в сравнении с общим катодом 275
Неправильный номинал токоограничительного резистора 275
Сложности при мультиплексировании 275
Статья 25. Вакуумно-люминесцентныи дисплей 277
Описание 277
Устройство 278
Анод, катод и сетка 278
Использование 278
Современные применения 279
Варианты 280
цВет 280
Наборы символов и пиктограммы 280
Сравнение 280
Что может пойти не так? 281
Выцветание 281
Оглавление XXI


Статья 26. Электролюминесцентные устройства ............ 283
Описание 283
Устройство 284
Люминофоры 284
в ..W..*.. ■ <W >f-W ^ W . —W
Происхождение термина 284
Варианты 284
Панели 284
Гибкие светя щиеся ленты 286
Световой LUHVD 286
Органический светодиод 287
> ИСТОЧНИКИ ЗВУКА
> > ЗУММЕРЫ
Статья 27, Звуковой преобразователь 289
Описание 290
Устройство 290
Варианты 290
Электромагнитный преобразователь 290
Пьезоэлектрический преобразователь 290
Ультразвуковой преобразователь 291
Конструкция 291
Параметры 291
Диапазон частот 291
Давление звука 292
Взвешенные параметры звука 293
Невзвешенные параметры звука 293
Положение при измерении 294
Ограничения 294
Wl f*^4W. •<*.. ШТШШ —^
Напряжение 295
Ток 295
Использование 295
Подходящая интенсивность звука 295
Управление громкостью 295
Питание переменного тока 295
Автоколебательный пьезопреобразовател ь 295
Что может пойти не так? 296
Перенапряжение 296
Утечка 296
Проблемы при монтаже компонента 296
Влажность 296
XXII Оглавление


Неверная идентификация компонента 296
Подключение к микроконтроллеру 296
Статья 28. Звуковой извещатель .........•.—..•...•................... 297
Описание 297
Устройство 297
Частота звука 298
Историческая справка 298
Варианты 299
Звуковые сигналы 299
Конструкция 299
Параметры 299
Напряжение 300
Ток 300
Частота 300
Продолжительность работы 300
Использование 300
Подходящая интенсивность звука 300
Управление громкостью 301
Электрическое подключение 301
Что может пойти не так? 301
> ИСТОЧНИКИ ЗВУКА
> > ВОСПРОИЗВОДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА
Статья 29. Наушники 303
Описание 303
Устройство 304
Основные сведения о звуке 304
Варианты 305
Движущаяся обмотка 305
Другие типы 306
Механическая конструкция 306
Параметры 308
Звуковое давление 308
Частотная характеристика 308
Искажения 309
Импеданс 309
Что может пойти не так? 309
Пеоегоузка 309
Нарушение слуха 309
Оглавление XXIII


Неправильный импеданс 310
Неправильное электрическое подключение 310
Статья 30. Динамик..^.....,^..^..^.^......^..^...^,..,.-,.-. 311
Описание 312
Устройство 312
Конструкция 312
Улучшение воспроизведения высоких и низких частот 314
Отверстия в корпусе 314
Резонанс 315
Миниатюрные динамики 315
Варианты 315
Электростатический динамик 315
Динамики с усилителем 316
Беспроводные динамики 316
Инновационные конструкции 316
Параметры 316
Что может пойти не так? 317
Повреждение 317
Магнитное поле 317
Вибрация 317
Приложение. Описание электронного архива к книге .-319
Предметный указатель 321
XXIV Оглавление


ОБ АВТОРАХ
Чарльз Платт — пишущий редактор и обозреватель журнала «МАКЕ», в котором он
освещает темы из области электроники. Он является автором исключительно успеш-
ной книги для начинающих Маке:Еlectronics и ее продолжения Make: More Electronics.
Его научно-фантастические романы в настоящее время переиздаются в издательстве
Stairway Press.
Чарльз в прошлом был ведущим автором в журнале «Wired», его перу также принад-
лежат различные книги по компьютерной тематике. В свою бытность инженером-
конструктором он разработал полуавтоматические устройства быстрого охлаждения
для медицинского применения, а также доставляемое по воздуху оборудование для
специалистов оперативного реагирования. Он самостоятельно разработал четыре
программных пакета математической графики. Чарльз начал увлекаться электрони-
кой, когда в возрасте 15 лет собрал телефонный автоответчик из кассетного магнито-
фона и реле от списанного военного оборудования. Он живет в малодоступной мест-
ности на севере штата Аризона, где у него есть своя мастерская для изготовления
макетов и устройств, о которых он пишет для журнала «МАКЕ».
Фредрик Янссон — физик из Финляндии, защитивший степень доктора фило-
софии (PhD) в университете Abo Akademi University. В настоящее время он живет
в Нидерландах, где в вычислительной научной группе Амстердамского университе-
та занимается исследованиями по групповой робототехнике и имитации поведения
морских животных. Фредрику всегда нравилось разбирать на запчасти вышедшую из
строя бытовую технику. Иногда он выступает в качестве радиолюбителя с позывным
OH1HSN. Фредрик проверил фактические сведения в предыдущей книге Чарльза
Платта — Make: More Electronic.
Об авторах XXV


КАК ПОЛЬЗОВАТЬСЯ ЭТОЙ КНИГОЙ?
Эта книга представляет собой второй том трех-
томного издания, целью которого является
обзор наиболее широко используемых элек-
тронных компонентов. Оно может послужить
справочником для студентов, преподавателей,
инженеров и конструкторов-любителей. И хотя
основную часть приведенной здесь информа-
ции можно отыскать в технической докумен-
тации, в учебниках, на веб-сайтах и в источни-
ках, которые поддерживают производители,
в «Энциклопедии электронных компонентов»
собраны вместе все разрозненные данные, ко-
торые предварительно проверены и хорошо
упорядочены, причем иногда упомянуты такие
подробности, которые трудно найти где-либо
еще. В каждой статье представлены типичные
способы применения устройств, возможные ва-
рианты замены, перекрестные ссылки на подоб-
ные устройства, образцы схем, а также указаны
распространенные ошибки и проблемы.
Более подробные причины создания этой энци-
клопедии приводятся в предисловии к первому
тому.
Содержание томов
Из практических соображений, исходя из объ-
ема книги, было принято решение разделить
Энциклопедию электронных компонентов на три
тома. В каждом томе рассмотрены следующие
обширные темы:
Том 1. Электрическая и электромаг-
нитная энергия и полупроводниковые
приборы:
♦ кз.теторияэлектрическаяэнергиясодержит
источники электроэнергии и методы ее
распределения, накопления, коммутации
и преобразования;
♦ категория электромагнитная энергия со-
держит устройства, которые создают уси-
лие в линейном направлении, а также
устройства, создающие вращательное
движение;
♦ категория полупроводниковые приборы
содержит основные типы диодов и тран-
зисторов.
♦ Состав первого тома приведен в табл. 1.
Том 2. Тиристоры (триодные тиристоры,
динисторы и симисторы), интегральные
схемы, источники света, индикаторы
и дисплеи, источники звука:
♦ категория полупроводниковые приборы
включает рассмотрение тиристоров;
♦ категория интегральные микросхемы раз-
делена на аналоговые и цифровые ком-
поненты;
♦ категория источники света, индикаторы
и дисплеи охватывает отражательные дис-
плеи, одиночные источники света, а также
дисплеи, испускающие свет;
♦ источники звука разделены на зуммеры,
генерирующие простой тон, и на устрой-
ства, воспроизводящие звуковой сигнал.
♦ Состав второго тома приведен в табл. 2.
Как пользоваться этой книгой?
XXVII


Таблица 1. Предметно-ориентированная организация кате-
горий и статей в первом томе энциклопедии
Таблица 2. Предметно-ориентированная организация кате-
горий и статей во втором томе энциклопедии
Первичная
категория
Электрическая
энергия
Электро-
магнитная
энергия
Полупровод-
никовые
приборы
Вторичная
категория
Производство
Коммутация
Распределение
Преобразо-
вание
Стабилизация
Линейное
движение
Вращательное
движение
Один
р-п-переход
Несколько
р-п-переходов
Тип компонента
Химический источник
тока
Перемычка
Предохранитель
Кнопка
Переключатель
Галетный переключатель
Поворотный эн кодер
Реле
Резистор
Потенциометр
Конденсатор
Переменный
конденсатор
Катушка индуктивности
Трансформатор
Источник питания AC-DC
Конвертер DC-DC
Инвертор DC-AC
Стабилизатор
напряжения
Электромагнит
Соленоид
Электродвигатель
постоянного тока
Электродвигатель
переменного тока
Серводвигатель
Шаговый двигатель
Диод
Однопереходный
транзистор
Биполярный транзистор
Полевой транзистор
Первичная
категория
Полупровод-
никовые
приборы
Интегральные
микросхемы
Источники
света,
индикаторы
или дисплеи
Источники
звука
Вторичная
категория
Тиристоры
Аналоговые
Цифровые
Отражающие
Одиночные
источники
Несколько
источников
или панель
Зуммеры
Воспроиз-
водящие
устройства
Тип компонента
триодный тиристор
динистор
симистор
Твердотельное реле
Оптрон
Компаратор
Операционный усилитель
Цифровой потенциометр
Таймер
Логический элемент
Триггер
Сдвиговый регистр
Счетчик
Шифратор
Дешифратор
Мультиплексор
ЖК-индикатор
Лампа накаливания
Неоновая лампа
Люминесцентная лампа
Лазер
Индикаторный светодиод
Светодиод для освещения
Светодиодный дисплей
Вакуумно-люминесцентный
дисплей
Эл ектрол юми несцентное
устройство
Звуковой преобразователь
Звуковой извещатель
Наушники
Динамик
• Том 3. Датчики.
♦ Сфера датчиков стала настолько обшир-
ной, что для них потребовался отдельный
том. Категория датчики содержит устрой-
ства, которые воспринимают свет, звук,
тепло, движение, давление, наличие газа,
влажность, ориентацию в пространстве,
электрический ток, приближение чего-
либо, действие силы и радиации.
XXVIII
Как пользоваться этой книгой?


Общая организация книги
Справочник—
в сравнении с учебником
Как подразумевает название этой книги, она яв-
ляется справочником, а не учебником. Другими
словами, она не начинается с элементарных по-
нятий, от которых идет последовательный пере-
ход к более сложным вещам.
Вы можете открыть книгу на любой странице,
отыскать интересующую вас тему, выяснить то,
что вам необходимо узнать, а затем отложить
книгу в сторону. Если вы решите читать ее от на-
чала до конца, то не обнаружите последователь-
ного изложения понятий с нарастающей слож-
ностью.
Мои предыдущие книги: Make: Electronics1 и
Make: More Electronics2 следуют подходу, харак-
терному для учебников. Однако их охват не
столь обширен как в этой энциклопедии, по-
скольку в учебнике значительное место неиз-
бежно отводится на пошаговые объяснения
и инструкции.
Теория и практика
Эта книга ориентирована в большей степени на
практику, чем на теорию. Я подразумеваю, что
читатель желает узнать главным образом об ис-
пользовании электронных компонентов, а не о
том, почему они работают именно так, а не ина-
че. Следовательно, я не включил в книгу никаких
доказательств формул и определений из теории
электричества, а также сколь-нибудь обширных
исторических сведений. Единицы измерения
1 На русском языке книга Ч. Платта «Make: Electronics»
вышла в издательстве «БХВ-Петербург» под названием
«Электроника для начинающих» (http://www.bhv.ru/
books/book.php?id= 189967). - Ред.
2 На русском языке книга Ч. Платта «Make: More Elec-
tronics» вышла в издательстве «БХВ-Петербург» под
названием «Электроника: логические микросхемы,
усилители и датчики для начинающих» (http://www.
bhv.ru/books/book.php?id= 193257). - Ред.
определены лишь в такой мере, в какой это не-
обходимо во избежание путаницы.
А если для вас представляет интерес теория, то
вы без труда найдете множество книг по теории
электроники.
Структура
Энциклопедия разделена на статьи, каждая из
которых посвящена какому-либо обширно-
му типу компонентов. Следующие два правила
определяют, будет ли какой-либо компонент
полностью рассмотрен в одной статье или ока-
жется внутри какой-либо другой:
• компонент заслуживает собственной
статьи, если он: а) широко распространен
или б) применяется не столь широко,
но обладает своеобразием и, возможно,
некоторым историческим статусом. Широко
распространенным компонентом может
оказаться биполярный транзистор, а ком-
понентом, который встречается нечасто, но
обладает уникальными особенностями, мог
бы стать однопереходный транзистор;
• компонент не заслуживает собственной
статьи, если он: а) используется редко или
б) очень схож по функциям с другим ком-
понентом, который применяется более ши-
роко. Например, реостат отнесен к статье
потенциометр, а кремниевый диод, ста-
билитрон и германиевый диод объединены
в статье диод.
К этим руководящим принципам неизбежно по-
требовались уточнения, которые в некоторых
случаях могут показаться произвольными. Мое
окончательное решение основано на том, где
я ожидал бы увидеть какой-либо компонент,
если бы сам стал его отыскивать.
Поиск компонента
Статьи расположены не в алфавитном поряд-
ке, а сгруппированы по категориям, подобно
тому как в библиотеке книги, не относящиеся
Как пользоваться этой книгой?
XXIX


к художественной литературе, размещены в со-
ответствии с системой Дьюи3. Это удобно, если
вы не знаете в точности, что ищете, или вам
неизвестны все варианты, которые могут быть
доступны для выполнения задуманной вами за-
дачи.
Каждая первичная категория разделена на под-
категории, которые, в свою очередь, разде-
лены по типам компонентов (см. табл. 1 и 2).
Эта иерархия в виде строки пути приводится
в верхней части (колонтитуле) каждой страни-
цы статьи. Статья динистор, например, снабже-
на следующим колонтитулом:
полупроводниковые приборы >
тиристоры > динистор
В любой классификации обычно встречают-
ся исключения. Вы можете, например, купить
микросхему, содержащую резисторную сборку.
С технической точки зрения, это аналоговая ин-
тегральная микросхема, но следует ли отнести
это устройство к интегральным коммутаторам
и компараторам? Вряд ли, и было принято ре-
шение поместить его в первом томе в статью
резистор, поскольку это показалось мне более
удобным.
Некоторые компоненты обладают смешанны-
ми функциями. Так, например, мультиплексор
способен пропускать аналоговые сигналы, а его
название может быть снабжено прилагательным
«аналоговый». Тем не менее, он управляется
цифровым способом и применяется, в основном,
в сочетании с другими цифровыми интеграль-
ными схемами. Это оправдывает его отнесение
к категории цифровых компонентов.
3 Dewey Decimal System, десятичная система класси-
фикации Дьюи — библиотечная система классифика-
ции книг, при которой все области знания делятся
на 10 классов, а внутри каждого класса выделяются
десятичные подклассы, разделы и подразделы. Изоб-
ретена в 1876 г. М. Дьюи. На этой системе основана
классификация Библиотеки Конгресса, а также боль-
шинство библиотечных классификаций, применяемых
в мире. — Примеч. перев.
Добавления и исключения
Возникает также вопрос, что является, а что не
является компонентом. Например, считать ли
компонентом провод? Нет, не для целей этой эн-
циклопедии. А как насчет конвертера DC-DC?
Поскольку теперь поставщики компонентов вы-
пускают и продают такие конвертеры в виде го-
товых устройств, они были включены в первый
том энциклопедии в качестве компонентов.
Множество подобных решений пришлось при-
нимать в каждом конкретном случае. Безусловно,
некоторые читатели не согласятся с окончатель-
ным выбором, но примирить все противоречия
было бы все равно невозможно. Что касается
меня, то лучшее, что я смог, — это создать кни-
гу, которая организована таким образом, чтобы
она устраивала меня, когда я пользуюсь ею сам.
Выделение текста
В каждой статье полужирным шрифтом выде-
лено первое (а иногда и некоторые последующие)
упоминание названия какого-либо компонента,
которому посвящена отдельная статья. Другие
важные термины электроники или названия ком-
понентов могут быть выделены курсивом.
Названия компонентов, а также категорий, к ко-
торым они относятся, набраны строчными бук-
вами, кроме тех случаев, когда термин содержит
прописные буквы, поскольку является аббревиа-
турой или представляет торговую марку. Так, на-
пример, подстроечный резистор Trimpot является
торговой маркой компании Bourns, а подстроеч-
ный потенциометр — нет. ЖКД представляет со-
бой аббревиатуру, а светодиод (сокращение на-
звания светоизлучающий диод) — нет.
В Европе принято при указании дробных номи-
налов компонентов опускать десятичный раз-
делитель. Таким образом, номиналы в 3,3 и
4,7 кОм будут обозначены на схеме как ЗКЗ и
4К7. Подобный стиль в США широко не приме-
няется и в этой энциклопедии не использован.
Математические формулы написаны в стиле,
который характерен для языков программи-
XXX
Как пользоваться этой книгой?


рования. Символ звездочки (*) указан вместо
знака умножения, а слэш (/) означает деление.
Когда какие-либо величины заключены в скоб-
ки, начинать вычисления следует с них. Когда
пары скобок вложены друг в друга, то наиболее
глубоко расположенная пара указывает на опе-
рации, которые должны быть выполнены пер-
выми. Вот пример такой формулы:
А = 30 / (7 + (4*2))
Вычисления следует начинать с умножения 4
на 2 (получится 8), после чего прибавляется 7
(получится 15), а затем 30 делится на получен-
ный результат, и в итоге значение А становится
равным 2.
Договоренности об условных
обозначениях на схемах
На рис. 1 показаны обозначения, в соответствии
с которыми выполнены все схемы, приведенные
в этой книге. Черная точка всегда обозначает
подключение, и, кроме того — чтобы исключить
двусмысленное толкование — вместо обозна-
чения, приведенного справа вверху, применя-
ется вариант, изображенный вверху в центре.
Чтобы показать наличие подключения -
используются
ЭТОТ во&ИЭНТ
не используется
Чтобы показать отсутствие подключения -
ЭТИ i
не и ел
1ЬЗ v ?С? С Я
Рис. 1. Договоренности, которые применяются для схем
в этой книге
Провода, в месте пересечения которых нет точ-
ки, не образуют соединения. Варианты, пока-
занные справа внизу, иногда можно встретить в
других книгах, но здесь они не используются.
Все схемы расположены на светло-синем (се-
ром, в монохромном представлении) фоне. Это
позволяет выделить белым цветом такие компо-
ненты, как переключатели, транзисторы и све-
тодиоды, привлекая внимание к ним и уточняя
границы компонента. Другого смысла у белых
областей нет.
Фон на фотографиях
На всех снимках компонентов присутствует фо-
новая сетка, которая разделена на квадраты со
стороной в 2,5 мм. И хотя эта сетка является
виртуальной, ее масштаб соответствует разграф-
ленной бумаге, помещенной непосредственно за
компонентом. Если компонент сфотографиро-
ван под углом, то эта сетка может повторять угол
наклона, в результате чего квадраты окажутся
видимыми в перспективе.
Цвет фона на снимках подбирался для контраста
с цветом компонентов или для лучшего зритель-
ного восприятия. Другого смысла он не несет.
Доступность компонентов
Поскольку нет возможности узнать, будет ли
в дальнейшем выпускаться какой-либо компо-
нент, в этой энциклопедии конкретные типоно-
миналы указаны с осторожностью. Чтобы оты-
скать какой-либо компонент для специального
применения, потребуется зайти на веб-сайты,
поддерживаемые поставщиками продукции.
При подготовке этой книги часто использова-
лись ресурсы следующих поставщиков:
• Mouser Electronics (mouser.com);
• Jameco Electronics (jameco.com).
При поиске устаревших компонентов или от-
дельных экземпляров, в том числе бывших в
употреблении, может быть полезен интернет-
магазин eBay.
Как пользоваться этой книгой?
XXXI


Ошибки и опечатки
Если вы уверены в том, что обнаружили в этой
книге ошибку, указания о том, как сообщить
о ней, находятся на странице bit.ly/eec_y2_
errata4.
Прежде чем отправлять сообщение об ошибке,
пожалуйста, ознакомьтесь со списком уже под-
твержденных ошибок, чтобы убедиться в том,
что ее еще не заметил какой-либо другой чита-
тель.
Я ценю обратную связь с читателями и поддер-
живаю ее. Но прежде чем вы опубликуете свой
отзыв на каком-либо сайте вроде Amazon, обра-
щаюсь с просьбой: пожалуйста, осознавайте ту
силу, которой вы обладаете как читатель, и при-
меняйте ее должным образом. Единственный
негативный отклик может создать намного
больший эффект, чем вы ожидали, — он легко
может перевесить полдюжины положительных
отзывов. Если вам кажется, что вы не получили
достаточно быстрый или адекватный ответ на
веб-странице издательства O'Reilly, упомянутой
ранее, можете прислать мне электронное пись-
мо по адресу:
make.electronics@gmail.com
Я просматриваю этот ящик время от времени,
иногда лишь раз в пару недель. Но отвечаю на
все письма.
Библиотека Safari9 Books
Online
Safari Books Online представляет собой онлайн-
библиотеку с выдачей материалов по запросу,
которая позволяет быстро найти ответы на ваши
вопросы среди более чем 7500 справочников и
видеоматериалов, посвященных технологии и
конструированию.
4 Оставить свои комментарии к русскому переводу
этой книги можно на посвященной ей странице сайта
издательства «БХВ-Петербург» по адресу www.bhv.
ru. - Ред.
Специалисты в области технологий, разработ-
чики ПО, веб-дизайнеры, бизнесмены и люди
творческих профессий используют библиотеку
Safari Books Online как основной ресурс для ис-
следования, решения проблем, обучения и сер-
тификационных тренингов.
Библиотека Safari Books Online предлагает ши-
рокий набор планов и тарифов для предпри-
нимателей, правительственных организаций,
учебных заведений и частных лиц.
Пользователи сервиса получают доступ к ты-
сячам книг, обучающим видеоматериалам и к
готовящимся к публикации рукописям в обшир-
ной базе с возможностью поиска от таких изда-
телей, как Maker Media, O'Reilly Media, Prentice
Hall Professional, Addison-Wesley Professional,
Microsoft Press, Sams, Que, Peachpit Press, Focal
Press, Cisco Press, John Wiley & Sons, Syngress,
Morgan Kaufmann, IBM Redbooks, Packt, Adobe
Press, FT Press, Apress, Manning, New Riders,
McGraw-Hill, Jones & Bartlett, Course Technology
и сотен других. Для получения более детальной
информации посетите сайт Safari Books Online.
Как с нами связаться?
Пожалуйста, присылайте издателю коммента-
рии и вопросы, относящиеся к этой книге, по
адресу:
• МАКЕ
• 1005 Gravenstein Highway North
• Sebastopol, CA 95472
• 800-998-9938 (в США или Канаде)
• 707-829-0515 (международный или мест-
ный)
• 707-829-0104 (факс)
Группа МАКЕ объединяет, воодушевляет, ин-
формирует и поддерживает растущее сообще-
ство творческих людей, которые создают свои
изумительные проекты во дворах, в подвалах и
гаражах. Группа МАКЕ приветствует ваше право
подстраивать, изменять и использовать любую
XXXII
Как пользоваться этой книгой?


технологию в соответствии с вашим желанием.
Аудитория МАКЕ продолжает расти в качестве
культурного сообщества, которое верит в улуч-
шение самих себя, окружающей среды и систе-
мы образования — всего нашего мира в целом.
Это намного больше, чем просто объединение
людей, это всемирное движение, во главе кото-
рого находится группа МАКЕ — мы называем
его Maker Movement («Движение творцов»).
Чтобы получить дополнительную информацию
о движении МАКЕ, посетите нас онлайн:
• журнал МАКЕ: http://makezine.com/mag-
azine/;
• выставка Maker Faire: http://makerfaire.
com;
• сайт Makezine.com: http://makezine.com;
• магазин Maker Shed: http://makershed.
com/.
По адресу http://bitJy/encyclopedia_of_
electronic_components_v25 расположена по-
священная этой книге специальная веб-страни-
ца, на которой приведены опечатки, примеры
и дополнительная информация.
Электронный архив
Учитывая, что русское издание книги выходит
в черно-белом варианте, в отличие от ориги-
нального цветного, что может сказаться на пра-
вильности восприятия цветных компонентов на
имеющихся в ней иллюстрациях, издательство
«БХВ-Петербург» разместило все иллюстрации
книги в электронном архиве, доступном для за-
качки с FTP-сервера издательства по ссылке
ftp://ftp.bhv.ru/9785977S37490.zip или со
страницы книги на сайте www.bhv.ru. Кроме
того, наиболее важные для понимания материа-
ла книги иллюстрации вынесены на цветную
вклейку.
5 Речь здесь идет, разумеется, об исходной, американ-
ской версии книги. — Ред.
Благодарности
Любой справочник основывается на множестве
источников. Техническая документация и ру-
ководства, предоставляемые производителями
компонентов, рассматривались при подготовке
этой книги в качестве онлайн-источников, наи-
более заслуживающих доверия. В дополнение к
ним использована информация от поставщиков
компонентов, из учебных пособий, справочных
ресурсов, создаваемых пользователями, а также
сведения, опубликованные на сайтах любителей
конструирования.
Весьма информативными оказались для меня
следующие книги:
• Boylestad, Robert L. and Nashelsky, Louis:
Electronic Devices and Circuit Theory, 9th edi-
tion. Pearson Education, 2006;
• Braga, Newton C: CMOS Sourcebook. Sams
Technical Publishing, 2001;
• Hoenig, Stuart A.: How to Build and Use
Electronic Devices Without Frustration, Panic,
Mountains of Money, or an Engineering Degree,
2nd edition. Little, Brown, 1980;
• Horn, Delton Т.: Electronic Components. Tab
Books, 1992;
• Horn, Delton Т.: Electronics Theory, 4th edi-
tion. Tab Books, 1994;
• Horowitz, Paul and Hill, Winfield: The Art of
Electronics, 2nd edition. Cambridge University
Press, 1989;
• Ibrahim, Dogan: Using LEDs, LCDs, and GLCDs
in Microcontroller Projects. John Wiley & Sons,
2012;
• Kumar, A. Anand: Fundamentals of Digital
Circuits, 2nd edition. PHI Learning, 2009;
• Lancaster, Don: TTL Cookbook. Howard W.
Sams & Co, 1974;
• Lenk, Ron and Lenk, Carol: Practical Lighting
Design with LEDs. John Wiley & Sons, 2011;
• Lowe, Doug: Electronics All-in-Onefor Dummies.
John Wiley & Sons, 2012;
Как пользоваться этой книгой?
XXXIII


• Mims III, Forrest M.: Getting Started in
Electronics. Master Publishing, 2000;
• Mims III, Forrest M.: Electronic Sensor Circuits
& Projects. Master Publishing, 2007;
• Mims III, Forrest M.: Timer, Op Amp, &
Optelectronic Circuits and Projects. Master
Publishing, 2007;
• Predko, Mike: 123 Robotics Experiments for the
Evil Genius. McGraw-Hill, 2004;
• Scherz, Paul: Practical Electronics for Inventors,
2nd edition. McGraw-Hill, 2007;
• Williams, Tim: The CircuitDesigner's Companion,
2nd edition. Newnes, 2005.
Широко использовал я также информацию с
сайтов поставщиков, в особенности этих:
• Mouser Electronics (mouser.com);
• Jameco Electronics (jameco.com);
• All Electronics (allelectronics.com);
• sparkfun (sparkfun.com);
• Electronic Goldmine
(goldmine-elec-products.com);
• Adafruit (adafruit.com);
• Parallax, Inc. (parallax.com).
Весомую поддержку я также получил от редак-
тора книги Брайана Джепсона (Brian Jepson) —
он чрезвычайно помог мне в подготовке этого
проекта. Филипп Марек (Philipp Marek) и Стив
Конклин (Steve Conklin) проверили текст на на-
личие ошибок. Издательство Maker Media про-
явило веру в мой труд, а Кевин Келли (Kevin
Kelly) невольно повлиял на меня своей легендар-
ной заинтересованностью в «доступе к инстру-
ментам». Изначально же радость конструиро-
вания мне вернули Марк Фрауэнфельдер (Mark
Frauenfelder) и Гарет Брэнвин (Gareth Branwyn),
причем последний также оживил мой интерес
к электронике.
Проверку основных сведений выполняли Эрик
Моуберг (Eric Moberg), Крис Лиракис (Chris
Lirakis), Джейсон Джордж (Jason George), Рой
Рейби (Roy Rabey), Эмре Танкер (Emre Tuncer)
и Патрик Фагг (Patrick Fagg). Я в долгу перед
ними за оказанную помощь. Ответственность за
все оставшиеся ошибки, естественно, лежит на
мне.
И, наконец, я хотел бы упомянуть своих давних
школьных приятелей: Хью Левинсона (Hugh
Levinson), Патрика Фагга (Patrick Fagg), Грэхема
Роджерса (Graham Rogers), Уильяма Эдмондсона
(William Edmondson) и Джона Уитти (John Witty),
которые помогли мне понять, что быть зануд-
ным подростком, собирающим собственную
аудиоаппаратуру, вполне нормально — задолго
до того, как появилось словечко «ботаник».
Чарльз Платт, 2014 г.
XXXIV
Как пользоваться этой книгой?


полупроводниковые приборы > тиристоры > триодный тиристор
ТРИОДНЫЙ ТИРИСТОР
1
Триодный тиристор (по англ. SCR, Silicon-Controlled Rectifier — крем-
ниевый управляемый выпрямитель) представляет собой разновид-
ность тиристора с управляющим электродом. Под тиристором мы
понимаем здесь полупроводниковый прибор, состоящий из четы-
рех или более чередующихся слоев кремния р- и л-типа. Поскольку
триодный тиристор предшествовал появлению интегральных схем
и в своем простейшем варианте представляет собой единый много-
слойный полупроводник, в этой энциклопедии он рассматривается
в качестве дискретного компонента. Когда же тиристор сочетается
в едином блоке с другими компонентами (например, в твердотель-
ном реле), его следует рассматривать как часть интегральной ми-
кросхемы.
Среди других типов тиристоров также выделяются динистор и сими-
стор, каждому из которых посвящена здесь соответствующая статья.
Менее распространенные типы тиристоров, такие как запираемый
тиристор и кремниевый управляемый переключатель (тиристор с
двумя управляющими электродами), в этой энциклопедии не рас-
сматриваются.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• динистор (см. статью 2)
• симистор (см. статью 3)
Описание
В 20-е годы прошлого века в качестве переклю-
чателя и выпрямителя использовалась газона-
полненная трубка, называемая тиратроном.
В 1956 году компания «Дженерал Электрик»
(General Electric) представила полупроводни-
ковый вариант этого устройства, получивший
название тиристор. В обоих случаях названия
были позаимствованы у щитовидной железы
(thyroid gland), которая управляет скоростью
потребления энергии в человеческом теле.
Тиратрон и впоследствии тиристор позволили
управлять сильными токами.
Триодный тиристор — это в действительности
лишь одна из разновидностей тиристора, хотя
зачастую оба эти термина используются как си-
нонимы. В текстах, содержащих общую инфор-
мацию о тиристорах, на самом деле может идти
речь о триодном тиристоре, и наоборот. Однако
в этой энциклопедии триодный тиристор, ди-
нистор и симистор рассматриваются как от-
дельные разновидности тиристора.
Итак, триодный тиристор — это полупроводни-
ковый переключатель, способный в большин-
стве случаев пропускать большой ток при высо-
ком напряжении. Как и в случае с биполярным
Триодный тиристор
1


Устройство
полупроводниковые приборы > тиристоры > триодный тиристор
транзистором, запуск триодного тиристора про-
исходит при подаче напряжения на его управ-
ляющий электрод. Но в отличие от транзисто-
ра, триодный тиристор пропускает ток даже в
том случае, когда напряжение на управляющем
электроде падает до нуля.
Устройство
Триодный тиристор предназначен для пропуска
электрического тока только в одном направле-
нии. В обратном направлении ток через прибор
проходит только в том случае, когда обратный
потенциал превышает величину напряжения
пробоя, однако такой режим работы триодного
тиристора, скорее всего, приведет к его повреж-
дению. В сравнении с ним, динистор и симистор
являются двунаправленными устройствами.
Триодный тиристор имеет три вывода: анод,
катод и управляющий электрод. На рис. 1.1
изображены функционально идентичные раз-
новидности его условного обозначения (более
ранние варианты обозначения могли быть об-
ведены кружком, однако такой стиль устарел).
Следует обращать особое внимание на отличие
Рис. 1.1. Два функционально идентичных условных обозна-
чения триодного тиристора (символ, изображенный слева,
применяется чаще)
Рис. 1.2. Символ, изображенный здесь, используется для од-
нопереходного транзистора с управляемым порогом, — сле-
дует обращать особое внимание на его отличие от обозначе-
ния триодного тиристора
обозначения триодного тиристора от символа
однопереходного транзистора с управляе-
мым порогом, изображенного на рис. 1.2.
Особенности переключения
При нахождении в пассивном (закрытом, не-
проводящем) состоянии триодный тиристор не
проводит ток между анодом и катодом в обо-
их направлениях, хотя, как правило, неболь-
шой ток утечки все же присутствует. Когда на
управляющий электрод триодного тиристора
подается положительное напряжение, ток мо-
жет пойти от анода к катоду, но ток в обратном
направлении — от катода к аноду — все равно
блокируется. Когда же сила тока достигнет уров-
ня тока включения, ток будет продолжать идти
даже после того, как запускающее напряжение
упадет до нуля, — эта особенность позволяет
называть триодный тиристор регенеративным
устройством.
Если ток между анодом и катодом начнет сни-
жаться, но напряжение на управляющем элек-
троде при этом будет по-прежнему оставаться
равным нулю, протекание тока будет продол-
жаться до тех пор, пока его величина не упадет
ниже так называемого удерживающего тока, -
и только после этого ток через прибор прекра-
тится (тиристор закроется). Таким образом,
единственный способ прекращения протекания
тока через триодный тиристор — это уменьше-
ние его силы или попытка пропуска тока в об-
ратном направлении. Заметьте, что величина
тока, протекающего в отсутствие управляющего
напряжения через триодный тиристор в откры-
том состоянии, является функцией его силы,
а не напряжения.
В отличие от транзистора, триодный тиристор
может быть либо «включен» (открыт), либо «вы-
ключен» (закрыт), и не может использоваться
как усилитель тока. Как и диод, триодный тири-
стор предназначен для пропускания тока только
в одном направлении (отсюда и термин выпря-
митель в его полном названии). После включе-
ния триодного тиристора импеданс между его
Статья I


полупроводниковые приборы > тиристоры > триодный тиристор
Устройство
анодом и катодом достаточно мал, что позволя-
ет отводить тепло даже при высокой мощности.
Способность триодного тиристора пропускать
сравнительно большой ток делает его пригод-
ным для управления питанием, подаваемым на
электродвигатели и резистивные нагреватели,
а высокая скорость переключения позволяет
триодному тиристору прерывать и сокращать
положительную полуволну переменного тока,
уменьшая среднюю подаваемую мощность, —
этот эффект известен как регулирование фазы.
Триодные тиристоры используются также и для
защиты от перенапряжений.
Рис. 1.3. Триодный тиристор, выдерживающий в выключен-
ном состоянии напряжение до 400 В со среднеквадратичной
силой тока не более 4 А
Конструкция триодных тиристоров позволяет
применять их в широком диапазоне напряжений
и токов. Так, на рис. 1.3 изображен триодный
тиристор, рассчитанный во включенном состоя-
нии на ток силой 4 А (имеется в виду среднеква-
дратичная сила переменного тока). Среди сфер
применения такого триодного тиристора можно
выделить системы зажигания небольших двига-
телей и защиту от перенапряжений методом за-
корачивающей перемычки (см. рис. 1.15) — такое
название устройство получило потому, что оно
сразу же заземляет источник питания во мно-
гом подобно перемычке, установленной между
клеммами автомобильного аккумулятора (но,
к счастью, с менее печальными последствиями).
Триодный тиристор, изображенный на рис. 1.4,
в выключенном состоянии может выдерживать
напряжение до 800 В со среднеквадратичной
силой тока до 55 А. Возможные сферы его при-
менения включают в себя выпрямление пере-
менного тока, защиту методом закорачивающей
перемычки, сварку и зарядку аккумуляторов.
Компонент, приведенный на рис. 1.5, в выклю-
ченном состоянии выдерживает напряжение
в 50 В при силе тока 25 А.
Чтобы оценить размеры компонентов, учиты-
вайте, что расстояние между линиями сетки на
этих иллюстрациях составляет 2,5 мм.
Рис. 1.4. Триодный тиристор, выдерживающий в выключен-
ном состоянии напряжение до 800 В со среднеквадратичной
силой тока, не превышающей 55 А
Рис. 1.5. Триодный тиристор штыревой конструкции, выдер-
живающий в выключенном состоянии напряжение до 50 В со
среднеквадратичной силой тока, не превышающей 25 А
Триодный тиристор


Устройство
полупроводниковые приборы > тиристоры > триодный тиристор
Внутренняя структура
Функционирование триодного тиристора очень
напоминает совместную работу р-п-р- и п-р-п-
транзисторов (рис. 1.6). На этой упрощенной
схеме видно, что до тех пор, пока на «управля-
ющий» электрод подается нулевое напряжение,
нижний (п-р-п) транзистор остается закрытым.
Следовательно, верхний (р-п-р) транзистор не
может потреблять ток и также закрыт. Когда на
управляющий электрод подается напряжение,
нижний транзистор начинает потреблять ток
верхнего, что приводит к включению последне-
го. Теперь, благодаря созданию положительной
петли обратной связи, оба транзистора будут
продолжать проводить ток, даже когда подача
питания на управляющий электрод прекратится.
На рис. 1.7 (слева) изображены те же транзисто-
ры, но в упрощенной форме — в виде «сэндви-
чей», состоящих из слоев кремния р- и я-типа, и
их комбинация в триодном тиристоре (справа).
Несмотря на то, что на самом деле конфигура-
ция кремниевых сегментов не такая простая и не
такая линейная, как показано на рисунке, все же
не будет ошибкой описать триодный тиристор
как р-п-р-п-устройство.
Триодный тиристор можно сравнить с реле
с блокировкой, но при этом тиристор работает
значительно быстрее и более надежен.
Напряжение пробоя
и напряжение включения
Графики на рис. 1.8 иллюстрируют поведение
гипотетического триодного тиристора. Эти кри-
вые можно сравнить с кривыми для динистора
(см. рис. 2.5) и симистора (см. рис. 3.10). Если
начать с нулевого напряжения, приложенного
между анодом и катодом, и с нулевого тока (т. е.
из центра графика), то при подаче на анод все бо-
лее отрицательного напряжения по отношению
Рис. 1.6. Триодный тиристор работает подобно объединению
транзисторов п-р-п- и р-п-р-типа
Рис. 1.7. Два транзистора с рис. 1.6, упрощенно представлен-
ные в виде двух стопок из слоев кремния р- и л-типа (слева);
справа эти слои объединены в триодный тиристор
Утечка
Рис. 1.8. Сплошная линия показывает зависимость тока, про-
ходящего между анодом и катодом гипотетического триодно-
го тиристора, от напряжения, при условии, что на управляю-
щий электрод подано запускающее напряжение. Поведение
триодного тиристора при отсутствии на управляющем элек-
троде запускающего напряжения отмечено здесь пунктирной
линией
Статья 1


полупроводниковые приборы > тиристоры > триодный тиристор
Устройство
к катоду (мы как бы пытаемся вынудить триод-
ный тиристор к пропусканию обратного тока —
левая ветвь кривой) будет наблюдаться неболь-
шой ток утечки, эта область выделена темным
цветом (масштаб не соблюден). Наконец, в
какой-то момент будет достигнуто напряжение
пробоя — в этой точке отрицательный потенци-
ал приводит к пробою переходов триодного ти-
ристора, что сопровождается резким падением
импеданса устройства, увеличением обратного
тока в анодной цепи и, может повлечь за собой
повреждение триодного тиристора.
Если же мы приложим на анод все более поло-
жительное по отношению к катоду напряжение
(правая ветвь кривой), то возможны два вари-
анта развития событий:
• напряжение на управляющем электроде от-
сутствует — при этом протекает небольшой
ток утечки до тех пор, пока приложенный
потенциал на аноде не достигнет значения
напряжения включения, — в этот момент
прямой ток через триодный тиристор резко
возрастает и прибор не выключается, даже
если напряжение уменьшится. Эту ситуацию
иллюстрирует пунктирный участок кривой;
t на управляющем электроде присутствует
положительное напряжение — триодный
тиристор начинает пропускать ток при
анодном напряжении, намного меньшем,
чем напряжение включения. Поведение
триодного тиристора в таких условиях
иллюстрирует сплошная линия в правой
верхней части рис. 1.8.
Примечание
В действительности триодный тиристор предна-
значен для работы при положительном напряже-
нии на управляющем электроде, и если триодный
тиристор используется по назначению, то напря-
жение на приборе не должно достигать напряже-
ния пробоя и напряжения включения.
Демонстрация работы
триодного тиристора
На рис. 1.9 кнопка S1 подает на управляющий
электрод триодного тиристора напряжение,
переключающее триодный тиристор в самопод-
держиваемый проводящий режим. Когда кнопка
S1 будет отпущена, измеритель покажет, что ток
между анодом и катодом продолжает протекать.
Сила удерживающего тока для предлагаемого в
этой схеме триодного тиристора марки X0403DF
составляет 5 мА — такую силу тока способен
обеспечить источник постоянного тока с напря-
жением 5 В, при этом в цепи должен присутство-
вать резистор с сопротивлением 1 кОм (при не-
обходимости сопротивление резистора можно
уменьшить до 680 Ом).
При нажатии на кнопку S2 ток прекратится и не
возобновится, даже когда кнопка S2 будет отпу-
щена. С другой стороны, нажатие на кнопку S3,
когда триодный тиристор включен, пустит ток в
обход тиристора, и при отпускании этой кнопки
ток через тиристор также не возобновится.
Таким образом, триодный тиристор может быть
выключен нажатием либо подключенной после-
довательно с ним нормально замкнутой кнопки
(которая прервет анодный ток), либо подклю-
ченной параллельно нормально разомкнутой
кнопки (которая отведет ток).
v'VW
l Л А Л _
У У V Y"
Рис. 1.9. В этой схеме кнопка S1 включает триодный тиристор,
а кнопки S2 или S3 выключают его
Триодный тиристор


Варианты
полупроводниковые приборы > тиристоры > триодный тиристор
На рис. ЦВ-1.10 показана эта простая демон- ВЭОИЭНТЫ
страционная схема, собранная на макетной ~
плате. Здесь красный и синий провода подают
постоянное напряжение 5 В, две красные кноп-
ки — тактильные переключатели: верхняя левая
кнопка соответствует кнопке S1 на схеме, а ниж-
няя правая — кнопке S3. Большой переключа-
тель с прямоугольной клавишей в правом верх-
нем углу макета — кнопка S2, она нормально
замкнута и размыкается при нажатии. Движок
синего квадратного подстроечного резистора
установлен в среднее положение.
Триодные тиристоры на рынке доступны в ва-
риантах для поверхностного монтажа, для уста-
новки в монтажные отверстия, а также в вари-
анте со штыревым корпусом, допускающим ра-
боту с повышенным напряжением и силой тока.
Некоторые триодные тиристоры специального
назначения могут управлять током силой в не-
сколько сотен ампер, а триодные тиристоры вы-
сокой мощности способны коммутировать ток
силой в несколько тысяч ампер и применяются
в распределительных системах с напряжением
более 10 000 В. Такие устройства являются узко-
специализированными и не включены в эту эн-
циклопедию.
Параметры
Рис. ЦВ-1.10. Демонстрационная схема с триодным тиристо-
ром на макетной плате: две красные круглые кнопки соот-
ветствуют кнопкам S1 и S3 на схеме (см. рис. 1.9), а большая
прямоугольная кнопка в правом верхнем углу макета соот-
ветствует кнопке S2
Применение
в цепях переменного тока
Если триодный тиристор включен в цепь пере-
менного тока, то он закрывается при каждом от-
рицательном полупериоде и открывается вновь
при каждом положительном. Благодаря этому
триодный тиристор используется главным об-
разом в качестве управляемого выпрямителя,
способного достаточно быстро переключаться
и ограничивать ток, проходящий через него на
каждом полупериоде.
В этом разделе мы рассмотрим типичные пара-
метры триодного тиристора общего назначения.
При этом нужно иметь в виду, что падение на-
пряжения на любом триодном тиристоре при
прямом включении составляет от 1 до 2 В, в за-
висимости от марки прибора.
Поскольку триодный тиристор часто исполь-
зуется для коммутации переменного синусои-
дального напряжения, то величина силы тока,
которую этот компонент может через себя про-
пустить, обычно выражается через среднеква-
дратичное пиковое значение.
Часто используемые сокращения
• ^drm ~~ максимальное прямое повторяющее-
ся напряжение, которое может быть подано
на анод, при условии, что на управляющий
электрод напряжение не подается (когда
триодный тиристор закрыт).
• Vrrm — максимальное обратное повто-
ряющееся напряжение, которое может
быть подано на анод, при условии, что
на управляющий электрод напряжение
не подается (когда триодный тиристор
закрыт).
Статья 1


полупроводниковые приборы > тиристоры > триодный тиристор
Использование
• VTM — максимальное напряжение во
включенном состоянии (когда триодный
тиристор открыт). Индекс «Т» означает,
что эта величина меняется в зависимости от
температуры.
• VGM — максимальное прямое напряжение
управления.
• VGT — минимальное напряжение управле-
ния, требующееся для включения триодно-
го тиристора (запускающее напряжение).
• VGD — максимальное напряжение управле-
ния, подача которого не приведет к включе-
нию триодного тиристора.
• *drm ~~ максимальный повторяющийся пря-
мой ток утечки.
• IRRM — максимальный повторяющийся об-
ратный ток утечки.
• IGM — максимальный прямой ток управляю-
щего электрода.
• ^t(rms) ~~ максимальное среднеквадратичное
значение силы тока между анодом и ка-
тодом триодного тиристора во включен-
ном режиме. Индекс «Т» означает, что эта
величина меняется в зависимости от тем-
пературы.
• IT(AV) — максимальный средний ток между
анодом и катодом триодного тиристора во
включенном режиме. Индекс «Т» означает,
что эта величина меняется в зависимости от
температуры.
• IGT — максимальный ток управляющего
электрода, требующийся для включения
триодного тиристора (запускающий ток).
• 1Н — типичный удерживающий ток.
• IL — максимальный ток включения.
• Тс — температура корпуса (обычно ука-
зывается в виде диапазона допустимых
значений).
• Т — температура рабочего узла (обычно
указывается в виде диапазона допустимых
значений).
Модели, предназначенные для поверхностного
монтажа, как правило, выдерживают силу тока
между анодом и катодом от 1 до 10 А. В некото-
рых случаях допускается напряжение до 500 В.
Максимально допустимый ток утечки в выклю-
ченном состоянии может достигать 0,5 мА, а
минимальный — 0,5 мкА. Запускающее напря-
жение на управляющем электроде, как прави-
ло, варьируется от 0,8 до 1,5 В, а запускающий
ток — от 0,2 до 15 мА.
Модели для установки в монтажные отверстия
могут быть размещены в корпусе типа ТО-92
(как дискретные транзисторы) или, что встре-
чается более часто, в корпусе ТО-220 (как обыч-
ный одноамперный стабилизатор напряжения).
Максимальный ток для таких триодных тири-
сторов может составлять от 5 до 50 А, в зави-
симости от марки компонента, а максимальное
напряжение — от 50 до 500 В. Величина тока
утечки сравнима с таковым у вариантов для по-
верхностного монтажа. Запускающее напряже-
ние на управляющем электроде, как правило,
составляет около 1,5 В, а запускающий ток ва-
рьируется в диапазоне 25-50 мА.
Максимальная сила тока триодного тиристо-
ра со штыревым корпусом может составлять от
50 до 500 А, хотя некоторые модели способ-
ны выдерживать еще большие значения тока.
Диапазон максимально возможного напряже-
ния составляет от 50 до 500 В, при этом величи-
на тока утечки, как правило, выше по сравнению
с другими вариантами корпусов, и составляет от
5 до 30 мА. Обычно величина запускающего на-
пряжения на управляющем электроде варьиру-
ется от 1,5 до 3 В, а запускающий ток составляет
от 50 до 200 мА.
Использование
Хотя возможны и другие сферы применения, на
практике триодный тиристор имеет два основ-
ных предназначения:
• регулирование фазы — изменение длитель-
ности положительных полупериодов ис-
точника переменного тока. Таким образом
Триодный тиристор


Использование
полупроводниковые приборы > тиристоры > триодный тиристор
с помощью тиристора можно регулировать
скорость вращения электродвигателя и ко-
личество тепла, выделяемого резистивной
нагрузкой;
• защита от перенапряжений — триодный
тиристор может защитить чувствительные
компоненты цепи, в которой используется
источник питания постоянного тока.
Триодные тиристоры часто входят в состав пре-
рывателей замыкания на «землю» (хотя, как
правило, не в виде дискретных компонентов) и
в автомобильных системах зажигания.
Регулирование фазы
Регулирование фазы — это удобный способ
управления переменным током, подаваемым на
нагрузку, или его ограничения путем сокраще-
ния длительности каждого полупериода сину-
соидального тока. Такой эффект достигается за
счет регулирования напряжения на управляю-
щем электроде так, чтобы триодный тиристор
запирался в начале каждого положительного
полупериода, затем в некоторый момент от-
крывался и оставался в этом состоянии какое-то
время, пропуская ток, после чего прохождение
тока прекращается, т. к. напряжение опускается
ниже удерживающего. При отрицательном по-
лупериоде переменного напряжения тиристор
остается закрытым и препятствует протеканию
обратного тока (см. рис. 1.14).
Кстати, в такую цепь может также быть до-
бавлен дополнительный триодный тиристор с
обратной полярностью, и тогда оба этих тири-
стора можно будет использовать для регулиро-
вания фаз как положительных, так и отрица-
тельных полупериодов переменного тока.
Описанный здесь процесс является одной из
форм широтно-импулъсной модуляции. Она весь-
ма удобна, т. к. эффективное внутреннее сопро-
тивление триодного тиристора либо слишком
высоко, либо слишком мало, и он не рассеивает
значительную мощность в виде тепла.
На графике, демонстрирующем изменяющееся
синусоидальное напряжение переменного тока,
период разделен на четыре стадии: первая -
нулевое напряжение, вторая — максимальное
положительное напряжение, третья — нулевое
напряжение, четвертая — максимальное отри-
цательное напряжение (все измерения проведе-
ны между фазным проводом источника питания
и нейтралью). Затем этот процесс повторяется.
Составляющие периода синусоиды часто назы-
вают фазовыми углами: 0,90,180 и 270 градусов
(рис. 1.11).
Переменный ток
Рис. 1.11. Период переменного тока обычно измеряют в гра-
дусах фазового угла
Изменяющееся напряжение источника пере-
менного тока пропорционально синусу фазо-
вого угла (рис. ЦВ-1.12): если воображаемая
точка (показана сиреневым цветом) движется
с постоянной скоростью против часовой стрел-
ки по окружности, то расстояние по вертикали
(показано зеленым цветом) от этой точки до
оси абсцисс (горизонтальная линия) представ-
ляет величину напряжения переменного тока,
которая соответствует углу (изображены в виде
сиреневых дуг), образованному радиусом, про-
веденным к точке, и этой осью. Каждый угол из-
меряется от начальной позиции, расположенной
справа на оси абсцисс.
8
Статья 1


полупроводниковые приборы > тиристоры > триодный тиристор
Использование
Рис. ЦВ-1.12. На этом графике изменяющееся напряжение
источника переменного тока (вертикальные зеленые линии)
пропорционально синусу фазовых углов (сиреневые линии)
пикового значения напряжения источника пере-
менного тока.
На рис. 1.14 сигнал источника переменного тока
представлен на центральном графике, а несколь-
ко задержанное и пониженное напряжение на
управляющем электроде — на верхнем. Когда на-
пряжение на управляющем электроде достигает
уровня включения, триодный тиристор начина-
ет проводить ток, создавая урезанный выходной
Когда триодный тиристор используется для ре-
гулирования фазы, точка, в которой он начина-
ет проводить ток, может находиться в любом
месте полупериода: от 0 до почти 180°. Это до-
стигается путем отвода небольшого количества
переменного тока в резистивно-емкостную
цепь, подключенную к управляющему электро-
ду триодного тиристора (рис. 1.13): в этой схеме
конденсатор вводит задержку, изменяемую с по-
мощью потенциометра и позволяющую вклю-
чить триодный тиристор даже после достижения
Б ход но
мы ход но
Рис. 1.13. В этой схеме триодный тиристор используется для
изменения мощности, подаваемой на нагрузку, за счет регу-
лирования фазы
Рис. 1.14. Если переменное напряжение, подаваемое на анод
триодного тиристора (в центре), уменьшается резистивно-
емкостной цепью, создающей также небольшую задержку в
подаче тока, это может привести к включению триодного ти-
ристора {вверху), в результате чего он станет проводить толь-
ко сокращенный сегмент каждого положительного импульса
переменного тока (внизу)
Триодный тиристор


Использование
полупроводниковые приборы > тиристоры > триодный тиристор
сигнал, показанный на нижнем графике. Таким
образом на переменном токе становится воз-
можным включение триодного тиристора при
фазовых углах от 0 до почти 180°. Угол, при ко-
тором триодный тиристор начинает проводить
ток, называется углом отсечки.
Если в цепи присутствуют два параллельно со-
единенных триодных тиристора, включенные
встречно, то, как уже отмечалось ранее, они
могут регулировать фазы как положительных,
так и отрицательных полупериодов перемен-
ного тока. Такая схема применяется в устрой-
ствах высокой мощности. Для аналогичных
целей, но при меньшей силе тока используется
симистор.
Ну, а для управления трехфазным током потре-
буется шесть (три пары) триодных тиристоров.
Защита от перенапряжений
Способность триодного тиристора переносить
высокое напряжение делает возможным ис-
пользование этого устройства в цепи для огра-
ничения напряжения по методу закорачиваю-
щей перемычки (рис. 1.15): здесь триодный
тиристор закрыт (если пренебречь небольшим
током утечки) до тех пор, пока напряжение на
стабилитроне не превышает безопасный уро-
вень. При возникновении перенапряжения че-
рез стабилитрон на управляющий электрод три-
одного тиристора поступает сигнал включения.
При этом импеданс триодного тиристора резко
снижается, в результате чего от скачка тока пе-
регорает плавкий предохранитель. После устра-
нения причины появления в цепи чрезмерного
напряжения можно заменить предохранитель,
и цепь сможет продолжать нормальное функ-
ционирование.
В цепи также предусмотрен конденсатор, позво-
ляющий устранять короткие импульсы напря-
жения во избежание нежелательного включения
триодного тиристора. Резистор с сопротивлени-
ем около 100 Ом гарантирует, что напряжение
на управляющем электроде триодного тиристо-
ра при нормальном режиме работы будет почти
нулевым. Когда же стабилитрон начинает прово-
дить ток, резистор вместе с ним играет роль де-
лителя напряжения, при этом на управляющий
электрод подается напряжение, достаточное для
включения тиристора.
Такая схема может оказаться непригодной для
работы с низковольтными источниками тока.
Дело в том, что стабилитрон следует подобрать
с достаточно высоким номиналом, — чтобы не-
большие скачки напряжения не приводили к сра-
батыванию предохранителя. Учитывая тот факт,
что напряжение стабилизации стабилитрона
может отклоняться от номинала как минимум
на 5%, для цепи с напряжением 5 В потребуется
подобрать стабилитрон с номиналом не менее
6 В, при этом фактически он может оставаться
неактивированным до тех пор, пока напряжение
в цепи не достигнет 6,5 В. А поскольку такого
напряжения в защищаемой цепи нет, то и защи-
тить компоненты, использующие этот источник
питания, схема не сможет.
Рис. 1.15. В этой схеме триодный тиристор защищает чув-
ствительные компоненты от перенапряжения по методу за-
корачивающей перемычки
ю
Статья 1


полупроводниковые приборы > тиристоры > триодный тиристор
Что может пойти не так?
Что может пойти не так?
Как и другие полупроводники, триодный тири-
стор может быть поврежден в результате пере-
грева. Обычные меры предосторожности вклю-
чают в себя обеспечение достаточной вентиля-
ции и теплоотвода — особенно, когда компо-
ненты переносятся с открытой платы-прототипа
в закрытый корпус, где плотность монтажа су-
щественно выше.
Неожиданное включение,
вызванное нагревом
Значения запускающего и удерживающего то-
ков, указываемые в спецификациях, действи-
тельны только в случае, если компонент работа-
ет в рекомендуемом температурном диапазоне.
Повышение температуры может привести к са-
мопроизвольному включению.
Неожиданное включение,
вызванное выбросом напряжения
Очень резкое возрастание прямого напряжения
на аноде может создать запускающее напряже-
ние на управляющем электроде из-за эффекта
емкостной связи, в результате чего триодный ти-
ристор может включиться без подачи внешнего
напряжения на управляющий электрод. Иногда
такую особенность называют dU/dt включением.
При необходимости перед анодом можно доба-
вить демпферную цепь, позволяющую избежать
неожиданного выброса напряжения.
Смешение номиналов
для переменного и постоянного
токов
Значение силы тока триодного тиристора во
включенном состоянии усредняется только для
длительности каждого импульса тока (пока
прибор открыт), но не для всего периода пере-
менного тока. Кроме того, для постоянного тока
это значение также будет отличаться. Поэтому
необходимо обращать особое внимание на со-
ответствие номинального тока режиму работы
триодного тиристора.
Максимальная сила тока
и угол отсечки
Если триодный тиристор применяется для ре-
гулирования длительности полупериода пере-
менного тока, то его возможность пропуска-
ния тока находится в сильной зависимости от
скважности. Когда угол отсечки равен 120°, то
триодный тиристор работает со вдвое большим
средним током во включенном состоянии, по
сравнению с тем, когда угол отсечки составляет
30°. Спецификация производителя должна при-
водить графическую иллюстрацию этой зависи-
мости.
И если выбрать триодный тиристор для работы
с заданным углом отсечки, а впоследствии из-
менить этот угол, то это может привести к пере-
греву и, вероятнее всего, к повреждению компо-
нента.
Ошибка при интерпретации
обозначений
При чтении схем могут возникать досадные
ошибки из-за неумения отличить символ од-
нопереходного транзистора с управляе-
мым порогом от символа триодного тиристо-
ра. Описание характеристик однопереходного
транзистора с управляемым порогом приведено
в первом томе этой энциклопедии.
Триодный тиристор
11


полупроводниковые приборы > тиристоры > динистор
ДИНИСТОР
2
Динистор — это диодный тиристор. Существует мнение, что ан-
глийское название динистора (diac), возможно, восходит к словосо-
четанию diode for AC (что может быть переведено на русский язык как
«диод для переменного тока»), а раз это название не является аббре-
виатурой, его не принято записывать прописными буквами.
Под тиристором мы понимаем здесь полупроводник, состоящий из че-
тырех или более чередующихся слоев кремния р- и п-типа. Поскольку
тиристор предшествовал появлению интегральных микросхем и в
своем простейшем варианте представляет собой единый многослой-
ный полупроводник, в этой энциклопедии он рассматривается в каче-
стве дискретного компонента. Когда же тиристор сочетается в едином
блоке с другими компонентами (например, в твердотельном реле),
его следует рассматривать как часть интегральной схемы.
Среди других типов тиристоров также выделяются триодный тири-
стор (кремниевый управляемый выпрямитель) и симистор, каждому
из которых посвящена здесь соответствующая статья.
Менее распространенные типы тиристоров, такие как запираемый
тиристор и кремниевый управляемый переключатель (тиристор с
двумя управляющими электродами), в этой энциклопедии не рас-
сматриваются.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• триодный тиристор (см. статью 1)
• симистор (см. статью 3)
Описание
Динистор представляет собой двунаправлен-
ный тиристор, снабженный лишь двумя выво-
дами1. Он не пропускает ток до тех пор, пока на
него не будет подано достаточное напряжение,
после чего импеданс компонента резко падает.
В основном, этот компонент используется для
запуска симистора, снижающего мощность пе-
ременного тока для лампы накаливания, ре-
зистивного нагревателя или электродвигателя
1 Существуют и однонаправленные динисторы. — Ред.
переменного тока. Оба вывода двунаправленно-
го динистора обладают идентичной функцио-
нальностью и взаимозаменяемы.
Для сравнения: симистор и триодный тири-
стор — это тиристоры с тремя выводами, один
из которых является управляющим электродом,
позволяющим регулировать момент включения.
Симистор и динистор допускают прохождение
тока в любом направлении, тогда как триодный
тиристор пропускает ток лишь в одном из на-
правлений.
Динистор
13


Устройство
полупроводниковые приборы > тиристоры > динистор
Варианты условных обозначений
Условное обозначение динистора (рис. 2.1) на-
поминает два объединенных диода, при этом
один из них подключен противоположно по от-
ношению к другому. По принципу действия ди-
нистор можно сравнить с парой стабилитронов,
поскольку его работа также характеризуется
лавинообразным ростом тока. А раз оба вывода
динистора функционально идентичны, нет не-
обходимости придумывать для их обозначения
два разных термина, — иногда их называют про-
сто А1 и А2 — в том смысле, что любой из них
может функционировать как анод2.
треугольники — не иметь заливки. Иногда сим-
вол динистора может быть обведен кружком,
однако теперь такое обозначение встречается
редко.
Если на динистор (рис. 2.2) подается небольшое
напряжение (как правило, меньше 30 В), компо-
нент остается в пассивном состоянии и не про-
пускает ток в любом направлении, хотя обычно
и присутствует небольшой ток утечки. Когда же
напряжение превысит пороговое значение, на-
зываемое уровнем включения, ток начинает про-
текать по цепи, и так продолжается до тех пор,
пока напряжение не упадет ниже уровня удержа-
ния.
Рис. 2.1. Варианты условного обозначения динистора: все че-
тыре варианта функционально идентичны
Устройство
На рис. 2.3 приведена схема, демонстрирующая
особенности поведения динистора.
При нажатии на кнопку, положительный полу-
период источника переменного тока проходит
через диод и резистор номиналом 470 кОм на
конденсатор. Поскольку динистор пока что на-
ходится в выключенном состоянии, конденсатор
накапливает заряд и примерно через 30 секунд
вольтметр покажет, что напряжение на конден-
саторе достигает значения 32 В. Для показанно-
го на схеме динистора — это напряжение вклю-
чения, и поэтому он начинает проводить ток.
Рис. 2.2. Динистор не предназначен для пропускания силь-
ных токов, и его, как правило, заключают в небольшой корпус
(длина стороны клетки фона здесь составляет 2,5 мм)
Все приведенные на рис. 2.1 варианты символов
обозначают одно и то же. Они также могут быть
зеркально отражены слева направо, а черные
2 ь англоязычной литературе они могут обозначаться
как МТ1 и МТ2 - аббревиатура «МТ» означает здесь
Main Terminal, основной контакт. — Примеч. перев.
Рис. 2.3. Схема для демонстрации особенностей поведения
динистора
14
Статья 2


полупроводниковые приборы > тиристоры > динистор
Устройство
Положительная обкладка конденсатора теперь
может разрядиться на «землю» через динистор
и последовательно включенный резистор с но-
миналом в 1 кОм.
Если в этот момент отпустить кнопку, то вольт-
метр покажет разряд конденсатора до потен-
циала ниже уровня удержания динистора. Дос-
тигнув этого уровня, конденсатор перестанет
разряжаться, т. к. динистор закроется.
Если оставить кнопку нажатой на длительное
время, вольтметр покажет периодически по-
вторяющееся увеличение заряда конденсатора
и следующий за этим разряд через динистор,
вследствие чего можно говорить, что эта схема
функционирует как релаксационный осцилля-
тор. Резистор номиналом 1 кОм включен в цепь
для защиты динистора от чрезмерного тока.
Стандартный резистор мощностью 0,25 Вт не
перегревается, т. к. ток проходит через этот ре-
зистор лишь периодически.
Примечание
Поскольку эта схема работает с напряжени-
ем 115 В переменного тока, следует соблюдать
основные меры предосторожности, — в том чис-
ле использовать предохранитель, а также конден-
сатор номиналом не менее 50 В, и не прикасать-
ся к цепи, подключенной к источнику питания.
Монтаж этой схемы на макетной плате при таком
напряжении требует осторожности и опыта, т. к.
провода могут легко разъединиться, и вы можете
случайно задеть компоненты, находящиеся под
напряжением.
На рис. 2.4 представлена эта демонстрационная
схема, перенесенная на макетную плату. Провода
в верхней части макета подключены через плав-
кий предохранитель к источнику переменного
тока с напряжением 115 В. Токонесущий про-
вод источника питания проходит через диод
к кнопке с черной прямоугольной клавишей.
Резистор с номиналом 470 кОм соединяет вто-
рой вывод кнопки с положительным контактом
Рис. 2.4. Демонстрационная схема с динистором, собранная
на макетной плате
электролитического конденсатора на 100 мкФ,
а также с динистором (небольшой компонент
справа от конденсатора). Резистор на 1 кОм со-
единяет второй вывод динистора с отрицатель-
ной обкладкой конденсатора, которая заземле-
на. Провода в левой части макета подключены к
вольтметру, который здесь не показан.
Характеристика динистора приведена на рис. 2.5
и может быть сопоставлена с зависимостями,
изображенными на рис. 3.10 и 1.8, отображаю-
щими поведение симистора и триодного тири-
стора соответственно.
Утечка
® к
S 5
X X
ф ф
I i
т т
X
tf
Ф
X
ф
5 о
X с
грмцэтельнов
Напряжение ■
положительно'.
Рис. 2.5. Зависимость тока, проходящего через динистор, при
подаче на него того или иного напряжения
Динистор
15


Варианты
полупроводниковые приборы > тиристоры > динистор
Переключение переменного тока Параметры
Из-за отсутствия третьего вывода, имеющегося
у симистора, триодного тиристора и биполяр-
ного транзистора, динистор не может использо-
ваться в качестве управляемого переключателя.
Однако он отлично подходит для подключения к
управляющему электроду симистора, поскольку
отклик у динистора симметричен для противо-
положных значений напряжения, а у симисто-
ра — нет.
Если динистор используется для запуска сими-
стора, то пропускаемый ток в динисторе вряд ли
превысит значение 100 мА.
Если переменное напряжение, подаваемое на ди-
нистор, регулировать с помощью потенциометра
резистивно-емкостной цепи, то динистор станет
пропускать часть каждого положительного или
отрицательного импульса с небольшой задерж-
кой, определяемой номиналом конденсатора в
резистивно-емкостной цепи и положением по-
тенциометра. Такой эффект называется регулиро-
ванием фазы, поскольку при этом меняется фазо-
вый угол проходящего через динистор тока.
Схема цепи, в которой динистор управляет сими-
стором, приведена на рис. 3.12, а графики, иллю-
стрирующие регулирование фазы, представлены
на рис. ЦВ-1.12,1.14 и 3.11 (более подробно рас-
смотрение фаз синусоидального переменного
напряжения приводится в разд. «Регулирование
фазы» статьи триодный тиристор).
Варианты
Динистор можно встретить в двух вариантах
исполнения: для установки в монтажные отвер-
стия и для поверхностного монтажа. Поскольку
динисторы не предназначены для работы с
сильными токами, они не оборудуются теплоот-
водом.
Кремниевый диод для переменного тока, sidac
(от silicon diode for alternating current) очень по-
хож по своему функционированию на динистор.
Основное отличие этого диода от типичного ди-
нистора заключается в том, что его конструкция
подразумевает большее напряжение включения,
как правило, 120 или 240 В.
Напряжение включения динистора, как прави-
ло, находится в диапазоне между 30 и 40 В, од-
нако некоторые приборы предназначены для на-
пряжения до 70 В. Когда динистор включен, его
импеданс в этом состоянии мал и напряжение
значительно снижается, при этом минимальное
напряжение на выходе, как правило, составляет
около 5 В.
Несмотря на то, что время включения динистора
очень невелико (около 1 мкс), он не предназна-
чен для работы на высокой частоте. В схеме за-
пуска симистора нормальная частота функцио-
нирования динистора должна составлять 50 или
60 Гц переменного тока. Поэтому в специфика-
циях обычно указывают частоту повторяющего-
ся пикового тока во включенном состоянии не
более 120 Гц.
В спецификациях вы, как правило, можете
встретить следующие параметры:
• ^во — напряжение включения (иногда может
называться напряжением переключения,
однако для динистора эти понятия сино-
нимичны);
• Vboi ~ VB02 ~~ интервал напряжений вклю-
чения. Здесь, как можно видеть, меж-
ду напряжениями включения стоит знак
минуса, поэтому данный параметр позво-
ляет вычислить максимальную разность
напряжений переключения в каждом на-
правлении;
• Vo — минимальное напряжение на выходе;
• ITRM — повторяющийся пиковый ток во
включенном состоянии;
• 1В0 — ток включения (как правило, ука-
зывается необходимый максимум, не пре-
вышающий 20 мкА);
16
Статья 2


полупроводниковые приборы > тиристоры > динистор
Что может пойти не так?
• IR — максимальный ток утечки (как правило,
не превышает 20 мкА);
• Т.—температура рабочего перехода (обычно
указывается в виде диапазона допустимых
значений).
Что может пойти не так?
Как и прочие полупроводниковые приборы, ди-
нистор чувствителен к нагреву. Обычные меры
предосторожности включают в себя организа-
цию достаточной вентиляции и теплоотвода —
особенно, когда компоненты переносятся с от-
крытой платы-прототипа в закрытый корпус,
где таких компонентов может оказаться очень
много.
Неожиданное включение,
вызванное нагревом
Значение силы тока включения, указываемое
в спецификациях, действительно только в слу-
чае, если компонент работает в рекомендуемом
температурном диапазоне. Повышение темпе-
ратуры может привести к самопроизвольному
включению.
Эффекты низких температур
Если динистор работает в условиях низких тем-
ператур, для его запуска потребуется более вы-
сокое напряжение, хотя отличие вряд ли будет
превышать ±2% от показателя для нормальных
рабочих температур. Симистор гораздо сильнее
подвержен воздействию температур.
Разброс параметров
Напряжение включения динистора невозможно
точно настроить, из-за чего этот показатель мо-
жет значительно отличаться даже для идентич-
ных по спецификациям экземпляров. Поэтому
динистор не должен использоваться в качестве
высокоточного компонента. Кроме того, хотя в
теории значения напряжения включения долж-
ны быть одинаковыми при положительной и
при отрицательной полярности, в реальности
может присутствовать небольшое их различие,
не превышающее, как правило, ±2% (для неко-
торых компонентов оно составляет 1%).
Динистор
17


полупроводниковые приборы > тиристоры > симистор
СИМИСТОР
3
Симистор — это одна из разновидностей тиристора. Существует
мнение, что английское название симистора {triac), возможно, вос-
ходит к словосочетанию triode for AC (что может быть переведено на
русский язык как «триод для переменного тока»), а раз это название
не является аббревиатурой, его не принято записывать прописными
буквами.
Под тиристором мы понимаем здесь полупроводник, состоящий
из четырех или более чередующихся слоев кремния р- и л-типа.
Поскольку тиристор предшествовал появлению интегральных схем
и в своем простейшем варианте представляет собой единый много-
слойный полупроводник, в этой энциклопедии он рассматривается
в качестве дискретного компонента. Когда же тиристор сочетается в
едином блоке с другими компонентами (например, в твердотельном
реле), его следует рассматривать как часть интегральной схемы.
Среди других типов тиристоров также выделяются триодный тири-
стор (кремниевый управляемый выпрямитель) и динистор, каждому
из которых посвящена здесь соответствующая статья.
Менее распространенные типы тиристоров, такие как запираемый
тиристор и кремниевый управляемый переключатель (тиристор с
двумя управляющими электродами), в этой энциклопедии не рас-
сматриваются.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• триодный тиристор (см. статью 1)
• динистор (см. статью 2)
Описание
Симистор нашел повсеместное применение
в регуляторах переменного тока для ламп нака-
ливания. Он также используется для контроля
скорости вращения электродвигателей перемен-
ного тока и выходной мощности резистивных
нагревателей. Являясь разновидностью тири-
стора, симистор состоит из пяти кремниевых
областей р- и w-типа и имеет три вывода, один из
которых соединен с управляющим электродом,
переключающим ток между двумя другими вы-
водами в обоих направлениях. Как уже отмеча-
лось ранее, в англоязычной литературе изна-
чальное название этого устройства {triac) явля-
лось торговой маркой, возможно, образованной
от словосочетания triode for AC («триод для пе-
ременного тока»), поскольку в период появле-
ния тиристоров в 50-е годы прошлого века три-
од был одной из наиболее часто встречающихся
разновидностей электровакуумных приборов.
Симистор
19


Описание
полупроводниковые приборы > тиристоры > симистор
Для сравнения:
• динистор — это тиристор, снабженный
лишь двумя выводами, но позволяющий
току проходить в любом направлении при
условии достижения напряжения включения.
Английское название этого компонен-
та (diac), возможно, произошло от слово-
сочетания diode for АС («диод для перемен-
ного тока»). Динистор часто применяется
в сочетании с симистором;
• триодный тиристор (тринистор) — тип
тиристора, похожий на симистор, т. к. он
также снабжен тремя выводами, один из
которых является управляющим электро-
дом. Однако триодный тиристор пропускает
ток только в одном направлении.
Варианты условных обозначений
Условное обозначение симистора (рис. 3.1) на-
поминает два встречно включенных диода.
Несмотря на то, что симистор на самом деле не
состоит из двух диодов, он подобен паре диодов
по функциональности, поскольку может пропу-
скать ток в любом направлении.
Ломаная линия, подведенная к символам си-
мистора, обозначает управляющий электрод.
Подписи для других двух контактов не стан-
дартизированы и могут выглядеть как А1
и А2 (Анод 1 и Анод 2), Т1 и Т2 (Контакт 1 и
Контакт 2) или же МТ1 и МТ2 (Основной кон-
такт 1 и Основной контакт 2)1. Выбор того или
иного наименования не указывает на какие-
дибо функциональные различия, и в этой статье
энциклопедии мы будем использовать обозна-
чения А1 и А2.
Контакт Al (T1 или МТ1) всегда изображает-
ся ближе к управляющему электроду, чем кон-
такт А2 (Т2 или МТ2) — это различие важно,
т. к., хотя симистор и пропускает ток в обоих
направлениях, его поведение несколько асим-
метрично.
1 От англ. Terminal (контакт) и Main Terminal (основной
контакт) соответственно. — Примеч. перев.
Рис. 3.1. Условное графическое обозначение симистора и че-
тыре варианта наименований его контактов: различия в на-
именованиях не указывают на функциональные различия
Рис. 3.2. Взаимозаменяемые варианты условного обозначе-
ния симистора
20
Статья 3


полупроводниковые приборы > тиристоры > симистор
Устройство
Примечание
Величины напряжения всегда указываются отно-
сительно контакта А1 (Т1 или МТ1).
На рис. 3.2 представлены 12 из 16 теоретиче-
ски возможных и функционально идентичных
вариантов изображения симистора. Как можно
видеть, все они могут быть зеркально отраже-
ны или перевернуты, а черные треугольники —
не иметь заливки, положение ломаной линии,
представляющей управляющий электрод, также
может отличаться. Тем не менее, как уже было
отмечено ранее, контакт А1 всегда рисуется бли-
же к управляющему электроду, нежели контакт
А2. Иногда можно встретить символ симистора,
обведенный кружком, однако теперь это встре-
чается редко.
На рис. 3.3-3.5 изображены симисторы с отли-
чающимися параметрами.
Рис. 3.3. Симистор модели ВТА208Х-1000В, способный во
включенном состоянии проводить ток со среднеквадратич-
ным значением 8 А и выдерживающий в выключенном со-
стоянии пиковое напряжение в 1000 В. Это так называемый
симистор без демпфирования
Рис. 3.5. Симистор модели МАС97А6, способный во включен-
ном состоянии проводить ток со среднеквадратичным зна-
чением 0,8 А и выдерживающий в выключенном состоянии
пиковое напряжение в 400 В
Устройство
Рис. 3.4. Симистор модели BTB04-600SL, способный во вклю-
ченном состоянии проводить ток со среднеквадратичным
значением 4 А и выдерживающий в выключенном состоянии
пиковое напряжение в 600 В
Симистор
Когда напряжение на управляющем электроде
отсутствует, симистор остается в пассивном со-
стоянии и препятствует прохождению тока меж-
ду контактами А1 и А2 в обоих направлениях,
хотя, как правило, и присутствует небольшой
ток утечки. Если потенциал на управляющем
электроде становится достаточно положитель-
ным или отрицательным по отношению к кон-
такту А1, симистор может начать пропускать ток
между А1 и А2 в одном из двух направлений, —
это свойство делает симистор идеальным ком-
понентом для управления переменным током.
21


Устройство
полупроводниковые приборы > тиристоры > симистор
Состояния симистора
Пока на управляющий электрод подается напря-
жение, возможны четыре состояния симистора.
В каждом случае контакт А1 является опорным
(можно считать, что это заземленная нейтраль).
Поскольку симистор проводит переменный ток,
то на нем будет присутствовать напряжение
и выше, и ниже потенциала заземления.
В некоторых источниках (особенно в учебных
пособиях) ток показывается стрелкой, которая
означает направление движения электронов от
минуса к плюсу, и т. к. зачастую род тока не ука-
зывается, при чтении схем нужно быть весьма
внимательным. Учтите также, что в этой энци-
клопедии на схемах ток всегда течет от более по-
ложительной точки к более отрицательной.
Четыре состояния симистора часто называют
четырьмя квадрантами, и, как правило, они
располагаются так, как показано на рис. 3.6:
• квадрант 1 (верхний правый) — контакт А2
более положителен, чем контакт А1, управ-
Рис. З.б. Состояния симистора: знаки «плюс» и «минус» озна-
чают, что отмеченный им контакт «более положителен» или
«более отрицателен», чем А1. Знак заземления представляет
потенциал, средний между плюсом и минусом
ляющий электрод более положительный,
чем контакт А1. Ток условного направле-
ния (от плюса к минусу) будет протекать
от контакта А2 к А1 (такое поведение очень
похоже на поведение триодного тирис-
тора);
• квадрант 2 (верхний левый) — контакт А2
более положителен, чем контакт А1, управ-
ляющий электрод более отрицательный,
чем контакт А1. Ток условного направления
(от плюса к минусу) будет протекать от
контакта А2 к А1;
• квадрант 3 (нижний левый) — контакт А2
более отрицательный, чем контакт А1, и
управляющий электрод также более отри-
цательный, чем контакт А1. Ток условного
направления (от плюса к минусу) пройдет
от А1 к А2;
• квадрант 4 (нижний правый) — контакт А2
более отрицателен, чем А1, а управляющий
электрод более положительный, чем А1. Ток
условного направления (от плюса к минусу)
пройдет от А1 к А2.
Примечание
Заметьте, что два положительных или два отри-
цательных символа на рис. З.б вовсе не означают,
что напряжение в обеих отмеченных ими точках
равно по величине. Они отмечают лишь то, что по-
тенциалы в этих точках значительно отличаются
от потенциала А1.
Предположим, что сила тока на управляющем
электроде увеличивается постепенно. Когда она
повысится до уровня порогового тока управляю-
щего электрода симистора, он начнет пропускать
ток между контактами А1 и А2. Если сила тока
между А1 и А2 превысит уровень тока включе-
ния, симистор будет продолжать проводить ток
даже в том случае, если напряжение на управ-
ляющем электроде пропадет полностью.
Если сила тока, проходящего через симистор
в самоподдерживаемом проводящем режиме,
начнет постепенно снижаться (при условии,
что напряжение на управляющий электрод не
22
Статья 3


полупроводниковые приборы > тиристоры > симистор
Устройство
подается), то симистор может неожиданно пре-
кратить пропускать ток между контактами, —
если этот ток станет ниже уровня удержания (та-
кое поведение симистора подобно поведению
триодного тиристора). При этом симистор воз-
вращается в исходное выключенное состояние
и продолжает блокировать ток до тех пор, пока
не будет запущен вновь с помощью управляю-
щего электрода.
Симистор — достаточно чувствительный ком-
понент и способен реагировать на быстрые ко-
лебания переменного тока с частотой 50 или
60 Гц.
Пороговый ток, ток фиксации
и ток удержания
На рис. 3.7 показана зависимость между поро-
говым током управляющего электрода, током
фиксации и током удерживания. В верхней ча-
сти иллюстрации показана сила тока на управ-
ляющем электроде, которая колеблется, пока не
пересечет уровень порогового тока, — так уста-
навливается ток между основными контактами
(показан в нижней части иллюстрации). До это-
го момента присутствовал только небольшой
ток утечки (показан на иллюстрации без соблю-
дения масштаба).
Включившись, симистор начинает проводить
ток между внешними компонентами — и сила
тока сначала превышает уровень тока включе-
ния. Впоследствии напряжение на управляющем
электроде может упасть до нуля, но симистор
останется в проводящем состоянии. Однако,
если внешние факторы вызывают уменьшение
силы тока между двумя контактами симистора
ниже уровня удержания, компонент резко пре-
кращает пропускать ток — и сила тока вновь
снижается до уровня утечки.
В отличие от биполярного транзистора сими-
стор находится либо в положении «включено»,
либо в положении «выключено», и не выполня-
ет функцию усилителя тока. После включения
импеданс между контактами А1 и А2 достаточно
низок, что позволяет симистору сохранять воз-
можность рассеивания тепла даже при сравни-
тельно большом проходящем токе.
Запускающее
событие
Уровень
включения
Уровень
удерживания
Уровень
порогового тока
на управляющем
электроде
Рис. 3.7. Зависимость тока между основными контактами си-
мистора от управляющего тока
Тестирование симистора
На рис. 3.8 изображена схема, иллюстрирующая
особенности работы симистора. Для упроще-
ния схема подключена к источнику постоянно-
го тока. На практике же симистор практически
всегда используется в цепи переменного тока.
Обратите внимание, что для работы этой схемы
необходимо постоянное напряжение как мини-
мум +12 или -12 В (можно использовать и более
высокое напряжение). Символ заземления пока-
зывает напряжение средней точки О В, подавае-
мое на контакт А1 симистора марки МАС97А6
или его аналога. Если в вашем распоряжении
нет источника питания на два напряжения, то
управляющий электрод можно напрямую под-
ключить к напряжению +12 В без потенциоме-
тра Р2, однако в этом случае предлагаемая схема
позволит продемонстрировать лишь два режима
работы симистора.
Симистор
23


Устройство
полупроводниковые приборы > тиристоры > симистор
Рис. 3.8. Схема для демонстрации работы симистора при по-
даче разного напряжения (положительного и отрицательно-
го потенциала по отношению к контакту А1) на управляющий
электрод и контакт А2
Два потенциометра здесь играют роль делите-
ля напряжения между положительным и от-
рицательным полюсами источника питания.
Потенциометр Р1 подает положительное или
отрицательное напряжение на контакт А2 (от-
носительно контакта А1), тогда как потенцио-
метр Р2 подает положительное или отрицатель-
ное напряжение на управляющий электрод (от-
носительно контакта А1).
Если начать тестирование, установив движки
обоих потенциометров в крайние верхние по
схеме положения (см. рис. 3.8), то контакт А2 и
управляющий электрод (G) будут обладать по-
ложительным потенциалом (относительно кон-
такта А1). Таким образом, симистор окажется в
состоянии, соответствующем квадранту 1, и при
нажатии на кнопку он начнет проводить ток,
ограничиваемый резистором на 1 кОм, а по-
казания амперметра изменятся с 0 до, пример-
но, 12 мА. Если отпустить кнопку, то симистор
останется включенным, т. к. сила тока 12 мА
выше уровня его включения. Если постепенно
перевести движок потенциометра Р1 в среднее
положение, сила тока начнет также постепенно
снижаться, и при достижении значения ниже
уровня удержания ток в цепи прекратится. Если
теперь вновь перевести движок потенциометра
Р1 в верхнее по схеме положение, ток не возоб-
новится до тех пор, пока симистор не будет за-
пущен нажатием кнопки.
Чтобы запустить симистор в режиме работы, со-
ответствующем квадранту 2, можно повторить
тест, но в этот раз движок потенциометра Р1 сле-
дует перевести в верхнее по схеме положение, а
потенциометра Р2 — в нижнее. Для запуска си-
мистора в режиме работы, соответствующем
квадранту 3, движки обоих потенциометров
(Р1 и Р2) должны быть установлены в нижние
по схеме положения. Чтобы перевести сими-
стор в состояние, соответствующее квадранту 4,
движок потенциометра Р2 следует установить в
верхнее по схеме положение, а потенциометра
Р1 — в нижнее. Функционирование симистора
должно быть одинаковым для всех четырех ре-
жимов работы — нажатие на кнопку инициирует
протекание тока, сила которого постепенно сни-
жается переводом потенциометра Р1 в среднее
положение.
В любом из квадрантов можно постепенно пере-
водить потенциометр Р2 в среднее положение и
при этом нажимать на кнопку для эксперимен-
тального определения пороговой силы тока
управляющего электрода используемого сими-
стора. Для измерения этого тока между скользя-
щим контактом потенциометра и управляющим
электродом симистора можно подключить ам-
перметр.
На рис. ЦВ-3.9 изображена эта демонстраци-
онная схема, перенесенная на макетную плату.
Здесь красный и синий провода, находящиеся
в левом углу макета, подают напряжение +12 и
-12 В относительно черного провода заземле-
ния в правом верхнем углу. Желтый и зеленый
провода подключены к амперметру. Красная
кнопка — тактильный переключатель. Симистор
марки МАС97А6 находится над этой кнопкой
24
Статья 3


полупроводниковые приборы > тиристоры > симистор
Устройство
Рис. ЦВ-3.9. Схема для тестирования симистора, перенесен-
ная на монтажную плату
и чуть левее. Движки синих квадратных под-
строенных резисторов на 10 кОм установлены в
крайние положения таким образом, чтобы ам-
перметр отобразил силу проходящего по цепи
тока при нажатии на кнопку.
Напряжение включения
Если на контакт А2 подать значительное на-
пряжение, то симистор может включиться и без
подачи запускающего напряжения на управляю-
щий электрод. Так происходит, когда потенциал
между контактами А1 и А2 достигает уровня
напряжения включения, однако симистор не
предназначен для работы в таком режиме. Это
поведение иллюстрирует рис. 3.10, и его можно
сопоставить с поведением триодного тиристора
и динистора, представленным на рис. 1.8 и 2.5
соответственно.
Термин напряжение пробоя используется для
обозначения минимального обратного напря-
жения, требующегося для того, чтобы компо-
нент начал проводить ток. Термин напряжение
включения служит для обозначения минималь-
ного прямого напряжения, требующегося для
запуска компонента. И поскольку симистор
предназначен для пропускания тока в двух на-
правлениях, можно говорить, что он обладает
напряжением включения в обоих направлениях.
На рис. 3.10 цифры в квадратах обозначают
квадранты, приведенные на рис. 3.6. Сплошная
линия — это график электрического тока, воз-
никающего при подаче на контакт А2 положи-
тельного или отрицательного по отношению
к контакту А1 потенциала. Если напряжение на
управляющем электроде отсутствует, симистор
выключен и при постепенном повышении на-
пряжения между контактами А1 и А2 компонент
будет вести себя до включения так, как показа-
но пунктиром. Несмотря на то, что такой режим
может и не повредить симистор, компонент в
ситуации достижения уровня включения стано-
вится неуправляемым.
Внимание!
При нормальном использовании нельзя допу-
скать рост напряжения между контактами А1 и А2
до уровня включения.
Утечка
\
I
Isoo
Рис. 3.10. Сплошная линия иллюстрирует зависимость от на-
пряжения тока, проходящего между контактами А1 и А2 ги-
потетического симистора, при условии подачи запускающего
напряжения на управляющий электрод. Пунктирная линия
иллюстрирует ситуацию, когда на управляющий электрод не
подано запускающее напряжение. Цифры в квадратах обо-
значают квадранты режимов работы симистора
Симистор
25


Устройство
полупроводниковые приборы > тиристоры > симистор
Переключение переменного тока
Выражение «переключение переменного тока»
для симистора означает прерывание каждого
импульса тока таким образом, что только его
часть подается на нагрузку. Обычно это про-
исходит, когда симистор работает в квадран-
тах 1 и 3. При работе симистора в квадранте 3
направление тока между контактами А1 и А2
противоположно направлению тока в квадран-
те 1, а напряжения управления также обратны.
Эта особенность компонента позволяет создать
довольно простую схему для управления дли-
тельностью каждого полупериода, проходящего
через симистор.
Принцип работы такой схемы показан на
рис. 3.11: здесь переменное напряжение,
Переменный ток,
подаваемый
на симистор
Пороговый ток
равляющем
электроде
Переменный ток
управляющем
, сниженный
резистором
По юговый
на ynpai
элоктроде
"Уровонь
включения
включения
.Ye
удери*
Т
Уровень
удерживания
овень
вания
Рис. 3.11. Симистор может снижать мощность переменного
тока, блокируя часть каждого импульса тока
подаваемое на симистор, представлено в верхней
насты иллюстрации кривой с большей амплиту-
дой. Кривая с меньшей амплитудой демонстри-
рует уменьшенную переменным резистором
силу тока, подаваемого на управляющий элек-
трод (эта иллюстрация предназначена только
для уяснения понятий — на самом деле, пере-
менное напряжение и изменяющуюся силу тока
управляющего электрода нельзя отобразить на
одной и той же вертикальной оси графика).
График на рис. 3.11 может быть сопоставлен
с рис. 3.7, за исключением лишь того обстоя-
тельства, что на этом графике показано как от-
рицательное, так и положительное пороговое
напряжение. Помните, что включить симистор
можно, подав на управляющий электрод как по-
ложительное, так и отрицательное напряжение.
На рис. 3.11 симистор изначально выключен.
С течением времени, когда ток на управляющем
электроде достигнет порогового значения, про-
исходит запуск симистора, ток начнет протекать
между основными контактами, как показано
в нижней части иллюстрации. Этот ток превы-
шает уровень включения и поэтому он продол-
жает протекать, даже несмотря на то, что ток
управляющего электрода снижается ниже по-
рогового уровня. Наконец, ток между основны-
ми контактами падает ниже уровня удержания,
вследствие чего симистор выключается и пере-
ходит в режим ожидания следующего запуска,
который происходит, как только импульс тока
переходит в отрицательную фазу.
Описанная здесь простая система прерыва-
ет часть каждого импульса переменного тока.
Длительность выключенного состояния будет
зависеть от того, какой ток протекает через
управляющий электрод. Так как процесс вклю-
чения и выключения происходит очень быстро,
мы можем заметить только уменьшение мощ-
ности, проходящей через симистор (например,
в виде изменения яркости лампы, количества
тепла, рассеиваемого нагревательным эле-
ментом, или скорости вращения электродви-
гателя).
26
Статья 3


полупроводниковые приборы > тиристоры > симистор
Устройство
К сожалению, в рассмотренном сценарии есть
неточность — поведение симистора не вполне
симметрично. Пороговый уровень управляю-
щего электрода для положительного тока не в
точности равен и противоположен пороговому
уровню управляющего электрода для отрица-
тельного тока, — положительный и отрицатель-
ный пороговые уровни, показанные на рис. 3.11,
в действительности находятся на разном рас-
стоянии по вертикальной оси от нулевой ли-
нии. Это приводит к тому, что отрицательные
импульсы переменного тока, проходящие через
симистор, короче положительных. Такая асим-
метрия является причиной возникновения гар-
моник и помех, которые могут проникнуть в
сеть и повлиять на работу других электронных
устройств. В табл. 3.1 приведена диспропорция
отклика управляющих электродов для каждого
рабочего квадранта двух симисторов (поскольку
внутренняя структура симистора асимметрична,
для каждого из рабочих квадрантов требуется
разный запускающий ток).
Таблица 3.7. Отношение минимальной силы тока запуска
в квадрантах 2,3 и 4 по отношению к квадранту 1
(на основе технической документации компании Littelfuse)
Рабочий ток
симистора, А
4
10
Отношение силы тока на управляющем
электроде, требующейся для перевода
симистора в проводящий режим
по отношению к квадранту 1
Квадрант 2
1,6
1,5
Квадрант 3
2,5
1,4
Квадрант 4
27
3,1
импульсом напряжения, сформированным дру-
гим (симметричным) компонентом. Почти всег-
да таким компонентом служит динистор — еще
одна разновидность тиристора. В отличие от
триодного тиристора и симистора, у динистора
нет управляющего электрода, этот компонент
специально разработан для работы при напря-
жении выше напряжения включения. При по-
даче такого напряжения динистор включается
и продолжает проводить ток до тех пор, пока он
не станет ниже уровня удерживания (дополни-
тельную информацию о динисторе вы найдете
в соответствующей статье этой энциклопедии).
На рис. 3.12 динистор, показанный справа
от симистора, получает питание от простой
резистивно-емкостной цепи, состоящей из по-
стоянного резистора, потенциометра и конден-
сатора (в реальности резистивно-емкостная
цепь может оказаться более сложной). В каж-
дом полупериоде переменного тока конденсато-
ру требуется для подзарядки некоторое время,
длительность которого регулируется потенцио-
метром и определяет ту точку полупериода, в ко-
торой напряжение достигает уровня включения
динистора. Поскольку эта задержка влияет на
фазу переменного тока, такую подстройку при-
нято называть регулированием фазы.
Графики, иллюстрирующие регулирование фазы
полупериодов переменного тока с помощью три-
одного тиристора, представлены на рис. ЦВ-1.12
и 1.14 (см. разд. «Регулирование фазы» статьи
триодный тиристор этой энциклопедии).
Запуск симистора
С ПОМОЩЬЮ ДИНИСТОра рмс 3j2# Эта схема демонстрирует типичное включение си-
^ мистора с динистором, подающим импульсы на управляющий
Проблему асимметричности запуска СИМИ- электрод симистора: потенциометр здесь регулирует задерж-
СТОра МОЖНО Преодолеть, если запускать его ку, создаваемую конденсатором
Симистор
27


Устройство
полупроводниковые приборы > тиристоры > симистор
Как только напряжение превосходит уровень
включения динистора, он начинает проводить
ток и подает его на управляющий электрод си-
мистора, в результате чего симистор запускает-
ся. Поскольку уровень удерживания динистора
ниже его уровня включения, динистор остается
во включенном состоянии, пока не разрядится
конденсатор и не снизится подаваемое напря-
жение. Когда же сила тока падает ниже уровня
удерживания, динистор выключается и перехо-
дит в режим ожидания нового цикла. Симистор
же продолжает проводить ток до тех пор, пока
напряжение не упадет ниже его уровня удержи-
вания. В этот момент симистор запирается до
следующего запуска.
Гармоники, возникающие из-за нарушения фор-
мы синусоидального напряжения, подавляются
катушкой индуктивности и конденсатором в ле-
вой части схемы.
Другие варианты запуска
симистора
Симистором можно управлять и с помощью
других устройств, отличных от динистора, хотя
такое встречается редко.
Простое двухпозиционное управление можно
организовать с помощью специальной оптрон-
ной пары, например, МОС3162 производства
компании Fairchild Semiconductor. Этот компо-
нент посылает сигнал переключения на сими-
стор только тогда, когда переменное напряже-
ние переходит через нуль. В схеме с переходом
напряжения через нуль создается меньше помех,
поэтому такой вариант запуска симистора весь-
ма желателен. Кроме того, наличие оптронной
пары помогает изолировать симистор от других
компонентов.
Регулирования фазы можно добиться также
с помощью оптронной пары типа H11L1, по-
дав на нее питание в виде выпрямленного, но
не сглаженного переменного напряжения, про-
шедшего через стабилитрон, ограничивающий
амплитуду. Выходной сигнал оптронной пары
совместим с логическими микросхемами и мо-
жет быть подан, например, на вход таймера
555, установленного в режим одновибратора.
Каждый импульс от таймера при этом будет про-
ходить через другую оптронную пару, например,
МОС3023, в которой встроенный светодиод
управляет симистором.
Еще одна возможность — подключить про-
граммируемый вывод микроконтроллера через
оптронную пару к управляющему электроду
симистора. Дополнительную информацию о та-
ком типе подключения симистора можно найти
в Интернете, выполнив поисковый запрос по
ключевым Словам микроконтроллер И сими-
стор.
Накопление заряда
При переключении переменного тока для исчез-
новения внутреннего заряда между контактами
А1 и А2 до подачи тока в обратном направлении
требуется время. В противном случае проис-
ходит накопление заряда, вследствие чего сими-
стор может начать непрерывно проводить ток.
По этой причине использование симистора, как
правило, ограничивается сравнительно низки-
ми частотами, например, 50 или 60 Гц бытовой
электросети.
Если симистор управляет электродвигателем,
фазовое запаздывание между напряжением и
током, связанным с индуктивной нагрузкой,
может отразиться на величине переходного пе-
риода между положительным и отрицательным
полупериодами. В спецификациях термин ком-
мутирующий эффект du/dt определяет скорость
повышения напряжения противоположной по-
лярности, которую может выдержать симистор,
не переключаясь в состояние постоянного про-
пускания тока.
Для предотвращения самоблокирования си-
мистора параллельно с контактами А1 и А2 за-
частую подключается демпферная резистивно-
емкостная цепь, позволяющая точно задавать
28
Статья 3


полупроводниковые приборы > тиристоры > симистор
Варианты
время нарастания напряжения, подаваемого на
симистор (выделена на рис. 3.13 темным пря-
моугольником и состоит из резистора и кон-
денсатора, подключенных слева от симистора).
Сопротивление демпферной цепи следует выби-
рать как можно больше, а емкость — как можно
меньше (в пределах допустимого рабочего ин-
тервала). Типичный диапазон значений для ре-
зистора, как правило, составляет от 47 до 100 Ом,
а для конденсатора — от 0,01 до 0,1 мкФ.
Рис. 3.13. Чтобы предотвратить самоблокирование симисто-
ра в проводящем режиме при подключении к индуктивной
нагрузке — такой как электродвигатель, можно добавить
демпферную цепь (здесь она показана слева от симистора в
виде выделенных темным прямоугольником резистора и кон-
денсатора)
Варианты
Симисторы доступны в двух вариантах испол-
нения: для установки в монтажные отверстия и
для поверхностного монтажа.
Некоторые компоненты, также называемые
симисторами, на самом деле состоят из двух
триодных тиристоров, включенных встречно.
Модельный ряд таких приборов выпускает, на-
пример, компания Littelfuse. Триодный тиристор
способен выдерживать более высокие скорости
увеличения напряжения по сравнению с класси-
ческим симистором и поэтому лучше подходит
для обеспечения питания таких индуктивных
нагрузок, как, например, мощные электродвига-
тели.
Недемпфированный симистор, как видно из на-
звания, предназначен для питания индуктивной
нагрузки без необходимости наличия демпфер-
ной цепи. Примером такого симистора может
служить компонент ВТА24 производства ком-
пании STMicroelectronics. В спецификациях для
компонентов этого типа указываются опреде-
ленные ограничения, которые могут быть не-
сколько жестче, чем для обычного симистора.
Параметры
Симисторы для поверхностного монтажа обыч-
но рассчитаны на переменный ток со среднеква-
дратичной силой от 2 до 25 А, модели для более
высоких токов могут быть размером до 10 мм.
Необходимое запускающее напряжение может
составлять от 0,7 до 1,5 В. Симисторы для уста-
новки в монтажные отверстия могут выдержи-
вать чуть большую силу тока (до 40 А), а их за-
пускающее напряжение обычно составляет от 1
до 2,5 В.
Как уже было отмечено ранее, использование
большинства моделей симисторов ограничи-
вается токами с достаточно низкой частотой —
обычно не более 60 Гц.
Далее приведен перечень обозначений, как пра-
вило, включаемых в спецификации симисторов:
• Vdrm или Vrrm ~ максимальное повторяю-
щееся обратное напряжение в выключен-
ном состоянии. Это максимальное обрат-
ное напряжение, которое может выдержать
компонент в выключенном состоянии без
повреждения или пропускания тока;
• VTM — максимальное напряжение между
контактами А1 и А2 (измеряется при
коротком импульсе и малой скважности);
• ^gt "" запускающее напряжение, необходи-
мое для включения симистора с помощью
управляющего электрода;
• *drm "~ максимальный ток утечки;
• IGM — максимальная сила тока управляющего
электрода;
Симистор
29


Что может пойти не так?
полупроводниковые приборы > тиристоры > симистор
• IGT — минимальный запускающий ток;
• 1Н — ток удержания;
• IL — ток включения;
• *t(rms> ~ среднеквадратичная сила тока во
включенном состоянии (максимальное его
значение, которое допустимо при непре-
рывной работе);
• ITSM — максимальная сила тока неповто-
ряющегося импульса (указывается длитель-
ность импульса);
• Тс — температура корпуса (обычно ука-
зывается в виде диапазона допустимых
значений);
• Tj — температура рабочего узла (обычно
указывается в виде диапазона допустимых
значений).
Что может пойти не так?
Как и прочие полупроводниковые приборы, си-
мистор чувствителен к нагреву. Обычные меры
предосторожности включают в себя организа-
цию достаточной вентиляции и теплоотвода —
особенно, когда компоненты переносятся с от-
крытой платы-прототипа в закрытый корпус,
где таких компонентов может оказаться очень
много.
Неожиданное включение,
вызванное нагревом
Значение силы тока включения, указываемое
в спецификациях, действительно только в слу-
чае, если компонент работает в рекомендуемом
температурном диапазоне. Повышение темпе-
ратуры может привести к самопроизвольному
включению.
Эффекты низких температур
Если симистор работает в условиях низких тем-
ператур, для его запуска потребуется более вы-
сокое напряжение. Вполне вероятно, что компо-
ненту, работающему при температуре перехода
в 25 °С потребуется вдвое большая сила тока,
чем при 100 °С. Если же на симистор подан не-
достаточный ток, он не запустится.
Неправильный тип нагрузки
Если лампа накаливания в цепи с симистором
заменена на люминесцентную или светоди-
одную, симистор уже не подойдет для регули-
ровки интенсивности света.
Люминесцентные лампы обладают индуктив-
ным сопротивлением и, возможно, емкостной
нагрузкой, — любой из этих факторов помешает
нормальной работе симистора.
Интенсивность свечения светодиода, по срав-
нению с лампой накаливания, весьма сильно
зависит от изменения напряжения и тока, по-
этому регулировать яркость светодиода нужно
с помощью широтно-импульсной модуляции,
которая соответствует его рабочим параме-
трам. Симистор для этой цели, как правило, не-
пригоден.
Неверное определение контактов
Многие полагают, что симистор — это симме-
тричный компонент, т. к. он предназначен для
переключения переменного тока вне зависимо-
сти от того, какое напряжение — положительное
или отрицательное — подается на управляющий
электрод. В реальности поведение симистора
асимметрично, и если симистор подключен не-
верно, то он может функционировать непра-
вильно или же не работать вовсе.
Накопление заряда
Как уже было сказано ранее (см. разд.
«Накопление заряда»), если симистору не предо-
ставить достаточный интервал времени между
окончанием одного полупериода и началом дру-
гого, то в нем происходит накопление заряда.
Компонент, работавший с резистивной нагруз-
кой, может перестать функционировать, если
заменить эту нагрузку на индуктивную.
30
Статья 3


интегральные микросхемы > аналоговые > твердотельное реле
ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ РЕЛЕ
4
Иногда твердотельное реле (по англ. solid-state relay) рассматрива-
ют как разновидность оптрона, однако в этой энциклопедии обоим
этим компонентам посвящены отдельные статьи. Дело в том, что оп-
трон — это сравнительно простое устройство, состоящее из источни-
ка света (как правило, светодиода) и фотоприемника, заключенных
в единый корпус. В первую очередь оптрон служит для гальваниче-
ской развязки цепей (передачи сигнала без передачи напряжения),
а не для коммутации больших токов, тогда как твердотельное реле
можно рассматривать в качестве замены электромагнитного реле.
Обычно твердотельное реле имеет дополнительные компоненты
внутри корпуса и предназначено для коммутации токов силой не ме-
нее 1 А.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• электромагнитное реле (рассматривается в первом томе
энциклопедии)
• оптрон (см. статью 5)
Описание
Твердотельное реле (ТТР) — это сборка из
полупроводниковых компонентов, работающая
подобно электромагнитному реле (см. соответ-
ствующую статью в первом томе энциклопедии).
ТТР включает или выключает ток между выход-
ными контактами в ответ на меньшие силу тока
и напряжение на входных контактах. Некоторые
разновидности ТТР могут коммутировать пере-
менный или постоянный ток и управляются как
переменным, так и постоянным током. ТТР ра-
ботает как однополюсный переключатель на одно
направление и доступно в двух вариантах: нор-
мально разомкнутое и нормально замкнутое.
ТТР, работающие как однополюсный переключа-
тель на два направления, гораздо менее распро-
странены и фактически состоят из нескольких
ТТР.
Рис. 4.1. Условное графическое обозначение твердотельного
реле не стандартизировано
Твердотельное реле
31


Описание
интегральные микросхемы > аналоговые > твердотельное реле
Для твердотельного реле не существует приня-
того условного обозначения, однако на рис. 4.1
приведено несколько альтернативных вари-
антов:
• вверху — детализированное изображение
ТТР, коммутирующего постоянный ток
с помощью МОП-транзистора. Часто
опускают диоды на выходе и упрощают
символы МОП-транзисторов;
• слева внизу — ТТР с симистором для ком-
мутации переменного тока. Поле с помет-
кой Ох указывает, что на схеме представ-
лено реле, срабатывающее при переходе
напряжения через нулевое значение (от
положительного к отрицательному или от
отрицательного к положительному);
• справа внизу — типичное обозначение нор-
мально разомкнутого ТТР, хотя здесь и не
понятно, предназначено ли это реле для
переменного или постоянного тока.
Преимущества твердотельных
реле перед электромагнитными
• Высокая надежность и длительный срок
службы.
• Отсутствие физических контактов, подвер-
женных искрению и износу или (в экстре-
мальных условиях) могущих свариваться
друг с другом.
• Очень быстрое время переключения — как
правило, 1 мкс на включение и 0,5 мкс на
выключение.
• Весьма низкое потребление мощности
на входе: от 5 мА при 5 В постоянного
тока. Многие твердотельные реле можно
подключать напрямую к выходам логичес-
ких микросхем.
• Отсутствие механического шума.
• Отсутствие дребезга контактов, выходной
сигнал без помех.
• Отсутствие обмотки, которая могла бы
вызывать в цепи противоЭДС.
• Безопасное использование в атмосфере
воспламеняющихся паров — благодаря
отсутствию искрящих контактов.
• Зачастую меньше по габаритам, чем анало-
гичное электромагнитное реле.
• Нечувствительность к вибрации.
• Более безопасная коммутация высокого
напряжения — благодаря гальванической
развязке входа и выхода.
• Для некоторых вариантов достаточно вход-
ного управляющего напряжения в 1,5 В,
тогда как для электромагнитных реле тре-
буется, как правило, 3 В (или даже боль-
ше). Кроме того, для коммутации больших
токов требуются крупногабаритные элект-
ромагнитные реле.
Недостатки твердотельных
реле по сравнению с электро-
магнитными
• Меньшая эффективность — внутренний
импеданс ТТР создает фиксированное па-
дение напряжения на выходе (хотя таким
снижением напряжения можно пренебречь
при коммутации больших токов).
• Во включенном состоянии ТТР выделяет
тепло в соответствии с величиной падения
напряжения.
• В выключенном состоянии на выходе
есть небольшой ток утечки (как правило,
измеряемый в микроамперах).
• При работе с твердотельным реле посто-
янного тока требуется следить за соблю-
дением полярности на выходе, чего не
нужно делать при использовании электро-
магнитного реле.
• Короткие выбросы напряжения на входе,
игнорируемые более медленным электро-
магнитным реле, могут привести к сраба-
тыванию твердотельного реле.
• Более уязвимо по сравнению с электро-
магнитным реле к броскам тока, коммути-
руемого на выходе.
32
Статья 4


интегральные микросхемы > аналоговые > твердотельное реле
Устройство
Устройство
Практически все современные твердотель-
ные реле содержат внутренний светодиод (см.
статью 22), включаемый подачей управляю-
щего напряжения на вход ТТР. Инфракрасный
свет, излучаемый светодиодом, улавливается
датчиком, состоящим из одного или нескольких
фототранзисторов или фотодиодов (датчики
рассмотрены в третьем томе энциклопедии):
• в реле, коммутирующем постоянный ток,
этот датчик обычно управляет МОП-
транзистором (описанным в первом томе
энциклопедии) или триодным тиристо-
ром (см. статью 1);
• в реле, коммутирующем переменный ток,
для управления выходным сигналом ис-
пользуется симистор (см. статью 3).
Поскольку между входом и выходом ТТР на-
ходится непроводящий оптический канал, они
электрически изолированы друг от друга. МОП-
транзистору при этом требуется настолько ма-
лая мощность питания, что ее можно полностью
обеспечить с помощью света, падающего на ма-
трицу, состоящую из 20 или более фотодиодов
в одном корпусе ТТР.
Типичное твердотельное реле Crydom DC60S7
(рис. 4.2) получает управляющее напряжение
постоянного тока в диапазоне от 3,5 до 32 В,
при этом сила тока на входе, как правило, не
превышает 3 мА. Максимальное время вклю-
чения реле составляет ОД мс, а максимальное
время выключения — 0,3 мс. Это реле может
коммутировать ток силой до 7 А и выдерживает
выбросы тока, вдвое превышающие указанное
значение. Падение напряжения на реле состав-
ляет 1,7 В, что может стать существенным не-
достатком при коммутации небольших напря-
жений (максимально возможное значение
равно 60 В). Электронные компоненты реле
залиты в теплопроводящую эпоксидную смолу
и смонтированы на металлической пластине
толщиной около 3 мм, которую можно уста-
новить на дополнительный теплоотвод.
Столь же типичное реле Crydom CMX60D10
(рис. 4.3) работает в более узком диапазоне
управляющего постоянного напряжения
(от 3 до 10 В) и требует большего тока на
входе — 15 мА при напряжении 5 В. Однако
весьма низкое сопротивление этой модели во
включенном состоянии (0,018 Ом) приводит
к меньшему падению напряжения — менее
0,2 В при силе тока 10 А. Это существенно
Рис. 4.2. Твердотельное реле, способное коммутировать
переменный ток до 7 А
Рис. 4.3. Твердотельное реле, способное коммутировать ток
до 10 А: более низкое его внутреннее сопротивление (по
сравнению с реле Crydom DC60S7) уменьшает тепловыделе-
ние и позволяет использовать корпус меньшего размера
Твердотельное реле
33


Варианты
интегральные микросхемы > аналоговые > твердотельное реле
сокращает количество рассеиваемого тепла
и позволяет использовать для устройства
корпус с однорядным расположением выводов
(SIP-корпус) без теплоотвода. Вес реле марки
CMX60D10 составляет 11,3 г, тогда как вес реле
DC60S7 равен 85 г. Реле других производителей
также поставляются в аналогичных корпусах
и обладают сходными характеристиками.
Варианты
Многие твердотельные реле снабжены встроен-
ными защитными компонентами, например та-
кими, как варистор, устанавливаемый на выхо-
де для поглощения выбросов напряжения. При
коммутации индуктивной нагрузки следует тща-
тельно сверяться со спецификациями для уточ-
нения необходимого уровня защиты с помощью
внешних компонентов.
нормально замкнутый, либо нормально разом-
кнутый выход. При необходимости коммутации
на два направления можно включить совмест-
но два реле, при этом одно из них должно быть
нормально замкнутым, а второе — нормально
разомкнутым (рис. 4.4).
Некоторые производители сочетают в едином
корпусе нормально замкнутое и нормально ра-
зомкнутое реле, имитируя тем самым однопо-
люсное реле на два направления.
Реле перехода
через нулевое значение
ТТР, срабатывающее при переходе через нулевое
значение, — это такое реле, которое, во-первых,
предназначено для коммутации переменного
тока и, во-вторых, не включится до того момен-
та, пока переменное напряжение не перейдет
отметку О В. Преимущества реле этого типа: от-
сутствие необходимости в компонентах, обеспе-
чивающих коммутацию большого тока, и мини-
мальный уровень выбросов напряжения в мо-
мент переключения.
Все ТТР, предназначенные для коммутации
переменного тока, выключаются также только
в момент очередного перехода напряжения че-
рез нулевое значение.
Нормально замкнутый и нормально
разомкнутый режимы
Твердотельные реле представляют собой одно-
полюсные устройства на одно направление,
однако у разных их моделей может быть либо
Рис. 4.4. Нормально замкнутое твердотельное реле может
быть объединено с нормально разомкнутым, что позволит
сымитировать однополюсный переключатель на два направ-
ления (некоторые производители поставляют такое сочета-
ние реле в едином корпусе)
Корпус
Корпуса ТТР для больших токов зачастую снаб-
жены зажимными клеммами и металлической
основой, необходимой для установки реле на
подходящий теплоотвод (как отмечалось ра-
нее, некоторые реле поставляются уже со встро-
енными теплоотводами). У реле также могут
быть предусмотрены лепестковые выводы и об-
жимные клеммы — примером здесь может по-
служить модель Crydom DC60S7, показанная на
рис. 4.2 (такой тип корпуса можно назвать кор-
пусом для промышленного монтажа).
34
Статья 4


интегральные микросхемы > аналоговые > твердотельное реле
Варианты
Твердотельные реле для слабых токов (5 А или
меньше), а также реле с очень низким сопро-
тивлением на выходе, могут помещаться в SIP-
корпуса для установки в монтажные отверстия
печатных плат.
Твердотельный аналоговый
переключатель
Твердотельные реле, предназначенные для ра-
боты с низким напряжением и малым током
от логических микросхем, могут помещаться
в DIP-корпуса. Такой компонент зачастую на-
зывают просто интегральным переключателем.
На рис. 4.5 приведен пример компонента этого
типа - микросхема 74НС4316.
Как правило, управляющее напряжение и ком-
мутируемое напряжение таких интегральных
переключателей ограничены диапазоном от +7
до -7 В с максимальной силой тока на выходе
в 25 мА. Каждому внутреннему переключателю
соответствует отдельный контакт управления,
тогда как дополнительный общий управляю-
щий вывод переводит все переключатели в вы-
ключенное положение, если подать на него на-
пряжение высокого логического уровня.
Упрощенная схема работы такого компонен-
та приведена на рис. 4.6 (внутренняя оптиче-
ская коммутация на схеме не отображена). Во
включенном состоянии сопротивление каждого
внутреннего канала составляет около 200 Ом
(при подключении компонента к источнику по-
стоянного напряжения +5 В на положительном
полюсе и 0 В — на отрицательном). Это сопро-
тивление падает до 100 Ом, если напряжение на
отрицательном полюсе источника составляет
-5 В. Если все выводы микросхемы замкнуты,
то такой аналоговый интегральный переключа-
тель функционирует как мультиплексор (см.
статью 16). Этот тип компонента и значится за-
частую в каталогах именно как мультиплексор —
несмотря на то, что существуют другие способы
его использования.
Поскольку полупроводниковый аналоговый пе-
реключатель выдерживает одинаковое по моду-
лю напряжение с разным знаком, с его помощью
можно коммутировать переменный ток.
Рис. 4.5. Эта микросхема в DIP-корпусе содержит четыре «пе-
реключателя», функционирующие как твердотельные реле,
предназначенные для низкого напряжения и слабого тока
Рис. 4.6. Функционирование микросхемы, содержащей четы-
ре полупроводниковых аналоговых переключателя: высокий
уровень напряжения на управляющем выводе размыкает со-
ответствующий ему переключатель. Для нормальной работы
вывод Запуск должен находиться в низком состоянии — его
высокое состояние переводит все переключатели в выклю-
ченное положение. Если все выходы компонента замкнуты,
он может работать как мультиплексор
Твердотельное реле
35


Параметры
интегральные микросхемы > аналоговые > твердотельное реле
Параметры
Твердотельные реле для промышленного при-
менения, как правило, могут коммутировать
токи силой от 5 до 500 А, при этом самым рас-
пространенным значением является 50 А. Более
мощные реле, в основном, требуют подачи
управляющего напряжения постоянного тока —
для них типичны значения входного напряжения
от 4 до 32 В, хотя некоторые реле могут работать
и с более высоким напряжением. Такие реле со-
держат триодный тиристор или симистор — для
коммутации переменного тока.
Твердотельные реле в SIP- и DIP-корпусах или
в корпусах для поверхностного монтажа часто
имеют на выходе МОП-транзисторы. Такие реле
способны коммутировать ток силой до 2-3 А.
Некоторые модели реле способны коммутиро-
вать либо переменный, либо постоянный ток, —
в зависимости от того, как устроена выходная
цепь. Для срабатывания же светодиода на входе
может потребоваться совсем небольшая сила
тока — от 3 до 5 мА.
Использование
Чаще всего твердотельные реле можно встре-
тить в телекоммуникационном оборудовании,
промышленных системах управления и опове-
щения, а также в системах обеспечения безопас-
ности.
Подключение этого компонента очень простое:
питание на вход может подаваться от любого
источника, способного обеспечить напряжение
и ток, указанные производителем реле, к вы-
ходу же можно подключить любое устройство,
коммутирующее ток, не превышающий мак-
симально допустимые его значения, но только
в том случае, если предпринимаются меры для
подавления противоЭДС от индуктивной на-
грузки (рис. 4.7). Зачастую можно прямо заме-
нить электромагнитное реле на твердотельное
без модификации схемы.
Твердотельные реле чувствительны к нагреву,
и их работоспособность ухудшается по мере
увеличения температуры. Спецификации про-
изводителей содержат на этот счет точные дан-
ные. Значительно увеличить производитель-
ность реле позволяет применение теплоотвода.
Помните, что находясь во включенном состоя-
нии, реле постоянно выделяет тепловую мощ-
ность: примерно 1 Вт на 1 А.
Поскольку на вход твердотельных реле требует-
ся подавать довольно слабый ток (как правило,
не более 15 мА), они могут получать питание от
таких микросхем, как микроконтроллеры, кото-
рые не справились бы с активацией эквивалент-
ного электромагнитного реле.
При использовании твердотельного реле можно
получить целый ряд преимуществ: надежность,
невосприимчивость к вибрациям, отсутствие ис-
крения и дребезга контактов на выходе, а также
отсутствие выбросов напряжения на входе, вы-
зываемых индукцией обмотки обычных реле.
Твердотельное реле идеально подходит для при-
менения в цифровом оборудовании, чувстви-
тельном к электромагнитным помехам.
ТТР может переключать топливные насосы, ра-
ботающие с летучими легковоспламеняющими-
ся жидкостями, или насосы систем водоотвода
в подвальных помещениях, подверженных за-
топлению (где компонент работает в условиях
длительного отсутствия обслуживания, а кор-
розия контактов может представлять угрозу для
электромагнитных реле).
/С J>
Рис. 4.7. Использование для индуктивной нагрузки диода,
защищающего твердотельное реле от противоЭДС
36
Статья 4


интегральные микросхемы > аналоговые > твердотельное реле
Что может пойти не так?
Малогабаритные твердотельные реле исполь-
зуются для коммутации электродвигателей в
роботах или в устройствах, где есть вибрация,
например в игровых автоматах.
Что может пойти не так?
Перегрев,
вызванный перегрузкой
При работе в условиях повышенной темпера-
туры (выше 20-25 °С) нагрузку твердотельных
реле следует снижать по сравнению с указанной
в спецификациях. Иными словами, длительный
рабочий ток должен быть уменьшен, как пра-
вило, на 20-30% при возрастании температуры
окружающего воздуха на каждые 10 градусов
выше указанной — несоблюдение этого требо-
вания может привести к неправильной работе
компонента. Если у твердотельного реле для
больших токов нет теплоотвода или он недоста-
точно велик, а также когда между реле и тепло-
отводом отсутствует прослойка из термопасты,
компонент может выйти из строя.
изменилось таким образом, что реле стало на-
ходиться во включенном состоянии практиче-
ски все время, оно начнет рассеивать почти в два
раза больше тепла.
Каждый раз при изменении соотношения между
интервалами включения и выключения нужно
принимать во внимание нагрев. Следует также
учитывать возможность использования реле в
сданной в эксплуатацию установке нетрадици-
онным или непредвиденным образом.
Перегрев, вызванный плотным
монтажом компонентов
При плотном монтаже компонентов значитель-
но увеличивается риск перегрева. Расстояние
между компонентами должно составлять не ме-
нее 2 см.
Перегрев сдвоенных реле
Когда два твердотельных реле заключены в еди-
ный корпус, следует учитывать эффект суммар-
ного нагрева, создаваемого каждым из реле.
Перегрев, вызванный
плохим контактом
Если зажимные клеммы на выходе мощного
ТТР зажаты недостаточно сильно, или ослабле-
но крепление лепесткового вывода, а также ког-
да обжимные клеммы прижаты неплотно, такой
ненадежный контакт может создавать паразит-
ное электрическое сопротивление и, соответ-
ственно, при большом токе возникнет перегрев,
что может привести к выходу реле из строя.
Перегрев, вызванный
непрерывной работой
Если сильноточное твердотельное реле было
рассчитано на работу во включенном режиме
только половину своего рабочего времени, но
в процессе разработки устройства это условие
Перегорание из-за подачи
напряжения обратной полярности
Так как твердотельные реле более чувствитель-
ны к противоЭДС, чем электромагнитные, необ-
ходимо обращать больше внимания на защиту
твердотельных реле от напряжения обратной
полярности при коммутации индуктивных на-
грузок. Следует предусмотреть защитный диод,
можно также добавить демпфер, подключаемый
между выходными контактами реле (в случае,
если он не встроен в корпус).
Несрабатывание при низком
напряжении на выходе
В отличие от электромагнитных реле, твердо-
тельным реле для правильного функционирова-
ния требуется некоторое ненулевое напряжение
Твердотельное реле
37


Что может пойти не так?
интегральные микросхемы > аналоговые > твердотельное реле
на выходе. Если на выходе отсутствует напря-
жение или оно слишком мало, то ТТР может не
среагировать на входной сигнал. Как правило,
значение минимального напряжения на выходе
указывается в спецификации.
Для проверки твердотельного реле подайте на-
пряжение на его вход и выход и воспользуйтесь
нагрузкой, например лампой накаливания. Под-
ключение на выходе реле одного лишь тестера,
настроенного на проверку целостности цепи,
может оказаться недостаточным для срабаты-
вания ТТР, что приведет к ошибочному выводу
о неисправности реле.
Невозможность измерить
выходное переменное
напряжение
Когда для проверки целостности цепи на вы-
ходе твердотельного реле, срабатывающего при
переходе переменного напряжения через нуле-
вое значение, подключен мультиметр, он будет
создавать падение напряжения, в результате на
выходных контактах реле не возникнет нуле-
вого значения и, следовательно, реле не сможет
правильно коммутировать выход.
Реле включается,
но не выключается
Когда реле управляет нагрузкой с относительно
высоким импедансом, например, небольшим со-
леноидом (см. первый том энциклопедии) или
неоновой лампой (см. статью 19), реле сможет
запустить это устройство, однако отключить его
реле будет не в состоянии. Это объясняется тем,
при выключении ТТР в коммутируемой цепи
остается небольшой ток утечки, который может
оказаться достаточным для поддержания высо-
коомной нагрузки во включенном состоянии.
Если ТТР, содержащее симистор, по ошибке
применяется для коммутации постоянного тока,
то такое реле также не сможет прерывать ток в
цепи.
Параллельно соединенные реле
не работают
Как правило, невозможно соединить два твер-
дотельных реле параллельно для коммутации
удвоенного тока — из-за небольшого разбро-
са параметров одно реле будет запускаться на
мгновение раньше второго, а когда первое реле
включено, ток нагрузки не пойдет через второе
реле. Второму же реле для функционирования
потребуется небольшой ток на выходе — иначе
оно не включится. Это означает, что первое реле
пропустит весь ток без помощи второго и, воз-
можно, перегорит, пока второе реле будет оста-
ваться в бездействии.
Устройство на выходе не работает
на полную мощность
На выходе твердотельного реле всегда есть па-
дение напряжения, и его значение фиксирован-
ное, а не относительное. Следовательно, при
коммутации напряжения 110 В этим можно пре-
небречь, а при коммутации напряжения 12 В
на выходе реле будет, например, только 10,5 В,
и такого падения может оказаться достаточным,
чтобы электродвигатель или насос начали рабо-
тать заметно медленнее. Величина падения на-
пряжения в большой степени определяется пе-
реключающим устройством внутри реле (МОП-
транзистор, симистор, триодный тиристор или
биполярный транзистор) — так что, сверьтесь со
спецификацией перед использованием реле.
Твердотельные реле и безопасное
разъединение
Поскольку в отключенном состоянии в выход-
ной цепи твердотельного реле всегда есть не-
который ток утечки, при коммутации высокого
напряжения его может оказаться достаточным
для поражения током. По этой причине твердо-
тельное реле может не обеспечивать безопасное
разъединение.
38
Статья 4


интегральные микросхемы > аналоговые > оптрон
ОПТРОН
5
Оптрон (по англ. optocoupler) иногда еще называют оптоэлектрон-
ным соединительным устройством, оптоизолятором, оптопарой
или оптическим изолятором.
Твердотельное реле также иногда называют оптроном, но в этой
энциклопедии ему посвящена отдельная статья. Оптрон — это срав-
нительно простое устройство, состоящее из источника света (как
правило, светодиода) и фотоприемника, заключенных в единый
корпус. В первую очередь оптрон служит для гальванической раз-
вязки цепей (передачи сигнала без передачи напряжения), а не для
коммутации больших токов, тогда как твердотельное реле можно
рассматривать в качестве замены электромагнитного реле. Обычно
твердотельное реле имеет дополнительные компоненты внутри кор-
пуса и предназначено для коммутации токов силой не менее 1 А.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• электромагнитное реле (рассматривается в первом томе
энциклопедии)
• твердотельное реле (см. статью 4)
Описание
Оптрон позволяет электрически изолировать
один участок цепи от другого. Этим он защи-
щает чувствительные компоненты, такие как
логические микросхемы и микроконтроллеры,
от кратковременных выбросов напряжения
и недопустимых значений напряжения в других
участках цепи. Оптроны также используются
Оптрон
в медицинском оборудовании, когда требуется
обезопасить пациента от поражения электри-
ческим током. Кроме того, они применяют-
ся в устройствах, совместимых со стандартом
MIDI для цифрового управления музыкальными
компонентами.
39


Устройство
интегральные микросхемы > аналоговые > оптрон
На рис. 5.1 приведены три варианта использо-
вания оптрона:
• вверху — выход логической микросхемы
подключается через оптрон к индуктивной
нагрузке — например, к обмотке реле, кото-
рая может создавать выбросы напряжения,
опасные для микросхемы;
• в центре — сигнал с помехами от электро-
магнитного переключателя проходит через
оптрон на вход логической микросхемы;
• внизу — выход с низким напряжением от
датчика, размещенного на пациенте, про-
ходит через оптрон на медицинское обору-
дование — например, на аппарат для снятия
электроэнцефалограммы, в котором при-
сутствует более высокое напряжение.
Оптрон работает по тому же принципу, что
и твердотельное реле, — светодиод, уста-
новленный на входе, посылает световой сигнал
по внутреннему оптическому каналу или че- УСТРОЙСТВО
рез прозрачное окошко на фотодетектор, уста-
новленный на выходе. Так как внутреннее
соединение обеспечивается только за счет
светового луча, вход и выход оптрона оказы-
ваются изолированными друг от друга.
До 70-х годов прошлого века, пока оптроны не
стали конкурентоспособными, для этой цели
применялись разделительные трансформаторы
Помимо того, что оптрон меньше и дешевле, он
также может передавать медленно меняющийся
сигнал или информацию о включении/выклю-
чении постоянного тока, что нереализуемо с по-
мощью трансформатора.
В последние годы на рынке появились индук-
тивные и емкостные соединительные устройства
в корпусах для поверхностного монтажа. Эти
компоненты являются конкурентами оптронов
в области скоростной передачи данных. Кроме
того, они считаются более надежными. Из-за
постепенного уменьшения яркости светодиода
производительность оптрона также снижается
с течением времени, и срок службы его, как
правило, не превышает 10 лет.
-v^»^--^,~.J
Рис. 5.1. Возможные варианты использования оптрона
Светодиод, встроенный в оптрон, практически
всегда испускает свет из ближней инфракрас-
ной области спектра. Частота излучаемого света
соответствует чувствительности фототранзи-
стора, фотодиода или (что встречается реже)
фоторезистора, обеспечивающего выходной
сигнал. Иногда в качестве фотоприемников ис-
пользуются фоточувствительные симисторы и
триодные тиристоры.
Чаще всего можно встретить оптрон с биполяр-
ным фототранзистором, имеющим выход с от-
крытым коллектором. Условные обозначения
этого типа устройств приведены на рис. 5.2:
• слева вверху — наиболее часто встречаю-
щийся вариант обозначения;
• справа вверху — два светодиода на входе
позволяют использовать переменный ток;
• слева в центре — дополнительный вывод
позволяет приложить смещение к фоточув-
ствительной базе выходного транзистора,
чтобы снизить его чувствительность;
40
Статья 5


интегральные микросхемы > аналоговые > оптрон
Варианты
справа в центре — сигнал включения может
быть входным воздействием для логичес-
кого элемента НЕ-И, вырабатывающего
выходной сигнал;
слева внизу — фотоприемник по схеме
Дарлингтона обеспечивает больший ток
эмиттера;
справа внизу — встречается достаточно ред-
ко, служит также для обозначения твердо-
тельного реле.
Рис. 5.2. Шесть возможных вариантов условного обозначения
оптрона
Диод в каждом из обозначений является свето-
диодом, а зигзагообразная стрелка обозначает
свет, им испускаемый. Свет также могут
обозначать две прямые или волнистые стрелки.
На рис. 5.3 изображен оптрон, помещенный
в DIP-корпус для установки в монтажные от-
верстия.
Оптический переключатель можно рассмат-
ривать как одну из разновидностей оптрона,
поскольку в нем также присутствует свето-
диод и соответствующий ему фотодатчик. Од-
нако светодиод и датчик в оптическом пере-
ключателе разделены открытой прорезью,
позволяющей поместить в нее небольшой тон-
кий предмет, прерывающий луч света и гене-
рирующий соответствующее событие, — в этой
энциклопедии такое устройство отнесено к дат-
чикам и описывается в третьем томе.
Варианты
Рис. 5.3. Оптрон в восьмиштырьковом DIP-корпусе для
установки в монтажные отверстия
Внутренние датчики
Исторически фоторезистор (который также на-
зывают фотосопротивлением) был первой раз-
новидностью фотодатчиков — его отклик более
линеен по сравнению с датчиками других типов,
но его быстродействие невелико. Фоторезис-
торы до сих пор устанавливаются в аудиосисте-
мы — так, педали-«топтушки», используемые
гитаристами, как правило, содержат оптрон
с фоторезистором и ценятся за линейную ха-
рактеристику, механическую износостойкость,
стойкость к загрязнениям и отсутствие «тре-
ска» — проблемы, свойственной потенцио-
метру, проработавшему долгое время. Оптро-
ны избавляют также от контура заземления,
который возникает из-за наличия небольшой
разности потенциалов заземления и создает
в аудиосистемах фон при совместном подключе-
нии двух или более источников питания.
Разновидность оптрона, содержащая фоторези-
стор и пользовавшаяся широкой популярностью
Оптрон
41


Варианты
интегральные микросхемы > аналоговые > оптрон
у музыкантов, изначально продавалась под
торговой маркой Vactrol, — вактроллеры1 так-
же обеспечивали сжатие аудиосигнала в сетях
голосовой телефонной связи и применялись
в фотокопировальных аппаратах и фотоэкспо-
нометрах, однако на сегодняшний день такое их
использование устарело. Фоторезисторы уходят
в прошлое и из-за содержания кадмия — элемен-
та, запрещенного во многих странах (особенно
в Европе), из-за угрозы окружающей среде2.
Самое высокое быстродействие оптрона обеспе-
чивает фотодиод — оно ограничено, в основ-
ном, характеристиками светодиода. Скорость
же реакции PIN-фотодиода составляет менее
наносекунды. Название этого компонента (PIN-
diode) происходит от его структуры: он состоит
из слоев полупроводника р- и я-типа, а также
слоя с собственной проводимостью (/-слоя),
соединяющего слои легированного полупро-
водника. Именно такой дополнительный слой
и может быть светочувствительным. Если на
диод подано небольшое обратное смещение,
то фотон, попадая в слой с собственной про-
водимостью, может выбить электрон, обеспечив
прохождение тока по цепи. Обратное смещение
увеличивает активную зону и усиливает этот
эффект. В таком режиме PIN-диод работает как
фоторезистор, уменьшающий сопротивление
под действием светового потока.
Если PIN-диод функционирует в фотогальвани-
песком режиме, смещение не прикладывается,
а сам компонент, подобно солнечной батарее,
в ответ на поступающий свет вырабатывает
небольшое (менее 1 В) постоянное напряже-
ние. Если на выходе оптрона установлен МОП-
транзистор, то для генерации необходимого по-
рогового напряжения, включающего этот тран-
зистор, может использоваться до 30 последова-
тельно соединенных фотодиодов. Такой вариант
часто встречается в твердотельных реле.
1 Название вактроллер часто употребляется для обо-
значения всего класса таких устройств. — Примеч. перев.
2 На момент перевода книги отсутствует информация
о запрете распространения и использования фото-
резисторов на основе сульфида кадмия (CdS) на терри-
тории Российской Федерации. — Примеч. перев.
Быстродействие биполярного транзистора срав-
нительно невелико, однако устройства этого
типа все же способны обеспечить отклик в те-
чение 5 мкс или быстрее. Открытый коллектор
биполярного транзистора требует подачи внеш-
него напряжения и подключения нагрузочного
резистора для обеспечения положительного на-
пряжения на выходе, пока фототранзистор на-
ходится в выключенном состоянии. При вклю-
чении светодиода фототранзистор открывается
и напряжение на выходе падает. В этом случае
оптрон работает как инвертор, хотя существуют
и неинвертирующие образцы оптронов.
Основные типы оптронов
Оптрон с высокой линейностью отличается бо-
лее пропорциональным откликом на изменения
тока, подаваемого на светодиод. Быстродейст-
вующие оптроны служат для передачи данных
с высокой скоростью. Оптроны с логическим
выходом отличаются четким переходом между
высоким и низким уровнями по сравнению
с аналоговым выходом, сигнал на котором ме-
няется вместе с изменениями тока на входе.
Линейность важна только в тех случаях, когда
необходимо передавать аналоговый сигнал с
определенной степенью точности. Некоторые
оптроны с логическим выходом обеспечивают
на выходе функциональность триггера Шмитта.
Несмотря на то, что существует множество ва-
риантов корпусов оптронов, наиболее попу-
лярными остаются устройства в DIP-корпусе с
6- или 8-штырьковыми выводами. Такой кор-
пус предоставляет достаточно пространства для
размещения в нем светодиода, датчика и опти-
ческого канала, обеспечивая при этом хорошую
гальваническую развязку входа и выхода.
Некоторые варианты корпусов содержат сразу
два или четыре оптрона — так, двунаправлен-
ный оптрон может состоять из двух параллельно
установленных, но инвертированных относи-
тельно друг друга оптронов.
42
Статья 5


интегральные микросхемы > аналоговые > оптрон
Параметры
Параметры
Далее следует перечень основных характеристик
оптронов, приводимых в спецификациях:
• CTR (коэффициент усиления по току) —
отношение максимального выходного
тока к входному току, выраженное в
процентах. Так, для оптрона с биполярным
фототранзистором типичный минимальный
коэффициент усиления по току составляет
20%. Для компонента с парой Дарлингтона
CTR может составлять 1000%, однако при
этом пропускная способность оптрона зна-
чительно меньше — время отклика может
измеряться уже в микросекундах, а не в
наносекундах. Оптроны с фотодиодом на
выходе характеризуются очень низким ко-
эффициентом усиления по току, а сила тока
на выходе достигает нескольких микро-
ампер. Тем не менее, они обеспечивают
наиболее линейный отклик;
• VCE(MAX) — максимальное напряжение между
коллектором и эмиттером (применимо к
оптрону с биполярным фототранзистором
на выходе). Как правило, значения этого
параметра находятся в диапазоне от 20 до
80 В;
• VIS0 — максимальная разность потенциалов
(в вольтах постоянного тока) между входом
и выходом оптрона;
• 1МАХ — максимальная сила тока, выдер-
живаемая транзистором (обычно измеряет-
ся в мА);
• ^мах ~~ максимальная частота передаваемо-
го сигнала (обычно находится в диапазоне
от 20 до 500 кГц).
Требуемая сила тока для светодиода, как пра-
вило, составляет 5 мА при прямом напряжении
от 1,5 до 1,6 В.
Максимальная сила тока коллектора транзи-
стора на выходе оптрона вряд ли будет превы-
шать 200 мА. Если требуется больший выходной
ток, то следует использовать твердотельное
реле — оно обеспечивает гальваническую раз-
вязку по тому же принципу, что и оптрон, од-
нако его модификации для работы с большими
токами могут быть существенно дороже.
Использование
В первую очередь оптрон применяется для за-
щиты от чрезмерной разности потенциалов: от
помех, вызванных переходными процессами,
несовместимых источников питания или обо-
рудования с неизвестными характеристиками.
Если, например, некое устройство подключает-
ся к компьютеру через USB-порт, то компьютер
может быть изолирован от него с помощью оп-
трона.
В большинстве оптронов отсутствует встроен-
ный токоограничивающий резистор, включен-
ный последовательно со светодиодом, т. к. вы-
бор сопротивления резистора зависит от напря-
жения, подаваемого на вход. Следует уделять
особое внимание определению максимального
напряжения на входе и подбирать последова-
тельный резистор для соответствующего умень-
шения силы тока. Необходимо также учесть
возможное снижение производительности све-
тодиода с течением времени.
В большинстве случаев для оптрона с открытым
коллектором на выходе требуется подключить
нагрузочный резистор. Напряжение на выходе
оптрона должно соответствовать требованиям
ко входному напряжению для других подклю-
ченных к нему компонентов, кроме того, сила
тока коллектора должна оставаться в установ-
ленных пределах. Возможно, правильный но-
минал резистора придется подобрать методом
проб и ошибок.
На рис. 5.4 изображена схема для тестирования
оптрона с указанием часто встречающихся па-
раметров компонентов, в которой вход комму-
тирует кнопка. Отсутствие гальванической свя-
зи двух источников питания специально отме-
чено с помощью разной интенсивности окраски
Оптрон
43


Что может пойти не так?
интегральные микросхемы > аналоговые > оптрон
Что может пойти не так?
В большинстве случаев неправильное функ-
ционирование оптрона вызвано перегрузкой на
входе или на выходе.
Рис. 5.4. Типичные номиналы последовательно включенного
резистора (для защиты светодиода) и нагрузочного резисто-
ра (для обеспечения заданной силы тока и напряжения на вы-
ходе) в тестовой схеме с оптроном
знаков «минус». Хотя вход и выход оптрона
можно было бы подключить к общему заземле-
нию, это ликвидировало бы все преимущества
использования оптрона для полной гальваниче-
ской развязки участков цепи.
Для определения назначения выводов оптрона
следует тщательно сверяться со спецификацией
производителя. Вход восьмиштырькового оп-
трона в DIP-корпусе, как правило, соответству-
ет выводам 2 и 3, назначение выходных выво-
дов не стандартизировано и может зависеть от
внутренней структуры микросхемы. Некоторым
оптронам, например, модели Optek D804, в ко-
торой для функции включения предусмотрен
логический элемент НЕ-И, требуется собствен-
ный источник питания.
Если у оптрона есть вывод для подключения к
базе внутреннего выходного биполярного фото-
транзистора, то обратное смещение, подаваемое
на него, уменьшит чувствительность оптрона,
но может при этом повысить его устойчивость к
входным помехам.
Срок службы
Поскольку оптроны в основном рассчитаны
только на 10 лет службы при средних нагрузках,
возраст компонента может стать причиной его
отказа.
Перегорание светодиода
Так как светодиод спрятан внутри оптрона, сна-
ружи отсутствуют какие-либо видимые глазу
признаки его исправности. Для определения
того, проходит ли через светодиод ток, к входу
оптрона можно подключить измерительный
прибор. Для определения того, соответствует ли
падение напряжения на светодиоде нормально-
му значению, можно воспользоваться измерите-
лем, установленным в режим вольтметра.
Значительная перегрузка вызовет моменталь-
ное перегорание светодиода, однако небольшое
превышение допустимого значения силы тока
может иметь более пагубные последствия, по-
скольку в этом случае светодиод может продол-
жать функционировать в течение нескольких
дней, а то и недель без каких-либо признаков
надвигающейся опасности, — отказ оптрона
окажется неожиданным, и предвидеть это будет
сложно.
Выход из строя фотоприемника
И здесь тоже вред из-за превышения силы тока
может накапливаться и проявиться лишь по
прошествии некоторого времени. Самый про-
стой способ проверки подозрительного оптрона
заключается в отключении его от схемы. С этой
точки зрения предпочтительнее DIP-корпус
со штырьковыми выводами.
44
Статья 5


интегральные микросхемы > аналоговые > компаратор
КОМПАРАТОР
6
Несмотря на то, что условные обозначения компаратора (по англ.
comparator) и операционного усилителя совпадают, их применение
различно, и в этой энциклопедии каждому из них посвящена отдель-
ная статья.
Здесь мы рассматриваем именно аналоговый компаратор. Цифровой
компаратор — логическая микросхема, сравнивающая два двоич-
ных числа А и В, — сильно отличается от аналогового, выходные сиг-
налы которого показывают соотношение между числами А и В (А > В,
А < В или А = В). В эту энциклопедию статья, посвященная цифровому
компаратору, не входит.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• операционный усилитель (см. статью 7)
Описание
Компаратор — это интегральная микросхема,
сравнивающая изменяющееся напряжение на
одном входном контакте с некоторым фиксиро-
ванным эталонным (или опорным) значением
на другом входном контакте. В зависимости от
того, какое из напряжений выше, уровень вы-
ходного сигнала компаратора может быть либо
высоким, либо низким.
Для выходного сигнала характерен четкий
переход между двумя фиксированными зна-
чениями, даже если напряжение на входе по-
стоянно изменяется. Таким образом, компаратор
может функционировать как аналого-цифровой
преобразователь (рис. 6.1).
Поскольку диапазон напряжения на выходе
может быть расширен или сужен вне зависи-
мости от диапазона на входе, компаратор также
можно использовать и в качестве преобразова-
теля уровня.
Входной сигнал
компаратора
! Эталонное \
* напряжение
Выходной сигнал
компараггора
Рис. 6.1. Основной вариант поведения простого компа-
ратора
Компаратор
45


Устройство
интегральные микросхемы > аналоговые > компаратор
Гистерезис
Положительная обратная связь, организованная
с помощью внешних резисторов на входе
компаратора (см. далее рис. 6.10), может
Эталонный/**^
уровень /
/ ""\
у/ Зона
Выходной сигнал
компаратора
Входной сигна
компаратор
гистерезиса
Рис. 6.2. Рабочую характеристику компаратора, изобра-
женную на рис. 6.1, можно изменить, добавив гистерезис-
небольшие колебания напряжения, не выходящие из зоны
гистерезиса, игнорируются
Рис. 6.3. Обозначение компаратора совпадает с обозначе-
нием операционного усилителя, несмотря на то, что устрой-
ствам часто требуются различные типы источников питания,
а функции самих устройств значительно различаются
вызвать явление гистерезиса. И если эталонное
напряжение находится внутри зоны гистерезиса,
то небольшие колебания входного напряжения,
не выходящие за пределы зоны гистерезиса,
учитываться не будут, — компаратор станет
реагировать только в том случае, если
входной сигнал окажется выше или ниже зоны
гистерезиса. Возврат входного сигнала в зону
гистерезиса также будет проигнорирован
(рис. 6.2).
Устройство
Условное обозначение компаратора (рис. 6.3)
идентично обозначению операционного уси-
лителя1, описываемого в статье 7, однако опе-
рационный усилитель традиционно является
устройством с двухполярным питанием, подклю-
чаемым к источникам питания с положительным
и отрицательным напряжением, равным по
модулю, а также к средней (нулевой) точке
между ними. А вот современные компараторы,
как правило, питаются от одного стандартного
напряжения, и поэтому символ отрицательного
напряжения, изображаемый на схемах в этой
статье, соответствует напряжению 0 В, т. е. он
означает то же самое, что и символ заземления
на других схемах.
Один вход компаратора называют инвертирую-
щим, а другой — неинвертирующим (почему
это так, рассказано чуть далее). По непонятной
причине их принято обозначать знаками
«плюс» и «минус» внутри треугольного символа
компонента, хотя эти черные знаки не имеют
никакого отношения к источнику питания.
Кстати, часто на схемах сам источник питания не
изображается, т. к. его наличие подразумевается,
но, тем не менее, всем компараторам для работы
он требуется.
На рис. 6.4 показаны основные внутренние
и внешние соединения в схеме с типичным
1 В России для операционного усилителя и компа-
ратора предусмотрены разные условные графические
обозначения. — Ред.
46
Статья 6


интегральные микросхемы > аналоговые > компаратор
Устройство
Рис. 6.4. Основные внутренние и внешние соединения
в схеме с компаратором и их функции
компаратором. Как правило, в роли потенцио-
метра, изображенного в верхнем углу рисунка,
выступает подстроенный резистор, позволяю-
щий точно выставить эталонное напряжение.
Входное напряжение может поступать от дат-
чика или любого другого устройства, выра-
батывающего напряжение, не превышающее
значение VI.
Зачастую, как и показано на рис. 6.4, выход
является открытым коллектором внутреннего
биполярного транзистора.
Обратите внимание на возможность использо-
вания до трех различных напряжений (показаны
значениями VI, V2 и V3). Однако для того, чтобы
компаратор выдавал правильные результаты
сравнения, заземление должно быть общим.
Когда напряжение на неинвертирующем входе
компаратора выше, чем на инвертирующем,
выходной транзистор выключен и ток через
внешний нагрузочный резистор не течет. Че-
рез этот резистор можно подать питание на
другое устройство, подключенное к выходу
компаратора. В такой ситуации на выходе
компаратора присутствует высокий уровень.
Когда напряжение на неинвертирующем входе
оказывается меньше, чем на инвертирующем,
транзистор открывается и через него течет
практически весь ток с нагрузочного резистора,
если другие подключенные к цепи устройства
обладают сравнительно высоким импедансом.
В этом случае на выходе компаратора устанав-
ливается низкий уровень.
Таким образом:
• когда на неинвертирующий вход подано
изменяющееся напряжение, которое превы-
шает эталонное напряжение, приложенное
к инвертирующему входу, выходной транзис-
тор отключается, и компаратор обеспечива-
ет высокий выходной сигнал;
• когда на неинвертирующий вход подано
изменяющееся напряжение ниже эталон-
ного напряжения, приложенного к инвер-
тирующему входу, включается выходной
транзистор, и компаратор выдает низкий
выходной сигнал.
Если на вход эталонного напряжения подать
входное переменное, а на вход переменного —
фиксированное эталонное напряжение, то
поведение компаратора становится обратным
(рис. 6.5), т. е. когда какое-либо изменение
напряжения подается на инвертирующий вход,
то на выходе компаратора это изменение будет
инвертировано.
Расположение знаков «плюс» и «минус» внутри
символа компаратора может быть различным, но
чаще всего знак «минус» находится над знаком
«плюс», как показано на всех схемах здесь.
Впрочем, иногда для удобства чтения схемы
знак «плюс» может быть помещен над знаком
«минус». Однако независимо от положения знак
«плюс» всегда обозначает неинвертирующий
вход, а знак «минус» всегда указывает на
инвертирующий. Во избежание ошибок, читать
схемы следует внимательно.
Компаратор
47


Устройство
интегральные микросхемы > аналоговые > компаратор
Рис. 6.5. В зависимости от того, на какой контакт подано
эталонное напряжение, а на какой входное изменяющееся,
выходной сигнал компаратора либо соответствует измене-
ниям входного напряжения, либо инвертирует их
Если на схеме изображен источник питания
компаратора, то его положительный полюс
всегда соединен с верхней частью обозначения
компаратора, а заземление (О В) — с нижней.
Различия между компаратором
и операционным усилителем
• Линейный и ключевой режимы — выход
компаратора оптимизирован для работы
в ключевом режиме: высокий или низкий
потенциал без промежуточных уровней
благодаря положительной обратной связи.
Выход операционного усилителя оптимизи-
рован под работу в линейном режиме: точ-
ная передача всех нюансов входного сигнала
за счет наличия отрицательной обратной
связи.
• Схемотехника выходного каскада — боль-
шинство компараторов имеют выход с от-
крытым коллектором (или открытым сто-
ком в КМОП-устройствах), для которого
напряжение устанавливается нагрузочным
резистором. Такой выход можно легко со-
вместить с другими компонентами, в осо-
бенности с логическими микросхемами
на 5 В постоянного тока. Только немногие
компараторы снабжены на выходе двух-
тактным усилителем, которому не требует-
ся нагрузочный резистор. Для сравнения:
у операционных усилителей традиционно
применяется выход с двухтактным усилите-
лем, являющийся источником напряжения.
• Более быстрый отклик — компаратор быст-
рее реагирует на изменения входного на-
пряжения, чем операционный усилитель,
включенный как компаратор. Компаратор
служит, главным образом, переключающим
устройством, а не усилителем.
• Гистерезис — по уже описанным ранее
причинам гистерезис является для ком-
параторов полезным свойством, и мно-
гие такие компоненты поставляются с уже
«встроенным» гистерезисом. А вот для
операционного усилителя это явление не-
желательно, т. к. снижает его чувстви-
тельность.
• Работа в разомкнутом контуре — компара-
тор может работать в разомкнутом контуре
(т. е. без обратной связи), в то время как
операционный усилитель предназначен для
работы в замкнутых цепях (т. е. с обратной
связью). Да и производители не указывают
параметры операционного усилителя для
работы без обратной связи.
Как уже было отмечено ранее, компаратору, как
правило, требуется источник питания с одним
напряжением, тогда как операционному уси-
лителю зачастую необходим двухполярный ис-
точник питания.
48
Статья 6


интегральные микросхемы > аналоговые > компаратор
Варианты
Варианты
Если на выходе компаратора установлен МОП-
транзистор, то он может иметь открытый сток,
для работы которого требуется нагрузочный
резистор, как и в случае с транзистором, имею-
щим выход с открытым коллектором.
Некоторые компараторы имеют двухтактный
выход, способный выдавать ток, но, как
правило, достаточно слабый, — в таких случаях
нет необходимости в установке нагрузочного
резистора. При наличии на выходе компаратора
МОП-транзистора диапазон выходного напря-
жения будет максимально близок к полному
размаху напряжения (т. е. к диапазону источника
питания), поскольку падение напряжения на
МОП-транзисторах значительно меньше, чем
на биполярных транзисторах.
Преимущество выхода с открытым коллектором
(или с открытым стоком) по сравнению с двух-
тактным заключается в возможности уста-
новки уровня выходного сигнала независимо
от напряжения источника питания. Еще одно
преимущество состоит в возможности парал-
лельного соединения нескольких выходов — как
в случае схемы с двухпороговым компаратором
(описанным далее).
В некоторых компараторах предусмотрен встро-
енный источник эталонного напряжения. В этом
случае нет необходимости в подаче отдельного
внешнего эталонного напряжения, что способ-
ствует уменьшению тока, потребляемого компо-
нентом.
На рынке доступно множество типов микросхем
с двумя или более компараторами — их
число часто называют количеством каналов
микросхемы. Сдвоенный компаратор, как пра-
вило, позволяет подключать к выходам ком-
параторов два источника напряжения, однако
заземление должно быть общим. Микросхемы
LM139 и LM339 содержат по четыре ком-
паратора и выпускаются как в корпусах для
установки в монтажные отверстия, так и для
поверхностного монтажа. Эти микросхемы ши-
роко распространены и стоят менее одного дол-
лара за штуку.
На рис. 6.6 изображена микросхема-компаратор
LM339. Она состоит из четырех компараторов,
подключенных к одному источнику питания.
Эта микросхема совместима с транзисторно-
транзисторной логикой и КМОП-структурами
и, как правило, подключается к источнику
напряжением 5 В, но может также работать
и от источника постоянного напряжения до
36 В. Дифференциальный диапазон входного
напряжения также доходит до 36 В.
Некоторые компараторы обладают встроенной
функцией защелки, активизация которой
осуществляется подачей сигнала на специаль-
ный вывод. При наличии сигнала защелки
компаратор опрашивает состояние всех входов
и при этом удерживает соответствующий
уровень выходного сигнала, пока он не будет
считан другим внешним устройством.
Параметры
Рис. б.б. Микросхема LM339 с четырьмя компараторами
появилась на рынке очень давно, однако по-прежнему
широко используется
• В спецификациях, как правило, указывается
параметр VI0 (обозначаемый также Vos) —
входное напряжение смещения нуля. Это
Компаратор
49


Параметры
интегральные микросхемы > аналоговые > компаратор
небольшое напряжение, которое относи-
тельно эталонного заставляет компаратор
переключать уровень на выходе вверх или
вниз (рис. 6.7). Величина VI0 задает предел
разрешающей способности компаратора,
который не будет реагировать, если входное
напряжение не превышает эталонное на
указанную величину. Чем меньше значение
параметра VI0, тем лучше. Типичные зна-
чения этого параметра находятся в диапа-
зоне от 1 до 15 мВ, но истинная величина
напряжения смещения различна для каждо-
го конкретного компонента. В специфика-
ции задается максимально допустимое зна-
чение параметра VI0 для компонента.
Поскольку компаратор не откликнется до
тех пор, пока эталонное напряжение не
будет превышено на величину VI0, дли-
тельность выходного импульса окажется
меньше, чем была бы в том случае, если
бы компаратор реагировал сразу же, когда
входное напряжение было бы в точности
равно эталонному.
Параметры VTRIP+ и Ута1Р_ соответствуют
максимальному и минимальному пороговому
напряжению, которые будут влиять на
выходной сигнал компаратора, если он
обладает некоторым гистерезисом без
внешней обратной связи. Эти показатели
называют также напряжением переключения
в нижнее состояние (LSTV) и напряжением
переключения в верхнее состояние (USTV).
Параметр VHYST, называемый диапазоном
гистерезиса, вычисляется как разность
между VTRIP+ и VTRIP. (рис. 6.8).
А^ — это коэффициент усиления по
напряжению (буква «А» — первая в слове
компаратск
Ту
Эталонный
уровень
/одной сигнал
■\iapaiopa
Рис. 6.7. Входное напряжение смещения нуля — это
небольшое напряжение, которое необходимо компаратору
вдобавок к эталонному входному напряжению, чтобы он
мог переключить выходной сигнал из нижнего состояния в
верхнее или из верхнего в нижнее
Зона
гистерезк
Эталонный
уровень
Рис. 6.8. Значение Vmp показывает гистерезис компаратора,
т. е. такой диапазон значений входного напряжения по
отношению к эталонному, в пределах которого компаратор
не выдаст отклика
50
Статья 6


интегральные микросхемы > аналоговые > компаратор
Использование
Amplification, усиление). Этот коэффициент
определяется как максимальное отношение
выходного напряжения к входному. Обычно
он составляет от 40 до 200.
• Напряжение питания, подаваемое на совре-
менные компараторы, как правило, низкое,
поскольку такие компоненты обычно при-
меняются в устройствах с питанием от
аккумулятора, когда экономия энергии
очень важна. Таким образом, напряжение
питания 3 В довольно типично, однако
можно встретить компараторы с питанием
от источника 1,5 В. Опять-таки, напряжение
питания микросхем ранних выпусков может
доходить до 35 В.
• Сила тока в цепи питания может составлять
от 7 мА до менее чем 1 мкА.
• him ~~ величина рекомендованного или
максимального выходного тока, который
выдержит компонент с выходом на основе
открытого коллектора. Это значение должно
рассматриваться в сочетании с показателем
рассеивания мощности, PD.
• Задержка распространения для компаратора
измеряется с того момента, когда входной
сигнал (обычно, прямоугольный импульс)
достигает запускающего значения, и до
того момента, когда следующий затем
выходной сигнал достигает уровня 50% от
максимального значения.
§ Когда выход компаратора подключен к вхо-
ду КМОП-микросхемы и напряжение ис-
точника питания равно 5 В, сопротивление
нагрузочного резистора, как правило, со-
ставляет 100 кОм. Нет необходимости
использовать резистор с меньшим номина-
лом, поскольку КМОП-структура обладает
достаточно высоким входным импедансом.
Использование
Гипотетический компаратор, графики входного
и выходного сигналов которого изображены на
рис. 6.1, срабатывает сразу же, как только входное
напряжение становится равным эталонному.
Однако это все же идеализированный сценарий.
Детальное изображение осциллограммы вы-
ходного сигнала, приведенное на рис. 6.9, по-
казывает, что когда входной сигнал становится
очень близок к эталонному, отклик компаратора
содержит флуктуации вследствие небольших
колебаний температуры, силы тока и других
параметров. Эти флуктуации могут стать причи-
ной существенных проблем, если компаратор
служит для приведения в действие реле напря-
мую или опосредованно.
Такую неопределенность, возникающую во-
круг переходного уровня входного сигнала, по-
зволяет устранить гистерезис, заставляющий
компаратор игнорировать небольшие откло-
нения входного напряжения. Гистерезис поле-
зен и в большинстве случаев, когда требуется
игнорировать некоторые отклонения входного
сигнала, поступающего от какого-либо датчика.
Входной сигнал
компаратора
Эталонный
уровень
-годной сигнал
Рис. 6.9. В реальных устройствах небольшие изменения
входного напряжения в окрестности эталонного уровня могут
создавать флуктуации на выходе компаратора, не имеющего
гистерезиса
Компаратор
51


Использование
интегральные микросхемы > аналоговые > компаратор
Представьте, например, что в схему, графики
входного и выходного сигналов которой
изображены на рис. 6.2, входное напряжение
поступает с датчика температуры. Небольшой
скачок в правой части графика, скорее всего,
должен рассматриваться как помеха (он мог
быть вызван тем, что кто-то открыл дверь
в помещение или приблизился вплотную к
датчику) — нет смысла реагировать на все
малозначимые события такого рода. Для
подключенной к датчику системы управления
важны более существенные и продолжительные
изменения температуры, поэтому здесь
целесообразен компонент со значительным
уровнем гистерезиса. Ведь если компаратор
действительно входит в схему термостата,
включающего или отключающего некую
систему отопления, вряд ли мы захотим,
чтобы он срабатывал, как только возникнет
незначительное повышение температуры, —
система отопления не должна реагировать, пока
температура не выйдет из зоны гистерезиса.
Обычно гистерезис создается с помощью поло-
жительной обратной связи. В схеме, показан-
9 8 пост, токе ?Щ
»
Рис. 6.10. Простая схема, позволяющая достичь гистерезиса
за счет положительной обратной связи по отношению к
нейнвертирующему входу компаратора
ной на рис. 6.10, сигнал с выхода компаратора
возвращается через потенциометр номиналом
1 МОм на неинвертирующий вход. Эффект
от такого подключения состоит в усилении
входного напряжения за счет выходного, как
только входной уровень компаратора становится
достаточно высоким. При этом напряжение
на входе компаратора может незначительно
снизиться без выключения компаратора. Од-
нако если напряжение на входе снижается
значительно, то в этом случае даже обратной
связи будет недостаточно, чтобы поддерживать
изменяющееся входное напряжение на уровне
выше эталонного (вспомните, что «высокое»
выходное напряжение компаратора фикси-
ровано и не зависит от величины входного
напряжения). Вследствие этого на выходе
устанавливается низкий уровень. Напряжение
в цепи обратной связи уменьшается и, таким
образом, для последующего переключения
компаратора входное напряжение должно будет
значительно увеличиться. В этот период времени
незначительные изменения напряжения, опять-
таки, будут игнорироваться.
На схеме (см. рис. 6.10) фототранзистор РТ1
(слева) соединен последовательно с резистором
3,3 кОм, чтобы обеспечить требуемый уровень
напряжения на неинвертирующем входе компа-
ратора. Потенциометр 1 МОм в верхнем левом
углу схемы включен как делитель напряжения,
для того чтобы установить эталонное напряже-
ние, соответствующее уровню освещенности,
который мы хотим обнаружить с помощью фо-
тотранзистора. Резистор с номиналом 470 Ом
является нагрузочным — он ограничивает ток
через светодиод. Расположенный внизу резистор
номиналом 1 МОм регулирует величину
положительной обратной связи, определяющей
зону гистерезиса.
Номиналы компонентов могут быть изменены
в зависимости от напряжения питания, диапа-
зона входного напряжения и других факторов,
однако принцип функционирования останется
неизменным. Обратите внимание, что в этом
примере схема питается от единственного
52
Статья 6


интегральные микросхемы > аналоговые > компаратор
Использование
источника положительного напряжения. На
практике можно использовать источники с раз-
ным напряжением, но при условии, что они под-
ключены к общему заземлению.
Логическая схема «И»
Несколько компараторов с открытым коллек-
тором могут совместно функционировать как
логическая схема «И», если выходы этих ком-
параторов соединены с помощью общего нагру-
зочного резистора (рис. 6.11). До тех пор, пока
все выходные транзисторы закрыты, выходной
сигнал будет высоким. Если на выходе хотя
бы одного из компараторов появится низкий
уровень (выходной транзистор откроется), то
выходной сигнал станет низким.
включения компаратора потребуется напряже-
ние практически равное напряжению питания.
Иными словами, компаратор в такой ситуации
ведет себя как бистабильный мультивибратор,
или триггер.
Релаксационный генератор
Релаксационный генератор (разновидность
мультивибратора) можно создать, если исполь-
зовать прямую положительную обратную связь
в сочетании с задержанной отрицательной
обратной связью.
На рис. 6.12 напряжение положительной об-
ратной связи, как и ранее, подается на неин-
вертирующий вход, однако теперь к инвер-
тирующему входу компаратора подключена
цепь отрицательной обратной связи (через
резистор номиналом 220 кОм). Конденсатор
емкостью 0,47 мкФ изначально удерживает
инвертирующий вход на низком уровне —
пока происходит его заряд. Постепенно напря-
жение на конденсаторе возрастает, а когда
оно превысит уровень, установленный на не-
инвертирующем входе, выход компаратора
переключается в низкое состояние. Это значит,
Рис. 6.11. Если выходы нескольких компараторов с открытым
коллектором соединены с помощью общего нагрузочного
резистора, то устройство будет функционировать как
логическая схема «И»
Бистабильный мультивибратор
Если напряжение положительной обратной свя-
зи на неинвертирующем входе компаратора до-
статочно высокое, то для компенсации высокого
выходного сигнала компаратора потребуется
подать на этот вход почти нулевое напряжение
от шины заземления, после чего для повторного
Рис. 6.12. На основе компаратора можно создать релакса-
ционный генератор
Компаратор
53


Использование
интегральные микросхемы > аналоговые > компаратор
что теперь внутренний выходной транзистор
компаратора открыт и через него конденсатор
начинает разряжаться. Так как напряжение на
неинвертирующем входе составляет примерно
половину напряжения питания (за счет делителя
из двух резисторов номиналами по 100 кОм),
в конечном итоге напряжение на инвертирую-
щем входе в процессе разряда конденсатора
падает ниже уровня напряжения на неинверти-
рующем входе, — и цикл начинается заново.
Рис. 6.13. Компаратор может преобразовывать входной
логический уровень 3 В в выходной логический уровень 5 В
Преобразователь уровня
Если компаратор служит просто для изменения
уровня напряжения, то его можно назвать
преобразователем уровней. Пример такого
устройства показан на рис. 6.13, где высокий/
низкий логический вход с напряжением 3 В
преобразуется в высокий/низкий логический
выход с напряжением 5 В.
Двухпороговый компаратор
Двухпороговый компаратор — это схема (а не
отдельный компонент), реагирующая на вход-
ное напряжение, которое отклоняется за допус-
тимые «рамки» значений. Иными словами, от-
клик на выходе возникает каждый раз, когда
изменяющееся входное напряжение становится
либо недопустимо низким, либо недопустимо
высоким. В качестве примера можно привести
звуковую сигнализацию, срабатывающую, как
только температура становится либо слишком
низкой, либо слишком высокой.
На рис. 6.14 показаны два компаратора, за-
действованные для создания схемы двухпоро-
гового компаратора, — оба они реагируют
на одно входное напряжение от датчика. Для
установки верхней границы напряжения на
неинвертирующем входе верхнего компаратора
необходим делитель напряжения, а второй
делитель напряжения должен задавать нижнюю
границу напряжения на инвертирующем входе
нижнего компаратора. Вместо показанного на
схеме нагрузочного резистора можно непо-
средственно подключить звуковой извещатель
с подходящим внутренним сопротивлением.
Звуковая сигнализация сработает, если сигнал
на выходе любого из компараторов окажется
низким, что произойдет, если напряжение на
инвертирующем входе окажется выше напряже-
ния на неинвертирующем.
Рис. 6.14. Упрощенная принципиальная схема двухпорого-
вого компаратора
54
Статья 6


интегральные микросхемы > аналоговые > компаратор
Что может пойти не так?
Другие варианты применения
Как уже было отмечено ранее, компаратор может
работать как простейший аналого-цифровой
преобразователь. Точность его составляет один
бит, т. е. выходной сигнал будет либо высокий,
либо низкий.
Компаратор может использоваться и как опре-
делитель нулевого значения — если на вход ком-
паратора подается сигнал переменного тока.
В этом случае выход компаратора станет пере-
ключаться каждый раз, когда входной сигнал
проходит через нулевой уровень. Выходной
сигнал при этом будет не синусоидальным,
а прямоугольным.
Следящий преобразователь немедленно реаги-
рует в ответ на изменения во входном сигнале.
Для этого требуется непрерывное потребление
тока. Поскольку во многих случаях необходима
не постоянная, а лишь периодическая провер-
ка выходного сигнала компаратора, можно
уменьшить энергопотребление благодаря ис-
пользованию тактируемого компаратора или
компаратора с фиксацией.
Что может пойти не так?
Самовозбуждение
За счет высокого входного импеданса компа-
ратор уязвим к электромагнитным помехам.
Если длина проводников, ведущих к входу и вы-
ходу компаратора, достаточно велика, то при
изменениях напряжения может возникнуть ем-
костная связь между входом и выходом, вызы-
вающая самовозбуждение.
Для решения этой проблемы обычно рекомен-
дуют подключить развязывающий конденсатор
емкостью 1 мкФ между шинами питания и за-
земления. Однако некоторые производители
предлагают альтернативные варианты, напри-
мер, введение небольшого гистерезиса или
уменьшение номинала входных резисторов до
значения ниже 10 кОм.
Если микросхема состоит из нескольких ком-
параторов, и при этом какой-либо из них не
задействован, то во избежание флуктуации вы-
ходного сигнала необходимо подключить один
из входов этого компаратора к положительно-
му выводу источника тока, а второй — к шине
заземления 0 В.
Неверное подключение
входных контактов
Компаратор будет работать и тогда, когда
входные контакты поменялись местами, но
высокое и низкое состояния на выходе окажутся
обратны ожидаемым. Кроме того, при наличии
положительной обратной связи, перепутанные
входы могут вызвать самовозбуждение. По-
скольку зачастую на схеме компаратор изобра-
жается так, что его неинвертирующий вход может
быть расположен и над, и под инвертирующим,
то нечаянно перепутать входы очень просто.
Один из способов запомнить, каким образом
следует подключать входы компаратора, явля-
ется применение мнемонической фразы «плюс,
высокий, положительный»: вход с плюсом со-
здает высокий выходной сигнал, когда входное
напряжение становится более положительным
по отношению к эталонному напряжению на
другом входе. Обратное утверждение менее
очевидно: вход с минусом создает высокий вы-
ходной сигнал, когда входное напряжение ста-
новится более отрицательным, по отношению
к эталонному напряжению на другом входе.
Неподходящий тип микросхемы
В разных моделях компараторов реализованы
различные типы выходного каскада: с откры-
тым коллектором, с открытым стоком или
двухтактный. Несмотря на то, что открытый
коллектор и открытый сток работают довольно
сходно, номинал нагрузочного резистора
Компаратор
55


Что может пойти не так?
интегральные микросхемы > аналоговые > компаратор
в каждом случае потребуется, вероятно, различ-
ный. Если компаратор с двухтактным выходом
ошибочно подключить как устройство с от-
крытым стоком или открытым коллектором, то
он будет функционировать неправильно или
вообще не будет работать. Компараторы разных
типов следует сортировать и хранить отдельно
в разборчиво подписанных ячейках.
Отсутствие нагрузочного
резистора
Очень часто забывают подключить нагрузочный
резистор к выходу компаратора с открытым
коллектором. В этом случае, когда транзистор
внутри компаратора закрыт, выход окажется
«плавающим» — на нем будет присутствовать
случайный уровень напряжения, а это приведет
к неправильным или непредсказуемым резуль-
татам.
Проблемы КМОП-структур
При использовании КМОП-микросхем недопус-
тимо оставлять неподключенные («подвешен-
ные») входы. Как правило, такое может про-
изойти, если микросхема содержит несколько
компараторов, из которых задействованы лишь
некоторые. В соответствии с рекомендациями
ряда производителей, решение этой проблемы
заключается в подключении одного входа не-
используемого компаратора к источнику пита-
ния, а второго входа — к заземлению.
Неправильный выходной сигнал
Если величина положительной обратной связи
недостаточна, выходной сигнал компаратора
может начать флуктуировать. И, наоборот, если
напряжение положительной обратной связи
слишком велико, компаратор может «застрять»
во включенном или в выключенном положении.
Поэтому следует внимательно подбирать пара-
метры обратной связи.
Перепутанные напряжения
Многие компараторы способны управлять
выходным напряжением, которое значитель-
но выше напряжения источника питания.
Поскольку оба напряжения подаются на два
разных вывода одной и той же микросхемы,
допустить ошибку весьма легко. Если случайно
перепутать напряжение, то очень высока веро-
ятность повреждения микросхемы.
Зависимость гистерезиса
от нагрева
Следует помнить, что диапазон напряжений,
при котором компаратор включается или вы-
ключается, зависит от температуры компонента.
Конкретную величину дрейфа напряжения сле-
дует уточнить, протестировав компаратор при
повышенной температуре.
56
Статья 6


интегральные микросхемы > аналоговые > операционный усилитель
ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
7
Несмотря на то, что условные графические обозначения компара-
тора и операционного усилителя (по англ. operational amplifier) со-
впадают, их применение отличается, и в этой энциклопедии каждому
из них посвящена отдельная статья.
В англоязычной литературе полное название операционного усили-
теля употребляется крайне редко, чаще всего встречается сокраще-
ние ор-атр.}
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• компаратор (см. статью 6)
1 В России часто употребляют сокращение ОУ. — Ред.
Описание
Операционный усилитель — это устройство,
состоящее из нескольких транзисторов,
скомпонованных в виде интегральной микро-
схемы. Операционный усилитель детектирует
изменяющуюся разность напряжений между
двумя входами, затем за счет питания от
внешнего источника усиливает эту разность
и с помощью отрицательной обратной связи
обеспечивает сохранение формы входного и вы-
ходного сигналов. Усиление, создаваемое ком-
понентом, можно задать путем подбора номи-
налов двух внешних резисторов.
Изначально, до начала эры цифровых вычисле-
ний, операционные усилители использовались
в аналоговых компьютерах и были собраны на
электровакуумных лампах. Начало применения
этих устройств в форме интегральных микро-
схем относится к 60-м годам прошлого века,
когда появились такие компоненты, как, на-
пример, LM741 (разновидности этой микро-
схемы со сниженным уровнем помех приме-
няются и по сей день). Устройства, состоящие
из нескольких операционных усилителей в еди-
ном корпусе, появились в 1970-х годах.
Микросхема LM741 представлена на рис. 7.1:
внутри 8-штырькового DIP-корпуса находится
единственный операционный усилитель.
Рис. 7.1. Микросхема LM741, показанная здесь, по сей день
остается одним из самых широко используемых операцион-
ных усилителей
Операционный усилитель
57


Устройство
интегральные микросхемы > аналоговые > операционный усилитель
Устройство
Амплитуда переменного напряжения отклоня-
ется вверх и вниз относительно нулевого зна-
чения, иногда называемого нейтральным. В ка-
честве типичных примеров можно привести
бытовые источники питания и аудиосигналы.
Усилитель напряжения при помощи внешнего
источника питания увеличивает положитель-
ные и отрицательные отклонения напряжения.
В большинстве случаев операционные усили-
тели являются усилителями напряжения.
Идеальный операционный усилитель сохраняет
линейную зависимость между входным и выход-
ным сигналами. Это значит, что в достаточно
широком диапазоне значение выходного напря-
жения пропорционально входному с фиксиро-
ванным множителем (рис. 7.2) — нижняя кривая
является копией верхней с той лишь разницей,
что амплитуда нижней синусоиды умножена
на некое фиксированное значение (обычно,
гораздо большее, чем показано здесь). Это зна-
чение называется коэффициентом усиления ум-
лителя и, как правило, обозначается буквой «А»
(от слова Amplification, усиление).
На рис. 7.3 изображен треугольный символ,
обозначающий типичный усилитель с одним
входом (это не операционный усилитель) - он
может содержать любое количество компонен-
тов. Треугольник практически всегда направлен
слева направо, при этом вход находится слева,
а выход — справа, питание подключено сверху
и снизу. Как правило, источник питания двухпо-
лярный, и это удобно для усиления сигнала, кото-
рый может быть положительным или отрицатель-
ным. Выходной сигнал такого воображаемого
усилителя показан на этом рисунке как линейно
усиленный входной сигнал. На некоторых схемах
может отсутствовать подключение источника
питания, т. к. его наличие подразумевается.
Примечание
Хотя символ «минуса» обычно используется в этой
энциклопедии для обозначения заземления О В,
в случае с двухполярным источником питания он
служит для обозначения напряжения V-. Напря-
жение V- равно по модулю и обратно по поляр-
ности напряжению V+ (иногда эти напряжения
и обозначаются как V- и V+).
Рис. 7.2. В идеальном усилителе напряжения выходное
напряжение совпадает по фазе с изменяющимся входным
напряжением: единственное различие заключается в том, что
амплитуда на выходе умножена на фиксированное значение,
называемое коэффициентом усиления
Рис. 7.3. Типичное обозначение усилителя с одним входом
(не операционного): напряжение положительной стороны
источника питания равно по модулю и обратно по знаку
напряжению отрицательной стороны источника. Величина
О В является средним для этих двух значений
58
Статья 7


интегральные микросхемы > аналоговые > операционный усилитель
Устройство
Дифференциальный вход
Операционный усилитель снабжен двумя вхо-
дами, а не одним и предназначен для усиле-
ния разности между двумя входными сигнала-
ми. Условное графическое обозначение опе-
рационного усилителя приведено на рис. 7.4:
на верхний вход подано нулевое напряжение
(средняя величина между V- и V+). Из-за
большого коэффициента усиления ОУ точное
воспроизведение входного сигнала привело бы
к возникновению на выходе такого напряжения,
которое превышало бы напряжение источника
питания. Поскольку это невозможно, выходной
сигнал достигает насыщения, а затем ограни-
чивается при достижении максимального зна-
чения, как и показано на рис. 7.4 (графики
сигналов могут дать лишь приблизительное
представление об этом, т. к. на них не соблюден
масштаб).
Маленькие черные знаки «плюс» и «минус»
рядом с входами операционного усилителя
не имеют никакого отношения к напряжению
питания, подаваемому на компонент. Вход со
знаком «минус» следует называть инвертирую-
щим входом, а вход со знаком «плюс» — неинвер-
тирующим, в соответствии с особенностями их
функционирования.
Иногда на схемах входы расположены таким
образом, что знак «минус» находится над знаком
«плюс», иногда же знак «плюс» находится
над знаком «минус». Следует внимательно
изучить схему и обратить особое внимание на
расположение входов.
Точки подключения положительного и отрица-
тельного напряжения питания усилителя могут
на схеме отсутствовать, но если они изображены,
то напряжение V+ на схеме всегда подводится
сверху, независимо от того, как расположены
входы усилителя.
Если сигнал подается на неинвертирующий вход
ОУ, а инвертирующий вход в это время заземлен,
то полярность выходного напряжения не будет
инвертирована по отношению к входному.
Если поменять местами входы так, чтобы сиг-
нал поступал на инвертирующий вход, а неин-
вертирующий вход был подключен к зазем-
лению, то полярность выходного сигнала будет
инвертирована, однако коэффициент усиления
останется прежним (рис. 7.5).
Примечание
Операционный усилитель, используемый без
других компонентов, уменьшающих выходной
сигнал устройства, работает в режиме без об-
ратной связи.
Рис 7.4. Так как операционный усилитель обладает большим
коэффициентом усиления, выходной сигнал будет стремиться
к насыщению, приводя к появлению прямоугольных импуль-
сов независимо от формы сигнала на входе
Рис 7.5. При подаче входного сигнала на инвертирующий
вход операционного усилителя и подключении неинвер-
тирующего входа к заземлению О В полярность выходного
сигнала инвертируется
Операционный усилитель
59


Устройство
интегральные микросхемы > аналоговые > операционный усилитель
Отрицательная обратная связь
Для того чтобы операционный усилитель
мог создавать на выходе точную копию вход-
ного сигнала, он должен управляться с по-
мощью отрицательной обратной связи по
отношению к входному сигналу (рис. 7.6):
между инвертирующим входом и выходом
включен резистор R2, чтобы входной сигнал
автоматически уменьшался до уровня, когда
нет насыщения на выходе. Значения резисторов
R1 и R2 определяют коэффициент усиления
(см. разд. «Использование» этой статьи). Теперь
операционный усилитель работает в режиме
с обратной связью — для ее организации и отво-
дится выходной сигнал.
Для получения линейного неинвертированного
выходного сигнала компоненты следует
подключить иначе (рис. 7.7): резисторы здесь
образуют делитель напряжения между выходом
ОУ и заземлением О В, эффективно увеличивая
сравниваемое значение на инвертирующем
входе.
Внимание1.
Обратите внимание, что коэффициент усиления
устройства зависит от конкретной частоты сигнала
переменного тока (см. разд. «Использование» этой
статьи).
Операционные усилители
и компараторы
Компаратор можно рассматривать как разно-
видность операционного усилителя, а опера-
ционный усилитель фактически может исполь-
зоваться как компаратор, сравнивающий изме-
няющееся постоянное напряжение на одном
входе с эталонным напряжением на другом.
Однако устройство этих двух компонентов на-
столько различается, что их следует рассмат-
ривать отдельно друг от друга. Различие так
велико, что оно побудило компанию Texas
Instruments выпустить в 2001 году сообщение
'PWW
ВХОД •:.
с нет
Рис. 7.6. Резистор R2 обеспечивает отрицательную обратную
связь с инвертирующим входом операционного усилителя,
что делает выход линейным (но инвертированным)
?
I ,
j;
5вр;ИрОийЬ
•идейный
1
I
'"^ -Л1 -'Л»-г^.Г*■ i.?.*i^'k аг!'!^1
Рис. 7.7. При подаче входного сигнала на неинвертирующий
вход отрицательная обратная связь создается с помощью
двух резисторов, выступающих в роли делителя напряжения
между выходом и нулевым заземлением
под заголовком «Операционные усилители и
компараторы — не путайте их!»2.
Различия в функционировании этих устройств
подробно рассмотрены в статье, посвященной
компараторам (см. там разд. «Различия между
компаратором и операционным усилителем»).
2 В оригинале: «Op Amp and Comparators — Don't Con-
fuse Them!». - Ред.
60
Статья 7


интегральные микросхемы > аналоговые > операционный усилитель
Варианты
Варианты
Поскольку в большинстве своем операционные
усилители — это слаботочные устройства, они
широко доступны в корпусах небольшого фор-
мата для поверхностного монтажа, а также
(более часто) в DIP-корпусах для установки
в монтажные отверстия.
Многие микросхемы содержат два или более
операционных усилителя — их число иногда
называют количеством каналов компонента.
Двухканальная микросхема содержит два опе-
рационных усилителя, а четырехканальная —
четыре (их называют также сдвоенным и счет-
веренным операционным усилителем). Обычно
все операционные усилители в одной микро-
схеме питаются от одного источника. В качестве
элементов таких микросхем могут применяться
как биполярные, так и КМОП-транзисторы.
Из-за широкой доступности двухканальных
и четырехканальных микросхем очень часто
схемотехники вынуждены оставлять один опе-
рационный усилитель незадействованным, и им
может захотеться задействовать этот резервный
модуль в качестве компаратора. Многие про-
изводители идут навстречу, предлагая гибрид-
ные микросхемы, содержащие не только опера-
ционные усилители, но и дополнительный ком-
паратор. В качестве примеров таких микросхем
можно привести изделия TLV2303 и TLV2304
компании Texas Instruments.
Параметры
Операционные усилители, конструкция которых
восходит к 70-м годам прошлого века, способны
функционировать в широком диапазоне
напряжений источника питания. Как правило,
типичным является диапазон от ±5 до ±15 В
постоянного тока. Современные операционные
усилители могут работать как с довольно низким
напряжением питания (порядка 1 В), так и с
достаточно высоким (до 1000 В).
В плане частот на рынке доступны модели с
диапазоном от 5 кГц до 1 ГГц.
«Классический» операционный усилитель, на-
пример LM741, распространенный по-прежне-
му очень широко, будет работать с источником
питания, напряжение которого лежит в диапа-
зоне от ±5 до ±22 В. Сила тока на выходе может
достигать 25 мА, а входной импеданс составляет
как минимум 2 МОм. Входной ток такого
компонента составляет около 0,5 мкА.
• VI0 — входное напряжение смещения нуля.
В идеальном компоненте напряжение на вы-
ходе должно быть нулевым, если разность
напряжений на входах составляет 0 В.
В реальности же напряжение на выходе бу-
дет равняться нулю, если разность напря-
жений на входах не превышает величину
напряжения смещения нуля. Скорее всего,
значение параметра VI0 не превысит не-
скольких милливольт, а отрицательная об-
ратная связь сможет скомпенсировать это
смещение.
• Vicr ~~ напряжение синфазного сигнала
(максимальное входное напряжение, кото-
рое может выдержать операционный уси-
литель). Этот параметр не может быть
больше положительного напряжения ис-
точника питания и в зависимости от типа
входных транзисторов зачастую будет
меньше. Если входное напряжение выйдет
за границы диапазона синфазного сигнала,
операционный усилитель перестанет функ-
ционировать.
• ^idr ~" вх°дное дифференциальное напря-
жение (максимально допустимая разность
между пиковыми значениями положитель-
ного и отрицательного напряжения вход-
ного сигнала). Как правило, значение этого
параметра выражается как «плюс» или
«минус» от напряжения источника питания
или чуть меньше этой величины. Выход
за пределы штатного диапазона значений
может повредить компонент.
• 1В — входной ток смещения, усредненный
между двумя входами. Большинство опера-
ционных усилителей обладают довольно
высоким входным импедансом и, как след-
ствие, имеют очень низкий входной ток.
Операционный усилитель
61


Использование
интегральные микросхемы > аналоговые > операционный усилитель
Скорость нарастания сигнала при единичном
усилении — это скорость изменения напряжения
выходного сигнала при мгновенном изменении
входного напряжения, когда выход операцион-
ного усилителя подключен напрямую к инвер-
тирующему входу (при работе устройства в не-
инвертирующем режиме).
Использование
Кроме усиления сигналов переменного тока,
операционный усилитель может также исполь-
зоваться в качестве генератора, фильтра,
формирователя сигнала, привода для испол-
нительного механизма, а также в качестве ис-
точника тока и напряжения. Многие из сфер
применения операционного усилителя тре-
буют понимания сложных математических
отношений, описывающих переменный ток
и не включенных в эту энциклопедию. Однако
практически для всех областей применения ОУ
характерна общая отправная точка: задание
коэффициента усиления и управление им за счет
цепи обратной связи.
Управление коэффициентом
усиления
Параметр \01 (коэффициент усиления разомк-
нутой цепи обратной связи) — это максимальное
усиление напряжения, которое может быть
достигнуто, если с выхода на вход не подается
сигнал обратной связи. Значение этого
параметра остается неизменным до тех пор, пока
частота сигнала не достигнет точки, называемой
частотой среза. Если частота сигнала продол-
жит расти, то значение максимального коэф-
фициента усиления начнет резко снижаться
до тех пор, пока соотношение входящего и вы-
ходящего сигнала не приравняется к 1:1 на
частоте единичного усиления, — этот переход
показан наклонной линией на рис. 7.8. На гори-
зонтальной оси указаны частоты, на которых
операционный усилитель способен обеспечить
заданный коэффициент усиления при наличии
отрицательной обратной связи. Например,
в случае, когда значение коэффициента усиления
составляет лишь 10:1, это значение может оста-
ваться постоянным до тех пор, пока частота сиг-
нала не превысит значение чуть больше 10 кГц.
Обратите внимание, что обе шкалы на этом
графике логарифмические.
Рис. 7.8. Пересечение каждой горизонтальной линии с
наклонной — это точка, показывающая максимальную часто-
ту, которая позволяет работать без снижения максимального
коэффициента усиления операционного усилителя
Расчет величины усиления
До тех пор, пока операционный усилитель
работает в диапазоне, показанном на рис. 7.8,
требуемое усиление по напряжению можно
обеспечить с помощью соответствующей об-
ратной связи и выбора входных резисторов.
Если операционный усилитель используется
в неинвертирующем режиме, а резисторы R1
и R2 подключены так, как показано на рис. 7.7,
то коэффициент усиления А можно приблизи-
тельно вычислить по следующей формуле:
А = (приблизительно) 1 + (R2 / R1)
62
Статья 7


интегральные микросхемы > аналоговые > операционный усилитель
Использование
Из формулы можно сделать вывод, что если
значение R1 будет намного больше, чем R2, то
коэффициент усиления уменьшится практичес-
ки до единицы.
Если же значение R1 равно бесконечности,
a R2 — нулю, то коэффициент усиления будет
равняться точно 1:1. Этого можно добиться,
заменив резистор R2 отрезком провода
(теоретически, с нулевым сопротивлением)
и полностью изъяв резистор R1, как показано
на рис. 7.9. В такой схеме выходной сигнал
операционного усилителя должен быть
идентичен входному, т. е. устройство работает
как повторитель напряжения.
• Инвертирующая схема обладает довольно
низким входным импедансом. По этой при-
чине в большинстве случаев предпочтитель-
нее неинвертирующее включение операци-
онного усилителя.
Усиление постоянного
напряжения смещения
Несмотря на то, что операционный усилитель
предназначен, в первую очередь, для усиления
сигнала переменного тока, он будет также
усиливать постоянную разность напряжений,
подаваемых на его входы.
В верхней части рис. 7.10 постоянное положи-
тельное напряжение смещения нуля инвер-
тируется и усиливается до такой степени, что
Рис. 7.9. Если операционный усилитель работает в
неинвертирующем режиме, а резистор обратной связи
заменен отрезком провода, то коэффициент усиления
теоретически уменьшается до значения 1:1
Если операционный усилитель включен в ин-
вертирующем режиме, а резисторы R1 и R2 под-
ключены так, как показано на рис. 7.6, то ко-
эффициент усиления А можно приблизительно
вычислить по следующей формуле:
А = (приблизительно) - (R2 / R1)
• Обратите здесь внимание на знак «минус» —
в инвертирующем режиме коэффициент уси-
ления выражается отрицательным числом.
• В реальной схеме коэффициент усиления,
задаваемый путем выбора подходящих
резисторов, должен быть не больше 20.
Рис. 7.10. Подключение конденсатора к входу операцион-
ного усилителя зачастую необходимо для предотвращения
постоянного смещения нуля: в верхней части иллюстрации
смещение нуля достаточно велико и выходной сигнал
доходит до отрицательного предела и в результате полностью
теряется
Операционный усилитель
63


Использование
интегральные микросхемы > аналоговые > операционный усилитель
сигнал на выходе доходит до отрицательного
предела и в итоге теряется, т. к. его изменения
«поглощены» положительным смещением.
Разделительный конденсатор (показанный в
нижней части рисунка) отсекает постоянное
напряжение смещения и пропускает сигнал
переменного тока. Подходящий номинал
конденсатора зависит от частоты сигнала.
Фильтр нижних частот
На основе операционного усилителя можно
создать очень простой аудиофильтр нижних
частот — для этого к базовой инвертирующей
схеме, показанной на рис. 7.6, нужно лишь
добавить конденсатор.
Схема такого фильтра приведена на рис. 7.11:
конденсатор С1 подобран таким образом, что он
пропускает верхние аудиочастоты и подавляет
нижние. Поскольку коэффициент усиления
базовой инвертирующей схемы приблизительно
равен:
-(R2 / R1),
операционный усилитель работает в нормаль-
ном режиме, когда импеданс конденсатора С1
не пропускает низкие частоты, заставляя их
проходить через резистор R2. Верхние частоты
могут, однако, обойти резистор R2 через кон-
денсатор С1, уменьшая эффективное сопротив-
ление цепи обратной связи и, следовательно,
снижая коэффициент усиления. Таким образом,
усиление схемы на верхних частотах будет
гораздо меньше, чем на нижних.
Подобного эффекта можно достичь и с помощью
пассивной резистивно-емкостной цепочки, од-
нако такая цепь ослабляет сигнал, тогда как
схема с операционным усилителем усиливает
часть сигнала.
Фильтр верхних частот
Простой фильтр верхних частот можно создать
путем подключения конденсатора к базовой
неинвертирующей схеме, показанной на
рис. 7.7.
Схема такого фильтра приведена на рис. 7.12:
опять-таки конденсатор С1 подобран так, чтобы
он пропускал верхние аудиочастоты и подавлял
нижние. Поскольку коэффициент усиления
базовой инвертирующей схемы приблизительно
равен:
1 + (R2 / R1),
Рис. 7.11. Очень простой фильтр нижних частот, действующий
за счет того, что конденсатор С1 пропускает верхние частоты
в обход резистора R2
Рис. 7.12. Очень простой фильтр нижних частот, который
действует за счет того, что верхние частоты проходят через
конденсатор С1 в обход резистора R1
64
Статья 7


интегральные микросхемы > аналоговые > операционный усилитель
Использование
операционный усилитель работает в нормаль-
ном режиме, когда конденсатор С1 не пропускает
нижние частоты, заставляя их проходить через
резистор R1. Однако верхние частоты способ-
ны обойти резистор R1 через конденсатор С1,
уменьшая таким образом эффективное сопро-
тивление этого участка и, следовательно, ослаб-
ляя отрицательную обратную связь и увели-
чивая коэффициент усиления. Таким образом,
усиление схемы на верхних частотах будет
больше, чем на нижних.
Подобного эффекта можно достичь и с помощью
пассивной резистивно-емкостной цепочки, од-
нако такая цепь ослабляет сигнал, тогда как
схема с операционным усилителем усиливает
часть сигнала.
Релаксационный генератор
Схема, приведенная на рис. 7.13, идентична
схеме на рис. 6.12, где использован компаратор, и
функционирует как релаксационный генератор —
разновидность мультивибратора. Нижняя
половина схемы — это цепь положительной
обратной связи, которая усиливает выходной
сигнал, тогда как верхняя половина схемы
заряжает конденсатор. В конечном итоге за-
ряд конденсатора превышает напряжение на
неинвертирующем входе операционного уси-
лителя, создавая отрицательную обратную
связь, которая превосходит положительную.
Конденсатор разряжается, и цикл начинается
снова. Параметры компонентов, изображенных
на рис. 7.13, обеспечивают генерацию выходного
сигнала с частотой около 2 Гц. Уменьшение
номинала конденсатора увеличит эту частоту.
Однополярный источник питания
Некоторые модификации операционных уси-
лителей могут работать от однополярного
источника питания, однако они встречаются
сравнительно редко. Кроме того, такие уси-
лители срезают выходной сигнал, если входное
напряжение становится отрицательным. На
рынке доступно множество двухполярных ис-
точников питания, обеспечивающих различ-
ные фиксированные напряжения, например,
+15 В, 0 В и -15 В. Такие источники идеальны
для питания операционных усилителей, но для
других компонентов устройства могут оказаться
бесполезными. Можно ли на операционный
усилитель, рассчитанный на два напряжения,
подать питание от одного источника, например
на 30 В?
Сделать это достаточно просто — операцион-
ному усилителю необходима лишь разность
потенциалов для питания внутренних транзис-
торов и, следовательно, подача постоянного
напряжения 30 В на вывод V+ и 0 В — на вывод V-
будет равнозначна подаче +15 В и -15 В. Однако,
в соответствии с рис. 7.6, если операционный
усилитель работает в инвертирующем режиме,
на неинвертирующий вход необходимо подать
промежуточное напряжение. Аналогично, при
работе в неинвертирующем режиме на один из
входов также следует подать промежуточное
напряжение, значение которого является
средним между крайними значениями напря-
жения источника питания. Таким образом, если
источник питания обеспечивает постоянное
напряжение +15 и -15 В, то средним будет
напряжение 0 В. Если же источник питания
обеспечивает 30 и 0 В, то средним будет
напряжение в 15 В.
Рис. 7.13. Релаксационный генератор
Операционный усилитель
65


Что может пойти не так?
интегральные микросхемы > аналоговые > операционный усилитель
Поскольку входы операционного усилителя
обладают очень высоким импедансом и потреб-
ляют пренебрежимо малый ток, промежуточ-
ное напряжение можно обеспечить с помощью
простого делителя напряжения (рис. 7.14), где
номинал каждого из резисторов R3 и R4 не
должен превышать 100 кОм. Точные номиналы
резисторов не имеют значения при условии, что
они равны.
Рис. 7.14. На этой схеме делитель напряжения, состоящий
из резисторов R3 и R4, может обеспечить напряжение, зна-
чение которого является средним между напряжением V+
и отрицательным заземлением. Таким способом операци-
онный усилитель можно подключить к одному, а не к двум
источникам питания
Как видно из рис. 7.14, на входе все же
необходим разделительный конденсатор, т. к.
нет никакой гарантии, что входной сигнал
будет находиться точно по центру — на отметке
15 В, а любое смещение будет усиливаться,
потенциально приводя к ограничению сигнала.
По аналогичным причинам на выходе также
подключается разделительный конденсатор.
Корректировка смещения нуля
Некоторые операционные усилители снабже-
ны двумя выводами для корректировки сме-
щения нуля — дополнительной процедуры,
позволяющей гарантировать, что подача оди-
накового напряжения на оба входа приведет
к нулевому напряжению на выходе. Это один
из способов компенсации разброса параметров
элементов, появляющейся в процессе производ-
ства микросхемы.
Для коррекции смещения нуля оба входа 0У
подключают напрямую к заземлению, а выводы
подстроечного потенциометра (как правило,
на 10 кОм) — к контактам для корректировки
смещения нуля. Движок потенциометра уста-
навливается в среднее положение и затем под-
ключается к источнику отрицательного на-
пряжения. Щупы измерительного прибора,
настроенного на измерение постоянного на-
пряжения, подключаются к выходу операци-
онного усилителя и заземлению, и движок
потенциометра перемещают до тех пор, пока
измеритель не покажет нулевое напряжение
(рис. 7.15).
Рис. 7.15. Схема для коррекции смещения нуля операцион-
ного усилителя, допускающего подобную процедуру
Что может пойти не так?
Проблемы с источником питания
Операционные усилители весьма уязвимы к не-
правильной полярности источника питания.
Если есть даже малая вероятность перепутать
полярность, нужно обеспечить необходимую
защиту, подключив диод последовательно к од-
ному из полюсов источника питания.
66
Статья!


интегральные микросхемы > аналоговые > операционный усилитель
Что может пойти не так?
Более распространенная проблема — поврежде-
ние ОУ из-за подачи на вход сигнала, амплитуда
которого превышает напряжение (или напря-
жения) источника питания. Даже если вход-
ной сигнал находится в допустимом диапазоне,
он может нанести непоправимый вред микро-
схеме, если его приложить до подачи питания на
усилитель.
Неправильное подключение
неиспользуемых ОУ
Зачастую в одном корпусе размещается сразу
несколько операционных усилителей. Если не-
которые из них остаются неиспользуемыми, они
все равно получают питание от общего источ-
ника и будут пытаться функционировать. Если
оставить входы такого усилителя неподключен-
ными, то за счет паразитных наводок напряже-
ния, вызванных емкостью или индуктивностью,
и при отсутствии отрицательной обратной связи
неиспользуемый ОУ станет функционировать
непредсказуемым образом, будет потреблять
мощность и, вероятно, влиять на работу других
элементов микросхемы.
На рис. 7.16 приведены три неправильных ва-
рианта решения этой проблемы (Нет), а также
одна рекомендуемая возможность (Да) (поза-
имствовано из «Рекомендации по применению»
SLOA067 компании Texas Instruments).
Самовозбуждение
Входы операционного усилителя уязвимы
к электромагнитным наводкам. Если длина
проводников, ведущих к входу и выходу опе-
рационного усилителя, достаточно велика, то
при изменениях напряжения может возникнуть
емкостная связь между входом и выходом,
вызывающая нежелательное самовозбуждение.
Для решения этой проблемы обычно рекомен-
дуют подключить развязывающий конденсатор
емкостью 1 мкФ между источником питания
и шиной заземления. Однако некоторые произ-
водители рекомендуют альтернативные вариан-
ты — например, введение небольшого гистере-
зиса или уменьшение номинала входных резис-
торов до значения ниже 10 кОм.
Рис. 7.16. Когда микросхема состоит из нескольких операци-
онных усилителей, неиспользованный усилитель также будет
получать питание от общего источника, — нельзя оставлять
входы такого усилителя свободными. Для минимизации его
активности и потребления мощности входы незадействован-
ного ОУ нужно правильно подключить. Здесь приведены три
часто встречающиеся ошибки {Нет), а также один рекомен-
дуемый вариант {Да). Обратите внимание на различие между
заземлением 0 В и отрицательным напряжением V-
Перепутанные входы
На схеме операционный усилитель может
изображаться с неинвертирующим входом,
расположенным над инвертирующим или
наоборот. Единственными признаками этого
являются знаки «плюс» и «минус» внутри
символа микросхемы, однако эти знаки бывают
весьма мелкими, поэтому их легко проглядеть.
Кроме того, для удобства вычерчивания схемы
два усилителя на ней могут быть изображены
с противоположным расположением входов.
Поэтому следует уделять особое внимание
корректному подключению выводов инверти-
рующего и неинвертирующего входов микро-
схемы.
Операционный усилитель
67


интегральные микросхемы > аналоговые > цифровой потенциометр
ЦИФРОВОЙ ПОТЕНЦИОМЕТР
8
Цифровой потенциометр (по англ. digital potentiometer) также приня-
то называть потенциометром с цифровой регулировкой, потенцио-
метром с цифровым управлением, потенциометром с цифровым
программированием (DPP, Digitally Programmed Potentiometer). В ан-
глоязычной литературе встречаются и сокращенные наименования
устройства: digpot или digipot. Все эти термины взаимозаменяемы.
Кроме того, поскольку английское сокращение pot, как правило, ис-
пользуется для обозначения аналогового потенциометра, некоторые
специалисты в разговорной речи называют цифровой потенциометр
digital pot. В официальной документации слово pot печатают иногда
прописными (заглавными) буквами, однако это слово не является аб-
бревиатурой, и в этой энциклопедии оно набрано строчными.
Так как цифровой потенциометр позволяет управлять напряжени-
ем произвольной формы, его относят к устройствам с произволь-
ным сигналом. В этой энциклопедии он классифицирован в ряду
аналоговых микросхем, поскольку в первую очередь цифровой по-
тенциометр имитирует работу аналогового устройства. Цифровой
потенциометр может рассматриваться и как разновидность цифро-
аналогового преобразователя, однако статьи, посвященные цифро-
аналоговым и аналого-цифровым преобразователям, из-за узкой
специализации таких устройств в эту энциклопедию не включались.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• потенциометр (рассматривается в первом томе энциклопедии)
Описание
Цифровой потенциометр представляет собой
интегральную микросхему, которая имитирует
работу аналогового потенциометра. Часто этот
компонент называют программируемым, имея в
виду, что его внутреннее сопротивление можно
изменять с помощью управляющего входного
сигнала.
В сферу возможных применений цифровых
потенциометров входят регулировка длитель-
ности импульса генератора или коэффициента
усиления операционного усилителя, задание
напряжения, обеспечиваемого стабилизато-
ром напряжения, настройка полосового фильтра,
а также использование их в качестве мульти-
вибраторов с несколькими устойчивыми состоя-
ниями, например, с помощью управляющего
вывода в микросхеме таймера 555.
Цифровые потенциометры чрезвычайно хоро-
шо сочетаются с микроконтроллером, управ-
ляющим их внутренним сопротивлением.
Цифровой потенциометр
69


Устройство
интегральные микросхемы > аналоговые > цифровой потенциометр
При этом цифровой потенциометр вместе с
микроконтроллером, а также с парой внешних
кнопок или с поворотным энкодером позволяют
регулировать коэффициент усиления звукового
усилителя или аналогичных устройств.
Преимущества
Цифровой потенциометр обладает значитель-
ными преимуществами по сравнению с анало-
говым:
• надежность — срок службы цифрового
компонента может оцениваться в миллион
циклов (в каждом цикле положение движ-
ка записывается во внутреннюю память
устройства), тогда как срок службы ана-
логового компонента составляет лишь не-
сколько тысяч циклов;
• цифровой интерфейс;
• отсутствие длинных сигнальных проводни-
ков или кабелей — цифровой потенциометр
можно разместить в непосредственной
близости к другим микросхемам, тогда как
аналоговый потенциометр зачастую необ-
ходимо помещать на некотором удалении
от других устройств, чтобы пользователю
было удобно осуществлять регулировку.
Уменьшение длины сигнальных провод-
ников может снизить паразитную емкость,
а отсутствие необходимости прокладки ка-
беля — производственные затраты;
• меньший размер и вес по сравнению с анало-
говым потенциометром.
Однако у цифрового потенциометра есть также
и недостатки:
• зависимость внутреннего сопротивления
устройства от температуры;
• неспособность работать с большими тока-
ми — очень немногие цифровые потенцио-
метры могут пропускать ток силой более
20 мА (значение 1 мА встречается наиболее
часто). Выход устройства в первую очередь
предназначен для подключения других
полупроводниковых приборов с высоким
импедансом;
• пользователям, возможно, привычнее пере-
мещать движок аналогового потенциомет-
ра, чем нажимать на кнопки или взаимо-
действовать с поворотным энкодером.
Устройство
Цифровой потенциометр изменяет точку под-
ключения в резистивной цепочке, состоящей
из нескольких постоянных резисторов, вклю-
ченных последовательно, находящейся внутри
корпуса микросхемы. Каждый конец цепочки
и каждое соединение между двумя смежными
резисторами называется отводом. Вывод,
который может подключиться к любому из
отводов, по традиции называется движком,
поскольку он имитирует работу движка анало-
гового потенциометра. В реальности же циф-
ровой потенциометр не содержит движка или
каких-либо иных подвижных частей.
В стандартном цифровом потенциометре
(рис. 8.1) доступ к каждому из концов цепочки
резисторов реализован с помощью двух выво-
дов, часто обозначаемых как «верхний» (Н) и
«нижний» (L), несмотря на их функциональную
взаимозаменяемость (за исключением того слу-
чая, когда компонент имеет логарифмическую
характеристику).
Как можно видеть, «нижний» конец цепочки
резисторов иногда имеет нулевой номер — в этом
случае, если в потенциометре п резисторов,
«верхний» конец цепочки будет иметь номер п,
Если же номер «нижнего» конца цепочки равен
единице, а в потенциометре п резисторов, то
«верхний» конец будет иметь номер п+1.
В документации «нижний» вывод цифрового
потенциометра может быть обозначен как L, А,
RL или РА, «верхний» вывод принято обозначать
Н, В, RH или Рв, а вывод, ведущий к движку, как
правило, обозначают буквами W, R^ или Pw.
Впрочем, далее по тексту будут использоваться
70
Статья 8


интегральные микросхемы > аналоговые > цифровой потенциометр
Устройство
гезиыиры
цепной схемы
кезисторы
цепной схемы
Число отводов в существующих моделях
цифровых потенциометров лежит в пределах
от 4 до 1024, однако чаще встречаются потен-
циометры с 32, 64, 128 или 256 отводами, при
этом наиболее популярны потенциометры
с 256 отводами.
Для обозначения цифрового потенциометра нет
стандартизированного символа, и чаще всего
цифровой потенциометр обозначается симво-
лом аналогового потенциометра внутри прямо-
угольника с указанием номера компонента
(рис. 8.2). Если схема предназначена только для
демонстрации логических связей, на ней могут
отсутствовать управляющие выводы и источник
питания. Однако, когда потенциометр изображен
на схеме с подключением к другим компонентам
цепи, например к микроконтроллеру (рис. 8.3),
то обычно указывают дополнительные выводы
и их назначение (описание выводов, отличных
от L, Н и W, приведено в разд. «Варианты» этой
статьи).
Рис. 8.1. Подключение движка цифрового потенциометра к
цепочке резисторов: здесь показаны две возможные системы
нумерации
АВС1234
-AWV-
t
Рис. 8.2. Для обозначения цифрового потенциометра нет
единого стандартизированного символа: часто цифровой
потенциометр обозначается символом аналогового потен-
циометра внутри прямоугольника с номером компонента
Микро-
контроллер
обозначения L, Н и W соответственно. Несмотря
на функциональную взаимозаменяемость вы-
водов L и Н, их обозначение на схемах может
быть полезным для определения направления
движения контакта W в ответ на внешний
управляющий сигнал.
Рис. 8.3. Если потенциометр изображен на схеме с подклю-
чением к другим компонентам (например к микроконтрол-
леру), то на нем могут быть обозначены дополнительные вы-
воды и функции: приведенная здесь схема дает общее пред-
ставление о том, какие выводы потенциометра могут быть
изображены
Цифровой потенциометр
71


Варианты
интегральные микросхемы > аналоговые > цифровой потенциометр
Варианты
Сдвоенный цифровой потенциометр содержит
два полноценных модуля, а счетверенный — че-
тыре. Существуют и строенные потенциометры,
но встречаются они достаточно редко. Впрочем,
некоторые микросхемы содержат и по шесть
потенциометров. Микросхемы, содержащие
несколько цифровых потенциометров, могут
служить эквивалентом многосекционных ана-
логовых потенциометров для одновременной
регулировки нескольких входов аудиосистем
(два канала стереоусилителя и большее число
каналов в системе объемного звучания).
На рис. 8.4 приведена цоколевка микросхемы
сложного счетверенного цифрового потенцио-
метра. Функциональные возможности и цоко-
левка других счетверенных потенциометров мо-
гут отличаться от показанных здесь, поскольку
Рис. 8.4. Разводка выводов сложной счетверенной микро-
схемы цифрового потенциометра (другие микросхемы
могут иметь отличающуюся разводку выводов и функцио-
нальные возможности): этот образец доступен только для
поверхностного монтажа
стандартизированного формата не существует, -
как и в случае с цифровыми логическими микро-
схемами. В приведенном примере высокие/низ-
кие состояния на контактах Адрес 0 и Адрес 1
выбирают одну из четырех внутренних цепочек
резисторов, пронумерованных от О до 3. Вывод
выбора микросхемы CS (Chip Select) активирует
или деактивирует всю микросхему. Контакт за-
щиты от записи отключает возможность записи
во внутреннюю память информации о положе-
нии движка потенциометра. На вывод тактового
сигнала SC (Serial Clock) подают эталонную по-
следовательность импульсов, с которыми долж-
ны синхронизироваться сигналы, поступающие
на последовательные входы. Вывод защелки
приостанавливает работу микросхемы на вре-
мя передачи данных и позволяет возобновить
передачу данных по завершении этой операции.
Выводы NC не подключены.
Энергозависимая
и энергонезависимая память
Любому цифровому потенциометру требуется
память для хранения текущего положения
движка, и такая память может быть энерго-
зависимой или энергонезависимой. Энергоне-
зависимая память обычно отмечается в специ-
фикации обозначением NV (от англ. слова non-
volatile).
Цифровой потенциометр с энергозависимой
памятью будет, как правило, возвращать дви-
жок в среднее положение, если питание было
отключено, а затем вновь подано. Цифровой по-
тенциометр с энергонезависимой памятью, как
правило, восстанавливает последнее положение
движка (при условии, что потенциометр был
полностью отключен, а затем включен без сбоев
в источнике питания).
Если цифровым потенциометром управляет
микроконтроллер, то он может хранить послед-
нее положение движка в своей энергонезави-
симой памяти, что делает несущественным тип
памяти, реализованной в потенциометре.
72
Статья 8


интегральные микросхемы > аналоговые > цифровой потенциометр
Варианты
Характеристика
Цифровые потенциометры выпускаются с ли-
нейной характеристикой или с логарифми-
ческой характеристикой. В первом случае все
резисторы в цепочке обладают одинаковым
сопротивлением. Во втором — номиналы
резисторов подбираются таким образом,
чтобы общее сопротивление между движком и
нижним (L) концом цепочки увеличивалось в
геометрической прогрессии при перемещении
движка по направлению к верхнему концу
(Н) цепочки. Это удобно в аудиотехнике, где
экспоненциальное увеличение интенсивности
звука воспринимается человеческим ухом как
линейное.
Микроконтроллер может имитировать лога-
рифмическую характеристику, пропуская неко-
торые отводы в цепочке резисторов цифрового
потенциометра, однако такой подход уменьшает
число шагов регулировки сопротивления и сни-
жает ее точность.
Передача данных
В большинстве цифровых потенциометров ис-
пользуется один из трех протоколов после-
довательной передачи данных:
SPI - аббревиатура английского названия Serial
Peripheral Interface, последовательный интер-
фейс периферийных устройств. Этот термин
некогда был зарегистрированной торговой мар-
кой компании Motorola, но в настоящее время
является общеупотребительным. Стандарт пе-
редачи данных SPI реализуется в цифровых по-
тенциометрах самыми различными способами;
I2C - более корректно записывается как PC
и произносится «ай-ту-си» (можно и «и-два-
цэ»). Это сокращение восходит к английскому
словосочетанию Inter-Integrated Circuit, схема
для внутренней интеграции. Протокол PC,
разработанный компанией Philips в 90-х годах
прошлого века, отличается сравнительно
невысокой скоростью передачи данных по
шине (до 400 Кбит/с или 1 Мбит/с в основной
конфигурации). Он встроен в некоторые микро-
контроллеры, и его стандарт определен гораздо
более четко и строго, чем стандарт протокола
SPI.
Протокол Up/Down также известен под назва-
нием протокол pushbutton или протокол инкре-
мента/декремента.
Протоколы SPI и PC поддерживаются многими
микроконтроллерами, в том числе Atmel AVR
в среде Arduino.
Далее мы рассмотрим три эти системы управ-
ления цифровыми потенциометрами более по-
дробно.
Протокол SPI
SPI — это наиболее часто встречающийся прото-
кол, однако при изучении спецификаций следует
обращать особое внимание на конкретную его
разновидность.
На рис. 8.5 изображен цифровой потенциометр
Microchip 4131-503, работающий по протоколу
SPI, — он содержит 128 резисторов и может
получать питание от источника с напряжением
от 1,8 до 5,5 В.
Рис. 8.5. Этот цифровой потенциометр использует протокол
SPI
Цифровой потенциометр
73


Варианты
интегральные микросхемы > аналоговые > цифровой потенциометр
Все разновидности протокола SPI обладают од-
ной общей особенностью — последовательнос-
ти импульсов и пауз интерпретируются микро-
схемой как наборы битов, значение которых
определяет отвод в цепочке резисторов. Поль-
зуясь компьютерной терминологией, можно
сказать, что каждый отвод имеет адрес. Посту-
пающие биты определяют адрес, после чего
состояние дополнительного входного вывода
может дать микросхеме команду на перемеще-
ние движка в требуемое положение.
Обычно выводы микросхемы обозначают так:
• CS (Chip Select) — выбор микросхемы;
• SDA, SI, DIN или подобная аббревиатура —
последовательный ввод данных;
• SCL, SCLK или SCK — последовательный
тактовый сигнал. На этот вывод подается
последовательность тактовых импульсов,
с которым должны синхронизироваться
импульсы входных данных.
Протокол SPI допускает осуществление и дву-
направленной (дуплексной) передачи данных.
Впрочем, эта функция реализована лишь в не-
большом количестве потенциометров — тогда
контакт для последовательных данных может
быть обозначен как SDO. В качестве альтерна-
тивы можно задействовать один штырьковый
вывод как для ввода, так и для вывода, в таком
случае он может быть обозначен как SDI/SDO.
Если какой-либо вывод активируется низким
уровнем сигнала, то над его обозначением
помещается горизонтальная черта.
Наиболее часто встречающийся тип потен-
циометров содержит 255 резисторов и, следо-
вательно, имеет 256 отводов с адресами от О
до 255. Каждый из этих адресов может быть
представлен последовательностью из восьми
битов данных, составляющих один байт. Одна-
ко для микросхем с другим числом отводов
применяются иные системы кодировки. На-
пример, в потенциометр с 32 отводами дан-
ные все также отправляются группами по
восемь битов, однако только первые пять битов
определяют адрес отвода, тогда как оставшиеся
три интерпретируются как команды для
микросхемы.
Большинство микросхем с 256 отводами рабо-
тают по протоколу SPI, в котором данные отправ-
ляются двумя восьмибитовыми наборами, -
при этом первый из них интерпретируется как
команда для микросхемы, а второй определяет
адрес отвода. Впрочем, разные производители
могут использовать различающиеся наборы ко-
мандных кодов, кроме того, коды могут отли-
чаться даже у разных моделей, выпускаемых
одним производителем.
Чаще всего данные и команды управления пе-
редаются в микросхему по трем проводам, по-
этому такие компоненты называются трехпро-
водными программируемыми потенциометрами.
Для активации входа цифрового потенциометра
вывод CS обычно, но не всегда, переводится
в низкое состояние. Затем на контакт ввода
данных подается последовательность импульсов
и пауз. Каждый раз, когда вход тактового
сигнала меняет состояние (обычно по фронту
тактового импульса), состояние входа с данными
копируется в сдвиговый регистр внутри
микросхемы. По завершении синхронизации
всех битов вывод CS может быть переведен
из низкого состояния в высокое, при этом
содержимое сдвигового регистра передается
в декодер микросхемы. Поступление в декодер
первого бита запускает процесс декодирования
значений всех восьми битов данных, после чего
микросхема подключает вывод W к соответ-
ствующему отводу в цепочке из 255 резисторов.
Протокол 12С
Спецификация протокола 12С поддерживается
компанией NXP Semiconductors (ранее это делала
компания Philips), но может использоваться
в коммерческих продуктах без лицензионных
выплат. Согласно этому протоколу, для пере-
дачи данных требуются только две линии:
74
Статья8


интегральные микросхемы > аналоговые > цифровой потенциометр
Варианты
одна, несущая тактовый сигнал, и вторая,
обеспечивающая двунаправленную переда-
чу данных, синхронизированную с тактовым
сигналом (хотя во многих цифровых потен-
циометрах протокол 12С служит только для
получения данных). Обозначения выводов
микросхемы, скорее всего, будут такими же, как
и для протокола SPI.
Как и в случае с протоколом SPI, за командным
байтом следует байт с данными, отличия за-
ключаются в наборе команд, который может
быть различным даже для разных микросхем на
основе протокола 12С. Полная реализация про-
токола PC допускает совместное функциони-
рование нескольких устройств на одной шине,
однако эта возможность может оставаться
незадействованной.
Протокол Up/Down
Этот более простой асинхронный протокол
не требует наличия входа синхронизации.
Микросхема будет реагировать на импульсы
данных различной длительности, получаемые
на любой скорости (вплоть до максимально
возможной). При этом каждый импульс пере-
водит движок на один шаг вверх или вниз по
цепочке резисторов. Несмотря на простоту про-
цесса, здесь нет адресации отводов, вследст-
вие чего движок не сможет перейти напрямую
к нужному отводу без перемещения поочередно
через все промежуточные отводы. Однако это
не создает неудобств при использовании такого
потенциометра по основному назначению — для
управления громкостью звука.
В некоторых микросхемах предусмотрен спе-
циальный контакт инкремента, обычно обозна-
чаемый INC, на который подаются управляющие
импульсы, а низкое или высокое состояние
второго контакта, обычно обозначаемого U/D,
определяет, переведет ли следующий импульс
движок вверх или вниз по цепочке резисторов.
Выводом U/D снабжена микросхема САТ5114,
изображенная на рис. 8.6. Она содержит
31 резистор и изготавливается либо в 8-штырь-
ковом DIP-корпусе, либо в корпусе для по-
верхностного монтажа. Этот компонент может
получать питание от источника напряжением
от 2,5 до 6 В. Каждый из логических входов
потребляет всего 10 мкА.
В других микросхемах импульс, подаваемый на
вывод UP, переводит движок на шаг вверх по
цепочке резисторов, а импульс, подаваемый на
вывод DOWN, переводит движок на шаг вниз.
Оба варианта микросхем можно отнести к двух-
проводному типу. Если к ним добавлен допол-
нительный вывод выбора микросхемы (в спе-
цификациях обозначается CS), то такой тип
цифрового потенциометра можно назвать трех-
проводным. Контакт выбора микросхемы, ско-
рее всего, будет активироваться при низком
сигнале, а это значит, что до тех пор, пока он
остается в высоком состоянии, микросхема ста-
нет игнорировать входные сигналы.
В моделях с шестью выводами отсутствует
вывод INC, а также один из выводов Н, L или
W, при этом вывод U/D также работает иначе.
Рис. 8.6. Этот цифровой потенциометр содержит 31 резистор
и использует простейший протокол Up/Down для пошагового
перехода от одного отвода к другому
Цифровой потенциометр
75


Параметры
интегральные микросхемы > аналоговые > цифровой потенциометр
Когда вывод CS переведен в низкое состояние,
микросхема проверяет состояние вывода
U/D. Если он находится в высоком состоянии,
микросхема переходит в режим инкремента,
если же в низком — в режим декремента. До тех
пор, пока на выводе CS присутствует низкий
уровень, каждая смена состояния вывода
U/D от низкого к высокому будет перемещать
движок на шаг вниз или вверх — в зависимости
от исходного состояния вывода. Когда на
выводе CS появляется высокий уровень,
микросхема игнорирует дальнейшую смену
состояния вывода U/D до тех пор, пока вывод
CS не вернется в низкое состояние, после чего
процедура повторится.
Такая микросхема не обеспечивает никакой
обратной связи о положении движка, вследствие
чего управляющее устройство, например мик-
роконтроллер, не может знать о его текущей
позиции. Если микросхема обладает энерго-
независимой памятью (что характерно для
многих цифровых потенциометров с прото-
колом Up/Down), то при каждой подаче пита-
ния предшествующее положение движка вос-
станавливается, однако управляющему устрой-
ству сложно его определить. Таким образом,
микросхемы, работающие по протоколу Up/
Down, пригодны только для простых задач, —
в основном, для отклика на нажатие кнопок
вверх/вниз.
Другие системы управления
В некоторых из цифровых потенциометров реа-
лизован параллельный интерфейс. Поскольку
такие микросхемы довольно редки, в этой
энциклопедии они не рассматриваются.
Подключения и режимы
Некоторые варианты конструкции цифрового
потенциометра позволяют минимизировать
размер микросхемы и количество подключений
за счет ограничения доступа к внутренней ре-
зистивной цепочке. В микросхеме, предназна-
ченной для работы в режиме реостата, отсут-
ствует вывод W, и перемещение внутренней
точки подключения изменяет сопротивление
только между выводами Н и L микросхемы.
В некоторых моделях нижний конец цепочки
резисторов постоянно подключен к заземлению
внутри корпуса, а вывод L отсутствует. В других
вариантах один из концов резистивной цепочки
схемы внутри микросхемы остается неподклю-
ченным.
Микросхема, предназначенная для работы в ре-
жиме делителя напряжения, будет содержать
все три вывода: Н, L и W, кроме тех моделей,
в которых нижний конец цепочки резисторов
соединен с шиной земли.
На рис. 8.7-8.10 приведено несколько вариантов
конструкции цифрового потенциометра с соот-
ветствующими пояснениями.
Поскольку некоторые выводы у тех или иных
микросхем могут отсутствовать, а также из-за
того, что стандартизированных функций всех
имеющихся выводов не существует, следует
внимательно изучать схемы и сами компоненты
перед их использованием.
Параметры
Основное ограничение цифровых потенцио-
метров — невозможность работы с большими
токами. Эта особенность зачастую не позволяет
заменить аналоговые потенциометры цифровы-
ми без внесения изменений в схему. Через выво-
ды Н, L и W, как правило, не может протекать
продолжительный непрерывный ток силой бо-
лее 20 мА.
Сопротивление движка — это сопротивление,
присутствующее в цепи движка. Его величина
может быть различной: обычно около 100 Ом,
но может доходить и до 200 Ом.
Типичное суммарное сопротивление цепочки из
внутренних резисторов может варьироваться
76
Статья8


интегральные микросхемы > аналоговые > цифровой потенциометр
Использование
в диапазоне от 1 до 100 кОм, при этом чаще всего
встречаются значения 1,10 и 100 кОм.
В микросхемах с адресуемыми отводами (ра-
ботающими по протоколам SPI и 12С) число
отводов, как правило, является значением сте-
пени числа 2. Число отводов для микросхем,
использующих протокол Up/Down, задано не
столь строго и может равняться, например, 100.
Величина полного сопротивления цепочки ре-
зисторов может отличаться у различных эк-
земпляров однотипных микросхем чуть ли не
на 20%. Различие между сопротивлениями ре-
зистивных цепочек, находящихся внутри одной
микросхемы (например, в сдвоенных или в счет-
веренных микросхемах), как правило, значи-
тельно меньше.
Практически все цифровые потенциометры
предназначены для работы при напряжении 5 В
и меньше. Выводы Н и L нечувствительны к по-
лярности, однако напряжение, подаваемое на
любой из них, не должно превышать напряжение
источника питания.
Использование
Несмотря на то, что большинство микроконт-
роллеров содержат один или несколько аналого-
цифровых преобразователей, конвертирующих
аналоговый входной сигнал во внутреннее чис-
ловое значение, микроконтроллер сам не спосо-
бен создавать аналоговый выходной сигнал.
Эту функцию может обеспечить цифровой
Рис. 8.7. Некоторые модели цифровых потенциометров по-
зволяют минимизировать размер микросхемы и реализовать
специальные функции за счет изъятия части выводов: в ва-
рианте, изображенном здесь, вывод W создает напряжение
между выводом Н и внутренним заземлением. Эта микросхема
работает под управлением последовательного протокола 12С
Рис. 8.9. Этот вариант микросхемы обеспечивает переменное
сопротивление между выводом Н и подключением к внутрен-
нему отрицательному заземлению, а пятый вывод отсутству-
ет. Микросхема по протоколу Up/Down
Рис. 8.8. В этой модели конец Н внутренней цепочки ре-
зисторов может оставаться неподключенным и цифровой
потенциометр функционирует как реостат. Эта микросхема
работает под управлением последовательного протокола 12С
Рис. 8.10. Этот вариант микросхемы обеспечивает перемен-
ное сопротивление между выводами Н и L, при этом оба кон-
ца цепочки резисторов подключены, а вывод W отсутствует,
поскольку движок присоединен к выводу Н. Микросхема ра-
ботает под управлением протокола Up/Down
Цифровой потенциометр
77


Что может пойти не так?
интегральные микросхемы > аналоговые > цифровой потенциометр
потенциометр, однако область его применения
не слишком широка из-за существующих огра-
ничений на силу тока.
Цифровой потенциометр, работающий по про-
токолу Up/Down, может управляться напрямую
парой кнопок, одна из которых будет увели-
чивать сопротивление, а вторая — уменьшать.
Однако эти кнопки должны быть избавлены от
дребезга контактов. Альтернативой кнопкам
может стать поворотный энкодер, форми-
рующий последовательность импульсов при
повороте его оси. Но в этом случае в схеме необ-
ходим некий промежуточный компонент (воз-
можно, микроконтроллер), интерпретирующий
импульсную последовательность и преобразу-
ющий ее в формат, распознаваемый цифровым
потенциометром.
Если цифровой потенциометр используется
в аудиотехнике, то нужно обязательно преду-
смотреть, чтобы движок в нем перемещался
от одного отвода к другому, когда аудиосигнал
переходит через нулевое значение (т. е. в тот
момент, когда входной сигнал переменного
тока проходит через О В из отрицательной
области в положительную или наоборот), — это
позволяет избавиться от щелчка, слышимого
при переключении. В спецификациях потен-
циометров с подобной функцией могут содер-
жаться слова типа «безщелчковый» (glitch free).
Цифровые потенциометры, предназначенные
для использования в аудиосистемах, как пра-
вило, содержат 32 отвода, разделенных интер-
валами в 2 дБ, — этого достаточно для большин-
ства слушателей.
Достижение
более высокой точности
При конструировании высокочувствительных
систем, требующих наличия более 1024 шагов
переключения, возможно совместное включение
нескольких цифровых потенциометров с раз-
личными параметрами шага. Один из способов
достичь этого изображен на рис. 8.11: здесь
Рис. 8.11. Если каждый из трех потенциометров этой схемы
имеет по 100 отводов, а движки потенциометров Р2 и РЗ
перемещаются синхронно, то напряжение, измеряемое в точ-
ке А, можно регулировать с точностью, равной 10 000 шагов
движки потенциометров Р2 и РЗ следует пере-
мещать на одинаковые шаги, чтобы общее со-
противление между положительным полюсом
источником тока и отрицательным заземлением
оставалось постоянным. Эти два потенциометра
могут входить в сдвоенную микросхему и по-
лучать одинаковые команды перемещения
движка вверх или вниз. Потенциометр Р1 на-
ходится в средней точке делителя напряжения,
образуемого потенциометрами Р2 и РЗ. Сопро-
тивление потенциометра Р1 регулируется от-
дельно для обеспечения более точной подстрой-
ки напряжения выходного сигнала, снимаемого
в точке «А».
Если каждый из трех потенциометров этой схе-
мы имеет 100 отводов, то их объединение делает
возможным подстройку сопротивления с числом
шагов, равным 10 000.
Что может пойти не так?
Помехи и искаженный
входной сигнал
Так как частота управляющих сигналов цифро-
вого потенциометра может достигать 1 МГц,
он чувствителен к коротким флуктуациям
входного сигнала или источника питания и
может воспринять эти флуктуации как команды
78
Статья 8


интегральные микросхемы > аналоговые > цифровой потенциометр
Что может пойти не так?
по перемещению движка, а потенциометры, ра-
ботающие по протоколам SPI и 12С, — ошибочно
интерпретировать их как командные коды.
Для минимизации помех от источника питания
некоторые производители рекомендуют уста-
новить конденсатор емкостью ОД мкФ как
можно ближе к выводу подачи питания на
цифровой потенциометр. Кроме того, очевидна
необходимость подачи неискаженного входного
сигнала, что достигается тщательным устране-
нием дребезга контактов любых электромеха-
нических переключателей или кнопок.
Неправильный тип микросхемы
Большое разнообразие протоколов и конфигу-
раций выводов микросхем создает условия для
возникновения ошибок при монтаже.
Для протоколов Up/Down, SPI и PC требуются
абсолютно разные последовательности импуль-
сов. Многие производители предлагают микро-
схемы, различающиеся лишь одной-двумя циф-
рами номера, однако функциональность этих
моделей может оказаться существенно разной.
Если во время разработки какого-либо устрой-
ства предполагается возможность использова-
ния потенциометров нескольких типов, их необ-
ходимо хранить отдельно во избежание пута-
ницы. Применение неправильной микросхемы
может привести к сбивающим с толку резуль-
татам - ведь входной протокол, как бы там
ни было, вызовет срабатывание компонента,
однако результаты его работы будут отличаться
от ожидаемых.
Несинхронная работа
микросхемы и контроллера
Как уже отмечалось при рассмотрении протоко-
лов передачи данных, большинство цифровых
потенциометров не могут обеспечить обратную
связь для подтверждения положения движ-
ка. Поэтому разработчик схемы, при желании,
может добавить процедуру начальной инициа-
лизации, устанавливающую состояние цифро-
вого потенциометра перемещением движка в
заранее известную позицию у одного из концов
цепочки резисторов.
Нелинейные эффекты
Величина общего сопротивления резистивной
цепочки внутри цифрового потенциометра вряд
ли будет значительно изменяться при измене-
нии температуры, однако сопротивление цепи
движка к этому весьма чувствительно.
В микросхеме, работающей по протоколу Up/
Down, из-за различия параметров могут возни-
кать ошибки в режимах инкремента и декремен-
та. Иными словами, если какой-либо отвод был
достигнут при пошаговом повышении положе-
ния движка, то сопротивление между выводом
W и выводами Н или L может отличаться от ве-
личины сопротивления при достижении этого
же отвода при пошаговом понижении положения
движка. Различие может быть незначительным,
но оно способно привести в недоумение тех, кто
не знаком с этим эффектом.
Параметры резисторов в цепочке также могут
отличаться. Даже в предположительно линейном
цифровом потенциометре величина сопротив-
ления каждого резистора может незначительно
отличаться от сопротивления последующего.
Слишком высокая скорость
передачи данных
Цифровому потенциометру, когда он управля-
ется сигналами от микроконтроллера, как пра-
вило, требуется небольшая пауза между импуль-
сами, зависящая от частоты тактового сигнала
самого микроконтроллера. В таком случае мо-
жет оказаться необходимо, чтобы длительность
управляющего импульса составляла не менее
500 не. Для получения более подробной инфор-
мации внимательно сверяйтесь с техническими
спецификациями на компоненты.
Цифровой потенциометр
79


интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
ТАЙМЕР
9
Устройство, вырабатывающее тактовый импульс или серию тактовых
импульсов, разделенных интервалами, называется мультивибрато-
ром. Однако более общий термин таймер (по англ. timer) распростра-
нен гораздо шире, и потому здесь будет употребляться именно он.
Существуют три типа мультивибраторов: нестабильный (автоколе-
бательный или несинхронизированный), моностабильный (ждущий)
и бистабильный. В этой статье приводится детальное описание по-
ведения нестабильных и моностабильных мультивибраторов.
Работа микросхемы таймера в качестве бистабильного мультивибра-
тора здесь также вкратце описана, однако таймер не предназначен
для использования подобным образом, поэтому подробное рассмо-
трение бистабильных мультивибраторов приводится в статье этой
энциклопедии, посвященной триггерам.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• триггер (см. статью 11)
Описание
Моностабильный таймер (или одновибратор)
генерирует единственный тактовый импульс
фиксированной длительности в ответ на вход-
ной пусковой сигнал, длительность которого,
как правило, меньше. Многие моностабильные
таймеры могут также работать в автоколеба-
тельном режиме, при котором таймер генериру-
ет последовательность импульсов, разделенных
паузами. Двухрежимный таймер может рабо-
тать в любом из этих режимов, что определяется
либо внешними компонентами, подключенны-
ми к нему (что встречается реже), либо измене-
нием состояния контакта выбора режима.
Моностабильный режим
В моностабильном (ждущем) режиме таймер ге-
нерирует импульс в ответ на изменение уровня
напряжения на выводе запуска с высокого на
низкий или (что встречается реже) — с низкого
на высокий. Большинство таймеров реагирует
на уровень напряжения, подаваемого на вывод
запуска, однако некоторые модели невосприим-
чивы к любому стабильному состоянию и от-
кликаются только на изменение напряжения —
это принято называть запуском по перепаду.
Импульс, генерируемый таймером, может состо-
ять из перехода сигнала на выходе от высокого
уровня к низкому или (что встречается реже) от
низкого к высокому. Длительность импульса опре-
деляется внешними компонентами и не зависит от
продолжительности запускающего события, хотя
в некоторых случаях выходной импульс может
быть продлен путем повторного перезапуска тай-
мера, — эта ситуация рассмотрена далее.
Таймер
81


Устройство
интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
По окончании выходного импульса таймер воз-
вращается в исходное состояние и остается не-
активным до повторного запуска.
Моностабильный таймер способен управлять
длительностью события, например, продол-
жительностью интервала времени, когда свет
остается включенным после срабатывания дат-
чика движения. Кроме того, таймер может соз-
давать задержку, например, задавая промежуток
времени, на протяжении которого раздаточное
устройство отказывается выдавать новое поло-
тенце после выдачи предыдущего. Таймер также
можно использовать для генерации неискажен-
ного импульса в ответ на нестабильный или за-
шумленный входной сигнал, например, от кноп-
ки ручного управления.
Автоколебательный режим
В автоколебательном режиме таймер, как прави-
ло, запускается сразу при подаче питания — при
этом нет необходимости в каком-либо внешнем
стимуляторе. Однако выходной сигнал таймера
может быть прерван при подаче соответствую-
щего напряжения на вывод сброса.
Длительность каждого импульса, а также ин-
тервал между импульсами определяют внешние
компоненты схемы. Поток выдаваемых импуль-
сов может быть достаточно медленным — для
управления миганием сигнала поворота авто-
мобиля 1980-х годов выпуска, или достаточно
быстрым — для контроля битовой скорости пе-
редачи данных от компьютера. Впрочем, совре-
менные схемы с таймерами зачастую являются
частью микросхем, предназначенных для иных
целей. Так, мигание сигнала поворота совре-
менного автомобиля, скорее всего, управляется
микроконтроллером, выполняющим множество
других функций.
Тем не менее, микросхемы, созданные исключи-
тельно для работы в качестве таймера, в боль-
шом количестве широко используются до сих
пор и доступны на рынке в различных вариантах
изготовления как для поверхностного монтажа,
так и для установки в монтажные отверстия.
Устройство
Длительность одиночного импульса в моноста-
бильном режиме или частота импульсов в ав-
токолебательном режиме чаще всего задаются
внешней резистивно-емкостной цепью, состоя-
щей из резисторов, последовательно подклю-
ченных к конденсатору. Продолжительность
заряда конденсатора определяется его ем-
костью, а также номиналом резистора, да и вре-
мя разряда определяется теми же параметрами,
Зачастую установленный в микросхеме таймера
компаратор определяет, когда потенциал на
конденсаторе достигает уровня эталонного на-
пряжения, задаваемого делителем напряжения
внутри микросхемы.
Варианты
Таймер 555
Восьмивыводная интегральная схема марки
555 (рис. 9.1), представленная в 1972 году ком-
панией Signetics, стала первой в мире полно-
функциональной микросхемой таймера. Она
объединила два компаратора и триггер (см,
статью И этой энциклопедии), что позволило
расширить сферу применения микросхемы,
сохранив ее превосходную стабильность для
широкого диапазона напряжений питания
Рис. 9.1. Типичная микросхема таймера 555: функционально
идентичные ее варианты, в названиях которых присутствует
идентификатор 555, сопровождаемый различными комбина-
циями букв, доступны у многих производителей
82
Статья9


интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Варианты
и рабочих температур. Эта модель оказала очень
большое влияние на конструкцию более поздних
микросхем.
Микросхема таймера 555 была сконструирована
одним человеком — Гансом Камензиндом
(Hans Camenzind), работавшим независимым
консультантом в компании Signetics. Согласно
тексту интервью с ним, опубликованному на
сайте Музея Транзисторов (Transistor Museum),
«в то время ничего подобного не существовало.
Потребовалось довольно много дискретных
компонентов для компаратора и один или даже
два стабилитрона. Схема была непростой».
Таймер 555 очень быстро стал самой попу-
лярной микросхемой в мире, и даже через
три десятилетия после ее появления, годовые
объемы продаж этой модели оценивались в
1 миллиард экземпляров. Она использовалась
в космических кораблях, переключателях пре-
рывистого режима очистителей лобовых стекол,
первых компьютерах Apple II (для обеспечения
мигания курсора) и в детских игрушках. Подоб-
но многим микросхемам той эпохи, конструк-
ция модели 555 не была защищена патентами,
что сделало возможным ее копирование мно-
жеством производителей.
Исходный вариант микросхемы был основан
на биполярных транзисторах и впоследст-
вии стал называться биполярной версией или,
чаще, ТТЛ-версией (аббревиатура ТТЛ расшиф-
ровывается как транзисторно-транзисторная
логика). Спустя несколько лет появились
КМОП-версии, основанные на МОП-тран-
зисторах. Они уменьшили нагрузочную спо-
собность микросхемы, однако значительно
сниженное энергопотребление сделало ее более
подходящей для работы в устройствах с пита-
нием от автономных источников. По располо-
жению выводов КМОП-модели по-прежнему
совместимы с исходной биполярной версией,
как в версиях для поверхностного монтажа,
так и для установки в монтажные отверстия.
Параметры тактирования у этих микросхем, как
правило, те же.
Работа таймера 555
в ждущем режиме
Внутренняя структура таймера 555, настроен-
ного для работы в ждущем режиме, показана на
рис. 9.2 (вид микросхемы сверху). Его выводы
обозначены здесь так, как они обычно приво-
дятся в спецификациях1. Для облегчения зри-
тельного восприятия поведения микросхемы
кнутренний триггер представлен здесь в виде
переключателя, приводимого в действие од-
ни^ из двух внутренних компараторов или
с помощью входного сигнала на выводе RESET
(Сброс).
Внутри микросхемы между V+ (источником
положительного напряжения) и отрицательным
1 Здесь необходимо заметить, что в спецификациях
обычно приводят сокращенные названия, набранные
прописными буквами. Поэтому вместо вывода, который
в оригинале книги обозначен как Input, в переводе
используется более распространенное обозначение
TRIG (Запуск), функция вывода при этом остается
прежней. — Примеч. перев.
Рис. 9.2. Внутренняя структура микросхемы таймера 555:
триггер представлен в виде переключателя, приводимого
в действие одним из двух компараторов или путем подачи
низкого напряжения на вывод RESET (Сброс). Внешний
резистор и конденсатор (обозначены R1 и С1) заставляют
таймер работать в ждущем (моностабильном) режиме, т. е.
генерировать единичный высокий импульс при переходе
вывода TRIG (Запуск) из высокого состояния в низкое
Таймер
83


Варианты
интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
заземлением подключены три резистора по
5 кОм каждый. Высказывались предположения,
что микросхема 555 названа по этим трем
резисторам с номиналами по 5 кОм, однако Ганс
Камензинд отметил, что компания Signetics уже
применяла трехзначные номера для обозначения
моделей устройств, при этом первой цифрой
в них шла пятерка, а номер модели 555 был,
возможно, выбран вследствие того, что отдел
продаж возлагал большие надежды на эту
микросхему и хотел, чтобы ее номер был легко
запоминающимся (подобная логика объясняет
также маркировку транзистора 2N2222).
Резисторы внутри таймера функционируют
как делитель напряжения, обеспечивая эталон-
ное напряжение величиной в 1/3 от V+ на
неинвертирующем входе компаратора А и 2/3
от величины V+ — на инвертирующем входе
компаратора В (см. статью 6 для уяснения
принципа работы компаратора).
Если при начальной подаче питания на таймер
вывод TRIG (Запуск) находится в высоком
состоянии, то компаратор А выдает низкий
выходной сигнал, а триггер остается в «верхнем»
положении, что обеспечивает низкий уровень на
выводе OUT (Выход). Триггер также заземляет
нижний конец резистора R1, что предотвращает
накопление заряда на конденсаторе С1.
Если состояние вывода TRIG (Запуск) сни-
жается до напряжения, меньшего 1/3 от V+,
компаратор А генерирует высокий выходной
сигнал, переводя триггер в «нижнее» положение,
и на выводе OUT (Выход) устанавливается
высокий уровень. В то же время конденсатор С1
начинает заряжаться со скоростью, определяе-
мой его емкостью и номиналом резистора R1.
Когда заряд конденсатора С1 превышает 2/3
от V+, он активирует компаратор В, который,
опять-таки, вынуждает триггер перейти в «верх-
нее» положение. Вывод OUT (Выход) переходит
в низкое состояние, конденсатор С1 разряжается
через вывод DIS (Разряд) и очередной цикл
работы таймера завершается.
Подачу низкого напряжения на вывод TRIG
(Запуск) таймера следует прекратить до
окончания выходного импульса. Если напря-
жение на этом выводе останется низким, про-
изойдет повторный запуск таймера, что при-
ведет к продлению выходного импульса. Во
избежание ложного срабатывания к выводу
TRIG (Запуск) можно подключить нагрузочный
резистор, особенно если запуск осуществляется
электромеханическим переключателем или
кнопкой.
На выводе RESET (Сброс) обычно следует
поддерживать высокий уровень либо путем
подключения напрямую к положительному по-
люсу источника питания (если использование
функции сброса не планируется), либо с по-
мощью нагрузочного резистора. Если вывод
RESET (Сброс) оказывается в низком состоя-
нии, это всегда приводит к прерыванию выход-
ного импульса вне зависимости от текущего
состояния таймера.
Если на вывод CTRL (Управление) подается на-
пряжение выше или ниже 2/3 от V+, это при-
водит к изменению эталонного напряжения
на компараторе В, который, в свою очередь,
определяет окончание цикла подзарядки кон-
денсатора С1 и начало цикла его разрядки. Бо-
лее низкое эталонное напряжение сокращает
длительность каждого выходного импульса,
уменьшая допустимый предел заряда конден-
сатора С1. Если управляющее напряжение
падает до значения 1/3 от V+ (или ниже), то
конденсатор не станет заряжаться вовсе, а дли-
тельность импульса уменьшится до нуля. Если
управляющее напряжение повышается и ста-
новится равным напряжению V+, то конденса-
тор никогда не сможет достичь нужного уровня
заряда, что сделает длительность импульса бес-
конечной. Таким образом, рабочий диапазон
управляющего напряжения заключен в пределах
от 40 до 90% величины напряжения V+.
Поскольку вывод CTRL (Управление) является
для микросхемы входным, то в случае, когда этот
вывод не задействован, его следует заземлить
84
Статья 9


интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Варианты
через керамический конденсатор емкостью
0,01 мкФ, — это особенно важно для КМОП-
версий таймера.
Недостатком биполярного таймера 555 явля-
ется возникновение выброса напряжения при
смене состояния вывода OUT (Выход). Если
такая микросхема работает в устройстве с чув-
ствительными компонентами, следует под-
ключить развязывающий конденсатор емкостью
0,01 мкФ как можно ближе между выводом V+
и заземлением. Проблема выброса напряжения
была устранена в КМОП-модификациях тай-
мера 555.
Работа таймера 555
в автоколебательном режиме
На рис. 9.3 представлен таймер 555 с подклю-
ченными к нему внешними компонентами,
запускающими его в автоколебательном ре-
жиме. Названия выводов остаются прежними
(см. рис. 9.2), но на этой схеме они опущены
из-за нехватки свободного места. Обозначения
внешних резисторов и конденсатора (Rl, R2
и С1) являются общепринятыми в специфика-
циях и документации производителей.
Рис. 9.3. Внутреннее устройство микросхемы таймера 555,
для которой два внешних резистора и конденсатор подключе-
ны таким образом, чтобы таймер работал в автоколебатель-
ном режиме
При первом включении таймера конденсатор
С1 еще не успел накопить заряд. Вследствие
этого вывод THR (Порог) находится в низком
состоянии. Однако для того, чтобы таймер ра-
ботал в автоколебательном режиме, вывод THR
(Порог) соединяется внешней перемычкой
с выводом TRIG (Запуск). В результате вывод
TRIG (Запуск) оказывается в низком состоянии,
что переводит триггер в «нижнее» положение
и формирует высокий выходной сигнал, — все
это происходит практически моментально.
До тех пор, пока триггер находится в «нижнем»
положении, вывод DIS (Разряд) не заземлен,
и ток, протекающий через резисторы R1 и R2,
начинает заряжать конденсатор. Когда уровень
заряда конденсатора превышает 2/3 напряже-
ния положительного источника питания, ком-
паратор В переводит триггер в «верхнее» поло-
жение. В результате на выводе OUT (Выход)
устанавливается низкий уровень и начинается
процесс разряда конденсатора через резистор R2
на вывод DIS (Разряд). Однако напряжение на
конденсаторе по-прежнему подается и на вывод
TRIG (Запуск), и при снижении напряжения до
уровня 1/3 от V+ вывод TRIG (Запуск) повторно
активирует компаратор А и цикл начинается
вновь.
Функции выводов CTRL (Управление) и RESET
(Сброс) точно такие же, как и в моностабильном
режиме. Поскольку напряжение, подаваемое на
вывод CTRL (Управление), изменяет длитель-
ность каждого импульса и интервала между
ними, то появляется возможность регулировки
частоты выходного сигнала в автоколебатель-
ном режиме работы.
При первичном подключении питания к таймеру
конденсатор С1 должен сначала зарядиться
с изначального состояния с предполагаемым
нулевым потенциалом до величины 2/3 от на-
пряжения V+. А так как следующие циклы будут
начинаться, когда уровень заряда конденсатора
будет составлять уже 1/3 от V+, первый импульс
на выходе таймера окажется немного длиннее,
чем последующие. В большинстве случаев это
Тоймер
85


Варианты
интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
неважно, во многом из-за того, что скорость,
с которой конденсатор накапливает заряд, вы-
ше, если процесс зарядки начинается с нуля,
чем при достижении заряда 1/3 ot'V+. Впрочем,
если рабочая частота устройства низкая, увели-
чение длительности первого импульса можно
заметить.
Поскольку конденсатор заряжается через по-
следовательно включенные резисторы R1 и R2,
а разряжается только через резистор R2, дли-
тельность каждого положительного выходного
импульса в автоколебательном режиме всегда
больше интервала между импульсами. Для пре-
одоления этого ограничения применяют два
способа, подробно рассмотренные в разд. «Раз-
дельное управление длительностью импульса и
паузы на выходе» этой статьи.
Рис. 9.4. Микросхема таймера 556
CtlDOC Л —
«ход .
Разряд В
f-
эрог 8
упрявпениб
^——- СЬрос 8
ф~~* 8ь:ход В
Запуск 8
Рис. 9.5. Таймер 556 содержит два отдельных таймера 555,
подключенных к общему источнику питания и к общему
заземлению: здесь буквами А и В размечены функции выводов
обоих таймеров
Рис. 9.6. Микросхема NTE926 — это таймер 558
Таймер 556
Таймер 556 состоит из двух таймеров 555 би-
полярного типа, заключенных в единый корпус
(внешний вид такой микросхемы показан
на рис. 9.4, а расположение ее выводов - на
рис. 9.5). Входные и выходные выводы каждого
таймера разделены, а выводы питания V+ и за-
земления — общие.
Несмотря на то, что таймеры 556 встречаются
сейчас значительно реже по сравнению с тайме-
ром 555, они до сих пор производятся в испол-
нении для поверхностного монтажа и для уста-
новки в монтажные отверстия.
В число производителей этих микросхем входят
компании Texas Instruments и STMicroelectronics,
выпускающие компоненты NA556, NE556,
SA556 и SE556 (с разными буквами или парами
букв в маркировке изделия).
Таймер 558
Таймер 558 — модель микросхемы с 16-ю вы-
водами сейчас встречается достаточно редко,
а многие ее модификации устарели. Этот ком-
понент можно иногда распознать по номеру,
например, NE558, хотя сочетание символов мо-
жет быть и другим. Так, микросхема NTE926,
изображенная на рис. 9.6, на самом деле является
таймером 558.
Эта микросхема содержит четыре таймера 555.
Выводы питания, заземления и управления у них
общие. Для каждого внутреннего таймера выводы
86
Статья 9


интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Варианты
Порог и Разряд также соединены внутри, чтобы
эти таймеры можно было задействовать только
в ждущем режиме. Однако в конце цикла один
таймер может запустить второй, а этот второй
таймер — перезапустить первый, что создает
эффект работы в автоколебательном режиме.
Каждый из таймеров запускается по фронту при
перепаде напряжения от высокого к низкому и,
в отличие от таймера 555, они нечувствительны
к статическому уровню напряжения. Таким об-
разом, таймеры в микросхеме 558 не реагируют
на постоянное напряжение.
Выход каждого из таймеров выполнен по схеме
с открытым коллектором и, следовательно,
требует подключения внешнего нагрузочного
резистора, при этом максимальный выходной
ток достигает 100 мА.
КМОП-таймер 555
Несмотря на то, что номера микросхем многих
биполярных и КМОП-версий сильно различа-
ются, в некоторых случаях номер КМОП-мо-
дели отличается от биполярной лишь парой
букв префикса. Так, например, в микросхемах
серии TS555 фирмы STMicroelectronics и в
микросхемах серии TLC555 компании Texas
Instruments используются МОП-транзисторы,
а в микросхемах серии SE555 фирмы STMicro-
electronics и в микросхемах серии SA555 ком-
пании Texas Instruments — биполярные тран-
зисторы.
Одним из способов подбора микросхем этих
двух видов на сайте поставщика является поиск
сначала по общему запросу таймер 555 (или
555 timer), а затем фильтрация полученных
результатов по минимальному напряжению
питания: 3 В характерно для КМОП-версий,
4,5 В — для биполярных модификаций.
КМОП-версий таймера 555 не создают выброса
напряжения, характерного для моделей на
биполярных транзисторах, а также могут по-
лучать питание от источника с более низким
напряжением (3 В, в некоторых случаях даже
2 В). Кроме того, такие микросхемы потребляют
меньший ток в состоянии покоя и им требуется
также меньший ток для функций порога, запуска
и сброса.
Подключение внешних резисторов и конден-
саторов к КМОП-версий микросхемы, а также
уровни внутреннего напряжения, устанав-
ливаемые как доли от V+, идентичны харак-
теристикам оригинального таймера 555. На-
значение выводов также совпадает. Недостат-
ками КМОП-микросхем являются, во-первых,
большая их уязвимость к электростатическим
разрядам и, во-вторых, меньший ток на выходе.
Так, например, микросхема TLC555 может
обеспечить на выходе ток лишь 15 мА (хотя
потребляемый ток может быть в десять раз
больше). Характеристики микросхем других
производителей могут отличаться, и поэтому
следует внимательно изучать спецификации.
Таймер 5555
Таймер 5555 содержит цифровой счетчик, по-
зволяющий отмерять очень большие периоды
времени. Полностью маркировка такого таймера
выглядит так: 74НС5555 или так: 74НСТ5555,
впрочем, к этим цифрам могут быть добавлены
в начале или в конце комбинации букв, иденти-
фицирующие производителя.
И нужно сразу отметить, что этот таймер не
совместим с таймером 555 по расположению
выводов.
Таймер 5555 имеет два входа, один из которых
запускает таймер по фронту входного сигнала,
а второй — по спаду. Оба входа запускаются по
принципу триггера Шмитта.
Диапазон рабочих частот таймера лежит в
пределах от 1 Гц до 1 МГц (при подключении
внешнего резистора и внешнего конденсатора).
Счетчик может разделить частоту импульса на
значения от 2 до 256. Для отсчета более дли-
тельных промежутков времени можно при по-
мощи настройки выводов цифрового управ-
ления разделить частоту на значения, нахо-
Таймер
87


Варианты
интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
дящиеся в диапазоне от 217 до 224 (от 131 072
до 16 777 216). Теоретически это позволяет
добиться длительности импульса таймера более
190 дней. Таймер способен также принимать
тактовый входной сигнал от внешнего генера-
тора, что позволяет достичь большей точности
по сравнению с резистивно-емкостной времяза-
дающей цепочкой.
Таймер 7555
Восьмивыводная микросхема таймера 7555
является КМОП-версией таймера 555 и вы-
пускается такими компаниями, как Maxim
Integrated Products и Advanced Linear Devices.
Характеристики этой микросхемы совпадают
с характеристиками КМОП-таймеров 555, цоко-
левка также идентична.
Таймер 7556
Микросхема таймера 7556 с 14-ю выводами
содержит два таймера 7555, подключенных
к общему источнику питания и заземлению.
Цоколевка выводов совпадает с оригинальной
моделью 556, приведенной на рис. 9.5.
Таймер 4047В
КМОП-микросхема таймера 4047В с 14-ю выво-
дами была разработана для решения некоторых
проблем, связанных с особенностями таймера
555, а также для реализации новых функций.
Микросхема работает как в моностабильном,
так и в автоколебательном режимах (режим
задается переводом одного входа в высокое со-
стояние или переводом другого — в низкое).
В автоколебательном режиме скважность фик-
сирована и составляет около 50%. Для заряда и
разряда времязадающего конденсатора исполь-
зуется единственный резистор. Добавлен вспо-
могательный «генератор» с удвоенной частотой
по сравнению с обычным выходным сигналом.
В моностабильном режиме таймер 4047В мо-
жет быть запущен переходом напряжения в
положительный или в отрицательный диапа-
зон (в зависимости от того, который из двух
входов задействован). Микросхема игнорирует
стабильные входные состояния, а также до-
полнительные запускающие импульсы, генери-
руемые во время подачи выходного импульса.
Однако если необходимо продлить выходной
импульс, в микросхеме предусмотрен вывод
для повторного запуска. Есть также два допол-
нительных вывода, один из которых управляется
высоким уровнем сигнала, а другой — низким.
Для отсчета продолжительных периодов време-
ни в микросхеме 4047В предусмотрено подклю-
чение к внешнему счетчику.
Напряжение питания микросхемы 4047В может
быть очень низким (около 3 В). Максимальный
выходной ток составляет лишь 1 мА при питании
от 5 В, но это значение увеличивается до 6,8 мА
при питании от источника 15 В.
Эта модель все еще выпускается такими произ-
водителями, как, например, Texas Instruments
(с маркировкой CD4047B), в корпусах для
установки в монтажные отверстия и для поверх-
ностного монтажа. Однако, несмотря на свою
гибкость, она значительно уступает в популяр-
ности сдвоенным моностабильным таймерам,
речь о которых пойдет в следующем разделе.
Сдвоенные
моностабильные таймеры
На рынке доступны различные таймеры, рабо-
тающие только в моностабильном режиме и
скомпонованные в сдвоенном формате (т. е.
когда два таймера составляют единую микро-
схему). Такой формат стал популярным от-
части из-за того, что два моностабильных
таймера могут запускать друг друга для гене-
рации периодического выходного сигнала, дли-
тельность импульса которого, а также проме-
жуток между импульсами могут быть заданы
при помощи отдельных пар «резистор-конден-
сатор», подключенных к каждому из таймеров.
Такой подход означает большую гибкость по
сравнению с таймером 555.
88
Статья 9


интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Варианты
Большинство сдвоенных таймеров представляет
собой микросхемы, запускаемые по фронту
сигнала при изменении входного напряжения
и игнорирующие постоянный входной сигнал.
Следовательно, выход одного таймера может
быть напрямую подключен к входу другого, и
при этом нет необходимости в разделительном
конденсаторе.
Как и в случае с микросхемой марки 4047В,
пользователю предоставляется выбор одного
из двух входов для каждого таймера. При
этом один обеспечивает запуск при переходе
напряжения от низкого к высокому, а второй —
от высокого к низкому. Подобным же образом
каждый таймер снабжен двумя выходами, один
из которых в начале выходного цикла вывода
переключается из низкого состояния в высокое,
а второй - из высокого состояния в низкое.
Длительность импульса каждого таймера опре-
деляется параметрами подключенной к нему
RC-цепочки.
Как правило, маркировка сдвоенных моноста-
бильных таймеров содержит последовательнос-
ти цифр 4528 или 4538. В качестве примеров
можно привести микросхемы HEF4528B
компании NXP, M74HC4538 компании
STMicroelectronics, а также и МС14538В про-
изводства On Semiconductor. Последова-
тельность цифр 74123 указывает на микросхему
с очень похожими характеристиками, при
этом в такую последовательность может быть
вставлен буквенный идентификатор семей-
ства — например, НС или LS, как в случае с
микросхемами 74НС123 и 74LS123. Перед но-
мером и после него могут быть добавлены бук-
вы. Расположение выводов почти у всех этих
микросхем идентичное (рис. 9.7). Однако фирма
Texas Instruments использует собственную
систему нумерации выводов, поэтому перед
монтажом схемы всегда следует изучать доку-
ментацию.
Многие из микросхем сдвоенных таймеров опи-
сываются как «перезапускаемые» — это озна-
чает, что если перед окончанием выходного
импульса на вход был подан очередной запус-
кающий импульс, длительность выходного им-
пульса будет увеличена. Внимательно изучайте
спецификации для определения того, являет-
ся ли микросхема «перезапускаемой», или же
она будет игнорировать последующие допол-
нительные запускающие импульсы, подаваемые
во время формирования выходного сигнала.
Функции сдвоенного одновибратора 74НС221
(рис. 9.8) очень похожи на функции описанных
ранее компонентов, однако расположение его
выводов немного отличается.
Рис. 9.7. Функции выводов большинства микросхем сдвоен-
ных моностабильных таймеров семейств 4528, 4538 и 74123
(показана подключенная к каждому таймеру резистивно-
емкостная цепь). Обратите внимание, что расположение вы-
водов в микросхемах компании Texas Instruments отличается
от приведенного здесь
Рис. 9.8. Микросхема сдвоенного таймера, содержащая
два одновибратора, способных работать в ждущем режиме
при условии, что они внешне подключены друг к другу для
обеспечения взаимного запуска
Таймер
89


Параметры
интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Параметры
Таймер 555
Оригинальная версия таймера 555 на бипо-
лярных транзисторах была предназначена для
работы с широким диапазоном источников по-
ложительного напряжения от 4,5 до 16 В. Ре-
комендуемая величина напряжения V+ для
КМОП-моделей различна и указывается в спе-
цификациях.
Выходной ток биполярного таймера 555 может
достигать 200 мА. На практике максимальная
сила тока будет ниже, если таймер получает
питание от напряжения, близкому к минимально
допустимому, т. е. около 5 В. Попытка добиться
тока на выходе силой более 50 мА приведет к
снижению напряжения внутри микросхемы, что
отразится на работе таймера.
Все КМОП-модели накладывают ограничения
на силу выходного тока. Причем потребляемый
по выходу ток больше, чем поставляемый. Сле-
дует, опять же, обращаться к спецификациям,
так как эти параметры для разных компонентов
могут значительно различаться.
Когда таймер используется в качестве источника
s тока, напряжение, измеряемое на выходе, всегда
будет ниже напряжения источника питания. Для
биполярных версий, как правило, указывается
падение напряжения, равное 1,7 В. На практике
это падение напряжения может быть меньше и
будет изменяться в зависимости от нагрузки на
выходе.
Увеличение напряжения питания не приводит к
существенному возрастанию падения напряже-
ния, а поскольку его значение является практи-
чески неизменным, оно становится менее зна-
чимым при подаче более высокого напряжения
питания V+.
Для КМОП-моделей удалось добиться того, что
номинальное напряжение выходного сигнала
лишь на 0,2 В меньше напряжения источника
питания.
При выборе резисторов R1 и R2 следует учи-
тывать, что минимальный номинал каждо-
го должен составлять 5 кОм, хотя предпочти-
тельнее будет значение 10 кОм. Более низкие
значения увеличат потребление тока, а также
могут привести к перегрузке внутренних эле-
ментов, когда микросхема потребляет ток от
конденсатора С1. Максимально допустимый
номинал каждого резистора обычно составляет
ЮМОм.
Конденсатор с большой емкостью может при-
вести к менее точной и стабильной работе тай-
мера, т. к. такие конденсаторы обладают по-
вышенным током утечки. Это означает, что
конденсатор будет продолжать разряжаться во
время заряда через резисторы R1 и R2. Если эти
резисторы имеют высокие номиналы, а емкость
конденсатора 100 мкФ и более, то скорость
его заряда может стать настолько низкой, что
она будет сопоставима со скоростью разряда
из-за утечки. По этой причине таймер 555
не подходит для отсчета интервалов времени
продолжительностью больше одной минуты.
Если планируется применение конденсатора
большой емкости, то лучше выбрать танталовый,
а не обычный электролитический конденсатор.
Минимальная практическая емкость конденса-
тора, служащего для синхронизации, составляет
100 пФ. При меньшей емкости конденсатора
функционирование цепи может стать менее на-
дежным.
Несмотря на то, что некоторые КМОП-модели
обеспечивают быстрое переключение, мини-
мальная длительность выходного импульса тай-
мера 555 на практике составляет около 10 мкс.
Длительность запускающего импульса, подавае-
мого на вход, должна быть не менее 1 мкс.
Измерение времени
в ждущем режиме
Если номинал резистора R1 выражен в килоомах,
а емкость конденсатора С1 — в микрофарадах,
то длительность импульса (Т) в секундах для
90
Статья 9


интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Параметры
таймера 555, работающего в ждущем режиме,
может быть вычислена с помощью следующей
простой формулы, верной для всех версий
таймера 555:
R1
С1
Т = 0,0011
На рис. 9.9 предложен быстрый и удобный
способ определения длительности импульса
ря некоторых наиболее часто встречающихся
номиналов R1 и С1. Точность указанных номи-
налов для резисторов, как правило, находит-
ся в диапазоне ±1%, тогда как точность номи-
налов конденсаторов гораздо хуже и емкость
может отличаться на 20% в любую сторону. Эти
особенности ограничивают точность определе-
ния параметров импульса с помощью графиков.
Измерение времени
в автоколебательном режиме
Если номиналы резисторов R1 и R2 измеряются
в килоомах, а емкость конденсатора С1 — в мик-
рофарадах, то частоту импульсов F (в герцах)
можно вычислить по следующей простой фор-
муле, верной для всех версий таймера 555:
F = 1440 / (( R1 + (2 * R2))
С1)
На рис. 9.10 показаны частоты для наиболее
часто встречающихся номиналов R2 и С1, при
этом предполагается, что номинал резистора
R1 составляет 10 кОм. Графики на рис. 9.11
составлены из расчета, что номинал резистора
R1 равен 100 кОм.
/ /
3TQf
5а ,/
/
/
/ f
/
У
/
/
/
1"
/
/ /
w / / / / /
/ nV. / / / /
A /
Рис. 9.9. Чтобы определить длительность импульса таймера
555, работающего в ждущем режиме, найдите на горизон-
тальной шкале номинал резистора R1, проследуйте вверх
по соответствующей этому значению вертикальной линии
до пересечения с наклонной линией, которая соответствует
емкости конденсатора С1. Мысленно проведите от этой точки
горизонтальную линию до пересечения с вертикальной осью,
показывающей длительность импульса в секундах. Обе оси
логарифмические
Сдвоенные
моностабильные таймеры
Требования к источнику питания для сдвоенных
таймеров разных производителей, таких как
HEF4542B компании NXP, M74HC4538 ком-
пании STMicroelectronics, MC1453B компании
On Semiconductor и 74НС123 компании Texas
Instruments, значительно различаются. Неко-
торые из них допускают только очень ограни-
ченный диапазон напряжений (от 3 до 6 В),
тогда как другие работают при питающем
напряжении от 3 до 20 В. Если эти микросхемы
получают питание от источника с напряжением
5 В, то уровни входа и выхода совместимы
с требованиями для логических микросхем ТТЛ
на 5 В.
Выходной ток микросхем составляет не более
25 мА (в некоторых случаях значительно мень-
ше). Поскольку модификаций очень много,
нет возможности привести здесь их все, и для
уточнения информации следует обращаться
к спецификациям.
Так как все упомянутые таймеры моностабиль-
ные, и в каждом таймере только один резистор
и один конденсатор времязадающей цепи, то
длительность формируемого импульса является
Таймер
91


Параметры
интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
функцией двух переменных. Пусть R — номинал
резистора в омах, F — емкость конденсатора
в фарадах, а К — константа, значение которой
указывается производителем. Тогда длитель-
ность импульса Т в секундах вычисляется по
следующей формуле:
К
Константа К может принимать значения в диа-
пазоне от 0,3 до 0,7 и зависит от производителя
и напряжения источника питания. Ее значение
должно указываться в спецификации. Если
номинал R измеряется в мегаомах, а емкость
F в микрофарадах, приведенная формула все
равно остается применимой, так как десятичные
множители (мега- и микро-) компенсируют друг
друга.
\ ВсЦинап рез
\
\ \
\ \ \ \Ч. %,
"х
ч
X, \
\
;V
X \ \ \ V?
\
\
ч
\ \ \ \ .'-ч.
ч \ \
\
\
\
X
\ ч^
\
\ \
Номинал еремязадаюидета резистора R2= kuw
Рис. 9.10. Для определения частоты таймера 555, работаю-
щего в автоколебательном режиме, при условии, что но-
минал резистора R1 составляет 10 кОм, отыщите на горизон-
тальной шкале номинал резистора R2, проследуйте вверх по
соответствующей вертикальной линии до пересечения с кри-
вой, показывающей емкость конденсатора С1, и проведите
мысленно от этой точки прямую линию до пересечения
с вертикальной шкалой, показывающей частоту импульсов
в герцах. Обе оси логарифмические
300
эавен
\
сч кг
О <Ч Ъ~
Номинал йре^йзадзющего резистора Н2. кОм
Рис. 9.11. Для определения частоты таймера 555, ра-
ботающего в автоколебательном режиме, при условии, что
номинал резистора R1 составляет 100 кОм, отыщите на го-
ризонтальной шкале номинал резистора R2, проследуйте
вверх по соответствующей вертикальной линии до пересе-
чения с кривой, показывающей емкость конденсатора С1,
и проведите мысленно от этой точки прямую линию до
пересечения с вертикальной шкалой, показывающей частоту
импульсов в герцах. Обе оси логарифмические
92
Статья 9


интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Использование
Вообще говоря, сдвоенные моностабильные тай-
меры CMOS не рассчитаны на длительность им-
пульса, превышающую одну минуту.
Времязадающий конденсатор должен иметь
емкость не более 10 мкФ, т. к. он разряжается
быстро и напрямую через микросхему.
Использование
Если к таймеру необходимо непосредственно
подключить нагрузку, например, обмотку реле
или небольшой электродвигатель, то подойдет
только ТТЛ-версия таймера 555. Однако даже
в этом случае требуется подключение к индук-
тивному устройству защитного диода.
Для маломощных нагрузок и в цепях типа
«микросхема-микросхема» больше подходят
КМОП-версии таймера 555 (в том числе модель
7555), потребляющие меньшую мощность и
вызывающие меньше электрических помех.
К тому же, они совместимы по цоколевке вы-
водов, а для расчета частоты импульсов в авто-
колебательном режиме или для вычисления
длительности импульса в ждущем режиме по-
дойдут приведенные ранее формулы. Конечно
же, КМОП-версии более уязвимы к статическому
разряду, и поэтому следует обращать внимание
на то, чтобы каждый их вывод был к чему-ли-
бо подключен, — так, конденсатор, заземляю-
щий вывод CTRL (Управление), является обяза-
тельным, если этот вывод не задействован.
В сдвоенных моностабильных таймерах не-
используемые входы, запускающие таймер по
фронту сигнала, должны быть подключены
к V+, тогда как входы, запускающие таймер
по спаду, — заземлены. Вывод RESET (Сброс),
если он не будет использован, необходимо
подключить к V+. Если же весь таймер в составе
микросхемы не задействован, то этот вывод
следует заземлить.
Для отсчета периодов времени, превышающих
несколько минут, рациональным решением будет
таймер с программируемым счетчиком, умень-
шающим тактовую частоту (см. описание тайме-
ра 5555, приведенное в этой статье ранее).
Изначальная биполярная версия таймера 555
и до сего дня остается проверенным решением
для любительского конструирования, напри-
мер, для робототехники, т. к. на основе этой
микросхемы можно создавать несколько уни-
версальных вариантов, которые подойдут для
реализации логических схем (далее рассмотрен
ряд возможных примеров).
Ждущий режим таймера 555
На рис. 9.12 представлена принципиальная схема
с таймером 555, работающим в ждущем режиме
(к выходу таймера в демонстрационных целях
подключен светодиод). В данном конкретном
случае кнопка, недостатком которой является
дребезг контактов, подключается напрямую
к запускающему выводу таймера, реагирующему
только на самое первое замыкание цепи, про-
изводимое кнопкой, и игнорирующему по-
следующий дребезг, генерируя тем самым не-
^4^-4
1™.
V
_,ft
™
ф—1
А А А А
у у V V
II
Рис. 9.12. Базовая конфигурация таймера 555, работающего
в ждущем режиме: эта схема устраняет дребезг кнопочного
переключателя и преобразует входной сигнал в неискажен-
ный импульс фиксированной длительности, который в де-
монстрационных целях подается на светодиод
Таймер
93


Использование
интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Рис. 9.13. Схема из рис. 9.12 с таймером 555 в ждущем режи-
ме, смонтированная на макетной плате
искаженный выходной сигнал. Во избежание
повторного запуска, результатом которого будет
удлиненный выходной импульс, длительность
выходного импульса должна быть больше, чем
ожидаемый интервал времени нажатия кнопки.
Длительность импульса на выходе также должна
превышать длительность любого возможного
дребезга, т. к. в противном случае может быть
сгенерировано сразу несколько выходных им-
пульсов.
Эта схема, собранная на макетной плате, изоб-
ражена на рис. 9.13: провода в верхней части
платы подают питающее напряжение 9 В, но-
минал резистора R1 равен 1 МОм, а емкость кон-
денсатора С1 равна 1 мкФ. Таким образом, дли-
тельность импульса едва превышает 1 секунду.
Кнопка, расположенная чуть выше таймера, обе-
спечивает подачу входного сигнала запуска.
Автоколебательный режим
таймера 555
На рис. 9.14 приведена принципиальная схема
с таймером 555, работающим в автоколебатель-
ном режиме. Опять-таки, к выходу микросхемы
в демонстрационных целях подключен светодиод.
Если частота пульсаций превышает возможности
человеческого восприятия, то светодиод можно
заменить небольшим динамиком, подключен-
ным последовательно с резистором 47 Ом и кон-
денсатором емкостью 100 мкФ.
Рис. 9.14. Таймер 555 с внешними компонентами, заставляю-
щими его работать в автоколебательном режиме
Рис. 9.15. В этой схеме диод позволяет обойти резистор R2,
чтобы длительность каждого из интервалов «ВКЛ» и «ВЫКЛ»
таймера 555 можно было установить независимо при помощи
резисторов R1 и R2 соответственно
94
Статья 9


интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Использование
Раздельное управление
длительностью импульса и паузы
на выходе
В схеме, показанной на рис. 9.15, добавлен
диод, позволяющий обойти резистор R2. Теперь
конденсатор заряжается, в основном, через
резистор R1, т. к. эффективное сопротивление
диода гораздо ниже, чем у резистора R2. Разряд
же конденсатора происходит только через
резистор R2, т. к. диод препятствует прохожде-
нию тока в этом направлении. Следовательно,
длительность выходного импульса (высокий
уровень) может быть настроена только за счет
изменения сопротивления R1, а длительность
паузы (низкий уровень) — только за счет
сопротивления R2. Длительность импульса
на выходе может быть меньше или равна
длительности паузы, чего невозможно добиться
в базовой схеме, приведенной на рис. 9.14.
Таймер 555. Автогенератор
со скважностью 50%: часть 1
Схема, приведенная на рис. 9.16, позволяет
фиксировать длительность периодического вы-
ходного сигнала так, чтобы он приблизительно
50% времени был высоким и 50% времени —
низким (в этой демонстрационной схеме вы-
ходной сигнал поступает на светодиод).
В исходном состоянии конденсатор С1 разряжен,
на входе таймера присутствует низкий уровень.
На выходе таймера, на выводе OUT (Выход)
как обычно к началу цикла высокий выходной
уровень. В то же время к выходу подключен
резистор R1, заряжающий конденсатор С1.
Когда напряжение на конденсаторе С1 достигает
уровня 2/3 от V+, это сообщается запускающему
выводу таймера, который переводит выход в
низкое состояние. Таким образом, конденсатор
С1 начинает разряжаться через резистор R1
и микросхему. Когда напряжение падает до
уровня 1/3 от V+, начинается новый цикл. Так
как конденсатор заряжается и разряжается
через один и тот же резистор, мы можем
предположить, что время заряда и разряда
должно быть одинаковым, однако высокая
нагрузка на выходе может до некоторой
степени уменьшить выходное напряжение
и, следовательно, увеличить время заряда.
И наоборот, если подключенная к выходу
нагрузка обладает сравнительно небольшим
Л' ^ Э Б пост tof-s
-VvW
Рис. 9.16. Эта схема обеспечивает скважность выходных Рис. 9.17. Альтернативная схема, позволяющая обеспечить
импульсов приблизительно равную 50%, однако точность 50%-ную скважность выходного сигнала таймера 555
длительности зависит от нагрузки
Тпймер
95


Использование
интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
сопротивлением, то это приведет к расходу части
заряда конденсатора и к сокращению интервала
его разряда.
Таймер 555. Автогенератор
со скважностью 50%: часть 2
На рис. 9.17 представлена небольшая моди-
фикация приведенной на рис. 9.14 базовой
схемы для автоколебательного режима работы.
Это еще один способ создания импульсной
последовательности с 50%-ной скважностью.
Сравнив схемы, вы увидите, что различие
между ними заключается лишь в том, что заряд
конденсатора С1 осуществляется только через
резистор R1, а его разряд — через резистор R2.
Однако в такой схеме конденсатор разряжается
через делитель напряжения, образуемый двумя
резисторами, и поэтому может потребоваться
эмпирический подбор номиналов резисторов
для точной установки 50%-ной скважности
выходного сигнала.
Использование управляющего
вывода таймера 555
В схеме, приведенной на рис. 9.18, два после-
довательно соединенных резистора обеспечива-
ют подачу меняющегося напряжения на вывод
CTRL (Управление). Такой подход позволяет
как увеличить, так и сократить время заряда и
разряда времязадающего конденсатора. Если
параметры конденсатора и связанных с ним
резисторов подобраны так, чтобы частота сиг-
нала составляла около 700 Гц, то благодаря
потенциометру на 10 кОм динамик будет
выдавать звуки в диапазоне больше октавы.
Потенциометр можно заменить другими эле-
ментами, что позволит создать широтно-им-
пульсную модуляцию. Кроме того, если между
управляющим выводом и заземлением под-
ключить конденсатор большой емкости, в то
время как второй таймер 555, работающий как
низкочастотный автогенератор, будет подавать
сигнал на управляющий вывод, то заряд и разряд
этого конденсатора вызовет повторяющееся
постепенное увеличение и уменьшение ампли-
туды выходного напряжения. Если первый тай-
мер 555 генерирует сигнал звуковой частоты, то
У Ь ПОСТ ТСЖ8
L4
Х^, АЛ Л А—ЛАДА
1 V f V ? У W V V
Рис. 9.18. Схема, позволяющая менять частоту импульсов
таймера 555, работающего в автоколебательном режиме, за
счет уменьшения или увеличения напряжения, подаваемого
на управляющий вывод
Рис. 9.19. Здесь представлены компоненты схемы рис. 9.18,
перенесенные на макетную плату: это устройство будет
создавать выходной аудиосигнал с частотой в диапазоне от 425
до 1075 Гц. Меньшая емкость времязадающего конденсатора
сдвинет этот диапазон к более высоким частотам
96
Статья 9


интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Использование
выходной сигнал устройства будет имитировать
эффект сирены.
На рис. 9.19 изображена схема рис. 9.18, собран-
ная на макетной плате.
Имитация триггера
с помощью таймера 555
Триггер, входящий в состав в микросхемы тай-
мера 555, можно задействовать для управления
выходным сигналом.
В схеме на рис. 9.20 кнопочный переключатель
S1 подает на запускающий вывод отрица-
тельный импульс, что формирует высокий
выходной сигнал таймера и включает светодиод
D1. Обычно длительность такого импульса
ограничена временем заряда конденсатора,
подключенного к выводу THR (Порог), но в
этой схеме конденсатора нет, и вывод соединен
проводом с шиной заземления, поэтому уровень
напряжения на нем никогда не поднимается до
2/3 от величины положительного напряжения
питания, а выходной сигнал таймера остается
высоким неопределенно долго.
Однако при нажатии на кнопку S2 вывод RESET
(Сброс) заземляется, что переводит вывод OUT
(Выход) в низкое состояние. Светодиод D1
гаснет, но загорается светодиод D2, поскольку
теперь ток течет через него. Когда кнопку S2
отпускают, выходной сигнал таймера остается
низким, а светодиод D2 — включенным,
поскольку запускающий вывод удерживается
нагрузочным резистором в высоком состоянии.
Таким образом, теперь таймер работает в биста-
бильном режиме (как триггер). Несмотря на то,
что подобное использование микросхемы может
показаться неправильным, поскольку при этом
не реализуются все ее функции, возможность
таймера обеспечивать достаточно большие токи
и выдерживать широкий диапазон напряжений
питания может сделать его более удобным, чем
цифровой триггер (более подробную инфор-
мацию о триггерах вы найдете в статье 11 этой
энциклопедии).
Перенесенная на макетную плату схема (см.
рис. 9.20), в которой таймер 555 работает в ка-
честве триггера, показана на рис. 9.21.
Рис. 9.20. Функцию отсчета времени в таймере 555 можно
отключить, чтобы он работал как триггер
Рис. 9.21. Схема рис. 9.20, в которой таймер 555 работает в
качестве триггера, собранная на макетной плате
Таймер
97


Использование
интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Гистерезис таймера 555
Компараторы, находящиеся внутри таймера 555,
обеспечивают возможность создавать гисте-
резис. В схеме на рис. 9.22 входной и порого-
вый выводы соединены друг с другом, а вре-
мязадающий конденсатор С1 опущен. Потен-
циометр на 10 кОм, подключенный в качестве
делителя напряжения, подает на вход напря-
жение, плавно изменяющееся от уровня V+ до
нуля. Когда входное напряжение опускается
ниже уровня 1/3 от V+, вывод OUT (Выход)
переходит в высокое состояние, что приводит
к включению светодиода D1. Теперь, при усло-
вии постепенного повышения входного напря-
жения, выходной сигнал остается высоким, даже
когда напряжение на входе превышает уровень
1/3 от V+. Состояние выхода «залипает», потому
что таймер не сбрасывает выходной импульс до
тех пор, пока такая команда не поступит с вывода
THR (Порог), когда напряжение на нем достигнет
уровня 2/3 от V+. Когда это, наконец, произойдет,
выход переключится в низкое состояние,
светодиод D1 погаснет, и загорится светодиод
D2, получая ток от вывода OUT (Выход).
Предположим теперь, что входное напряжение
опять начинает уменьшаться. Состояние выхода
в этом случае также «залипает», поскольку вы-
Рис. 9.22. Таймер 555, подключенный таким образом, создает
гистерезис при подаче изменяющегося входного напря-
жения
ходной сигнал остается низким до тех пор, пока
напряжение на входе не упадет ниже уровня 1/3
от V+. Когда это произойдет, выход возвратится
в высокое состояние, светодиод D2 погаснет,
а светодиод D1 загорится.
В «мертвой зоне» между уровнями 1/3 и 2/3 от
напряжения питания таймер остается в своем
текущем состоянии, ожидая, пока напряжение
входного сигнала не выйдет за пределы этих
границ. Такое поведение называется гистерези-
сом, и оно очень важно при обработке меняю-
щегося сигнала, — например, напряжения, выда-
ваемого температурным датчиком, включающим
или выключающим устройство управления -
тот же термостат.
Вместо потенциометра на 10 кОм из приве-
денного здесь примера мог бы быть термистор
или фототранзистор, подключенный последо-
вательно к резистору для создания делителя
напряжения так, чтобы диапазон его выходного
напряжения был бы совместим с таймером
555. Гистерезис можно отрегулировать и путем
изменения напряжения, питающего таймер, т. к.
это изменит значения переменных 1/3 от V+
и 2/3 от V+. Кроме того, изменение напряжения,
подаваемого на управляющий вывод, также по-
влияет на гистерезис.
Намного более удобный способ управления
гистерезисом с помощью положительной об-
ратной связи может обеспечить компаратор
(более подробную информацию о компараторах
вы найдете в статье 6 этой энциклопедии).
Однако таймер 555 является быстрой и простой
заменой компаратору, к тому же таймер способен
выдать больший выходной ток, что позволяет
подключать к нему более широкий набор других
компонентов.
Таймер 555 и разделительные
конденсаторы
Как уже отмечалось ранее, если базовый бипо-
лярный вариант таймера 555 (и некоторые его
разновидности) подключен для работы в мо-
ностабильном режиме, то он будет повторно
98
Статья 9


интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Использование
запускать сам себя бесконечное число раз, при
условии что входной сигнал остается низким.
Один из способов избежать этого заключается
в использовании разделительного конденса-
тора. Конденсатор будет пропускать сигнал,
который меняется от высокого состояния
к низкому, но отсечет постоянную составляю-
щую напряжения.
В схеме, показанной на рис. 9.23, фототранзис-
тор, последовательно подключенный к резис-
тору, подает изменяющееся напряжение на не-
инвертирующий вход компаратора. Эталонное
напряжение компаратора регулируется с по-
мощью потенциометра, а резистор R3 обеспе-
чивает положительную обратную связь, гаран-
тируя, что выходной сигнал компаратора будет
неискаженным. Выходной сигнал таймера 555
подается на транзистор, соединенный с реле,
изображенным в нижней части схемы.
Очень важно понять назначение разделитель-
ного конденсатора СЗ и нагрузочного резисто-
ра R2, которые в статичном состоянии поддер-
живают на входе таймера 555 высокий уровень.
Когда выходной сигнал компаратора меняется
с высокого на низкий, конденсатор СЗ пропус-
кает импульс на вход таймера, моментально
преодолевая его положительный потенциал и
запуская таймер. Однако после срабатывания
таймера конденсатор СЗ препятствует подаче
постоянного низкого напряжения от компа-
ратора, а резистор R2 поддерживает входной
сигнал высоким, предотвращая тем самым по-
вторный запуск таймера.
Таймер 555:
подключение динамика
Миниатюрный динамик с импедансом 8 Ом
может работать от выхода биполярного тайме-
ра 555, запущенного в автоколебательном режи-
ме (рис. 9.24). Однако между таким динамиком
и таймером необходимо включить конденсатор
емкостью от 10 до 100 мкФ последовательно
с резистором номиналом не менее 47 Ом.
Рис. 9.23. В этой схеме разделительный конденсатор СЗ
препятствует проникновению на вход таймера 555 постоян-
ного низкого входного сигнала, приходящего от компаратора:
конденсатор пропускает только меняющийся сигнал при пе-
реходе напряжения от высокого уровня к низкому, а в осталь-
ной период времени нагрузочный резистор R3 поддерживает
входной сигнал высоким
г*
Рис. 9.24. Миниатюрный динамик с импедансом 8 Ом
можно подключить через конденсатор и резистор к выходу
биполярного таймера 555
Таймер
99


Использование
интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Однократный режим
Иногда требуется в ответ на нажатие кнопки
сгенерировать короткий звуковой сигнал фик-
сированной длительности, причем этот сигнал
должен прекратиться, даже если кнопка не от-
пущена. Такой «однократный» режим работы
способна обеспечить схема, изображенная на
рис. 9.25. Кнопка подключает питание к бипо-
лярному таймеру 555, работающему в автоко-
лебательном режиме, а резистивно-емкостная
цепь подает уменьшающийся с течением вре-
мени потенциал на конденсатор емкостью
47 мкФ, подключенный к выводу RESET (Сброс)
таймера. Резистор, последовательно подклю-
ченный к конденсатору, будет изменять дли-
тельность звукового сигнала. Когда напряжение,
подаваемое на этот вывод, падает ниже уровня
0,3 В, выходной сигнал таймера прекращается
и не может быть возобновлен до тех пор, пока
кнопка не будет отпущена.
Резистор с сопротивлением более 1,5 кОм не
позволяет напряжению, подаваемому на вывод
RESET, упасть ниже уровня, требуемого для
сброса. Если напряжение источника питания
меньше 9 В, то номинал резистора должен быть
выше, например, при напряжении питания 5 В
подойдет резистор с номиналом от 1,5 до 2 кОм,
Собранная на макетной плате схема (см.
рис. 9.25) изображена на рис. 9.26.
Генератор звука «Вы проиграли»
Таймер — это простое и доступное средство ге-
нерации целого набора несложных игровых
звуков. Схема, изображенная на рис. 9.27, гене-
рирует «жалобный» звук по мере постепен-
ного заряда конденсатора емкостью 100 мкФ,
подключенного к управляющему выводу би-
полярного таймера 555 через резистор с номи-
налом 1 кОм. Обратите внимание, что при
подключении к конденсатору меньшей емкости
резистора большего номинала генерируемый
звук окажется другим. Резистор с номиналом
150 кОм добавлен в схему для сокращения
времени разряда конденсатора и его подготовки
к новому циклу.
Рис. 9.25. Резистивно-емкостная цепь подает уменьшающее-
ся с течением времени напряжения на вывод RESET (Сброс)
биполярного таймера 555 и отключает таймер почти сразу
после его срабатывания: такая схема может быть использова-
на для генерации звука фиксированной продолжительности
в ответ на нажатие кнопки любой длительности
Рис. 9.26. Схема «однократного режима» с миниатюрным
динамиком (см. рис. 9.25), перенесенная на макетную плату
100
Статья 9


интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Что может пойти не так?
Что может пойти не так?
Неисправный таймер
Как и любая другая микросхема, таймер 555
может быть поврежден подачей слишком высо-
кого напряжения, слишком большим выходным
током, статическим электричеством, неверной
полярностью источника питания и другими
вариантами неправильного применения. ТТЛ-
версия таймера — более стойкая, а КМОП-
версия - более уязвимая.
Проверьте схему на очевидные ошибки: недо-
статочное напряжение источника питания, не-
правильное или перепутанное входное напря-
жение, а также необычный уровень потребления
тока на выводе V+ (слишком высокий или отсут-
ствующий). На случай, если произошел обрыв
проводов, делайте замеры на самих выводах
микросхемы. А так как микросхемы таймера
очень дешевы, всегда имейте несколько штук
про запас.
Замена биполярного варианта на
КМОП-микросхему
Номера моделей некоторых биполярных ми-
кросхем очень похожи на номера их КМОП-
аналогов, кроме того, микросхемы обоих типов
внешне ничем не отличаются. Однако КМОП-
микросхемы очень легко подвергнуть пере-
грузке, поскольку сила выходного тока у таких
микросхем может составлять от 10 до 20 мА,
в то время как у ТТЛ-версий это значение может
достигать 200 мА. Обязательно четко подписы-
вайте микросхемы при хранении.
Рис. 9.27. Резистивно-емкостная цепь, подающая увеличи-
вающееся с течением времени положительное напряжение
на управляющий вывод биполярного таймера, работаю-
щего в автоколебательном режиме, уменьшает при этом
частоту выходного сигнала, генерируя звук, который может
использоваться в простых игровых устройствах
Бесконечный импульс
Если таймер 555 правильно реагирует на из-
менение входного напряжения с высокого на
низкое, но импульс на выходе не прекращается,
проверьте напряжение на выводе 6, чтобы убе-
диться в том, что времязадающий конденсатор
действительно заряжается выше уровня 2/3
от величины V+. Несмотря на то, что таймер
555 может работать при напряжении питания
5 В, устройство, подключенное к выводу OUT
(Выход) и потребляющее большой ток, может
снизить напряжение внутри микросхемы до та-
кого уровня, которого будет уже недостаточно
для заряда конденсатора и завершения цикла.
Кроме того, убедитесь, что переход входно-
го напряжения с высокого на низкий уровень
длится меньше, чем сам выходной импульс.
Продолжительный низкий уровень сигнала на
входе может привести к повторному запуску
таймера.
Таймер
101


Что может пойти не так?
интегральные микросхемы > аналоговые > таймер
Возможные причины неправиль-
ной работы микросхемы
• Не все выводы подключены — в частности,
вход всегда должен быть подключен к на-
пряжению заранее известного уровня (при
необходимости, через нагрузочный резис-
тор с номиналом 10 кОм). Нельзя допускать
наличия неопределенного потенциала на
этом выводе.
• Выбросы напряжения — таймер может быть
запущен импульсными помехами от других
компонентов, особенно от индуктивных
нагрузок. Если напряжение входного сиг-
нала, подаваемого на моностабильный тай-
мер, снизится хотя бы на долю секунды,
таймер перезапустится. При подключении
индуктивной нагрузки следует использовать
защитный диод.
Скачки напряжения могут также привести к
изменениям в последовательности выходных
импульсов автоколебательного таймера.
• ТТЛ-модификации таймера 555 могут
функционировать в широком диапазоне на-
пряжения питания, однако если отсутствует
стабилизатор напряжения, то колебания
питающего напряжения могут привести
к непредсказуемым последствиям.
Влияние на работу
других компонентов
Поскольку биполярные версии таймера 555
создают выброс напряжения при смене состоя-
ния выхода, это может помешать нормальной
работе других компонентов схемы, особенно
КМОП-микросхем. Для устранения этого эф-
фекта между выводом V+ таймера и заземлени-
ем рекомендуется подключить развязывающий
конденсатор емкостью 0,1 мкФ.
Неправильная работа
выходных устройств
Если к таймеру 555 подключено такое устрой-
ство, как реле, а его размыкание и замыкание
происходит ненадежно, то в первую очередь
следует удостовериться, что напряжение на реле
достаточно для его четкого срабатывания. Если
таймер 555 подключен к источнику питания 5 В,
то выходное напряжение будет составлять толь-
ко около 4 В.
Эту проблему можно решить, подключив к вы-
ходу таймера базу биполярного транзистора,
соединенного через обмотку реле с отдельным
источником питания.
Неисправимое повреждение,
вызванное индуктивной
нагрузкой
Несмотря на то, что подключение индуктивной
нагрузки, например, небольшого электродви-
гателя или реле, напрямую к ТТЛ-таймеру 555
допустимо, следует соблюсти две меры предо-
сторожности. Во-первых, к электродвигателю
или к реле следует подключить демпфирующий
диод — это стандартная практика. Во-вторых,
поскольку выход таймера может как потреблять
ток, так и быть его источником, его нужно защи-
тить от противоЭДС, соединив последовательно
с обмоткой еще один диод (рис. 9.28).
Рис. 9.28. Помимо стандартной защиты таймера демпфи-
рующим диодом, подключенным параллельно индуктивной
нагрузке (например, обмотке реле), дополнительную защиту
таймера 555 от противоЭДС может также обеспечить и после-
довательно включенный диод. Конечно же, этот диод должен
быть рассчитан на ток, достаточный для обмотки. При выборе
реле следует принять во внимание падение напряжения на
этом диоде
102
Статья 9


интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ
10
В этой статье речь пойдет только о простейших логических элемен-
тах (по англ. logic gate) — иными словами, о компонентах, которые
выполняют логическую (булеву) операцию над сигналами, поступа-
ющими на два или несколько входов (или на один вход — в случае
с инвертором) для выдачи выходного сигнала с высоким или с низ-
ким уровнем.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• триггер (см. статью 11)
Описание
Базовый логический элемент — это схема, вы-
дающая высокий или низкий выходной сигнал
в зависимости от состояния своих входов, ко-
торые могут быть (только один или все, вместе
или порознь) как в высоком, так и в низком со-
стоянии.
Некоторые разновидности логических элемен-
тов могут иметь до восьми входов, тогда как
у инвертора имеется лишь один вход, однако
большинство элементов соответствуют базо-
вой схеме с двумя входами и одним выходом.
Компоненты, формирующие логический эле-
мент, почти всегда представляют собой области
кристаллической структуры кремниевой микро-
схемы.
В цифровых компьютерах высокое логическое
состояние традиционно обеспечивается напря-
жением, близким к 5 В, и представляет в двоич-
ной арифметике значение «1» (единица), тогда
как низкое логическое состояние традиционно
близко к О В и представляет значение двоичного
«О» (нуля). В современных устройствах уровень
единицы может соответствовать и более низко-
му напряжению, однако сам принцип остается
неизменным.
Небольшая схема из логических элементов мо-
жет выполнять двоичное сложение — на этом
основании построены и все остальные арифме-
тические операции цифрового компьютера.
Историческая справка
Понятие цифровой логики появилось в 1894 го-
ду, когда английский математик Джордж Буль
предложил вариант алгебры (которую теперь
принято называть булевой алгеброй), удобной
для анализа комбинаций двух логических со-
стояний, интерпретируемых как «Истина»
и «Ложь». Однако до 30-х годов прошлого века
эта концепция практически не находила при-
менения, пока Клод Шеннон (Claud Shannon)
не осознал, что раз элементарный переключа-
тель имеет два состояния, можно использовать
булеву алгебру для анализа сложных схем ком-
мутаторов в телефонных системах.
Логический элемент
103


Устройство
интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Поскольку состояние переключателя может
быть также интерпретировано как значение О
или 1 в двоичной арифметике, а также благодаря
тому, что транзистор может функционировать в
качестве переключателя, булева алгебра нашла
себе применение и в цифровых компьютерных
системах.
Устройство
В отличие от традиционной арифметики, где
для выполнения определенных действий над
числами, например, сложения или умножения
производятся арифметические операции, в бу-
левой алгебре используются булевы операции, из
которых для цифровой электроники особый ин-
терес представляют следующие: И, И-НЕ, ИЛИ,
ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ и Исключающее
ИЛИ-НЕ.
Несмотря на то, что каждый логический эле-
мент в действительности состоит из нескольких
транзисторов, на схемах логические элементы
принято изображать в виде логического сим-
вола (рис. 10.1), при этом названия логических
Y
1
I:/),'V/. ,,Г г
Y
Рис. 10.1. Шесть типов логических элементов с двумя входа-
ми, используемых в цифровой электронике (впрочем, эле-
мент Исключающее ИЛИ-НЕ встречается крайне редко из-за
малого числа вариантов применения). Названия их обычно
пишут на элементах заглавными буквами
операций обычно пишут на них заглавными бук-
вами. Логическому элементу, разумеется, требу-
ются подключения к источнику питания и к за-
землению, которые отделены от входов, но эти
цепи на схемах, как правило, не изображаются,
поскольку их наличие считается очевидным.
В табл. 10.1 в левом столбце приведены все че-
тыре варианта сочетаний состояний входов,
а соответствующий каждому элементу выходной
сигнал показан в столбце с названием элемента
(символом «плюс» обозначено высокое состоя-
ние, а «минус» — низкое). Подобные таблицы
принято называть таблицами истинности, по-
скольку они заимствованы из булевой алгебры,
оперирующей понятиями «Истина» и «Ложь».
Таблица 10.1. Четыре возможные комбинации состояний
двух входов логического элемента и соответствующий
каждому элементу выходной сигнал
(«плюс» — высокое состояние, «минус» — низкое)
Состояния
входов
элемента
с двумя
входами
- +
+ -
+ +
Состояние выхода у элемента:
И
-
-
-
+
И-НЕ
+
+
+
-
ИЛИ
-
+
+
+
ИЛИ-НЕ
+
-
-
-
Искл. ИЛИ
-
+
+
-
Искл.
ИЛИ-НЕ
+
-
-
+
Приведенная таблица истинности иллюстрирует
так называемую положительную логику. Отри-
цательная логика встречается крайне редко, но
в этом случае «плюсы» в таблице соответство-
вали бы низким состояниям входов и выходов,
а «минусы» — высоким.
Инверсия
Небольшие кружочки (иногда называемые пу-
зырьками), добавленные к обозначениям выхо-
дов у элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ и Искл. ИЛИ-
НЕ (см. рис. 10.1), означают, что выход каждого
из этих элементов инвертирован по сравнению
с элементами И, ИЛИ и Искл. ИЛИ, — в этом
104
Статья 10


интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Устройство
Рис. 10.2. Кружок в символе логического элемента обознача-
ет инверсию помеченного им сигнала: в реальной схеме для
достижения такого эффекта, скорее всего, потребуется доба-
вить отдельный инвертор
можно убедиться, изучив состояния выходов
в табл. 10.1.
Иногда логические символы изображаются
с кружком, добавленным к одному из входов
(рис. 10.2), — это означает, что помеченный так
вход должен быть инвертирован. В реальной
схеме для выполнения этой логической функ-
ции могут потребоваться дополнительные ком-
поненты. Такой стиль обозначения удобен для
демонстрации внутренней функциональности
интегральной схемы и минимизации количества
логических символов.
Элементы с одним входом
Обозначение элемента буфер (рис. 10.3, слева) —
одного из двух элементов, имеющих по одному
входу и одному выходу, не следует путать с гра-
фическим обозначением операционного уси-
лителя или компаратора (у этих компонентов
всегда два входа). Состояние выхода буфера со-
впадает с состоянием входа, однако этот компо-
нент может оказаться полезен для обеспечения
большего тока или для развязки цепей.
Когда же к значку буфера добавляется кружок
(рис. 10.3, справа), он становится символом эле-
мента НЕ, чаще называемого инвертором, — его
функция заключается в выдаче выходного сиг-
нала, противоположного входному.
Элементы с более чем
двумя входами
Как следует из данных табл. 10.2, элементы И,
И-НЕ, ИЛИ и ИЛИ-НЕ могут иметь любое чис-
ло входов, хотя в реальности — из соображений
практичности — как правило, ограничиваются
восемью (как и в табл. 10.1, «плюсами» здесь
обозначено высокое состояние, а «минусами» —
низкое).
Элементы Искл. ИЛИ и Искл. ИЛИ-НЕ
в табл. 10.2 не включены, поскольку строгая
интерпретация их логической функции пред-
полагает существование определенного состоя-
ния выхода, если один из их входов находится
в высоком состоянии при том, что второй —
в низком.
Таблица 10.2. Предыдущая таблица (см. табл. 10.1)
была изменена, чтобы показать состояние выходов
логических элементов с более чем двумя входами
Состояния входов
элемента с более чем
двумя входами
Низкое у всех
Высокое у всех
Хотя бы один в высоком
и хотя бы один в низком
Состояние выхода у элемента:
И
-
+
-
И-НЕ
+
-
+
ИЛИ
-
+
+
ИЛИ-НЕ
+
-
-
Рис. 10.3. Два логических элемента, имеющих по одному вхо-
ду и одному выходу: учтите, что на некоторых схемах, пока-
зывающих внутреннюю логику интегральной схемы, кружок
на значке инвертора может располагаться на входе, а не на
выходе
Можно резюмировать все предыдущие рассуж-
дения в виде следующих правил:
• выход элемента И — низкий, если хотя бы
один вход низкий, и высокий, если все входы
высокие;
Логический элемент
105


Устройство
интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
• выход элемента И-НЕ — высокий, если хотя
бы один вход низкий, и низкий, если все
входы высокие;
• выход элемента ИЛИ — высокий, если хотя
бы один вход высокий, и низкий, если все
входы низкие;
• выход элемента ИЛИ-НЕ — низкий, если
хотя бы один вход высокий, и высокий, если
все входы низкие.
У элементов Искл. ИЛИ и Искл. ИЛИ-НЕ ло-
гика их функционирования предполагает уни-
кальное состояние выхода, если один из входов
находится в высоком состоянии при том, что
второй — в низком.
В действительности можно встретить так назы-
ваемые элементы Искл. ИЛИ с тремя входами —
например, микросхему 74LVC1G386, выход
которой переходит в высокое состояние, если
все три входа высокие или если хотя бы один из
. Р И Q
Р A Q
P&Q
F Ш-ПШ Q
Р У Q
Р ! Q
•Искл. ИЛИО
Р ф Q
Р ф: Q
Рис. 10.4. Логические операции, записанные с помощью но-
тации булевой алгебры: отсутствие стандартизации привело
к тому, что несколько символов могут означать одно и то же
входов в высоком состоянии, но не в том случае,
когда только два входа находятся в высоком
состоянии или все три входа — в низком,
Подробное рассмотрение элементов Искл. ИЛИ
с более чем двумя входами находится вне поля
зрения этой энциклопедии.
Булева нотация
На рис. 10.4 представлена классическая нотация
операций булевой алгебры. К сожалению, эта
нотация так и не была должным образом стан-
дартизирована, и во многих случаях несколько
символов могут иметь одинаковое значение,
поэтому она приводится здесь исключительно
для справки. Тем не менее, весьма часто (но не
всегда) для демонстрации двух состояний входа:
«Истина» или «Ложь» — используются буквы
PhQ.
Примечание
Горизонтальная линия (черта) над символом гово-
рит о том, что его состояние инвертировано. Это
правило перешло также и в спецификации компо-
нентов для обозначения того, что состояние вы-
хода цифровой микросхемы инвертировано.
Арифметические операции
Предположим, нам необходимо сложить два
двоичных числа, каждое из которых состоит
из двух цифр. Поскольку цифр всего четыре, то
в зависимости от их значений существуют 16 ва-
риантов итоговых сумм (рис. 10.5).
Если обозначить через АО и ВО самые правые
цифры обоих слагаемых, а через SO — сумму
этих двух цифр, то внимательное рассмотрение
рис. ЦВ-10.5 позволит прийти к выводу, что
сумму можно определить, используя всего три
правила:
1. Если АО = 0 и ВО = 0, то SO = 0.
2. Если АО и ВО имеют противоположные зна-
чения, то SO = 1.
3. Если АО = 1 и ВО = 1, то SO = 0, а в располо-
женный слева разряд переносится 1.
106
Статья 10


интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Устройство
Таким образом, если переменные АО и ВО пред-
ставляют два входа логического элемента Искл.
ИЛИ, то выход этого элемента соответствует
всем трем правилам, за исключением того, что
необходимо переносить единицу в соседний сле-
ва разряд. Эта последняя функция может быть
реализована с помощью элемента И. Такая пара
элементов (Искл. ИЛИ и И) функционирует как
полусумматор (рис. 10.6, вверху).
Если теперь рассмотреть следующую слева пару
двоичных цифр, то ситуация с ними окажется
несколько более сложной, т. к. нам, возможно,
потребуется к сумме цифр этого разряда доба-
вить единицу, полученную на предыдущем шаге.
Кроме того, у нас должна также оставаться воз-
можность переноса единицы в соседний слева
разряд (если это потребуется) на следующем
шаге. С этой задачей может справиться схема из
пяти элементов, называемая полным суммато-
/ш(рис. 10.6, внизу).
Сочетание элементов Искл. ИЛИ и И, изо-
браженное на рис. 10.6, — не единственное
о га
iiB
т
ш ш
ш ш ш
т т
II
ш
'€$•
Ш
•тшт
ш
Рис. 10.6. С помощью логических элементов можно склады-
вать двоичные числа, при этом высокое или низкое состоя-
ние входа или выхода представляет двоичные числа 1 и 0 со-
ответственно: здесь приведен один из возможных вариантов
схемы для сложения двух двузначных двоичных чисел
существующее решение для сложения двоичных
чисел. Однако, возможно, это наиболее очевид-
ный подход.
8! С?
Si
Прочие операции
Двоичная арифметика остается наиболее важ-
ной сферой применения логических элементов,
однако микросхемы, состоящие только из таких
элементов, сегодня встречаются редко. Теперь
Рис. 10.5. При суммировании двух двузначных двоичных чи- им на сменУ Пришли большие МНОГОфуНКЦИО-
сел возможны шестнадцать вариантов итоговых сумм НЭЛЬНЫе Вычислительные Микросхемы.
В В
ш
Логический элемент
107


Варианты
интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Впрочем, одиночные логические элементы до
сих пор применяются в небольших системах
либо для изменения входного и выходного сиг-
налов микроконтроллеров, либо для преобра-
зования выходного сигнала какой-либо слож-
ной цифровой микросхемы с целью обеспечения
его совместимости со входом другой микросхе-
мы (это часто называют связующей логикой).
Примеры использования одиночных элементов
подробно рассмотрены в разд. «Использование»
этой статьи).
Варианты
Микросхемы, содержащие логические элементы,
появились в 60-х годах прошлого века. Так,
микросхема 7400 (рис. 10.7) с элементом И-НЕ,
выпущенная компанией Texas Instruments, стала
первой в серии таких микросхем и оказала столь
большое влияние, что ее маркировка (в которой
могут присутствовать также и буквы) хорошо
известна и по сей день.
Изначально эти микросхемы соответствовали
стандарту транзисторно-транзисторной логики
(ТТЛ), разработанному в 1961 году корпорацией
TRW и представленному в 1963 году в коммер-
ческой продукции компанией Sylvania. Именно
тогда был установлен распространенный и по
сей день стандарт напряжения питания 5 В,
Во многих логических микросхемах сегодня
применяется другое напряжение, однако термин
«высокий» до сих пор означает, что напряжение
на входе или на выходе близко к напряжению
питания, а термин «низкий» — что напряжение
на входе или на выходе близко к потенциалу за-
земления. Точное определение понятия «близ-
ко» можно найти в спецификациях к микро-
схемам.
Ключом к успеху микросхем серии 7400
стало то, что они проектировались отчасти из
соображений совместимости. Выход одного
элемента мог быть подключен напрямую ко
входу другого, при этом на печатную плату
требовалось также добавить несколько раз-
вязывающих конденсаторов для подавления
выбросов напряжения, вызываемых быстрым
переключением. Компоненты, выпускавшиеся
до этого, не были столь легко совместимы друг
с другом, и с течением времени новый стандарт
стал преобладающим в отрасли до такой степени,
что все больше производителей стали выпускать
микросхемы, соответствующие ему. В результате
появилась возможность комбинировать на
одной монтажной плате микросхемы разных
поставщиков.
Так как многие логические микросхемы полу-
чили маркировку, начинающуюся с индекса 74,
их часто называют микросхемами серии 74п,
где вместо символов хх могут встречаться другие
цифры (иногда и больше двух). Это позволяет
избежать неоднозначности, поскольку, как уже
отмечалось ранее, самой первой в таком формате
была выпущена микросхема И-НЕ с номером
7400 (далее по тексту обозначение 7400 будет
относиться именно к этой микросхеме, тогда
как вся серия микросхем будет обозначаться
номером
Рис. 10.7. Современная версия микросхемы 7400, содержа-
щей четыре элемента И-НЕ в корпусе для установки в монтаж-
ные отверстия
В 1968 году компания RCA представила кон-
курирующее семейство логических элементов
на КМОП-транзисторах. Маркировка каждой
микросхемы начиналась с цифры 4 и состояла из
четырех цифр, поэтому все семейство принято
108
Статья 10


интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Варианты
называть серией 4000. КМОП-микросхемы бы-
ли медленнее и дороже, но могли выдерживать
больший диапазон напряжений (изначально
от 3 до 12 В). Однако самым большим их
преимуществом являлось потребление намного
меньшего тока. Это было существенно, т. к.
ТТЛ-микросхемы рассеивали слишком большое
количество тепла. Меньшее потребление
мощности КМОП-микросхемами также сделало
возможным создание устройств, где одна
микросхема управляет входами нескольких
других, что сильно упрощало схему, — такую
компоновку «один - к - нескольким» называют
разветвлением на выходе.
В конечном итоге КМОП-микросхемы пре-
одолели первоначальные ограничения. И хотя
на первых порах они предназначались для
устройств с питанием от автономных источни-
ков, где очень низкое потребление мощности
значительно важнее скорости работы, сегодня
КМОП-микросхемы встречаются практически
повсеместно и сохраняют свое преимущество
низкого потребления тока (которое в режиме
ожидания практически нулевое). При этом
быстродействие КМОП- и ТТЛ-микросхем срав-
нялось. Цоколевка КМОП- и ТТЛ-микросхем
очень часто совместима, а маркировка совре-
менных КМОП-микросхем зачастую соответст-
вует старому обозначению серии 74хх. Тем не
менее, большинство КМОП-микросхем старой
серии 4000 по-прежнему доступно, и они по-
дойдут в ситуациях, когда более удобным ста-
новится напряжение питания выше 5 В.
Маркировка
По мере постепенного улучшения функциональ-
ных характеристик полупроводниковых элемен-
тов появлялись успешные семейства логичес-
ких микросхем, которые идентифицировались
с помощью одно-, двух- или трехбуквенных
сокращений в маркировке компонента. Так,
элемент И-НЕ семейства НС (высокоскоростной
КМОП-компонент) получил идентификатор
74НСОО.
Поскольку микросхемы поставляют на рынок
различные производители, перед номером
к маркировке добавляют буквы, обозначающие
конкретную фирму. Кроме того, учитывая, что
каждая из микросхем производится в нескольких
версиях (например, одни микросхемы соответ-
ствуют военным спецификациям, а другие —
нет), в конце номера модели можно встретить
и буквенные обозначения. Сегодня буквы, до-
бавленные к номеру в маркировке, могут опре-
делять, относится ли микросхема к моделям
старого типа, предназначенным для установки
в монтажные отверстия, или же перед вами
микросхема, соответствующая более новой
модификации для поверхностного монтажа.
Итак, структура маркировки логических микро-
схем:
• префикс — идентификатор производителя;
• цифры (опуская любые буквы между
ними) — функция микросхемы;
• буквы в середине — семейство микросхемы;
• буквы в конце маркировки — тип корпуса.
Соответственно, реальная маркировка логичес-
кой микросхемы 74НС00 может выглядеть так:
SN74HC00N, где префикс SN обозначает, что
микросхема была произведена компанией Texas
Instruments, а суффикс N — что микросхема
заключена в пластиковый корпус с двухрядным
расположением выводов (DIP-формат).
Для тех, кто не в курсе, нужно пояснить, что пре-
фикс SN был введен фирмой Texas Instruments
на заре появления интегральных схем и является
акронимом сочетания Semiconductor Network
(полупроводниковая сеть), означавшего, что
несколько транзисторов «объединены в сеть» на
кремниевой подложке. Другие производители
пользовались иными вариантами обозначений
для своих моделей, поэтому префикс SN стал
ассоциироваться исключительно с фирмой Texas
Instruments.
Система маркировки микросхем была до-
полнена также за счет вставки после
Логический элемент
109


Варианты
интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
идентификатора семейства символов 1G, 2G и
3G, необходимых, чтобы различать компоненты
для поверхностного монтажа с одним, двумя
или тремя логическими элементами. Если сим-
волы xG опущены, то такая микросхема обычно
содержит четыре логических элемента, что яв-
ляется стандартной комплектацией для ориги-
нальных микросхем серии 74хх. Это же правило
применимо и к вариантам для поверхностного
монтажа, у которых функции монтажных выво-
дов микросхем с четырьмя элементами совпа-
дают с функциями выводов исходных ТТЛ-вер-
сий (за исключением квадратных микросхем
для поверхностного монтажа, которые здесь не
рассматриваются).
Рис. 10.8. Правила интерпретации маркировки логической
микросхемы из семейства 74хх (на примере микросхемы 7400
логического элемента И-НЕ)
При поиске микросхемы в каталоге по марки-
ровке полезно понимать, что поисковый запрос
7400 может не дать никаких результатов, одна-
ко запрос 7 4 не о о (или любой другой номер, со-
держащий идентификатор семейства) с гораздо
большей вероятностью будет успешным.
Схема расшифровки маркировочных обозначе-
ний приведена на рис. 10.8: вверху приведено об-
щее объяснение частей идентификатора, а енщ
дается интерпретация маркировки конкретного
компонента.
Семейства
По состоянию на 2013 год семейство НС
микросхем серии 74хх стало использоваться
настолько широко, что его можно рассматривать
как вариант по умолчанию для традиционного
DIP-корпуса с 14-штырьковыми выводами. Тем
не менее, по-прежнему появляются улучшенные
семейства микросхем, в основном, в варианте для
поверхностного монтажа, которому требуется
меньшее напряжение питания (вплоть до 1 В).
Далее приведен список наиболее значимых се-
мейств микросхем в хронологической последо-
вательности:
• 74xjc — оригинальная серия биполярных
ТТЛ-микросхем;
• 74Нхх — биполярные ТТЛ-микросхемы, об-
ладавшие высоким быстродействием (при-
мерно в два раза быстрее оригинальных
микросхем серии 74хх), но потреблявшие
в два раза большую мощность;
• 74Lxx — биполярные ТТЛ-микросхемы с по-
ниженным потреблением энергии по срав-
нению с оригинальными микросхемами се-
рии 74хх, но также с существенно меньшим
быстродействием;
• 74LSxx — биполярные ТТЛ-микросхемы
с более низким энергопотреблением бла-
годаря наличию на входах диодов Шотки.
Некоторые микросхемы семейства LS про-
изводятся до сих пор;
110
Статья 10


интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Варианты
• 74ASxx — биполярные ТТЛ-микросхемы
с усовершенствованным применением дио-
дов Шотки. Были предназначены для заме-
ны семейства 74Lxx;
• 74ALSXX — биполярные ТТЛ-микросхемы
с усовершенствованным применением дио-
дов Шотки и низким потреблением мощ-
ности. Были предназначены для замены се-
мейства 74LSxx;
t 74Fxx — биполярные ТТЛ-микросхемы, бо-
лее быстродействующие;
• 74НСхх — высокоскоростная КМОП-реали-
зация микросхем серии 74LSjcx;
• 74HCYxx — КМОП-микросхемы, но с мень-
шим уровнем порогового напряжения высо-
кого состояния (для совместимости с бипо-
лярными ТТЛ-микросхемами);
• 74АСхх — улучшенная модификация КМОП-
микросхем;
• 74ACTxx — улучшенные КМОП-микросхе-
мы, с тем же уровнем порогового напряже-
ния высокого состояния, что и у ТТЛ-микро-
схем (для обеспечения совместимости);
t 74АНСхх — улучшенные высокоскоростные
КМОП-микросхемы, в три раза более быст-
рые, чем микросхемы семейства НС;
• 74VHCjcjc — очень высокоскоростные
КМОП-микросхемы;
• 74AUCJCX, 74FC;a:, 74LCXxx, 74LVCxx,
74ALVCxx, 74LVQxx, 74LVXjcx - прочие раз-
новидности микросхем, многие из которых
требуют более низкого уровня напряжения
питания (например 3,3 В и ниже).
В серии 4000 первым значительным улучшением
стало семейство микросхем 4000В, позволявшее
использовать более высокое напряжение пита-
ния (18 В вместо 12 В). Кроме того, микросхемы
этого семейства были гораздо менее подверже-
ны повреждениям вследствие статического раз-
ряда. Семейство 4000В практически полностью
вытеснило микросхемы старого семейства 4000,
и большинство микросхем семейства 4000В до-
ступны до сих пор, так как они удобны, когда
источник питания обеспечивает напряжение
больше 5 В.
Примечание
Часто при простом упоминании семейства микро-
схем конечная литера «В» в маркировке может
опускаться. Однако если марка микросхемы при-
сутствует в каталоге, то литера «В» приводится
обязательно.
Микросхемы с индексом 45 в качестве первых
двух цифр маркировки были представлены в ка-
честве нового поколения компонентов, однако
не получили широкого распространения. После
этого серия микросхем 4000 прекратила разви-
тие, и для КМОП-микросхем стала применять-
ся нумерация 74хх с отличительными группами
букв, вставленными в середину номера модели.
Однако номера моделей некоторых микросхем
серии 4000 все-таки были добавлены к номе-
рам серии 74хх, что только внесло неразбери-
ху. Например, микросхема 74НСТ4060 была
разработана с учетом совместимости со старой
микросхемой модели 4060В.
Функциональная совместимость
микросхем разных семейств
Одна из основных проблем, касающаяся се-
мейств микросхем, заключается в различных
требованиях к уровню напряжения низкого
и высокого состояний на входах и выходах.
Далее приведены примерные параметры ТТЛ-
микросхем оригинальной серии 74хх, подключа-
емых к источнику питания с напряжением 5 В:
• выход — напряжение, соответствующее низ-
кому состоянию (не более 0,4-0,5 В);
• вход — напряжение, интерпретируемое как
низкое состояние (не более 0,8 В);
• выход — напряжение, соответствующее вы-
сокому состоянию (не менее 2,4-2,7 В);
• вход — напряжение, интерпретируемое как
высокое состояние (не менее 2 В).
Логический элемент
111


Варианты
интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Такая спецификация предусматривала для обе-
спечения взаимодействия между микросхемами
безопасный допуск не менее 0,4 В.
Однако в логических КМОП-микросхемах се-
мейства 4000 требуется, чтобы в качестве высо-
кого состояния интерпретировалось минималь-
ное входное напряжение от 3 до 3,5 В. При этом
минимальный допустимый уровень выходного
сигнала ТТЛ-микросхемы находился ниже тре-
буемого входного уровня КМОП-схем, что соз-
давало проблемы любому, пытающемуся пере-
дать выходной сигнал ТТЛ-микросхемы на вход
КМОП-микросхемы.
Одним из решений этой проблемы стало под-
ключение к выходу ТТЛ-микросхемы нагрузоч-
ного резистора с номиналом 4,7 кОм, гаранти-
ровавшего, что напряжение не упадет слишком
низко. Однако это вело к потере мощности, да
и про резистор очень легко забыть. Еще один
вариант — использование логических КМОП-
микросхем семейств НСТ или ACT. Буква «Т»
в названиях этих семейств означает, что эти ми-
кросхемы спроектированы специально для под-
держки входных стандартов старых ТТЛ-мик-
росхем. Кроме того, они обеспечивают столь
же высокое напряжение на выходе, что и другие
КМОП-микросхемы, что и делает микросхемы
этих семейств самым подходящим решением
проблемы. К сожалению, такое решение тоже
нельзя назвать бескомпромиссным — микросхе-
мы типа «Т» гораздо более чувствительны к по-
мехам, и это не единственный их недостаток.
Совет
В идеале, лучше не использовать совместно ми-
кросхемы разных семейств.
Количество элементов
в микросхеме
Микросхемы оригинального семейства 74хх со-
держали несколько логических элементов, при-
чем их количество ограничивалось стандартами
14-штырькового корпуса, устанавливаемого
в монтажные отверстия. Наиболее распростра-
ненные логические элементы имели два входа,
и таких элементов в микросхеме было четыре.
Однако тенденция к уменьшению размеров ком-
понентов, а также внедрение автоматического
оборудования для монтажа и пайки микросхем
на платах, сделали более практичными логиче-
ские микросхемы с одним или двумя элемен-
тами в корпусе для поверхностного монтажа
(трехэлементные микросхемы для поверхност-
ного монтажа существуют, однако встречаются
крайне редко и в этой энциклопедии не рассма-
триваются).
Один элемент: два входа
Если микросхема содержит только один логи-
ческий элемент, то, скорее всего, это компонент
в корпусе для поверхностного монтажа, а его
маркировка включает идентификатор 1G, что
означает «один элемент» (One Gate).
На рис. 10.9 показана структура и цоколевка это-
го компонента — такое расположение выводов
является стандартным для всех видов логиче-
ских элементов, кроме элемента Искл. ИЛИ-НЕ,
не выпускаемого в варианте для поверхностного
монтажа.
Рис. 10.9. Внутренняя структура и цоколевка логической
микросхемы в корпусе для поверхностного монтажа с одним
элементом на два входа: микросхема может содержать эле-
мент И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ или Искл. ИЛИ (элемент Искл. ИЛИ-
НЕ в этом варианте корпуса не производится)
112
Статья 10


интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Варианты
Сам логический элемент показан здесь в обоб-
щенном виде, и это значит, что он может быть
любого типа: И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ или
Искл. ИЛИ — в зависимости от марки компо-
нента. Входы располагаются слева от элемента,
а выход — справа. На позиции 5 у данной ми-
кросхемы отсутствует контакт для пайки, одна-
ко следующий контакт, расположенный выше,
обозначен номером 6 — для соответствия со схе-
мой нумерации контактов других компонентов
в корпусе для поверхностного монтажа, у кото-
рых имеются все шесть контактов.
Далее приведены типичные примеры маркиров-
ки логических микросхем для поверхностного
монтажа с одним элементом на два входа. Буква
х здесь означает, что вместо нее могут быть
вставлены последовательности букв, обозна-
чающие производителя, семейство или тип кор-
пуса микросхемы:
• элемент И — *74xlG08;
• элемент ИЛИ - *74xlG32x;
• элемент И-НЕ - jc74xlG00r,
• элемент ИЛИ-НЕ - x74xlG02x;
• элемент Искл. ИЛИ — x74xlG86x.
Один элемент: три входа
Одиночные элементы И, И-НЕ, ИЛИ и ИЛИ-НЕ
могут иметь больше двух входов, и выходной
сигнал таких элементов определяется прави-
лами, приведенными в табл. 10.2 (элементы
Искл. ИЛИ и Искл. ИЛИ-НЕ в эту таблицу не
включены, поскольку строгая интерпретация их
логической функции предполагает существова-
ние уникального состояния выхода, если один
из входов находится в высоком состоянии при
том, что второй — в низком).
На рис. 10.10 показана цоколевка логической
микросхемы с одним элементом на три входа.
Далее приведены примеры маркировки микро-
схем для поверхностного монтажа с одним эле-
ментом на три входа. Буква х здесь означает, что
Рис. 10.10. Внутренняя структура и цоколевка логической
микросхемы в корпусе для поверхностного монтажа с одним
элементом на три входа: микросхема может содержать эле-
мент И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ или Искл. ИЛИ
вместо нее могут быть вставлены последова-
тельности символов, обозначающие производи-
теля, семейство или тип корпуса микросхемы:
• элемент И — x74x:lGllx;
• элемент И-НЕ - x74xlGl(k;
• элемент ИЛИ - x74jc1G32x;
• элемент ИЛИ-НЕ - jc74jc1G27jc.
Один элемент:
настраиваемая функция
Логические функции некоторых поверхностно
монтируемых микросхем можно менять, ими-
тируя работу различных логических элементов
с двумя входами за счет соответствующих внеш-
них соединений.
На рис. 10.11 показана внутренняя структура
микросхемы с обобщенным номером *74xlG97x
(в действительности ею могла бы оказаться
микросхема SN74LVC1G97 компании Texas In-
struments). В зависимости от того, какие из вы-
водов заземлены и какие из оставшихся выводов
служат в качестве входов, эта микросхема может
выполнять функцию одного из рассмотренных
ранее пяти логических элементов. Однако для
достижения такой функциональности некото-
рые ее входы должны быть инвертированы.
Логический элемент
113


Варианты
интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Рис. 10.11. Внутренняя структура микросхемы для поверх-
ностного монтажа, способной выполнять функции различных
логических элементов с двумя входами в зависимости от того,
какие входы задействованы и какие заземлены. Для эмуляции
некоторых элементов отдельные входы должны быть инвер-
тированы
Два элемента: два входа
Элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ и Искл.
ИЛИ для поверхностного монтажа существуют
и в сдвоенной компоновке (два элемента в кор-
пусе) — их внутренняя структура и цоколевка
показаны на рис. 10.12.
Далее приведены примеры маркировки микро-
схем для поверхностного монтажа с двумя эле-
ментами на два входа. Буква х здесь означает,
что вместо нее могут быть вставлены последова-
тельности букв, обозначающие производителя,
семейство или формат микросхемы:
• элемент И — x74x2G08jc;
• элемент И-НЕ - x74*2G00x;
• элемент ИЛИ - jc74x2G32x;
• элемент ИЛИ-НЕ - jc74x2G02x;
• элемент ИСКЛ-ИЛИ - *74jc2G86x.
Серия 74ххв 14-штырьковом
корпусе
Как уже отмечалось ранее, микросхемы ориги-
нального семейства 74хх содержали несколько
логических элементов, причем их число огра-
ничивалось стандартами 14-штырькового DIP-
корпуса.
Возможные варианты таких микросхем, акту-
альные и по сей день, таковы:
• счетверенный на 2 входа — четыре элемента,
по два входа на каждый;
• строенный на 3 входа — три элемента, по
три входа на каждый;
• сдвоенный на 4 входа — два элемента, по
четыре входа на каждый;
• сдвоенный на 5 входов — два элемента, по
пять входов на каждый;
• одинарный на 8 входов — один элемент с во-
семью входами.
Микросхемы с пятью входами стали настолько
редкими, что в эту энциклопедию не попали.
Рис. 10.12. Внутренняя структура и цоколевка логической
микросхемы для поверхностного монтажа с двумя элемента-
ми на два входа: микросхема может содержать по два элемен-
та И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ или Искл. ИЛИ (элемент Искл. ИЛИ-НЕ
в таком варианте корпуса не производится)
Цоколевка микросхем серии 74хх
с четырьмя двухвходовыми
элементами
Счетверенные логические микросхемы се-
рии 74хх с двухвходовыми элементами в
14-штырьковом DIP-корпусе выпускаются в ва-
риантах с элементами И, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Искл.
ИЛИ, а также Искл. ИЛИ-НЕ, — их внутренняя
114
Статья И


интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Варианты
структура и цоколевка представлена на рис. 10.13.
У микросхем в варианте для поверхностного
монтажа расположение выводов такое же.
Логические элементы микросхем обозначены
здесь условно, поскольку все элементы в микро-
схеме принадлежат одному типу, и независимо
от функции используемого элемента структура
микросхемы не меняется. Два соединения, ве-
дущие к каждому логическому элементу микро-
схемы, - это его входы, а соединение, ведущее
от элемента, является его выходом.
Расположение выводов в микросхеме с четырь-
мя двухвходовыми элементами ИЛИ отличается
от цоколевки всех остальных логических микро-
схем семейства 74хх (рис. 10.14).
Цоколевка микросхем серии
74хх с тремя трехвходовыми
элементами
Строенные логические микросхемы серии 74дас
в 14-штырьковом DIP-корпусе доступны на
рынке в вариантах с трехвходовыми элементами
И, И-НЕ и ИЛИ-НЕ — их внутренняя структура
представлена на рис. 10.15. У микросхем в кор-
пусе для поверхностного монтажа расположе-
ние выводов такое же.
Логические элементы микросхем показаны здесь
без указания типа, поскольку все элементы в мик-
росхеме принадлежат одному типу, и независи-
мо от функции используемого элемента структу-
ра микросхемы не меняется. Три соединения,
ведущие к каждому логическому элементу мик-
росхемы, — это его входы, а соединение, веду-
щее от элемента, является его выходом.
Рис. 10.13. Структура элементов И, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Искл. ИЛИ
и Искл. ИЛИ-НЕ в счетверенной логической микросхеме
семейства 74хх, выпускаемой в 14-штырьковом DIP-корпусе
Рис. 10.14. Цоколевка микросхемы серии 74хх с четырьмя
двухвходовыми элементами ИЛИ
Рис. 10.15. Три логических элемента И, И-НЕ и ИЛИ-НЕ в
микросхеме семейства 74хх, поставляемой в 14-штырьковом
DIP-корпусе
Логический элемент
115


Варианты
интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Цоколевка микросхемы с тремя элемента-
ми ИЛИ с тремя входами отличается от всех
остальных логических микросхем семейства
74л* (рис. 10.16).
Рис. 10.16. Цоколевка микросхемы серии 7Лхх с тремя
трехвходовыми элементами ИЛИ
Цоколевка микросхем серии 74хх
с двумя четырехвходовыми
элементами
Сдвоенная логическая микросхема серии 74л
в 14-штырьковом DIP-корпусе может содержать
два элемента с четырьмя входами у каждого,
Ее версии для элементов И, И-НЕ и ИЛИ-НЕ
имеют внутреннее устройство, представленное
на рис. 10.17. У микросхем в корпусе для поверх-
ностного монтажа расположение выводов такое
же. Сдвоенные микросхемы с четырехвходовы-
ми элементами ИЛИ не производятся.
Логические элементы микросхем показаны
здесь без указания типа, поскольку все элемен-
ты в микросхеме принадлежат одному типу, и
независимо от функции используемого элемен-
та структура микросхемы не меняется.
Цоколевка микросхем серии 74хх
с одним 8-входовым элементом
Как и следует из ее названия, рассматриваемая
логическая микросхема семейства 74хх в
14-штырьковом DIP-корпусе содержит один
элемент, имеющий 8 входов (рис. 10.18).
Рис. 10.17. Структура четырехвходовых элементов И, И-НЕ и
ИЛИ-НЕ в сдвоенной микросхеме серии 74хх, поставляемой
в 14-штырьковом DIP-корпусе (в семействе 74хх отсутствует
микросхема ИЛИ с четырьмя входами на элемент)
Рис. 10.18. Структура микросхемы семейства 74хх с одним
8-входовым элементом И-НЕ, поставляемой в 14-штырьковом
корпусе (микросхемы с 8-входовым элементом И не произ-
водятся)
Статья W


интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Варианты
У микросхем в корпусе для поверхностного
монтажа расположение выводов такое же.
Микросхемы с 8-входовыми элементами И в
14-штырьковом DIP-корпусе не производятся.
На рис. 10.19 представлена логическая микро-
схема семейства 74хх в 14-штырьковом DIP-
корпусе, содержащая 8-входовый элемент, ра-
ботающий и как ИЛИ, и как ИЛИ-НЕ. Дело
в том, что выход элемента ИЛИ-НЕ соединен
с контактом 13, но он также проходит и через
инвертор для формирования выходного сигнала
ИЛИ на контакте 1 (поскольку элемент ИЛИ-НЕ
эквивалентен элементу Инвертированное ИЛИ,
при повторном инвертировании выходного сиг-
нала этого элемента, он возвращается в режим
ИЛИ).
Далее приведены типичные примеры марки-
ровки логических микросхем семейства 74jcx
в 14-штырьковом DIP-корпусе и для поверхно-
стного монтажа с двумя и более входами на один
элемент. Как и прежде, буква х означает, что
вместо нее могут быть вставлены последователь-
ности букв, обозначающие производителя, се-
мейство или тип корпуса микросхемы:
• четыре элемента И с двумя входами —
четыре элемента И-НЕ с двумя входами —
х74х00х;
четыре элемента ИЛИ с двумя входами —
• четыре элемента ИЛИ-НЕ с двумя входа-
ми - х74хО2х;
• четыре элемента Искл. ИЛИ с двумя
входами — х74х86г,
• четыре элемента Искл. ИЛИ-НЕ с двумя
входами — х74х266х;
• три элемента И с тремя входами — *74х11г,
• три элемента И-НЕ с тремя входами —
jc74x10a:;
• три элемента ИЛИ с тремя входами —
л74х4075х;
• три элемента ИЛИ-НЕ с тремя входами —
x74jc27x;
• два элемента И с четырьмя входами —
• два элемента И-НЕ с четырьмя входами —
• два элемента ИЛИ-НЕ с четырьмя входа-
ми - x74jc4002x;
• один элемент И-НЕ с восемью входами —
x74x3(k;
• один элемент ИЛИ/ИЛИ-НЕ с восемью
входами — л74х4078л:.
Рис. 10.19. Структура поставляемой в 14-штырьковом кор-
пусе микросхемы ИЛИ/ИЛИ-НЕ семейства 74хх, содержащей
один 8-входовый элемент: на ее контакте 13 формируется
сигнал ИЛИ-НЕ, а на контакте 1 — выходной сигнал ИЛИ
Инверторы серии 74хх
Одинарные, сдвоенные и строенные инверторы
семейства 74хх производятся только в варианте
для поверхностного монтажа. Внутренняя струк-
тура таких инверторов показана на рис. 10.20-
10.22.
Логический элемент
117


Варианты
интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Рис. 10.20. Внутренняя структура логической микросхемы
семейства 7Лхх с одним инвертором (вывод 5 отсутствует,
вывод 1 не подключен): эта микросхема доступна только в ва-
рианте для поверхностного монтажа
Рис. 10.23. Внутренняя структура логической микросхемы
семейства 74ххс 14-ю выводами, содержащей шесть инверто-
ров: цоколевка одинакова как для микросхем в DIP-корпусе,
так и в варианте для поверхностного монтажа
Рис. 10.21. Внутренняя структура логической микросхемы
семейства 74ххс двумя инверторами: эта микросхема доступ-
на только в варианте для поверхностного монтажа
Микросхема с шестью инверторами (рис. 10.23)
производится как в 14-штырьковом DIP-корпусе,
так и в варианте для поверхностного монтажа,
Цоколевка у обеих модификаций одинаковая.
Далее приведены типичные примеры маркиров-
ки микросхем-инверторов. Как и прежде, буква
х означает, что вместо нее могут быть вставлены
последовательности букв, обозначающие произ-
водителя, семейство или формат микросхемы:
• один инвертор — x74xlG04x;
• два инвертора — x74x2G04x;
• три инвертора — x74*3G14x;
• шесть инверторов — х74хО4х.
Рис. 10.22. Внутренняя структура логической микросхемы
семейства 74ххс тремя инверторами: эта микросхема доступ-
на только в варианте для поверхностного монтажа
118
Дополнительные варианты
Некоторые микросхемы семейства 74jca: (как в
DIP-корпусе, так и для поверхностного мон-
тажа) имеют выходы с открытым коллектором
или с открытым стоком. Помимо этого, входы
Статья 10


интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Варианты
некоторых микросхем могут быть реализованы
в виде триггеров Шмитта. Все эти разновиднос-
ти легко найти на сайтах производителей логи-
ческих микросхем при поиске по названию эле-
мента и числу входов.
Цоколевка микросхем
оригинального семейства 4000
Все КМОП-микросхемы оригинального се-
мейства 4000 содержали по нескольку элемен-
тов, число которых ограничивалось форматом
14-штырькового корпуса.
Возможные варианты таких микросхем, акту-
альные и по сей день, таковы:
• четыре элемента на 2 входа — четыре
логических элемента с двумя входами у
каждого;
• три элемента на 3 входа — три логических
элемента с тремя входами у каждого;
• два элемента на 4 входа — два логических
элемента с четырьмя входами у каждого;
• один элемент на 8 входов — один логический
элемент с восемью входами.
Микросхемы семейства 4000, содержащие в
14-штырьковом корпусе четыре логических
элемента двумя входами у каждого, доступны
в следующих вариантах: И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-
НЕ, Искл. ИЛИ, а также Искл. ИЛИ-НЕ. Все эти
варианты микросхем имеют внутреннюю струк-
туру, приведенную на рис. 10.24.
Логические элементы микросхем показаны здесь
условно, поскольку все элементы в микросхеме
принадлежат одному типу, и независимо от
функции используемого элемента конфигурация
микросхемы не меняется. Два соединения, веду-
щие к каждому логическому элементу микро-
схемы, - это его входы, а соединение, ведущее
от элемента, является его выходом.
В отличие от семейства 74хх, микросхема с че-
тырьмя двухвходовыми элементами ИЛИ в се-
мействе 4000 имеет цоколевку, совпадающую со
всеми остальными микросхемами, содержащими
четыре двухвходовых логических элемента.
Логические микросхемы семейства 4000,
содержащие в 14-штырьковом корпусе по три
элемента с тремя входами у каждого, доступны
в вариантах для элементов И, ИЛИ, И-НЕ
и ИЛИ-НЕ и имеют внутреннюю структуру,
приведенную на рис. 10.25.
Рис 10.24. Все микросхемы семейства 4000 с четырьмя двух-
входовыми логическими элементами (И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ,
Искл. ИЛИ, а также Искл. ИЛИ-НЕ) имеют одинаковую струк-
туру и цоколевку
Рис. 10.25. Все логические микросхемы семейства 4000 с тре-
мя трехвходовыми элементами И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ имеют
одинаковую внутреннюю структуру и цоколевку
Логический элемент
119


Варианты
интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Логические элементы микросхем показаны
здесь условно, поскольку все элементы в микро-
схеме принадлежат одному типу, и независимо
от функции используемого элемента структура и
цоколевка микросхемы не меняются. Три соеди-
нения, ведущие к каждому логическому элемен-
ту микросхемы, — это его входы, а соединение,
ведущее от элемента, является его выходом.
В отличие от семейства 74хх, микросхема с тремя
элементами ИЛИ с тремя входами в семействе
4000 имеет цоколевку, совпадающую со всеми
остальными микросхемами, содержащими по
три логических элемента с тремя входами.
Сдвоенные логические микросхемы семейства
4000 с 14-ю выводами содержат по два элемен-
та с четырьмя входами у каждого. Варианты для
элементов И, И-НЕ, ИЛИ и ИЛИ-НЕ имеют вну-
треннюю структуру, показанную на рис. 10.26.
Логические элементы микросхем показаны
здесь условно, поскольку все элементы в микро-
схеме принадлежат одному типу, и независимо
от функции используемого элемента структура
и цоколевка микросхемы не меняются. Четыре
соединения, ведущие к каждому логическому
элементу микросхемы, — это его входы, а
соединение, ведущее от элемента, является его
выходом.
Заметьте, что в семействе 4000 есть сдвоенная
микросхема ИЛИ с четырьмя входами, а в се-
мействе 74хх такая микросхема отсутствует.
Микросхема семейства 4000 в 14-штырьковом
корпусе с одним 8-входовым логическим эле-
ментом И/И-НЕ показана на рис. 10.27.
Далее приведены типичные примеры марки-
ровки логических микросхем семейства 4000 в
14-штырьковом корпусе с двумя и более входами
на один элемент. Как и прежде, буква х означает,
что вместо нее могут быть вставлены последова-
тельности букв, обозначающие производителя,
семейство или формат микросхемы:
• четыре элемента И с двумя входами -
• четыре элемента И-НЕ с двумя входами -
jc4011x;
• четыре элемента ИЛИ с двумя входами -
х4071х;
• четыре элемента ИЛИ-НЕ с двумя входами -
jc4001x;
Рис. 10.26. Все сдвоенные логические микросхемы семей-
ства 4000 с четырехвходовыми элементами И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-
НЕ имеют одинаковую внутреннюю структуру и цоколевку
Рис. 10.27. Внутренняя структура микросхемы И/И-НЕ семей-
ства 4000 с одним 8-входовым элементом: инвертированный
выход элемента И-НЕ становится выходом И на контакте 1
120
Статья 10


интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Использование
• четыре элемента Искл. ИЛИ с двумя
входами — jc4070x;
• четыре элемента Искл. ИЛИ-НЕ с двумя
входами — *4077х;
• три элемента И с тремя входами — *4073х;
• три элемента И-НЕ с тремя входами —
*4023jc;
• три элемента ИЛИ с тремя входами —
*4075х;
• три элемента ИЛИ-НЕ с тремя входами —
• два элемента И с четырьмя входами —
х4082х;
§ два элемента И-НЕ с четырьмя входами —
*4012л:;
• два элемента ИЛИ с четырьмя входами —
*4072х;
• два элемента ИЛИ-НЕ с четырьмя
входами — х4002х;
• один элемент И/И-НЕ с восемью входами —
Инверторы серии 4000
В семействе 4000 микросхема с номером 4069В
содержит шесть инверторов (рис. 10.28). Цоко-
левка микросхем 4069В и x74jcO4x совпадает.
Использование
Выбор семейства
Если вести речь о DIP-формате, то семейство НС
выпускается в таком корпусе уже на протяжении
более 30 лет и стало широко распространенным
и весьма популярным вариантом, выбираемым
в первую очередь.
Если же речь идет о корпусе для поверхностно-
го монтажа, то выбор семейства микросхем во
многом должен определяться величиной напря-
жения питания.
Несмотря на то, что история семейства 4000 на-
считывает уже более 40 лет, микросхемы этой
разновидности по-прежнему целесообразны
в тех случаях, когда по каким-либо причинам
питание от источника 5 В не является строго не-
обходимым, как это требуется для микросхем
серии 74лх
Если устройство содержит реле на 9 или 12 В, то
его можно подключить через пару Дарлингтона,
причем «старую добрую» логическую микро-
схему семейства 4000 можно запитать от того
же источника. Для защиты логической микро-
схемы от выбросов напряжения может потре-
боваться демпфирующий диод, подключенный
к обмотке реле.
Рис. 10.28. Внутренняя структура логической микросхе-
мы-инвертора 4069В в 14-штырьковом корпусе, содержа-
щем шесть инверторов: цоколевка идентична микросхеме
х74хО4х
Применение
Выходной сигнал логической микросхемы мо-
жет подаваться на вход микроконтроллера, что-
бы несколько входов микросхемы активиро-
вали один входной контакт контроллера. Так,
например, 8-входовый элемент И-НЕ может
Логический элемент
121


Что может пойти не так?
интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
принимать входные сигналы от восьми датчи-
ков движения, и если хотя бы один из датчиков
среагирует на проникновение в помещение, то
уровень выходного сигнала элемента сменится
с высокого на низкий.
На основе логических элементов можно
создать простые устройства, реагирующие на
единственную особую комбинацию входных
сигналов. Примерами тому могут служить циф-
ровой кодовый замок и те же игровые авто-
маты — в большинстве простых эмуляторов игры
в кости задействованы логические элементы,
преобразующие выходной сигнал от счетчика
в команды включения светодиодов, рисующих
сторону игральной кости.
Логический элемент может выполнять функцию
«интерфейса» между электромеханическим пе-
реключателем и цепью, содержащей электрон-
ные микросхемы. В роли такого интерфейса
может выступить буфер, инвертор или любой
незадействованный элемент логической микро-
схемы, уже подключенной к схеме. Один его
вход может быть подключен к положительному
источнику питания или к заземлению, что по-
зволит создать входной сигнал требуемого
уровня, когда переключатель, подключенный
к другому входу элемента, размыкается или
замыкается. При этом нагрузочный резистор
или резистор утечки с номиналом в 10 кОм
позволят избежать «зависания» элемента при
разомкнутом переключателе. Ну, а для устра-
нения дребезга контактов переключателя на
входе можно применить асинхронный триггер
(см. статью 11 этой энциклопедии) — если
в схеме есть два незадействованных элемента
ИЛИ-НЕ (или И-НЕ), то триггер можно создать
с их помощью.
Особенность микросхем оригинального се-
мейства 4000 — возможность непосредст-
венного подключения к выходу микросхемы
светодиода, если сила тока не превышает 5 мА
при напряжении источника питания 5 В или
10 мА — при напряжении источника питания
10 В. Обратите внимание, что нагрузка такого
типа приведет к значительному снижению
напряжения на выходе. Микросхемы семейства
74HCjcjc допускают выходной ток до 20 мА,
однако и в этом случае напряжение на выходе
существенно снижается. Заметьте, что суммар-
ный ток всех выходов микросхем семейства
74НСхх составляет 70 мА.
Выходной сигнал логической микросхемы мо-
жет быть пропущен через буфер, например,
типа 7404, который имеет выход с открытым
коллектором, способным выдавать ток до
200 мА, — это позволяет напрямую подключать
к схеме небольшие нагрузки, лишь бы они не
были индуктивными.
Твердотельные реле и оптроны также мо-
гут получать питание напрямую от логических
микросхем, поскольку потребляют очень слабый
ток. При этом твердотельное реле способно
переключать ток силой 50 А и выше.
Что может пойти не так?
При работе с цифровыми КМОП-микросхемами
наиболее часто встречаются две проблемы: по-
вреждение от статического электричества и
неправильное функционирование микросхемы
из-за наличия «плавающих» выводов.
Статическое электричество
Ранние модификации КМОП-микросхем семей-
ства 4000 были особенно уязвимы к разрядам
статического электричества, однако более со-
временные КМОП-микросхемы, как правило,
содержат подключенные ко входам защитные
диоды, уменьшающие риск повреждения. Тем
не менее, до момента установки компонентов на
печатную плату, их следует хранить в антиста-
тическом пенопласте или в изолирующей упа-
ковке. При работе с микросхемами не помешает
надеть на запястье заземляющий браслет.
122
Статья 10


интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
Что может пойти не так?
«Плавающие» выводы
Под «плавающим» подразумевается любой не-
подключенный контакт логической микросхе-
мы. Такой вывод из-за эффекта емкостной свя-
зи может воспринимать сигнал и, как следствие,
нарушать работу микросхемы, приводя, кроме
того, к повышенному потреблению мощности,
поскольку неопределенное состояние на входе
может помешать переходу элемента микросхе-
мы в устойчивое состояние.
Незадействованные входы ТТЛ-микросхемы
следует подключить к положительному источ-
нику питания, а незадействованные входы
КМОП-микросхемы — к шине заземления.
Несовместимость семейств
Как отмечалось ранее, высокий логический
уровень у старых ТТЛ-микросхем ниже мини-
мального высокого уровня для новых КМОП-
микросхем. Лучше всего избегать совместного
использования микросхем разных семейств,
однако, если микросхемы хранятся небрежно,
с этим может возникнуть неразбериха. И если
какая-либо микросхема не реагирует на выход-
ной сигнал от другой микросхемы, следует тща-
тельно сверить маркировку компонентов.
Перегрузка выходов
Если в схеме необходимо задействовать микро-
схему, у которой выход снабжен открытым кол-
лектором, но по ошибке взята обычная микро-
схема, то почти наверняка она выйдет из строя.
выход логической микросхемы может питать
либо другую микросхему, либо светодиод, но не
оба компонента сразу. При этом в любом случае
желательно выбрать светодиод с очень низким
уровнем энергопотребления (до 2 мА).
Несоблюдение полярности
и неправильное напряжение
Логические микросхемы могут быть повреж-
дены при подключении с неверной поляр-
ностью или при подаче напряжения не на тот
вывод, а также при подаче напряжения, не со-
ответствующего номиналу. Современные логи-
ческие микросхемы могут работать в очень
ограниченном диапазоне напряжений, и мик-
росхемы семейства 74хх непременно будут по-
вреждены при использовании в одной схеме
совместно с микросхемами семейства 4000 и
источником питания выше 6 В.
Изогнутые штырьковые выводы
Как и в случае со всеми микросхемами, уста-
навливаемыми в монтажные отверстия, штырь-
ковые выводы логических микросхем в DIP-
корпусе при установке в плату могут быть слу-
чайно изогнуты, и эту ошибку очень легко не
заметить. Погнутые штырьки микросхемы не
смогут обеспечить электрическое соединение,
и тогда поведение микросхемы может оказаться
непредсказуемым. Всегда проверяйте, чтобы
штырьки микросхемы были установлены долж-
ным образом, и при необходимости используйте
увеличительное стекло.
Снижение уровня напряжения
на выходе
Если выход одной микросхемы подключен од-
новременно ко входу другой микросхемы и к
светодиоду, светодиод может снизить выход-
ное напряжение микросхемы, и второй микро-
схеме тогда будет сложно распознать его как
высокое состояние. Общее правило гласит, что
Искаженный входной сигнал
Сигнал на входе логических микросхем должен
быть неискаженным, без выбросов напряжения.
Таймер 555 ТТЛ-типа выдает на выходе выбро-
сы напряжения, которые могут быть ошибочно
интерпретированы логическими микросхемами
как последовательность из нескольких сигна-
лов. Поэтому для использования с логическими
Логический элемент
123


Что может пойти не так?
интегральные микросхемы > цифровые > логический элемент
микросхемами лучше подходит таймер 555
КМОП-типа.
Если высокий или низкий входной сигнал
поступает от кнопки, поворотного энкодера
или электромеханического переключателя, то
обязательно необходимо устранить последствия
дребезга контактов. Аппаратно это, как правило,
реализуется добавлением в схему триггера, но
избавиться от дребезга можно также с помощью
программного кода микроконтроллера.
Аналоговый сигнал на входе
Напрямую подключить вход логической микро-
схемы к термистору, фототранзистору или по-
добному аналоговому компоненту можно лишь
в том случае, если есть полная уверенность,
что напряжение на входе микросхемы никогда
не выйдет за пределы допустимого диапазона.
Например, применяя фототранзистор, вы долж-
ны иметь в виду, что он должен подвергаться
воздействию света с ограниченной, заранее из-
вестной, интенсивностью.
Как правило, следует избегать подачи на вход
цифровой логической микросхемы сигналов
с промежуточными значениями напряжения
(в интервале между низким и высоким логи-
ческими уровнями), т. к. в результате выход-
ной сигнал может оказаться непредсказуемым.
Лучше подключить между аналоговым источ-
ником и цифровой логической микросхемой
компаратор или воспользоваться логической
микросхемой со входом на основе триггера
Шмитта.
124
Статья 10


интегральные микросхемы > цифровые > триггер
ТРИГГЕР
11
Иногда триггер (по англ. flip-flop}) называется также защелкой, од-
нако здесь термин защелка служит для описания асинхронной цепи
с немедленным откликом на входной сигнал (так называемая ком-
бинационная схема). Триггер же может использоваться и в качестве
простейшей ячейки памяти, и в качестве синхронного, «последова-
тельностного», устройства (когда входной сигнал не поступает на-
прямую на выход).
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• сдвиговый регистр (см. статью 12)
• счетчик (см. статью 13)
1 В англоязычной литературе термин/Ир-/1ор иногда пишется в два слова или,
но редко, — слитно (flipflop), однако в американских изданиях превалирует
написание через дефис. Употребление акронима FF ограничено, в основном,
логическими диаграммами и схемами. — Ред.
Описание
Транзисторы сделали возможным появление ло-
гических элементов, логические элементы при-
вели к созданию триггеров, а триггеры, в свою
очередь, используются для реализации многих
математических операций, а также функций
хранения и извлечения информации в цифро-
вых вычислительных системах. Сегодня в боль-
шинстве случаев триггеры входят в состав более
крупных многофункциональных интегральных
микросхем, однако до сих пор встречаются и в
качестве отдельных самостоятельных компо-
нентов. Именно об этом варианте и пойдет здесь
речь.
Триггер - это простейшая ячейка памяти, спо-
собная хранить один бит данных, представлен-
ный низким или высоким логическим состоя-
нием (полное описание логических состояний
содержится в статье 10, повествующей о логи-
ческих элементах). Триггеры особенно удоб-
ны в счетчиках, сдвиговых регистрах, а так-
же в последовательно-параллельных преобразо-
вателях.
Схему триггера можно отнести к разновидности
бистабильных мультивибраторов, т. к. каждый
из его выходов стабилен в одном из двух со-
стояний до тех пор, пока внешнее воздействие
не приведет к переключению из одного состоя-
ния в другое (более подробное описание моно-
стабильных и автоколебательных мультивибра-
торов приводится в статье 9, рассказывающей
о таймерах).
Поскольку асинхронный триггер незамедлитель-
но откликается на изменение входного сигнала,
он может использоваться, например, для устра-
нения дребезга контактов при подаче сигнала
Триггер
125


Устройство
интегральные микросхемы > цифровые > триггер
от электромеханического переключателя или
при создании асинхронного счетчика. Однако
чаще триггер представляет собой синхронное
устройство. Это означает, что изменение вход-
ного сигнала не влияет на выходное состояние
до тех пор, пока триггер не будет активирован
переходом из низкого состояния в высокое (или
из высокого состояния в низкое) последователь-
ностью синхроимпульсов от внешнего тактово-
го генератора.
Устройство
Любой триггер имеет два выхода, каждый из ко-
торых может находиться либо в высоком, либо
в низком состоянии. У нормально функциони-
рующего триггера выходы должны находиться в
противоположных логических состояниях: один
выход должен быть высоким, а второй — низ-
ким. Такие выходы обычно обозначаются как Q
и HE-Q соответственно (последнее обозначение
соответствует букве Q с расположенной над ней
чертой (Q) и в устной речи иногда произносит-
ся как «Qс чертой»). В спецификациях и другой
документации, где затруднительно напечатать
черту над буквой, состояние выхода Q может
быть передано штрихом после буквы Q следую-
щим образом: Q'.
На схемах триггер практически всегда изобра-
жается в виде простого прямоугольника, где
его входы и выходы отмечены буквами и дру-
гими идентификаторами. Так как для понима-
ния различий между триггерами важно сначала
привести описание их внутреннего устройства,
условные обозначения триггеров различных ти-
пов будут даны только в разд. «Варианты» этой
статьи.
Простейший триггер содержит два логических
элемента, работу которых легче понять, если
представить, что входы триггера управляются
однополюсным переключателем на два направ-
ления (SPDT), дополненным двумя элементами
И-НЕ или ИЛИ-НЕ (см. далее). Такой триггер
называют по-разному:
• асинхронный — принимает данные, пере-
даваемые любым образом, поскольку его
вход не синхронизируется тактовым гене-
ратором;
• статический с потенциальными входами -
входной сигнал, поданный в любое время,
сразу же изменяет состояние выхода;
• «прозрачный» — состояние входа передается
непосредственно на выход.
RS-триггер
на основе элемента И-НЕ
На рис. 11.1 показаны два элемента И-НЕ, снаб-
женные двумя нагрузочными резисторами и
подключенные к однополюсному переключате-
лю на два направления (SPDT). Если входной
сигнал на любом из элементов И-НЕ «плаваю-
щий», то нагрузочный резистор, подключенный
ко входу поддерживает высокое состояние на
этом входе. Информационные входы элементов
И-НЕ обозначаются буквами S и R (от англий-
ских слов Set — установить и Reset — сбросить),
благодаря чему этот компонент и получил свое
название: RS-триггер:
• низкое состояние входа RS-триггера на ос-
нове элемента И-НЕ рассматривается как
активный логический уровень, что и отме-
чено чертой над каждой буквой;
• высокое состояние рассматривается как не-
активный логический уровень.
Рис. 11.1. Схема простого RS-триггера на основе элементов
И-НЕ с переключателем и нагрузочными резисторами на вхо-
дах: эта схема с диагонально пересекающимися проводника-
ми применяется столь широко, что ее следует рассматривать
как некий стандарт
126
Статья 11


интегральные микросхемы > цифровые > триггер
Устройство
Схематическое обозначение цепи с диагональ-
ным пересечением проводников, показанное
на рис. 11.1, используется повсеместно и легко
узнаваемо. Эквивалентная схема, приведенная
на рис. 11.2 (такую схему обычно получают с по-
мощью специализированных программ), обла-
дает той же функциональностью, что и преды-
дущая, однако узнать в ней триггер не столь лег-
ко, поэтому предпочтительнее «классическое»
Рис. 11.2. Альтернативная схема расположения компонентов
RS-триггера: эта схема функционально идентична предыду-
щей (см. рис. 11.1), однако не так легко узнаваема
Рис. ЦВ-11.3. Четыре возможных сочетания состояний входа
для элементов И-НЕ {слева) и ИЛИ-НЕ [справа) и соответствую-
щие им логические выходы (триггер может быть создан как из
двух элементов И-НЕ, так и из двух элементов ИЛИ-НЕ)
представление триггера с пересекающимися
проводниками.
Для уяснения работы триггера прежде всего
следует разобраться с взаимоотношениями двух
входов и выхода элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
В этом вам поможет рис. ЦВ-11.3, где красным
цветом обозначено высокое логическое состоя-
ние, а черным — низкое.
Соответственно, поведение элемента И-НЕ
(см. рис. ЦВ-11.3, слева) может быть резюми-
ровано следующим образом:
• оба входа высокие -> выход низкий;
• все остальные сочетания входов -> выход
высокий.
На рис. ЦВ-11.4 приведена последовательность
состояний RS-триггера на основе элементов
И-НЕ по мере перемещения переключателя из
одного положения в другое через промежуточ-
ное состояние, при котором подключение от-
сутствует. Помните, что в этой цепи активный
логический вход находится в низком состоянии,
а активный логический выход — в высоком.
Итак, на верхней схеме нагрузочный резистор
нижнего элемента И-НЕ «подавляется» прямым
подключением к отрицательному заземлению,
которое удерживает вход R в низком состоя-
нии. Состояние второго входа этого элемента
не имеет значения, поскольку выход элемента
И-НЕ будет высоким, если хотя бы один из его
входов низкий. В результате на выходе нижнего
элемента И-НЕ присутствует высокий уровень,
и этот сигнал подается на второй вход верхнего
элемента И-НЕ, вход S которого, благодаря на-
грузочному резистору, находится в высоком со-
стоянии. Так на обоих входах верхнего элемен-
та И-НЕ теперь высокие уровни, на его выходе
присутствует низкий потенциал, и этот сигнал
поступает на нижний элемент. Состояние выхо-
да нижнего элемента не изменяется, поскольку
для поддержания высокого уровня на его вы-
ходе достаточно, чтобы хотя бы на одном из его
входов был низкий уровень. В результате схе-
ма находится в равновесии. Высокое состояние
Триггер
127


Устройство
интегральные микросхемы > цифровые > триггер
выхода Q называется состоянием сброса тригге-
ра на основе элемента И-НЕ.
Рис. ЦВ-11.4. Четыре стадии изменений состояния RS-триг-
гера на основе элементов И-НЕ, происходящих по мере пере-
мещения переключателя вниз и вверх через нейтральное
(без подключения) положение
На второй сверху схеме показано, что проис-
ходит, когда переключатель перемещается вверх
в нейтральное (неподключенное) положение.
На вход R нижнего элемента И-НЕ, благодаря
наличию нагрузочного резистора, теперь пода-
ется высокий потенциал. Однако на втором вхо-
де этого элемента уровень все еще низкий, по-
скольку он поддерживается выходным сигналом
от верхнего элемента, и поэтому выход остается
низким, а схема — в состоянии равновесия. Это
называется состоянием хранения цепи элемента
И-НЕ.
. Предположим теперь, что переключатель пере-
водится из положения, изображенного на верх-
ней схеме, в положение, изображенное на вто-
рой сверху, и обратно. Выходной сигнал тригге-
ра не изменится, и это доказывает, что такая схе-
ма предоставляет один из методов устранения
дребезга контактов — очень быстрых и очень
коротких выбросов напряжения при замыкании
и размыкании механических контактов пере-
ключателя.
На третьей сверху схеме показано, что происхо-
дит, когда переключатель переводится в верхнее
положение. Теперь на верхнем входе верхнего
элемента И-НЕ устанавливается низкое состоя-
ние, и, следовательно, на выходе этого элемента
появляется высокий уровень. Этот высокий сиг-
нал передается на нижний элемент, второй вход
которого, благодаря нагрузочному резистору,
находится в высоком состоянии. Теперь, ког-
да на обоих входах нижнего элемента высокие
уровни, на его выходе появляется низкий уро-
вень. Как видим, выходы элементов переключи-
лись и уровни на них поменялись на обратные.
Высокое состояние выхода Q для триггера на
основе элемента И-НЕ называется состоянием
установки.
Эта схема находится в равновесии, даже если пе-
реключатель возвращается в центральное (непод-
ключенное) положение, как показано на нижнем
рисунке. Таким образом, показанная здесь схема
подавляет дребезг контактов одинаково хорошо
для обоих положений переключателя.
128
Статья /I


интегральные микросхемы > цифровые > триггер
Устройство
RS-триггер
на основе элемента ИЛИ-НЕ
На рис. 11.5 представлена схема, аналогичная
рис. 11.1, но теперь с двумя элементами ИЛИ-
НЕ, подключенными к однополюсному пере-
ключателю на два направления (SPDT). По-
скольку элементы ИЛИ-НЕ работают иначе, в
такой схеме используется входная логика ак-
тивного высокого состояния и вместо нагрузоч-
ных резисторов необходимы резисторы утечки.
Выход этой схемы также использует логику ак-
тивного высокого состояния и в этом он иденти-
чен выходу триггера на основе элемента И-НЕ,
несмотря на то, что положения выходов Q и Q
поменялись местами:
• в RS-триггере на основе элемента ИЛИ-НЕ
высокое состояние рассматривается как ак-
тивный логический вход, что обозначается
отсутствием черты над буквами S и R;
• высокое состояние рассматривается как ак-
тивный логический выход.
Соответственно, поведение элемента И-НЕ
(см. рис. ЦВ-11.3, справа) может быть резюми-
ровано следующим образом:
• оба входа низкие -> низкий выход;
• все остальные сочетания входов —> низкий
выход.
На рис. ЦВ-11.6 приведена последовательность
состояний схемы RS-триггера на основе эле-
ментов ИЛИ-НЕ по мере перемещения пере-
ключателя из одного положения в другое через
Рис. 11.5. Схема простого RS-триггера на основе элементов
ИЛИ-НЕ
Триггер
Рис. ЦВ-11.6. Четыре стадии изменений состояния RS-
триггера на основе элементов ИЛИ-НЕ при последователь-
ном перемещении переключателя (по аналогии с триггером
на основе элементов И-НЕ)
129


Устройство
интегральные микросхемы > цифровые > триггер
промежуточное состояние, при котором под-
ключение отсутствует. Помните, что в этой схе-
ме активным логическим состоянием как для
входа, так и для выхода является высокое.
Схема на основе элементов ИЛИ-НЕ, как и
предыдущая, в которой используются элементы
И-НЕ, игнорирует дребезг контактов и, соответ-
ственно, гарантирует стабильность сигнала на
выходах элементов.
Запрещенные состояния
Любая из приведенных ранее схем описывает
RS-триггер — независимо от того, основан ли
он на элементе И-НЕ или на элементе ИЛИ-НЕ.
Состояния входов и выходов триггера приведе-
ны в табл. 11.1. Однако, как можно здесь видеть,
некоторые состояния входов могут привести
к возникновению проблем.
Таблица 1 Т. 1. Состояния входов и соответствующие
состояния выходов RS-триггеров на основе элементов
И-НЕ и ИЛИ-НЕ («минусами» отмечены низкие состояния,
а «плюсами» — высокие)
Входы триггера
S
-
-
+
+
R
-
+
-
+
Выходы триггера:
на основе
элемента
И-НЕ
Q
Q
+ Проблема +
+
-
-
+
Как предыдущее
на основе
ИЛИ-НЕ
Q
Q
Как предыдущее
-
+
+
-
- Проблема -
Независимо от того, на каких логических эле-
ментах базируется триггер, — будь то элемент
И-НЕ или же элемент ИЛИ-НЕ, когда переклю-
чатель переходит в центральное (разомкнутое)
положение выход остается в том же состоянии,
что и при предыдущем положении переключате-
ля. В этом состоит польза триггера — он способен
запоминать предыдущее состояние (в табл. 11.1
такие ситуации помечены «Как предыдущее»).
Нагрузочные резисторы (в триггерах на основе
элемента И-НЕ) и резисторы утечки (в триг-
герах на основе элемента ИЛИ-НЕ) призваны
гарантировать, что оба входа будут находить-
ся в высоком состоянии (И-НЕ) либо в низком
(ИЛИ-НЕ), даже если переключатель разом-
кнут. Таким образом, должна быть невозмож-
на ситуация, когда оба входа находятся в низ-
ком (И-НЕ) или оба в высоком (ИЛИ-НЕ) со-
стоянии.
Но что произойдет, если подать напряжение пи-
тания на схему при разомкнутом переключате-
ле? Да, один вход каждого из элементов управ-
ляется с помощью выходного сигнала от второго
элемента, но каковы эти сигналы?
В случае с триггером на основе элемента И-НЕ
в момент подачи питания на микросхемы вы-
ходные сигналы от элементов будут низкими.
И как только микросхемы И-НЕ начнут рабо-
тать, каждая из них определит, что один из ее
входов низкий, а второй — высокий, и переведет
свой выход в высокое состояние.
Но теперь, когда у каждой микросхемы высокий
выход, этот сигнал будет подан на второй вход
соседней микросхемы, и уровни на каждом вхо-
де обеих микросхем окажутся высокими. Это
приведет к тому, что обе микросхемы переведут
выходы в низкое состояние, но и этот сигнал бу-
дет вновь подан на входы, что опять переклю-
чит выходы в высокое состояние. Таким обра-
зом, если оба элемента абсолютно идентичны,
то в схеме возникнут очень быстрые колебания.
Этот эффект иногда называют зацикливанием.
В реальности два элемента не могут быть абсо-
лютно одинаковыми, и один из них сработает
чуть раньше другого. Это приведет к тому, что
схема перейдет в состояние, показанное на вто-
рой сверху или на нижней схеме рис. ЦВ-11.4. Но
которая из микросхем одержит победу? Заранее
предвидеть это невозможно. Такое состояние
называется также гонкой фронтов, и победителя
этой гонки предугадать нельзя.
130
Статья 11


интегральные микросхемы > цифровые > триггер
Устройство
Подобная, но противоположная ситуация воз-
никает в триггере на основе элемента ИЛИ-НЕ,
когда на него подается питание при разомкну-
том переключателе, а благодаря резисторам
утечки оба входа (и R, и S) находятся в низком
состоянии. В таком случае также возникнет гон-
ка фронтов.
Эту проблему можно решить, взяв за прави-
ло, что при подключении триггера к источнику
питания переключатель должен находиться в
одном из включенных положений. Но что, если
переключатель неисправен? Или если в момент
переключения подача питания будет прервана?
Еще одна проблема возникает, когда переклю-
чатель подключается к одному контакту, еще не
отключившись от второго. В случае с триггером
И-НЕ это приведет к тому, что оба входа (и S,
и R) окажутся низкими. Аналогичная ситуация
может произойти, если входы S и R приводятся
в действие внешней логической схемой, и ошиб-
ка в этой схеме переведет оба входа в низкое со-
стояние (рис. 11.7): поскольку выход элемента
И-НЕ всегда высокий, то если хотя бы один из
входов этого элемента окажется низким, выхо-
ды обоих элементов станут высокими, и триггер
перейдет в стабильное состояние.
Проблема заключается в том, что состояния вы-
ходов триггера всегда должны быть противопо-
ложными. Если оба выхода высокие, это может
стать причиной логических ошибок в остальной
схеме, подключенной к триггеру.
Примечание
Рис. 11.7. Вот что происходит, если на обоих входах RS-
триггера на элементах И-НЕ оказываются низкие уровни в ре-
зультате неисправности во внешней управляющей цепи
Состояние, когда на обоих входах RS-триггера на
элементах И-НЕ низкие уровни, называется запре-
щенным состоянием или недопустимой комбина-
цией.
Аналогичная ошибка может повлиять на рабо-
ту RS-триггера на основе элемента ИЛИ-НЕ —
с той лишь разницей, что запрещенное состоя-
ние возникает, когда входы S и R высокие.
Примечание
Состояние, когда на обоих входах RS-триггера на
элементах ИЛИ-НЕ высокие уровни, называется
запрещенным состоянием или недопустимой
комбинацией.
Резюмируя сказанное, можно отметить, что RS-
триггер способен устранить дребезг контактов,
однако при использовании в вычислительных
системах этот компонент может быть подвержен
ошибкам.
JK-триггер
Иногда полагают, что JK-триггер назван в честь
Джека Килби (Jack Kilby), получившего Нобе-
левскую премию за изобретение первой в мире
интегральной микросхемы. Впрочем, возможно,
такое название этого триггера получило широкое
распространение просто благодаря тому, что он
стал первым устройством, которое создал Килби
при проектировании интегральной микросхемы.
Впрочем, как бы там ни было, схема, показанная
на рис. 11.8, называется JK-триггером (очень ча-
сто такую схему называют также JK-защелкой).
Электромеханические переключатели, которые
управляли RS-триггером, а также нагрузочные
резисторы и резисторы утечки в схеме отсут-
ствуют, поскольку предполагается, что сигналы
на входы J и К передаются от других устройств
с должным образом установленными высоким и
низким состояниями. Их поведение может быть
непредсказуемым, однако ни один из них никог-
да не окажется в «плавающем» состоянии.
Триггер
131


Устройство
интегральные микросхемы > цифровые > триггер
Рис. 11.8. Принципиальная схема тактируемого JK-триггера с
двумя дополнительными элементами И-НЕ, предшествующи-
ми RS-триггеру
Представленная здесь схема является апроби-
руемой, т. е. такой, у которой дополнительный
входной каскад блокирует прямой доступ к вы-
ходному каскаду. Кроме того, эта схема является
также синхронной, поскольку на ее вход подается
последовательность импульсов от тактового ге-
нератора.
Схема, в которой два элемента И-НЕ с тремя
входами подключаются перед RS-триггером на
основе элемента И-НЕ, позволяет решить про-
блему подачи одинаковых входных сигналов
путем перекрестной обратной связи второй
ступени с первой (через проводники в верхней
и нижней частях схемы).
Несмотря на то, что JK-триггер можно создать
и на основе элементов ИЛИ-НЕ, подобные ва-
рианты встречаются достаточно редко, и здесь
пойдет речь только о варианте триггера на осно-
ве элемента И-НЕ.
Возможные комбинации в случае с трехвходо-
вым элементом И-НЕ:
высокий вход как логически активный, в отли-
чие активного низкого входа рассмотренного
ранее RS-триггера на основе элементов И-НЕ.
Следовательно, можно было бы ожидать воз-
никновения запрещенного состояния, если на
два входа одновременно подать высокий сигнал
(подобно тому, как в предыдущей схеме запре-
щенное состояние можно было вызвать одно-
временной подачей низких сигналов). Однако
схемы на рис. ЦВ-11.9 показывают, что одно-
временная подача высоких сигналов на входы J
и К приведет к формированию двух допустимых
выходных сигналов, когда состояние выхода Q
всегда противоположно состоянию выхода Q. На
самом деле, если оба входных сигнала высокие,
положительный импульс тактового генератора
• все три входа высокие -> выход низкий;
• все остальные сочетания входов -» выход
высокий.
Из-за присутствия дополнительной пары
элементов И-НЕ схема теперь воспринимает
Рис. ЦВ-11.9. Если на входах J и К высокие уровни, запрещен-
ное состояние схемы не возникнет: такое сочетание будет
лишь переключать выходные сигналы триггера между двумя
возможными показанными здесь состояниями
132
Статья И


интегральные микросхемы > цифровые > триггер
Устройство
переключит выходы (т. е. они поменяются ме-
стами). Более того, такое переключение будет
продолжаться до тех пор, пока тактовый вход-
ной сигнал остается высоким. Следовательно,
эта разновидность триггеров предназначена для
работы с короткими тактовыми импульсами.
Двухтактный триггер
На рис. 11.10 приведен более стабильный вари-
ант триггера, где добавляется еще одна ступень,
являющаяся по отношению к первой ступени
«ведущей» — такая схема известна также как
двухтактный (или двухступенчатый)2 триггер.
Ведомая ступень получает питание от ведущей,
но остается неактивной до тех пор, пока низ-
кий входной тактовый импульс, подаваемый на
ведущую ступень, не проходит через инвертор
и не становится на ведомой ступени высоким
тактовым импульсом. Таким образом, ведущая
и ведомая ступени триггера активизируются по
очереди, при этом одна из ступеней — самим
тактовым импульсом, а вторая — паузой в после-
довательности тактовых импульсов. Выходной
сигнал ведомой ступени не может быть передан
обратно на ведущую ступень до тех пор, пока
тактовый импульс остается высоким, и таким
образом разрешается проблема тактирования
одноступенчатой JK-защелки. Поскольку двух-
ступенчатая модификация схемы JK-триггера
не является комбинационным устройством, ее
правильнее называть именно триггером, а не за-
щелкой.
В схему двухтактного триггера могут быть также
добавлены активные в низком состоянии входы
Предустановка (PRESET) и Очистка (CLEAR),
позволяющие переопределить тактовый сигнал
для установки или сброса выходного сигнала.
Рис. 11.10. Схема «ведущий-ведомый», в которой один триг-
гер приводится в действие другим
Таблица 11.2. Состояния входов и выходов двухтактного
JK-триггера («минусами» отмечены низкие состояния,
а «плюсами» — высокие. Символом X помечены ячейки,
состояние в которых не является существенным)
Входы триггера
Такт,
ген.
X
X
1
1
1
1
PRESET
-
+
+
+
+
+
CLEAR
+
-
+
+
+
+
J
X
X
-
-
+
+
К
X
X
-
+
-
+
Выходы
Q
+
-
Q
-
+
Как предыдущее
-
+
+
-
Переключенные
2 В англоязычной литературе такая конфигурация
называется master-slave, ведущий-ведомый. — Примеч.
перев.
Триггер
133


Устройство интегральные микросхемы > цифровые > триггер
В табл. 11.2 показано поведение двухтактного
JK-триггера, переключаемого спадом каждого
тактового импульса (обозначено направленной
вниз стрелкой в столбце Такт, ген.). Обратите
внимание, что выходной сигнал будет задержан
на период ожидания ведомой ступенью второй
половины каждого тактового периода.
Если на обоих входах} и К присутствуют низкие
уровни, то состояние выходов Q и Q останется
таким же, как на предыдущем этапе. Это называ-
ется состоянием хранения. Если оба входа J и К
находятся в высоком состоянии, выходы поме-
няются местами, т. е. их новые состояния будут
противоположны их предыдущим состояниям.
D-триггеры
Структура D-триггеров подразумевает подклю-
чение между их двумя входами инвертора, га-
рантирующего, что состояния этих входов будут
всегда противоположны друг другу. Для переда-
чи состояний выходов на пару логических эле-
ментов служит тактовый сигнал.
При таком добавлении инвертора D-триггером
может стать как RS-, так и JK-триггер. На
рис. 11.11 показан простейший возможный ва-
риант D-триггера, полученный из базовой схе-
мы RS-триггера. В этом случае необходим лишь
один вход для получения данных (он обычно
отмечен буквой D), поскольку именно он подает
сигнал на второй вход через инвертор.
1
-*—
\ /
1
7 *
L_.™.-«
Рис. 11.11. Простейший D-триггер. Инверто|э гарантирует,
что состояние одного входа будет всегда противоположно
состоянию второго Рис. ЦВ-11.12. Четыре состояния D-триггера
134 Статья 11


интегральные микросхемы > цифровые > триггер
Устройство
На рис. ЦВ-11.12 показано, как эта схема реаги-
рует на изменения входного и тактового сигна-
лов. Изначально (верхняя схема), на входе дан-
ных D высокий уровень, тактовый вход также в
высоком состоянии, и, следовательно, на выхо-
де Q будет высокий уровень. На второй сверху
схеме тактовый сигнал становится низким, что
приводит к изменению состояния выхода верх-
него элемента И-НЕ входной ступени с низкого
на высокое. Однако на одном из входов верхнего
элемента И-НЕ выходной ступени по-прежнему
присутствует низкий уровень, поэтому состоя-
ние этого элемента не изменяется. Фактически,
оба входа выходных элементов И-НЕ (S и R) те-
перь высокие и триггер находится в состоянии
хранения.
На третьей сверху схеме состояние входа D ме-
няется с высокого на низкое, однако это не про-
изводит никакого воздействия до тех пор, пока
тактовый сигнал остается низким. Входной сиг-
нал D может изменяться вновь и вновь, но это
не будет отражаться на состоянии схемы до тех
пор, пока тактовый сигнал не станет высоким,
как показано на нижней схеме. Теперь тактовый
сигнал транслирует новое состояние входа D че-
рез схему на выход.
На рис. 11.13 показана микросхема, содержащая
два D-триггера, запускаемых по положительно-
му фронту. Каждый триггер в этом компоненте
снабжен собственными входами для данных,
сигналов установки и сброса, а также соответ-
ствующими выходами.
Рис. 11.13. Эта микросхема содержит два запускаемых по
положительному фронту D-триггера
Подведем некоторые итоги
• RS-триггер пригоден для устранения дре-
безга контактов, однако при использовании
для других целей он может войти в непред-
сказуемое состояние гонки фронтов, если
в его входы проникают помехи или источ-
ник питания нестабилен.
• JK-триггер является стробирующим, а это
значит, что RS-цепи предшествует входная
ступень с тактовым входом. Такая структура
устраняет гонку фронтов, добавляет воз-
можность переключения выходов, но запус-
кается по фронту и требует очень короткого
тактового сигнала.
• Двухтактный триггер состоит из двух триг-
геров, один из которых приводит в действие
второй. В такой схеме могут использоваться
как RS-, так и JK-триггеры, здесь устранены
проблемы тактирования: первый триггер
активизируется положительным (высоким)
состоянием тактового сигнала, тогда как
второй — последующим отрицательным
(низким) состоянием тактового сигнала.
• D-триггер снабжен инвертором, устанавли-
ваемым между входами, и поэтому его входы
не могут быть одновременно высокими или
низкими. Следовательно, у такой схемы мо-
жет быть лишь один вход (обозначаемый
буквой D). Высокое состояние входа D при-
водит к возникновению состояния Уста-
новка (Set), тогда как низкое — к состоянию
Сброс (Reset), но только в том случае,
когда состояние входа передается на выход
приходом тактового импульса. Состояние
выходов остается стабильным (т. е. триггер
переходит в режим хранения) после того,
как тактовый сигнал становится низким.
• Ранее JK-триггер был очень распространен
благодаря своей универсальности, в настоя-
щее же время преобладают D-триггеры.
• Встречается также Т-триггер (от англ. tog-
gling, переключающий), однако такие триг-
геры применяются редко, и в эту энцикло-
педию не включены.
• Помимо здесь рассмотренных, существует
также множество других схем триггеров, но
в этой энциклопедии речь идет лишь о наи-
более часто встречающихся.
Триггер
135


Варианты
интегральные микросхемы > цифровые > триггер
Варианты
На рис. 11.14 приведено несколько вариантов
условных обозначений триггера: буквы S, R, J, К
и D указывают на разновидность триггера, вы-
ходы помечены как Q и Q, аббревиатура CLK
обозначает тактовый вход, который также мо-
жет быть обозначен буквой Е (от англ. Enable,
запуск) или аббревиатурами SRCK или SCLK —
сокращениями от Serial Clock, последовательные
синхроимпульсы.
Треугольник перед аббревиатурой CLK означа-
ет, что триггер запускается по фронту тактового
сигнала (положительному перепаду), а кружок,
предшествующий треугольнику, — что по спаду
(отрицательному перепаду). В остальных слу-
чаях кружок показывает, что соответствующий
вход (или выход) инвертирован, — это означа-
ет то же, что и черта над текстовым обозначе-
нием, и указывает на активную низкую логику.
Синхронные входы триггера со входом CLK изо-
бражаются слева, тогда как асинхронные входы
(при их наличии) изображаются над и под пря-
моугольником триггера.
Поясним примеры на рис. 11.14:
1. Асинхронный RS-триггер с активными низ-
кими входами (возможно, на основе элемен-
тов И-НЕ).
2. Асинхронный RS-триггер с активными вы-
сокими входами (возможно, на основе эле-
ментов ИЛИ-НЕ).
3. RS-триггер с активными высокими входами,
запускаемый импульсами активного высо-
кого тактового входа.
4. JK-триггер с активными высокими входами,
запускаемый по фронту тактового входного
сигнала. Кружок у нижнего выхода Q озна-
чает то же, что и буква Q с чертой над ней.
5. D-триггер, запускаемый импульсами актив-
ного низкого тактового входа.
6. D-триггер, запускаемый по спаду тактового
сигнала.
7. JK-триггер с активными высокими входа-
ми, запускаемый по фронту тактового сиг-
нала, снабженный асинхронными входами
Предустановка (PRE) и Очистка (CLR).
Рис. 11.14. Условное обозначение триггера представляет
собой прямоугольник с разметкой выводов
Варианты корпуса
Только лишь 10% из всех производимых тригге-
ров предназначены для установки в монтажные
отверстия — все остальные выпускаются для
поверхностного монтажа. Однако, даже если
сузить условия поиска микросхемами из семей-
ства 74хх и 4000 для установки в монтажные от-
верстия, результаты поиска покажут не менее
100 разновидностей. Да, триггеры редко приме-
няются в качестве отдельных компонентов, од-
нако существующие микросхемы с триггерами
вполне могут использоваться для целей обуче-
ния, а также для макетирования.
136
Статья 11


интегральные микросхемы > цифровые > триггер
Параметры
В корпусе микросхемы редко содержится толь-
ко один триггер, как правило, их там больше,
и часто встречаются микросхемы с двумя и че-
тырьмя триггерами. Триггеры могут синхрони-
зироваться по отдельности или подключаться к
общему тактовому входу (для получения более
подробной информации следует сверяться с до-
кументацией). Октальные триггеры — такие как
D-триггеры модели 74x223 — предназначены
для использования в качестве восьмиразрядных
регистров.
Маркировка многих триггеров прежних лет вы-
пуска соответствует системе нумерации логи-
ческих микросхем семейства 74хх (детальная
информация о системе нумерации и различных
семействах логических микросхем приведена в
статье 10). Семейство D-триггеров включает
в себя микросхемы серий 74x74, 74x75, 74x174
и 74x175, где символ х заменяется на аббре-
виатуру соответствующего семейства. Старые
КМОП-триггеры представлены D-защелкой
4042В, счетверенным RS-триггером 4043В на
основе элементов ИЛИ-НЕ, а также счетверен-
ным RS-триггером 4044В на основе элементов
И-НЕ. Последние два триггера асинхронные и
снабжены двумя входами Установка (Set), обо-
значаемыми в спецификациях как входы S1 и S2.
Примерами JK-триггеров могут служить микро-
схемы 74x73,74x76 и 74x109.
Параметры
Как и в случае с другими логическими микро-
схемами, большинство триггеров серии 74хх
в корпусе для установки в монтажные отверстия
предназначены для работы с источником пита-
ния 5 В, хотя более старые микросхемы семей-
ства 4000 способны функционировать при на-
пряжении питания до 18 В. Микросхемы в кор-
пусах для поверхностного монтажа могут рабо-
тать и при более низких напряжениях — вплоть
до 2 В.
Ъразд. «Варианты» статьи 10, посвященной
логическим элементам, рассмотрены допус-
тимые значения напряжений высокого и низко-
го входного логического сигнала. Микросхемы
семейства 4000 могут быть источниками по-
стоянного тока на выходе силой менее 1 мА при
напряжении 5 В, однако микросхемы семейства
74НСхх могут выдавать ток силой около 20 мА.
Если триггер используется для высокоскорост-
ных операций, необходимо учитывать следую-
щие параметры:
• ts — время установки. Минимальное необ-
ходимое время в наносекундах, в течение
которого вход должен стать постоянным,
прежде чем следующий тактовый импульс
сможет его обработать;
• tH — время удержания. Минимальный про-
межуток времени в наносекундах, на про-
тяжении которого входной сигнал должен
оставаться неизменным после появления ак-
тивного фронта тактового импульса. Интер-
вал времени между приходом тактового
импульса и входного сигнала незначителен,
но не равен нулю. Если длительность
тактового импульса меньше необходимой,
могут возникнуть ошибки;
• *со " «задержка распространения от так-
тового входа к выходу». Время, проходящее
между подачей активного фронта тактового
импульса и изменением состояния выхода.
Этот параметр зависит от внутреннего
устройства микросхемы, и его можно
разбить на переходы от низкого состояния
к высокому и от высокого состояния к низ-
кому (см. далее);
• Tplh ~ вРемя перехода от низкого состояния
к высокому: промежуток времени между
подачей активного фронта тактового им-
пульса и переходом выхода от низкого состоя-
ния выхода к высокому. Этот параметр может
отличаться от параметра TPHL (см. далее);
• Т,
PHL
время перехода от высокого со-
стояния к низкому: промежуток времени
между подачей активного фронта тактового
импульса и переходом выхода от высокого
состояния выхода к низкому. Этот параметр
может отличаться от параметра TPLH;
Триггер
137


Использование
интегральные микросхемы > цифровые > триггер
• ^мах — максимальная частота тактовых им-
пульсов, необходимая для надежной работы
компонента;
• *w(H) ~~минимальная длительность высокого
тактового импульса в наносекундах;
• t^v — минимальная длительность низкого
тактового импульса в наносекундах.
В сдвиговом регистре или счетчике, где каскад
из нескольких триггеров подключается к обще-
му тактовому генератору, величина параметра
tco одного триггера должна быть меньше, чем
время удержания tH последующего триггера.
В таком случае ввод данных будет завершен
своевременно.
Использование
Асинхронные RS-триггеры применяются в ос-
новном для устранения дребезга контактов.
В качестве примера можно привести микросхе-
мы МАХ6816 (один RS-триггер), МАХ6817 (два
триггера) и МАХ6818 (8 триггеров).
D-триггеры очень часто входят в состав дели-
телей частоты, используемых для подсчета им-
пульсов и отображения двоичного выходного
кода. Если выход Q соединить с D-входом, то
тактовая последовательность импульсов такто-
вому будет обладать следующими свойствами:
• Предположим, что изначально вход D и вы-
ход Q находятся в низком состоянии.
• Первый высокий тактовый импульс пере-
дает в триггер низкое состояние входа D.
• Следующий низкий тактовый импульс пе-
реводит выход Q в высокое состояние. Вы-
сокий выходной сигнал передается обратно
и создает высокий сигнал на входе D.
• Второй тактовый импульс передает в триг-
гер высокое состояние входа D.
• Следующий низкий тактовый импульс пере-
водит выход Q в низкое состояние. Низкий
выходной сигнал передается обратно и со-
здает низкий сигнал на входе D.
Далее эта последовательность повторяется
вновь, т. е. на каждые два тактовых импуль-
са генерируется только один высокий сигнал
на выходе Q (или Q). Такая цепь может стать
счетчиком-делителем на два. И если от выхода
Q сделать отвод, чтобы этот сигнал являлся так-
товым входом для другого триггера, то можно
добиться деления выходного сигнала на четыре.
В цепь можно объединить большое число триг-
геров — лишь бы только скорость передачи сиг-
нала по этой цепи была достаточной, чтобы он
успевал пройти на выход до подачи следующего
тактового импульса. Подобная схема называется
асинхронным счетчиком (более подробную ин-
формацию о счетчиках вы найдете в статье В
этой энциклопедии).
Несмотря на то, что триггеры изначально пред-
назначались для совместного с другими компо-
нентами использования в цифровых вычисли-
тельных системах, их по-прежнему задействуют
в качестве регистров, где 8 или 16 битов после-
довательных данных требуется сначала принять
и сохранить, а затем распределить для парал-
лельной передачи.
Что может пойти не так?
Недостоверная документация
По непонятным причинам те или иные инструк-
ции и учебные материалы, посвященные опи-
санию триггеров, могут содержать различные
ошибки:
• в таблице истинности не уточняется, ис-
пользуется ли в цепи активная высокая или
активная низкая логика;
• таблицы истинности из различных источ-
ников зачастую не согласованы в представ-
лении текущего и последующего состояний
выходов. Кроме того, в них может даже
138
Статья 11


интегральные микросхемы > цифровые > триггер
Что может пойти не так?
отсутствовать состояние тактового входа
в синхронном триггере;
• учебники могут содержать логические схе-
мы только некоторых типов триггеров,
а другие их модификации могут вовсе не
упоминаться;
• в схемах могут фигурировать лишь эле-
менты ИЛИ-НЕ без упоминания о том, что
возможно также применение элементов
И-НЕ (при том, что элементы И-НЕ более
удобны и встречаются чаще);
• может отсутствовать обозначение активно-
го низкого или активного высокого состоя-
ния входов RS-триггера.
Учитывая сказанное, следует сверяться, по воз-
можности, со спецификациями производителя,
которые должны служить основным первичным
источником информации.
Ошибка запуска
В большинстве случаев триггер, запускаемый по
перепаду, может дать ошибочные результаты,
если произвести его запуск по уровню, и наобо-
рот. Триггеры, запускаемые по фронту, необ-
ходимо отличать от триггеров, запускаемых по
спаду. При этом, как всегда, важно хранить по-
хожие компоненты отдельно.
Метастабильность
В этой статье описано поведение триггеров
в идеальных условиях, когда они работают в
диапазоне параметров, установленных произ-
водителем. В реальности условия могут ока-
заться и неидеальными. Особенно это касается
таких случаев, когда практически одновремен-
но происходит ввод данных и подача тактового
импульса, либо тактового импульса и сигнала
сброса. Подобных ситуаций довольно сложно
избежать, если сигнал поступает от внешнего
устройства, например от датчика. В этом случае
управлять временем прихода сигнала на триггер
невозможно. А если импульс на вход подается
во время установки или во время удержания
тактового импульса, то триггер не сможет опре-
делить, когда был подан входной сигнал: до или
после тактового импульса.
Все это может привести к возникновению мета-
стабильности (неустойчивости). Иными слова-
ми, выходной сигнал триггера может стать не-
предсказуемым и/или могут возникнуть коле-
бания, стабилизация которых займет несколько
тактов. Если к выходу триггера подключены два
внешних компонента с отличающимся време-
нем отклика, то одно из этих устройств может
воспринять осциллирующий выход как высо-
кий, а второе — как низкий. В вычислительных
системах метастабильность может привести
к ошибкам или к системному сбою. Чтобы из-
бежать подобных проблем, необходимо всегда
соблюдать ограничения, имеющиеся в специфи-
кациях. Среди параметров, указываемых произ-
водителями в документации, следует обращать
особое внимание на время установки и время
удержания, чтобы у схемы была возможность
распознать сигнал и среагировать на него.
Одно из решений — последовательное соедине-
ние нескольких триггеров, при этом все триг-
геры должны синхронизироваться от общего
тактового генератора. Такой подход позволя-
ет устранить неоднозначность, однако требует
большего числа тактов при использовании двух-
ступенчатых триггеров.
Триггеры с возможностью противодействия ме-
тастабильности хотя и минимизируют ее, но все
же не могут подавить ее полностью.
Другие проблемы
Общие проблемы, которые могут повлиять на
работу цифровых микросхем, рассмотрены
в разд. «Что может пойти не так?» статьи 10,
посвященной логическим элементам.
Триггер
139


интегральные микросхемы > цифровые > сдвиговый регистр
СДВИГОВЫЙ РЕГИСТР
12
Сдвиговый регистр (по англ. shift register) можно назвать и устрой-
ством с очередью, впрочем, этот термин чаще употребляется, когда
речь идет о программном обеспечении. Если выход с последней
ступени сдвигового регистра подключен обратно ко входу, то такая
структура называется кольцевым счетчиком, и ее применение опи-
сывается в этой энциклопедии в статье 13, посвященной счетчи-
кам.
В каталогах компонентов сдвиговые регистры часто указываются
среди двоичных асинхронных счетчиков и не выделяются в отдель-
ный раздел. Однако в этой энциклопедии в качестве счетчика рас-
сматривается компонент, выходы которого соответствует степени
числа 2 (в десятичной записи это числа 1, 2, 4, 8 и т. д.). Выходы же
сдвигового регистра не всегда удовлетворяют такому ограничению.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• триггер (см. статью 11)
• счетчик (см. статью 13)
• мультиплексор (см. статью 16)
Назначение
Регистр — это компонент (или небольшой уча-
сток памяти компьютера), хранящий инфор-
мацию. Минимальной единицей информации
является один бит (т. е. одна двоичная цифра),
значение 1 или 0 которого представлено высо-
ким или низким логическим состоянием. Чаще
всего сдвиговый регистр хранит восемь битов
информации, но некоторые регистры могут хра-
нить лишь четыре бита.
Каждый бит информации запоминается в ре-
гистре при помощи состояния триггера (под-
робно о триггерах рассказано в статье 11).
Когда сдвиговый регистр принимает импульс от
тактового генератора, все сохраненные биты
информации сдвигаются на один шаг — от пре-
дыдущего триггера к последующему. Высокое
или низкое состояние входного сигнала в этот
момент заносится в первый триггер, а вместо
бита информации, хранящегося в последнем
триггере, записывается бит, хранящийся в пре-
дыдущем (рис. 12.1).
Заметьте, что состояние входа игнорируется до
тех пор, пока тактовый импульс не скопирует
это состояние в первый триггер. Кроме того,
если состояние входа внезапно изменится на вы-
сокое, но затем сразу вернется обратно в низкое
(момент до подачи третьего тактового импуль-
са на рис. 12.1), то это высокое состояние будет
проигнорировано.
Сдвиговый регистр
141


Назначение
интегральные микросхемы > цифровые > сдвиговый регистр
параллельно-последовательного преобразова-
ния, а также для решения простых задач, напри-
мер, опроса кнопочных панелей с матричным
кодированием или клавиатур. Кроме того, сдви-
говые регистры применяются в процессе обу-
чения и могут функционировать в сочетании с
микроконтроллером.
Рис. 12.1. Диаграмма работы простого четырехразрядного
сдвигового регистра: каждый триггер может быть переведен
в высокое или низкое состояние, показанное красным или
черным квадратом. Поступивший в микросхему единичный
бит перемещается на одну позицию вправо с каждым после-
дующим тактовым импульсом
Поскольку функциональностью сдвигового ре-
гистра сейчас, как правило, обладают большие
логические микросхемы, сдвиговые регистры
как отдельные компоненты (рис. 12.2) исполь-
зуются все реже. Однако они по-прежнему по-
лезны для последовательно-параллельного или
Представление на схемах
Для сдвигового регистра отсутствует какое-либо
специальное обозначение, и на схемах его часто
изображают просто прямоугольником с размет-
кой управляющих входов вдоль левой сторо-
ны, информационных входов — вдоль верхней
стороны, а информационных выходов — вдоль
нижней.
Схематическое представление сдвигового реги-
стра (рис. 12.3, вверху) на первый взгляд может
показаться очень похожим на микросхему, со-
держащую этот регистр (рис. 12.3, внизу), од-
нако расположение выводов вряд ли будет со-
впадать.
Рис. 12.2. Необычность этой микросхемы восьмиразрядного
сдвигового регистра заключается в том, что ее выходы с от-
крытым стоком позволяют приводить в действие довольно
мощные устройства: ток каждого выхода микросхемы дости-
гает 250 мА при напряжении до 45 В
Рис. 12.3. Типичное обозначение сдвигового регистра и
цоколевка реального компонента
142
Статья 12


интегральные микросхемы > цифровые > сдвиговый регистр
Устройство
Расшифровка аббревиатур для обозначения вхо-
дов, выходов и функций управления сдвигового
регистра приводится в разд. «Устройство» этой
статьи.
Устройство
Сдвиговый регистр состоит, как правило, из
цепочки D-триггеров (подробно об этом ком-
поненте рассказано в статье 11, посвященной
описанию триггеров).
Простейший сдвиговый регистр работает как
устройство с последовательным входом и после-
довательным выходом, что обозначается акрони-
мом SISO (serial-in, serial-out) \ Поскольку первый
бит, входящий в систему, будет также первым
битом, выходящим из нее, устройство такого
типа можно описать как устройство хранения
информации с простой очередью, обозначаемое
акронимом FIFO (first-in,first-out).
На рис. 12.4 показаны основные соединения
между триггерами в четырехразрядном сдвиго-
вом SISO-регистре. Наличие входа D в каждой
секции указывает на использование D-триг-
геров. Первичный выход каждого триггера
обозначен буквой Q, а каждый тактовый вход —
аббревиатурой CLK.
Когда выход каждого предшествующего триггера
подключен ко входу последующего, и при этом
1 Обычно аббревиатуру SISO расшифровывают как sin-
gle-input, single-output, т. е. это устройство с одним входом
и с одним выходом. — Примеч. перев.
Рис. 12.4. Простейший сдвиговый регистр в SISO-устройстве:
в этом примере он состоит из четырех D-триггеров
тактовый сигнал обоих триггеров общий, то
подача этого тактового сигнала приведет к пере-
носу состояния третьего триггера в четвертый,
второго — в третий, а первого — во второй,
состояние входа при этом будет скопировано
в первый триггер.
Аббревиатуры и сокращения
Как правило, сдвиговый регистр имеет допол-
нительный вход, вызывающий немедленный
сброс всех регистров независимо от текущего
состояния тактового сигнала, — такой вход
обычно обозначается аббревиатурой CLR (от
англ. clear, очистить) с расположенной над ней
чертой, если он является активным в низком
состоянии (это принятое соглашение). Если в
микросхеме есть вывод, обозначенный буквами
MR (от англ. Master Reset, полный сброс), то его
назначение совпадает с назначением входа CLR.
Поскольку работа этого входа не зависит от
текущего состояния тактового импульса, сигнал
сброса является асинхронным.
Тактовый вход часто обозначают аббревиатурой
CLK, но иногда можно также встретить
аббревиатуры SCLK (от англ. serial clock,
последовательный тактовый вход) или СР
(от англ. clock pulse, тактовый импульс). Если
сдвиговый регистр содержит две ступени:
одну для занесения данных, а другую — для
их считывания, то они могут тактироваться
раздельно, и в этом случае их обозначают раз-
ными аббревиатурами. Это условие не стан-
дартизировано, но спецификация компонента
должна содержать пояснения условных обозна-
чений. Вне зависимости от того, как обозначен
тактовый вход, над символом обязательно будет
расположена горизонтальная черта, если актив-
ный уровень этого входа низкий.
Сдвиговые регистры, как правило, запускаются
по перепаду, и это означает, что фронт или
спад тактового импульса активирует операцию
сдвига битов. Если компонент реагирует на
переход тактового сигнала от низкого состояния
к высокому, то говорят, что он запускается по
Сдвиговый регистр
143


Устройство
интегральные микросхемы > цифровые > сдвиговый регистр
фронту. Если же компонент реагирует на переход
тактового сигнала от высокого состояния к
низкому, то принято считать, что он запускается
по спаду. Последний вариант может отмечаться
на схеме небольшим кружком, предшествующим
треугольнику, обозначающему, что это устрой-
ство запускается по отрицательному перепаду
сигнала.
Здесь надо также заметить, что большинство
сдвиговых регистров активируется по фронту
сигнала.
Параллельные выходы и входы
В большинстве сдвиговых регистров с по-
мощью специальных выводов возможно па-
раллельное чтение данных — со всех триг-
геров одновременно. В таком режиме сдви-
говый регистр может действовать в качестве
последовательно-параллельного преобразовате-
ля, что обозначается акронимом SIPO — serial
in, parallel out (последовательный вход, парал-
лельный выход). Упрощенная схема внутренних
соединений такого сдвигового регистра приве-
дена на рис. 12.5.
Параллельные выходы (при их наличии)
принято обозначать как QA, QB, QC, QD или Q1,
Q2, Q3, Q4 — и так далее слева направо.
По договоренности на схемах вход принято
рисовать с левой стороны компонента. Зачастую
входов два, и они внутри подключены ко входам
логического элемента И-НЕ. Входы чаще всего
обозначаются буквами А и В, но они могут быть
также обозначены аббревиатурами SA и SB,
указывающими на то, что эти входы являются
последовательными (можно также встретить
и обозначения S1 и S2). Если у сдвигового
регистра имеются и параллельные входы, то они
могут быть обозначены PA, PB, PC и т. д.
Когда последовательные данные подаются
в асинхронном режиме, как показано на
рис. ЦВ-12.1, то компонент игнорирует их до тех
пор, пока сдвиговый регистр не будет запущен
очередным тактовым импульсом. В этот момент
входное состояние скопируется в первый триггер,
а данные, уже хранящиеся в сдвиговом регистре,
переместятся далее по цепочке. В специфика-
циях этот процесс обычно проиллюстрирован
так, как на рис. 12.6. Здесь предполагается, что
регистр запускается по фронту. Заметьте также,
что кратковременная флуктуация напряжения
на входе, не совпадающая по времени с тактовым
запуском, будет проигнорирована.
Г* "^1
Рис. 12.5. Многие сдвиговые регистры снабжены выводами,
подключенными к выходам цепочки триггеров: это обеспе-
чивает параллельное чтение данных из сдвигового регистра
Рис. 12.6. В сдвиговом регистре, запускаемом по фронту,
высокое или низкое состояние асинхронного входа (линия
Вход) копируется в первый триггер сдвигового регистра
каждым тактовым импульсом (линия CLK): кратковременные
флуктуации, не совпадающие по времени с фронтом тактового
импульса, игнорируются, данные, уже присутствующие в
регистре, переносятся из одного триггера в последующий
144
Статья U


интегральные микросхемы > цифровые > сдвиговый регистр
Варианты
Варианты
Последовательный вход,
последовательный выход
Базовый сдвиговый регистр SISO допускает
только последовательный вход (на одном
конце цепочки триггеров) и последовательный
выход (на другом ее конце), а выводы для па-
раллельного чтения данных отсутствуют. Та-
кой компонент, как правило, обладает возмож-
ностью хранения 64-разрядных данных, и в
этом случае параллельный выход просто не-
практичен, поскольку для него потребовалось
бы слишком много контактов.
Примером базового сдвигового регистра SISO
может послужить микросхема 4031В — она
позволяет осуществлять циркуляцию битов,
что делает возможным ее использование в ка-
честве кольцевого счетчика (рассмотрение этой
функции приводится в статье 13). Как и в слу-
чае с другими логическими микросхемами,
в маркировке могут присутствовать буквы,
идентифицирующие производителя, а может
быть также добавлен суффикс, позволяющий
различить варианты изготовления микросхемы.
Еще одна разновидность сдвигового регистра
типа SISO — микросхема 4557В — является
программируемой. Она может хранить любое
количество битов: от 1 до 64, в зависимости
от того, какое двоичное число в виде высоких
и низких состояний сигнала было подано на
специально зарезервированные для этих целей
пять выводов.
представляют собой восьмиразрядные регистры
и, как правило, снабжены двумя входами,
один из которых может использоваться для
приема битов, циркулирующих от конца
цепочки к ее началу. Наиболее популярными
примерами таких микросхем являются модели
4064В и 74x164 (буква х здесь отмечает место
расположения аббревиатуры с указанием
логического семейства).
Параллельный вход,
последовательный выход
Некоторые из сдвиговых регистров могут ис-
пользоваться в качестве параллельно-последо-
вательных преобразователей, что обозначается
акронимом PISO — parallel in, serial out (парал-
лельный вход, последовательный выход). Как
правило, такие микросхемы позволяют вы-
полнять асинхронный параллельный ввод дан-
ных, при котором данные подаются в триггеры
через отдельные контакты каждого триггера.
Параллельный вход задействуется при измене-
нии состояния последовательно-параллельного
управляющего контакта, когда этот вывод пере-
ходит в противоположное состояние, каждый
тактовый импульс будет переносить данные по
цепочке триггеров, позволяя считывать биты
по одному на оконечном последовательном
выходе. Таким образом, данные могут быть
введены в микросхему параллельно, а считаны
последовательно.
Примерами параллельно-последовательных пре-
образователей могут служить микросхемы мо-
делей 4014В и 4021В, каждая из которых вось-
миразрядная.
Последовательный вход,
параллельный выход
Большинство сдвиговых регистров с последо-
вательным входом имеют как последователь-
ный (в конце цепочки триггеров), так и
параллельный (с выхода каждого из триггеров)
выходы. Практически все такие микросхемы
Параллельный вход,
параллельный выход
Сдвиговые регистры, допускающие наличие
параллельного выхода вдобавок к параллель-
ному входу, в большинстве своем относятся
к универсальному типу регистров, описанному
в следующем разделе.
Сдвиговый регистр
145


Параметры
интегральные микросхемы > цифровые > сдвиговый регистр
Универсальный
сдвиговый регистр
Сдвиговый регистр универсального типа может
работать во всех четырех режимах: SISO, SIPO,
PISO, а также PIPO. Выбор одного из четырех
режимов работы осуществляется переводом двух
выводов выбора режима в высокое или низкое
состояние. Кроме того, такой компонент может
также обладать функцией сдвига состояния
регистра влево и вправо.
Двунаправленный сдвиговый регистр обладает
аналогичной возможностью, а также способен
работать в режимах PISO и PIPO, в зависимости
от марки микросхемы. Примерами таких ком-
понентов могут служить микросхемы 74x195
и 74x299 (вместо буквы х в эти обозначения
вставляется аббревиатура, идентифицирующая
семейство логических микросхем).
Почти все универсальные сдвиговые регистры
четырех- или восьмиразрядные. Зачастую они
обладают довольно сложными функциями, на-
пример доступом к внутренним JK-триггерам,
или снабжены мультиплексированными выво-
дами, обеспечивающими различные функции
в зависимости от того, находится ли запускаю-
щий вывод в высоком или в низком состоянии.
Для гарантии корректной работы микросхем
всегда следует сверяться с сопровождающей их
документацией.
Параметры
Как и в случае с другими логическими микро-
схемами, большинство триггеров серии 74хх
в DIP-корпусе предназначены для работы с ис-
точником питания 5 В, хотя более старые ми-
кросхемы семейства 4000 способны функциони-
ровать при напряжении источника питания до
18 В. Микросхемы в корпусах для поверхност-
ного монтажа могут работать и на более низких
напряжениях — вплоть до 2 В.
В разд. «Варианты» статьи 10, посвященной
логическим элементам, рассмотрены допу-
стимые значения напряжений высокого и низ-
кого входного логического сигнала. Выходной
ток микросхем семейства 4000 не превышает
1 мА при напряжении питания 5 В, а микросхе-
мы семейства 74НСхх могут выдавать ток силой
около 20 мА.
Если сдвиговый регистр используется для вы-
сокоскоростных операций, необходимо прини-
мать во внимание следующие параметры (по-
добные обозначения и величины параметров
можно увидеть в спецификациях триггеров):
• ts — время установки. Входное состояние
сдвигового регистра должно быть зафик-
сировано в течение очень короткого про-
межутка времени перед приходом тактово-
го импульса. Этот промежуток времени
и называется временем установки. Для
микросхем серии 4000 рекомендуемое вре-
мя установки может достигать 120 не. Вели-
чина этого параметра для микросхем серии
74jcjc значительно меньше;
• tH — время удержания. Минимальный
промежуток времени в наносекундах, на
протяжении которого входной сигнал дол-
жен оставаться неизменным после прихода
активного перепада тактового импульса.
Во многих сдвиговых регистрах отсутствует
необходимость во времени удержания, т. к.
микросхема уже активирована фронтом
тактового импульса;
• 1-со ^задержка распространения сигнала
«от тактового входа к выходу». Время,
проходящее между подачей активного
перепада тактового импульса и изменением
состояния выхода. Этот параметр зависит
от внутреннего устройства микросхемы, и
его можно разбить на переходы от низкого
состояния к высокому и от высокого состоя-
ния к низкому (см. далее);
• Трш ~~ вРемя перехода от низкого состояния
к высокому: промежуток времени между
подачей активного перепада тактового
146
Статья 12


интегральные микросхемы > цифровые > сдвиговый регистр
Параметры
импульса и переходом от низкого состояния
выхода к высокому. Этот параметр может
отличаться от параметра TPHL (см. далее);
• Tphl ~ вРемя перехода от высокого состоя-
ния к низкому: промежуток времени между
подачей активного перепада тактового им-
пульса и переходом от высокого состояния
выхода к низкому. Этот параметр может
отличаться от параметра TPLH;
• ^мах ~~ максимальная частота тактовых им-
пульсов, при которой работа компонента
остается стабильной. Для микросхем старой
серии 4000 можно рекомендовать частоту
3 МГц при напряжении питания 5 В. При
подаче более высокого напряжения воз-
можна работа на более высоких частотах.
Микросхемы серии 74НС00 при питании от
источника 5 В надежно функционируют на
частотах до 20 МГц;
• Цн) — минимальная длительность высоко-
го тактового импульса в наносекундах. Для
микросхем старой серии 4000 можно реко-
мендовать длительность импульсов в 180 не
при напряжении питания 5 В. При подаче
более высокого напряжения возможно ис-
пользование более коротких импульсов.
Для микросхем серии 74НС00 при подаче
напряжения 5 В минимальная возможная
длительность тактового импульса состав-
ляет 20 не;
• tw(L) — минимальная длительность низкого
тактового импульса в наносекундах. Скорее
всего, значение этого параметра будет со-
впадать с величиной 1^(н).
Питание
Требования сдвиговых регистров к источнику
питания те же, что обычно предъявляются
к источникам питания логических микросхем
(и они подробно описаны в статье 10, посвя-
щенной логическим элементам).
Подобно другим микросхемам, нагрузочная
способность сдвигового регистра определяется
тем, к какому логическому семейству рас-
сматриваемый регистр принадлежит. Однако
в некоторых случаях сдвиговый регистр
снабжается дополнительным каскадом с
выходом с открытым стоком для каждого
регистра, способным обеспечить ток силой до
250 мА. Примером такого компонента может
служить микросхема TPIC6596 компании
Texas Instruments, изображенная на рис. 12.2.
При подключении выхода с открытым стоком
к логическому устройству, вход которого не
может быть «плавающим», требуется добавить
нагрузочный резистор.
Выход с тремя состояниями
Микросхема может иметь выход с тремя со-
стояниями, называемый также тристабильным
(или трехстабильным) выходом, — англоязыч-
ный термин tri-state output когда-то был заре-
гистрирован в качестве торговой марки, но
в настоящее время употребляется наравне с тра-
диционным названием этого компонента.
Помимо обычных высокого и низкого состояний
тристабильный выход микросхемы обеспечи-
вает так называемое высокоимпедансное
(разомкнутое, Z-состояние) состояние, — та-
кая микросхема становится «невидимой» для
других устройств, подключенных к той же
выходной шине. В высокоимпедансное состоя-
ние обычно переводятся одновременно все вы-
ходы сдвигового регистра и этот режим уста-
навливается при помощи отдельного вывода,
часто обозначаемого символами ОЕ (от англ.
output-enable, разрешение выхода). Примерами
сдвиговых регистров с тристабильным выходом
могут служить микросхемы 74x595 или 4094В.
Высокоимпедансное состояние может рассмат-
риваться почти как эквивалент отключения вы-
ходов сдвигового регистра от схемы. Следова-
тельно, если выходы других компонентов, под-
ключенных к этой же шине, также переведены
в высокоимпедансное состояние, то состояние
самой шины окажется «плавающим», что может
привести к непредсказуемым результатам. Во
избежание этого к каждой шине желательно
Сдвиговый регистр
147


Использование
интегральные микросхемы > цифровые > сдвиговый регистр
подключить нагрузочный резистор номиналом
от 10 до 100 кОм.
При изображении внутренних компонентов
сдвигового регистра на страницах спецификации
тристабильный выход, как правило, представлен
с помощью символа буфера или инвертора с до-
полнительным управляющим входом сверху
(рис. 12.7). Его не следует путать с похожим обо-
значением входа положительного источника пи-
тания для простого или операционного усили-
теля (на схемах, изображающих внутренние
элементы логической микросхемы, практически
никогда не изображаются подключения к источ-
нику питания).
Рис. 12.7. Сдвиговый регистр может обладать выходом
с тремя состояниями, причем третье, высокоимпедансное,
состояние является дополнительным к обычным высокому
и низкому: для перевода микросхемы в третье состояние
предусмотрен специальный контакт «разрешения выхода»,
как правило, он изображается как дополнительный вход
инвертора (слева) или буфера (справа) внутри микросхемы
сдвигового регистра
Использование
Применение сдвигового регистра в режиме
SISO может сводиться лишь к задержке
передачи данных за счет сохранения их внутри
микросхемы и перемещения затем от одного
триггера к другому до тех пор, пока все данные
не будут считаны на выходе в конце цепочки.
Сдвиговый регистр в режиме SIPO (последо-
вательный вход, параллельный выход) может
использоваться в тех случаях, когда у мик-
роконтроллера недостаточно выходов для
управления сразу несколькими устройствами.
Последовательные данные могут при
этом подаваться с единственного выхода
микроконтроллера на вход сдвигового регистра,
после чего микросхема регистра станет
приводить в действие по одному устройству
на каждом своем параллельном выходе. Если
в цепи восемь устройств, то микроконтроллер
может отправить последовательность из восьми
битов, каждый из которых будет переводить
соответствующее устройство во включенное
или выключенное состояние при параллельном
считывании с выходов сдвигового регистра.
Если требуется большее количество устройств,
то к выходу первого сдвигового регистра можно
подключить второй.
Тактовые сигналы, а также, при необходимости,
и сигнал сброса сдвигового регистра, могут
формироваться микроконтроллером. Но и без
этого сигнала предыдущие битовые состоя-
ния в сдвиговом регистре могут быть просто
«вытолкнуты» новым набором последователь-
ных данных. Во время процесса «проталкива-
ния» битов параллельные выходы сдвигово-
го регистра (если скорость подачи тактовых
сигналов от микроконтроллера достаточно вы-
сока) могут оставаться подключенными к вы-
ходным устройствам, т. к. некоторые устрой-
ства, например реле, не могут реагировать на
очень короткие импульсы.
Для обычных сдвиговых регистров, не имеющих
выходов с открытым стоком, потребуется буфер,
обеспечивающий достаточную силу тока для
любого устройства, потребляющего ток больше,
чем, например, светодиод.
Сдвиговый регистр, обеспечивающий работу
в режиме PISO (параллельный вход, последо-
вательный выход), можно подключить ко входу
микроконтроллера, — регистр будет опрашивать
состояния нескольких различных устройств,
а затем последовательно передавать результаты
опроса микроконтроллеру.
148
Статья U


интегральные микросхемы > цифровые > сдвиговый регистр
Использование
Соединение входов
Если сдвиговый регистр снабжен двумя после-
довательными входами (а так обычно и есть),
то такие контакты почти всегда соединены со
входами внутреннего элемента И-НЕ. Это по-
зволяет подключить выход с конца цепочки
триггеров к ее началу, и тогда сдвиговый регистр
будет функционировать как кольцевой счетчик
(рис. 12.8, вверху). Но если в такой функции нет
необходимости, и требуется только один вход,
то два входа сдвигового регистра лучше объеди-
нить, имея в виду, что при этом вход является
активным в низком состоянии (рис. 12.8, внизу).
Очень важно никогда не оставлять вход в пла-
вающем (или неподключенном) состоянии.
Предварительная загрузка
сдвигового регистра
Если планируется использовать сдвиговый ре-
гистр для вывода единственного циркулирую-
щего бита (или в подобных случаях), то первый
разряд такого компонента нужно предваритель-
L
и-не\> d q
r->CLK
-Выход
с последней
ступени
—^ К след.
триггеру
И-НЕ JO" D Q
' r">CLK
—^ К след.
триггеру
Рис. 12.8. Две возможные конфигурации сдвигового регистра
сдвухвходовым внутренним элементом И-НЕ
но установить в высокое состояние. Для этого мо-
жет потребоваться ждущий (моностабильный)
таймер, который срабатывает только в момент
подключения схемы к источнику питания.
Опрос клавиатуры
Два сдвиговых регистра позволяют органи-
зовать считывание последовательности дан-
ных с клавиатуры или кнопочной панели с мат-
ричным кодированием. Этот процесс часто
называют опросом клавиатуры. При условии,
что скорость считывания достаточно высока,
пользователь будет получать незамедлительный
отклик на нажатие клавиши.
Несмотря на то, что схема подобного устройства
слишком большая и сложная и потому не может
быть приведена здесь, множество ее примеров
можно найти в онлайн-источниках.
Арифметические операции
Сдвиговые регистры традиционно используют-
ся для выполнения арифметических операций
с двоичными числами. Если число представлено
восемью битами (т. е. одним байтом), и при
этом самый старший разряд находится слева,
то перемещение битов на один разряд вправо
будет эквивалентно делению байта на два. Если
же биты сдвигаются на один разряд влево, то
значение байта умножается на 2 (при условии
подключения дополнительного регистра, кото-
рый будет хранить значение старшего разряда
после его перемещения).
Этот принцип проиллюстрирован на рис. 12.9:
в верхней его части двоичное число 10010110
(выбранное произвольно) представлено во-
семью триггерами сдвигового регистра, а также
указано десятичное значение каждой позиции.
Суммирование десятичных значений для еди-
ничных битов даст число: 128 + 16 + 4 + 2 = 150.
При сдвиге на один разряд влево (цифры,
расположенные под белой линией), самая
Сдвиговый регистр
149


Буферизация
интегральные микросхемы > цифровые > сдвиговый регистр
Буферизация
Сдвиговый регистр также может служить в ка-
честве буфера между двумя схемами с различ-
ными тактовыми частотами — данные записыва-
ются первой схемой и извлекаются второй. Не-
которые сдвиговые регистры допускают подачу
в них двух тактовых сигналов, и эта функция
тоже иногда бывает очень полезной.
Рис. 12.9. Вверху двоичное число, представленное восемью
битами и записанное в сдвиговый регистр, умножается на
2 путем сдвига всех битов на один разряд влево. Внизу то
же самое двоичное число делится на 2 путем сдвига всех
битов на один разряд вправо (соответствующие десятичные
значения приведены слева)
левая цифра перенесена на дополнительное
знакоместо, в то время как на самое правое место
подставлен ноль. Учитывая, что дополнительное
знакоместо имеет значение 256, сумма битов
теперь стала иной: 256 + 32 + 8 + 4 = 300.
В нижней части иллюстрации то же самое
двоичное число сдвинуто на один разряд вправо,
а на самое левое место записан ноль, — теперь
его десятичное значение составляет 64 + 8 + 2 +
+1 = 75.
Несмотря на то, что сдвиговые регистры активно
использовались в эпоху разработок цифровых
компьютерных технологий в 60-е и 70-е годы
прошлого столетия, в дальнейшем сдвиговый
регистр как отдельный компонент стал приме-
няться значительно реже, поскольку его функ-
циональность полностью обеспечивается со-
временными микросхемами центральных про-
цессоров.
Что может пойти не так?
Общие проблемы, которые могут повлиять на
работу цифровых микросхем, рассмотрены
в разд. «Что может пойти не так?» статьи 10,
посвященной логическим элементам.
Ошибочная классификация
Из-за того, что сдвиговый регистр и двоичный
асинхронный счетчик очень похожи по функ-
циональности, некоторые поставщики элек-
тронных компонентов в своих каталогах отно-
сят сдвиговые регистры к счетчикам. На самом
же деле, выходы двоичного счетчика прак-
тически всегда будут соответствовать знако-
местам 1, 2, 4, 8 и т. д., в то время как выходы
сдвигового регистра могут не удовлетворять
этому условию.
Сдвиговый регистр можно найти, указав при
поиске ДЛЯ параметра последовательность
вычислений ОДИН ИЗ вариантов: последо-
вательно-параллельная (serial to parallel),
последовательно-последовательная (serial
to serial), параллельно-последовательная
(parallel to serial) ИЛИ параллельно-парал-
лельная (parallel to parallel). Если для этого
параметра можно выбрать лишь значение
вверх (up) или вниз (down), то такой компо-
нент является счетчиком, а не сдвиговым
регистром.
150
Статья 12


интегральные микросхемы > цифровые > сдвиговый регистр
Что может пойти не так?
Неправильно подобранное
время установки
Перед приходом очередного тактового импульса,
запускающего сдвиг данных, состояние входов
каждого триггера в сдвиговом регистре должно
быть четко зафиксировано. Если время на
установку состояний на всех выводах станет
меньше значений, указанных в спецификации,
результаты окажутся непредсказуемыми.
Неподключенный вход
Поскольку многие сдвиговые регистры предо-
ставляют на выбор два входа к одной цепочке
внутренних триггеров, очень легко случайно
оставить один из таких контактов неподклю-
ченным. «Плавающий» вход будет подвержен
воздействию паразитных электромагнитных
помех, а это, скорее всего, приведет к непред-
сказуемым эффектам.
Проблемы с тристабильными
микросхемами
Активный уровень на контакте, переводящем
выход сдвигового регистра с тристабильной
шиной в высокоимпедансное состояние, обычно
является низким. Следовательно, если оставить
этот контакт неподключенным, то логические
выходы могут перейти в высокоимпедансный
режим или станут самопроизвольно менять свое
состояние. Если нет необходимости в выходах
с тремя состояниями, то самое надежное реше-
ние — применение микросхем без трех состоя-
ний.
«Плавающая» выходная шина
Если к шине, которую совместно используют
тристабильные микросхемы, не подключен на-
грузочный резистор, результаты окажутся не-
предсказуемыми. Даже если существует гаран-
тия, что выход хотя бы одной микросхемы, под-
ключенной к шине, обязательно будет в низком
или в высоком состоянии, нагрузочный резис-
тор все же следует добавить.
Сдвиговый регистр
151


интегральные микросхемы > цифровые > счетчик
СЧЕТЧИК
13
Термин счетчик (по англ. counter) служит для обозначения цифровой
логической микросхемы. Счетчик можно создать и на транзисторах,
однако такой подход устарел. Счетчики можно также организовать и
с помощью нескольких реле или соленоида с храповым колесом, но
электромеханические устройства подобного рода в эту энциклопе-
дию не включены.
Рассматриваемые здесь счетчики по определению обладают двоич-
ными выходами, в десятичной системе представляемыми степенью
числа два: 1, 2,4, 8... Исключением из этого правила является коль-
цевой счетчик, выходы которого не обязательно соответствуют сте-
пени числа два, однако он, все же, включен в эту статью, т. к. само
название компонента определяет его как счетчик. В качестве кольце-
вого счетчика может также использоваться сдвиговый регистр, но
регистр — более гибкое устройство с большим числом дополнитель-
ных функций, ему посвящена в этой энциклопедии отдельная статья.
Счетчики на основе кода Грея, в котором каждое последующее со-
стояние отличается от предыдущего только на одну двоичную цифру,
в этой энциклопедии не рассматриваются.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• триггер (см. статью 11)
• сдвиговый регистр (см. статью 12)
Описание
С помощью счетчика можно подсчитывать собы-
тия или выдавать заданные интервалы времени,
если он подключен к такому компоненту, как,
например, кварцевый генератор, работающему
на стабильной и точно настроенной частоте.
Счетчик принимает входные импульсы (обыч-
но приходящие на тактовый вход) и отсчиты-
вает заранее установленное количество таких
импульсов, после чего запускает цикл отсчета
вновь. Цикл счета будет повторяться до тех пор,
пока подключен источник питания, поступают
тактовые импульсы и не подан сигнал сброса.
Практически все счетчики генерируют какой-
либо выходной сигнал. Чаще всего на выходе
формируется стандартная последовательность
высоких и низких состояний, которая выражает
число тактовых импульсов в двоичном форма-
те. Если количество подсчитанных счетчиком
импульсов без его перезапуска достигнет очень
большого числа, некоторые промежуточные
значения могут быть потеряны из-за перепол-
нения.
Несмотря на то, что сегодня счетчики в виде от-
дельных микросхем не так широко распростра-
нены, как на заре компьютерной эры, они все
Счетчик
153


Устройство
интегральные микросхемы > цифровые > счетчик
же могут использоваться для обеспечения про-
мышленных процессов, в небольших устрой-
ствах, для учебных целей, в сочетании с микро-
контроллерами, а также для управления инкре-
ментными устройствами, например, шаговыми
электродвигателями.
Условное обозначение
Какого-либо специального логического символа
для счетчика не существует. Чаще всего на схемах
счетчик изображают в виде прямоугольника,
слева от которого размечают вход (или входы)
для тактового сигнала и вход (или входы) для
сигнала сброса, а справа — выходы (рис. 13.1,
вверху). Пример цоколевки реальной микросхе-
мы счетчика (74НС163) приведен на рис. 13.1,
внизу, а сама микросхема — на рис. 13.2. Так как
в этой микросхеме два входа MR подключены
внутри к логическому элементу И, рядом с сим-
волом счетчика приводится символ элемента И.
Расшифровку аббревиатур, обозначающих вхо- УСТРОЙСТВО
ды, выходы и функции управления счетчика,
можно найти в разд. «Устройство» этой статьи.
Рис. 13.2. Микросхема 74НС163 представляет собой четы-
рехразрядный синхронный счетчик с возможностью пред-
варительной загрузки начального значения и выполнения
синхронного сброса
Счетчик состоит из цепочки триггеров типа
JK, Т или D, каждый из которых запускает по-
следующий (подробно о триггерах рассказано
в статье 11). На рис. 13.3 показан D-триггер,
запускаемый по фронту каждого тактового им-
пульса.
Изначально сигнал выхода (^триггера низкий,
следовательно, сигнал выхода Q (идентифициру-
емого по горизонтальной черте над буквой Q) -
высокий. Этот высокий сигнал подается обратно
Рис. 13.1. Типичное условное обозначение счетчика и цоко-
левка реальной микросхемы
Рис. 13.3. Если дополнительный (HE-Q) выход D-триггера под-
ключен к его входу, то частота сигнала на выходе Q равна по-
ловине частоты тактового импульса
154
Статья 13


интегральные микросхемы > цифровые > счетчик
Устройство
на вход D, но не производит никакого действия
до тех пор, пока фронт следующего тактового
импульса не перепишет высокое состояние вхо-
да D на выход Q, Теперь выходу зафиксирован
в высоком состоянии, а выход Q — в низком, что
вновь передается на вход D. Запускающее собы-
тие уже произошло, и поэтому низкое состоя-
ние входа D не возымеет никакого немедлен-
ного эффекта. Но фронт следующего тактового
импульса копирует низкое состояние входа D
на выход Q, что изменяет состояние выхода Q
на высокое — и цикл повторяется заново. В ре-
зультате частота выходного сигнала триггера
в два раза меньше частоты входного тактово-
го сигнала. Если выходной сигнал подается на
тактовый вход следующего триггера, то частота
импульсов вновь будет поделена на два.
Коэффициент пересчета
и остаток от деления
Коэффициент пересчета для счетчика — это
число, до которого счетчик может выполнить
счет, прежде чем начнется повторение цикла.
В англоязычной литературе для обозначения
коэффициента пересчета употребляется термин
modulus (модуль счета), который иногда оши-
бочно записывают как modulo. Однако на самом
деле modulo — это название арифметической
операции, которую часто сокращают до MOD
(и обычно записывают прописными буквами,
хотя это и не аббревиатура). Эта операция за-
ключается в получении остатка от деления
одного целого числа на другое: остаток от деле-
ния числа 100 на 5 равен 0, так как 100 делит-
ся на 5 нацело, однако деление 100 на 7 даст
в остатке 2.
Создает неразбериху тот факт, что сокращение
MOD в англоязычных источниках используется
также и для обозначения коэффициента пере-
счета счетчика, т. е. счетчик MOD-4 имеет коэф-
фициент пересчета 4, а счетчик MOD-16 — число
16. Вам следует иметь в виду, что, как правило,
при описании счетчиков термины modulo и MOD
имеют значение «модуль счета». Однако такое
употребление этих терминов может сбивать с
толку некоторых пользователей, например, тех
же программистов, привыкших к корректной
записи сокращения MOD для обозначения соот-
ветствующей арифметической операции.
Чтобы счетчик имел произвольный коэффици-
ент пересчета, не являющийся степенью числа
два, логические элементы внутри микросхемы
могут, обнаружив конкретное значение на вы-
ходе (например, двоичное число 1010, соответ-
ствующее десятичному числу 10), сформировать
сигнал повторного начала отсчета с нуля. То же
самое можно реализовать, должным образом
соединив выводы микросхемы счетчика.
Обозначения выводов
Для идентификации функций выводов счетчи-
ков в технической документации употребля-
ются различные сокращения и аббревиатуры.
Поскольку такие сокращения не были подвер-
гнуты стандартизации, могут существовать не-
сколько вариантов каждого из них.
CLK — аббревиатура, чаще всего обозначающая
тактовый вход, но иногда вместо нее использу-
ют буквы СК или СР. Если такой вход является
активным в низком состоянии, или же актив-
ным должен считаться спад тактового сигнала,
то над аббревиатурой, обозначающей этот вход,
помещается горизонтальная черта. Если типо-
графским способом поместить горизонтальную
черту над аббревиатурой невозможно, то до-
пустимо обозначение CLK' (аббревиатура со
штрихом). Зачастую две или более ступени счет-
чика могут тактироваться раздельно — в этом
случае соответствующие входы обозначаются
CLK1 и CLK2, 1CLK и 2CLK, СКА и СКВ, СР1
и СР2 или подобным образом.
Если тактовый вход запускается по перепаду
сигнала, то на схеме это обозначается неболь-
шим треугольником (см. рис. 13.3).
Аббревиатурой CLR обозначается вывод, кото-
рый сбрасывает значение счетчика на ноль. Как
Счетчик
155


Варианты
интегральные микросхемы > цифровые > счетчик
правило, такой сигнал является активным в низ-
ком состоянии, что указывается горизонтальной
чертой над этой аббревиатурой.
На схеме перед любым входом, активное со-
стояние которого низкое, может быть поме-
щен кружок. В случае с тактовым входом этот
кружок означает, что такой вход запускается по
спаду сигнала (примеры символов с условными
обозначениями триггеров были приведены на
рис. 11.14).
Операция сброса CLR может быть синхронной
(изменившееся состояние входа не будет рас-
познано до прихода следующего тактового им-
пульса) или асинхронной (в этом случае состоя-
ние входа переопределит тактовый импульс и
моментально сбросит счетчик). Аббревиатура
MR расшифровывается как Master Reset (полный
сброс) и имеет то же значение, что и CLR.
Если два или более счетчиков (или несколько
каскадов внутри одного счетчика) допускают
раздельный сброс, то на схеме будет изображено
несколько входов для сигнала сброса, которые
могут быть обозначены, например, следующим
образом: CLR1 и CLR2, либо MR1 и MR2.
Выходы практически всегда обозначаются как
Q0, Ql, Q2,... или QA, QB, QC,... и далее по воз-
растанию до достижения значения коэффициен-
та пересчета. Если в одной микросхеме установ-
лено два или более счетчиков, то к обозначениям
выходов может добавляться соответствующий
префикс, при этом 2Q3 будет обозначать третий
выход второго счетчика. Счетчики, установлен-
ные в одной микросхеме, нумеруются, начиная
с единицы.
Если на схеме показаны также внутренние триг-
геры, то им будут присвоены соответствующие
идентификаторы, например, FF1 и FF2. Каждый
триггер обладает собственной функцией сбро-
са, для которой используются обозначения С
или CD (от англ. clear data, очистить данные).
Входы D-триггера могут быть подписаны как
Dl, D2, D3, а входы JK-триггера — как J и К,
соответственно (объяснение функций входов и
выходов триггера можно найти в статье 11).
Вход счетчика всегда изображается слева и, со-
ответственно, самый левый триггер на внутрен-
ней схеме счетчика будет содержать бит самого
младшего разряда текущего значения счетчика,
несмотря на то, что двоичное число записыва-
ется таким образом, что самый младший разряд
занимает крайнее правое знакоместо.
Если счетчик может принимать на входе парал-
лельные данные (это объясняется далее), то
такой счетчик будет снабжен выводом РЕ для
активации параллельного ввода данных. Он мо-
жет также иметь вывод СЕ или СЕТ для запуска
счетчика.
Как и в случае с другими логическими микро-
схемами, вывод для подключения положитель-
ного источника питания обозначается как VCC
или V+, тогда как вывод для заземления будет
обозначен как GND или V-. Аббревиатура NC
означает, что этот вывод не задействован и, со-
ответственно, не требует подключения извне.
Варианты
Все микросхемы счетчиков работают в двоичном
коде и число битов (binary digits, двоичных цифр)
в коэффициенте пересчета счетчика равно числу
внутренних триггеров. Коэффициент пересчета
четырехразрядного счетчика (обычный мини-
мум) равен 24, т. е. 16. Коэффициент пересчета
21-разрядного счетчика (обычный максимум)
равняется 221, т. е. 2 097152. Для достижения бо-
лее высоких значений коэффициента пересчета
счетчики могут соединяться вместе в цепочку,
при этом каждый счетчик передает сигнал пере-
носа на следующий счетчик. Такая схема полу-
чила название каскадного соединения.
В одной микросхеме можно установить цепоч-
ку из нескольких счетчиков с разными коэф-
фициентами пересчета. Например, в цифро-
вых часах, отображающих часы и минуты, при
156
Статья 13


интегральные микросхемы > цифровые > счетчик
Варианты
использовании в качестве опорного сигнала
стандартной для США частоты домашней элек-
тросети 60 Гц, коэффициент пересчета первой
ступени, отвечающей за отсчет секунд, будет
равен 60. Чтобы часы могли отсчитывать ми-
нуты от 00 до 59, коэффициенты следующих
ступеней отсчета делают равными 60, 10 и 6.
Дополнительные ступени в микросхеме обеспе-
чивают отсчет часов.
В счетчик с параллельным входом можно предва-
рительно загрузить начальное значение (в дво-
ичном формате), с которого счетчик будет вести
отсчет по возрастанию или по убыванию. Вывод
для запуска параллельного входа может исполь-
зоваться для перевода счетчика в режим, когда
компонент позволяет занести в него какое-либо
значение независимо от состояния тактово-
го входа. Другие типы счетчиков загружаются
синхронно.
Асинхронный и синхронный
счетчики
В асинхронном счетчике каждый внутренний
триггер запускает тактовый вход следующего за
ним триггера — при этом состояния триггеров
изменяются быстро, но последовательно, от вхо-
да к выходу. Такая конфигурация известна как
счетчик пульсаций. Поскольку последнее окон-
чательное состояние не будет достигнуто до тех
пор, пока тактовый импульс не пройдет через
весь счетчик (и через все дополнительные счет-
чики, соединенные каскадом), подобные счет-
чики характеризуются задержкой распростра-
нения сигнала длительностью до микросекунды.
Асинхронные счетчики могут также создавать
на выходе выбросы напряжения или выдавать
некорректные мгновенные переходные значе-
ния. Из-за этого счетчики пульсаций больше
пригодны для таких случаев, как отображение
цифр на дисплее, чем для высокоскоростного
взаимодействия с логическими микросхемами.
В синхронном счетчике все триггеры тактиру-
ются одновременно, поэтому синхронные счет-
чики лучше подходят для работы на высоких
скоростях.
Из всех микросхем счетчиков, доступных сегод-
ня, почти половина относится к синхронным,
а остальная часть — к асинхронным.
Кольцевой, двоичный и двоично-
десятичный счетчики
Счетчик, активирующий выходы поочеред-
но и по одному, называют счетчиком с декоди-
рованным выходным сигналом или, зачастую,
кольцевым. Число выходов такого счетчика со-
впадает с коэффициентом пересчета. Примером
кольцевого счетчика может служить микросхе-
ма модели 4017В.
Двоичный счетчик встречается чаще и обладает
кодированным выходным сигналом. Это означает,
что счетчик будет выражать отсчитываемое зна-
чение посредством двоичного кода, выводимо-
го через взвешенные выходы, значения которых
(в десятичной системе счисления) равняются
1, 2, 4, 8 и т. д. Для счетчика с коэффициентом
пересчета 8 (также известного как восьмеричный
счетчик) потребуются три выхода, представ-
ляющие двоичные числа 000, 001, 010, 011,100,
101,110 и 111 (в десятичной системе это числа от
0 до 7). По достижении числа 111 счетчик воз-
вращается к 000 и повторяет цикл.
Шестнадцатеричный счетчик или счетчик-де-
литель на 16 имеет четыре выхода со значения-
ми от 0000 до 1111 (в десятичной системе — от
0 до 15). Четырехразрядные двоичные счетчики
встречаются очень часто, а их выводы совмес-
тимы с другими компонентами, такими как де-
кодер, конвертирующий двоичный входной
сигнал в выходной сигнал кольцевого счетчика.
Десятичным счетчиком называется двоич-
ный счетчик с коэффициентом пересчета 10.
Такой компонент называется также счетчиком
с двоично-десятичным выходом (в англоязыч-
ных источниках для него часто используется
Счетчик
157


Варианты
аббревиатура BCD). Этот счетчик задействует
четыре взвешенных выхода, представляющих
числа 0000, 0001, 0010, ООН, 0100, 0101, ОНО,
0111,1000 и 1001 (в десятичной системе это чис-
ла от 0 до 9), после чего отсчет начинается за-
ново. Поскольку в таком счетчике отсутствуют
двоичные комбинации от 1010 до 1111 (в деся-
тичной системе — от 10 до 15), говорят, что он
обладает сокращенным коэффициентом пере-
счета.
На рис. 13.4 показана схема десятичного асин-
хронного счетчика на JK-триггерах. Все входы
J и К подключены к источнику положительного
интегральные микросхемы > цифровые > счетчик
напряжения, поскольку такая конфигурация по-
зволяет тактовому входу переключать состоя-
ние выхода с высокого на низкое и наоборот.
Обратите внимание, что поскольку первичный
вход всегда изображается с левой стороны ком-
понента, то бит младшего разряда (QP) будет за-
нимать самое левое знакоместо.
Внутренний элемент И-НЕ предназначен для
обнаружения числа 1010 (десятичное 10). Вы-
ходной сигнал этого элемента становится низ-
ким, когда два его входа, получающие сигнал от
выходов Q1 и Q3, становятся высокими. Выход
элемента И-НЕ немедленно активирует функ-
цию CLR во всех триггерах, и как только деся-
тичный счетчик достигает значения 1010 (де-
сятичное 10), выполняется его автоматический
сброс на ноль.
В этой конкретной микросхеме вывод предвари-
тельной загрузки каждого триггера подключен к
источнику положительного напряжения, т. е. он
всегда неактивен. В некоторых счетчиках функ-
ция предварительной загрузки каждого триг-
гера доступна через соответствующие выводы
микросхемы. Однако при этом возникает угроза
Рис. 13.4. Внутренняя структура асинхронного десятичного
счетчика с JK-триггерами
158
Рис. 13.5. Диаграмма состояний, показывающая порядок
перехода счетчика от одного числа к другому (в десятичной
системе счисления), а также переходы, позволяющие счетчи-
ку выйти из запрещенных состояний (пример соответствует
микросхеме 74НС192)
Статья 13


интегральные микросхемы > цифровые > счетчик
Варианты
предварительной загрузки в счетчик недопу-
стимого числа (например, 11 для десятичного
счетчика). Такие числа называются ошибочными
комбинациями или запрещенными состояниями
(в этом случае использование термина «состоя-
ние» касается только двоичного числа, сохранен-
ного в триггерах счетчика, и не имеет никакого
отношения к напряжению высокого или низкого
уровня, используемому для представления дво-
ичных чисел 0 и 1). Техническая документация
счетчика должна содержать диаграмму состоя-
ний, иллюстрирующую, каким образом счетчик
будет реагировать на возникновение подобной
ситуации (рис. 13.5). Счетчик может самостоя-
тельно вернуться в нормальное состояние через,
максимум, два шага, однако это все равно — в за-
висимости от варианта применения компонента
в конкретной схеме — способно нарушить рабо-
ту всего устройства, использующего счетчик.
Источник тактовых импульсов
Сигнал на тактовом входе может обеспечивать
мжросхематаймераширезистивно-емкостной
генератор. Преимуществом второго варианта
является возможность работы на сравнительно
низких частотах, когда это необходимо. Кроме
того, источником тактовых импульсов также
может быть кварцевый генератор, работающий
на гораздо более высоких частотах, например,
1 МГц. В зависимости от сферы применения для
понижения этой частоты могут задействоваться
дополнительные последовательно подключае-
мые счетчики.
В некоторых моделях счетчиков генератор так-
товых импульсов встроен в микросхему, но чаще
используют внешний резистор и конденсатор,
которые задают требуемую тактовую частоту
в соответствии с имеющимися внутри микро-
схемы логическими элементами. Техническая
документация компонентов этого типа будет со-
держать формулу для расчета тактовой частоты,
исходя из номиналов резистора и конденсатора.
В качестве примера такого счетчика можно на-
звать микросхему 4060В.
Запуск по фронту или спаду
Счетчик может быть предназначен для запу-
ска либо по фронту, либо по спаду тактового
сигнала, а также либо высоким, либо низким
логическим состоянием. Вообще говоря, для
асинхронных счетчиков используется запуск
по спаду сигнала, для того чтобы конечный вы-
ход одного счетчика мог стать тактовым входом
для следующего. Иными словами, когда самый
старший разряд первого счетчика изменяет свое
логическое состояние с высокого на низкое, этот
переход переключает состояние самого младше-
го разряда следующего счетчика.
Запуск синхронных счетчиков, как правило, осу-
ществляется по фронту тактового импульса. При
каскадном соединении нескольких синхронных
счетчиков все они должны подключаться к об-
щему источнику тактового сигнала — это обе-
спечит одновременное изменение состояний
триггеров.
Несколько ступеней
Очень часто микросхема счетчика состоит из
двух или более ступеней с различными коэф-
фициентами пересчета. В качестве типично-
го примера можно привести наличие в одной
микросхеме ступени «деление на 2» и ступени
«деление на 5», на основе которых можно соз-
дать двоично-десятичный счетчик путем соот-
ветствующего соединения внешних выводов.
Дополнительные ступени, если их задействовать
раздельно, предоставляют возможность выбора
коэффициента пересчета.
Одинарный и сдвоенный счетчики
Микросхемы счетчика могут содержать два
одинаковых счетчика — такая конфигурация
известна как сдвоенный счетчик. Часто встреча-
ются сдвоенные четырехразрядные счетчики.
Каждый из таких счетчиков может использо-
ваться по отдельности или же их включают со-
вместно при помощи каскадного соединения,
Счетчик
159


Варианты
интегральные микросхемы > цифровые > счетчик
и в этом случае общий коэффициент пересчета
вычисляется путем перемножения коэффициен-
тов каждого из счетчиков.
Состояния выходов счетчика
Практически во всех счетчиках применяется по-
ложительная логика, где «1» представляется вы-
соким состоянием, а «О» — низким. Некоторые
счетчики допускают также наличие третьего со-
стояния с высоким импедансом, что эквивалент-
но разомкнутой цепи. Эта функция полезна в
случае, если две или более микросхемы подклю-
чены к общей выходной шине. Более подробно
такая конфигурация рассмотрена в разд. «Выход
с тремя состояниями» статьи 12, посвященной
сдвиговым регистрам.
Убывающие значения на выходе
Большинство счетчиков осуществляют отсчет
по нарастанию. Впрочем, выход счетчика мож-
но сделать убывающим, пропуская каждое дво-
ичное состояние через инвертор, однако такая
схема будет работать корректно лишь в том
случае, если коэффициент пересчета равен ко-
личеству состояний. Так, в двоично-десятичном
счетчике инвертированные выходы будут вести
отсчет от десятичного числа 15 до десятичного
числа 6, но не от десятичного числа 9 до деся-
тичного числа 0.
Лишь немногие счетчики предназначены для
корректного отсчета по убыванию, хотя доступ-
ны также реверсивные счетчики, позволяющие
пользователю выбрать направление счета: по
возрастанию или по убыванию. Примерами та-
ких счетчиков могут служить микросхемы мо-
делей 74x190 или 74x192 (вместо буквы х встав-
ляется сокращение, соответствующее семейству,
к которому микросхема принадлежит).
Выход по убыванию удобно сочетать с парал-
лельным входом, позволяющим пользователю
задать начальное значение, от которого счет-
чик начнет отсчет к нулю. На основе подобного
счетчика можно создать устройство, позволяю-
щее сформировать необходимую задержку.
Программируемые счетчики
Программируемый счетчик, как правило, по-
зволяет задать коэффициент пересчета в диапа-
зоне от 2 до 10 000 и более. Такой счетчик ведет
отсчет по убыванию посредством деления на-
чального значения на значение, представленное
с помощью двоичных входов. Пример такого
счетчика — микросхема 4059В.
Примеры
Спецификации многих счетчиков относятся к
периоду появления микросхем семейства 4000.
Некоторые версии этих микросхем впослед-
ствии стали доступны в серии 74хх, при этом
префикс 74л: часто предшествует старому номе-
ру модели семейства 4000 (буква х заменяется
на идентификатор семейства логических микро-
схем). Например, версия микросхемы 4518В для
сдвоенного двоично-десятичного счетчика мо-
жет иметь маркировку 74НС4518. Как и в случае
с другими логическими микросхемами, этому
номеру будут предшествовать одна или несколь-
ко букв, обозначающих производителя компо-
нента, кроме того, может быть добавлен и суф-
фикс, позволяющий отличить менее значитель-
ные особенности микросхем. Преимуществом
микросхем серии 74хдс является более высокая
скорость и большая нагрузочная способность.
Большинство оригинальных КМОП-микросхем,
таких как 4518В, все еще можно приобрести,
причем даже в корпусе для поверхностного мон-
тажа. Эти микросхемы предоставляют опреде-
ленные преимущества, например, работу при
более высоком напряжении источника питания.
У многих счетчиков предусмотрены дополни-
тельные возможности, в том числе установка
разных значений коэффициента пересчета по-
средством внешних подключений к выводам.
Некоторые микросхемы допускают работу на
160
Статья 13


интегральные микросхемы > цифровые > счетчик
Параметры
низких тактовых частотах, в то время как дру-
гие — нет. Большинство микросхем срабатыва-
ют по перепаду, но некоторые запускаются по
статическому уровню. Некоторые микросхемы,
например уже упомянутая микросхема 4518В,
позволяют с помощью специальных выводов за-
дать режим запуска по фронту или по спаду. При
поиске микросхемы для какого-либо конкрет-
ного применения, безусловно, необходимо про-
читать множество технических спецификаций и
выбрать наиболее подходящий компонент.
Параметры
Как и в случае с другими логическими микро-
схемами, большинство счетчиков серии 74хх
в корпусе для установки через монтажные от-
верстия предназначены для работы с источни-
ком питания 5 В постоянного тока, хотя более
старые микросхемы семейства 4000 способны
выдерживать питающее напряжение до 18 В.
Микросхемы серии 74хх в корпусе для поверх-
ностного монтажа могут работать и на более
низких напряжениях — вплоть до 2 В.
В разд. «Варианты» статьи 10, посвященной
логическим элементам, рассмотрены допу-
стимые значения напряжений высокого и низко-
го входного логического сигнала. Выходной ток
микросхем семейства 4000 не превышает 1 мА
при напряжении 5 В, а микросхемы семейства
74НСхх могут выдавать ток силой около 20 мА.
Некоторые счетчики способны обеспечивать
больший ток за счет дополнительных выходных
каскадов, что позволяет непосредственно пода-
вать питание на светодиоды. Десятичные счет-
чики марки 4026В производятся до сих пор и
могут использоваться для управления семисег-
ментными индикаторами. Микросхемы марки
4033В обладают дополнительной возможностью
гашения всех начальных нулей в многоразряд-
ных индикаторах. Другие микросхемы (напри-
мер, 74С925,74С926,74С927 и 74С928), создан-
ные для прямого подключения к светодиодным
индикаторам, к настоящему времени устарели,
поскольку такое применение микросхем посте-
пенно сошло на нет. Эти микросхемы все еще
можно найти в складских запасах, однако при
проектировании новых устройств от них следу-
ет отказаться.
Что может пойти не так?
Общие проблемы, которые могут повлиять на
работу цифровых микросхем, рассмотрены
в разд. «Что может пойти не так?» статьи 10,
посвященной логическим элементам. В разд
«Что может пойти не так?», посвященном
проблемам, связанным с работой сдвиговых
регистров (см. статью 12), описываются так-
же и сложности, касающиеся счетчиков.
А далее рассмотрены потенциальные проблемы,
характерные только для счетчиков.
Запрещенная комбинация
Так называется ситуация, возникающая, когда
в счетчик с укороченным коэффициентом пере-
счета загружается двоичное состояние, нахо-
дящееся вне диапазона допустимых значений.
Изучите техническую документацию и обратите
внимание на диаграмму состояний, чтобы опре-
делить, какими будут наиболее вероятные по-
следствия при возникновении этой проблемы.
Импульсные помехи
Поскольку триггеры в асинхронном счетчике
(счетчике пульсаций) изменяют свои состоя-
ния неодновременно, то они — пока происходит
процесс переноса бита — выдают очень корот-
кие ложные выходные сигналы {импульсные по-
мехи или клыки). В четырехразрядном счетчике
за двоичным числом 0111 (десятичным 7) долж-
но следовать число 1000 (десятичное 8). Однако
самая правая цифра (т. е. самый младший раз-
ряд) сначала изменится на 0, что приведет к ге-
нерации текущего двоичного результата ОНО
Счетчик
161


Что может пойти не так?
интегральные микросхемы > цифровые > счетчик
(десятичное число 6). Операция переноса изме-
нит затем следующую цифру на 0, что приведет к
генерации числа 0100 (десятичное 4). Операция
переноса продолжится, изменив следующую
цифру на 0 и генерируя число 0000. Наконец,
последовательность операций завершится вы-
дачей корректного значения — числа 1000.
Все эти промежуточные состояния выходов ча-
сто называются переходными состояниями, им-
пульсными помехами или выбросами. Благодаря
тому, что такие состояния очень кратковремен-
ны, они незаметны, когда счетчик подключен
к дисплею. Однако, если выходы счетчика под-
ключены ко входам других логических микро-
схем, эта особенность может создать существен-
ные проблемы.
Еще одна проблема асинхронности возника-
ет, если тактовая частота достаточно высока, и
новый импульс подается на вход первого триг-
гера до того, как процедура сквозного переноса
изменила состояния всех триггеров, вплоть до
последнего. В результате на выходах кратковре-
менно появятся неверные значения.
Помехи
Старые счетчики с транзисторно-транзисторной
логикой, например, из серии 74LSxx, особенно
чувствительны к помехам. Для их уменьшения
рекомендуется подключить развязывающий
конденсатор емкостью 0,1 мкФ или 0,047 мкФ
как можно ближе к выводу, обеспечивающему
подачу питания. При сборке таких счетчиков на
макетных платах с участием высокочастотного
генератора тактовых импульсов могут возни-
кать неприятности из-за того, что проводники
наподобие патч-кордов способны воспринимать
электромагнитные помехи. Предпочтительнее
использовать современные счетчики из серии
74НСхх
162
Статья 13


интегральные микросхемы > цифровые > шифратор
ШИФРАТОР
14
В этой энциклопедии шифратором (по англ. encoder) называется
цифровая микросхема, которая преобразует десятичный входной
код в двоичный выходной.
В англоязычной литературе термин «шифратор» может применяться
и для обозначения поворотного энкодера (которому соответству-
ют термины rotational encoder и rotary encoder) — этому компонен-
ту посвящена отдельная статья 8 в первом томе энциклопедии.
Подобный же термин также может описывать шифратор с псевдо-
случайным изменением кода — шифровальное устройство, исполь-
зуемое в системах бесключевого отпирания дверей автомобилей.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• дешифратор (см. статью 15)
• мультиплексор (см. статью 16)
Описание
Шифратор представляет собой логическую
микросхему, принимающую сигнал активного
состояния от одного из как минимум четырех
входов, каждому из которых соответствует де-
сятичный номер, начинающийся с нуля и ме-
няющийся с шагом, равным единице. Шифратор
преобразует номер активного входа в двоичное
значение, представляемое на выходе логически-
ми состояниями, как минимум, двух выводов.
Поведение этого компонента прямо противопо-
ложно поведению дешифратора1.
1 В России употребляются термины «двоично-деся-
тичный шифратор» и «двоично-десятичный дешифра-
тор». - Ред.
Шифраторы принято классифицировать по
числу входов и выходов, например:
• шифратор «4 в 2» — четыре входа, два
выхода;
• шифратор «8 в 3» — восемь входов, три
выхода;
• шифратор «16 в 4» — шестнадцать входов,
четыре выхода.
На заре компьютерной эры шифраторы обраба-
тывали прерывания, но случаев их применения
для этой цели сегодня практически не встре-
чается, и количество выпускаемых микросхем
шифраторов весьма мало. Однако шифраторы
все еще могут применяться в несложных схемах,
Шифратор
163


Описание
интегральные микросхемы > цифровые > шифратор
например, если микроконтроллер должен об-
рабатывать множество входных сигналов, но
не имеет достаточного числа выводов для раз-
дельного получения данных от каждого из
устройств.
Условное обозначение
Как и в случае с другими логическими компо-
нентами, для шифратора отсутствует какой-
либо специальный символ, и поэтому его можно
представлять в виде прямоугольника, у кото-
рого входы указаны слева, а выходы — справа
(рис. 14.1). Горизонтальная черта над некото-
рыми из аббревиатур показывает, что такой
вход или выход активны в низком состоянии.
Как можно видеть, в этой микросхеме (модель
74LS148) все входы и выходы активны в низком
состоянии.
Вообще говоря, входы, обозначенные как DO,
Dl, D2..., служат для ввода данных, хотя такие
входы могут быть просто пронумерованы без
указания букв. Кодированные выходы, как пра-
вило, обозначаются QO, Ql, Q2... или АО, Al, A2,
при этом выходу Q0 или АО назначается самый
Рис. 14.1. Специального символа для микросхем шифратора
нет, здесь показан шифратор «16 в 4» с активными низкими
входами и выходами
младший бит двоичного числа. Выводы, обозна-
ченные здесь как Е и GS, описываются далее (см.
разд. «Каскадное соединение шифраторов» этой
статьи).
Похожие компоненты
Сходства и различия между такими компонента-
ми, как шифратор, дешифратор, мультиплексор
и демультиплексор, могут привести к путанице,
поэтому имеет смысл представить здесь их срав-
нительные описания.
В случае с шифратором активное логическое
состояние устанавливается только на одном из
четырех или более входов, в то время как все
остальные входы остаются в неактивном состо-
янии. Номер входа преобразуется в двоичный
код, выражаемый как комбинация логических
состояний на двух или более выходах.
В случае с дешифратором двоичное число по-
дается в виде комбинации логических состоя-
ний на два или более входа. Значение этого чис-
ла определяет, который из четырех или более
выходов будет переведен в активное логическое
состояние, в то время как все остальные выходы
будут оставаться неактивными.
Мультиплексор может подключать несколько
выбранных входов к одному выходу для пере-
дачи данных. Логическое состояние разрешаю-
щего вывода или двоичное число, подаваемое
в качестве комбинации логических состояний
на несколько адресных управляющих выводов,
определяет, какой из входов будет подключен к
выходу. Альтернативный термин селектор дан-
ных более понятно описывает функцию этого
устройства.
Некоторые разновидности аналогового муль-
типлексора позволяют менять местами входы
и выходы. В этом случае он становится демуль-
типлексором, который может соединять один
вход с одним из нескольких выходов для пере-
дачи данных. Логическое состояние разрешаю-
щего вывода или двоичное число, подаваемое
164
Статья 14


интегральные микросхемы > цифровые > шифратор
Устройство
в качестве комбинации логических состояний на
несколько управляющих выводов, определяет
используемый выход. Альтернативный термин
распределитель данных более понятно описыва-
ет функцию этого устройства.
Устройство
Шифратор состоит из нескольких логических
элементов. Внутренняя структура шифрато-
ра «8 в 3» показана на рис. 14.2, где собственно
микросхема обозначена темным прямоугольни-
ком. Изображенные на этом рисунке переклю-
чатели на самом деле являются по отношению к
микросхеме шифратора внешними и приведены
здесь только для пояснения принципа работы
компонента: предполагается, что разомкну-
тый переключатель обеспечивает неактивный
логический вход, тогда как единственный зам-
кнутый переключатель — активный логический
вход (несколько активных состояний можно об-
работать приоритетным шифратором, описы-
ваемым далее).
Каждому входному переключателю присваива-
ется номер от 1 до 7. Переключатель с номером
О не подключен, т. к. состояние на выходе эле-
ментов ИЛИ по умолчанию равно 000.
Логическое состояние каждого выхода ИЛИ со-
ответствует двоичному числу, взвешенному по
десятичным значениям 1, 2 и 4, — как показано
в нижней части рис. 14.2. И если замкнуть пере-
ключатель 5, то, отследив подключения, станет
ясно, что это действие активирует выходы эле-
ментов ИЛИ с номерами 4 и 1, в то время как
выход элемента 2 останется неактивным. Сумма
значений активных выходов, таким образом,
равняется 5 в десятичной системе.
На рис. 14.3 показаны коды на выходе для всех
возможных состояний входов шифратора «4 в 2»,
а на рис. 14.4 — коды на выходе для всех воз-
Рис. 14.2. Упрощенная внутренняя структура шифратора
«8 в 3»: темный прямоугольник ограничивает пространство
собственно микросхемы, а внешние переключатели изобра-
жены только для пояснения принципа работы. В реальной
микросхеме есть также контакт, позволяющий активировать
выход
Рис. 14.3. Четыре возможных состояния входов шифратора
«4 в 2» {верхняя часть каждой схемы) и соответствующий код
на выходе {внизу)
Шифратор
165


Варианты
интегральные микросхемы > цифровые > шифратор
можных состояний входов шифратора «8 в 3».
На обеих схемах принято, что высокое логи-
ческое состояние является активным логиче-
ским состоянием как входов, так и выходов (так
обычно и есть на практике).
В отличие от асинхронных счетчиков, где за-
держка распространения сигнала может увели-
чить общее время отклика компонента, время
срабатывания шифраторов всегда находится
в диапазоне от двух до трех наносекунд.
Варианты
В простом шифраторе предполагается, что
в каждый момент времени в активном логиче-
ском состоянии может находиться только один
вход. Приоритетный шифратор присваивает
приоритет входу с наибольшим значением, если
у микросхемы окажется более одного входа в ак-
тивном логическом состоянии, а входы с мень-
шими значениями будут проигнорированы.
Примером приоритетного шифратора «8 в 3»
может служить микросхема 74LS148.
Некоторые шифраторы допускают наличие
выходов с тремя состояниями. В этом случае
к обычным низкому и высокому состояниям до-
бавляется высокоимпедансное, или «разомкну-
тое», выходное состояние. Высокоимпедансное
состояние позволяет подключать несколько
микросхем к одной выходной шине, поскольку
микросхемы, переведенные в третье состояние,
не влияют на работу остальных. Такая конфи-
гурация удобна при каскадном соединении не-
скольких шифраторов, обрабатывающих боль-
шое количество входных сигналов.
Рис. 14.4. Восемь возможных состояний входов шифратора
«8 в 3» (верхняя часть каждой схемы) и код на выходе (вни-
зу): заметьте, что только один вход шифратора должен быть
Параметры
Как и в случае с другими логическими микро-
схемами, большинство шифраторов серии 74хх
в DIP-корпусе предназначены для работы с ис-
точником питания 5 В, хотя более старые мик-
росхемы семейства 4000 способны выдерживать
питающее напряжение до 18 В. Микросхемы
в корпусе для поверхностного монтажа могут
работать и при более низких напряжениях -
вплоть до 2 В.
В разд. «Варианты» статьи 10, посвященной
логическим элементам, рассмотрены допусти-
мые значения напряжений высокого и низкого
входного логического сигнала. Максимальный
выходной ток микросхем семейства 4000 не пре-
вышает 1 мА при напряжении 5 В, а микросхе-
в высоком логическом состоянии, а все входы, находящиеся мы Семейства 74НСХХ МОГут выдавать ТОК СИЛОЙ
в низком логическом состоянии, являются неактивными
около 20 мА.
166
Статья 14


интегральные микросхемы > цифровые > шифратор
Использование
Использование
Предположим, что микроконтроллер должен
определять положение восьмипозиционного по-
воротного переключателя (рис. 14.5). Поскольку
такой переключатель в каждый момент времени
можно повернуть только на одну позицию, все
его восемь контактов могут быть подключены
ко входам шифратора, что обеспечит подачу на
входы микроконтроллера трехразрядных дво-
ичных чисел. После этого программа, загружен-
ная в микроконтроллер, интерпретирует состоя-
ния входов.
Для того чтобы входы не оказались в «плаваю-
щем» состоянии в момент отсутствия подключе-
ния к поворотному переключателю, в схеме не-
обходимо предусмотреть резисторы утечки (для
упрощения схемы они здесь не изображены).
Устранение дребезга контактов переключателя
будет осуществлять микроконтроллер.
Вместо поворотного переключателя могут ис-
пользоваться также и другие устройства ввода,
например, через шифратор можно пропустить
выходные сигналы от восьми компараторов или
от восьми фототранзисторов.
Каскадное соединение
шифраторов
Зачастую шифраторы поставляются с возмож-
ностями, облегчающими обработку дополни-
тельных входных сигналов путем соединения
нескольких микросхем. Как правило, для этого
используется второй разрешающий вывод, ко-
торый соединен с разрешающим выводом пре-
дыдущей микросхемы. Это позволяет сохранить
функцию приоритета, чтобы вход второй ми-
кросхемы предотвращал возникновение такой
ситуации, когда какой-либо дополнительный
CN
со
in
t
о
Q
Q
Q
'! I
i )
i !
т
ю
О
Q
Q:
Рис. 14.5. Поворотный переключатель с восемью контактами
можно подключить к микроконтроллеру с помощью шифрато-
ра «8 в 3», что позволит уменьшить требуемое число выводов
(резисторы утечки не изображены для упрощения схемы)
Рис. 14.6. Два 8-разрядных шифратора для обработки 16 раз-
дельных входов могут быть подключены каскадом: эти шиф-
раторы используют логику активного высокого состояния
Шифратор
167


Что может пойти не так?
интегральные микросхемы > цифровые > шифратор
входной сигнал на первой микросхеме влияет на
выход. В технической документации разрешаю-
щие выводы могут быть обозначены как EIN и
Вдобавок к этому может также присутствовать
вывод GS, название которого означает «Выбор
группы» (от англ. Group Select). Этот выход нахо-
дится в активном логическом состоянии, только
если шифратор активен и как минимум на одном
из его входов присутствует активный уровень.
Вывод GS наиболее значимого шифратора соот-
ветствует дополнительному двоичному разряду.
Выходы двух шифраторов могут быть связаны
посредством элементов ИЛИ (рис. 14.6), когда
выход GS самого нижнего шифратора соответ-
ствует биту самого старшего разряда четырех-
разрядного двоичного числа.
Что может пойти не так?
Общие проблемы, которые могут повлиять на
работу цифровых микросхем, рассмотрены
в разд. «Что может пойти не так?» статьи 10,
посвященной логическим элементам. В разд.
«Что может пойти не так?», посвященном про-
блемам, связанным с работой дешифраторов
(см. статью 15), приведен перечень более спе-
цифичных проблем, затрагивающих, в том чис-
ле, и шифраторы.
168
Статья 14


интегральные микросхемы > цифровые > дешифратор
ДЕШИФРАТОР
15
В этой энциклопедии дешифратором (по англ. decoder) называется
цифровая микросхема, принимающая кодированный в двоичном
формате входной сигнал и преобразующая его в десятичный путем
изменения логического состояния одного из своих выходов, каждо-
му из которых присвоен номер, начиная с нуля.
Термин «дешифратор» относится также к компонентам и устрой-
ствам, которые обладают иными функциями, — например, способ-
ностью декодировать аудио- или видеоформаты, но такие компонен-
ты и устройства здесь не рассматриваются.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• шифратор (см. статью 14)
• мультиплексор (см. статью 16)
Описание
Дешифратор принимает на одном или двух сво-
их входах кодированное в двоичном формате
число, а затем декодирует его и выдает резуль-
тат, активируя один из своих (как минимум че-
тырех) выходов.
На рис. 15.1 показана последовательность со-
стояний дешифратора, в котором различные
значения двухразрядного двоичного числа на
входе декодируются для формирования выход-
ного сигнала на каком-либо одном из четырех
его выводов. На каждом рисунке самый млад-
ший входной бит находится справа, а выход-
ной - перемещается справа налево.
Двоич
Десятич
ый вход
ое значен
Дво
Выход
woe значен
| f
Выход
Двоичным вход У1
Десятичное значение
а
I !
Выход
ДВОИЧНЫЙ ВХОД П
десятичное значение :
JL—
Т WWlo
Выход
Рис. 15.1. Дешифратор с двумя входами может декодировать
поданное на него двоичное число, переводя в активное
состояние один из четырех своих выходов
Дешифратор
169


Описание
интегральные микросхемы > цифровые > дешифратор
ф #
Двоенный вход ■
I # i I I
! I
i i
Рис. 15.2. Дешифратор с тремя входами может декодировать
поданное на него двоичное число, переводя в активное
состояние один из восьми своих выходов
На рис. 15.2 представлена подобная последова-
тельность состояний дешифратора, в котором
различные значения трехразрядного входного
кода декодируются для выдачи выходного сиг-
нала на восьми выводах. Одно из состояний че-
тырехразрядного дешифратора изображено на
рис. 15.3.
Для всех этих схем предполагается, что высокое
состояние соответствует активному входному
или выходному сигналу. Впрочем, в некоторых
микросхемах активный выход может быть пред-
ставлен низким состоянием.
Чаще всего встречаются дешифраторы с двумя,
тремя или четырьмя входами. Для обработки
входа с двоичным значением больше 1111 (чис-
ло 15 в десятичной системе) дешифраторы могут
соединяться по цепочке, как показано далее.
В технической документации производители за-
частую описывают дешифраторы по числу вхо-
дов и выходов. Как правило, можно встретить
следующие варианты:
• дешифратор «2 в 4» — два входа, четыре
выхода;
• дешифратор «3 в 8» — три входа, восемь
выходов;
• дешифратор «4 в 10» — для преобразования
двоично-десятинного числа в десятичный
выход;
• дешифратор «4 в 16» — также известный
как шестнадцатеричный дешифратор.
♦
Рис. 15.3. Дешифратор с четырьмя входами может
декодировать поданное на него двоичное число, переведя
в активное состояние один из своих 16 выходов (здесь
изображено только одно из 16 возможных состояний)
Входные устройства
Входы дешифратора могут быть подключены к
счетчику с выходным сигналом, кодированным
в двоичном формате. Дешифратор можно под-
ключить также и к микроконтроллеру, у которо-
го не хватает выводов для управления большим
количеством устройств. При этом двоичные
числа, посылаемые в дешифратор микрокон-
троллером, будут интерпретироваться им и вы-
даваться через два, три или четыре его выхода
170
Статья 15


интегральные микросхемы > цифровые > дешифратор
Описание
Условное обозначение
Подобно другим логическим компонентам де-
шифратор не имеет специального условного
обозначения и поэтому изображается в виде
простого прямоугольника, у которого входы
указаны слева, а выходы — справа (рис. 15.5).
Рис. 15.4. Четыре выхода двоичного счетчика или микроконт-
роллера благодаря дешифратору способны активировать
одно из 16 устройств
для активации одного из устройств на основе
транзисторов или матриц Дарлингтона, необхо-
димых для работы с нагрузкой (рис. 15.4).
Для подобных целей вместо дешифратора мо-
жет использоваться также и сдвиговый ре-
гистр, однако этот компонент зачастую имеет
лишь один вход, на который потребуется по-
давать комбинацию битов, соответствующую
необходимым высоким и низким состояниям
выходов. Некоторое преимущество такой систе-
мы заключается в том, что сдвиговый регистр
может сформировать любую комбинацию со-
стояний на выходах, в то время как дешифратор
в каждый момент способен активировать только
один выход.
Рис. 15.5. Принятый вариант условного обозначения мик-
росхемы дешифратора (здесь показан дешифратор «4 в 16»
микросхемы 74НС4514)
Подключение светодиодного
индикатора
Семисегментный дешифратор — это особый
вариант дешифратора, предназначенный для
подключения к светодиодному индикатору.
Кодированное в двоичном формате десятичное
число, подаваемое на четыре входа дешифра-
тора, преобразуется в комбинацию выходных
сигналов, предназначенную для включения сег-
ментов дисплея, формирующих изображение
цифры от 0 до 9.
Горизонтальная черта над сокращениями Е и
LE, которые означают, соответственно, «Разре-
шение» (от англ. Enable) и «Защелка» (от англ.
Latch Enable), показывает, что эти входы являют-
ся активными в низком состоянии. В приведен-
ной на рис. 15.5 и 15.6 микросхеме дешифратора
«4 в 16» (модель 74НС4514) все выходы являют-
ся активными в высоком состоянии, тогда как в
аналогичном дешифраторе «4 в 16» микросхемы
74НС4515 активное состояние выходов — низ-
кое. В обеих микросхемах для активации выхо-
дов на входе Е должен присутствовать низкий
Дешифратор
171


Устройство
интегральные микросхемы > цифровые > дешифратор
Рис. 15.6. 24-штырьковая микросхема дешифратора модели
74НС4514 обрабатывает четырехразрядный входной код
и переводит один из 16 выходов в активное высокое со-
стояние
уровень. Вывод LE «замораживает» текущее со-
стояние выходов (т. е. «защелкивает» их), когда
находится в низком состоянии.
Выводы, зачастую обозначенные в технической
документации как АО, Al, A2 ... (хотя они могут
быть обозначены и как А, В, С...), являются дво-
ичными входами, при этом обозначение АО со-
ответствует самому младшему разряду. Выходы УСТРОЙСТВО
обычно обозначены буквой Y, и когда двоичный
вход начинает отсчет по возрастанию, активиру-
ются последовательно, начиная с Y0.
передачи данных. Логическое состояние раз-
решающего вывода или двоичное число, пода-
ваемое в качестве комбинации логических со-
стояний на несколько адресных управляющих
выводов, определяет, какой из входов должен
быть подключен к выходу. Альтернативный тер-
мин селектор данных более понятно описывает
функцию этого устройства.
Некоторые разновидности аналогового муль-
типлексора позволяют менять местами входы
и выходы. В этом случае он становится демуль-
типлексором, который может соединять один
вход с одним из нескольких выходов для пере-
дачи данных. Логическое состояние разрешаю-
щего вывода или двоичное число, подаваемое в
качестве комбинации логических состояний на
несколько управляющих выводов, определяет
используемый выход. Альтернативный термин
распределитель данных более понятно описыва-
ет функцию этого устройства.
Похожие компоненты
Сходства и различия между такими устройства-
ми, как шифратор, дешифратор, мультиплексор
и демультиплексор, могут привести к путанице,
поэтому имеет смысл представить здесь их срав-
нительные описания.
В случае с дешифратором двоичное число по-
дается в виде комбинации логических состоя-
ний на два или более входа. Значение этого чис-
ла определяет, который из четырех или более
выходов будет переведен в активное логическое
состояние, в то время как остальные выходы бу-
дут оставаться неактивными.
Мультиплексор может подключать несколь-
ко выбранных входов к одному выходу для
Дешифратор состоит из логических элементов,
каждый из которых подключен так, чтобы реаги-
ровать только на одну из комбинаций двоичного
входного сигнала (в случае с семисегментным
дешифратором внутренняя структура микро-
схемы более сложная). На рис. 15.7 показана
структура дешифратора «2 в 4», где собственно
микросхема обозначена темным прямоугольни-
ком. Изображенные на этом рисунке переклю-
чатели на самом деле являются по отношению
к микросхеме дешифратора внешними и при-
ведены здесь только для пояснения принципа
работы компонента: предполагается, что разом-
кнутый переключатель обеспечивает низкий
логический вход, а замкнутый — высокий.
В отличие от асинхронных счетчиков, где за-
держка распространения сигнала может увели-
чить общее время отклика компонента, дешиф-
раторы обеспечивают срабатывание в течение
двух-трех наносекунд.
172
Статья 15


интегральные микросхемы > цифровые > дешифратор
Варианты
схемы все еще можно найти среди складских
запасов, однако при проектировании новых
устройств они использоваться не должны.
Несмотря на то, что микросхемы 74LS47 произ-
водятся до сих пор и даже доступны в корпусе
для поверхностного монтажа, а также для уста-
новки в монтажные отверстия, в широко рас-
пространенном семействе НС микросхем серии
74хх подобного варианта нет.
При совместном использовании микросхем
74НСхх и 74LS47 необходимо соблюдать осо-
бую осторожность, не забыв обеспечить для них
соответствующие уровни напряжения на входе.
Параметры
Рис. 15.7. Упрощенная структура дешифратора: темный пря-
моугольник ограничивает пространство собственно микро-
схемы, а внешние переключатели изображены только для
пояснения принципа работы. В реальной микросхеме есть
также контакт, позволяющий активировать выход
Варианты
За все время развития дешифраторов возникло
не так уж много их разновидностей, да и на се-
годняшний день из них доступны лишь некото-
рые, - в большинстве своем это дешифраторы
«Зв 8», «4 в 16» или двоично-десятичные.
Микросхемы 7447 или 74LS47 — это семисег-
ментные дешифраторы, снабженные выходом
соткрытым коллектором и способные напрямую
управлять семисегментным индикатором. Мик-
росхема 7448 обладает похожими функциями,
но снабжена также встроенными резисторами
и имеет возможность гашения на индикаторе
начальных нулей. Тем не менее, теперь мно-
гие поставщики приводят микросхему 74LS48
в списках устаревших модификаций. Эти микро-
Как и в случае с другими логическими микро-
схемами, большинство дешифраторов серии
74хх в DIP-корпусе предназначены для работы с
источником питания 5 В, хотя более старые ми-
кросхемы семейства 4000 способны функциони-
ровать при питании от источника напряжением
до 18 В. Микросхемы серии 74хх в корпусе для
поверхностного монтажа могут работать и на
более низких напряжениях — вплоть до 2 В.
В разд. «Варианты» статьи 10, посвященной
логическим элементам, рассмотрены допу-
стимые значения напряжений высокого и низко-
го входного логического сигнала. Выходной ток
микросхем семейства 4000 не превышает 1 мА
при напряжении 5 В, а микросхемы семейства
74HCjcx могут выдавать ток силой около 20 мА.
Использование
Дешифраторы стали редко использоваться по
первоначальному назначению (в компьютерных
схемах), однако они до сих пор применяются в
простых устройствах и приспособлениях, где
несколько выходов управляются от счетчика
или микроконтроллера.
^шифратор
173


Что может пойти не так?
интегральные микросхемы > цифровые > дешифратор
Несмотря на то, что количество выходов у де-
шифраторов, как правило, не превышает 16,
конструкция некоторых микросхем допускает
возможность каскадирования. Так, микросхема
74x138 (где буква х заменяется на идентифи-
катор семейства микросхем, например LS или
НС) — это дешифратор «3 в 8» с двумя логически
низкими и одним логически высоким разреша-
ющими выводами. Если «старшая» линия трех-
разрядной шины соединена с логически низким
разрешающим выводом одной из микросхем и
с логически высоким разрешающим выводом
другой, то первая микросхема будет отключена,
когда эта линия перейдет в высокое состояние,
которое будет означать достижение двоичного
числа 1000. Вторая микросхема сможет продол-
жить работу далее за счет использования трех
младших входных битов. В подобную цепочку
можно объединить не более четырех микро-
схем.
Что может пойти не так?
Общие проблемы, которые могут повлиять на
работу цифровых микросхем, рассмотрены
в разд. «Что может пойти не так}» статьи 10,
посвященной логическим элементам.
Переходные процессы
Несмотря на то, что дешифратор, как правило,
работает быстрее асинхронного счетчика, про-
блема с возникновением кратковременных пере-
ходных процессов на выходе все же остается. Под
переходными процессами понимаются непро-
должительные некорректные состояния, в кото-
рые переходит микросхема, если одни внутрен-
ние операции выполняются медленнее других,
и более быстрые операции конфликтуют с менее
быстрыми процессами, еще не подошедшими
к своему завершению (так называемые гонки).
Поэтому для гарантии стабильности и коррект-
ности выходного сигнала необходим небольшой
интервал времени релаксации. Впрочем, при ис-
пользовании дешифратора для подачи питания
на такое устройство, как светодиодный инди-
катор, который не отображает столь кратковре-
менные изменения, эту проблему можно считать
несущественной. Однако она может стать более
ощутимой, если выходной сигнал дешифратора
подается на вход других логических микросхем.
Входной сигнал, получаемый дешифратором
от асинхронного счетчика, также может содер-
жать импульсную помеху, способную привести
к ошибочному выходному сигналу на дешифра-
торе, поэтому ко входу дешифратора лучше все-
го подключать синхронный счетчик.
Неточная классификация
На сайтах многих интернет-магазинов, продаю-
щих электронные компоненты, дешифраторы
занесены в общую категорию с шифраторами,
мультиплексорами и демультиплексорами, что
усложняет поиск необходимого компонента.
Поиск в такой обширной категории (которая
может содержать несколько тысяч микросхем)
можно значительно сузить путем указания необ-
ходимого числа входов и выходов микросхемы.
Активный высокий или активный
низкий сигнал
Внешне одинаковые микросхемы с похожей
маркировкой могут обладать выходом либо
активным высоким, либо активным низким.
Некоторые микросхемы снабжены входом
«защелки», в то время как другим микросхемам
для выдачи выходного сигнала требуется
принудительный перевод разрешающих входов
в низкое или в высокое состояние. Похожие
компоненты легко перепутать, в результате
в схеме могут возникнуть логические ошибки.
174
Статья /5


интегральные микросхемы > цифровые > мультиплексор
МУЛЬТИПЛЕКСОР
16
Название мультиплексор (по англ. multiplexer) в англоязычной лите-
ратуре может быть сокращено до тих (а иногда и набрано пропис-
ными буквами), называют этот компонент также селектором данных.
Некоторые источники утверждают, что мультиплексор должен иметь
не более двух каналов, в то время как у селектора данных их может
быть больше, однако по этому вопросу консенсус еще не достиг-
нут — в технической документации преимущественно встречается
термин «мультиплексор».
Аналоговые мультиплексоры обычно представляют собой двуна-
правленные устройства и поэтому могут использоваться также и в
качестве демультиплексоров. По этой причине отдельная статья про
демультиплексоры в энциклопедии отсутствует.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• шифратор (см. статью 14)
• дешифратор (см. статью 15)
Описание
Мультиплексор позволяет выбрать один из двух
или более входов и через внутренний коммута-
тор подключить его к выходу. Несмотря на то,
что мультиплексор представляет собой полупро-
водниковый компонент, он действует так, словно
состоит из поворотного переключателя, под-
ключенного последовательно к однополюсному
переключателю на одно направление (SPST), —
как показано на рис. 16.1. Двоичный код, пода-
ваемый на один или несколько адресных управ-
ляющих контактов, выбирает вход, а разрешаю-
щий вывод устанавливает подключение между
входом и выходом. Сигналы на управляющих
и разрешающем выводах обрабатываются с
помощью внутренней структуры микросхемы,
Рис. 16.1. Мультиплексор работает так, будто содержит пово-
ротный переключатель: положение переключателя опреде-
ляется двоичным числом, подаваемым на внешние управляю-
щие выводы, а внутреннее подключение совершается путем
подачи сигнала запуска на разрешающий вывод
Мультиплексор
175


Описание
интегральные микросхемы > цифровые > мультиплексор
именуемой декодером, которую необходимо от-
личать от дешифратора (ему посвящена в этой
энциклопедии отдельная статья)1.
Все мультиплексоры относятся к устройствам с
цифровым управлением, но могут описываться
или как цифровые, или как аналоговые, — в зави-
симости от того, каким образом обрабатывается
входной сигнал:
• цифровой мультиплексор выдает выходной
сигнал, уровень которого соответствует
параметрам логически высокого или
логически низкого сигнала для данного
семейства микросхем;
• аналоговый мультиплексор не изменяет
уровень напряжения и пропускает любые
сигналы, и поэтому его можно использовать
с переменным током.
Поскольку аналоговый мультиплексор всего
лишь коммутирует электрический ток, этот ком-
понент может быть двунаправленным. Иными
словами, он может работать как демульти-
плексор, и в этом случае входной сигнал пода-
ется на полюс (воображаемого) внутреннего
переключателя, а выходной сигнал — снимается
с выводов.
Внешний вид микросхемы двойного двунаправ-
ленного четырехканального дифференциаль-
ного аналогового мультиплексора показан на
рис. 16.3.
Рис. 16.2. Дифференциальный мультиплексор состоит из не-
скольких электрически отделенных друг от друга электрон-
ных переключателей, что напоминает галеты поворотного
переключателя: несмотря на то, что каналы каждого пере-
ключателя нумеруются по возрастанию, начиная с нуля, сами
переключатели нумеруются с единицы
Дифференциальный
мультиплексор
Дифференциальный мультиплексор состоит из
нескольких переключателей, отделенных друг
от друга, т. е. они электрически изолированы
друг от друга, несмотря на то, что управляются
одной и той же группой адресных управляющих
выводов. Концептуально дифференциальный
мультиплексор похож на поворотный переклю-
чатель с двумя или более галетами на одной оси
(рис. 16.2).
1 Путаница здесь, по большей части, может возникнуть
у читателей английской версии книги, поскольку по-анг-
лийски и декодер, и дешифратор называются одинаково:
decoder. — Ред.
Рис. 16.3. Эта КМОП-микросхема содержит два четырехка-
нальных дифференциальных аналоговых мультиплексора
176
Статья 16


интегральные микросхемы > цифровые > мультиплексор
Устройство
Современные мультиплексоры зачастую ис-
пользуются для коммутации высокочастотных
потоков данных в аудиоустройствах, телеком-
муникации и видеоприложениях.
Похожие компоненты
Сходства и различия между такими устройства-
ми, как мультиплексор, демультиплексор, шиф-
ратор и дешифратор, могут привести к путани-
це, поэтому имеет смысл представить здесь их
сравнительные описания.
Мультиплексор может подключать несколько
выбранных входов к одному выходу для пере-
дачи данных. Логическое состояние разрешаю-
щего вывода или двоичное число, подаваемое
в качестве комбинации логических состояний
на несколько адресных управляющих выводов,
определяет, какой из входов должен быть под-
ключен к выходу. Альтернативный термин се-
лектор данных лучше соответствует функции
этого устройства.
Некоторые разновидности аналогового муль-
типлексора позволяют менять местами входы
и выходы. В этом случае он становится демуль-
типлексором, который может соединять один
вход с одним из нескольких выходов для пере-
дачи данных. Логическое состояние разрешаю-
щего вывода или двоичное число, подаваемое в
качестве комбинации логических состояний на
несколько управляющих выводов, определяет
используемый выход. Альтернативный термин
распределитель данных лучше соответствует
функции этого устройства.
В случае с шифратором активное логическое
состояние устанавливается на одном из четырех
или более входов, в то время как все остальные
входы остаются в неактивном состоянии. Номер
входа преобразуется в двоичный код, выражае-
мый как комбинация логических состояний на
двух или более выходах.
В случае с дешифратором двоичное число по-
дается в виде комбинации логических состояний
на два или более входа. Значение этого числа
определяет, который из четырех или более вы-
ходов будет переведен в активное логическое
состояние, в то время как остальные выходы бу-
дут оставаться неактивными. Цифровой муль-
типлексор не допускает перестановки местами
входов и выходов, однако дешифратор может
работать и как цифровой демультиплексор.
Устройство
Входы мультиплексора принято называть кана-
лами. Чаще всего встречаются мультиплексоры
с одним, двумя, четырьмя, восемью или шест-
надцатью каналами. Одноканальный компо-
нент может находиться только в одном из двух
состояний: «включено» или «выключено», т. е.
функционирует подобно однополюсному пере-
ключателю на одно направление (SPST).
Если в мультиплексоре более двух каналов, то
выбор активного канала внутри микросхемы
определяется подаваемым на управляющие вхо-
ды двоичным числом. Количество каналов, как
правило, совпадает с возможным максимумом,
определяемым по числу управляющих выво-
дов, — таким образом, два вывода управляют
четырьмя каналами, три вывода — восемью
каналами, а четыре вывода (обычный макси-
мум) — шестнадцатью.
В мультиплексорах с тремя или более каналами
разрешающий вывод, как правило, все же при-
сутствует и служит для одновременной актива-
ции или деактивации всех каналов. Возможность
активации может также описываться термином
стробирование9 ей может быть противопостав-
лена функция запрета.
Несмотря на то, что для пояснения работы муль-
типлексора полезна аналогия с поворотным
переключателем, чаще всего (а иногда и в тех-
нической документации) этот компонент пред-
ставляют как матрицу однополюсных переклю-
чателей на одно направление, каждый из кото-
рых может быть либо замкнут, либо разомкнут
Мультиплексор
177


Устройство
интегральные микросхемы > цифровые > мультиплексор
схемой декодера. На рис. 16.4 приведен типич-
ный пример сдвоенного дифференциального
мультиплексора. Заметьте, что внутренний де-
кодер единовременно может замыкать только
один переключатель в каждом из каналов.
Аналогия с переключателем в целом является
приемлемой, поскольку в том случае, когда вы-
ход мультиплексора внутренне не подключен
(т. е. переключатель «разомкнут»), цепь также,
по сути, оказывается разомкнутой. Однако не-
которые мультиплексоры содержат нагрузочные
резисторы, устанавливающие каждый выход
в определенное состояние. Это может являться
важным фактором при определении, подходит
ли конкретный мультиплексор для использова-
ния в вашей схеме.
В действительности же цифровые мультиплек-
сор и демультиплексор содержат набор логичес-
Рис. 16.5. Упрощенное представление логических элементов
в цифровом мультиплексоре
Рис. 16.4. Внутреннюю структуру сдвоенного мультиплек-
сора обычно представляют в виде матрицы однополюсных
переключателей на одно направление (SPST), каждый из ко-
торых управляется декодером
178
Рис. 16.6. Упрощенное представление логических элементов
в цифровом демультиплексоре
Статья 16


интегральные микросхемы > цифровые > мультиплексор
Устройство
ких элементов, показанных в упрощенной фор-
ме на рис. 16.5 и 16.6 соответственно.
Условное обозначение
На схемах мультиплексор и демультиплексор
могут быть представлены в виде трапеции, более
длинная сторона которой соответствует больше-
му количеству подключений (рис. 16.7). Однако
такое обозначение встречается все реже.
8ых 3
Выбор
Выбоо
Рис. 16.7. Традиционные символы для мультиплексора (сле-
ва) и демультиплексора [справа): более длинная сторона тра-
пеции соответствует наибольшему количеству подключений
(этот символ выходит из употребления)
Рис. 16.8. Чаще всего мультиплексор обозначается в виде
простого прямоугольника, однако символика обозначений
выводов не стандартизирована
Чаще, как и в случае с большинством логических
компонентов, мультиплексор и демультиплек-
сор изображают в виде прямоугольника, у ко-
торого входы указаны слева, а выходы — справа
(рис. 16.8). Однако различить входы и выходы
в аналоговом мультиплексоре проблематично,
поскольку он допускает прохождение сигналов
в обоих направлениях.
Идентификация выводов
Отсутствие стандартизации для обозначения
выводов мультиплексоров, по сравнению с ло-
гическими микросхемами других типов, ощуща-
ется исключительно остро.
Разрешающий вывод обозначается как Е, EN
или, реже, ОЕ. Кроме того, он может быть на-
зван запрещающим (от англ. inhibit) и, соответ-
ственно, обозначен INH (иногда его также назы-
вают стробирующим). В каждом случае функция
этого вывода остается неизменной: одно из его
логических состояний разрешает сигнал на вы-
ходе, а второе — запрещает.
Входы переключателей могут быть подписа-
ны либо как SO, SI, S2..., либо как Х0, XI, Х2...,
либо просто пронумерованы, как правило, на-
чиная с нуля. Если в одном корпусе заключено
несколько групп переключателей, то в обозначе-
нии каждой из групп входов, чтобы отличить ее
от остальных, может присутствовать цифра или
буква, обозначающая переключатель, — напри-
мер, ISO, 1S1,1S2... или 1X0,1X1,1X2... (нуме-
рация переключателей, как правило, начинается
с единицы, несмотря на то, что входы их нуме-
руются с нуля по возрастанию). Выходы могут
быть обозначены в рамках той же системы, что
и входы, однако следует иметь в виду, что входы
и выходы аналогового мультиплексора взаимо-
заменяемы. Некоторые производители предпо-
читают обозначать выходы мультиплексора с
помощью начальной буквы Y. Кроме того, выхо-
ды от переключателей 1, 2, 3... могут быть обо-
значены как Zl, Z2, Z3... К счастью, техническая
документация обычно содержит какие-либо
Мультиплексор
179


Варианты
интегральные микросхемы > цифровые > мультиплексор
пояснения для расшифровки принятых сокра-
щений.
Управляющие выводы часто обозначают бук-
вами А, В, С..., при этом буква А представляет
самый младший бит двоичного числа, подавае-
мого на выводы.
Разобраться в уровнях напряжения мультиплек-
соров также непросто. С компонентами, предна-
значенными для работы с цифровыми входными
сигналами, проблем меньше, поскольку напря-
жение питания, обозначаемое как Vcc, обычно
Как это принято в случае с логическими микро-
схемами, над обозначениями управляющих вы-
водов, активных в низком состоянии, размеща-
ется горизонтальная черта, а если напечатать
эту черту невозможно, то идентификатор выво-
да помечается апострофом. Кроме того, выво-
ды, активные в низком состоянии, могут быть
отмечены с помощью кружка, нарисованного
у входа или у выхода мультиплексора. Обратите
внимание, что аналоговые входы и выходы не
могут быть активными высокими или активны-
ми низкими — они всего лишь пропускают ток
через себя.
составляет 5 В у микросхем, предназначенных
для установки в монтажные отверстия (у компо-
нентов в корпусе для поверхностного монтажа
оно, зачастую, ниже), а напряжение заземления ВЗРИЭНТЫ
у них равно нулю. Однако, если мультиплексор
способен работать в цепи переменного тока, где
напряжение может колебаться в обе стороны
относительно нуля, то и напряжение питания
его также может быть больше или меньше нуля,
например, +7,5 или -7,5 В (величины взяты на-
угад). Для подачи питания на мультиплексор мо-
гут быть назначены три специальных вывода:
• вывод для подключения к положительному
напряжению, как правило, обозначается
VDD — здесь буква D (от англ. Drain) означает
сток внутренних МОП-транзисторов;
• вывод VEE может подключаться как к О В
постоянного тока, так и к отрицательному
напряжению, равному по модулю напря-
жению VDD. Здесь буква Е (от англ. Emitter)
обозначает напряжение эмиттера, несмотря
на то, что компонент может и не содержать
биполярный транзистор с эмиттером;
• вывод Vss, где буква S (от англ. source)
обозначает исток внутренних МОП-тран-
зисторов, обычно подключается к нулевой
шине, и тогда напряжение, подаваемое на
другие выводы, будет измеряться относи-
тельно этого опорного уровня. Заземляю-
щий вывод Vss может быть также обозначен
и как GND.
Большинство мультиплексоров — это устрой-
ства, работающие по принципу «разрыв до
включения», т. е. перед подключением следую-
щего входа предыдущий отключается. Однако
существуют и исключения, поэтому такие мо-
менты следует уточнять по технической доку-
ментации. Невнимательность в данном вопросе
может привести к серьезным проблемам, по-
скольку, если «разрыв до включения» не состо-
ялся, может произойти кратковременное под-
ключение внешних устройств друг к другу через
микросхему.
Многие мультиплексоры способны выдержи-
вать управляющее напряжение, уровень кото-
рого выше обычного высокого значения в ло-
гических цепях, — вплоть до 15 В в некоторых
случаях. Напряжение сигнала, коммутируемого
мультиплексором, может совпадать с управляю-
щим или быть выше его.
Некоторые аналоговые мультиплексоры обла-
дают защитой от перенапряжений, что позво-
ляет им выдерживать напряжение в два или три
раза выше рекомендованного максимума.
В технической документации может упоми-
наться функция «внутреннего декодирования
адреса» — это означает, что подаваемое на вход
180
Статья 16


интегральные микросхемы > цифровые > мультиплексор
Параметры
двоичное число, определяющее активный канал,
декодируется внутри микросхемы. На самом
деле, почти все современные мультиплексоры
обладают встроенной функцией декодирования
адреса, поэтому следует предполагать, что эта
функция доступна, независимо от того, упомя-
нута она в документации или нет.
Параметры
Напряжение коммутируемого сигнала обычно
называется входным напряжением — VIN.
Аналоговый мультиплексор не должен подвер-
гаться воздействию тока, сила которого превос-
ходит рекомендуемый максимум, называемый
максимальным током канала. Типичное зна-
чение этого параметра составляет 10 мА, хотя
многие современные компоненты для поверх-
ностного монтажа предназначены для работы с
токами в несколько микроампер.
Сопротивление в рабочем состоянии — это со-
противление сигналу, проходящему через ана-
логовый мультиплексор. Несмотря на то, что
современные специализированные аналоговые
мультиплексоры могут иметь очень низкое ра-
бочее сопротивление (вплоть до 5 Ом), такие
компоненты встречаются достаточно редко и
вы, скорее всего, столкнетесь с компонентами,
имеющими рабочее сопротивление 100-200 Ом.
Этот параметр для одного и того же компонен-
та изменяется в зависимости от напряжения
источника питания и напряжения коммутируе-
мого сигнала: значение параметра незначитель-
но увеличится при отклонении напряжения VIN
выше (или ниже) О В и существенно возрастет
при пониженном напряжении питания или при
повышении температуры.
Графики на рис. ЦВ-16.9, позаимствованные из
технической документации к аналоговому муль-
типлексору МС14067В, показывают зависи-
мость сопротивления аналогового мультиплек-
сора в рабочем состоянии от входного напряже-
ния источника для трех различных источников
питания: +2,5 В (обозначено на графике как
диапазон в 5 В), ±5 В (диапазон в 10 В) и ±7,5 В
(диапазон в 15 В). Характеристики для других
микросхем окажутся иными, однако основные
принципы останутся неизменными.
Время переключения — важный параметр, кото-
рый следует принимать во внимание при рабо-
те мультиплексора в высокоскоростных цепях.
Значения времени «включения» и «выключе-
ния», указываемые в спецификациях (они часто
обозначаются как t0N и t0FF соответственно), яв-
ляются функциями задержки распространения
сигнала от управляющего входа до момента сме-
ны положения переключателя и, как правило,
измеряются от средней точки фронта или спада
управляющего входного сигнала до достижения
выходным сигналом уровня 90%.
Ток утечки — это слабый ток (зачастую в не-
сколько пикоампер), пропускаемый полупро-
водниковым переключателем в выключенном
состоянии. Эта особенность несущественна за
противление
итогового л
пьтиплексора |
абочем I
стоянии /
125°С /
Диапазон
источника питание
V 5В~=
\ 10 В —
\ 15В —
V
A- ^UU
Рис. ЦВ-16.9. Изменение сопротивления аналогового муль-
типлексора в рабочем состоянии: диапазон источника пи-
тания — это сумма положительного и равного ему по абсо-
лютной величине отрицательного напряжения источника
питания. Таким образом, диапазон 10 В означает напряжение
±5 В (эти графики позаимствованы из технической докумен-
тации аналогового мультиплексора МС14067В фирмы On
Semiconductor)
Мультиплексор
181


Использование
интегральные микросхемы > цифровые > мультиплексор
исключением случаев, когда импеданс нагрузки
очень высок.
Характеристики отдельных переключателей в
микросхеме мультиплексора могут незначитель-
но различаться, однако такой разброс сопро-
тивления в рабочем состоянии у соседних пере-
ключателей может оказаться существенным при
коммутации параллельных аналоговых сигна-
лов. В технической документации должно быть
указано, насколько совпадают характеристики
переключателей, а также может быть приведе-
но максимальное отклонение этого параметра,
обозначаемого как R0N. Следует учесть, что та-
кое же сопротивление обозначается и в рабочем
состоянии каждого из переключателей.
Использование
Мультиплексор может применяться в качестве
простого переключателя, позволяющего вы-
бирать один из нескольких входов, например,
входных разъемов стереосистемы. В этом слу-
чае удобно взять сдвоенный дифференциаль-
ный мультиплексор, т. к. с его помощью можно
одним управляющим сигналом одновременно
переключить два сигнальных канала.
Мультиплексор также может выступить в роли
цифрового регулятора громкости, переключая
звуковой сигнал между несколькими резисто-
рами подобно цифровому потенциометру.
В этом случае следует выяснить присутствие на-
грузочных резисторов внутри мультиплексора.
В ситуациях, когда микроконтроллеру требуется
отслеживать большое количество входов (на-
пример, несколько температурных датчиков или
датчиков движения), мультиплексор поможет
уменьшить требуемое число входов. При этом
микроконтроллер циклически опросит выводы
выбора данных, поочередно подав на них все
возможные двоичные состояния (это позволит
друг за другом выбрать каждый вход данных),
в то время как с выхода мультиплексора ана-
логовые данные поступят на отдельный вывод
микроконтроллера, осуществляющий аналого-
цифровое преобразование.
И наоборот, демультиплексор (т. е. аналоговый
мультиплексор, например, микросхема 4067В,
которая способна работать в режиме демуль-
типлексора) может использоваться микрокон-
троллером для включения и выключения не-
скольких компонентов. Если четыре выхода
микроконтроллера подключить к управляющим
выводам 16-канального демультиплексора, про-
изводящего отсчет от двоичного 0000 до 1111
и позволяющего выбрать выход от 0 до 15. Тогда,
выбрав выход, микроконтроллер сможет осуще-
ствить через него отправку импульса высокого
или низкого уровня, после чего весь процесс по-
вторится заново (подобным же образом можно
использовать и дешифратор).
Иные способы применения
Мультиплексоры могут быть соединены каска-
дом — это позволяет увеличить отношение чис-
ла входов к числу выходов.
Современные мультиплексоры встречаются в
компьютерных схемах, где с их помощью осу-
ществляется выбор портов вывода видеосигна-
ла, находят они свое применение и в качестве
переключателей каналов шины PCI-Express.
Мультиплексор можно использовать и в каче-
стве параллельно-последовательного преобра-
зователя — для получения данных по несколь-
ким каналам с преобразованием их в последова-
тельный поток данных.
В телекоммуникационных системах мульти-
плексор может получать голосовые сигналы от
нескольких отдельных входов и объединять их
в единый цифровой поток, который можно пе-
редать по одному каналу с более высокой би-
товой скоростью. Впрочем, такое применение
мультиплексора намного сложнее, чем описы-
ваемые здесь простые варианты его использо-
вания.
182
Статья 16


интегральные микросхемы > цифровые > мультиплексор
Что может пойти не так?
Что может пойти не так?
Общие проблемы, которые могут повлиять на
работу цифровых микросхем, рассмотрены в
разд. «Что может пойти не так?» статьи 10,
посвященной логическим элементам.
Нагрузочные резисторы
Несмотря на то, что подтягивающие нагрузоч-
ные резисторы зачастую необходимы для пре-
дотвращения «плавающего» состояния контак-
тов, наличие встроенных в мультиплексор рези-
сторов может привести к неожиданным послед-
ствиям, если пользователь не осведомлен о них.
Разрыв до включения
В большинстве случаев желательно, чтобы каж-
дый внутренний полупроводниковый переклю-
чатель мультиплексора разрывал подключение
прежде, чем установить новое. Такой подход
позволяет избежать ситуации, когда несколько
отдельных внешних компонентов через муль-
типлексор кратковременно подключаются друг
к другу. Для уточнения, работает ли конкретный
мультиплексор в режиме «разрыв до включе-
ния», следует сверяться с технической докумен-
тацией. Если эта функция не поддерживается, то
для кратковременного разрыва всех подключе-
ний перед установкой нового можно использо-
вать разрешающий вывод.
компонентов исказит сигнал. Обычно этот па-
раметр обозначается как R0N Flatness (равно-
мерность рабочего сопротивления).
Пределы коммутации
КМОП-компонентов
Несмотря на то, что большинство мультиплек-
соров основано на КМОП-транзисторах, скоро-
сти их переключения может оказаться недоста-
точно для видеосигналов, а заметное изменение
их сопротивления в рабочем состоянии способ-
но внести в передаваемый сигнал существенные
искажения. Для особо высокоскоростных цепей
выпускаются специальные мультиплексоры с
комплементарным биполярным каскадом, од-
нако их применение увеличивает финансовые
затраты и потребление мощности.
Переходные процессы
Емкостное сопротивление переключателей вну-
три мультиплексора при изменении их состоя-
ния способно привести к возникновению на вы-
ходе переходных процессов. Для исключения
их влияния может потребоваться учесть время
релаксации, величину которого нужно добавить
к интервалу переключения, указанному в техни-
ческой документации.
Искажение сигнала
В том случае, когда мультиплексор проводит
аналоговый сигнал, возможно его искажение,
если сопротивление внутренних переключате-
лей в рабочем состоянии значительно различа-
ется при подаче изменяющегося напряжения.
В технической документации к аналоговым
мультиплексорам, как правило, приводится гра-
фик, показывающий изменение рабочего сопро-
тивления на всем диапазоне сигнала. Чем более
плоским является такой график, тем меньше
Мультиплексор
183


источники света, индикаторы или дисплеи > отражающие > ЖК-индикатор
ЖК-ИНДИКАТОР
Полный термин жидкокристаллический индикатор (по англ. liquid-
crystal display, LCDY употребляется редко — гораздо чаще применя-
ются сокращения ЖК-индикатор и ЖКИ (все три термина относятся
к одному и тому же устройству).
Английский акроним LED (от light-emitting diode, светоизлучающий
диод) легко спутать с LCD, и хотя оба устройства отображают инфор-
мацию, режим работы у них совершенно разный.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• светодиодный дисплей (см. статью 24)
17
1 Термин «display» можно перевести и как «дисплей», и как «индикатор»,
однако «дисплеем» принято называть устройство для визуального пред-
ставления той или иной информации, а «индикатор» обычно отображает
какой-либо процесс или состояние объекта. С учетом сказанного, при пере-
воде этой статьи термином «дисплей» называется устройство, отображающее
графическую информацию, составленную из пикселов, а в остальных случаях
используется термин «индикатор», как компонент, который может входить
в состав дисплея. — Примеч. перев.
Описание
ЖК-индикатор отображает информацию на не-
большом табло или экране при помощи одного
или нескольких сегментов, которые изменяют
свой вид при подаче переменного напряжения.
Экран может содержать буквенно-цифровые
символы и/или обозначения, значки, точки или
пикселы растрового изображения.
Благодаря очень низкому энергопотребле-
нию простые монохромные ЖК-индикаторы
(рис. 17.1) часто служат для отображения цифр
в устройствах, работающих от автономных ис-
точников питания, таких как цифровые часы
И микрокалькуляторы. рис 17.i. Миниатюрный монохромный ЖК-индикатор
ЖК-индикатор 185


Устройство
источники света, индикаторы или дисплеи > отражающие > ЖК-индикатор
Цветные ЖК-дисплеи с задней подсветкой сей-
час широко используются практически для всех
форм видеоэкранов: в мобильных телефонах,
игровых устройствах, телевизионных экранах, а
также в кабинах экипажа летательных аппара-
тов.
Устройство
Как известно, свет представляет собой электро-
магнитные волны, создающие электрическое
и магнитное поля. Эти поля перпендикулярны
друг другу и направлению, в котором распро-
страняется свет, однако их плоскость поляриза-
ции в большей части видимого излучения ори-
ентирована случайным образом. Такой свет на-
зывается неполяризованным или естественным.
На рис. 17.2 упрощенно показано устройство
ЖК-индикатора, использующего заднюю под-
светку. Неполяризованный свет исходит от
панели подсветки (А) и попадает в вертикальный
поляризационный фильтр (В), который ограни-
чивает плоскость поляризации света лишь его
вертикальной составляющей. Поляризованный
таким образом свет попадает в жидкий кри-
сталл (С), состоящий из молекул, организован-
ных в виде регулярной спиралевидной структу-
ры, поворачивающей угол поляризации на 90°,
если к этому жидкому кристаллу не приложено
напряжение. Теперь свет, плоскость поляриза-
ции которого после прохождения через жидкий
кристалл стала горизонтальной, проходит через
горизонтальный поляризационный фильтр (D)
и становится видимым для пользователя.
Примечание
Жидкий кристалл сам по себе не излучает свет,
он может лишь изменять плоскость поляризации
света, проходящего через него.
Рис. 17.2. Структура из двух поляризационных фильтров и
слоя жидкого кристалла остается прозрачной, если к кри-
сталлу не приложено напряжение
186
Рис. 17.3. Когда к жидкому кристаллу приложено напряже-
ние, ЖК-индикатор перестает пропускать свет
Статья 17


источники света, индикаторы или дисплеи > отражающие > ЖК-индикатор
Варианты
На рис. 17.3 показано, что происходит, ког-
да через прозрачные электроды (здесь они не
изображены) на жидкий кристалл подается на-
пряжение, — его молекулы реорганизуются под
действием электрического потенциала и теперь
при прохождении света через слой жидкого кри-
сталла угол поляризации не меняется. В резуль-
тате исходный вертикально поляризованный
свет теперь не проходит через передний фильтр
с горизонтальной поляризацией, и индикатор
становится темным.
Жидкий кристалл содержит ионные соедине-
ния, которые притягиваются к электродам, если
постоянное напряжение прикладывается к ним
в течение длительного времени, — и это может
навсегда испортить индикатор. Поэтому для
управления жидкокристаллическими устрой-
ствами используется переменный ток, обычно с
частотой от 50 до 100 Гц.
Варианты
Для работы пропускающего ЖК-инджатора не-
обходима задняя подсветка (см. рис. 17.2 и 17.3).
В своей простейшей форме это устройство яв-
ляется монохромным, но его часто усовершен-
ствуют для отображения цвета, добавляя крас-
ный, зеленый и синий светофильтры. Вместо
подсветки белого цвета можно использовать
светодиоды красного, зеленого и синего цветов
размером в пиксел — в таком случае фильтры не
потребуются.
Цветные ЖК-дисплеи с задней подсветкой
пришли на смену электронно-лучевым трубкам,
которые ранее были единственным вариантом
представления изображений почти во всех ви-
деомониторах и телевизорах. ЖК-дисплеи не
подвержены выгоранию, возникающему, когда
не меняющееся по каким-либо причинам изо-
бражение оставляет постоянный след на вну-
тренней фосфоресцирующей стороне трубки.
ЖК-дисплеи не только дешевле, но и по раз-
мерам могут значительно превышать экраны
электронно-лучевых трубок. Однако большие
ЖК-дисплеи вследствие производственных де-
фектов могут содержать «битые» (не работаю-
щие или не меняющие цвет) пикселы, причем
разные производители и поставщики использу-
ют сильно отличающиеся стандарты, устанавли-
вающие максимально приемлемое количество
дефектных пикселов.
В отражающем ЖК-индикаторе структура,
в основном, та же, что и в пропускающем, только
вместо задней подсветки применяется отражаю-
щая поверхность. Окружающий свет поступает
через переднее окно индикатора, а затем либо
блокируется жидким кристаллом в сочетании
с поляризационными фильтрами, либо дости-
гает отражающей поверхности, от которой воз-
вращается через жидкий кристалл назад к на-
блюдателю. Индикаторы этого типа очень четко
выглядят при ярком освещении, но при малой
освещенности тускнеют, а в темноте становятся
совсем невидимыми, поэтому их часто допол-
няют смонтированным сбоку от индикатора ис-
точником света, который пользователь включа-
ет при необходимости.
Полупрозрачный (или прозрачно-отражающий)
ЖК-индикатор содержит просвечивающий
тыльный поляризатор, способный отражать
немного окружающего света, но одновременно
прозрачный для света задней подсветки. Хотя
ЖК-индикатор такого типа не настолько ярок,
как отражающий ЖК-индикатор, и обладает
меньшей контрастностью, он более универ-
сален и экономичнее с точки зрения энерго-
потребления, поскольку задняя подсветка может
автоматически отключаться, если окружающий
свет достаточен, чтобы индикатор мог работать
без нее.
Активный и пассивный
ЖК-дисплеи
В ЖК-дисплее с активной матрицей к базо-
вой жидкокристаллической матрице добавлена
структура из тонкопленочных транзисторов, ко-
торая сохраняет активным состояние каждого
ЖК-индикатор
187


Варианты
источники света, индикаторы или дисплеи > отражающие > ЖК-индикатор
сегмента или пиксела, пока переменное напря-
жение переходит от положительного значения
к отрицательному, — это позволяет добиться
более яркого и четкого отображения за счет
снижения перекрестных помех между соседними
пикселами. Такой тип дисплея часто называют
TFT-дисплеем (по первым буквам англ. назва-
ния тонкопленочных транзисторов — thin-film
transistors), впрочем, его можно называть и про-
сто активной матрицей.
ЖК-дисплеи с пассивной матрицей дешевле
в производстве, но характеризуются задержкой
отклика на больших дисплеях и не очень хоро-
шо приспособлены для отображения малых гра-
даций интенсивности. Компоненты такого типа
используются, главным образом, в простых
монохромных экранах, у которых отсутствуют
промежуточные оттенки серого цвета.
Типы жидких кристаллов
Скрученные нематические (TN, Twisted Nematic)
кристаллы — это самый недорогой вариант
в простейшем типе ЖК-дисплея, имеющем
очень малый угол обзора и среднюю контраст-
ность. Они выглядят черными на сером фоне, и
время отклика у них довольно большое.
Суперскрученные нематические (STN, Super
Twisted Nematic) кристаллы были разработаны
в 80-х годах прошлого века для ЖК-дисплеев
пассивного типа. Они позволили добиться луч-
шей детализации, расширения угла обзора и
уменьшения времени отклика. Их естественный
цвет может быть темно-фиолетовым, черным
с прозеленью или темно-синим на серебристо-
сером фоне.
Суперскрученные нематические, с компенсирую-
щей пленкой (FSTN, Film-compensated Super
Twisted Nematic) кристаллы снабжены дополни-
тельным пленочным покрытием, которое обеспе-
чивает чистый черный цвет на белом дисплее.
Двойные суперскрученные нематические кри-
сталлы (DSTN, Double Super Twisted Nematic)
обеспечивают дальнейшее улучшение кон-
трастности и времени отклика, а также авто-
матическую компенсацию контрастности в за-
висимости от температуры окружающей среды.
Выглядят они черными на белом фоне. Такому
дисплею необходима задняя подсветка.
Цветные суперскрученные нематические (CSTN,
Color Super Twisted Nematic) кристаллы пред-
ставляют собой STN-кристаллы, к которым до-
бавлены светофильтры для отображения цвето-
вых оттенков.
Семисегментные индикаторы
Первые образцы монохромных ЖК-индикато-
ров в таких устройствах, как часы и калькуля-
торы, содержали семь сегментов, позволяющих
отображать все цифры — от 0 до 9 (рис. 17.4).
К каждому сегменту ЖК-индикатора подклю-
чена линия управления (или электрод), а общая
подложка соединена с общим выводом и объ-
единяет все сегменты, создавая единую цепь.
Подобные ЖК-индикаторы до сих пор устанав-
ливаются в недорогие устройства.
Рис. 17.4. Базовый формат отображения цифр в жидкокри-
сталлических индикаторах (такое же расположение пред-
полагается и для светодиодов): для обозначения сегментов
в них, как правило, используются строчные буквы
188
Статья 17


источники света, индикаторы или дисплеи > отражающие > ЖК-индикатор
Варианты
В спецификациях сегменты обозначают строч-
ными буквами от а до g. Десятичная точка, ко-
торую обычно обозначают символами dp, на
некоторых индикаторах может отсутствовать.
Изображение на индикаторе, как правило, не-
много наклонено вправо, чтобы цифра «7» вы-
глядела более естественно.
Семисегментные индикаторы не особо элегант-
ны, но достаточно функциональны и удобочи-
таемы (рис. 17.5), кроме того, для индикации
шестнадцатеричных значений они в состоянии
отобразить буквы А, В, С, D, Е и F (которые вы-
глядят как А, Ь, с, d, E и F вследствие ограниче-
ний, налагаемых небольшим количеством сег-
ментов).
В таких устройствах, как микроволновые печи,
можно выводить (с учетом ограничений семи-
сегментного индикатора) и некоторые простые
текстовые сообщения (рис. 17.6).
Преимуществом этой системы является ее низ-
кая стоимость, поскольку семисегментные ин-
дикаторы весьма дешевы в производстве, за-
действуют наименьшее количество соединений
и требуют минимальной дешифровки для соз-
дания каждого буквенно-цифрового символа.
Однако при этом цифры 0,1 и 5 невозможно от-
личить от букв О, I и S, а буквы, которые содер-
жат диагональные штрихи (например, К, М, N,
W, X и Z), нельзя отобразить в принципе.
Рис. 17.5. Цифры и первые шесть букв латинского алфавита
отображены здесь с помощью семисегментного индикатора
Рис. 17.6. Семисегментные индикаторы позволяют отоб-
ражать простые текстовые сообщения, однако они не могут
содержать буквы, в которых присутствуют диагональные
штрихи
Ш-индикатор
189


Варианты
источники света, индикаторы или дисплеи > отражающие > ЖК-индикатор
Дополнительные сегменты
Более полноценное представление букв обеспе-
чивают буквенно-цифровые ЖК-индикаторы,
имеющие 14 (рис. 17.7, слева) или 16 сегментов
(рис. 17.7, справа). Иногда элементы таких ин-
дикаторов слегка наклонены, как в семисегмент-
ных индикаторах (рис. 17.7, вверху), — возмож-
но, потому, что этот стиль стал привычным, хотя
и не является теперь необходимым, поскольку
14/16-сегментные индикаторы уже содержат
диагональные сегменты. В других вариантах 14
или 16 сегментов индикатора вписаны в прямо-
угольник (рис. 17.7, внизу).
На рис. 17.8 с помощью 16-сегментного ин-
дикатора представлены те же слова, что и на
рис. 17.6. Видно, что наряду с преимуществами
из-за наличия диагональных штрихов есть и
недостатки, в частности, большие зазоры вну-
три символов, вследствие чего буквы выглядят
грубо, и их трудно читать.
Полный набор символов, которые способны
отображать 16-сегментные ЖК-индикаторы,
приведен на рис. 17.9. Этот набор частично со-
ответствует кодовой таблице ASCII (American
Standard Code for Information Interchange,
Американский стандартный код для обмена ин-
формацией), в которой каждый символ имеет
идентификационный код в диапазоне от шест-
надцатеричного числа 20 (для символа пробела)
до числа 7А (для буквы z, хотя в приведенном
Рис. 17.7. ЖК-индикаторы, использующие 14 сегментов (сле-
ва) и 16 сегментов {справа), способны отображать все буквы
алфавита, а не только цифры: иногда такие элементы слегка
наклонены (вверху), подобно приведенному ранее семи-
сегментному индикатору, хотя это более и не требуется для
представления цифры «7»
190
Рис. 17.8. Те же текстовые сообщения, которые ранее были
показаны с помощью семисегментных индикаторов, здесь
отображены с помощью 16-сегментных
Статья 77


источники света, индикаторы или дисплеи > отражающие > ЖК-индикатор
Варианты
наборе символов не предусмотрено различное
представление прописных и строчных букв).
Поскольку ко времени появления 16-сегментных
индикаторов стали распространенными ЖК-
индикаторы с задней подсветкой, символы ча-
сто отображались на них светлыми на темном
фоне, — в виде «негатива», как и показано здесь.
Конечно же, такой формат всегда применяется и
в светодиодных индикаторах, поскольку свето-
диод является компонентом, излучающим свет.
Рис. 17.9. Полный набор символов, которые способны отоб-
ражать 16-сегментные ЖК-индикаторы
Ш-индикатор
Матричные индикаторы
Индикаторы на основе 16 сегментов не нашли
широкого применения, и когда снизились стои-
мость микропроцессоров и затраты на производ-
ство ЖК-индикаторов и постоянных запомина-
ющих устройств, оказалось выгоднее выпускать
индикаторы, использующие более удобный для
восприятия набор символов на основе индика-
торной матрицы 5x7, которая устанавливалась
в первые микрокомпьютеры (рис. 17.10).
Поскольку исходные коды ASCII не были стан-
дартизированы для шестнадцатеричных зна-
чений меньше 20 и больше 7А, производители
задействовали коды с 00 по IF и с 7В по FF для
отображения букв из различных национальных
алфавитов (греческого, японского), для букв со
знаком ударения или для специальных симво-
лов. Коды с меньшими значениями часто остав-
ляют незадействованными, чтобы пользователь
мог добавить свои собственные символы, а коды
с 00 по 0F обычно зарезервированы для управ-
ляющих функций, таких как команда перехода
на новую строку. В этой области стандартизация
отсутствует, и пользователь должен сверяться со
спецификацией.
Матричные ЖК-индикаторы обычно объеди-
няются в блоки, состоящие из восьми или более
столбцов и двух или более рядов букв. Число
столбцов всегда указывается перед числом
строк, поэтому типичное табло 8x2 содержит по
восемь буквенно-цифровых символов в каждом
из двух рядов. Набор таких символов принято
191


Варианты источники света, индикаторы или дисплеи > отражающие > ЖК-индикатор
называть индикаторным модулем, но иногда его
некорректно называют дисплеем, хотя даже оди-
нарный семисегментный ЖК-индикатор тоже
представляет собой простейший дисплей.
Индикаторный модуль размером 16x2 показан
на рис. 17.11 (вид спереди) и на рис. 17.12 (вид
сзади).
Многосимвольные индикаторные модули с зад-
ней подсветкой широко используются в быто-
вой электронике, например, в автомобильных
аудиоустройствах, когда необходимо лишь про-
стое сообщение о состоянии и приглашение к
действиям: отображение уровня громкости или
частоты радиостанции в стереоприемнике.
Рис. 17.11. Жидкокристаллический индикаторный модуль
размером 16x2 (вид спереди)
Рис. 17.10. Набор символов, типичный для ЖК-индикаторов Рис. 17.12. Тот же индикаторный модуль, что и на рис. 17.11
с матрицей размером 5x7 точек (вид сзади)
192 Статья 17


источники света, индикаторы или дисплеи > отражающие > ЖК-индикатор
Варианты
Поскольку стоимость небольших полноцвет-
ных ЖК-дисплеев с высоким разрешением в ре-
зультате массового производства мобильных
телефонов стремительно снизилась, скорее
всего, цветные дисплеи придут в большинстве
устройств на смену монохромным матричным
ЖК-индикаторам. Подобным же образом и сен-
сорные экраны стремятся вытеснить кнопки и
тактильные переключатели, однако рассмотре-
ние сенсорных экранов выходит за рамки этой
энциклопедии.
Цвет
На рис. ЦВ-17.13 в упрощенном виде представле-
но действие светофильтров в цветном дисплее.
В качестве первичных для проходящего света
почти всегда используются красный (Red), зе-
леный (Green) и синий (Blue) цвета (так назы-
ваемые цвета RGB), поскольку с помощью их
комбинаций различной интенсивности можно
воспроизвести множество оттенков из видимой
части спектра. Эти цвета называют аддитивны-
ми первичными цветами, т. к. все многообразие
расцветок создается при их наложении друг на
друга (рис. ЦВ-17.14).
Слово «первичные» для обозначения красного,
зеленого и синего цветов может вызвать путани-
цу, поскольку в полноцветной печати использу-
ется другой набор первичных цветов — отража-
ющих. Как правило, это голубой (Cyan), пурпур-
ный (Magenta) и желтый (Yellow) цвета, часто к
ним добавляют еще черный (Black). В этой си-
стеме (CMYK) дополнительные слои краски по-
глощают (вычитают) видимые области спектра
(рис. ЦВ-17.15), и такой набор цветов называет-
ся поэтому также субтрактивным.
Полный диапазон оттенков, который можно соз-
дать за счет комбинирования первичных цветов,
называется цветовой гаммой. Разработано мно-
жество различных RGB-стандартов, из которых
наиболее широко применяются два: sRGB (прак-
тически универсален для веб-приложений) и
Adobe 1998 (предложен компанией Adobe Systems
ЖК-индикатор
Рис. ЦВ-17.13. Светофильтры красного, зеленого и синего
цвета в сочетании с различной плотностью пикселов жидкого
кристалла позволяют создать полноцветный ЖК-дисплей
Рис. ЦВ-17.14. Парные сочетания аддитивных первичных
цветов (красного, зеленого и синего) образуют вторичные
цвета: голубой, пурпурный и желтый. При объединении всех
трех аддитивных первичных цветов получается приблизи-
тельно белый цвет. Это можно проверить, если рассмотреть
цветной монитор с помощью увеличительного стекла
193


Варианты
источники света, индикаторы или дисплеи > отражающие > ЖК-индикатор
Рис. ЦВ-17.15. Когда краски голубого, пурпурного и желтого
цветов налагаются друг на друга на белой бумаге, а затем рас-
сматриваются при белом освещении, парные сочетания этих
субтрактивных первичных цветов образуют вторичные цвета:
красный, зеленый и синий. При наложении всех трех субтрак-
тивных первичных цветов получается приблизительно чер-
ный цвет, насыщенность которого ограничена отражающими
свойствами доступных пигментов. Для усиления контрастно-
сти обычно добавляют черную краску
для программы Photoshop и обеспечивает более
широкий цветовой охват). Впрочем, ни одна из
доступных систем представления цвета не при-
ближается к полной цветовой гамме, которую
способен воспринимать человеческий глаз.
Варианты задней подсветки
Для монохромных ЖК-дисплеев можно исполь-
зовать электролюминесцентную подсветку.
Для нее необходим довольно слабый ток, при
этом нагрев панели очень невелик, а освещение
получается однородным. Однако яркость такой
подсветки существенно ограничена, а, кроме
того, ей необходим инвертор, который увеличи-
вает потребление мощности.
Для полноцветных ЖК-дисплеев изначально
применялась подсветка люминесцентными
лампами. Они обладают продолжительным
сроком службы, выделяют мало тепла и потре-
бляют сравнительно небольшую мощность. Тем
не менее, для такой подсветки необходимо до-
вольно высокое напряжение, и она не очень хо-
рошо работает при низких температурах. В ран-
них моделях плоских экранов для портативных
компьютеров и настольных мониторов исполь-
зовались люминесцентные панели с холодным
катодом.
Светодиоды дешевле люминесцентных пане-
лей и позволяют добиться меньшей толщины
экрана, но цвет их излучения, с преобладаю-
щим оттенком синего, продолжительное вре-
мя не удовлетворял комфортному просмотру.
Однако постепенно белые светодиоды были
усовершенствованы до такой степени, что ста-
ли способны излучать спектральный диапазон,
который можно считать приемлемым. Для обе-
спечения достаточно однородной освещенности
всей поверхности экрана свет от светодиодов
приходится пропускать через рассеиватель.
В видеомониторах высокого класса использу-
ются отдельные светодиоды красного, зеленого
и синего цвета, а не общая белая задняя подсвет-
ка, что избавляет от необходимости в цветных
фильтрах и позволяет добиться более широко-
го цветового охвата. Хотя эти так называемые
жидкокристаллические RGB-мониторы дороже,
но они предпочтительнее для профессиональ-
ного применения в производстве видеофильмов
и печатной продукции, когда важно точное вос-
произведение оттенков цвета.
Бистабильные дисплеи
Существуют технологии создания ЖК-дисплеев,
которым энергия необходима только на пере-
ключение между прозрачным и непрозрачным
состояниями, но широкого распространения
они не получили. Такие дисплеи называются
бистабильными и по своей сути напоминают
дисплеи с электронными чернилами (e-ink), или
электронную бумагу, хотя принципы их работы
различны.
194
Статья 17


источники света, индикаторы или дисплеи > отражающие > ЖК-индикатор
Использование
Использование
Поскольку ЖК-индикатор состоит лишь из
одной цифры, им можно управлять с помощью
всего одной декодирующей микросхемы, ко-
торая преобразует двоичный входной сигнал в
выходной сигнал, необходимый для активации
соответствующих сегментов ЖКИ. В результате
эволюции индикаторов, появления устройств с
несколькими цифрами, буквенно-цифровых ин-
дикаторов, матричных индикаторов и графиче-
ских дисплеев системы управления ими услож-
нились.
Числовые индикаторные модули
Одиночные ЖК-индикаторы теперь редко
встречаются, поскольку лишь в малом количе-
стве устройств на выходе требуется отображать
всего одну цифру. Более распространены смон-
тированные вместе в небольшом прямоуголь-
ном табло цифровые индикаторы, количеством
от двух до восьми (чаще всего их три или четы-
ре). В типичном цифровом будильнике обычно
установлен индикаторный модуль из четырех
цифр, содержащий также символы точки, фор-
мата отображения времени (АМ/РМ) и состоя-
ния будильника (вкл./выкл.). В других индика-
торных модулях может присутствовать и знак
«минус».
Модули, которые описываются как обладающие
3,5 или 4,5 цифрами, содержат три полноценные
цифры, перед которыми расположен индика-
тор единицы, составленный из двух сегментов.
Таким образом, модуль из трех цифр может ото-
бражать числа от 000 до 999, а модуль, содержа-
щий 3,5 цифры, может отображать числа от 000
до 1999, т. е. его диапазон приблизительно в два
раза шире.
Индикаторные модули, рассмотренные здесь,
не содержат никакой декодирующей логической
схемы или драйверов управления. Внешнее
устройство, например микроконтроллер, долж-
но иметь таблицу соответствия, чтобы пере-
водить числовое значение в выходные сигналы,
которые будут активировать соответствующие
сегменты цифр индикатора, с десятичной точ-
кой или без нее, а также со знаком «минус»,
если необходимо. Чтобы не изобретать велоси-
пед, программист может загрузить имеющиеся
в изобилии библиотеки программ для микро-
контроллеров, позволяющие управлять широ-
ко используемыми индикаторными модулями.
Важно, однако, помнить о том, что на сегмен-
ты монохромных ЖК-индикаторов следует по-
давать переменное напряжение, как правило,
в форме меандра с частотой от 30 до 90 Гц.
Альтернативным вариантом может стать при-
менение микросхемы-декодера, например типа
4543В или 4056В, на вход которой поступает
двоично-десятичный сигнал (т. е. от 0000 до 1001
в двоичном представлении на каждом из четырех
входов), который затем переводится в выходной
сигнал на семи выводах, подходящих для соеди-
нения со входами семисегментного индикатора.
Для микросхемы 4543В (рис. 17.16) необходима
подача входного сигнала прямоугольной формы
на «фазовый» вывод. Этот же сигнал должен
быть также подан одновременно и на подложку
ЖК-индикатора, которую в спецификациях ча-
сто обозначают как «общий» вывод.
Рис. 17.16. Расположение выводов микросхемы-декодера
4543В, которая предназначена для управления семисегмент-
ным индикатором
Ш-индикатор
195


Использование
источники света, индикаторы или дисплеи > отражающие > ЖК-индикатор
Микросхема 4543В обладает возможностью «га-
шения индикатора», что позволяет избавиться
от незначащих нулей в многоразрядном числе.
Однако отсутствие выводов для управления зна-
ком минуса или десятичной точки ограничивает
использование этого декодера только положи-
тельными числами.
Микросхема 4543В может работать при напря-
жении питания от 5 до 18 В, но поскольку на-
пряжение логически высокого выхода почти
всегда будет совпадать с напряжением источни-
ка питания, следует выбирать его так, чтобы оно
соответствовало номиналу для ЖК-индикатора
(очень часто это 5 В переменного тока).
Для управления числовым индикаторным моду-
лем из трех цифр для каждой цифры можно ис-
пользовать отдельную микросхему. Недостаток
этой системы заключается в том, что для каж-
дого декодера необходимы три входа, и поэто-
му для трехразрядного индикатора потребуются
девять выходов от микроконтроллера.
Чтобы преодолеть эту сложность, в многораз-
рядных индикаторах часто применяется мульти-
плексирование. Это означает, что каждый выход
от декодера подключен ко всем одинаковым сег-
ментам всех одиночных семисегментных ЖКИ.
А каждая из цифр в ЖК-индикаторе активиру-
ется поочередно при подаче переменного напря-
жения на ее общий вывод. Одновременно деко-
дер отправляет данные, которые соответствуют
текущим показаниям этого ЖК-индикатора.
Сам процесс должен быть достаточно быстрым,
чтобы все цифры выглядели активированными
одновременно, и управлять им лучше всего с по-
мощью микроконтроллера. Упрощенная схема
мультиплексирования приведена на рис. 17.17
(ее можно сравнить с подобной схемой для
управления светодиодными индикаторами, изо-
браженной на рис. 24.13).
Рис. 17.17. Когда два или более семисегментных индикатора
мультиплексированы, управляющее устройство (как правило,
микроконтроллер) активирует каждый из них поочередно че-
рез подложку (общий вывод), отправляя тем временем соот-
ветствующие данные на сегменты по объединенным линиям
Алфавитно-цифровые
индикаторные модули
Блоку из матричных ЖК-индикаторов, которые
могут наравне с цифрами отображать и символы
алфавита, необходимы заранее подготовленные
таблицы символов (которые обычно хранятся
в постоянном запоминающем устройстве) и ин-
терпретатор команд для обработки инструкций,
которые могут быть внедрены в поток данных.
Такие возможности часто встроены в сам инди-
каторный модуль.
Хотя здесь не существует какого-либо обще-
признанного стандарта, набор команд, который
196
Статья 17


источники света, индикаторы или дисплеи > отражающие > ЖК-индикатор Что может пойти не так?
используется в контроллере Hitachi HD44780,
установлен во многих индикаторах, а библио-
теки программ для этого набора доступны для
загрузки на сайтах, посвященных среде Arduino
и другим микроконтроллерам. Написание
«с нуля» программы для управления всеми функ-
циями алфавитно-цифрового индикатора — от-
нюдь не тривиальная задача, поэтому весьма
удобно, что существует индикатор Hamtronix
HDM08216L-3-L30S, уже содержащий в себе
микроконтроллер HD44780.
Независимо от используемого стандарта назна-
чение некоторых выводов алфавитно-цифро-
вого индикатора практически универсально:
• вывод для выбора регистра — сообщает
индикатору о том, являются ли поступаю-
щие данные командой, или же это код,
идентифицирующий отображаемый сим-
вол;
• вывод чтения/записи — сообщает инди-
катору о том, что следует выполнить: по-
лучить данные от микроконтроллера или
отправить их ему;
• вывод включения/отключения;
• выводы для передачи символьных
данных — ими будут являться восемь
выводов для получения 8-разрядного кода
ASCII для каждого параллельно отобра-
жаемого символа. Зачастую реализована
возможность использования только че-
тырех из этих выводов, чтобы уменьшить
количество выходов микроконтроллера,
необходимое для управления индикато-
ром. Когда есть только четыре вывода,
каждый 8-разрядный символ отправляет-
ся в виде двух фрагментов;
• вывод светодиода задней подсветки — таких
выводов может быть два: один подключен
к аноду (или анодам) светодиодной под-
светки, а второй — к катоду (катодам);
t вывод сброса.
Коды команд могут быть довольно сложными,
содержащими инструкции для перемещения
курсора в определенную позицию на экране, для
стирания последнего введенного символа, для
прокрутки экрана, а также для очистки экрана
от всех символов. Могут присутствовать коды
для настройки яркости экрана, а также для пере-
ключения между негативным (светлые символы
на темном фоне) и позитивным (темные симво-
лы на светлом фоне) отображением.
Некоторые индикаторные модули обладают воз-
можностью отображения графики, что позволя-
ет адресовать любой пиксел на экране.
Из-за отсутствия стандартизации управляющих
кодов следует сверяться со спецификациями
производителя, чтобы узнать о варианте при-
менения конкретного алфавитно-цифрового
индикаторного модуля. В дополнение к специ-
фикациям ценным источником информации об
особенностях работы модулей и недокументи-
рованных их функциях являются пользователь-
ские онлайн-форумы.
Что может пойти не так?
Чувствительность к температуре
Жидкие кристаллы различаются по своей устой-
чивости к низким и к высоким температурам,
но, обобщая, можно отметить, что при низкой
температуре может потребоваться повышенное
напряжение, чтобы обеспечить достаточную
контрастность изображения, и, наоборот, при
высокой температуре может понадобиться сни-
зить напряжение во избежание расплывчатости.
Безопасным рабочим диапазоном температур
для жидких кристаллов считается интервал от
нуля до 50 °С, но лучше уточнить это для кон-
кретного устройства по его документации. На
рынке доступны ЖК-индикаторы специального
назначения, которые работают при экстремаль-
ных температурах.
ЖК-индикатор
197


Что может пойти не так? источники света, индикаторы или дисплеи > отражающие > ЖК-индикотор
Неправильное
мультиплексирование
Индикатор на основе скрученных нематических
кристаллов будет, скорее всего, работать неудо-
влетворительно, если скважность сигнала ока-
жется меньше 25%. Иными словами, не следует
мультиплексировать более четырех индикато-
ров с помощью одного микроконтроллера.
Повреждение постоянным током
ЖК-индикатор легко вывести из строя навсег-
да, если подать на него постоянный ток. Это
может произойти случайно, например, если
микросхема таймера, которая служит для ге-
нерирования последовательности импульсов
переменного тока, будет случайно отключена
или неправильно подключена к своей времяза-
дающей резистивно-емкостной цепи. Поэтому
проверьте выход таймера с помощью вольтме-
тра перед подключением к общему выводу ЖК-
индикатора.
Неверный протокол обмена
Во многих алфавитно-цифровых индикаторных
модулях нет единого стандартного протокола
обмена данными. Бывает реализован последова-
тельный, дуплексный или 12С-протокол. Следует
предусмотреть наличие пауз в несколько мил-
лисекунд после передачи управляющих команд,
чтобы предоставить индикатору достаточное
время на выполнение инструкции. Это особенно
важно в том случае, когда выполняется коман-
да по удалению всех символов с экрана. Если на
экране появляется «символьный мусор», то ви-
ной тому может быть неверная скорость переда-
чи данных или отсутствие пауз.
Ошибки при подключении
Производители часто упоминают это как самую
распространенную причину того, что символы
отображаются некорректно, или изображение
отсутствует совсем.
198
Статья 17


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лампа накаливания
ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ
18
Смонтированный на панели блок, содержащий индикаторную лам-
пу накаливания (по англ. incandescent lamp), мы здесь будем называть
просто лампой накаливания.
Угольная дуга, которая порождает свет в результате самоподдержи-
вающейся искры между двумя угольными электродами, также может
считаться разновидностью лампы накаливания, но она встречается
редко и не включена в эту энциклопедию.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• неоновая лампа (см. статью 19)
• люминесцентная лампа (см. статью 20)
• светодиодный индикатор (см. статью 22)
• светодиод для освещения (см. статью 23)
Описание
Термин накаленный описывает объект, который
излучает видимый свет только будучи сильно
нагретым. На этом принципе и основана лампа
накаливания, проволочная нить накала в кото-
рой светится в результате нагрева ее до высокой
температуры протекающим через нее электри-
ческим током. Чтобы предотвратить окисление
нити накала, ее помещают в запаянную колбу
или в трубку, наполненную инертным газом под
низким давлением или (реже) откачанную до
состояния вакуума.
Поскольку лампы накаливания представляют
собой весьма энергозатратные устройства, они
не могут рассматриваться в качестве разумного
выбора для наружного освещения, а в отдель-
ных регионах даже запрещено их использование
с этой целью. Однако небольшие низковольтные
варианты ламп накаливания, смонтированные
на панели тех или иных устройств, находят все
же достаточно широкое применение (краткую
сводку преимуществ миниатюрной лампы на-
каливания по сравнению со светодиодами вы
найдете в разд. «Некоторые преимущества ламп
накаливания» этой статьи).
Показанные на рис. 18.1 условные обозначения
ламп накаливания функционально идентичны
(кроме символа, изображенного справа внизу,
который, пожалуй, чаще всего служит для обо-
значения небольших индикаторов, монтируе-
мых на панели1).
1 В России последнее обозначение для лампы накали-
вания общепринято. — Ред.
Пампа накаливания
199


Историческая справка
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лампа накаливания
Рис. 18.1. Различные символы, обозначающие лампу накали-
вания: символ справа внизу чаще применяется для обозначе-
ния небольших индикаторов, монтируемых на панели
Состоит типичная лампа накаливания из сле-
дующих компонентов (рис. 18.2):
• А — стеклянная колба;
• В — инертный газ под низким давлением;
• С — вольфрамовая нить накала;
• D — контактные проводники (соединенные
внутри с латунным основанием и централь-
ным контактом);
• Е — проволочки, поддерживающие нить на-
кала;
• F — внутренняя стеклянная ножка;
• G — латунное основание (цоколь);
• Н — стекловидная изоляция;
• I — центральный контакт.
/ ГЩЖКЩ)
Рис. 18.2. Составляющие типичной лампы накаливания: А —
стеклянная колба; В — инертный газ под низким давлением;
С — вольфрамовая нить накала; D — контактные проводники
(соединенные внутри с латунным основанием и центральным
контактом); Е — проволочки, поддерживающие нить накала;
F — внутренняя стеклянная ножка; G — латунное основание
(цоколь); Н — стекловидная изоляция; I — центральный кон-
такт
Историческая справка
Способ получения света путем нагревания ме-
талла за счет электрического тока был придуман
англичанином Гемфри Дэви (Humphrey Davy),
который в 1802 году продемонстрировал этот
эффект с помощью мощного аккумулятора и
платиновой полоски. Платину он выбрал из-за
ее довольно высокой температуры плавления.
Лампа работала, но практичность ее оставляла
желать лучшего вследствие недостаточной яр-
кости и малого срока службы. К тому же, плати-
на была чрезмерно дорогим металлом.
Первый патент на лампу накаливания был опу-
бликован в Англии в 1841 году, но в нем также
упоминалась платина. Впоследствии английский
физик и химик Джозеф Суон (Joseph Swan), по-
тратив несколько лет на разработку практичных
угольных нитей накала, в 1880 году получил па-
тент на пергаментированную нить. Его дом стал
первым в мире домом, освещенным при помощи
электролампочек.
Томас Эдисон (Thomas Edison) начал работы по
улучшению электрической лампы в 1878 году
200
Статья 18


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лампа накаливания
Устройство
и достиг успеха при испытании карбонизиро-
ванной нити накала в октябре 1879 года — его
лампа проработала чуть более 13 часов. Не обо-
шлось и без судебных тяжб, связанных с права-
ми на патент. Карбонизированная нить накала
использовалась в электролампах до тех пор,
пока в 1904 году австро-венгерский изобрета-
тель Юст Шандор Фридьеш (Just Sa'ndor Frigyes)
и хорватский изобретатель Франьо Ханаман
(Franjo Hanaman) не запатентовали вольфрамо-
вую нить накала. Их лампа вместо вакуума была
наполнена инертным газом.
Попытки улучшить электрическое освещение
для практических потребностей предприни-
мались и многими другими первопроходцами,
поэтому не вполне корректно утверждать, что
«лампу накаливания изобрел Томас Эдисон».
Лампа накаливания прошла очень длительный
путь постепенного улучшения, а одним из самых
существенных достижений Эдисона на этом
пути стала разработка системы распределения
энергии, которая позволяла параллельно под-
ключить несколько ламп с нитями накала, име-
ющими довольно высокое сопротивление. Тем
не менее, он ошибочно упорствовал, подавая на
свои лампы постоянный ток, тогда как его кон-
курент Вестингауз (Westinghouse) предложил
запитывать лампы накаливания переменным
током, который можно было преобразовывать
и передавать на большие расстояния при по-
мощи трансформаторов. На переменный ток,
кстати, ориентировался и Тесла (Tesla), создавая
свой бесщеточный асинхронный электродвига-
тель.
И как бы там ни было, но к середине XX века
в большинстве ламп накаливания использова-
лись вольфрамовые нити накала.
Устройство
Все объекты испускают электромагнитное из-
лучение, зависящее от их температуры. Эта кон-
цепция известна как излучение абсолютно чер-
ного тела, и в ее основе лежит представление о
таком объекте, который поглощает весь падаю-
щий на него свет и, следовательно, не отражает
свет от каких бы то ни было источников, распо-
ложенных извне. При увеличении температуры
интенсивность излучения возрастает, а его дли-
на волны уменьшается.
Когда температура источника электромагнитно-
го излучения становится достаточно высокой,
длина волны оказывается в видимом диапазоне
спектра, — между 380 и 740 нанометрами (один
нанометр составляет одну миллиардную долю
метра).
Температура плавления вольфрама равна
3442 °С, а нить накала лампы обычно работает
при температуре от 2000 до 3000 °С. При работе
у верхней границы этого диапазона свет лампы
приближается к белому, но испарение металла
с нити накала приводит к появлению темного
налета на внутренней стороне колбы и к более
быстрому разрушению нити, пока она, в конеч-
ном итоге, не перегорит. При работе у нижней
границы диапазона свет такой лампы приобре-
тает желтый оттенок, и его интенсивность сни-
жается.
Спектр
Цвет излучения абсолютно черного тела изме-
ряется при помощи температурной шкалы в гра-
дусах Кельвина (К). Увеличение температуры
на 1 К равнозначно увеличению температуры
на 1 °С, однако шкала Кельвина имеет нулевое
значение, совпадающее с абсолютным нулем.
В теории эта величина является наименьшей из
возможных, и при ее достижении тепловое из-
лучение полностью отсутствует. Величина аб-
солютного нуля приблизительно соответствует
-273 °С.
Из этих рассуждений с очевидностью следует,
что если К — это значение температуры в гра-
дусах Кельвина, а С — значение температуры
в градусах Цельсия, то:
К = С + 273 (приблизительно)
Помпа накаливания
201


Устройство
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лампа накаливания
Классификация источников света в градусах
Кельвина общепринята в фотографии. Многие
цифровые фотоаппараты позволяют указать
цветовую температуру освещения, которое ис-
пользуется внутри помещения, после чего фото-
аппарат будет стремиться скомпенсировать его
таким образом, чтобы оно выглядело чистым
белым светом, а все цвета из видимой части
спектра были бы представлены равномерно.
Некоторые компьютерные мониторы также
позволяют указать для белого цвета значение
в градусах Кельвина.
Цветовая температура применяется и в астро-
номии, поскольку спектры многих звезд можно
сопоставить со спектром теоретического абсо-
лютно черного тела.
Цветовая температура в 1000 К соответству-
ет темно-оранжевому оттенку, а температура
Рис. ЦВ-18.3. Приблизительные кривые излучения абсо-
лютно черного тела при различных цветовых температу-
рах в градусах Кельвина: графики нормированы так, чтобы
максимумы оказались одинаковыми. Иллюстрация взята в
адаптированном виде из справочника Light Emitting Diodes
(«Светоизлучающие диоды») Е. Фреда Шуберта (Е. Fred
Schubert)
в 15 000 К или выше — голубому оттенку, по-
хожему на цвет чистого неба. Цветовая темпе-
ратура солнца приблизительно равна 5800 К.
Внутреннее освещение в помещениях часто
близко к источнику с цветовой температурой
3000 К, и для многих оно выглядит приемле-
мо, поскольку при этом образуются приятные
оттенки телесного цвета. Лампа накаливания,
оттенок цвета которой производитель характе-
ризует как «мягкий белый» или «теплый», об-
ладает меньшей цветовой температурой, чем
лампа с характеристикой «чистый белый» или
«холодный белый».
На рис. ЦВ-18.3 приведены графики, показы-
вающие распределение длин волн излучения
при различной цветовой температуре. Участок с
радужными оттенками приблизительно указы-
вает на диапазон видимых волн между ультра-
фиолетовым (слева) и инфракрасным (справа)
излучением. В целях упрощения интенсивность
пика для каждой цветовой температуры сделана
одинаковой. В действительности же при увели-
чении температуры также возрастает и световая
отдача.
Другие источники света
Если свет создается за счет нагрева нити накала,
то при построении зависимости интенсивности
от длины волны получается гладкая, без каких-
либо неоднородностей, кривая. При повышении
температуры кривая будет всего лишь смещена
и сжата в горизонтальном направлении, но при
этом ее исходная форма существенно не изме-
нится.
С появлением люминесцентных источников
света и, впоследствии, светодиодов ситуация
усложнилась. Поскольку в основе их конструк-
ции не лежит принцип накаливания, то они и не
создают равномерного и непрерывного диапа-
зона длин волн.
Светодиоды генерируют монохроматический
свет, т. е. такой, который тесно примыкает к
какому-либо одному оттенку. «Белый» светодиод
202
Статья 18


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лампа накаливания
Устройство
на самом деле излучает синий свет — фосфорес-
цирующее покрытие его полупроводникового
кристалла дополнительно возбуждается для
создания света с более широким спектральным
диапазоном. Спектральные линии люминес-
центной лампы выглядят как острые пики на не-
которых длинах волн и обусловлены наличием
ртути внутри ее колбы (рис. ЦВ-18.4).
Человеческий глаз (точнее, мозг) стремится
компенсировать желтый оттенок освещения
от ламп накаливания, а также нерегулярности
спектра других источников света, приводя их к
ощущению белого света. Кроме того, глаз не-
способен различить «белый» свет, созданный в
результате смешения всех видимых длин волн,
и свет, который выглядит белым, хотя в нем до-
минирует всего несколько отдельных длин волн
от люминесцентного источника.
Тем не менее, если человек рассматривает объ-
екты, освещенные источником света, в спектре
которого имеются провалы, то некоторые от-
тенки могут восприниматься неестественно ту-
склыми или темными. Это верно также и в том
случае, когда несовершенный источник света
служит в качестве задней подсветки для вос-
произведения цвета на видеомониторе (цвета,
создаваемые различными источниками света,
показаны на рис. ЦВ-23.7 и последующих).
Подсветка от светодиодных или люминесцент-
ных источников плохо отражается на качестве
фотоснимков. Так, например, красные оттенки
кажутся при освещении светодиодами темнее,
а синие могут выглядеть неестественно интен-
сивными. Поскольку у таких источников све-
та нет плавной кривой излучения, сравнимой
с кривой для лампы накаливания, функция циф-
ровых фотоаппаратов, автоматически определя-
ющая баланс белого, может не справиться с ре-
шением этой задачи, да и с помощью ручного
ввода какого бы то ни было значения цветовой
температуры ее также не решить.
Точность, с которой источник света способен
воспроизвести полный видимый спектр, назы-
вается индексом цветопередачи — сокращенно
CRI (от Color Rendering Index). Этот индекс может
находиться в диапазоне от идеального значения
100 до 0 и даже ниже (например, для уличного
освещения натриевыми лампами). У ламп на-
каливания он может быть равен 100, а для не-
скорректированного «белого» светодиода —
около 80.
Для вычисления индекса цветопередачи необ-
ходимы стандартные эталоны цвета, и его кри-
тикуют за то, что получающиеся величины не
очень хорошо соответствуют субъективному
восприятию.
Рис. ЦВ-18.4. Относительные характеристики трех источни-
ков света в сравнении с чувствительностью человеческого
глаза в видимой части спектра: обратите внимание, что диа-
пазон длин волн на горизонтальной шкале этого графика не
совпадает с диапазоном на предыдущем (см. рис. ЦВ-18.3).
Цвет каждой из кривых выбран произвольным образом.
Адаптировано по материалам VU1 Corporation
Потребление мощности
Приблизительно 95% мощности, потребляемой
лампой накаливания, преобразуется в тепло,
а не в свет. Столь высокая растрата энергии на
освещение в жарком климате еще усугубляется
из-за использования кондиционеров для вывода
Лампа накаливания
203


Варианты
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лампа накаливания
тепла из закрытых помещений. При этом тепло
от ламп накаливания не устраняет необходи-
мость отопления в холодных условиях, посколь-
ку тепло более эффективно получать с помощью
специально предназначенных для этого систем.
И естественно, что большей эффективности
можно добиться от источника света, который
выделяет меньше тепла независимо от темпера-
туры окружающего воздуха.
Варианты
Миниатюрные лампы
До изобретения светодиодов в роли светоизлу-
чающих индикаторов для панельного монтажа
служили либо неоновые лампы, либо лампы
накаливания, причем использование неоно-
вых ламп ограничивалось необходимостью для
них довольно высокого напряжения.
Миниатюрные лампы накаливания традицион-
но применялись в источниках света, работаю-
щих от аккумуляторов или сухих элементов, и
ко времени подготовки этой книги все также
использовались в недорогих фонариках. На
рынке доступны их варианты, размеры кото-
рых сравнимы с размерами светодиода (5 мм),
а заявленный срок их службы также сопоставим
со сроком службы светодиодов. Однако такие
лампы потребляют больший ток для создания
эквивалентной интенсивности света, поскольку
значительная часть их мощности теряется в ин-
фракрасном диапазоне волн.
На рис. 18.5 показана миниатюрная лампа нака-
ливания, расстояние между штырьковыми вы-
водами которой составляет 1,27 мм. Общая вы-
сота этой лампы, включая керамическое осно-
вание, менее 10 мм, а ее диаметр всего 2,5 мм.
Она потребляет ток силой 60 мА при напряже-
нии 5 В и обладает расчетным сроком службы в
25 тыс. часов.
Рис. 18.5. Миниатюрная лампа накаливания высотой менее
10 мм, снабженная штырьковыми выводами, расположенны-
ми на расстоянии 1,27 мм друг от друга
Рис. 18.6. Эта лампа имеет высоту 6,35 мм и снабжена прово-
лочными выводами
204
Статья 18


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лампа накаливания
Варианты
На рис. 18.6 показана лампа с аналогичными
размерами и потреблением мощности, но она
снабжена проволочными выводами и облада-
ет расчетным сроком службы в 100 тыс. часов.
Излучаемый ею световой поток равен 0,63 лм.
Лампа, показанная на рис. 18.7, чуть больше по
размерам — диаметр ее стеклянной колбы около
6 мм. Срок службы этой лампы составляет менее
половины срока службы лампы, показанной на
рис. 18.6, но она излучает в три раза больший
световой поток, что представляет собой типич-
ный компромисс. На рынке доступны различ-
ные варианты ее цоколя.
В США величина светового потока от миниа-
тюрных ламп накаливания может быть выраже-
на в люменах, но гораздо чаще указывают такой
параметр, как средняя сферическая сила света
в свечах (от англ. Mean Spherical Candlepower,
MSCP). Объяснение этой единицы измерения
содержится в разд. «Средняя сферическая сила
света в свечах» этой статьи.
Светофильтры для ламп обеспечивают быстрый
и простой способ добавить к свету миниатюр-
ной лампы накаливания какой-либо цветовой
оттенок. Обычно такие светофильтры имеют
форму цилиндра с полусферическим колпачком
и предназначены для надевания непосредствен-
но на колбу лампы. Даже если колпачок про-
зрачный, его все также могут называть свето-
фильтром.
Индикаторные лампы
для панельного монтажа
Индикаторной лампой для панельного монтажа
часто называют готовый к установке трубча-
тый компоновочный узел, содержащий миниа-
тюрную лампу. Корпус этого узла, как правило,
предназначен для вставки в отверстие, про-
сверленное в панели. Если лампу накаливания
внутри корпуса невозможно заменить, то такой
компонент называют незаменяемым. На рис. 18.8
показана индикаторная лампа для панельного
монтажа, рассчитанная на напряжение 12 В.
Галогенные
и кварцево-галогенные лампы
Газ, находящийся под давлением внутри кол-
бы галогенной и кварцево-галогенной лампы на-
каливания, содержит галогены (йод или бром),
которые вызывают оседание испарившихся
с нити накала атомов вольфрама обратно на нее.
Рис. 18.7. Высота стеклянной колбы этой лампы около 9 мм,
а за счет винтового цоколя ее легче заменить, чем светодиод
Рис. 18.8. Эта индикаторная лампа предназначена для встав-
ки в монтажное отверстие диаметром 12,7 мм: лампа внутри
корпуса является несменяемой
Ыпа накаливания
205


Варианты
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лампа накаливания
Вследствие этого галогенная лампа способна ра-
ботать при более высокой температуре, излучая
менее желтый и более яркий свет, чем обычная
лампа накаливания. Для галогенных ламп тре-
буется колба меньшего размера, но она должна
быть изготовлена из боросиликатного стекла
(его часто называют плавленым кварцем), а не из
обычного. Галогенная лампа чуть менее эффек-
тивна, чем лампа накаливания такой же мощно-
сти, но срок ее службы больше.
Галогенные лампы доступны на рынке в раз-
личных форматах. Так, небольшая лампа с ми-
ниатюрным цоколем, показанная на рис. 18.9,
потребляет мощность 75 Вт, излучает световой
поток 1500 лм с цветовой температурой 3000 К.
Интенсивность света этой лампы эквивалентна
интенсивности обычной лампы накаливания
мощностью 100 Вт.
Рис. 18.9. Галогенная лампа длиной чуть больше 5 см, рас-
считанная на 115 В переменного тока
Лампы для духовок
Лампы для духовок рассчитаны на работу при
высокой температуре (до 300 °С), создаваемой
внутри духовки. Типичный номинал их мощно-
сти составляет 15 Вт.
Варианты цоколя
Миниатюрные лампы выпускаются для различ-
ных вариантов подключения, в число которых
входят проволочные выводы, байонетные со-
единения с одним или с двумя контактами, не-
большой резьбовой цоколь и подключение по
типу плавкой вставки. Для большинства из этих
вариантов необходим соответствующий патрон
или гнездо.
Вворачиваемые лампы для комнатного освеще-
ния широко распространены в бытовом осве-
щении в Соединенных Штатах и многих других
странах (но не в Великобритании, где исполь-
зуется байонетное соединение). Размер цоколя
лампы обозначается буквой Е, за которой следу-
ет число, определяющее диаметр патрона в мил-
лиметрах (распространены размеры ЕЮ, Е14
иЕ27).
Байонетный цоколь снабжен двумя небольши-
ми выступами с противоположных его сторон,
и лампу для закрепления в нем необходимо вста-
вить и повернуть, чтобы выступы цоколя оказа-
лись в выемках на патроне. Преимущество байо-
нетного цоколя заключается в малой вероятности
выпадения лампы в результате вибрации.
Штырьковый цоколь состоит просто из пары
штырьков, которые вставляются в небольшие
отверстия в патроне.
Фланцевый цоколь снабжен кромкой, которая
фиксируется в патроне с помощью гибких сег-
ментов.
Бесцокольная лампа вставляется между двумя
контактами, которые удерживают ее за счет
трения.
У некоторых индикаторных ламп есть лишь
длинные тонкие проводники, которые можно
припаять.
206
Статья 18


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лампа накаливания
Параметры
Параметры
Для ламп накаливания больших размеров по-
требление мощности определяется в ваттах,
а для небольших индикаторных ламп указыва-
ется сила тока в миллиамперах при расчетном
напряжении. Миниатюрным лампам может
потребоваться специальное напряжение в диа-
пазоне от 2 до 24 В. Чем выше напряжение пи-
тания лампы накаливания, тем, как правило, ей
необходима более длинная нить накала, а для
нее — колба большего размера.
Свет, испускаемый лампой, можно измерить
двумя способами: либо как мощность лампы (не
как потребляемую мощность, а как мощность
излучения), либо как освещенность, создавае-
мую на определенной площади, удаленной на
заданное расстояние. Эти два значения могут
быть различными, т. к. лампа может концентри-
ровать свет в виде луча (например, лампа с от-
ражателем или светодиод).
Световой поток
Мерой распространения энергии электро-
магнитных волн является поток излучения
в ваттах (или джоулях в секунду). Общая ин-
тенсивность излучения лампы на всех длинах
волн и во всех направлениях называется лу-
чевым потоком. Поскольку невидимые волны
не представляют интереса для оценки яркости
лампы, используется термин световой поток,
который описывает интенсивность источника
в видимой части спектра. Единицей измере-
ния светового потока является люмен (сокра-
щенно лм).
Глаз человека наиболее чувствителен к жел-
то-зеленым оттенкам в центре спектра. Вслед-
ствие этого в величину светового потока
основной вклад вносит зеленый цвет с длиной
волны 555 нм. Красный и фиолетовый цвета
обладают небольшим световым потоком, а ин-
фракрасное и ультрафиолетовое излучение —
нулевым.
При оценке значения светового потока, выра-
женного в люменах, учитывайте следующее:
• эта величина является мерой общей излу-
чаемой интенсивности источника света во
всех направлениях, но только в видимой
части спектра. Она соответствует свойствам
человеческого зрения;
• световой поток в люменах не связан с на-
правлением, в котором источник излучает
свет, а также не характеризует его одно-
родность.
От обычной лампы накаливания, которая потре-
бляет мощность в 100 Вт, можно ожидать свето-
вого потока в 1500 лм. При этом люминесцент-
ная трубка мощностью 40 Вт способна создать
световой поток в 2600 лм.
Освещенность
Освещенность, создаваемая источником света,
определяется как световой поток на единицу
площади. Ее можно представить как яркость по-
верхности, освещенной источником.
Освещенность измеряется в люксах, причем
1 лк = 1 лм/м2 (освещенность измеряли также
в фут-канделах — при этом 1 футкд = 1 лм/
фут2). Для точной калибровки освещаемая по-
верхность должна иметь сферическую форму
и располагаться на расстоянии 1 м от источника
света, а сам источник должен находиться в гео-
метрическом центре сферы.
При оценке значений освещенности учитывайте
следующее:
• значение освещенности в люменах на квад-
ратный метр (или в люксах) не связано с раз-
мером освещаемой поверхности — это всего
лишь световой поток на единицу площади;
• лампа с узконаправленным лучом света мо-
жет создать более высокую освещенность.
При выборе лампы следует наряду с вели-
чиной освещенности учитывать также угол
рассеивания луча.
Помпа накаливания
207


Параметры
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лампа накаливания
Сила света
Световой поток, заключенный в пределах угла
рассеивания, измеряется в канделах — этот угол
является трехмерным (в математике такие углы
называют телесными), и его можно представить
в виде конуса, причем источник света располо-
жен в вершине конуса, а сам конус соответствует
рассеиванию света.
Трехмерный угол рассеивания измеряется
в стерадианах. Если источник света расположен
в центре сферы радиусом 1 м и освещает 1 м2 по-
верхности этой сферы, то угол рассеивания ра-
вен одному стерадиану.
При оценке значений силы света учитывайте
следующее:
• источник света в 1 лм, который излучает
весь свой свет в пределах угла рассеивания
в 1 стерадиан, обладает интенсивностью
в 1 канделу;
• величина силы света в канделах не опре-
деляет угол рассеивания — это всего лишь
значение светового потока внутри такого
угла;
• источник света силой в 1000 кандел мог бы
обладать световым потоком в 10 люменов,
сконцентрированным внутри угла в 0,01 сте-
радиана, или же световым потоком всего
в 1 люмен, сконцентрированным внутри
угла в 0,001 стерадиана;
• в одной канделе содержится 1000 милли-
кандел: для канделы используется обозна-
чение кд, а для милликанделы — мкд\
• для светодиодов силу света часто указывают
в мкд — эта величина описывает световой по-
ток в пределах угла рассеивания светодиода.
Средняя сферическая сила света
в свечах
Несмотря на то, что термин сила света в свечах
признан устаревшим, он был переопределен,
как совпадающий с 1 канделой. Соответственно,
средняя сферическая сила света в свечах (MSCP,
Mean Spherical Candlepower) является мерой об-
щего количества света, излучаемого лампой во
всех направлениях. Поскольку предполагается,
что свет, распространяющийся во всех направ-
лениях, заполнит угол в 4я (около 12,57) сте-
радиан, то 1 MSCP = приблизительно 12,57 лм.
В Соединенных Штатах эта единица измерения
по-прежнему широко используется для опреде-
ления общей интенсивности света от миниатюр-
ных ламп.
Светоотдача
Светоотдача или световая эффективность из-
лучения (от англ. Radiant Luminous Efficacy, LER)
определяет, насколько эффективно лампа излу-
чает энергию в видимой области спектра, вместо
ее рассеивания в других диапазонах волн, в осо-
бенности инфракрасном. Эта величина рассчи-
тывается путем деления излучаемой мощности
в видимой части спектра на мощность во всех
остальных диапазонах длин волн.
Если VP — мощность, излучаемая в видимой ча-
сти спектра, а АР — мощность, приходящаяся на
все остальные длины волн, то тогда:
LER
VP / АР
Эта величина выражается в люменах на ватт.
Она может составлять всего около 12 лм/Вт
для лампы накаливания мощностью 40 Вт или
же 24 лм/Вт для кварцевой галогенной лампы.
Для люминесцентных ламп среднее значение
равно 50 лм/Вт. У светодиодов этот параметр
бывает разным, но может достигать величины
100 лм/Вт.
кпд
Коэффициент полезного действия источника
света (от англ. Radiant Luminous Efficiency, LAR)2
2 В оригинале читателю предлагается почувствовать
разницу между словами Efficacy и Efficiency, однако в
русском переводе они оба означают «эффективность»,
и почувствовать эту разницу русскоязычному читателю,
видимо, не дано. — Ред.
208
Статья 18


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лампа накаливания Использование
определяет, насколько хороша эффективность
этого источника по сравнению с воображаемой
идеальной лампой. КПД вычисляется путем де-
ления величины светоотдачи на максимально
возможное теоретическое значение 683 лм/Вт,
а затем умножения на 100, чтобы выразить ре-
зультат в процентах. Таким образом:
КПД = 100 * (LER / 683)
КПД ламп накаливания составляет приблизи-
тельно от 2% для лампы мощностью 40 Вт до
3,5% для кварцевой галогенной лампы. Типовой
КПД светодиодов составляет 15%, а у люминес-
центных ламп он близок к 10%.
Использование
Когда светодиоды только появились, они от-
личались высокой стоимостью, малой макси-
мальной световой отдачей и невозможностью
отображения белого, а не синего цвета. Сейчас
для небольших светодиодных индикаторов сто-
имость снизилась, а цветовой диапазон расши-
рился (хотя индекс цветопередачи для светодио-
дов по-прежнему остается плохим).
Преимуществом больших ламп накаливания по
сравнению со светодиодами является яркость,
поскольку их мощность можно легко наращи-
вать. Тем не менее, люминесцентные и газосвет-
ные лампы выигрывают за счет очень высокого
светового потока (вспомните, чем освещены, на-
пример, гипермаркеты или парковочные места).
Так что, диапазон возможного применения ламп
накаливания сужается, в том числе и потому, что
они во многих странах запрещены для исполь-
зования в осветительных приборах.
Некоторые преимущества
ламп накаливания
Решая вопрос о выборе между лампой накалива-
ния и светодиодом, следует принять во внимание
следующие преимущества лампы накаливания:
• интенсивность их свечения можно менять
с помощью регулятора освещенности на
основе симистора. Яркость обычных лю-
минесцентных ламп изменить нельзя, а для
светодиодов зачастую необходима отдель-
ная цепь регулировки;
• интенсивность их свечения можно на-
страивать также с помощью реостата, а для
люминесцентных ламп он неприменим;
• простота коррекции баланса белого цвета.
Светодиоды и люминесцентные лампы
изначально не обладают равномерным
излучением в видимой части спектра;
• лампы накаливания могут быть предназна-
чены для работы напрямую от широкого
диапазона напряжений (приблизительно
от 2 до 300 В). Чем выше напряжение
питания лампы накаливания, тем, как пра-
вило, ей необходима лишь более длинная
нить накала, а для нее — колба большего
размера. Светодиодам же для работы при
высоком напряжении потребуются допол-
нительные компоненты в схеме;
• лампы накаливания более устойчивы к ко-
лебаниям напряжения по сравнению со
светодиодами. Так, при работе от акку-
мулятора, если напряжение существенно
снизится, лампа накаливания все же будет
тускло светиться. Светодиоды же не будут
работать совсем, если ток станет ниже
порогового значения;
• лампа накаливания не имеет полярности
и может вставляться в патрон, что упрощает
для пользователя ее замену. А вот для свето-
диодов важна полярность, их обычно мон-
тируют при помощи пайки;
• лампы накаливания могут получать пита-
ние как от переменного, так и от постоян-
ного тока, и им не требуется какого-либо
изменения схемы. Светодиодам же необ-
ходим постоянный ток, который должен
подаваться через преобразователь или вы-
прямитель (или подобное им электронное
устройство), если первичный источник пи-
тания выдает переменный ток;
Помпа накаливания
209


Использование
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лампа накаливания
• лампы накаливания одинаково хорошо вид-
ны с разных сторон, а светодиоды обладают
ограниченным углом обзора;
• тепло, излучаемое лампой накаливания,
может иногда быть полезным, например,
в террариуме или в инкубаторах для домаш-
ней птицы;
• у ламп накаливания отсутствуют проблемы
при включении и переключении. Люмине-
сцентные же лампы обычно включаются не
сразу и «моргают» при подаче питания, кро-
ме того, для их включения необходим бал-
ласт. Также срок службы люминесцентных
ламп снижается при их частом включении/
выключении;
• лампы накаливания способны работать
в условиях отрицательных температур —
низкие температуры слабо отражаются на
работе ламп накаливания. Люминесцент-
ные же лампы могут плохо включаться
в холодных условиях, а после включения
мерцать или светиться тускло в течение
десяти (или более) минут, пока достаточно
не прогреются для нормальной работы;
• простая утилизация ламп накаливания так-
же является их преимуществом — лампы
накаливания, когда их выбрасывают, при-
чиняют наименьший вред окружающей сре-
де. Люминесцентные же лампы содержат
небольшие количества ртути, которая пред-
ставляет опасность для окружающей среды,
и такие лампы нельзя выбрасывать вместе
с бытовыми отходами. Компактные лю-
минесцентные лампы и светодиоды, пред-
назначенные для комнатного освещения,
снабжены электронными компонентами,
которые в идеале хорошо бы сдавать в пере-
работку, хотя это и не очень принято.
Тем не менее, лампы накаливания обладают
также некоторыми очевидными недостатками,
среди которых:
• низкий КПД;
• чувствительность к вибрации;
• большая хрупкость;
• меньший срок службы по сравнению со све-
тодиодами, люминесцентными и неоновы-
ми лампами, хотя небольшие панельные
индикаторы могут проработать столько же,
сколько и светодиод, если для вас приемле-
ма низкая цветовая температура;
• для создания цветного освещения требует-
ся фильтр или окрашенное стекло, что еще
больше снижает эффективность лампы;
• невозможность миниатюризации до такой
же степени, как у светодиодного индика-
тора.
Отклонение
от рабочих характеристик
Срок службы лампы можно существенно прод-
лить, если выбирать лампу с более высоким, чем
в схеме, номинальным током или если включать
ее при пониженном напряжении. Да, световая
отдача будет снижена, а цветовая температу-
ра переместится к более низким значениям,
(как множитель
к нормальному сроку)
у
оомальногоч
Рис. ЦВ-18.10. Ожидаемый срок службы гипотетической ми-
ниатюрной лампы накаливания очень сильно зависит от на-
пряжения: если подать напряжение в 60% от номинального,
лампа может прослужить в 500 раз дольше, хотя при этом су-
щественно снизится ее световой поток (обратите внимание,
что значения на вертикальных осях относятся к кривым того
же цвета). Графики заимствованы из статьи «Характеристики
миниатюрных ламп» корпорации Toshiba
210
Статья 18


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лампа накаливания Что может пойти не так?
но в некоторых ситуациях такой компромисс
оправдан.
Из графиков, приведенных на рис. ЦВ-18.10,
видно, что при снижении напряжения, подавае-
мого на гипотетическую миниатюрную лампу,
до 80% от значения, рекомендованного произ-
водителем, срок службы лампы может увели-
читься в 20 раз. Заметьте, однако, что при этом
световой поток уменьшится на 50% от нормаль-
ного значения.
И наоборот, если подать напряжение в 130%
от нормального, то световой поток составит
250%, но срок службы лампы при этом окажется
в 20 раз меньше расчетного. Конечно же, приве-
денные здесь значения весьма приблизительные
и могут не вполне точно подходить для какой-
либо конкретной лампы.
Что может пойти не так?
Высокая температура
окружающей среды
Если лампа накаливания работает при темпера-
туре окружающей среды свыше 100 °С, то срок
службы лампы скорее всего уменьшится из-за
так называемого «вольфрамово-водного цик-
ла»: молекулы воды, находящиеся внутри сте-
клянной колбы, станут разрушаться, позволяя
высвобождающемуся кислороду вступать в ре-
акцию с вольфрамом нити накала с образова-
нием оксида вольфрама, после разрушения ко-
торого вольфрам оседает на внутренней поверх-
ности стекла, а кислород снова высвобождается
и начинает новый цикл.
Опасность возгорания
Частично разреженная среда внутри колбы лам-
пы накаливания обеспечивает некоторую тепло-
изоляцию и защиту окружающих лампу матери-
алов от нагретой нити накала, но если колба не
сможет рассеивать тепло в виде излучения или
конвекции, то ее температура может возрасти до
такой степени, что произойдет возгорание окру-
жающих лампу воспламеняющихся материалов.
У галогенных ламп этот риск повышен, посколь-
ку они работают при более высокой температу-
ре и меньше по размерам, в результате чего для
отвода тепла обеспечивается меньшая площадь
их поверхности. Они также содержат газы под
давлением в 7-8 раз выше атмосферного. От
температурного удара галогенная лампа может
взорваться, а следы на ней от прикосновения
пальцами увеличивают этот риск.
Бросок тока
При включении холодной лампы накаливания
сопротивление ее нити накала составляет одну
десятую от величины сопротивления в нагретом
состоянии. Вследствие этого в цепи лампы воз-
никает сильный начальный бросок тока, на ста-
билизацию которого требуется около 50 мс. Это
следует принимать во внимание, если одна или
несколько небольших ламп подключены к ис-
точнику питания постоянного тока совместно
с такими компонентами, как логические микро-
схемы, которые могут быть чувствительны к ко-
лебаниям напряжения.
Проблемы при замене
Вследствие малого срока службы лампы нака-
ливания следует устанавливать таким образом,
чтобы обеспечить возможность их легкой заме-
ны. В случае с панельными индикаторами могут
возникнуть сложности, т. к. для доступа к лампе
может потребоваться демонтаж устройства.
Ассортимент миниатюрных ламп накаливания
сокращается и, вероятно, будет сужаться и далее.
Поэтому при разработке схем следует учитывать
доступность ламп для их замены в будущем.
Выпуская небольшие партии оборудования, сле-
дует заранее приобретать запасные лампы для
последующей возможной их замены.
Помпа накаливания
211


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > неоновая лампа
НЕОНОВАЯ ЛАМПА
19
Термины неоновая лампа (по англ. neon bulb), неоновый индикатор
и неоновый светильник взаимозаменяемы. В этой энциклопедии
лампой называется стеклянная капсула, содержащая два электрода,
которые помещены в неон (или в газообразную смесь, содержащую
неон). Неоновый светильник представляет собой блок, состоящий из
неоновой лампы, вставленной в пластиковый корпус с окрашенным
прозрачным колпачком. Неоновый индикатор представляет собой
миниатюрную неоновую лампу, обычно монтируемую на панели.
Неоновые трубки больших размеров, предназначенные для светя-
щихся вывесок, в эту энциклопедию не включены.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• лампа накаливания (см. статью 18)
• люминесцентная лампа (см. статью 20)
• светодиодный индикатор (см. статью 22)
Описание
Когда на два электрода неоновой лампы подает-
ся напряжение, инертный газ внутри нее начи-
нает излучать мягкий красный или оранжевый
свет, цвет которого можно изменить, надев на
лампу окрашенный прозрачный пластиковый
колпачок, называемый светофильтром и входя-
щий в комплект неонового светильника.
Неоновая лампа обычно рассчитана на напря-
жение питания 110 В или выше. При этом она
работает одинаково хорошо как от переменно-
го, так и от постоянного тока.
Для обозначения неоновых ламп и неоновых
светильников широко используются функцио-
нально идентичные символы, приведенные
на рис. 19.1. Черная точка внутри двух из них
указывает на то, что колба лампы наполнена га-
зом (положение точки внутри кружка символа
произвольное). Впрочем, поскольку газом на-
полнены все неоновые лампы, эту точку часто
опускают.
Рис 19.1 • Любой из приведенных здесь символов может обо-
значать либо неоновую лампу, либо неоновый светильник:
точка внутри двух из этих символов указывает на то, что кол-
ба лампы наполнена газом, но так как газом наполнены все
неоновые лампы, эту точку часто опускают
Неоновая лампа
213


Устройство
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > неоновая лампа
Рис. 19.2. Типичная неоновая лампа с последовательно под-
ключенным резистором
На рис. 19.2 и 19.3 изображена неоновая лампа
с резистором, последовательно подключенным
к одному из ее выводов. Неоновые лампы часто
поставляются именно в таком варианте, потому
что резистор необходим для ограничения тока,
протекающего через лампу. У обычной неоно-
вой лампы нет полярности, и поэтому допусти-
мо питать ее как от переменного, так и от посто-
янного тока.
Устройство
Конструкция
Процесс производства неоновой лампы
(рис. 19.4) начинается со стеклянной трубки.
Прежде всего в нее впаивают выводы, выполнен-
ные из платинита — биметаллической железо-
никелевой проволоки, покрытой тонким слоем
меди. Платинит обладает тем же коэффициен-
том расширения, что и стекло, и поэтому оно,
будучи расплавленным вокруг выводов, создает
запайку, на которой не отражаются дальнейшие
колебания температуры. Этот участок трубки
называется гребешковой ножкой.
Никелевые электроды, на которые нанесено
специальное эмиссионное покрытие, снижаю-
щее минимальное рабочее напряжение, при-
варивают к платинитовым выводам до их мон-
тажа в трубку. Стеклянную трубку наполняют
газовой смесью из неона и аргона или же только
неоном — для повышения световой отдачи (при
этом срок службы компонента сокращается),
после чего ее вершину нагревают до расплав-
ления, а затем прищипывают. При этом возни-
кает характерный выступ, который называется
отпаем.
Рис. 19.3. На лампу, изображенную на рис. 19.2, подано пере-
менное напряжение 115В
Ионизация
Когда на выводы лампы подается напряжение,
газ частично ионизируется, и его электроны и
ионы ускоряются электрическим полем. Еще не-
ионизированные атомы газа при столкновениях
214
Статья 19


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > неоновая лампа
Устройство
с ними также ионизуются, что позволяет под-
держивать внутри лампы стабильный уровень
ионизации. Электроны возбужденных при стол-
кновениях атомов переходят на более высокие
энергетические уровни, а когда они возвраща-
ются с высокого уровня в основное состояние,
излучается фотон.
Этот процесс начинается при пусковом напряже-
нии (известном также как напряжение зажигания
или напряжение пробоя), которое обычно равно
45-65 В для ламп стандартного типа или 70-95 В
для ламп высокой яркости. Функционирующая
лампа испускает мягкое свечение (называемое
тлеющим разрядом) с длиной волны в диапазоне
от 600 до 700 нм.
Рис. 19.4. Устройство неоновой лампы
В результате ионизации газа ток проходит через
него даже тогда, когда напряжение источника
питания снизится на 10-20 В, — до уровня на-
пряжения поддержания разряда. При этом, когда
тлеющий разряд сохраняется при напряжении
ниже пускового, возникает разновидность ги-
стерезиса, — неоновая лампа стремится оста-
ваться в каком-либо из двух состояний: она про-
должает светиться, пока напряжение источника
питания не уменьшится до напряжения поддер-
жания заряда, но как только она выключится, то
будет оставаться выключенной, пока напряже-
ние источника питания не поднимется до вели-
чины напряжения пробоя (понятие гистерезиса
рассмотрено в статье 6, посвященной компа-
раторам).
Отрицательное сопротивление
Если позволить току неограниченно возрастать,
то сопротивление неоновой лампы в конечном
итоге начнет снижаться, при этом говорят, что
неоновая лампа обладает отрицательным со-
противлением. Но в какой-то момент, если рост
тока будет продолжаться, оно приведет к само-
разрушению лампы.
Такое поведение характерно главным образом
для газоразрядных трубок (рис. 19.5). Обратите
внимание, что обе шкалы графика логарифми-
ческие. Заметьте также, что кривая на графике
показывает, как будет изменяться ток при по-
вышении напряжения. При этом если напряже-
ние после его повышения начать понижать, то
переходные эффекты, показанные на графике,
возникать в обратном порядке не станут. В осо-
бенности это верно, если между электродами
возникнет дуговой разряд, поскольку тогда ком-
понент практически наверняка выйдет из строя.
Неоновую лампу обычно подключают через по-
следовательно соединенный резистор, который
поддерживает в лампе режим тлеющего раз-
ряда. Чтобы понять функцию этого резистора,
рассмотрим комбинацию из лампы и резисто-
ра в качестве делителя напряжения (рис. 19.6).
Прежде чем лампа начнет пропускать ток, она
Неоновая лампа
215


Использование
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > неоновая лампа
обладает почти бесконечным сопротивлением.
При этом напряжение с обеих сторон резисто-
ра остается приблизительно одинаковым, лампа
почти не проводит ток и не светится.
400
200
т
I
8. 4o
m
X 20 ;
10
А
Дуга
У ■
Область I
тлеющего |
разряда |
|
о
Ток,'зависящий
от'напряжения
Рис. 19.5. Газоразрядная трубка (а неоновая лампа — это ее
частный случай) обладает так называемым отрицательным
сопротивлением: когда газ становится ионизованным и про-
водящим, протекающий через трубку ток неконтролируемо
возрастает. График построен на основе измерений, выпол-
ненных Дэвидом Найтом (David Knight) и помещенных на его
веб-странице, название которой совпадает с позывным его
любительской радиостанции: G3YNH
Когда же лампа начнет пропускать ток, от по-
следовательного резистора потребуется, что-
бы он снижал напряжение источника питания
(вероятно, около 110 В) до уровня напряжения
поддержания заряда (вероятно, около 90 В).
Это значит, что желаемое падение напряжения
составляет 20 В, и если в спецификации лампы
указано, что она должна пропускать ток 1 мА
(0,001 А), то номинал последовательно соеди-
ненного резистора R согласно закону Ома:
R = 20 / 0,001
Таким образом, мы получили для номинала R
значение 20 кОм. В действительности номинал
резистора, поставляемого вместе с неоновой
лампой, может находиться в диапазоне от 10
до 220 кОм, — в зависимости от характеристик
лампы и используемого источника питания.
Если теперь эффективное внутреннее сопротив-
ление лампы существенно снизится, резистор
все так же будет ограничивать ток. В гипотети-
ческом (худшем) случае при снижении сопро-
тивления лампы до нуля резистор должен обе-
спечивать полное падение напряжения в 100 В,
и тогда силу тока I можно определить по закону
Ома:
I = 110 / 20 000
Несложное вычисление даст величину около
5 мА, или 0,005 А.
Неоновым трубкам, применяемым в вывесках,
необходима более сложная схема управления
напряжением, которая не рассматривается
в этой энциклопедии.
Рис. 19.6. Для ограничения тока, протекающего через неоно-
вую лампу, весьма существенно наличие последовательно
соединенного резистора
Использование
Использование неоновой лампы в качестве ин-
дикаторной целесообразно, главным образом,
в тех ситуациях, когда легко доступно напря-
жение питания бытовой электросети (115 В или
220 В переменного тока). Обычный вариант
применения — в качестве индикаторов нали-
чия питания, поскольку неоновые индикаторы
216
Статья 19


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > неоновая лампа
Использование
могут функционировать на переменном токе.
Показанный на рис. 19.7 переключатель освеща-
ется изнутри неоновой лампой. Прямоугольный
индикатор на рис. 19.8 предназначен для рабо-
ты при напряжении бытовой электросети, а его
внутреннюю лампу и резистор легко разглядеть
сквозь зеленый пластиковый корпус. Диаметр
блока на рис. 19.9 составляет около 13 мм, что
является нижним пределом для неоновых инди-
каторов.
Рис 19.9. Сравнительно небольшая неоновая индикаторная
лампа, предназначенная для вставки в отверстие диаметром
12,7 мм
Рис. 19.7. Сетевой выключатель, подсвеченный встроенной
неоновой лампой
Рис. 19.8. Внутри этого индикатора видна неоновая лампа,
последовательно соединенная с резистором
Ограниченная светоотдача
Неоновые лампы обладают светоотдачей при-
близительно в 0,06 лм на 1 мА потребляемой
мощности (лампы стандартной яркости) или же
0,15 лм на 1 мА (лампы повышенной яркости).
Затруднительно сравнивать эти значения с па-
раметрами светодиодных индикаторов, ко-
торые обычно характеризуются силой света в
милликанделах (мкд), поскольку светодиодные
индикаторы почти всегда содержат линзу, кото-
рая фокусирует свет, а кандела определяется как
отношение светового потока к углу рассеивания.
Более того, поскольку световой поток неоновых
индикаторов в большинстве случаев не пред-
ставляет особого интереса, в спецификациях эти
значения обычно не приводятся.
Один из способов избежать сложностей при
сравнении источников света заключается в ис-
пользовании параметра световой эффектив-
ности излучения LER (от англ. Radiant Luminous
Efficacy), который определен в статье о лампах
накаливания (см. там разд. «Светоотдача»).
Для неоновой лампы со стандартной яркостью
LER составляет около 50 лм на один ватт по-
тока излучения. У светодиода же его величина
может достигать значения 100 лм/Вт. При этом
неоновая лампа обычно работает при силе тока
в 1 мА, а светодиодный индикатор — при силе
Неоновая лампа
217


Использование источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > неоновая лампа
тока в 20 мА. Следовательно, обычный светоди-
одный индикатор будет выглядеть в 30-50 раз
ярче, чем типичная неоновая лампа.
Таким образом, неоновая лампа может оказаться
не лучшим выбором для условий, где довольно
высок уровень внешнего освещения. А прямой
солнечный свет способен сделать свечение нео-
нового индикатора совершенно незаметным.
кпд
Так как неоновые лампы потребляют небольшую
мощность и нагреваются очень слабо, их удобно
применять в тех случаях, когда важно учиты-
вать потребление электроэнергии (например,
когда какой-либо индикатор продолжительное
время должен пребывать во включенном состо-
янии). Долговечность и малое энергопотребле-
ние неоновых ламп, а также совместимость их
с напряжением бытовой электросети, сделали
их популярными в прошлом для ночников и су-
венирных светильников: на рис. 19.10 показана
одна из таких ламп, содержащая декоративный
электрод, а на рис. 19.11 изображен декоратив-
ный неоновый светильник с украшением разме-
ром около 2,5 см, изготовленный в пластиковом
корпусе и подключаемый к электросети.
Рис. 19.10. В недавнем прошлом были весьма популярны де-
коративные неоновые лампы с электродами различных форм
Рис. 19.11. Неоновые декоративные светильники продолжа-
ют существовать и в наши дни — как, например, этот ночник,
купленный в сувенирной лавке во Флориде
Устойчивость
к внешним условиям
Неоновые лампы хорошо подходят для суровых
условий окружающей среды, поскольку на них
не влияет ни вибрация, ни внезапный механиче-
ский удар, ни перепады напряжения или частое
переключение питания. Их рабочий темпера-
турный диапазон составляет обычно от -40 °С
до +150 °С, хотя при температурах выше 100 °С
срок службы неоновых ламп сокращается.
Проверка источника питания
При питании от постоянного тока светится толь-
ко отрицательный электрод (катод) неоновой
лампы, а когда через лампу проходит перемен-
ный ток, светятся оба электрода.
Если лампу (с последовательным резистором)
подключить между «фазным» проводом быто-
вого источника питания переменного тока и за-
землением, она начнет светиться. Если же под-
ключить ее между «нейтральным» проводом
и заземлением, лампа работать не станет.
Эти свойства неоновой лампы позволяют при-
менять ее для проверки источника питания.
218
Статья 19


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > неоновая лампа
Варианты
Ожидаемый срок службы
Металл электродов при ежедневном исполь-
зовании неоновой лампы постепенно испаря-
ется - этот процесс называется распылением,
а выражается он в том, что стеклянная капсула
становится более темной за счет оседания на
ее внутренних стенках испарившегося металла.
У электродов лампы, работающей на постоян-
ном токе, срок службы меньше, поскольку все
распыление придется на один электрод — ка-
тод. При работе на переменном токе электроды
функционируют в качестве катода поочередно,
и распыление равномерно распределится на оба
электрода.
Неоновая лампа выйдет из строя, когда распы-
ление разрушит электроды до такой степени, что
напряжение поддержания заряда возрастет поч-
ти до уровня напряжения источника питания, —
при этом лампа начнет хаотично мерцать.
Выходом лампы из строя можно также считать
постепенное снижение ее яркости до величины
50% от номинальной, что происходит из-за на-
копления налета внутри стеклянного корпуса.
Поскольку налет более интенсивно оседает на
боковые стороны корпуса, можно продлить «ка-
жущийся» срок службы лампы, если смонтиро-
вать ее так, чтобы свечение было видно с торца.
Обычно номинальный срок службы неоновой
лампы составляет от 15 до 25 тыс. часов (два-
три года непрерывной работы). Тем не менее,
этот срок можно существенно продлить, если
слегка снизить напряжение, заменив последо-
вательный резистор другим, с немного бо'лыпим
номиналом.
Срок службы неоновой лампы зависит от номи-
нала резистора следующим образом: если LA —
нормальный срок службы, LB — продленный
срок службы, RA — нормальный номинал рези-
стора, a RB — более высокий номинал резисто-
ра, то:
LB = LA * ( RB / RA ) 3,3
И если, например, нормальный резистор с номи-
налом 20 кОм заменить резистором на 22 кОм,
то срок службы лампы может увеличиться чуть
более чем в 1,4 раза.
Варианты
Типичная неоновая лампа оканчивается вы-
водами, а ламповый индикаторный блок часто
снабжен лепестками для пайки. Впрочем, лампа
может также иметь резьбовой цоколь, фланец
или байонетный разъем для установки в соот-
ветствующий патрон. Ламповый индикатор,
у которого нет цоколя, должен либо вставлять-
ся в отверстие подходящего размера и формы,
либо удерживаться гайкой, которая накручи-
вается с помощью пластиковой резьбы на ци-
линдре корпуса.
Некоторые неоновые лампы или индикаторные
блоки снабжены штырьковыми разъемами для
непосредственного монтажа на печатной плате.
Практически все неоновые лампы работают
в диапазоне напряжений 100-120 В или 220-
240 В.
Интенсивность излучения неоновой лампы опи-
сывается как «стандартная» или «повышенной
яркости», хотя спецификации обычно не уточ-
няют эти термины.
Газоразрядные индикаторы
Газоразрядные индикаторы торговой марки
Nixie появились в 1955 году. Они служили для
отображения цифр от 0 до 9 в те времена, ког-
да эта функция еще не перешла к светодиодам.
В настоящее время газоразрядные индикаторы
более не выпускаются.
Каждая цифра газоразрядного индикатора была
изготовлена из металла и представляла собой
электрод внутри трубки, наполненной смесью
неона с другими газами. Изящный вид цифр,
а также эстетически приятное свечение, делали
газоразрядные индикаторы популярными в те-
чение долгого времени. Они обладают большим
сроком службы, выглядят «под старину», вполне
Неоновая лампа
219


Что может пойти не так? источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > неоновая лампа
пригодны для работы и их можно недорого при-
обрести на ресурсах типа интернет-магазина
eBay.1
Газоразрядным индикаторам, как правило, не-
обходимо постоянное напряжение около 170 В,
что создает сложности при подборе источника
питания и при управлении подобными индика-
торами, а также может оказаться опасным.
На рис. 19.12 изображены шесть газоразрядных
индикаторов, приспособленных для цифровых
часов, показывающих время в 24-часовом фор-
мате.
Что может пойти не так?
Свечение от наводок
Поскольку неоновой лампе необходима совсем
малая мощность, она может включиться от на-
веденного напряжения, возникшего где-либо в
схеме, в особенности если присутствуют такие
индуктивные компоненты, как трансформато-
ры. Чтобы это предотвратить, можно в дополне-
ние к обязательному последовательному рези-
стору параллельно лампе подключить резистор
с большим номиналом.
Невключение
при слабом внешнем освещении
Поскольку неоновой лампе для начала соб-
ственной эмиссии фотонов требуется некоторое
минимальное количество света, то при слабом
внешнем освещении лампа может включиться с
некоторой задержкой, а в полной темноте - не
зажечься совсем. В связи с этим в неоновые лам-
пы иногда добавляют небольшое количество
радиоактивного вещества, которое обеспечива-
ет поджиг лампы даже при полном отсутствии
внешнего света.
1 Газоразрядные индикаторы массово выпускались в
Советском Союзе вплоть до 1980-х годов. Отечествен-
ные индикаторы можно опознать по характерному виду
цифры «5» — это перевернутая вверх ногами цифра
«2». — Примеч. перев.
Рис. 19.12. Часы на основе газоразрядных индикаторов, пока-
зывающие время в 24-часовом формате (источник: Wikipedia,
без авторских прав)
Ранний выход из строя
при работе на постоянном токе
Ожидаемый срок службы лампы, приводимый
в спецификациях, обычно подразумевает пита-
ние от переменного тока. Поскольку постоянный
ток приводит к быстрому испарению электро-
дов, ожидаемый срок службы лампы при работе
на постоянном токе следует сократить на 50%.
Ранний выход из строя
вследствие скачков напряжения
Поскольку старение неоновой лампы ускоря-
ется при повышении тока, наличие скачков пи-
тающего напряжения приводит к броскам тока
выше номинального и это может существенно
сократить срок службы лампы.
Замена
Заменить неоновые панельные индикаторы
иногда весьма непросто, поскольку для доступа
к лампе может потребоваться разборка устрой-
ства. Помните, однако, и о том, что лампа, ко-
торую легко извлечь, может оказаться дешевой
подделкой.
220
Статья 19


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > люминесцентная лампа
ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ЛАМПА
20
В этой статье рассмотрены, главным образом, люминесцентные
источники света (по англ. fluorescent HghtY: люминесцентные лампы
(которые изредка называют люминесцентными трубками), а также
компактные люминесцентные лампы, предлагаемые на замену лам-
пам накаливания. Упомянуты здесь также и люминесцентные лам-
пы с холодным катодом.
Вакуумно-люминесцентные дисплеи выделены в этой энциклопе-
дии в отдельную статью, поскольку в люминесцентной лампе и ком-
пактной люминесцентной лампе вакуума нет.
Несмотря на то, что светодиоды в источнике белого света тоже по-
крыты слоем светящегося люминофора, они не отнесены здесь к лю-
минесцентным устройствам и рассматриваются в отдельной статье.
Неоновая лампа похожа на люминесцентную тем, что также являет-
ся газоразрядным устройством, но внутренняя часть ее стеклянной
колбы обычно не покрывается люминофором, и по этой причине ей
посвящена в данной энциклопедии отдельная статья.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• неоновая лампа (см. статью 19)
• лампа накаливания (см. статью 18)
• светодиод для освещения (см. статью 23)
• вакуумно-люминесцентный дисплей (см. статью 25)
1 В оригинальном издании для названия такого освещения используется
прилагательное «флуоресцентное», но у нас его принято называть
«люминесцентным», считая флуоресцентное освещение частным случаем
люминесцентного. — Примеч. перев.
Описание
Люминесцентные лампы и компактные люми-
несцентные лампы служат, в основном, для ис-
кусственного освещения. Частично разобранная
компактная энергосберегающая лампа показана
на рис. 20.1 — здесь можно видеть управляю-
щую электронную схему, которая обычно скры-
та внутри цоколя лампы.
Для изображения на схемах люминесцентного
источника света стандартного условного обо-
значения нет — существует лишь несколько
общепринятых символов (рис. 20.2): для лю-
минесцентной трубки {слева) и для компактной
люминесцентной лампы {справа). Обратите вни-
мание, что символы справа весьма схожи с сим-
волами лампы накаливания (см. рис. 18.1).
Люминесцентная лампа
221


Устройство
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > люминесцентная лампа
*Hcr
~Ч X )—
Рис. 20.2. Условные обозначения люминесцентных грубок
и ламп не стандартизированы
Рис. 20.1. Компактная люминесцентная лампа: цоколь срезан,
чтобы показать управляющую электронную схему
Устройство
Люминесценция — это испускание света в резуль-
тате процесса, для которого не требуется нагрев.
Противоположным ему явлением можно счи-
тать накаливание, при котором нагревание объ-
екта приводит к тому, что он начинает излучать
свет (см. статью 18, в которой рассмотрена
лампа накаливания).
Флуоресценция (вариант: флюоресценция) явля-
ется разновидностью люминесценции. Она воз-
никает, когда электроны в каком-либо веществе
переходят в возбужденное состояние, а затем
возвращаются в основное и при этом излучают
энергию в виде света. Поступающая в вещество
возбуждающая энергия может содержать из-
лучение другой частоты, так, некоторые живые
организмы (например, паукообразные и рыбы)
флуоресцируют в видимом диапазоне, если их
осветить ультрафиолетовым светом.
Люминесцентные трубки и лампы (рис. 20.3) со-
держат небольшое количество паров ртути, ко-
торые при возбуждении способны генерировать
222
ультрафиолетовое излучение. При взаимодей-
ствии этого излучения с тонким слоем люмино-
фора, нанесенным на внутреннюю поверхность
стеклянной трубки, возникает люминесценция
этого вещества, и оно начинает светиться в ви-
димой части спектра.
В трубке (лампе) содержится также один или
несколько инертных газов (аргон, ксенон, неон
или криптон) при давлении около 0,3% от
Рис. 20.3. Устройство люминесцентной трубки
Статья 20


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > люминесцентная лампа
Устройство
нормального атмосферного. Два внутренних
электрода, изготовленные, как правило, из воль-
фрама, подвергаются предварительному нагре-
ву, что способствует началу ионизации инертно-
го газа (не вполне корректно оба эти электрода
часто называют катодами).
Функция ионизированного газа внутри лампы
состоит не в том, чтобы излучать свет, а в том,
чтобы проводить ток, чтобы свободные элек-
троны могли сталкиваться с атомами ртути, на
короткое время переводя их электроны на вы-
сокие энергетические уровни. Когда один из та-
ких электронов возвращается из нестабильного
возбужденного состояния на основной энерге-
тический уровень, он излучает фотон с длиной
волны из ультрафиолетового диапазона.
Балласт и стартер
Нагрев вольфрамовых электродов необходим,
но его недостаточно для начала ионизации, —
требуется также высоковольтный импульс, ко-
торый возникает в трубке при ее включении.
В типичной трубке длиной 120 см напряжение
такого импульса может составлять 200-300 В.
Когда ток через трубку установится, газ, став-
ший плазмой, переходит в фазу с отрицатель-
ным сопротивлением. Протекающий через него
Рис. 20.4. Традиционная схема для запуска ионизации газа в
люминесцентной лампе использует стартер (показан внизу в
виде неоновой лампы, содержащей биметаллическую пласти-
ну, служащую в роли переключателя) и балласт (индуктивная
нагрузка, показанная слева)
ток будет увеличиваться, даже если напряже-
ние уменьшается. Этим процессом необходимо
управлять, чтобы предотвратить возникновение
электрической дуги, которая повредит электро-
ды (подобный процесс происходит в любом
газоразрядном устройстве, например в той же
неоновой лампе, и проиллюстрирован графи-
ком на рис. 19.5)
Чтобы нагревать электроды, ионизировать газ,
а затем управлять током, люминесцентный све-
тильник содержит дополнительные внешние
компоненты, образующие пускорегулирующее
устройство. В своей простейшей, традиционной
форме такими компонентами являются стартер
и балласт или дроссель. Стартер — это неоновая
лампа, которая содержит биметаллическую пла-
стину, выступающую в роли нормально замкну-
того переключателя, который пропускает ток
через последовательно подключенные электро-
ды, нагревая их.
Процесс запуска может увенчаться успехом не
сразу, и тогда стартеру требуется повторить его
несколько раз, что приводит к мерцанию лам-
пы, прежде чем ее разряд станет стабильным.
При низкой температуре такой лампе труднее
включиться.
Когда же газ в трубке становится проводя-
щим, ток между ее электродами обходит стар-
тер и ограничивается теперь при помощи бал-
ласта, предотвращающего возникновение дуги.
Простейший вариант балласта представляет со-
бой обмотку, функционирующую в качестве ка-
тушки индуктивности..
В более современных системах комбинация
«стартер-балласт» заменена электронным бал-
ластом. Он не только подает начальный импульс
тока, но также повышает частоту источника пи-
тания (50 или 60 Гц) до 10 кГц или выше, — это
увеличивает эффективность лампы и устраняет
любое видимое мерцание света. Компактные
люминесцентные лампы содержат электронный
балласт (это как раз те небольшие компоненты,
которые и видны на рис. 20.1).
Люминесцентная лампа
223


Варианты
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > люминесцентная лампо
Мерцание
Если люминесцентная лампа подключена к тра-
диционному пускорегулирующему устройству
и получает питание от сети переменного тока
с частотой 50 или 60 Гц, то тлеющий разряд
прекращается каждый раз, когда импульс тока
переходит через нулевое значение. При этом
ионизованный газ в лампе не может проводить
ток, пока напряжение не приблизится к мак-
симальному, и перестает проводить, когда на-
пряжение падает. Вследствие этого форма на-
пряжения на лампе близка к прямоугольной,
а свет загорается и гаснет очень резко. И хотя
это происходит 100 раз в секунду при источни-
ке питания с частотой 50 Гц и 120 раз в секунду
при источнике питания с частотой 60 Гц, не-
которые люди жалуются на то, что такое мер-
цание заметно и может вызывать головную
боль.
Разряд, который быстро включается и вы-
ключается, опасен в тех случаях, когда с его
помощью освещаются вращающиеся детали
оборудования, поскольку стробоскопический
эффект может привести к тому, что такие ча-
сти будут выглядеть неподвижными. Чтобы
уменьшить этот эффект, на разные лампы
в светильнике из нескольких ламп питание
подается с несовпадающей фазой. Этого мож-
но добиться, либо используя трехфазный ис-
точник питания, либо добавив индуктивно-
емкостную цепь к источнику питания некото-
рых ламп.
Варианты
Балласт традиционного типа называется также
пускорегулирующим устройством. За счет пред-
варительного нагрева электродов он снижает
степень их разрушения, которое возникало бы
в процессе запуска в противном случае. Лампа,
предназначенная для работы с таким балластом,
снабжена двумя контактами с каждой стороны
и называется двухштыръковой лампой.
Электронный балласт называют также балла-
стом мгновенного запуска. Он не осуществляет
предварительного нагрева электродов, а лампы,
предназначенные для работы с ним, имеют по
одному штырьку с каждой стороны.
Люминесцентные лампы
с холодным катодом
Люминесцентная лампа с холодным катодом
обычно выглядит как миниатюрная люминес-
центная лампа диаметром от 2 до 5 мм. Трубка
лампы может быть как прямой, так и иметь изо-
гнутую форму: Лампа работает по тому же прин-
ципу, что и обычная люминесцентная лампа,
содержащая пары ртути и какой-либо инертный
газ или смесь таких газов. Внутри она покрыта
люминофором, который обеспечивает ее све-
чение. Лампы с холодным катодом доступны во
множестве расцветок и оттенков белого цвета.
Как следует из названия лампы, ионизация газа в
ней создается без нагрева ее электродов. Вместо
этого на такую лампу подается очень высокое
переменное напряжение (1000 В или больше),
которое падает до 500-600 В после того как воз-
никает разряд. Поскольку лампы с холодным
катодом в свое время широко использовались
для задней подсветки экранов портативных
компьютеров, для них были разработаны спе-
циальные инверторы, создающие высокочастот-
ный выходной сигнал с высоким напряжением
на основе входного напряжения от 3 до 20 В по-
стоянного тока. Такие инверторы содержат так-
же средства регулирования яркости света лампы
при помощи широтно-импулъсной модуляции.
Некоторые лампы с холодным катодом предна-
значены для освещения небольших пространств,
например, внутри корпуса дисплея. Ряд люми-
несцентных ламп с холодным катодом выглядят
подобно компактным люминесцентным лампам
и могут использоваться в осветительных при-
борах, а кое-какие из них совместимы с регуля-
торами освещенности, применяемыми для ламп
накаливания.
224
Статья 20


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > люминесцентная лампа
Варианты
Лампы с холодным катодом обычно обладают
ограниченной световой отдачей по сравнению
с типичными люминесцентными лампами, но
их преимущество состоит в более стабильной
работе при низких температурах. Некоторые их
варианты предназначены для оформления вы-
весок и внешнего освещения в странах с холод-
ным климатом.
У ламп с холодным катодом довольно большой
срок службы — до 60 тыс. часов, тогда как люми-
несцентная лампа с нагреваемым катодом выхо-
дит из строя через 3-15 тыс. часов работы.
Любая трубка или лампа, в которой для иониза-
ции газа не используются нагретые электроды, с
технической точки зрения является устройством
с холодным катодом, но такая лампа не будет на-
зываться люминесцентной лампой с холодным
катодом, если в ней нет внутреннего слоя с лю-
минофором, создающим свечение.
Важно следить за тем, чтобы лампа соответство-
вала типу балласта, установленного в светиль-
нике. Для компактных люминесцентных ламп
это не создает сложностей, поскольку они уже
снабжены встроенным балластом.
Размеры
В Соединенных Штатах производятся прямые
двухштырьковые лампы следующих размеров:
• Т5: диаметр 5/8" (16 мм) — это более
современный вариант лампы, но в ней все
также используются для нагрева электроды
из вольфрама;
• Т8: диаметр Г (25 мм) — очень часто они
имеют длину 60 или 120 см, а их потреб-
ляемая мощность 18 и 36 Вт соответст-
венно;
t T12: диаметр 1,5" (38 мм);
• Т17: диаметр 2,125" (54 мм).
Компактные люминесцентные лампы выпуска-
ются в самых разнообразных вариантах.
Сравнение
Люминесцентные лампы обладают как суще-
ственными преимуществами, так и опреде-
ленными недостатками. Преимущества их сле-
дующие:
• после приобретения светильника, содер-
жащего балласт, за саму лампу придется
заплатить недорого. У компактных люми-
несцентных ламп или у светодиодных све-
тильников этого преимущества нет, по-
скольку электронная схема в них встроена
и при выходе лампы из строя ее придется
выбросить;
• люминесцентные лампы служат дольше,
чем лампы накаливания;
• на рынке доступны люминесцентные лампы
с разнообразными оттенками белого света;
• люминесцентные лампы создают ровный
рассеянный свет, который идеален для
общего освещения с помощью светиль-
ников, установленных на потолке. Они не
создают резких теней.
Недостатки люминесцентных ламп таковы:
• люминесцентные лампы обычно потреб-
ляют больше энергии, чем светодиодные
источники света, и светодиодные светиль-
ники оказываются более эффективными,
чем люминесцентные. Ожидается также,
что в будущем эффективность светодиодов
еще возрастет;
• люминесцентная лампа с балластом обыч-
ного типа может вызывать нарекания из-за
ее мерцания. По сравнению с ней светодиод,
который работает на постоянном токе, а так-
же лампа накаливания, обладающая тепло-
вой инерционностью, не мерцают;
• мерцание люминесцентных ламп создает
сложности при видеосъемке;
• спектр люминесцентного излучения содер-
жит острые пики, в результате которых
освещение выглядит неестественно;
Люминесцентная лампа
225


Параметры
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > люминесцентная лампа
• в тех случаях, когда необходим направлен-
ный луч света, люминесцентный источник
неприменим;
• балласт традиционного типа может вы-
зывать радиопомехи, в особенности для
сигналов с амплитудной модуляцией;
• поскольку люминесцентные трубки и лам-
пы содержат ртуть, их необходимо утили-
зировать должным образом, что влечет за
собой дополнительные расходы;
• даже у такой люминесцентной лампы, кото-
рая загорается мгновенно, при включении
наблюдаются кратковременные мерцания;
• срок службы люминесцентной лампы суще-
ственно сокращается, если ее часто включать
и выключать. Лампа накаливания не так
сильно страдает от частого переключения,
а на светодиодные светильники это совсем
не влияет;
• при низких температурах люминесцентные
лампы могут включаться с трудом.
невидимо, поскольку находится в ультрафиоле-
товом диапазоне, но когда оно «переносится»
в видимую часть спектра при помощи слоя с лю-
минофором, эти выбросы все также остаются
в спектре излучения люминесцентной лампы.
Сравнение спектральных характеристик из-
лучения света для лампы накаливания, люми-
несцентной лампы и светодиода приведено на
рис. ЦВ-18.4.
С помощью различных комбинаций люминофо-
ров в трубке и в компактной люминесцентной
лампе разработчики пытаются изменить харак-
теристики освещения так, чтобы оно более соот-
ветствовало человеческому зрению, но ни один
из вариантов не выглядит настолько «натураль-
но», как свет от лампы накаливания, — вероят-
но, потому, что спектральный состав света, по-
лучаемый при накаливании, очень близок по
характеристикам к солнечному свету.
Что может пойти не так?
Параметры
Световой поток
Светоотдача люминесцентной лампы измеря-
ется в люменах на ватт. Поскольку невидимое
излучение не представляет интереса при оценке
интенсивности света, для видимой части спектра
используется понятие светового потока, едини-
цей которого является люмен (дополнительная
информация о световых величинах и их измере-
нии содержится в статье 18, посвященной лам-
пам накаливания).
Спектр
Спектр излучения паров ртути в люминесцент-
ной лампе содержит пики на длинах волн 253,7
и 185 нанометров (нанометр, который обыч-
но сокращают до нм, - это одна миллиардная
доля метра). Излучение с такими длинами волн
Ненадежное включение
При низкой температуре находящаяся внутри
лампы ртуть может испаряться медленнее, а при
очень низких температурах испарение может
совсем прекратиться. Пока в трубке отсутствуют
пары ртути, разряд и люминесценция не воз-
никнут.
Мерцание незадолго
до окончания срока службы
По мере старения лампы она может начать про-
водить ток только в одном направлении, что
приведет к заметному мерцанию. При даль-
нейшем старении газовый разряд становится
все менее устойчивым, а мерцание приобретает
хаотичный характер. В конечном итоге газовый
разряд перестает возникать совсем. В таком со-
стоянии лампа может тускло светиться у обоих
концов, вблизи от вольфрамовых электродов.
226
Статья 20


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > люминесцентная лампа Что может пойти не так?
Невозможность регулировки
интенсивности света
Ни «традиционный» балласт старого типа, ни
современный электронный балласт не в состоя-
нии адекватно работать с регулятором освещен-
ности, предназначенным для ламп накаливания.
Этот фактор может оказаться важным при за-
мене лампы накаливания на компактную люми-
несцентную лампу.
Выгорание электродов
Подобно вольфрамовой нити накала в лампе
накаливания вольфрамовые электроды в лю-
минесцентной лампе постепенно разрушаются.
Это становится заметно, когда внутри лампы
на обоих ее концах образуется темный налет из
вольфрама.
Опасность ультрафиолетового
излучения
Некоторые критики компактных люминесцент-
ных ламп утверждают, что сложная скрученная
или зигзагообразная форма их трубки допуска-
ет появление небольших изъянов во внутреннем
люминофорном покрытии, что потенциально
позволяет ультрафиолетовому излучению вый-
ти наружу. Если это происходит в компактной
люминесцентной лампе, используемой в на-
стольном светильнике в непосредственной бли-
зости к человеку, то такое ультрафиолетовое из-
лучение может повысить риск возникновения
рака кожи.
Люминесцентная лампа
227


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лазер
ЛАЗЕР
21
В 50-х годах прошлого века для обозначения устройства, использую-
щего вынужденное излучение для усиления микроволн, был приду-
ман термин мазер. По аналогии с этим в 1960 году устройство, осно-
ванное на подобном же принципе, но применяющееся для усиления
видимого света, назвали оптическим мазером. Со временем это на-
звание устарело, и его заменили термином лазер. Несмотря на то, что
слово лазер представляет собой акроним фразы Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation (усиление света при помощи вы-
нужденного излучения), оно всегда пишется строчными буквами.
Существуют тысячи вариантов лазеров. Однако вследствие огра-
ниченного объема книги в этой статье будут рассмотрены главным
образом лазерные диоды, являющиеся самым маленьким, наиболее
распространенным и легкодоступным типом лазера.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• светодиодный индикатор (см. статью 22)
Описание
Лазер обычно испускает тонкий луч интенсив-
ного света, зачастую в видимой части спектра
и, как правило, с таким узким диапазоном длин
волн, что его можно считать монохроматиче-
ским. Этот свет является также когерентным
(объяснение этого понятия дается далее).
Излучение лазера обладает тремя важными ха-
рактеристиками:
• высокая интенсивность — лазер большой
мощности способен концентрировать энер-
гию в пределах очень малой, хорошо опре-
деленной области. Там он может выполнять
воспламенение, разрезание, сварку или
сверление. Мощные лазеры могут также
применяться как оружие или для передачи
энергии на расстояние;
• коллимация — этим термином характе-
ризуется луч света, не выходящий за пре-
делы параллельных границ и существен-
но не рассеивающийся при прохожде-
нии через прозрачную среду, такую как
воздух, стекло или вакуум. Луч лазера
может иметь настолько хорошую коллима-
цию, что его можно использовать в точных
измерительных приборах, а также пере-
давать на очень большие расстояния (даже
с Земли на Луну, где астронавты с «Аполло»
установили отражатели);
• управляемость — поскольку лазерный луч
обычно генерируется с помощью электро-
энергии, его интенсивность можно быстро
регулировать весьма простыми электричес-
кими схемами, что позволяет использовать
его, например, для прожигания микроско-
пических углублений в пластиковой основе
дисков CD-ROM и DVD.
Лазер
229


Устройство
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лазер
Лазерные диоды сейчас распространены боль-
ше, чем все остальные типы лазеров. Их мож-
но увидеть в указках, принтерах, считывателях
штрихкодов, сканерах, компьютерных мышах,
волоконно-оптических каналах связи, геодези-
ческих инструментах, оптических прицелах и в
источниках направленного света. Они применя-
ются также как источники света для запуска еще
более мощных лазеров.
Для обозначения лазера не существует обще-
принятого символа, но лазерный диод на схемах
часто изображают так же, как и светоизлучаю-
щий диод (см. рис. 22.2 в статье о светодиод-
ных индикаторах).
Устройство
Лазер создается на основе активной среды, пред-
ставляющей собой материал, способный усили-
вать свет. Эта среда в зависимости от типа лазе-
ра может находиться в твердом, жидком или га-
зообразном состоянии, а также в виде плазмы.
Подаваемая в активную среду энергия сначала
приводит в состояние возбуждения некоторые
ее атомы — этот процесс называется накачкой
лазера. Энергия может поступать от мощно-
го внешнего источника света или от источника
электрического тока.
При возбуждении атома повышается кванто-
вый энергетический уровень связанных с ним
электронов. Когда же электрон возвращается
в основное энергетическое состояние, он ис-
пускает фотон, — это называется спонтанным
излучением.
Если один из фотонов сталкивается с атомом,
который под действием внешнего источника
энергии только что перешел в возбужденное
состояние, то такой атом может испустить два
фотона, — это называется вынужденным излуче-
нием. И так до достижения порогового уровня
число излученных фотонов может возрастать
экспоненциально.
Если с противоположных сторон активной сре-
ды установить параллельно друг другу два зер-
кала, они образуют оптический резонатор. Свет,
возникающий в процессе накачки, отражается
от этих зеркал, а вынужденное излучение уси-
ливает его при каждом прохождении от зеркала
к зеркалу. Если одно из зеркал частично про-
зрачное, то часть света будет проходить через
него в виде лазерного луча, — такой компонент
лазера называется полупрозрачным зеркалом.
Лазерный диод
Лазерный диод, как и светодиод (детальное
описание функций светодиода приводится в
разд. «Устройство» статьи 22), основан нгр-п-
переходе. При прямом смещении р-я-перехода
заряды поступают на этот переход, приводя к
спонтанному излучению фотонов. Излученные
фотоны, в свою очередь, приводят к рекомби-
нации электронов и дырок, что вызывает по-
явление дополнительных фотонов в результате
вынужденного излучения. Когда этот процесс
переходит за пороговый уровень, протекающий
ток переводит прибор в режим лазера.
Рис. 21.1. Исходная конструкция лазерного диода (из патен-
та, выданного в 1962 году)
230
Статья 21


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лазер
Устройство
Первый патент на лазерный диод был получен
Робертом Н. Холлом (Robert N. Hall) из компа-
нии General Electric в 1962 году. На рис. 21.1, по-
заимствованном из чертежей этого патента, р-п-
переход (обозначенный как Область перехода)
представляет собой активную область, в которой
возникает лазерное излучение. Толщина слоя
перехода составляет всего ОД микрона (масштаб
Рис. 21.2. Упрощенный разрез лазерного диода
Рис. 21.3. Лазерный диод обычно снабжен фотодиодом, обе-
спечивающим обратную связь с управляющей схемой, регу-
лирующей ток через лазер
на иллюстрации не соблюден). Вертикальные
передняя и задняя стороны диода гладко отпо-
лированы и располагаются параллельно друг
другу, образуя оптический резонатор, вслед-
ствие чего фотоны от них многократно отража-
ются. Боковые поверхности диода наклонены
под разными углами и сделаны шероховатыми,
чтобы минимизировать внутреннее отражение
между ними. Упрощенный разрез такого лазер-
ного диода показан на рис. 21.2.
На рис. 21.3 показано устройство компонента,
поставляемого в качестве лазера, кроме лазер-
ного диода он также содержит фотодиод для из-
мерения интенсивности света, проникающего
сквозь отполированную заднюю сторону лазер-
ного диода. Для связи с внешней электронной
схемой, управляющей интенсивностью лазера,
такой компонент имеет три вывода: первый
соединен с фотодиодом, второй подключен к
р-слою лазерного диода, а третий — общий для
л-слоя лазерного диода и заземленного контак-
та фотодиода.
Три штырьковых вывода реального лазерно-
го диода (рис. 21.4) соответствуют выводам,
Рис. 21.4. Лазерный диод Lite-On 505Т, излучающий свет с
длиной волны 650 нм: потребляемая им мощность составля-
ет 5 мВт при напряжении 2,6 В (по квадратной сетке можно
определить, что диаметр этого компонента всего 5 мм)
Позер
231


Устройство
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лазер
Рис. 21.5. Этот лазер содержит встроенную управляющую
электронную схему, и ему необходим лишь источник питания
на 5 В: лазер потребляет ток 30 мА, а его мощность излучения
достигает 5 мВт
показанным на рис. 21.3, и свидетельствуют о
том, что для управления этим компонентом дей-
ствительно необходима внешняя электронная
схема.
Лазер, изображенный на рис. 21.5, укомплекто-
ван микросхемой для поверхностного монтажа,
расположенной рядом с лепестком для пайки
(видно, что к нему припаян провод). Наличие
микросхемы и всего лишь двух проводов сви-
детельствует о том, что такой компонент имеет
встроенную управляющую электронную схему
и ему необходим только источник питания по-
стоянного тока.
Когерентный свет
Понятие когерентного света часто объясняют,
имея в виду синхронизированность друг с дру-
гом волн, испускаемых их источником. В дей-
ствительности различают два типа когерентно-
сти, которые можно приблизительно описать
как пространственную когерентность и как
временную когерентность. С когерентностью
связано также понятие монохроматичности.
Когда наблюдатель смотрит на облачное небо,
его глаза воспринимают свет, хаотически из-
лучаемый с различных расстояний и направле-
ний, т. е. этот свет не является пространственно-
когерентным. Он содержит также различные
несинхронизированные волны и поэтому в нем
отсутствует и временная когерентность.
Нить накала в лампе накаливания представля-
ет собой источник света гораздо меньших раз-
меров, но все же достаточно крупный для того,
чтобы его беспорядочное световое излучение
являлось пространственно-когерентным. Этот
свет также содержит и множество различных
длин волн.
Предположим, что перед лампой накалива-
ния поставлена преграда с очень маленьким
отверстием, тогда наблюдатель с противопо-
ложной стороны будет воспринимать этот свет,
как исходящий от точечного источника. Соот-
ветственно, проходящий через малое отверс-
тие свет станет пространственно-когерентным,
а его волны не будут хаотически перекрывать-
ся. Если этот свет пропустить через цветной
светофильтр, то он пропустит одну длину вол-
ны и излучение станет когерентным и моно-
хроматичным (рис. ЦВ-21.6).
Небольшое количество света, проникающего
через отверстие, с неизбежностью окажется на-
много слабее исходного излучения от источника.
Однако лазер выдает мощное излучение, а так-
же ведет себя подобно точечному источнику. За
счет эффекта «зеркального зала», создаваемого
параллельными отражающими поверхностями
оптического резонатора, большая часть света
проходит значительное расстояние, прежде чем
выходит через полупрозрачное зеркало. При
этом любой луч, который существенно отклоня-
ется от оси лазера, не выйдет за его пределы, по-
скольку при каждом отражении его отклонение
будет только увеличиваться. Таким образом, свет
лазера практически с любого расстояния выгля-
дит как исходящий из точечного источника.
Вследствие особенностей геометрической струк-
туры /?-я-перехода, выходящий из лазерного
диода свет не является полностью коллимиро-
ванным и образует пучок с углом рассеивания
до 20°, поэтому для его фокусировки необходим
дополнительный объектив.
232
Статья 21


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лазер
Варианты
газовый разряд. Молекулы азота возбуждаются
этим разрядом и при столкновении с молеку-
лами углекислого газа передают им свою энер-
гию. Гелий помогает азоту вернуться в основное
энергетическое состояние, а также отводит теп-
ло из смеси газов.
СО2-лазеры представляют собой источники ин-
фракрасного излучения и широко используют-
ся при хирургических операциях, в том числе
в офтальмологии. Их варианты с повышенной
мощностью применяются в промышленности
для разрезания самых разнообразных мате-
риалов.
Рис. ЦВ-21.6. Лампа накаливания (внизу) излучает некоге-
рентный свет с различными длинами волн, что для лучшего
понимания показано в преувеличенном виде. Когда свет про-
ходит через небольшое отверстие, он становится пространст-
венно-когерентным, а после прохождения через светофильтр
становится когерентным и монохроматичным
Варианты
Как правило, лазеры поставляются в полностью
собранном виде в качестве инструментов для
определенных целей. Далее приводится краткое
описание углекислотного, волоконного и кри-
сталлического лазеров.
Волоконный лазер
Излучение в волоконный лазер накачивается
посредством светодиодов, а затем усиливает-
ся в специально предназначенных для этого
оптических волокнах. Получающийся в итоге
луч имеет очень малый диаметр, обеспечивая
интенсивность выше, чем у СО2-лазеров. Такой
лазер подходит для гравировки и прожига ме-
талла, а также для работы с пластиком.
Кристаллический лазер
Подобно волоконному лазеру накачка кристал-
лического лазера осуществляется с помощью
светодиодов. В настоящее время созданы ком-
пактные кристаллические лазеры, рабочие дли-
ны волн которых охватывают очень широкий
диапазон, включая весь видимый спектр, инфра-
красный диапазон и ультрафиолет. Они при-
меняются в голографии, биомедицине, интер-
ферометрии, при проверке качества полупро-
водников и в обработке материалов.
СО2-лазер
Активной средой СО2-лазеров является, в основ-
ном, диоксид углерода, но могут присутствовать
также гелий и азот, а иногда водород, водяной
пар и/или ксенон. Накачка лазера осуществля-
ется электрическим током, который вызывает
Параметры
Выходная мощность излучения лазера измеря-
ется в ваттах (или в милливаттах). Этот пара-
метр не следует путать с электрической мощ-
ностью, которую устройство потребляет.
Лазер
233


Использование
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лазер
В Соединенных Штатах для любого устройства,
которое продается как лазерная указка, макси-
мальная выходная мощность ограничивается
значением 5 мВт. Тем не менее можно заказать
по почте устройства на основе лазерных диодов,
обладающие выходной мощностью 200 мВт и
выше. Законность использования таких лазеров
зависит от нормативных документов, которые
отличаются в разных штатах.
В приводе для записи оптических дисков
(рис. 21.7) лазерный диод может обладать
мощностью около 30 мВт.
Лазеры обладают настолько узким диапазо-
ном длин волн, что для них указывается точ-
ное значение в нанометрах. Лазер в оптиче-
ской мыши может иметь длину волны 848 нм,
в CD-приводе — 785 нм, в устройстве для чтения
штрихкодов — 670 нм, в современной лазер-
ной указке — 640 нм, в проигрывателе дисков
Blu-ray — 405 нм.
Использование
В лабораторных и промышленных установках
лазеры незаменимы для решения серьезных за-
дач, а типичный лазерный диод малой мощно-
сти стал настолько доступным (в некоторых слу-
чаях — на момент подготовки этой книги - он
стоит меньше 5$), что его можно рассматривать
просто как удобный источник света с четко за-
данными параметрами. Такой источник идеален
для определения положения движущихся меха-
нических деталей какой-либо установки или для
обнаружения проникновения злоумышленника.
Угол рассеивания света типичного светоизлуча-
ющего диода не превышает 3°, однако у его луча
более размытые края по сравнению с четкими
границами лазерного луча, и такой луч не мо-
жет надежно работать с датчиком на расстоянии
больше, чем несколько десятков сантиметров.
Лазерные диоды, поставляемые в качестве гото-
вых компонентов, могут обладать (но могут и не
обладать) управляющей электронной схемой,
ограничивающей потребляемый ими ток. Ведь
если подать питание напрямую на лазерный
диод, то это приведет к его тепловому пробою
и быстрому разрушению. Управляющие устрой-
ства для лазерных диодов доступны на рынке в
виде отдельных готовых к эксплуатации схем,
смонтированных на платах с разводкой.
Для большинства случаев проще и дешевле ку-
пить лазерный диод в виде готового изделия.
Впрочем, даже из лазерной указки можно легко
извлечь источник лазерного излучения, и если
он питается от двух элементов по 1,5 В, то его
можно приспособить для работы от напряже-
ния 5 В, применив стабилизатор напряжения
на 3,3 В.
Рис. 21.7. Лазерная головка для чтения компакт-дисков
Варианты применения
Помимо использования при показе презентаций
PowerPoint или для совместной работы с дат-
чиками перемещения, лазерные указывающие
234
Статья 21


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > лазер
Что может пойти не так?
устройства имеют и другие варианты приме-
нения:
• астрономия — лазерный луч высокой мощ-
ности виден даже в чистом воздухе вслед-
ствие взаимодействия с его молекулами
(этот эффект называется рэлеевским рас-
сеянием). С помощью такого луча один из
наблюдателей может указать звезду (или
планету) другому. Поскольку небесные тела
находятся очень далеко, параллактическая
ошибка будет незаметна для двух людей,
если они смотрят на такой луч, находясь
близко друг к другу. Лазерный указатель
можно также установить на телескопе, что-
бы он помогал при наведении телескопа на
интересующий объект, — это проще, чем
отыскивать объект через окуляр;
• целеуказание — лазеры широко используют-
ся в огнестрельном оружии для наведения
на цель, в особенности в условиях слабого
освещения. А в сочетании с инфракрасными
очками для этого могут применяться и ин-
фракрасные лазеры;
• выживание — небольшой лазер может
входить в состав аварийных комплектов для
подачи сигнала поисковым командам. Лу-
чом лазера можно также отпугивать хищ-
ных животных.
Что может пойти не так?
Риск получения травмы
Лазеры являются потенциально опасными
устройствами. Те из них, что обеспечивают
инфракрасное или ультрафиолетовое излуче-
ние, более опасны, чем создающие видимый
луч, поскольку при их работе отсутствует визу-
альное предупреждение о том, что лазер вклю-
чен. Лазер способен повредить сетчатку глаза,
хотя ведутся споры о том, какую выходную
мощность следует считать уровнем высокого
риска.
Если какое-либо устройство содержит лазер, то
при сборке или проверке устройства лазер сле-
дует отключить. В любом случае рекомендуется
надевать защитные очки, задерживающие ла-
зерное излучение, даже если экспериментатор
уверен в том, что лазер отключен.
Включенный лазер никогда не следует наводить
на людей, на транспортные средства, на живот-
ных (за исключением опасных) или на себя.
Недостаточный отвод тепла
Лазеры могут быть предназначены и рассчита-
ны для работы в импульсном режиме. Так, на-
пример, головка для записи компакт-дисков
рассчитана на подачу импульсного сигнала, а
не постоянного тока. Внимательно сверяйтесь с
техническими данными и обеспечивайте доста-
точный отвод тепла.
Неподходящий источник питания
Диодный лазер, у которого отсутствует систе-
ма обратной связи для управления током через
прибор, может подвергнуться саморазрушению
при подключении к неподходящему источнику.
Неправильная полярность
Как светодиод, так и фотодиод внутри трех-
штырькового корпуса лазера могут быть по-
вреждены, если на них подать питание с непра-
вильной полярностью, поэтому всегда следует
уточнять в документации функции штырьковых
выводов.
Пазер
235


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиодный индикатор
СВЕТОДИОДНЫЙ ИНДИКАТОР
В этой энциклопедии светодиодным индикатором (по англ. LED
indicator) называется компонент, представляющий собой один (чаще
всего) светоизлучающий диод, залитый в прозрачную или полупро-
зрачную эпоксидную смолу или силикон. Диаметр такого компонента
не превышает 10 мм. Он предназначен для работы в качестве инди-
катора состояния какого-либо устройства, а не для того чтобы слу-
жить источником освещения, и его иногда называют стандартным
светодиодом.
Светодиодные индикаторы, излучающие в инфракрасном и ультра-
фиолетовом спектре, также включены в эту статью. Светодиоды,
предназначенные для освещения больших помещений или наруж-
ных территорий и почти всегда излучающие белый свет (иногда их
называют светодиодами с высокой яркостью), рассмотрены в статье
светодиод для освещения.
Термин светоизлучающий диод (light-emitting diode) становится все
менее распространенным, чаще используется сокращенный вариант
(просто светодиод, или LED — в англоязычной документации).
Изначально стандартный светодиод содержал только один диод, но
теперь их может быть несколько: либо для усиления яркости, либо с
целью добавить различные цветовые оттенки. В этой энциклопедии
компактный компонент в корпусе из эпоксидной смолы или силикона
по-прежнему рассматривается как светодиодный индикатор неза-
висимо от количества содержащихся в нем диодов. В противополож-
ность этому, любой компонент, состоящий из нескольких отдельных
светодиодов, например дисплейный модуль матричного или много-
символьного дисплея, включающий семь, четырнадцать или шест-
надцать сегментов для отображения буквенно-цифровых символов,
рассмотрен в отдельной статье как светодиодный дисплей.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• лампа накаливания (см. статью 18)
• неоновая лампа (см. статью 19)
• лазер (см. статью 21)
• светодиод для освещения (см. статью 23)
• светодиодный дисплей (см. статью 24)
22
Светодиодный индикатор 237


Описание
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиодный индикатор
Описание
Светодиодный индикатор излучает свет при
подаче небольшого постоянного тока — поряд-
ка 20 мА (а иногда намного меньше) — при на-
пряжении менее 5 В. Обычно он запрессован
в эпоксидную смолу или силикон, и эта субстан-
ция может быть либо бесцветной и прозрачной
(в англоязычной литературе ее часто называ-
ют water clear, прозрачная как вода), либо бес-
цветной, но полупрозрачной, либо окрашенной
и прозрачной, или же окрашенной и полупро-
зрачной. Сформированному светодиодному
индикатору придается цилиндрическая форма
с полусферической вершиной, играющей роль
фокусирующей линзы.
Цветовой оттенок излучаемого света изначаль-
но задается химическим составом полупровод-
никового материала и добавками к нему, по-
этому компонент в прозрачном корпусе может
излучать окрашенный свет.
Ультрафиолетовые светодиоды обычно пол-
ностью прозрачны. Инфракрасные светодиоды
часто выглядят черными, поскольку их оболоч-
ка не пропускает видимый свет, но прозрачна
для инфракрасного излучения.
Если о светодиодном индикаторе говорится, что
он предназначен для установки в монтажные
отверстия, это не означает, что сам индикатор
следует поместить в отверстие панели (хотя воз-
можен и такой вариант), — просто у него имеют-
ся выводы для вставки в гнезда печатной платы.
Выводы эти довольно толстые, поскольку пред-
назначены также и для того, чтобы обеспечивать
отвод от компонента тепла, образующегося при
его работе (рис. 22.1).
Светодиодные индикаторы, не предназначенные
для установки в монтажные отверстия, обычно
представляют собой компоненты для поверх-
ностного монтажа и чаще всего имеют прямо-
угольную в плане форму с размерами 1x0,5 мм.
Для них может потребоваться теплоотвод.
Рис. 22.1. Типичный светодиод диаметром 5 мм: более длин-
ный вывод подключен к аноду, а короткий — к катоду (схема
взята в адаптированном виде из таблицы, опубликованной
корпорацией Lite-On Technology)
Условные обозначения
На рис. 22.2 приведены различные символы,
которые широко используются для обозначе-
ния светодиодов. Треугольник в центре каждо-
го символа указывает направление протекания
условного тока — от плюса к минусу, т. е. от ано-
да к катоду. Каждая пара стрелок, отходящих
от диода, обозначает излучаемый им свет. Для
обозначения инфракрасного (теплового) излу-
чения эти стрелки иногда рисуют волнистыми,
однако зачастую инфракрасный светодиод обо-
значают так же, как и светодиод для видимого
238
Статья 22


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиодный индикатор
Устройство
Устройство
Рис. 22.2. Для обозначения светодиода могут использоваться
различные символы
света. За исключением волнистых стрелок, раз-
личные варианты условных обозначений функ-
ционально идентичны и не отражают различий
в таких параметрах компонента, как его размер
или цвет.
Типичное применение
Светодиодные индикаторы практически вытес-
нили неоновые лампы и миниатюрные лампы
накаливания, когда их назначением является
индикация состояния устройства. Светодиоды
можно увидеть на промышленных панелях
управления, в домашних аудиосистемах, в за-
рядных устройствах, в стиральных машинах и
сушильных аппаратах, а также во многих дру-
гих изделиях бытовой техники и электроники.
Варианты светодиодов с высокой интенсив-
ностью света присутствуют в фонариках, до-
рожных указателях, габаритных огнях автомо-
билей, а также в фотовспышках для освещения
фотографируемых объектов. Светодиодные
индикаторы могут быть в большом количестве
объединены, например, в привлекающие внима-
ние праздничные гирлянды.
Основные стандартные цвета излучаемого све-
тодиодами света — это красный, оранжевый,
желтый и синий. Светодиоды, которые выглядят
как излучающие белый свет, широко распро-
странены, но спектр их излучения не является
равномерным (этот вопрос подробно рассмо-
трен в разд. «Другие источники света» статьи о
лампах накаливания).
Светодиод, подобно любому диоду, содержит
полупроводниковый /?-я-переход, который про-
пускает ток только в прямом направлении (т. е.
от более положительного полюса источника пи-
тания к более отрицательному). Диод становит-
ся проводящим при напряжении выше порогово-
го напряжения, которое является достаточным,
чтобы электроны в области я-типа и дырки в об-
ласти р-типа начали рекомбинировать. Энергия
рекомбинации электрона и дырки высвобожда-
ется в виде фотона (кванта света).
Количество излучаемой энергии зависит от ши-
рины запрещенной зоны — характеристики по-
лупроводникового материала, учитывающей
наименьшую энергию, которую способна соз-
дать электронно-дырочная пара. Эта энергия
определяет длину волны света и, следовательно,
его цвет.
Ширина запрещенной зоны влияет также на по-
роговое напряжение светодиода. По этой при-
чине светодиоды разных цветов обладают силь-
но различающимися значениями порогового
напряжения.
Поскольку светодиоды часто применяются в
устройствах, напряжение источника постоян-
ного тока в которых превышает максимальное
прямое напряжение, допустимое для светодио-
да, в содержащую его схему обычно добавляют
последовательно включенный токоограничи-
тельный резистор — в качестве простой меры
ограничения тока, протекающего через диод.
Свет, излучаемый светодиодом, обычно нахо-
дится в достаточно узком диапазоне длин волн.
Однако нанесением на светодиод люминофор-
ного покрытия этот диапазон можно расширить,
например, чтобы свет от синего светодиода вы-
глядел белым (рис. ЦВ-22.3). Многие белые све-
тодиоды в действительности являются синими,
но с добавленным люминофором (более деталь-
ное рассмотрение этого вопроса можно найти
в статье про светодиод для освещения).
Светодиодный индикатор
239


Варианты
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиодный индикатор
I \ •• ■ Только желтый люминофор
! | ' Желтый щ красный
I | люминофоры
которые применяются для задней подсветки, не
являются индикаторами в том смысле, как они
рассматриваются здесь, однако в видеодисплеях
рекламных щитов источниками света являются
именно светодиодные индикаторы.
/ /
\ / / Результат \
\ J ■ нанесения \
Варианты
Светодиодные индикаторы сильно различаются
по размерам, форме, интенсивности, углу обзо-
ра, рассеянию света, длине волны света, мини-
мальному и максимальному прямому напряже-
нию, а также по минимальному и максимально-
му прямому току.
Рис. ЦВ-22.3. Расширение диапазона излучаемых длин волн
при помощи добавления люминофора к синему светодиоду
(источник: компания Philips Gardco Lighting)
Многоцветные светодиоды
и смешение цветов
Если источники света красного, зеленого и сине-
го цветов установить очень близко друг к другу,
то глаз воспримет их как единый источник, цвет
которого будет определяться суммой их относи-
тельной интенсивности (эта система смешения
аддитивных цветов показана на рис. ЦВ-17.14
в статье, посвященной ЖК-индикаторам).
Такой подход используется и в светодиодных
индикаторах, которые содержат красный, зеле-
ный и синий светодиоды внутри общего корпуса
из эпоксидной смолы или силикона.
Хотя в большинстве видеомониторов для обе-
спечения задней подсветки ЖК-дисплея ис-
пользуются белые светодиоды или люминес-
центные лампы, в некоторые устройства вы-
сокого класса устанавливается матрица из очень
маленьких светодиодов красного, зеленого и
синего цветов, поскольку их комбинация соз-
дает более широкую цветовую гамму (это по-
нятие рассмотрено в разд. «Цвет» статьи про
ЖК-индикатор). Небольшие светодиоды,
Размер и форма
Изначально светодиодные индикаторы круглой
формы выпускались с диаметрами 3, 5 и (реже)
10 мм. Сейчас компоненты, предназначенные
для установки в монтажные отверстия, доступ-
ны и в различных промежуточных размерах,
хотя диаметры 3 и 5 мм встречаются все так же
широко.
Традиционный круглый светодиодный индика-
тор теперь дополнен индикаторами квадратной
и прямоугольной формы. Так, если в каталоге
приведена пара размеров, например 15 мм, то
это означает, что перед нами компонент в пря-
моугольном корпусе.
Сила света
Сила света светодиодного индикатора обыч-
но выражается в милликанделах (сокращенно
мкд) — одна кандела содержит 1000 милликан-
дел (дополнительную информацию о единицах
измерения света можно найти в разд. «Сила све-
та» статьи о лампах накаливания.
Световой поток или видимая излучаемая мощ-
ность, содержащаяся в пределах указанного угла
рассеяния, который обычно называют углом об-
зора, измеряется в люменах. Можно представить
240
Статья 22


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиодный индикатор
Варианты
это в виде кругового конуса, где источник све-
та находится в вершине, а поверхность конуса
ограничивает зону распространения света.
Если диод излучает фиксированный световой
поток, то его величина обратно пропорциональ-
на квадрату угла обзора. То есть, сила света, па-
дающего на какую-либо площадь перед светоди-
одом, будет тем больше, чем меньше этот угол.
Использование величины в милликанделах для
описания яркости светодиода может ввести в
заблуждение, если при этом не принимается во
внимание также и угол обзора.
Допустим, светодиод обладает силой света в
1000 милликандел и имеет угол обзора в 20°.
Предположим теперь, что этот же диод помещен
в другой корпус, линза которого уменьшает угол
обзора до 10°. Тогда сила света светодиода со-
ставит 4000 мкд, хотя его общая выходная мощ-
ность осталась прежней.
Примечание
Чтобы сравнение яркости двух светодиодных ин-
дикаторов имело смысл, они должны обладать
одинаковыми углами обзора.
На рис. 22.4 показаны четыре светодиодных
индикатора, предназначенных для установ-
ки в монтажные отверстия, — слева направо:
бесцветный и прозрачный (water clear) белый
диаметром 10 мм; модель Vishay TLCR5800 (из-
лучает красный свет, несмотря на то, что кор-
пус бесцветный и прозрачный), интенсивность
35 тыс. мкд при угле обзора 4°; модель Everlight
HLMPK150 диаметром 5 мм с рассеянным крас-
ным светом, интенсивность 2 мкд при угле об-
зора 60°; модель Chicago 4302F5-5V диаметром
3 мм, свет зеленый, интенсивность 8 мкд при
угле обзора 60°, содержит встроенный последо-
вательный резистор, что дает возможность под-
ключения напрямую к источнику питания 5 В
постоянного тока.
Светоотдача
Светоотдача или световая эффективность из-
лучения (от англ. Radiant Luminous Efficacy, LER)
определяет, насколько эффективно источник
излучает поток в видимой области спектра, а не
рассеивает его на других длинах волн, в особен-
ности инфракрасных. Эта величина рассчитыва-
ется путем деления мощности в видимой части
спектра на мощность, излучаемую на всех дли-
нах волн (подробно об этом рассказано в разд.
«Светоотдача» статьи, посвященной лампам
накаливания).
В светодиодном индикаторе практически все
излучение может находиться в пределах види-
мого спектра, однако часть мощности все же
расходуется на внутренний нагрев. Светоотдача
светодиода зависит от его типа — так, красно-
оранжевый индикатор может обладать светоот-
дачей 98%, в то время как у синего она, скорее
всего, окажется меньше 40%.
Рис. 22.4. Четыре светодиодных индикатора с различными
характеристиками
Рассеяние
Оболочка некоторых светодиодных индикато-
ров может быть полупрозрачной, или, как гово-
рят, матовой. Она рассеивает свет таким обра-
зом, что он выглядит не четким лучом, а более
мягко, обладая при этом приблизительно оди-
наковой интенсивностью, если смотреть на ин-
дикатор под различными углами.
Светодиодный индикатор
241


Варианты
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиодный индикатор
При выборе светодиодов в онлайн-каталоге сле-
дует учитывать варианты «прозрачный» и «ма-
товый», если только у вас нет намерения пре-
вращать прозрачные светодиоды в матовые при
помощи наждачной бумаги.
Длина волны и цветовая
температура
Длина волны света измеряется в нанометрах
(сокращенно нм) — один нанометр равен одной
миллиардной доле метра. Видимый спектр про-
стирается приблизительно от 380 до 740 нм.
Более длинные волны находятся у красной гра-
ницы спектра, а более короткие — у синей.
Типичный светодиод излучает очень узкий диа-
пазон длин волн. На рис. 22.5 для примера при-
ведена кривая излучения стандартного красного
светодиода, выпускаемого компанией Lite-On.
Подобные графики обычно приводятся в спе-
цификациях производителей.
Поскольку красный светодиод стимулирует кол-
бочки глаза, реагирующие на красный цвет, этот
светодиод и «выглядит» красным, даже несмотря
яенсивность / \
I I
ета красного
етодиода
1
на то, что его цвет нельзя сравнить с таким есте-
ственным красным цветом, как, например, при
закате, поскольку естественный цвет фактиче-
ски содержит дополнительные длины волн.
Далее приведен перечень диапазонов длин волн
(в нанометрах) для наиболее часто встречаю-
щихся простых светодиодных индикаторов
(светодиоды, которые излучают свет с другими
длинами волн, доступны намного реже):
• инфракрасный светодиод: 850-950;
• красный светодиод: 621-700;
• оранжевый светодиод: 605-620;
• светодиод с янтарным оттенком: 590-591;
• желтый светодиод: 585-590;
• зеленый светодиод: 527-570;
• синий светодиод: 470-475;
• ультрафиолетовый светодиод: 385-405.
На рис. ЦВ-22.6 эти диапазоны представлены
графически (инфракрасный и ультрафиолето-
вый светодиоды опущены).
Почти в течение 30 лет синие светодиоды оста-
вались лабораторной диковинкой с малой прак-
тической ценностью, поскольку их светоот-
дача находилась на уровне 0,03%. Наконец, в
1995 году удалось добиться светоотдачи более
10%, и вскоре после этого синие светодиоды по-
ступили в продажу.
Рис. 22.5. Узкий диапазон длин волн, излучаемых типичным
светодиодным индикатором
Рис. ЦВ-22.6. Типичные диапазоны длин волн для большин-
ства самых распространенных светодиодов (источник: обзор
приблизительно 6000 светодиодов, предназначенных для
установки в монтажные отверстия, на сайте mouser.com)
242
Статья 22


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиодный индикатор
Варианты
Тем не менее, даже когда к синему светодиоду
добавляется желтый люминофор, чтобы соз-
дать впечатление белого света, как бы охваты-
вающего весь видимый спектр, то по-прежнему
остаются не представленными длины волн око-
ло 500 нм (см. рис. ЦВ-22.3). Люминесцентные
лампы демонстрируют еще худшую светоотдачу,
чем светодиоды (см. рис. ЦВ-18.4).
Поскольку белые светодиоды не создают един-
ственного пика на какой-либо длине волны, их
цвет выражают через цветовую температуру,
а не при помощи значения длины волны в на-
нометрах (понятие цветовой температуры рас-
смотрено в разд. «Спектр» статьи, посвященной
лампам накаливания). В настоящее время на
рынке доступны белые светодиоды с цветовой
температурой от 2800 до 9000 К (более под-
робно они рассмотрены в статье светодиод для
освещения этой энциклопедии).
''^Щ!Штт
Рис. 22.7. Светодиод, не содержащий внутреннего последо-
вательного резистора (слева), обычно неотличим от свето-
диода, содержащего такой резистор (справа)
Встроенный резистор
Чтобы избавить пользователей от нудной рабо-
ты по добавлению последовательного резисто-
ра, ограничивающего ток, проходящий через
светодиод, некоторые индикаторы поставляют-
ся со встроенным резистором. Они могут быть
рассчитаны на подключение к источнику напря-
жением 5 или 12 В, однако не различаются по
внешнему виду, неотличимы они внешне также
и от светодиодов, которые не содержат после-
довательных резисторов (на рис. 22.7 показа-
ны два светодиода диаметром 3 мм: компонент
справа содержит встроенный последовательный
резистор, а компонент слева — это обычный све-
тодиод без резистора).
Из-за нелинейной характеристики диода не-
возможно, воспользовавшись мультиметром,
с полной уверенностью отличить светодиоды
с внутренним резистором от светодиодов без
него. Если прибор настроен на измерение со-
противления, то он обычно выдает ошибку вы-
хода за пределы диапазона для всех типов свето-
диодов. Если же он настроен на идентификацию
диода, то выводимые им показания не сообщат
вам о том, содержит ли светодиод встроенный
резистор.
Один из способов узнать, содержит ли светоди-
од внутренний токоограничительный резистор,
состоит в подключении его к источнику пита-
ния с переменным напряжением через мульти-
метр, установленный на измерение силы тока.
Осторожно увеличьте напряжение питания
до тех пор, пока прибор не покажет значение
20 мА. Если светодиод не содержит последова-
тельный резистор, то напряжение на нем ока-
жется близким к рекомендованному прямому
напряжению для данного типа светодиодов (не
менее 1,6 В для красного светодиода и не более
3,6 В для белого). Если же светодиод содержит
последовательный резистор, то напряжение на
нем окажется выше. На выполнение такой про-
цедуры требуется время, но его затраты оправ-
даны, когда необходимо проверить несколько
светодиодов с идентичными характеристиками.
Светодиодный индикатор
243


Параметры
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиодный индикатор
Многоцветный светодиод
Конфигурация выводов светодиодного индика-
тора, содержащего два или более диодов, может
быть выполнена несколькими способами:
• два вывода, два цвета — два диода парал-
лельно соединены внутри, но с противопо-
ложной полярностью;
• три вывода, два цвета — два диода с общим
анодом или общим катодом;
• четыре вывода, три цвета (RGB) — три диода
имеют общий анод или общий катод;
• шесть выводов, три цвета — три диода, от-
деленных друг от друга, каждый со своей
парой выводов.
Инфракрасный светодиод
Светодиоды, представляющие семейство ис-
точников инфракрасного света, генерируют из-
лучение с длиной волны более 800 нм. Их мож-
но найти в пультах дистанционного управле-
ния такими бытовыми электронными устрой-
ствами, как телевизоры и стереосистемы. Они
устанавливаются также в некоторые системы
охранной сигнализации, хотя пассивные ин-
фракрасные детекторы движения, улавливаю-
щие инфракрасное излучение от людей или,
например, автомобилей, используются с этой
целью чаще.
Сочетаемый с инфракрасным излучателем ин-
фракрасный датчик должен быть чувствителен
к его длине волны. Чтобы предотвратить лож-
ное срабатывание, выходной сигнал излучателя
модулируют, обычно на несущей частоте от 10
до 100 кГц. Пульты дистанционного управле-
ния часто используют несущую частоту от 30
до 56 кГц. В приемнике модулированный сиг-
нал обрабатывается посредством полосового
фильтра, соответствующего частоте модуляции.
Существует множество различных систем коди-
рования сигналов, но какого-либо доминирую-
щего стандарта нет.
Ультрафиолетовый светодиод
Поскольку ультрафиолетовое излучение спо-
собно повредить зрение, светодиодные инди-
каторы, его излучающие, представляют собой
устройства, потенциально опасные, и поэтому
с ними следует обращаться с осторожностью.
Так, чтобы задержать свет с короткими длинами
волн, можно надеть защитный козырек желтого
цвета.
Ультрафиолетовое излучение может использо-
ваться для отвердевания некоторых склеиваю-
щих веществ и стоматологических материалов.
Оно способно также убивать бактерии или де-
тектировать наличие/отсутствие люминесцент-
ного оттиска на банкнотах, чтобы выявить под-
делку. Ультрафиолетовые фонарики продаются
как средство для обнаружения некоторых опас-
ных насекомых — например, скорпионов, кото-
рые начинают светиться в ответ на облучение
ультрафиолетом.
Параметры
В спецификации к светодиоду обычно указы-
вают длину волны излучаемого света, его ин-
тенсивность, максимальные значения прямого
напряжения и тока, максимальные значения об-
ратного напряжения и тока, а также величину
рабочего напряжения. Все эти параметры важно
учитывать при выборе индикатора для конкрет-
ного применения.
Белые светодиоды для комнатного освещения
и для наружного применения калибруются по-
разному (см. статью светодиод для освеще-
ния).
Прямой ток
Почти половина из всех доступных типов свето-
диодных индикаторов рассчитана на прямой ток
от 20 до 25 мА. Абсолютное максимальное зна-
чение его может быть в два раза выше, но такой
ток обычно не рекомендуется.
244
Статья 22


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиодный индикатор
Параметры
'Зависимость относительной
-жтенсивности света
для красного светодиода
диаметром 5 мм) ^
л прямого тока ^
Рис. 22.8. Зависимость относительной интенсивности света
от прямого тока для типичного светодиодного индикатора
диаметром 5 мм является приблизительно линейной до зна-
чения рабочего тока в 20 мА и близка к линейной до величи-
ны абсолютного максимума в 50 мА
На рис. 22.8 приведена зависимость относи-
тельной интенсивности света от прямого тока
для типичного красного светодиода диаметром
5 мм: заметьте, что эта зависимость является
приблизительно линейной до величины рабоче-
го тока в 20 мА, а далее, до величины абсолют-
ного максимума в 50 мА, эта зависимость стано-
вится немного более пологой.
Несмотря на то, что яркость светодиодного ин-
дикатора можно изменять, управляя протекаю-
щим через него током, зависимость тока от при-
ложенного напряжения нелинейна, и индикатор
полностью прекратит работать, если напряже-
ние упадет ниже необходимого ему порогового
значения. Вследствие этого яркость свечения
светодиодов обычно регулируется при помощи
широтно-импулъсной модуляции.
Слаботочные светодиоды
Индикаторы, которым необходим очень ма-
лый прямой ток, можно подключать напрямую
к выводам логических микросхем и других ин-
тегральных схем. При этом нужно иметь в виду,
что хотя единичный выход от микросхемы се-
мейства НС способен обеспечить ток силой
20 мА без повреждения самой микросхемы, од-
нако такой ток понизит напряжение на выходе,
и сигнал микросхемы, подающей питание на
светодиод, станет менее надежен для подачи на
вход другой микросхемы.
На рынке доступны различные светодиодные
индикаторы, потребляющие ток в 2 или в 1 мА,
с интенсивностью в диапазоне 1,5-2,5 мкд. Это
весьма небольшая световая отдача, но ее все же
достаточно для использования в лабораторном
оборудовании. Слаботочные светодиоды сине-
го цвета не производятся. Самым эффективным
(и единственным!) типом светодиодов, которые
работают при токе 1 мА, являются красные.
При последовательном соединении резистора
с обычным светодиодом повышение сопротив-
ления резистора снизит яркость и потребление
тока, и свет будет излучаться до тех пор, пока
прямое напряжение на светодиоде остается на
минимальном уровне или выше его.
Прямое напряжение
Для красных светодиодов требуется не только
наименьший прямой ток, но и наименьшее пря-
мое напряжение, поэтому в диапазоне напря-
жений 1,6-1,7 В все светодиоды красные. Далее
приведены типичные значения прямого напря-
жения для светодиодов различных цветов:
• инфракрасный светодиод: 1,6-2 В;
• красный светодиод: 1,6-2,1 В;
• оранжевый светодиод: 1,9-2,1 В;
• светодиод с янтарным оттенком: 2-2,1 В;
• желтый светодиод: 2-2,4 В;
• зеленый светодиод: 2,4-3,4 В;
• синий светодиод: 3,2-3,4 В;
• ультрафиолетовый светодиод: 3,3-3,7 В;
• белый светодиод: 3,2-3,6 В.
Светодиодный индикатор
245


Параметры
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиодный индикатор
Индекс цветопередачи
Точность, с которой источник света способен
воспроизвести полный видимый спектр, на-
зывается индексом цветопередачи — сокращен-
но CRI (от Color Rendering Index). Этот индекс
может находиться в диапазоне от идеального
значения 100 до 0 и даже ниже (например, для
уличного освещения натриевыми лампами).
У ламп накаливания он может быть равен 100,
а для нескорректированного «белого» свето-
диода — около 80.
Для вычисления индекса цветопередачи необ-
ходимы стандартные эталоны цвета, и его кри-
тикуют за то, что получающиеся величины не
очень хорошо соответствуют субъективному
восприятию.
Ожидаемый срок службы
Поскольку световой поток светодиодов мед-
ленно снижается с течением времени, величина
ожидаемого срока службы часто определяется
как количество часов, необходимое для того,
чтобы интенсивность света снизилась до 70% от
начальной. Ожидаемый срок службы, как пра-
вило, указывается в документации для белых
светодиодов повышенной яркости, а для свето-
диодных индикаторов зачастую не приводится.
В отличие от ламп накаливания и люминесцент-
ных ламп, срок службы светодиодов не сокра-
щается при частом включении и выключении.
Световая отдача и нагрев
Интенсивность света светодиода, измеренная
в милликанделах, может составлять от несколь-
ких милликандел до максимального значения
в 40 тыс. мкд. Значения интенсивности более
30 тыс. мкд обычно достигаются за счет огра-
ничения угла обзора до 15° и менее. Поскольку
в значение интенсивности света основной вклад
вносит центральный, зеленый участок видимого
спектра, зеленые светодиоды обладают сравни-
тельно высоким значением интенсивности. Так,
практически все светодиоды с интенсивностью
от 20 до 30 тыс. мкд с углом обзора в 30° явля-
ются зелеными.
В документации часто приводят кривую ухудше-
ния параметров, показывающую нижний предел,
до которого следует снизить прямой ток через
светодиодный индикатор, если его температура
возрастает. На рис. 22.9 показано, что светодиод
должен работать только в пределах границ, обо-
значенных приведенной там линией графика.
Угол обзора
Светодиод в корпусе из прозрачной эпоксидной
смолы или из силикона (полностью прозрачно-
го или с оттенком) способен создать луч света
с четкими границами в пределах угла обзора
от 4 до 160° (в некоторых случаях). Самые рас-
пространенные для светодиодных индикаторов
значения угла обзора находятся в диапазоне
30-60°.
В документации к светодиодным индикаторам
часто приводят график (диаграмму) простран-
ственного распределения, который показыва-
ет относительную интенсивность света при
кривая ухудшения прямого тока \
для светодиода диаметром 5 мм, %
предназначенного для установки
Рис. 22.9. Область надежной работы светодиода задается пу-
тем ограничения прямого тока при увеличении температуры:
линия графика определяет границу рабочей области для та-
кого компонента
246
Статья 22


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиодный индикатор
Использование
Рис. 22.10. График пространственного распределения по-
казывает относительную интенсивность света от светодиода
при просмотре с различных углов
длинный вывод соединен внутри с анодом диода,
и его следует подключать к «более положитель-
ному» полюсу источника питания. Вывод по-
короче соединен внутри с катодом диода, и его
следует подключать к «более отрицательному»
полюсу источника питания.
Чтобы запомнить назначение выводов, пред-
ставьте, что знак «плюс» окажется в два раза
длиннее знака «минус», если горизонтальную
и вертикальную черточки знака разъединить,
а затем состыковать концами.
Если круглый светодиод имеет фланец вокруг
своего основания, то положение катода в таком
компоненте будет отмечено на фланце точкой.
просмотре с различных углов по отношению к
оси светодиода. Диаграмма пространственного
распределения, показанная на рис. 22.10, отно-
сится к светодиоду с углом обзора в 40° — это
угол, при котором относительная интенсивность
снижается до 50%.
Угол обзора имеет особую важность для таких
устройств, как фонарики, в которых рассеяние
луча света влияет на их функциональность.
Использование
Подобно всем полупроводниковым приборам,
светодиоды могут быть повреждены при про-
пускании чрезмерного прямого тока или необ-
ратимо выведены из строя при подаче слишком
большого обратного напряжения. Предельные
значения обратного напряжения для них на-
много ниже, чем у выпрямительных диодов.
Светодиоды уязвимы также к нагреву, но не
сильно подвержены воздействию статического
электричества.
Полярность
Длина выводов светодиода для установки в мон-
тажные отверстия, как правило, разная. Более
Номинал
последовательного резистора
Поскольку эффективное внутреннее сопротив-
ление диода не остается постоянным при раз-
ных значениях напряжения, то при определении
номинала последовательно соединенного рези-
стора, идеально подходящего для светодиодно-
го индикатора, иногда приходится действовать
методом проб и ошибок. Так, можно подклю-
чить к светодиоду подстроечный потенциометр,
измеряя протекающий через него ток и падение
напряжения на нем, а затем заменить потен-
циометр резистором с постоянным номиналом.
Если есть выбор между резистором со слегка
завышенным номиналом и резистором с номи-
налом чуть ниже необходимого, следует отдать
предпочтение резистору с большим номиналом.
Приблизительное значение номинала токо-
ограничительного резистора можно вычислить
с помощью очень простой формулы, в которой
R обозначает номинал резистора, Vcc — напря-
жение источника питания, VF — указанное для
светодиода прямое напряжение, а I — требуе-
мую силу тока:
R = (VCC - VF) / I
Как правило, вполне приемлемым является по-
следовательный резистор с мощностью 0,25 Вт,
Светодиодный индикатор
247


Использование источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиодный индикатор
а в схемах с напряжением 5 В подойдет резистор
мощностью 0,125 Вт.
Тем не менее, следует соблюдать осторожность,
если напряжение источника питания составляет
9 В или выше. Предположим, что светодиод рас-
считан на прямое напряжение в 1,8 В и силу тока
в 20 мА. В цепи с напряжением 5 В падение на-
пряжения на последовательном резисторе будет
равно:
5 - 1,:
3,2
Следовательно, этот резистор должен рассеи-
вать мощность в 3,2 В х 20 мА = 64 мВт, что ниже
допустимых 125 мВт для резистора мощностью
0,125 Вт. А с источником питания на 9 В падение
напряжения на резисторе составит:
V = 9 - 1,8 = 7,2
Теперь резистор должен рассеивать мощность
в 7,2 В х 20 мА = 144 мВт, а это значение уже
превышает предел в 125 мВт для резистора мощ-
ностью 0,125 Вт.
Светодиоды,
соединенные параллельно
Если несколько светодиодов должны быть за-
действованы одновременно, и ни один из них
не планируется переключать отдельно, возни-
кает естественное желание использовать для
экономии единственный токоограничительный
резистор для всех светодиодов. В этом случае —
чтобы установить мощность этого резистора —
тщательно определите величину максимального
тока и умножьте ее на величину падения напря-
жения на каждом из светодиодов.
Подключать параллельно разнородные свето-
диоды не рекомендуется, поскольку порого-
вое напряжение уменьшается при увеличении
температуры. Следовательно, самый нагретый
светодиод будет получать наибольший ток и от
этого становиться еще горячее. В результате он
может выйти из строя вследствие перегрева.
Светодиоды, которые снабжены встроенными
токоограничительными резисторами, можно
без опасений соединять параллельно.
Последовательное соединение
нескольких светодиодов
Последовательный резистор потребляет ток,
рассеивая его в виде тепла. В том случае, если
два или более светодиодных индикатора долж-
ны загораться одновременно, их можно соеди-
нить последовательно с резистором низкого но-
минала, а для трех последовательных светодио-
дов, в зависимости от напряжения источника
питания, можно обойтись и без резистора вовсе.
Опять-таки, для определения подходящего но-
минала токоограничительного резистора следу-
ет использовать подстроечный потенциометр.
Сравнение с другими
источниками света
Поскольку светодиодные индикаторы в значи-
тельной мере потеснили неоновые лампы и ми-
ниатюрные лампы накаливания, их сравнение
теперь представляет незначительный интерес.
В случае со светодиодами для освещения
ситуация другая, поскольку здесь светодиоды
по-прежнему активно соперничают с люми-
несцентными лампами и, в некоторых случаях,
с галогенными. Перечень преимуществ и не-
достатков белых светодиодов высокой интен-
сивности приведен в разд. «Сравнение» статьи,
посвященной светодиодам для освещения.
Преимущества ламп накаливания перечислены
в соответствующем разделе статьи, посвящен-
ной лампам накаливания.
Другие варианты применения
В микросхему или пластиковый модуль оптро-
на или твердотельного реле обычно встроен
инфракрасный светодиод, излучающий свет че-
рез внутренний оптический канал, активируя
тем самым имеющийся там фототранзистор.
248
Статья 22


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиодный индикатор Что может пойти не так?
Такая схема обеспечивает электрическую изо-
ляцию переключающего сигнала от коммути-
руемого тока.
В некоторых датчиках светодиод и фототран-
зистор прикреплены к противоположным сто-
ронам держателя U-образной формы. Датчик
такого типа может отслеживать производствен-
ные процессы или, например, контролировать
наличие бумаги внутри фотокопировального
аппарата.
Что может пойти не так?
Чрезмерное прямое напряжение
Как и любой диод, светодиод имеет ограничения
по пороговому напряжению в прямом направле-
нии. Если этот порог превышен, эффективное
внутреннее сопротивление светодиода падает
очень быстро, столь же быстро возрастает и ток,
и в скором времени компонент может выйти из
строя, если он не защищен соответствующим
последовательно соединенным резистором.
Повышенный ток и нагрев
Превышение рекомендованного значения пря-
мого тока или перегрев светодиода сократят
срок его службы и приведут к преждевремен-
ному снижению светоотдачи. Для светодиодов,
как правило, необходимо некоторое ограни-
чение тока или его регулирование (чаще всего
с помощью токоограничительного резистора).
Светодиоды не следует подключать напрямую
к такому источнику питания, как аккумулятор,
даже если его напряжение соответствует напря-
жению питания диода. Исключением из этого
правила является вариант, когда внутреннее со-
противление аккумулятора достаточно велико
и ток в цепи ограничен, как в случае с «пугович-
ными» элементами питания.
Путаница при хранении
Светодиоды различных типов внешне часто не-
отличимы друг от друга, они могут быть также
неотличимы от фотодиодов и фототранзисто-
ров, поэтому обязательным условием является
их аккуратное хранение.
При повторном использовании светодиодов,
смонтированных на макетной плате, могут воз-
никнуть сложности, если эти светодиоды иден-
тифицировать неправильно.
Полярность
Если выводы светодиодного индикатора укоро-
чены, а на самом индикаторе отсутствует фла-
нец с точкой, отмечающей катод, то полярность
его подключения можно легко перепутать.
Впрочем, если светодиод подключен к компо-
ненту, выходной ток которого ограничен (на-
пример, к выходу цифровой микросхемы), то
светодиод, вероятно, сможет уцелеть после
такого обращения. Однако максимальное об-
ратное напряжение в подобной ситуации часто
может доходить до 5 В.
Чтобы минимизировать риск появления оши-
бок, анодный вывод при обрезке следует остав-
лять более длинным, чем катодный, когда они
вставляются в макетную или в перфорирован-
ную плату.
Встроенные резисторы
Как отмечалось ранее, сложно отличить свето-
диод, содержащий встроенный токоограничи-
тельный резистор, от светодиода, в котором та-
кого резистора нет. Светодиоды этих двух типов
следует хранить раздельно и использовать по-
вторно с осмотрительностью.
Светодиодный индикатор
249


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиод для освещения
СВЕТОДИОД ДЛЯ ОСВЕЩЕНИЯ
Термин светодиод для освещения (по англ. LED area lighting) служит
в этой энциклопедии для обозначения источника света на основе бе-
лых светодиодов, достаточно яркого для освещения комнат, офисов
или внешних пространств. Он может использоваться и в настольных
лампах, обеспечивая рабочее освещение. Светодиодные источники
света, служащие для этих целей, называются также светодиодами
повышенной яркости, высокой мощности, высокой отдачи или вы-
сокой интенсивности. Готовое изделие, содержащее хотя бы один
источник света, принято называть светильником.
Светоизлучающие диоды для освещения в англоязычной литературе
сокращенно обозначают универсальным акронимом LED. Точки по-
сле букв в этом сокращении, как правило, не ставят.
Блок светодиодного источника света может содержать более одно-
го диода, однако здесь он рассматривается как единичный компо-
нент. В противоположность ему, любой компонент, состоящий из не-
скольких отдельных диодов, как в семисегментном цифровом, в 14-
и 16-сегментном алфавитно-цифровом или в матричном дисплее,
а также в многосимвольном модуле, относится в этой энциклопедии
к светодиодным дисплеям, которым посвящена отдельная статья.
Акроним OLED {Organic Light-Emitting Diode, органический светодиод)
служит для обозначения тонкой панели, в которой между двумя пло-
скими электродами содержится органическое вещество. Несмотря
на то, что этот компонент функционирует как разновидность свето-
диода, его конструкция напоминает тонкопленочные электролюми-
несцентные источники света, и по этой причине он рассматривается
в статье электролюминесцентные устройства.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• лампа накаливания (см. статью 18)
• неоновая лампа (см. статью 19)
• люминесцентная лампа (см. статью 20)
• светодиодный индикатор (см. статью 22)
• электролюминесцентные устройства (см. статью 26)
23
Светодиод для освещения 251


Описание
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиод для освещения
Описание
Белые светодиоды повышенной яркости явля-
ются альтернативой лампам накаливания,
галогенным лампам, а также люминесцентным
лампам на рабочих местах и в быту.
В настоящее время в сфере светодиодного осве-
щения продолжается быстрая эволюция. Общая
цель производителей — повысить эффектив-
ность устройств и снизить их розничную цену
до такой степени, чтобы светодиоды с высокой
яркостью заменили бы люминесцентные лам-
пы в большинстве недорогих осветительных
устройств.
На рис. 23.1-23.3 показаны соответственно: зер-
кальная светодиодная лампа, которая монтиру-
ется на стене наподобие галогенного светильни-
ка, небольшой светодиодный прожектор для на-
ружной установки и один из ранних вариантов
лампы, в которой светодиодный источник поме-
щен внутри традиционной колбы. В течение по-
следнего десятилетия светодиодное освещение
продолжает развиваться, поэтому некоторые
образцы могут выглядеть причудливо, однако
конструкции совершенствуются, и результаты
впечатляют.
Рис. 23.2. Прожектор для наружной установки: девять свето-
диодов объединены в квадратный блок, обычно покрытый
желтым люминофором (размеры стального каркаса составля-
ют около 10x7,5 см)
Рис. 23.1. Небольшой зеркальный светодиодный светильник,
имитирующий галогенный: обратите внимание на квадратный
люминофор обычно желтого цвета, помещенный на диоде
252
Рис. 23.3. Светодиодная лампа: в отличие от лампы накали-
вания такой источник фокусирует свет в одном направлении
подобно лампе с отражателем. Она потребляет мощность
всего 6 Вт, а ее заявленная яркость эквивалентна 40-ваттной
лампе накаливания
Статья 23


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиод для освещения
Устройство
Тенденции стоимости
и эффективности
Общая интенсивность света источника опреде-
ляется световым потоком, который он излуча-
ет во всех направлениях в пределах видимого
спектра. Единицей измерения светового потока
является люмен (детальное рассмотрение этого
вопроса можно найти в разд. «Световой поток»
статьи, посвященной лампам накаливания).
Начиная с 1965 года, каждые десять лет стои-
мость одного люмена света от светодиода опре-
деленного цвета уменьшалась приблизительно
в 10 раз, в то время как максимальное значение
светового потока в люменах, которую обеспе-
чивает светодиодное устройство, увеличива-
лось в 20 раз. Это соотношение известно как
> Рост
МОЩНОСТИ
закон Хайтца, который назван так по имени д-ра
Рональда Хайтца (Ronald Haitz) из компании
Agilent Technologies (рис. ЦВ-23.4).
Условные обозначения
Символы, которыми чаще всего обозначают
светодиод, показаны на рис. 23.5. Они остаются
одинаковыми независимо от размера или мощ-
ности компонента, но в архитектурных планах
источник света любого типа может обозначать-
ся также и в виде перечеркнутого крута (справа
внизу).
Рис. 23.5. Символ светодиода остается одинаковым незави-
симо от размеров и мощности компонента, но в архитектур-
ных планах может использоваться символ перечеркнутого
круга {справа внизу) для обозначения осветительного прибо-
ра любого типа
те
Я
Устройство
Рис. ЦВ-23.4. Увеличение светового потока (в люменах) еди-
ничного светодиода по сравнению с уменьшением стоимости
одного люмена за каждые 10 лет, начиная с 1965 года: вдоль
вертикальной логарифмической шкалы одновременно от-
ложены доллары и люмены (источник: рекламный проспект
компании Philips Gardco о локальном освещении с дополни-
тельными данными из отчета Strategies in Light Report, «Отчет о
стратегиях освещения», опубликованного в 2013 году компа-
нией Semiconductor Equipment and Materials)
Светодиод повышенной яркости основан на тех
же принципах, которые изложены в статье, опи-
сывающей светодиодный индикатор, - когда
электроны становятся достаточно возбужден-
ными для пересечения р-л-перехода и рекомби-
нации с дырками, излучаются фотоны.
Излучающий белый или близкий к нему свет
светодиод фактически светится синим цветом,
который переизлучается на других длинах волн
за счет добавления к нему слоя из желтого лю-
минофора. Частичный разрез светодиодного
кристалла, установленного внутри кремниевой
линзы, показан на рис. 23.6.
Сеетодиод для освещения
253


Устройство
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиод для освещения
Рис. 23.6. Схематический частичный разрез белого светодио-
да повышенной яркости (взято в адаптированном виде из тех-
нической документации компании Philips Lumileds)
Набор светодиодов формируется на кристалли-
ческой подложке, которая затем разрезается на
пластины, после чего разделяется на отдельные
компоненты так же, как это делается в случае
кремниевых микросхем. Для большинства си-
них светодиодов, которые лежат в основе бело-
го освещения, в качестве подложки служат кри-
сталлы сапфира. Размер такого кристалла может
составлять от 5 до 15 см. Большие пластины из
сапфира находят также применение для защиты
объективов фотоаппаратов и в качестве устой-
чивых к царапинам лицевых панелей мобиль-
ных телефонов.
В обычном светодиодном индикаторе кристалл
может иметь размеры 0,3x0,3 мм, а в свето-
диоде повышенной яркости размер кристалла
может достигать 1x1 мм, и он ограничен тех-
ническими сложностями, связанными с полным
внутренним отражением излучаемого света.
Точный оттенок цвета задается посредством
добавки к желтому люминофору красного. Это
снижает общую эффективность светодиода при-
близительно на 10%, но создает более «теплое»
освещение (см. рис. ЦВ-22.3 в статье о светоди-
одных индикаторах).
Цветовая температура белого света с тем или
иным оттенком измеряется в градусах Кельвина
(К) и обычно составляет от 2500 до 6500 К,
причем меньшее значение соответствует свету,
в котором больше красных оттенков, а боль-
шее — свету, в котором преобладают синие
тона. Эта система измерения изначально ис-
пользовалась для ламп накаливания, чтобы
указать для нити накала температуру, которая
определяет цвет (подробно это рассмотрено
в разд. «Спектр» статьи, посвященной лампам
накаливания).
Визуальные различия
На рис. ЦВ-23.7 наглядно проиллюстрирован
эффект от применения различных типов осве-
щения. Для создания этого изображения сначала
с помощью программы Photoshop подготовили
цветовую палитру, которую распечатали затем
на глянцевой фотобумаге с помощью струйного
принтера Canon Pro9000 Mark II (у этого прин-
тера помимо основных чернил голубого, светло-
голубого, пурпурного, светло-пурпурного, жел-
того и черного цветов есть также чернила крас-
ного и зеленого цветов).
Затем эту цветовую палитру дважды сфотографи-
ровали фотоаппаратом Canon 5D Mark II с уста-
новленным значением баланса белого в 4000 К:
первая экспозиция (снимок вверху) была выпол-
нена при светодиодном освещении «со спектром
дневного света» (с заявленной цветовой темпе-
ратурой в 6500 К), а вторая (снимок внизу) — при
галогенном освещении (с заявленной цветовой
температурой 2900 К), после чего снимки об-
работали в программе Photoshop для настройки
уровней таким образом, чтобы был заполнен
весь доступный диапазон из 256 значений. Эти
два снимка показывают, как одни и те же цвета
палитры выглядели бы при разном освещении,
если бы человеческий глаз не подстраивался под
него. Обратите внимание, что при светодиодном
освещении (снимок вверху) значительная об-
ласть палитры отображается в оттенках синего
и пурпурного цветов, а красные цвета поблекли.
254
Статья 23


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиод для освещения Устройство
Этим подтверждается общепринятое мнение, В следующем эксперименте (рис. ЦВ-23.8) тем
что «спектр дневного света» у светодиодов яв- же фотоаппаратом сделали еще два снимка. На
ляется более холодным и имеет пурпурный от- этот раз баланс белого на нем был установлен
тенок, а свет ламп накаливания выглядит более в значение 6500 К для светодиодного освещения
теплым и желтым. и в 2900 К — для галогенного. Такую процедуру
Рис. ЦВ-23.7. Так выглядит одна и та же цветовая палитра Рис. ЦВ-23.8. Та же цветовая палитра, что и на рис. ЦВ-23.7,
при светодиодном {вверху) и при галогенном освещении но сфотографированная с подходящими значениями цвето-
[внизу): никаких поправок на различие спектров света в эти вой температуры: 6500 К {вверху — светодиодное освещение
изображения не вносилось (для обоих снимков на фотоаппа- «со спектром дневного света») и 2900 К {внизу — галогенное
рате установлено фиксированное значение баланса белого освещение)
в 4000 К)
Светодиод для освещения 255


Устройство
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиод для освещения
можно было бы рекомендовать как стандарт-
ную, учитывая ту компенсацию, которую вносит
человеческое зрение при различном внешнем
освещении. Вариант для светодиодного освеще-
ния (вверху) стал лучше, но красные и желтые
оттенки по-прежнему вялые. Версия для гало-
генного освещения (внизу) также выглядит луч-
ше, чем раньше, но в пурпурной части спектра
присутствует избыток желтого цвета. Эти изо-
бражения демонстрируют пределы коррекции
баланса белого света при фотографировании
внутри помещений.
Попарное сравнение цветов
Поскольку глаз человека гораздо лучше срав-
нивает цвета, если они примыкают друг к другу,
была подготовлена еще одна цветовая палитра,
содержащая лишь шесть отделенных друг от
друга широкими белыми промежутками поло-
сок насыщенного красного, желтого, зеленого,
голубого, синего и пурпурного цветов, к кото-
рым сверху и снизу добавлены более светлые и
более темные оттенки. Эту палитру сфотогра-
фировали сначала с установленным балансом
белого 6500 К при светодиодном освещении «со
спектром дневного света», а затем — с балансом
белого 2900 К при галогенном освещении, после
чего с помощью программы Photoshop полоски
из версии с галогенным освещением были ско-
пированы и вставлены рядом с полосками све-
тодиодной версии, чтобы облегчить их сравне-
ние (рис. ЦВ-23.9).
В каждой паре цветов слева приведен вариант
для светодиодного освещения, а справа — для
галогенного. Здесь хорошо заметны существен-
ные различия в красной части спектра, а также
плохая передача желтых оттенков при светоди-
одном освещении. Тем не менее, передача зе-
леного оттенка при светодиодном освещении
лучше, равно как и пурпурного, за исключением
его темного варианта. Для более светлых оттен-
ков цветов при светодиодном освещении менее
плотными (т. е. выглядящими более яркими)
получаются синие, зеленые и голубые тона.
Такая сниженная плотность будет проявляться
на фотоснимках в том, что самые яркие обла-
сти окажутся более бледными, а изображение
в целом станет чрезмерно контрастным. Столь
«жесткий» вид объектов при светодиодном
освещении «со спектром дневного света» может
также восприниматься и визуально.
Галогенное освещение неадекватно передает
сине-фиолетовый участок спектра, даже не-
смотря на то, что в фотоаппарате установлено
соответствующее значение баланса белого. Тем
не менее, фотографы могут откорректировать
это при помощи программ для редактирования
изображений. А вот оттенки, полученные при
светодиодном освещении, исправить намного
сложнее. При освещении объектов «теплыми»
светодиодами лучше воспроизводятся красные
оттенки, но при этом синие тона получаются не
столь хорошо.
Рассеянный свет от равномерно покрытого обла-
ками неба является почти идеальным вариантом
освещения для фотографирования объектов, но
Рис. ЦВ-23.9. Набор из шести полностью насыщенных цветов
с добавленными сверху и снизу более светлыми и более тем-
ными оттенками сфотографирован сначала при светодиод-
ном освещении «со спектром дневного света», а затем — при
галогенном освещении, после чего два набора цветов были
скомбинированы для упрощения сравнения: светодиодная
версия находится слева в каждой паре
256
Статья 23


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиод для освещения
Устройство
от этого мало пользы тем, кто работает (или де-
лает снимки) при искусственном освещении.
Светодиодные светильники, которые содер-
жат отдельные излучатели красного, зеленого
и синего цветов, обеспечивают лучшую цвето-
передачу, но при этом возникает новая пробле-
ма — тени объектов могут иметь цветную кайму,
вызванную наличием небольшого промежутка
между цветными излучателями.
Теплоотвод
Эффективность светодиодов не достигает 100%,
поскольку не все электроны рекомбинируют с
дырками: некоторым из них удается обойти по-
лупроводниковый переход, некоторые рекомби-
нируют без генерации света, а некоторые пере-
дают свою энергию другим атомам, — в каждом
из этих случаев возникают потери энергии на
нагрев. И в то время как тепло лампы накали-
вания, в основном, рассеивается через ее колбу,
для светодиода необходим принудительный от-
вод тепла при помощи радиатора. Это усложня-
ет конструкцию светильника, поскольку целост-
ность пути, по которому отводится тепло, долж-
на сохраняться и после замены светодиодной
лампы или трубки.
Светоотдача
Светоотдача или световая эффективность из-
лучения (от англ. Radiant Luminous Efficacy, LER)
определяет, насколько эффективно источник на-
правляет излучаемый им поток в видимую часть
спектра, — вместо его рассеивания на других
длинах волн, в особенности инфракрасных. Эта
величина рассчитывается путем деления мощ-
ности в видимой части спектра на мощность, из-
лучаемую на всех других длинах волн (подробно
об этом рассказано в разд. «Параметры» статьи,
посвященной лампам накаливания).
В светодиодном индикаторе почти все излучение
может приходиться на видимую часть спектра,
из чего следует, что его эффективность должна
составлять 100%. Тем не менее, поскольку воз-
никают внутренние потери тепла, эффектив-
ность вычисляется посредством деления свето-
вого потока в люменах на подаваемую мощность
в ваттах при напряжении, которое необходимо
для питания светодиода (люмены можно преоб-
разовать в ватты, и поэтому при таком делении
происходит сравнение подобных единиц изме-
рения).
В светодиодном светильнике, который содержит
встроенную электронную схему для преобразо-
вания высокого напряжения переменного тока
в пониженное напряжение постоянного тока,
потребление мощности измеряется не на диоде,
а на входе электронной схемы. Следовательно,
недостаточная эффективность электроники сни-
жает величину эффективности светильника.
Регулировка силы света
Лампа накаливания очень чувствительна к
уменьшению подаваемой мощности — она ста-
новится чрезвычайно неэффективной, излучая
около 1% от нормального светового потока,
если подаваемая мощность снижена до 40%.
Светодиоды обладают почти линейным откли-
ком на подаваемую мощность. Как правило, ре-
гулятор силы света на основе симистора непри-
годен для светодиодного светильника, и вместо
него применяют регулятор, специально предна-
значенный для светодиодов и основанный на
широтно-импульсной модуляции.
Ультрафиолетовое излучение
Плазма в люминесцентной лампе генерирует
ультрафиолетовое излучение, которое смеща-
ется в видимую часть спектра при помощи лю-
минофора, покрывающего изнутри стеклянную
колбу лампы. Изъяны в этом покрытии по-
тенциально допускают утечку ультрафиолето-
вого излучения, и по этой причине некоторые
Светодиод для освещения
257


Варианты
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиод для освещения
3000 К
3500 К
6500 К
спектр
Рис. ЦВ-23.10. Спектры мощности трех светильников на
основе светодиодов повышенной яркости демонстрируют
отсутствие ультрафиолетового излучения (адаптированный
график взят из технического описания, опубликованного кор-
порацией Color Kinetics)
исследователи утверждают, что использование
компактных люминесцентных светильников
в качестве настольных ламп, расположенных
вблизи человека, может повысить риск разви-
тия некоторых форм рака кожи (впрочем, это
утверждение остается спорным).
Тем не менее, производители светодиодных
светильников спешат отметить, что белые све-
тодиоды не излучают никакого ультрафиоле-
тового света. На рис. ЦВ-23.10 показаны спек-
тры мощности, построенные на основе изме- ВэрИЭНТЫ
рений трех светодиодов повышенной яркости
Color Kinetics, выпускаемых компанией Philips.
Производитель категорически утверждает, что
«цветные и белые источники света на основе
светодиодов Color Kinetics не создают излучения
за пределами видимого спектра». Инфракрасное
излучение их также пренебрежимо мало.
Вариации цвета
Коррелированная цветовая температура опре-
деляется посредством сравнения с цветовой
температурой обычного накаливаемого источ-
ника, свет которого выглядит ближе всего к све-
ту белого светодиода. К сожалению, поскольку
стандарт измерения такой температуры не явля-
ется достаточно точным, а также вследствие воз-
можных погрешностей при производстве, два
светодиодных источника, если их разместить
рядом, могут выглядеть по-разному. Поскольку
человеческое зрение подстраивается к общей
цветовой температуре, оно улавливает различия
между соседними источниками света, и если два
или более белых светодиода в осветительном
приборе не обладают идентичными спектрами,
то такое различие будет заметно.
Чтобы справиться с этой проблемой, произво-
дители ввели понятие сортировки по группам,
которое означает, что источники света подраз-
деляются на более узкие классы, которым при-
сваиваются Ыя-номера на основе измеренных
характеристик. Так, например, в системе Philips
Optibin свет оценивается с различных углов зре-
ния, в том числе и перпендикулярно к источни-
ку. Это в особенности важно в тех случаях, когда
какое-либо обширное пространство — наподо-
бие вестибюля в здании — окрашено в белый
цвет и освещено светодиодами высокой ярко-
сти, которые должны выглядеть однородными
по цветовой температуре.
Устройства для светодиодного освещения ча-
сто сконструированы так, чтобы имитировать
форму ламп накаливания, галогенных зер-
кальных ламп или люминесцентных трубок.
Стандартный резьбовой цоколь светодиодной
лампы классической формы, штырьковый цо-
коль миниатюрной зеркальной светодиодной
лампы на 12 В, а также штырьковые выводы све-
тодиодной трубки обеспечивают легкий переход
на новую технологию.
258
Статья 23


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиод для освещения
Варианты
Уникальным вариантом среди систем светоди-
одного освещения являются гирляндные све-
тодиоды. Они выполнены на основе толстых
гибких пластиковых лент, в которые встроены
светодиоды, подключенные последовательно.
Для освещения используют белые светодиоды,
а сами ленты могут содержать необходимую
управляющую электронную схему для преобра-
зования напряжения источника питания пере-
менного тока. Такие ленты можно поместить
за выступами или декоративными накладками,
чтобы создать мягкое и однородное освещение
потолка.
Гирляндные светодиоды могут также работать от
источника постоянного напряжения 12 В, и с их
помощью легко эффектно оформить легковые
автомобили или грузовики. Такие гирлянды вы-
пускают в различных вариантах помимо белого
цвета. Многие из них являются многоцветными
и снабжены портативным пультом дистанцион-
ного управления.
Сравнение
Преимущества ламп накаливания перечис-
лены в разд. «Некоторые преимущества ламп
накаливания» статьи 18, а преимущества лю-
минесцентных ламп — в разд. «Сравнение»
статьи 20. Эти перечни можно сопоставить со
следующими преимуществами светодиодного
освещения:
• в то время как срок службы лампы нака-
ливания для комнатного освещения может
составлять всего 1000 часов, для светодио-
дов заявленный срок службы доходит до
50 тыс. часов;
• срок службы лампы накаливания — это
среднее время, в течение которого она спо-
собна излучать свет до окончательного вы-
хода из строя. Срок службы светодиода —
это среднее время, в течение которого он
способен излучать свет, прежде чем его
яркость не снизится постепенно до 70% от
номинальной. Такое снижение эффектив-
ности происходит более плавно и причиняет
меньше неудобств, поскольку не требует не-
медленной замены лампы;
• в отличие от люминесцентной лампы или
лампы накаливания, в светодиоде нет на-
гретой вольфрамовой нити, которая выхо-
дит из строя в результате износа;
• в отличие от люминесцентной лампы
светодиод не содержит ртути и, следова-
тельно, не требует специальных мер при
утилизации, которые ведут к дополнитель-
ным расходам;
• в то время как люминесцентные лампы при
низких температурах могут включаться
с трудом, светодиоды нечувствительны к
холодным внешним условиям;
• яркие светодиоды доступны в широком цве-
товом ассортименте и не требуют наличия
светофильтров, которые очень сильно сни-
жают эффективность ламп накаливания,
когда используются, например, в сигналь-
ных дорожных знаках или в габаритных
огнях автомобилей;
• интенсивность освещения от светодиодов
высокой яркости можно регулировать.
Яркость же люминесцентных ламп, как пра-
вило, не регулируется или регулируется не-
удовлетворительно;
• светодиоды изначально являются направ-
ленными источниками, поскольку кристалл
излучает свет под углом в 90° к его плоскос-
ти. Это свойство делает их идеальными для
установки на потолке, чтобы вниз было
направлено максимальное количество света.
А для люминесцентных ламп или для ламп
накаливания часто необходим рефлектор,
который снижает общую эффективность;
• светодиоды нечувствительны к частому пе-
реключению, тогда как ожидаемый срок
службы лампы накаливания или (в особен-
ности) люминесцентной лампы сокращается
при ее частом включении и выключении;
• у светодиодов отсутствует мерцание, а лю-
минесцентные лампы могут начать мерцать
по мере старения;
Светодиод для освещения
259


Параметры
источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиод для освещения
• у светодиодов отсутствуют электрические
помехи. Люминесцентные же лампы могут
мешать приему радиоволн с амплитудной
модуляцией (AM), а также работе некоторых
аудиоустройств;
• у светодиодов отсутствует риск нарушения
герметичности — для светодиодного осве-
щения нет необходимости в защитной
стеклянной оболочке.
Однако светодиодам высокой яркости еще пред-
стоит преодолеть некоторые препятствия:
• сравнительно высокая стоимость — в США,
до того как лампы накаливания мощностью
60 Вт были законодательным путем изъяты
из употребления, они продавались менее
чем по доллару за штуку. Люминесцент-
ная лампа Т8 диаметром 2,5 см и длиной
120 см в настоящее время стоит от 5 до 6$
(в розницу), но при этом ее ожидаемый срок
службы составляет около 25 тыс. часов,
а при потреблении всего лишь 20% мощ-
ности по сравнению с лампой накаливания
она обеспечивает в два-три раза большую
освещенность. Несомненно, люминесцент-
ная лампа экономически более выгодна,
несмотря на стоимость электронной схе-
мы, которая должна содержаться в осве-
тительном приборе и служит для запуска
лампы. Для сравнения — в настоящее время
цена светодиодной лампы в три раза выше,
чем люминесцентной. Светодиодная лампа
может прослужить в два раза дольше, но
она не намного эффективнее, т. к. выдает
около 100 люменов на ватт, в то время как
у типичной люминесцентной лампы этот
показатель равен 90 люменам на ватт.
Опытные образцы новых светодиодов вы-
сокой яркости превышают показатель в
200 люменов на ватт, и они к 2020 году
смогут составить конкуренцию люминес-
центным лампам, но даже в этом случае
потребуется время для перехода на новые
устройства;
• чувствительность к нагреву — нагрев
снижает световую отдачу и срок службы
светодиодных светильников;
• сложности при выборе места для установ-
ки — поскольку светодиоды чувствительны
к нагреву, их следует устанавливать в таких
местах, которые не нагреваются чрезмерно.
При этом необходимо правильно ориен-
тировать теплоотводы, а также обеспе-
чивать достаточную вентиляцию;
• изменение цвета — при нагреве, а также
по мере старения светодиода, его цветовая
температура может немного сместиться, по-
скольку цвет обычно определяется люми-
нофорами двух типов;
• разброс параметров — отклонения в про-
цессе производства могут привести к тому,
что светодиоды одного типа будут немного
различаться по цветовой температуре.
Люминесцентные лампы и лампы накали-
вания выглядят более единообразно;
• меньший нагрев по сравнению с лампа-
ми накаливания — хотя это и является
преимуществом с точки зрения эффектив-
ности, такое свойство может быть и недо-
статком, например, при установке свето-
диодов в сигнальных дорожных знаках или
при освещении взлетно-посадочной поло-
сы, когда нагрев лампы обеспечивает тая-
ние снега или льда.
Параметры
Несмотря на то, что свет при освещении све-
тодиодами является направленным, а у ламп
накаливания и люминесцентных ламп он рас-
пространяется во всех направлениях, в качестве
параметра во всех этих случаях указывается све-
товой поток, измеряемый в люменах. Эта еди-
ница измерения описывает общее испускание
света без учета его направленности (интенсив-
ность светодиодных индикаторов измеряется
в канделах, описывающих силу света в пределах
260
Статья 23


источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > сеетодиод для освещения Что может пойти не так?
угла рассеяния, но для осветительных приборов
канделы не используются).
Для ламп накаливания типичные значения та-
ковы: 450 люменов при потреблении мощности
в 40 Вт, 800 люменов при потреблении мощ-
ности в 60 Вт, 1100 люменов при потреблении
мощности в 75 Вт и 1600 люменов при потре-
блении мощности в 100 Вт. Поскольку большая
часть света лампы накаливания может быть по-
теряна из-за неэффективных отражателей или
при освещении в тех направлениях, где свет не
нужен, светодиод высокой яркости с номиналом
в 1000 люменов может фактически выглядеть
ярче, чем 75-ваттная лампа накаливания.
Люминесцентная лампа Т8 длиной 120 см и диа-
метром 2,5 см потребляет всего 32 Вт, но создает
световой поток почти 3000 люменов (пока она
новая). Это значение за полный срок службы
лампы постепенно уменьшается на величину
до 40%.
Лампы накаливания обеспечивают светоотдачу
приблизительно от 10 до 15 люменов на ватт.
Новая люминесцентная лампа обеспечивает
около 80-90 люменов на ватт, а светодиоды вы-
сокой яркости способны выдавать (на момент
написания книги) до 100 люменов на ватт в ре-
альных условиях работы.
Что может пойти не так?
Неправильное напряжение
Большинство источников светодиодного осве-
щения повышенной яркости можно использо-
вать либо при 115, либо при 230 В переменного
тока. Но бывают, однако, и исключения, поэтому
на всякий случай сверяйтесь со спецификация-
ми. Важно также избегать подачи напряжения
бытовой электросети на миниатюрные светоди-
одные лампы-отражатели на 12 В, которые пред-
назначены для замены галогенных ламп того же
размера с питанием от 12 В переменного тока.
Перегрев
Если светодиодный светильник повышенной
яркости снабжен тецлоотводом, то для этого
элемента следует обеспечить свободную цир-
куляцию воздуха. Ребра радиатора необходимо
ориентировать вертикально, чтобы обеспечить
конвекцию, а сам светильник не следует заклю-
чать в корпус. Перегрев существенно снижает
срок службы светодиода.
Проблемы при замене
люминесцентных ламп
светодиодными
Люминесцентный светильник содержит бал-
ласт, который предохраняет лампу от чрезмер-
ного тока. Балласт заключен в пластиковый кор-
пус, прикрепленный к обратной стороне рамы,
в которой устанавливается лампа.
Магнитный балласт содержит обмотку дроссе-
ля и шунтируется дополнительным стартером,
который при включении источника питания
подает в течение секунды импульс тока, выпол-
няющий предварительный разогрев лампы для
начала разряда в плазме.
Электронный балласт выполняет ту же функ-
цию, но без стартера.
Некоторые светодиодные лампы, разработан-
ные в качестве замены люминесцентным, допу-
скают наличие магнитного балласта в цепи, но
могут конфликтовать с электронным балластом.
При использовании некоторых светодиодов не-
обходимо полное отключение любого балласта,
для чего потребуется отключить пару проводов,
открутив специальные соединительные нако-
нечники (при условии, что светильник соответ-
ствует американским строительным нормам).
После этого провода подключают так, чтобы
обеспечивать подачу питания напрямую к лам-
пе, а наконечники накручивают обратно для за-
вершения соединения. Балласт можно оставить
в светильнике.
Светодиод для освещения
261


Что может пойти не так? источники света, индикаторы или дисплеи > одиночные источники > светодиод для освещения
Если перед установкой светодиодной лампы, ко-
торой требуется прямое подключение к источ-
нику питания, не удалить балласт и/или стартер
в люминесцентном светильнике, то лампу мож-
но вывести из строя. Неправильная подача пи-
тания на светодиодную лампу может привести
к тому, что она не будет светиться. В сопрово-
дительной документации должны содержаться
указания о том, как отключать балласт и под-
ключать лампу. Обратите внимание, что к на-
стоящему времени цоколевка штырьков свето-
диодных ламп не стандартизирована.
Вводящая в заблуждение
цветопередача
Поскольку спектр света белого светодиода не-
равномерный, он не будет обеспечивать точную
передачу некоторых оттенков, как было показа-
но ранее. Это важно учитывать, если светодио-
ды используются для освещения полноцветной
печатной продукции или картин, или же когда
они установлены в магазинах, продающих такие
товары, как одежда, мебель или продукты пита-
ния.
262
Статья 23


источники света, индикаторы или дисплеи > несколько источников или панель > светодиодный дисплей
СВЕТОДИОДНЫЙ ДИСПЛЕЙ
В этой энциклопедии любой компонент, который содержит несколь-
ко отдельно различимых светодиодов (например, семисегментный
цифровой, 14- и 16-сегментный алфавитно-цифровой или матрич-
ный дисплей, а также многосимвольный модуль), рассматривается
как светодиодный дисплей (по англ. LED display).
В отличие от него, светодиодным индикатором здесь называет-
ся компонент, имеющий обычно диаметр 5 мм или меньше и чаще
всего содержащий один светодиод, залитый в прозрачную или по-
лупрозрачную эпоксидную смолу или силикон. Он предназначен не
для освещения, а для работы в качестве индикатора в каком-либо
устройстве, и его иногда называют стандартным светодиодом.
Светодиодное освещение обширных жилых или рабочих про-
странств рассмотрено в отдельной статье, посвященной светодио-
дам для освещения.
Акроним OLED (Organic Light-Emitting Diode, органический светоди-
од) служит для обозначения тонкой панели, в которой органический
состав содержится между двумя плоскими электродами. Несмотря
на то, что этот компонент функционирует как разновидность свето-
диода, его конструкция напоминает тонкопленочные электролюми-
несцентные источники света. По этой причине он рассматривается в
статье электролюминесцентные устройства.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• ЖК-индикатор (см. статью 17)
• светодиодный индикатор (см. статью 22)
• светодиод для освещения (см. статью 23)
• вакуумно-люминесцентный дисплей (см. статью 25)
• электролюминесцентные устройства (см. статью 26)
24
Светодиодный дисплей 263


Описание
источники света, индикаторы или дисплеи > несколько источников или панель > светодиодный дисплеи
Описание
Светодиодный дисплей отображает информа-
цию на панели или на экране при помощи мно-
жества сегментов, излучающих свет при подаче
постоянного напряжения, которое обычно со-
ставляет от 2 до 5 В. Такой дисплей может со-
держать буквенно-цифровые символы, простые УСТРОЙСТВО
геометрические фигуры, точки или пикселы, ко-
торые образуют растровое изображение.
Простейшим и, вероятно, самым известным об-
разцом светодиодного дисплея является семи-
сегментный цифровой. На рис. 24.1 изображен
подобный индикатор марки Kingbright HDSP-
313Е, высота его символа равна 10 мм.
Жидкокристаллический дисплей (или ЖК-инди-
катор) служит для той же цели, что и светодиод-
ный дисплей, и может выглядеть очень похоже,
однако жидкие кристаллы пропускают или за-
держивают поступающий свет, а светодиоды
свет излучают. Использование в жидкокристал-
лических дисплеях задней подсветки привело к
тому, что они стали еще более внешне схожи со
светодиодными дисплеями.
Физический процесс, в результате которого
светодиод излучает свет, рассмотрен в разд.
«Устройство» статьи, посвященной свето-
диодным индикаторам. Каждый светоизлу-
чающий диод в светодиодном дисплее функ-
ционирует аналогично диодам в светодиодном
индикаторе.
Светодиоды должны получать питание от ис-
точника постоянного тока. Это главное отличие
светодиодных дисплеев от ЖК-дисплеев, кото-
рым необходим переменный ток.
Для светодиодного дисплея нет общепринятого
условного графического обозначения. В тех слу-
чаях, когда используется сегментированный ди- ВдРИЭНТЫ
сплей, его сегменты часто изображаются в виде
нарисованных контуров.
Рис. 24.1. Самый простой светодиодный дисплей, способный
отображать цифры от 0 до 9 при помощи излучающих свет
сегментов, которые могут светиться по отдельности. Восьмой
сегмент отображает десятичную точку
Сравнение
с жидкокристаллическими
дисплеями
Как уже отмечалось, ЖК-дисплеи и светодиод-
ные дисплеи могут выглядеть очень похоже. При
этом возникает естественный вопрос: какой тип
дисплея выбрать для конкретного применения?
ЖК-дисплеи без задней подсветки более под-
ходят для устройств типа цифровых часов и
микрокалькуляторов с питанием от солнечных
батарей, где потребление энергии следует мини-
мизировать. Такие устройства способны функ-
ционировать в течение нескольких лет от един-
ственного «пуговичного» элемента.
ЖК-дисплеи хорошо видны при ярком внеш-
нем свете, который светодиодным лишь меша-
ет. ЖК-дисплеи можно сконструировать та-
ким образом, чтобы они отображали сложные
264
Статья24


источники света, индикаторы или дисплеи > несколько источников или панель > светодиодный дисплей
Варианты
пиктографические фигуры и символы, а для сег-
ментов светодиодного дисплея предпочтитель-
нее простая форма.
ЖК-дисплей более подвержен воздействию тем-
пературы, чем светодиодный дисплей, а при
обеспечении питания ЖК-дисплеев имеется
некоторое неудобство, поскольку им необхо-
дим источник переменного тока, который вряд
ли пригодится где-либо еще в данной схеме.
Если ЖК-дисплей снабжен задней светодиод-
ной подсветкой, то для нее потребуется также
низковольтный источник постоянного тока.
Светодиодный дисплей проще в практическом
использовании, поскольку его можно напрямую
подключить к микроконтроллеру или к логиче-
ской микросхеме, добавив лишь несколько то-
коограничительных резисторов, а также тран-
зисторов, если необходимо обеспечить допол-
нительную мощность.
Рис 24.2. Семисегментный светодиодный дисплей: строчные
буквы для обозначения сегментов используются в техниче-
ской документации и для жидкокристаллических дисплеев
Семисегментные дисплеи
Первые образцы семисегментных светодиодных
дисплеев применялись в микрокалькуляторах,
пока не появилась доступная по цене замена
в виде ЖК-дисплеев, существенно продлеваю-
щих срок службы элементов питания. Поначалу
размеры светодиодов в таких компонентах были
весьма небольшими, и иногда требовались уве-
личительные линзы, чтобы можно было увидеть
их показания.
Семисегментные светодиодные дисплеи до
сих пор применяются в некоторых недорогих
устройствах, хотя жидкокристаллические дис-
плеи стали более распространенными.
В технической документации сегменты диспле-
ев обозначаются при помощи букв от а до g
(рис. 24.2). Эта система универсальна и при-
меняется также для описания ЖК-индикаторов
(см. рис. 17.4). Десятичная точка, которую обыч-
но обозначают символами dp, на некоторых дис-
плеях отсутствует. Сегменты слегка наклонены,
чтобы придать более естественный вид циф-
ре «7».
Рис 24.3. Цифры и первые шесть букв латинского алфавита,
отображаемые на семисегментном дисплее
Светодиодный дисплей
265


Варианты
источники света, индикаторы или дисплеи > несколько источников или панель > светодиодный дисплеи
Несмотря на то, что семисегментные дисплеи
выглядят не слишком изящно, они достаточно
функциональны и удобочитаемы. С их помощью
можно, кроме цифр, вывести также шестнадца-
теричные значения буквами А, В, С, D, Е и F,
которые на дисплее выглядят как А, Ь, с, d, E
и F — вследствие ограничений, налагаемых не-
большим количеством сегментов (рис. 24.3).
В некоторых бытовых устройствах (например,
в микроволновых печах) можно — с учетом
ограничений семисегментного дисплея — вы-
водить пользователю элементарные текстовые
сообщения (рис. 24.4). При этом цифры 0,1 и 5
невозможно отличить от букв О, I и S, а буквы,
которые содержат диагональные штрихи (на-
пример, К, М, N, W, X и Z), нельзя отобразить
в принципе.
Несколько цифр
Индикаторы, состоящие из одной цифры, те-
перь являются редкостью, поскольку мало где
необходимо отображать лишь один разряд, -
более распространены дисплеи с двумя, тремя и
четырьмя цифрами (рис. 24.5).
Рис. 24.5. Несколько семисегментных светодиодных дис-
плеев часто объединяют в один компонент: вверху — мо-
дель Avago, предназначенная для часов (питание 2,05 В по-
стоянного тока силой 20 мА); внизу — модель Kingbright из
двух цифр, которая потребляет постоянный ток 20 мА при
напряжении 2,1 В
Рис. 24.4. С помощью семисегментных дисплеев можно выво-
дить простые текстовые сообщения, хотя при этом невозмож-
но отображать буквы, содержащие диагональные штрихи
Дополнительные сегменты
В попытке добиться представления всех букв
алфавита разработаны дисплеи, состоящие из
14 (рис. 24.6, слева) или 16 сегментов (рис. 24.6,
справа). Расположение сегментов в таких све-
тодиодных дисплеях и аналогичных ЖК-
индикаторах совпадает. Некоторые из много-
сегментных дисплеев сделаны наклоненными
подобно семисегментным дисплеям (рис. 24.6,
вверху), хотя это и не является уже необходи-
мым, поскольку для отображения таких симво-
лов, как цифра «7», в них имеются дополнитель-
ные диагональные сегменты.
266
Статья 24


шпочтки света, индикаторы или дисплеи > несколько источников или панель > светодиодный дисплей
Варианты
Рис. 24.6. Расположение сегментов в 14- и 16-сегментных све-
тодиодных дисплеях совпадает с расположением сегментов в
ЖК-индикаторах
Рис. 24.7. Схема идентификации сегментов в 16-сегментном
буквенно-цифровом светодиодном дисплее
В технической документации сегменты много-
сегментных дисплеев обозначаются также при
помощи букв (рис. 24.7), однако вместо строч-
ных букв, которые обычно используются для
семисегментных дисплеев, здесь задействованы
прописные, возможно, чтобы избежать путани-
цы при указании буквы «L». Заметьте, кстати,
что в этой системе обозначений отсутствует бук-
Полный алфавитно-цифровой набор символов,
которые можно отобразить с помощью 16-сег-
ментного дисплея, показан на рис. 17.9 в статье,
посвященной ЖК-индикаторам.
Пример 16-сегментного алфавитно-цифрового
светодиодного дисплея приведен на рис. 24.8.
Компонент установлен на макетной плате и под-
ключен так, чтобы отображать букву «N». Это
индикатор типа Lumex LDS-F8002RI с высотой
Рис. 24*8.16-сегментный буквенно-цифровой светодиодный
дисплей отображает букву «N»
Светодиодный дисплей
267


Варианты
источники света, индикаторы или дисплеи > несколько источников или панель > светодиодный диспт
символа 20 мм. На момент подготовки книги он
еще был доступен в продаже, но в ограниченных
количествах.
Вообще говоря, 16-сегментные дисплеи никог-
да не были очень популярными, поскольку за-
зоры между соседними сегментами затрудняют
восприятие символов. Раздобыть светодиодные
дисплеи легче, чем жидкокристаллические, од-
нако матричные дисплеи выглядят лучше, ото-
бражают алфавит, который легко читается,
а также обладают возможностью вывода про-
стой графической информации.
Матричные дисплеи
В 80-х годах прошлого века в некоторых пер-
сональных компьютерах применялась система
отображения символов, в которой буквы, циф-
ры, знаки препинания и специальные символы
формировались на видеоэкране при помощи
матрицы фиксированного размера, состоящей
из точек. Подобный алфавит и теперь исполь-
зуется в светодиодных матричных дисплеях (и в
ЖК-дисплеях, как показано на рис. 17.10).
Буквенно-цифровые матричные символы часто
группируются в два ряда или более, каждый из
которых состоит из восьми или более символов.
Число символов всегда указывается перед чис-
лом рядов, и поэтому типичный дисплей 8x2
содержит восемь алфавитно-цифровых симво-
лов в каждом из двух горизонтальных рядов.
Компонент такого типа называют дисплейным
модулем.
Дисплейные модули применяются, например,
в таких электронных устройствах, как стерео-
приемники, где требуется лишь отображение
состояния уровня громкости или частоты ра-
диостанции. Поскольку стоимость небольших
полноцветных ЖК-дисплеев с высоким разре-
шением в результате массового производства
мобильных телефонов стремительно снизилась,
а также вследствие того, что такие экраны явля-
ются намного более универсальными, они уже
«Sir
Рис. 24.9. Матрица 8x8 размером около 60 мм, состоящая из
светодиодных точек
потеснили матричные дисплейные модули во
многих автомобилях. Вероятно, другие устрой-
ства ждет такая же участь.
Матрицы из пикселов
На рынке доступна матрица размером 8x8, со-
ставленная из светодиодных точек (рис. 24.9), -
она имеет размер 60 мм и содержит 64 светодио-
да диаметром около 5 мм каждый. Выпускаются
также подобные матрицы, но другого размера
и с другим числом точек. Однотипные дисплеи
можно разместить вплотную друг к другу, чтобы
отображать бегущую строку или простую гра-
фическую информацию.
Шкальный индикатор
Шкальный индикатор представляет собой ряд
небольших прямоугольных светодиодов, объ-
единенных в один компонент. Он хорошо под-
ходит для цифрового отображения аналогово-
го сигнала — чем выше напряжение сигнала,
тем большее число полосок будет светиться.
Типичное применение — отображение уровня
входного сигнала при записи звука. Количество
используемых полосок часто равно десяти
268
Статья 24


источники света, индикаторы или дисплеи > несколько источников или панель > светодиодный дисплей
Параметры
Рис. 24.10. Два светодиодных шкальных индикатора, сегмен-
тами которых можно управлять раздельно
(рис. 24.10), однако несколько таких компонен-
тов можно объединить друг с другом.
Одиночная световая полоска
Световую полоску можно рассматривать в каче-
стве светодиода с одним источником, посколь-
ку она представляет собой отдельный квадрат
или прямоугольник. Этот компонент упомянут
здесь, а не в статье о светодиодных индикаторах,
поскольку в качестве вариантов он может быть
разделен на две, три, четыре или (иногда) боль-
шее число частей. Такие совмещенные и разде-
ленные индикаторы часто приводятся в одном
техническом описании вместе.
Световая полоска содержит несколько свето-
диодов (обычно четыре), которые размещены
за полупрозрачной панелью, обеспечивающей
равномерное рассеяние излучения.
Параметры
Параметры большинства светодиодных диспле-
ев в основном те же, что и светодиодных инди-
каторов, — если говорить о цвете, яркости, по-
треблении тока и напряжении (подробнее это
рассмотрено в разд. «Параметры» статьи, по-
священной светодиодным индикаторам).
Многосимвольные матричные светодиодные
дисплеи могут отличаться по требованиям к
прямому напряжению и прямому току — в за-
висимости от управляющей электронной схемы,
встроенной в модуль. Поскольку стандартиза-
ция таких модулей отсутствует, при их исполь-
зовании следует сверяться со спецификациями.
Применение
Семисегментный дисплей:
основные понятия
Диоды в семисегментном светодиодном дисплее
соединены совместно либо по схеме с общим
анодом, либо с общим катодом, причем второй
вариант встречается чаще. Оба эти варианта
внутреннего подключения могут присутство-
вать только в целях удобства, и внешне такие
дисплеи функционируют одинаково.
На рис. 24.11 приведена схема внутреннего под-
ключения и расположения выводов типичного
дисплея с общим катодом и десятью выводами
(нумерация выводов соответствует виду на ком-
понент сверху). К каждому номеру добавлена
буква, идентифицирующая сегмент, к которому
он подключен. Выводы 3 и 8 подключены к ка-
тодам всех внутренних светодиодов, и оба эти
вывода следует использовать в качестве тепло-
отводов для дисплея.
Обратите внимание, что дисплей не содержит
внутренних токоограничительных резисторов,
которые нужно дополнительно предусмотреть в
схеме. Их номиналы будут определяться источ-
ником питания так, чтобы ограничить прямой
ток и прямое напряжение на светодиодах в той
мере, какую указывает производитель.
Вместо отдельных резисторов можно использо-
вать резисторную матрицу, состоящую из семи
Светодиодный дисплей
269


Применение
источники света, индикаторы или дисплеи > несколько источников или панель > светодиодный дисплеи
например, дисплей часов с четырьмя цифрами
может иметь семь выводов, которые подключе-
ны параллельно к соответствующим сегментам
всех цифр, а дополнительные четыре вывода мо-
гут поочередно заземлять каждую цифру, чтобы
их можно было выбирать одну за другой.
Рис. 24.11. Схематическое представление внутренних соеди-
нений и расположения выводов семисегментного светоди-
одного дисплея с общим катодом (нумерация относится к
выводам компонента, рассматриваемого сверху). Рядом с вы-
водом 1 для его идентификации на компоненте может быть
расположена метка. Ориентацию компонента можно опреде-
лить, если он имеет десятичную точку, которая должна рас-
полагаться в правом нижнем углу
или из восьми резисторов, которые помещены
в микросхему в SIP- или DIP-корпусе. Для се-
мисегментного светодиодного дисплея может
потребоваться такой тип резисторной матрицы,
у которой доступны оба вывода каждого из ре-
зисторов.
Когда две или несколько цифр объединены в
один компонент, то такой дисплей будет иметь,
скорее всего, два горизонтальных ряда выводов.
Как и обычно, выводы нумеруются против часо-
вой стрелки, если смотреть на компонент сверху.
В этом случае вывод 1 расположен в нижнем ле-
вом углу.
Если в компоненте объединены три или не-
сколько цифр, то их выводы могут быть предна-
значены для мультиплексирования, а не для раз-
дельного доступа к каждому сегменту цифр. Так,
Управляющие микросхемы
и мультиплексирование
Свечение соответствующих сегментов в отдель-
ной цифре может осуществляться напрямую
от микроконтроллера или через управляющую
микросхему, например, такую, как хорошо из-
вестный и широко распространенный семисег-
ментный дешифратор 4543В, который преобра-
зует двоично-десятичный вход в соответствую-
щую конфигурацию сегментов. Эта микросхема
может обеспечивать достаточный ток, чтобы
управлять каждым сегментом через последо-
вательно включенный резистор. Ее цоколевка
приведена на рис. 24.12.
Когда микросхема 4543В используется со-
вместно с микроконтроллером, она способна
управлять несколькими семисегментными дис-
плеями при помощи их мультиплексирования.
Принципиальная схема такого подключения
Рис. 24.12. Расположение выводов микросхемы 4543В, управ-
ляющей семисегментным светодиодным дисплеем
270
Статья 24


источники света, индикаторы или дисплеи > несколько источников или панель > светодиодный дисплей
показана на рис. 24.13, при этом опущены такие
необязательные функции, как гашение началь-
ных нулей или подключение десятичной точки.
Микроконтроллер здесь отправляет двоичный
код на первую цифру и одновременно заземляет
общий катод этой цифры через транзистор, что
является необходимым, т. к. несколько сегмен-
тов цифры (до семи) могут параллельно прово-
дить ток. После этого микроконтроллер отправ-
ляет двоичный код на вторую цифру и заземляет
ее, затем — на третью с ее заземлением, после
чего цикл повторяется. До тех пор, пока этот
процесс выполняется с достаточной скоростью
(при частоте не менее 50 Гц), инерционность
зрительного восприятия будет создавать иллю-
зию того, что все цифры светятся одновремен-
но. Реализация подобной схемы для управления
ЖК-индикатором приведена на рис. 17.17.
Недостаток этой системы заключается в том, что
микроконтроллер должен постоянно обновлять
отображение цифр, выполняя попутно другие
задачи. Снизить его загрузку позволяет более
«интеллектуальная» управляющая микросхе-
ма, например, МС14489, способная работать
с пятью семисегментными цифрами, или же
микросхема ICM7218, способная управлять во-
семью семисегментными цифрами.
При этом контроллер МС14489 принимает дан-
ные последовательно при помощи протокола
SPI, а затем обрабатывает обращения к свето-
диодам. Поскольку микроконтроллер содержит
регистры, которые запоминают и хранят ото-
бражаемые данные, ему необходимо взаимодей-
ствовать с дисплеем только тогда, когда нужно
обновить отображаемую информацию.
Микросхема ICM7218 является более сложной.
Она выпускается в нескольких модификациях,
одна из которых способна принимать данные по
восьмиразрядной шине, а затем управлять семи-
сегментными дисплеями в шестнадцатеричном
режиме отображения.
Применение
Рис. 24.13. Упрощенная принципиальная схема управления
несколькими семисегментными светодиодными индикатора-
ми при помощи их мультиплексирования
Светодиодный дисплей
271


Применение
источники света, индикаторы или дисплеи > несколько источников или панель > светодиодный дисплей
Микросхема управления
16-сегментным дисплеем
Микросхема МАХ6954 компании Maxim спо-
собна управлять восемью 16-сегментными бук-
венно-цифровыми светодиодными дисплея-
ми при помощи схемы, которая известна как
«чарлиплексирование» (от англ. Chartieplexing).
Она была названа так по имени Чарли Аллена
(Charlie Allen), сотрудника компании Maxim,
который выдвинул этот вариант как один из
способов уменьшения количества выводов, не-
обходимых для мультиплексирования. Другие
контроллеры, выпускаемые компанией Maxim,
основаны на том же протоколе, являющимся
прозрачным для пользователя.
Микроконтроллер отправляет данные последо-
вательно при помощи протокола 12С в микро-
схему МАХ6954, которая реализует множество
функций. Она способна управлять 14-сегмент-
ными и семисегментными дисплеями, равно как
и 16-сегментными, и содержит набор из 104 сим-
волов для каждого из них. Настройка микрокон-
троллера на отправку различных командных
кодов для микросхемы МАХ6954 — задача от-
нюдь не тривиальная, а если учитывать возмож-
ное завершение эпохи 16-сегментных дисплеев,
то лучше остановить выбор на матричных све-
тодиодных модулях, в которые уже встроена
управляющая логика.
Матричные светодиодные
дисплейные модули
Матричному светодиодному дисплейному моду-
лю необходимы данные для определения набо-
ра символов, а также интерпретатор команд для
обработки инструкций, которые будут встроены
в последовательный поток данных. Эти возмож-
ности обеспечиваются либо отдельными микро-
схемами, либо (чаще) встроены в сам светоди-
одный модуль.
• Контроллер SS1306 предназначен для ото-
бражения монохромной графики и под-
держивает последовательные или парал-
лельные протоколы PC или SPI. Иногда
дисплейный модуль поддерживает только
один из указанных протоколов, и это нуж-
но принимать во внимание при передаче
данных.
• Контроллер SS1331 служит для отображе-
ния цветной графики и обладает сходными
возможностями передачи данных.
• Контроллер WS0010 предназначен для ото-
бражения монохромной графики и совмес-
тим с микросхемой HD44780, которая осу-
ществляет управление ЖК-дисплеями.
Типичные функции контроллера перечислены
в разд. «Алфавитно-цифровые индикаторные мо-
дули» статьи, посвященной ЖК-индикаторам.
Поскольку в этой сфере отсутствует стандарти-
зация, точные характеристики можно отыскать
только в технической документации.
Матрицы пикселов
На рис. 24.14 показаны соединения внутри ма-
трицы размером 8x8 пикселов, причем услов-
ные обозначения светодиодов здесь в целях
экономии места заменены серыми кружками.
Чтобы зажечь один светодиод, питание подает-
ся на перекрещивающиеся провода, к которым
он подключен. Каждый вертикальный провод
(помеченный как А1, А2 ... А8) может подавать
питание на аноды одного столбца из восьми
светодиодов, а каждый горизонтальный провод
(помеченный как С1, С2 ... С8) может заземлять
катоды одного ряда из восьми светодиодов. Если
только один вертикальный провод подключен к
источнику положительного напряжения, а за-
землен также лишь один горизонтальный про-
вод, то загорится только один светодиод, под-
ключенный к этим активным проводам.
Проблема возникает, когда необходимо зажечь
два светодиода. Предположим, что это све-
тодиоды с координатами (A3, С2) и (А6, С5).
К сожалению, если подать на них питание, то
будут активны также светодиоды с коорди-
272
Статья 24


источники света, индикаторы или дисплеи > несколько источников или панель > светодиодный дисплей
Применение
Рис. 24.14. Внутренние соединения в матрице 8x8: каждый
серый кружок обозначает светодиод
Рис. ЦВ-24.15. При попытке включить светодиоды (A3, С2) и
(А6, С5) загораются также светодиоды (A3, С5) и (А6, С2)
натами (A3, С5) и (А6, С2), как показано на
рис. ЦВ-24.15 (желтые кружки обозначают
включенные светодиоды).
Эта проблема решается с помощью развертки.
Другими словами, данные подаются в матрицу
строка за строкой, подобно тому, как создается
телевизионное изображение. Если это выпол-
нить достаточно быстро, то инерционность зри-
тельного восприятия создаст иллюзию того, что
светодиоды включены одновременно.
Для достижения такого эффекта используется
некоторая разновидность мультиплексирова-
ния. Один ряд светодиодов на короткое время
подключается к шине заземления. В течение
этого промежутка мгновенно подается питание
на аноды выбранных светодиодов. Затем зазем-
ляется следующий ряд, и на выбранные в этом
ряду светодиоды также мгновенно подается
питание. Эта процедура выполняется для всех
восьми рядов, а затем повторяется.
Если несколько матриц размером 8x8 со-
стыкованы друг с другом, их горизонтальные
провода могут быть едиными для всех матриц.
Посредством этого можно создать дисплей с го-
ризонтальной прокруткой (который иногда на-
зывают архаичным термином электронная газе-
та), хотя схема будет нетривиальной.
Микросхема управления
шкальным индикатором
Микросхема LM3914 предназначена для управ-
ления шкальным индикатором. Она сравнивает
аналоговый входной сигнал с эталонным напря-
жением и подает питание на сегменты шкально-
го индикатора, при этом сила тока составляет от
2 до 30 мА, и ее можно отрегулировать в соот-
ветствии с характеристиками используемого ин-
дикатора. Эта микросхема позволяет создавать
либо эффект «термометра», при котором с уве-
личением аналогового сигнала активируется
все большее количество выходов, либо эффект
«бегущей точки», при котором в каждый момент
времени активен только один выход.
Светодиодный дисплей
273


Применение
источники света, индикаторы или дисплеи > несколько источников или панель > светодиодный дисплей
Шестнадцатеричная точечная
матрица на одну цифру
Несмотря на то, что многосимвольные матрич-
ные светодиодные дисплейные модули явля-
ются универсальным средством отображения
текстовых сообщений и чисел, иногда бывает
достаточно более простого компонента.
Матричный светодиодный дисплей TIL311 ком-
пании Texas Instruments (рис. 24.16) — это про-
стой компонент, который принимает двоичное
значение от 0000 до 1111 на свои четыре входа,
а затем формирует выходной сигнал в шест-
надцатеричной форме, отображая цифры от 0
до 9 и буквы от А до F. Для подключения этого
компонента не нужны последовательные рези-
сторы и управляющая микросхема, которые яв-
ляются привычными для семисегментного дис-
плея, а его внешний вид улучшен. И хотя ди-
сплей TIL311 больше не выпускается, он широко
доступен у многих поставщиков, в особенности
из Азии.
На рис. 24.17 дисплей TIL311 отображает циф-
ру «2».
Если два или несколько таких индикаторов объ-
единить, то их можно мультиплексировать для
отображения многоразрядных десятичных или
шестнадцатеричных целых чисел.
Дисплей TIL311 может отображать также две
десятичные точки: одну слева от цифры, а дру-
гую справа. Если они активированы, то им не-
обходимы собственные токоограничительные
резисторы.
Рис. 24.16. Шестнадцать возможных вариантов, которые мо-
жет отображать дисплей T1L311 компании Texas Instruments,
формирующий шестнадцатеричный символ при подаче на
вход четырех двоичных разрядов
274
Рис. 24.17. Дисплей TIL311 компании Texas Instruments, спо-
собный отображать шестнадцатеричные значения, может
управляться напрямую микроконтроллером или счетчиком,
при этом последовательные резисторы не нужны
Статья 24


источники света, индикаторы или дисплеи > несколько источников или панель > светодиодный дисплей Что может пойти не так?
Что может пойти не так?
Общий анод в сравнении
с общим катодом
Обычно светодиодный дисплей, содержащий
общий катод, внешне выглядит так же, как и ди-
сплей с общим анодом, и эти модификации ком-
понента будут различаться лишь одной цифрой
или буквой в каталожном номере. Поскольку
светодиодные дисплеи обладают ограниченной
способностью выдерживать обратное напряже-
ние, следует очень внимательно проверить мар-
кировку перед подачей питания.
Неправильный номинал
токоограничительного резистора
Распространенной ошибкой является мнение
о том, что для семисегментного светодиодного
дисплея необходим только один последователь-
но включенный резистор: либо между общим
катодным выводом и заземлением, либо если
есть общий анод, то между ним и источником
положительного напряжения. Проблема состо-
ит в том, что если такой резистор подходит для
единичного светодиода, то номинал этого рези-
стора будет слишком велик, когда через него бу-
дет протекать ток, рассчитанный на несколько
сегментов дисплея. Если уменьшить его номи-
нал, то он окажется слишком мал, когда к нему
будут подключены лишь два сегмента (как, на-
пример, при отображении цифры «1»).
Для того чтобы обеспечить одинаковую яр-
кость свечения всех сегментов, последовательно
с каждым из них следует включить резистор.
Сложности
при мультиплексировании
Когда мультиплексировано несколько дисплеев,
они, естественно, выглядят не так ярко, и возни-
кает искушение компенсировать это за счет уве-
личения силы тока. Поскольку питание подается
на каждый из сегментов лишь время от времени,
то можно предположить, что увеличенный ток
не создаст проблем.
Это может быть верно, но не всегда. При под-
ключении светодиодного устройства к пульси-
рующему току производительность определяет-
ся не средней, а пиковой температурой перехо-
да. При частоте обновления ниже 1 кГц пиковая
температура перехода выше, чем средняя, и по-
этому средний ток следует понизить.
Необходимо предварительно свериться с тех-
нической документацией, чтобы определить,
предназначено ли устройство для мультиплек-
сирования, и если это так, то каков рекомендо-
ванный пиковый ток. Очень часто это значение
будет дополнено указанием величины макси-
мальной длительности в миллисекундах. Может
потребоваться расчет частоты обновления с уче-
том того, сколько еще других светодиодных дис-
плеев мультиплексируется в данной схеме одно-
временно.
Неправильно рассчитанное мультиплексирова-
ние сократит срок службы светодиодного дис-
плея или приведет к его перегоранию.
Светодиодный дисплей
275


источники света, индикаторы или дисплеи >
несколько источников или панель > вакуумно-люминесцентный дисплей
ВАКУУМНО-
ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ДИСПЛЕЙ
25
В англоязычных источниках для вакуумно-люминесцентных Дис-
плеев (по англ. vacuum-fluorescent displayV исключительно популяр-
ным становится акроним VFD — даже несмотря на то, что он употреб-
ляется также для обозначения частотно-регулируемого электро-
привода (variable frequency drive). В обоих случаях это сокращение
пишется без точек после букв.
В статье люминесцентная лампа этой энциклопедии не упомянуты
вакуумно-люминесцентные дисплеи, поскольку у них совершенно
иные назначение и конструкция. Вакуумно-люминесцентный ди-
сплей представляет собой устройство для отображения информации
(отображения цифр и букв), в то время как люминесцентная лампа
всего лишь освещает помещение или рабочее пространство. И хотя
в вакуумно-люминесцентных дисплеях все же используются люми-
нофоры, они нанесены на светоизлучающие сегменты дисплея, а не
на внутреннюю поверхность стеклянной трубки или колбы.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• ЖК-индикатор (см. статью 17)
• светодиодный индикатор (см. статью 22)
• электролюминесцентные устройства (см. статью 26)
1 Как уже отмечалось ранее (см. статью 20), вместо принятого в англо-
язычной литературе термина «флуоресценция» у нас используется термин
«люминесценция». — Примеч. перев.
Описание
Вакуумно-люминесцентный дисплей (VFD)
внешне похож на монохромный ЖК-дисплей
с задней подсветкой или на светодиодный
дисплей, поскольку он может при помощи
сегментов или точечной матрицы отображать
буквенно-цифровые символы, а также и про-
стые фигуры. Часто он выглядит ярче, чем дру-
гие устройства отображения информации, и
способен создавать интенсивное зеленое фос-
форесцирующее свечение, которое некоторые
люди находят приятным, несмотря на то, что на
показываемое изображение накладывается сет-
ка из очень тонких проводников.
Для обозначения вакуумно-люминесцентного
дисплея нет специального символа.
Ыуумно-люминесцентный дисплей
277


Устройство
источники света, индикаторы или дисплеи >
несколько источников или панель > вакуумно-люминесцентный дисплей
Устройство
Дисплей монтируется внутри запаянной капсу-
лы, содержащей глубокий вакуум. Разделенные
широкими промежутками ряды очень тонких
проводников, изготавливаемых, в основном, из
вольфрама, играют роль катода и при умерен-
ном нагреве вызывают электронную эмиссию.
Эти проводники часто называют нитями.
Вакуумно-люминесцентный дисплей, в отличие
от люминесцентной лампы, работающей на
переменном токе (при этом оба ее электрода ча-
сто и не вполне корректно называют катодами),
использует постоянный ток, и катодная матрица
выполняет именно ту функцию, которая от нее
ожидается, поскольку соединена с отрицатель-
ной клеммой источника питания постоянного
тока.
Напротив катода, на расстоянии от него всего
в несколько миллиметров, расположен анод,
который разграничен на видимые буквенно-
цифровые сегменты, символы или точки ма-
трицы. Каждый сегмент анода покрыт люми-
нофором, и на эти сегменты можно раздельно
подавать питание. Когда электроны ударяются
о положительно заряженный сегмент анода, он
в результате люминесценции испускает види-
мый свет. Это можно сравнить с электронно-
лучевой трубкой. Однако катоды в вакуумно-
люминесцентном дисплее являются эффектив-
ными источниками электронов при сравни-
тельно низкой температуре, в то время как для
катода электронно-лучевой трубки требуется
сильный нагрев.
Анод, катод и сетка
Сетка состоит из ячеек, образованных очень
тонкими проводниками, и установлена в узком
зазоре между нитями катода и сегментами анода
(рис. 25.1).
Меняя полярность напряжения на сетке, мож-
но управлять электронами, которые испускает
катод, а также рассеивать их: если участок сет-
ки заряжен отрицательно, он будет отталкивать
электроны, не позволяя им достичь расположен-
ных под ним участков анода, а если участок сет-
ки заряжен положительно, то он обеспечивает
электронам доступ к аноду. Таким образом, сет-
ка функционирует так же, как сетка в электрова-
куумном триоде, но в данном случае проводники
настолько тонкие, что их едва можно увидеть.
Рис. 25.1. Основные элементы вакуумно-люминесцентного
дисплея в упрощенном виде
Использование
Вакуумно-люминесцентный дисплей устанавли-
вался в 70-х годах прошлого века в электронные
калькуляторы (рис. 25.2), пока не стали конку-
рентоспособными светодиодные и ЖК-дисплеи.
VFD-модули, отображающие только цифры,
по-прежнему применяются для вывода строк из
цифр, хотя и встречаются все реже и заменяются
278
Статья 25


источники света, индикаторы или дисплеи >
несколько источников или панель > вакуумно-люминесцентный дисплей
Использование
на буквенно-цифровые матричные модули, в ко-
торых каждый символ VFD-дисплея заключен в
собственную стеклянную колбу, устанавливае-
мую в отдельный цоколь.
Увеличенное изображение трех цифр с рис. 25.2
показано на рис. 25.3 — здесь хорошо заметно,
что на каждую из цифр накладывается сетка.
Обычно перед дисплеем помещают окрашенный
фильтр того же цвета, что и сами отображаемые
символы, чтобы спрятать некоторые детали вну-
тренней конструкции. Так, например, в кальку-
ляторе Commodore перед дисплеем из зеленых
цифр установлен зеленый светофильтр.
Рис. 25.4. Семисегментные цифры показаны без цветного
фильтра: можно увидеть катод (горизонтальные проводники)
и сетку (ячейки из проводников)
На рис. 25.4 показаны две семисегментные циф-
ры из другого устройства, при этом светофильтр
удален, — стала заметной не только сетка, но
также и горизонтальные проводники, выпол-
няющие функцию катода. Видны также соедине-
ния между сегментами цифр и объединительная
панель.
Рис. 25.2. Вакуумно-люминесцентный дисплей калькулятора
Commodore, выпускавшегося в 70-е годы: здесь девятираз-
рядный вакуумно-люминесцентный дисплей заключен в об-
щий стеклянный корпус
Рис. 25.3. На трех цифрах, взятых из рис. 25.2, заметна сетка,
которая управляет их свечением
Современные применения
Современные VFD-модули, как правило, снаб-
жены DC-DC конвертерами, преобразующими
постоянное напряжение 5 В в более высокое
(обычно, 50-60 В), которое необходимо дис-
плею. Встроенная логическая схема может обе-
спечивать возможность приема данных либо
через восьмиразрядную параллельную шину,
либо с помощью последовательного протокола
SPI, при этом данные содержат набор симво-
лов. Типичное разрешение дисплея составляет
128x64 пиксела.
Сочетание сетки и сегментированного анода по-
зволяет управлять VFD-модулем при помощи
мультиплексирования. Например, в дисплее из
Вакуумно-люминесцентный дисплей
279


Варианты
источники света, индикаторы или дисплеи >
несколько источников или панель > вакуумно-люминесцентный дисплей
четырех семисегментных цифр можно подклю-
чить параллельно все эквивалентные сегменты
четырех цифр, а для каждой из цифр исполь-
зовать отдельную сетку. Когда каждая сетка за-
ряжена положительно, она осуществляет выбор
соответствующей цифры, и тогда подается нуж-
ная для отображения этой цифры комбинация
включенных и выключенных сегментов. Эта
процедура выполняется поочередно для каждой
цифры, однако вследствие инерционности зри-
тельного восприятия возникает впечатление,
что все цифры светятся одновременно.
Варианты
Цвет
Несмотря на то, что VFD-модуль не в состоянии
обеспечить многоцветное представление, мож-
но покрыть отдельные сегменты анода, способ-
ные светиться одновременно, люминофорами
различных цветов (обычно используют два или
три различных цвета).
На рис. ЦВ-25.5 приведен увеличенный фраг-
мент дисплея CD-проигрывателя (со снятым
цветным фильтром), в котором цвет помогает
различать разнообразные функции.
Рис. ЦВ-25.5. Левая часть вакуумно-люминесцентного дис-
плея из CD-проигрывателя
Наборы символов и пиктограммы
Ранее в вакуумно-люминесцентных дисплеях
семисегментные цифры вместе с анодами ча-
сто монтировались в виде произвольных фигур.
Так, например, в индикаторах уровня усиления
аудиосигнала цифры отображались рядом с гра-
фическим представлением уровней, напоми-
нающим аналоговые устройства. Внешний вид
и расположение элементов на дисплеях такого
типа было уникальным для каждого конкретно-
го устройства.
В современных вакуумно-люминесцентных дис-
плеях применяются, в основном, точечные ма-
трицы, у которых хранящийся в прошивке на-
бор символов определяет, каким образом точки
будут сгруппированы, чтобы отобразить цифры,
буквы, символы или значки.
Внешний вид символов, формируемых при по-
мощи типовых сегментов и матриц из точек,
всесторонне рассмотрен и проиллюстрирован
в статье, посвященной ЖК-индикаторам (см.
статью 17). Алфавитно-цифровые VFD-модули
по внешнему виду идентичны жидкокристалли-
ческим дисплейным модулям, хотя внутренняя
схема у них различается.
Сравнение
Вакуумно-люминесцентные дисплеи имеют два
существенных преимущества: они хорошо функ-
ционируют при низких температурах (в отличие
от ЖК-дисплеев), а также обладают достаточной
яркостью и контрастностью для обеспечения
хорошей видимости при солнечном освещении
(в отличие от большинства светодиодных дис-
плеев). Кроме того, информация на них видна
практически под любым углом зрения.
Типичные варианты применения вакуумно-лю-
минесцентных дисплеев: цифровая индикация
в автомобилях, информационные дисплеи в по-
требительском аудио- и видеооборудовании,
а также индикаторные панели в кассовых аппа-
ратах, медицинских устройствах и некоторых
цифровых часах.
280
Статья 25


источники света, индикаторы или дисплеи >
несколько источников или панель > вакуумно-люминесцентный дисплей Что может пойти не так?
Тем не менее, поскольку вакуумно-люминес- Цто мОЖвТ ПОЙТИ Нв ТЭК?
центный дисплей требует для своей работы
сравнительно высокого напряжения, потребля-
ет существенную мощность, способен отобра- Выцветание
жать лишь ограниченный диапазон заданных
цветов и является более дорогим по сравнению Вакуумно-люминесцентные дисплеи постепен-
со светодиодными или с ЖК-дисплеями, попу- но выцветают с течением времени в результате
лярность таких дисплеев снизилась, начиная уменьшения электронной эмиссии от электро-
с 90-х годов прошлого века. Д°в или вследствие ухудшения характеристик
люминофорного покрытия. Увеличение рабо-
чего напряжения может продлить срок службы
таких дисплеев.
Вакуумно-люминесцентный дисплей 281


источники света, индикаторы или дисплеи >
несколько источников или панель > электролюминесцентные устройства
ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ
УСТРОЙСТВА
26
Сферу применения электролюминесценции (по англ. electrolumi-
nescence) иногда обозначают как EL Этим же сокращением может
обозначаться и отдельное электролюминесцентное устройство —
например, EL-панель.
Органический светодиод, более известный по аббревиатуре OLED
(Organic Light-Emitting Diode), включен в эту статью, поскольку с
технической точки зрения он является электролюминесцентным
устройством, а его устройство подобно конструкции электролюми-
несцентной панели. Обычные светодиоды также представляют собой
электролюминесцентные устройства, но обычно их так не называют,
и в этой энциклопедии им посвящены отдельные статьи: светоди-
одный индикатор, светодиод для освещения и светодиодный
дисплей.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• ЖК-индикатор (см. статью 17)
• люминесцентная лампа (см. статью 20)
• светодиодный индикатор (см. статью 22)
• вакуумно-люминесцентный дисплей (см. статью 25)
Описание
Электролюминесцентное устройство, сконстру-
ированное в виде панели, ленты или светового
шнура, содержит люминофоры, которые излуча-
ют свет при воздействии электрического тока.
Панели могут использоваться в качестве задней
подсветки для ЖК-дисплеев или, гораздо чаще,
как постоянно включенные устройства низкой
мощности, например, указатели выхода или де-
журное ночное освещение. Ленты и шнуры (по-
следние известны также под более правильным
названием световые провода) предназначены,
главным образом, для изготовления безделушек,
и могут получать питание от аккумулятора через
подходящий преобразователь напряжения. Так,
светящийся шнур с элементом питания можно
использовать в качестве детали одежды.
Электролюминесцентные панели на основе
тонкопленочных органических светодиодов при-
меняются в небольших видеоэкранах портатив-
ных устройств. На момент подготовки книги
уже проводились презентации 50-дюймовых
(127 см) телевизионных экранов на основе орга-
нических светодиодов, но они еще недостаточно
рентабельны для массового производства.
Для обозначения какого-либо электролюминес-
центного устройства или компонента нет специ-
ального символа.
Эпектролюминесцентные устройства
283


Устройство
источники света, индикаторы или дисплеи >
несколько источников или панель > электролюминесцентные устройства
Устройство
Люминесценция — это излучение света в резуль-
тате какого-либо процесса, не требующего на-
грева (в противоположность накаливанию, при
котором объект начинает излучать свет, будучи
сильно разогрет, — см. статью 18, содержащую
описание лампы накаливания).
Электролюминесценция представляет собой
частный случай люминесценции и возникает
в результате стимуляции электричеством тех
или иных объектов. Это определение очень об-
ширное, и оно охватывает такие устройства, как
светодиоды, хотя их вряд ли когда-либо обо-
значали подобным термином. Понятие электро-
люминесценции обычно применяют к панелям,
пленкам или проводам, в которых электроды ВЭРИЭНТЫ
находятся в прямом контакте с такими излуча-
телями света, как люминофоры.
Происхождение термина
Английское название люминофора - phosphor -
происходит от слова фосфоресценция («свече-
ние»), которое, в свою очередь, восходит к на-
званию химического элемента фосфор, светяще-
гося при окислении во влажном воздухе. Все эти
термины придуманы задолго до того, как были
обнаружены и объяснены другие формы люми-
несценции. Поведение люминофоров фактиче-
ски является примером хемилюминесценции.
Для наших целей люминофор — это вещество,
которое обладает возможностью люминесцен-
ции под действием напряжения, т. е. электролю-
минесценции.
Исключением является органический светодиод
(OLED), который часто определяют как элек-
тролюминесцентное устройство, возможно,
потому, что его конструкция — «сэндвич» из
тонких плоских слоев — напоминает электролю-
минесцентную панель. Два его слоя являются
полупроводниками, которые функционируют
как светодиод.
Люминофоры
Люминофор — это вещество (например, суль-
фид цинка), которое излучает свет, когда полу-
чает энергию от другого источника света или от
электрического тока. Как правило, это вещество
должно быть смешано с активатором — медью
или серебром.
В течение нескольких десятилетий в телевизо-
рах и видеотерминалах использовались элек-
тронно-лучевые трубки, в которых внутренняя
поверхность экрана покрывалась люминофо-
ром, а электронный луч переменной интенсив-
ности построчно формировал изображение на
этом экране.
Панели
Электролюминесцентные панели — популярный
вариант для тех случаев, когда приемлема посто-
янная однородная и неяркая засветка. В них ис-
пользуется порошковый люминофор, который
иногда называют плотным люминофором.
Между двумя составляющими основу панели
пленками, действующими как электроды и раз-
деленными слоем кристаллов люминофора,
устанавливается электрический потенциал. Не-
которые производители называют такую кон-
фигурацию светоизлучающим конденсатором,
поскольку она внешне напоминает конденсатор,
хотя и не предназначена для этой цели. Передняя
пленка прозрачная, через нее свет и выходит из
панели.
Электролюминесцентная панель может полу-
чать питание как переменного, так и постоянно-
го тока, но при этом напряжение должно быть
не менее 75 В. Потребление мощности само-
ограничивается, и поэтому не требуется никакой
дополнительной управляющей схемы, кроме
преобразователя напряжения, если источником
питания служит аккумулятор.
284
Статья 26


источники света, индикаторы или дисплеи >
несколько источников или панель > электролюминесцентные устройства
Варианты
Люминофоры в панели создают постоянное,
равномерно распределенное люминесцентное
освещение всей поверхности, хотя и не очень
интенсивное. Среди вариантов применения та-
ких панелей можно упомянуть лампы-ночники,
указатели выхода и заднюю подсветку в наруч-
ных часах. Так, электролюминесцентные источ-
ники света Panelescent, разработанные компани-
ей Sylvania, устанавливались в приборные щит-
ки некоторых моделей автомобилей, например,
Chrysler Saratoga (с 1960 по 1963 год) и Dodge
Charger (с 1966 по 1967 год). Люминесцентные
светильники по-прежнему используются и в
лампах-ночниках, а электролюминесцентные
дисплеи Indiglo до сих пор широко применяются
в наручных часах.
На рис. 26.1 показаны внутренние компоненты
разобранной электролюминесцентной лампы-
ночника, панель которой излучает естественное
бледно-зеленое свечение. Дополнительный си-
ний или зеленый фильтр пропускает это свече-
ние, одновременно задерживая другие оттенки
падающего света, которые в противном случае
отражались бы от панели.
Электролюминесцентные лампы-ночники были
популярны в 70-х и 80-х годах прошлого века.
На них часто изображали персонажей из мульт-
фильмов, чтобы сделать их привлекательными
для детей. Так, на рис. 26.2 и 26.3 показан один
и тот же светильник в выключенном состоянии
днем и во включенном состоянии ночью, соот-
ветственно.
Преимущества электролюминесцентных пане-
лей таковы:
• малое потребление тока — один из амери-
канских производителей заявляет, что оди-
ночный люминесцентный указатель выхода
в течение года потребляет электричество
менее чем на 20 центов, а годовая стоимость
освещения от лампы-ночника будет менее
3 центов;
Рис. 26.2. Декоративный ночник, выпускавшийся несколько
десятилетий назад под брендом Panelescent: вид при днев-
ном свете
Рис. 26.1. Два внутренних компонента электролюминесцент-
ной лампы-ночника: люминесцентная панель и отдельный
полупрозрачный светофильтр
Рис. 26.3. Тот же ночник, у которого в условиях слабого внеш-
него освещения заметно собственное зеленое излучение
Электролюминесцентные устройства
285


Варианты
источники света, индикаторы или дисплеи >
несколько источников или панель > электролюминесцентные устройства
• большой срок службы — до 50 тыс. часов;
• саморегулирование — нет необходимости
в управляющей схеме;
• световой поток излучается равномерно во
всех направлениях;
• очень широкий диапазон рабочих темпе-
ратур: приблизительно от -60 до +90 °С;
• возможность подключения напрямую в се-
тевую розетку.
Однако имеются и недостатки:
• ограниченная интенсивность света;
• малое количество оттенков цвета;
• невысокая светоотдача — от 2 до 6 лм/Вт
(хотя низкая светоотдача естественно под-
разумевает малое потребление мощности);
• постепенное ухудшение характеристик лю-
минофора с течением времени;
• необходимость подачи высокого напряже-
ния: от 60 до 600 В. Панели идеально под-
ходят для подключения к сетевой розетке, но
требуют преобразователя напряжения при
работе с устройствами, которые получают
питание от автономных источников.
Гибкие светящиеся ленты
Светоизлучающие слои внутри лампы-ночника
сами по себе могут изгибаться до некоторой
степени, и если уменьшить их толщину, то они
станут еще более гибкими. В результате мы по-
лучим электролюминесцентную ленту, которая
может пригодиться для изготовления безделу-
шек или для оформления автомобилей.
На рис. 26.4 изображена лента шириной около
4 см и длиной порядка 30 см, которая потребля-
ет 12 В постоянного тока, подаваемого через ин-
вертор.
Световой шнур
Световой шнур или провод может напоми-
нать светящуюся палочку. Однако светящаяся
Рис. 26.4. Электролюминесцентная лента длиной около
30 см
Рис. 26.5. Фрагмент светящегося светового шнура, известно-
го также как световой провод
286
Статья 26


источники света, индикаторы или дисплеи >
несколько источников или панель > электролюминесцентные устройства
Варианты
палочка излучает свет посредством хемилюми-
несценции (т. е. химических реакций, которые
высвобождают фотоны), а в световом шнуре ис-
пользуется электричество.
На рис. 26.5 показан световой шнур, который
питается от двух элементов АА, подключенных
через инвертор.
По оси светового шнура находится проводник,
который выступает в роли одного из электродов.
Он покрыт люминофором, причем люминофор-
ный слой защищен прозрачной оболочкой. Один
или несколько тонких проводников образуют в
этой оболочке спираль с большими интервала-
ми между соседними витками. Эти проводники
выполняют функцию второго электрода и за-
ключены в прозрачную изоляцию, играющую
роль внешней оболочки.
Когда на электроды подается переменный ток,
слой с люминофором излучает свет, который
проникает в промежутки между тонкими прово-
дниками. Оттенок света можно изменить, окра-
сив внешнюю оболочку.
Органический светодиод
Органический светодиод содержит два тон-
ких плоских электрода, чем-то напоминаю-
щих плотную электролюминесцентную панель,
только здесь слоев больше, и они способны ге-
нерировать больше света. Слои органического
светодиода потому и «органические», посколь-
ку состоят из молекул органических веществ,
включающих атомы углерода и водорода и, как
правило, не содержащих тяжелых металлов.
В то время как для ЖК-монитора или телеэкра-
на необходима отдельная задняя подсветка, ор-
ганический светодиод сам вырабатывает свет.
Это позволяет добиться толщины дисплея всего
в несколько миллиметров и потенциально дела-
ет его более эффективным.
Полупроводниковые слои разграничены на
пикселы, каждый из которых функционирует
как светодиод, а дополнительные слои содержат
матрицу из проводников, позволяющих обра-
щаться к пикселам. В варианте AMOLED (Active
Matrix Organic Light-Emitting Diode) эти прово-
дники образуют активную матрицу, а в варианте
PMOLED (Passive Matrix Organic Light-Emitting
Diode) — пассивную.
В активной матрице каждый пиксел снабжен
управляющим тонкопленочным транзистором
(TFT, thin-film transistor), который хранит со-
стояние пиксела при переключении питающе-
го напряжения. Такой вариант часто называют
TFT-дисплеем, впрочем, этот термин эквивален-
тен термину «активная матрица».
В пассивной матрице каждая пара проводников
просто подает ток на пиксел. Такой вариант де-
шевле и проще для производства, но он менее
быстро реагирует на изменения управляющего
тока.
В общем, смысл терминов «активная матрица»
и «пассивная матрица» тот же, что и имелся
в виду при описании ЖК-дисплея.
Монохромные модули с матричными символа-
ми на основе органических светодиодов можно
заказать из Китая всего за несколько долларов.
И хотя они внешне напоминают ЖК-модули,
они отображают четкие белые символы на чер-
ном фоне.
Миниатюрные полноцветные экраны на основе
органических светодиодов установлены в смарт-
фонах и в видоискателях цифровых видеокамер.
Для больших экранов эта технология, на момент
подготовки книги, еще не достигла полного раз-
вития, отчасти по причине высокой стоимости
производства. Испробовано огромное коли-
чество различных химических составов и кон-
фигураций слоев. Предпринимались попытки
нанесения пикселов на подложку при помощи
вакуумного осаждения через теневую маску, а
также с помощью системы, напоминающей ра-
боту струйного принтера. Использовались также
пикселы, которые способны излучать красный,
Электролюминесцентные устройства
287


Варианты
источники света, индикаторы или дисплеи >
несколько источников или панель > электролюминесцентные устройства
зеленый и синий свет. Применялись светофиль-
тры для пикселов. Какой-либо доминирующий
вариант производства пока еще не сформиро-
вался.
В число проблем OLED-экранов входят также
долговечность и яркость пикселов. Там, где ком-
бинируются красные, зеленые и синие светодио-
ды, наблюдалась разная скорость ухудшения их
характеристик. И хотя человеческое зрение мо-
жет смириться с общим ослаблением яркости,
но, например, небольшой цветовой сдвиг синих
пикселов, которые утрачивают яркость быстрее,
чем красные, сразу будет заметен.
Поскольку экраны на основе органических све-
тодиодов обещают быть тоньше, легче и ярче,
а также способны избавить от необходимости
в хрупкой стеклянной подложке, это является
сильным стимулом к развитию их технологии,
которая, вероятно, станет в будущем преобла-
дающей.
Панели на основе органических светодиодов мо-
гут также стать источниками диффузного бесте-
невого освещения комнат или офисов, если бу-
дут решены указанные проблемы и существенно
снизится стоимость этих изделий.
288
Статья 26


источники звука > зуммеры > звуковой преобразователь
ЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Термин преобразователь (от англ. transducer) используется здесь
для описания устройства, производящего звук, и приводимого в
действие внешней электронной схемой. В отличие от него, звуковой
извещатель (рассматриваемый в следующей статье) содержит соб-
ственную внутреннюю электронную систему, и ему требуется лишь
источник питания постоянного тока. Оба этих компонента часто на-
зывают биперами (beeper) или зуммерами (buzzer).
Динамик, который более правильно именовать громкоговорите-
лем, представляет собой электромагнитный преобразователь, но его
редко так называют. Ему посвящена в этой энциклопедии отдельная
статья, и он определяется в ней как устройство, воспроизводящее
звук, которое больше по размерам и по мощности, чем типичный
пьезопреобразователь, а также обладает более линейной частот-
ной характеристикой.
Несмотря на то, что пьезоэлектрические преобразователи ранее
выполнялись на основе кристаллов, здесь будет рассмотрен только
более современный тип пьезоэлектрического устройства с керами-
ческой пластиной.
Некоторые преобразователи превращают звук в электричество, но
такие устройства отнесены к категории датчиков и будут рассмотре-
ны в третьем томе энциклопедии. А здесь описаны только такие
преобразователи, которые воспроизводят звук при подаче электри-
ческого сигнала.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• звуковой извещатель (см. статью 28)
• наушники (см. статью 29)
• динамик (см. статью 30)
27
Звуковой преобразователь 289


Описание
источники звука > зуммеры > звуковой преобразователь
Описание
Устройство
Звуковой преобразователь представляет со-
бой устройство, способное генерировать зву-
ковой сигнал. Ему необходим переменный ток,
подаваемый внешней электронной схемой, и
простейший тип такого устройства называют
зуммером или бипером.
Звуковые сигналы необходимы в микроволно-
вых печах, стиральных и сушильных машинах,
автомобилях, бензонасосах, охранной сигнали-
зации, игрушках, телефонах и во многих других
потребительских товарах. Зачастую звуковой
сигнал сопровождает нажатие на сенсорную
кнопку или переключатель, подтверждая факт
срабатывания.
На рис. 27.1 показаны символы для условно-
го графического обозначения звукового сиг-
нализатора любого типа, включая звуковые
извещатели, которые содержат собственную
электронную схему для генерации простого
тона или серии звуков. Наиболее популярным
является символ, отмеченный буквой А. Рядом
с символами В и С часто помещают поясняющее
слово «зуммер». Символы D и Е на самом деле
обозначают динамик, но часто применяются и
для звукового извещателя. Символ F обознача-
ет кристалл, нр сейчас им иногда обозначают и
пьезоэлектрический источник звука. Символ G
соответствует исключительно электромагнит-
ному звуковому преобразователю, но употре-
бляется редко.
Устройство любого звукового преобразователя
несложно: круглая диафрагма диаметром от 12
до 40 мм, активируемая либо электромагнит-
ным, либо пьезоэлектрическим способом (как
описано далее), приклеена по краю внутри пла-
стикового цилиндрического корпуса. Этот кор-
пус закрыт снизу, а сверху открыт, чтобы звук
мог исходить от верхней стороны диафрагмы,
не испытывая частичного гашения за счет звука
с противоположной фазой, исходящего от ниж-
ней стороны диафрагмы. Корпус также усили-
вает звук, играя роль резонатора, подобно тому
как корпус гитары или скрипки усиливает звук,
создаваемый струнами.
Внешне подобный звуковой преобразователь
может быть неотличим от звукового извеща-
теля, например, изображенного на рис. 28.1.
Варианты
Электромагнитный
преобразователь
Диафрагма электромагнитного звукового пре-
образователя обычно изготовлена из пластика.
На ней установлен небольшой ферромагнитный
диск, который реагирует на изменяющееся поле,
создаваемое протекающим через обмотку пере-
менным током. Когда диафрагма вибрирует, она
создает звуковые волны, воспринимаемые ухом
человека как звук.
Примером электромагнитного преобразовате-
ля, обеспечивающего исключительно громкий
звук, является автомобильный рожок.
Рис. 27.1. Разнообразные варианты обозначения звукового
сигнализатора
Пьезоэлектрический
преобразователь
Диафрагма пьезоэлектрического звукового пре-
образователя представляет собой тонкий латун-
ный диск, на котором установлена керамическая
290
Статья 27


источники звука > зуммеры > звуковой преобразователь
Параметры
пластина. Приставка пьезо- происходит от гре-
ческого слова piezo, означающее «сжимать» или
«сдавливать», и когда между пьезоэлектриче-
ской пластиной и диском прикладывается пере-
менное напряжение, пластина заставляет диск
вибрировать с частотой сигнала.
Ультразвуковой преобразователь
Ультразвуковой преобразователь (рис. 27.2)
может быть электромагнитным, пьезоэлек-
трическим или на основе особого кристалла.
Диафрагма в нем вибрирует с частотой, которая
находится за пределами человеческого восприя-
тия. Внутренние компоненты ультразвукового
преобразователя показаны на рис. 27.3.
Зачастую ультразвуковой преобразователь ис-
пользуется в сочетании с приемником ультра-
звука как устройство для измерения расстояний,
и оба эти компонента могут поставляться уже
смонтированными на плате. Выходной сигнал от
такой платы может состоять из последователь-
ности импульсов, причем продолжительность
импульса пропорциональна расстоянию между
преобразователем и ближайшим объектом, ко-
торый отражает звук.
Погружные ультразвуковые преобразователи
предназначены для систем очистки, где они пе-
ремешивают жидкость, удаляя грязь или мусор
с очищаемых предметов. Ультразвуковые пре-
образователи применяются также для акустиче-
ского зондирования и в морской гидроакустиче-
ской аппаратуре.
Конструкция
Некоторые звуковые преобразователи выпуска-
ются в вариантах для поверхностного монтажа
и имеют размер около 12 мм и менее. Поскольку
резонансная частота связана с размером ком-
понента, преобразователи для поверхностного
монтажа обычно издают высокий звук.
Диапазон частот
Частота звука измеряется в герцах (сокра-
щенно — Гц). Эта единица измерения названа
в честь Генриха Рудольфа Герца (Heinrich Rudolf
Hertz) — ученого, который впервые доказал
Рис. 27.2. Внешний вид ультразвукового преобразователя
Рис. 27.3. Внутри ультразвукового преобразователя звуко-
излучателем является небольшой алюминиевый конус. Бе-
лые шарики — это клей, которым закреплены тонкие провод-
ники
Звуковой преобразователь
291


Параметры
источники звука > зуммеры > звуковой преобразователь
существование электромагнитных волн. Первая
буква в сокращении «Гц» всегда прописная,
поскольку является начальной буквой фами-
лии. Одну тысячу герц можно записать как
1 килогерц, что почти всегда сокращается до
1 кГц (обратите внимание, что буква «к» здесь
строчная).
Обычно считается, что человеческое ухо спо-
собно воспринимать звуки с частотой от 20 Гц
до 20 кГц, хотя способность слышать звук с ча-
стотой более 15 кГц является довольно редкой
и естественным образом снижается с возрастом.
Чувствительность ко всем частотам может быть
нарушена в результате длительного пребывания
в условиях сильного шума.
Наиболее распространенные частоты, применя-
емые в звуковых преобразователях, находятся
в диапазоне от 3 до 3,5 кГц.
Пьезоэлектрические элементы неэффективны
для генерации звука с частотой ниже 1 кГц, с та-
кой задачей лучше справляются электромагнит-
ные преобразователи. Их частотная характери-
стика может быть приблизительно равномерной
вплоть до частоты 100 Гц.
Давление звука
Давление звука может быть измерено в ньюто-
нах на квадратный метр. Ньютоны являются
единицами измерения силы, и тогда единицей
давления звука становится паскаль — для этой
величины часто используют сокращение Па.
Уровень звукового давления — это не то же самое,
что давление звука. Уровень звукового давле-
ния — величина логарифмическая (логарифм по
основанию 10), ее единицей измерения являются
децибелы (дБ), а вычисляется она относительно
опорного значения звукового давления, которое
составляет 20 микропаскалей (20 мкПа). Такое
значение принято в качестве порога слыши-
мости человеком, и оно сопоставимо с писком
комара на расстоянии трех метров, что соответ-
ствует уровню в 0 дБ.
Поскольку шкала в децибелах логарифмиче-
ская, линейное увеличение уровня звука в деци-
белах не соответствует линейному возрастанию
реального звукового давления:
• при возрастании уровня звукового давле-
ния на 6 дБ реальное давление звука удваи-
вается;
• при возрастании уровня звукового давления
на 20 дБ реальное давление звука возрастает
в 10 раз.
Учитывая, что уровень 0 дБ соответствует опор-
ному давлению звука в 20 мкПа, можно вычис-
лить, что уровень звукового давления в 20 дБ
представляет давление звука 200 мкПа (т. е.
0,0002 Па), и так далее.
Во множестве разных изданий приводятся ори-
ентировочные значения уровня звукового дав-
ления для различных источников звука. К со-
жалению, эти издания часто противоречат друг
другу или же не упоминают о том, на каком
расстоянии выполнены измерения. В табл. 27.1
приведены оценки, полученные путем усредне-
ния значений из восьми приемлемых изданий,
тем не менее эти данные все же следует рассма-
тривать как ориентировочные.
Таблица 27.7. Приблизительные значения уровня звукового
давления в децибелах для различных источников звука
(усреднено по данным из восьми изданий)
Децибелы
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Источник звука
Реактивный двигатель на расстоянии 50 м
Болевой порог
Громкий рок-концерт
Автомобильный рожок на расстоянии 1 м
Отбойный молоток на расстоянии 1 м
Винтовой самолет на высоте 300 м
Товарный поезд на расстоянии 15 м
Пылесос
Торговая контора
Разговор
Библиотека
Тихая спальня
Шелест листьев
Спокойное дыхание на расстоянии 1 м
Порог слышимости
292
Статья 27


источники звука > зуммеры > звуковой преобразователь
Параметры
Иногда утверждают, что увеличение громкости
звука на 10 дБ соответствует субъективному
ощущению «удвоения громкости». К сожале-
нию, это утверждение не поддается количе-
ственной оценке.
Взвешенные параметры звука
Субъективная оценка звука усложняется вслед-
ствие нелинейной частотной характеристики
человеческого слуха, которая приводит к тому,
что некоторые частоты кажутся «громче» дру-
гих, несмотря на то, что их звуковое давление
одинаково.
Частотное взвешивание, которое вносит слух,
можно определить, если воспроизвести сначала
опорный тон с частотой 1 кГц на уровне 20 дБ,
а затем — тон с другой частотой, после чего по-
просить испытуемого настроить уровень второ-
го тона таким образом, чтобы оба тона казались
одинаково громкими. Такая процедура выпол-
няется для ряда частот. Затем проверка повторя-
ется для более громкого опорного тона в 1 кГц, с
уровнем 30 дБ. Процесс продолжается вплоть до
окончательного опорного тона с уровнем 90 дБ.
В результате получаются кривые, которые назы-
вают кривыми равной громкости. Усредненный
на основе нескольких источников набор кри-
вых стал международным стандартом ISO с
номером 226:2003. Кривые, изображенные на
рис. 27.4, взяты из этого стандарта. Видно, что
звуковое давление нижних частот должно быть
существенно увеличено, чтобы они звучали так
же громко, как частота 1 кГц, а уровень звука с
частотой около 3 кГц следует слегка снизить, по-
скольку такая частота воспринимается громче,
чем остальные.
И хотя точность кривых равной громкости яв-
ляется спорной, они положены в основу ши-
роко распространенной системы взвешенного
определения значений в децибелах, которые
представляют субъективное ощущение громко-
сти. Система взвешивания по Шкале А остает-
ся самым известным и наиболее применяемым
I 70
S во
о 40
IX)
-•** / ./«"•'"'"Ч
- I с
г'о и вые
Л id О О
Рис. 27.4. Кривые равной громкости, взятые из стандарта
ISO 226:2003
звуковым стандартом в США, хотя ее и крити-
куют за то, что в ней присваивается слишком
малое значение звукам небольшой продолжи-
тельности. Если уровень звука выражен в дБА,
то это означает величину по шкале А, в которой
для тех звуков, к которым ухо менее чувстви-
тельно, присвоено значение меньше измеренно-
го. Таким образом, для звука с частотой 100 Гц
уровень в дБА будет на 20 дБ ниже, чем в невзве-
шенной шкале, поскольку человеческое ухо от-
носительно нечувствительно к звукам с низкой
частотой. Значения уровня звука в дБА приво-
дятся в регламентах, ограничивающих уровень
шума на рабочих местах и в других условиях.
Невзвешенные параметры звука
Если интенсивность звука указана в дБ (SPL), то
такое значение является действительным уров-
нем звукового давления, которое не скорректи-
ровано при помощи шкалы А. На графике с не-
скорректированными значениями низкие часто-
ты окажутся более интенсивными, чем способно
воспринимать ухо. С практической точки зре-
ния, субъективное восприятие низкочастотных
Звуковой преобразователь
293


Параметры
источники звука > зуммеры > звуковой преобразователь
звуков будет более затрудненным, чем показы-
вает график.
Если интенсивность указана просто в децибе-
лах, то, скорее всего, такое значение является
невзвешенным, и его следует рассматривать как
величину в дБ (SPL).
С практической точки зрения, если выбирать
тон звука для преобразователя, то звук с часто-
той 500 Гц может казаться относительно слабым
и субъективно негромким. Хорошим сигналом
для привлечения внимания может стать звук на
частоте 3,5 Гц, поскольку ухо наиболее чувстви-
тельно в этом диапазоне.
Звуковые преобразователи обычно обеспечива-
ют давление от 65 до 95 дБ (SPL), однако неко-
торые конкретные устройства могут быть более
громкими или более тихими.
Положение при измерении
Звуковое давление от сигнализирующего устрой-
ства будет естественным образом уменьшаться,
если отодвигать точку, в которой проводятся из-
мерения. Следовательно, величину в децибелах
следует приводить с указанием расстояния, на
котором она была измерена.
Это расстояние может выражаться в санти-
метрах или в дюймах и составляет от 10 см до
1 м, даже в характеристиках для различных
устройств одного производителя. Если это рас-
стояние удвоить, то уровень звукового давления
снижается приблизительно на 6 дБ.
всего 1,5 мА, издавая звук с уровнем 90 дБ (на
расстоянии 10 см). Подобно многим пьезо-
электрическим звуковым устройствам в его ча-
стотной характеристике есть пик около 3,5 кГц,
после которого кривая постепенно снижается,
колеблясь вверх и вниз. Такое устройство абсо-
лютно адекватно исполняет функцию «пищал-
ки», но оно не справится с воспроизведением
музыки.
Электромагнитный звуковой преобразователь
лучше воспроизводит низкие частоты по сравне-
нию с пьезоэлектрическим. Он обладает малым
импедансом и может подходить для некоторых
аудиоустройств. Однако он немного тяжелее,
чем сравнимый по размерам пьезоэлектриче-
ский преобразователь, потребляет большую
мощность и, поскольку работает на перемен-
ном токе и содержит обмотку, способен созда-
вать электромагнитные помехи или вызывать
колебания в цепи или в индуктивной нагрузке.
Компонент подвержен также действию внешних
магнитных помех, чего не наблюдается у пьезо-
электрического преобразователя.
И хотя электромагнитный преобразователь
можно использовать для воспроизведения ре-
ян
Ограничения
Пьезоэлектрический преобразователь не пред-
назначен для высококачественного воспроиз-
ведения звука и не обладает гладкой или пло-
ской частотной характеристикой, что нагляд-
но демонстрирует характеристика для модели
Mallory PT-2040PQ, приведенная на рис. 27.5.
Этот компонент имеет диаметр 19 мм, рассчитан
на питание от 5 В постоянного тока и потребляет
О w О
о о
Рис. 27.5. Частотная характеристика типичного миниатюрно-
го пьезоэлектрического преобразователя
294
Статья 27


источники звука > зуммеры > звуковой преобразователь
Использование
чи или музыки, с чем он будет справляться
лучше пьезоэлектрического преобразователя,
качество звучания окажется неудовлетвори-
тельным. Для такой цели больше подходит не-
большой динамик.
Напряжение
Звуковые преобразователи обычно рассчитаны
на работу при переменном напряжении от 5 до
24 В. Керамическая пластина в пьезоэлектри-
ческом преобразователе обычно неспособна
выдержать переменное напряжение выше 40 В,
да и звуковая отдача существенно не возрастает
при повышении напряжения более 30 В.
Ток
Типичные пьезоэлектрические преобразователи
потребляют ток менее 10 мА и выделяют прене-
брежимо мало тепла. Электромагнитный преоб-
разователь может потреблять ток до 60 мА.
Использование
Подходящая интенсивность звука
Звуковой преобразователь следует выбирать
в соответствии с окружающими условиями, в
которых он должен звучать. Чтобы его можно
было легко услышать, уровень звучания должен
хотя бы на 10 дБ превосходить уровень фоно-
вых звуков.
Управление громкостью
Давление звука можно уменьшить, понизив на-
пряжение. Поскольку ток пьезопреобразова-
теля невелик, в качестве регулятора громкости
подойдет подстроенный потенциометр. Как
вариант, можно применить поворотный пере-
ключатель с набором резисторов с фиксирован-
ными номиналами, чтобы выбирать заданные
значения громкости звука.
Питание переменного тока
Хотя звуковой преобразователь является
устройством переменного тока, он вряд ли бу-
дет предназначен для напряжения, которое ко-
леблется в положительную и в отрицательную
стороны относительно нейтрального значения.
Обычно он рассчитан на напряжение, которое
изменяется от нуля (заземление) до расчетно-
го положительного напряжения источника пи-
тания, а его выводы, провода или зажимы, как
правило, помечены соответствующим образом:
если он снабжен проводами, то красный провод
следует подключать к положительному полюсу
источника питания, а если он имеет выводы,
то более длинный вывод должен быть положи-
тельным.
Звуковой сигнал от пьезопреобразователя мож-
но получить, подключив его к любому простому
генератору или мультивибратору. При одинако-
вом пиковом напряжении сигнал прямоуголь-
ной формы будет создавать более громкий звук,
чем синусоидальный сигнал. Можно исполь-
зовать простую схему на основе таймера 555,
причем второй ждущий таймер должен, при не-
обходимости, ограничивать длительность зву-
ка. Автогенератор на микросхеме таймера 555
можно применить для проверки пьезопреобра-
зователя и выбора частоты звука, которая зву-
чит лучше всего.
Автоколебательный
пьезопреобразователь
Если преобразователь снабжен тремя или более
выводами, то он, вероятно, является автоколе-
бательным. В документации его выводы могут
быть обозначены как М, G и F, что означает
«Основной» (Main), «Заземление» (Ground) и
«Обратная связь» (Feedback). Вывод обратной
связи подключен к участку диафрагмы, который
вибрирует в противофазе с основным выводом,
так функционирует очень простая схема с внеш-
ним приводным устройством, наподобие при-
веденной на рис. 27.6, где частота определяется
резонансной частотой преобразователя.
Звуковой преобразователь
295


Что может пойти не так?
источники звука > зуммеры > звуковой преобразователь
Что может пойти не так?
Перенапряжение
Один из крупнейших производителей пьезо-
электрических звуковых сигнализаторов, ком-
пания Mallory Sonalerts, утверждает, что в «по-
давляющем большинстве» возвращенных изде-
лий выход из строя был вызван превышением
допустимого напряжения, зачастую в виде скач-
ка амплитуды.
Утечка
Если устройство издает негромкий звук в нера-
бочем состоянии, это означает, что через него
происходит утечка тока. Для возникновения
такой проблемы достаточно тока менее 1 мА.
Согласно рекомендациям одного из производи-
телей, с этим можно справиться, если подклю-
чить ограничитель переходного напряжения
(со стабилитроном на 30 В) последовательно
с устройством или же если подключить парал-
лельно небольшую лампу накаливания.
Обратите внимание, что при работе звукового
преобразователя на эту лампу будет подаваться
полное напряжение питания.
Проблемы при монтаже
компонента
Некоторые устройства поставляются с монтаж-
ными приспособлениями, но у большинства
их нет. Компоненты с выводами можно при-
паять к плате, а компоненты без выводов сле-
дует приклеить или вставить в углубление, из
которого им будет сложно выпасть при тряске.
Рекомендуется применять силиконовый клей,
но при этом следует соблюдать осторожность,
чтобы не капнуть им внутрь устройства.
Влажность
Если звуковой сигнализатор должен эксплуати-
роваться в таком помещении, где он будет под-
вержен воздействию влажности, то следует вы-
брать устройство, которое защищено от внеш-
ней среды. И даже герметизированный модуль
в идеале следует ориентировать так, чтобы его
лицевая сторона была слегка наклонена вниз.
Неверная идентификация
компонента
Внешне звуковой преобразователь и извеща-
тель часто выглядят одинаково, а на некоторых
из них производителем не указан серийный но-
мер. Можно повредить компонент, если подать
постоянный ток на преобразователь или пере-
менный ток — на извещатель. Если компоненты
обоих типов хранятся в качестве запасных, их
следует четко пометить.
Рис. 27.6. Схема включения автоколебательного пьезопре-
образователя
Подключение
к микроконтроллеру
Пьезоэлектрический преобразователь может
приводиться в действие микроконтроллером,
однако электромагнитный преобразователь
для этого не подходит, поскольку он потребляет
больший ток и ведет себя как индуктивная на-
грузка.
296
Статья 27


источники звука > зуммеры > звуковой извещатель
ЗВУКОВОЙ ИЗВЕЩАТЕЛЬ
28
Звуковой извещатель (по англ. audio indicator) определяется здесь
как генерирующее звук устройство, издающее простой тон или на-
бор тонов. В отличие от звукового преобразователя, которому для
задания частоты звука необходим внешний источник переменного
тока, извещатель содержит встроенную электронную схему, и ему
требуется лишь источник питания постоянного тока. Оба этих компо-
нента часто называют виперами (beeper) или зуммерами (buzzer).
Несмотря на то, что пьезоэлектрические звукоизлучатели ранее вы-
полнялись на основе кристаллов, здесь будет рассмотрен только бо-
лее современный тип пьезоэлектрического устройства с керамиче-
ской пластиной.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• звуковой преобразователь (см. статью 27)
• наушники (см. статью 29)
• динамик (см. статью 30)
Описание
Когда на звуковой извещатель (или сигнали-
затор) подается постоянный ток, то — в простей-
шем варианте — это устройство издает непре-
рывный или прерывистый тон с фиксированной
частотой. Этот тон называется звуковым сигна-
лом. Некоторые извещатели можно запрограм-
мировать на то, чтобы они издавали последова-
тельности из двух или из нескольких звуков.
Звуковые сигналы необходимы в микроволно-
вых печах, стиральных и сушильных машинах,
автомобилях, бензонасосах, охранной сигнали-
зации, игрушках, телефонах и во многих других
потребительских товарах. Зачастую служат для
подтверждения факта нажатия на сенсорную
кнопку или тактильный переключатель.
На рис. 27.1 в предыдущей статье приведены
различные условные обозначения, которые мо-
гут использоваться для представления звуково-
го сигнализатора или преобразователя.
Устройство
Устройство звукового извещателя неслож-
но: круглая диафрагма диаметром от 12 до
40 мм приклеена по краю внутри пластикового
Звуковой извещатель
297


Устройство
источники звука > зуммеры > звуковой извещатель
цилиндрического корпуса. Этот корпус закрыт
снизу, а сверху открыт, чтобы звук мог исходить
от верхней стороны диафрагмы, не испытывая
частичного гашения за счет звука с противопо-
ложной фазой, исходящего от нижней стороны
диафрагмы. Корпус содержит еще и электрон-
ную схему для генерации одного или нескольких
звуковых тонов, а также усиливает звук, играя
роль резонатора, подобно тому как корпус ги-
тары или скрипки усиливает звук, создаваемый
струнами.
Внешне звуковой извещатель может быть неот-
личим от другого звукового преобразователя,
однако по внутреннему устройству извещатель
практически всегда является пьезоэлектри-
ческим устройством, в котором керамическая
пластина установлена на тонкой латунной диа-
фрагме (приставка пьезо- происходит от грече-
ского слова piezo, означающего «сжимать» или
«сдавливать»).
На рис. 28.1 изображен пьезоэлектрический
звуковой сигнализатор PUI XL453: справа — в
полностью собранном виде, а слева — от него
оставлены только плата и диафрагма. Этот ком-
понент генерирует пульсирующий тон на частоте
3,5 кГц с давлением звука в 96 дБ. Он потребляет
около 6 мА постоянного тока при напряжении
12 В и имеет диаметр порядка 2,5 см.
Рис. 28.1. Типичный пьезоэлектрический звуковой сигнали-
затор
Более подробные сведения об измерении ча-
стоты звука и его давления можно найти в разд.
«Диапазон частот» и «Давление звука» статьи,
посвященной звуковым преобразователям.
Описанный в предыдущей статье звуковой пре-
образователь представляет собой пьезоэлек-
трическое или электромагнитное устройство,
которое, в отличие от извещателя, обычно не
встроенной электронной схемы, и должно при-
водиться в действие внешним источником пере-
менного тока, задающим частоту излучаемого
звука. Впрочем, различие между звуковыми из-
вещателями и преобразователями в каталогах
компонентов часто бывает нечетким — все сиг-
нализаторы могут быть в них отнесены к зумме-
рам, хотя они скорее пищат, чем жужжат.
Частота звука
Информацию о частоте звука можно найти в
разд. «Диапазон частот» предыдущей статьи,
посвященной звуковым преобразователям.
Историческая справка
Вероятно, самым ранним вариантом звукового
сигнализатора, приводимого в действие при по-
мощи электричества, был дверной звонок, в ко-
тором соленоид с питанием от элемента на 6 В
постоянного тока притягивал подпружиненный
рычаг, заканчивающийся небольшим молоточ-
ком. Молоточек ударял в колокольчик, но при
движении рычаг размыкал пару контактов, от-
ключая питание соленоида. Рычаг возвращался в
исходное положение, при котором контакты за-
мыкались, и цикл повторялся до тех пор, пока с
помощью внешней кнопки подавалось питание.
В более поздних системах дверных звонков ис-
пользовался небольшой громкоговоритель с пи-
танием от поданного через понижающий транс-
форматор переменного тока бытовой электросе-
ти. При этом возникал характерный жужжащий
звук, и может быть отсюда идет начало термина
«зуммер».
298
Статья 28


источники звука > зуммеры > звуковой извещатель
Варианты
Небольшие компоненты, издающие писк, стали
распространены только тогда, когда в цифро-
вом оборудовании потребовалось простое и
недорогое средство уведомления пользователя
или привлечения его внимания к состоянию
устройства.
Варианты
Звуковые сигналы
Поскольку звуковой извещатель содержит
встроенную электронную схему, производитель
обладает полной свободой при создании раз-
личных вариантов звуковых сигналов.
По умолчанию индикатор издает звук ровного
тона. Распространены также варианты, при ко-
торых издается прерывистый тон или звук двух
частот, попеременно и быстро переходящий с
одной частоты на другую (иногда такой вари-
ант называют сиреной). Существуют и немного-
численные модификации извещателей, способ-
ные издавать звуковые последовательности,
состоящие из нескольких тонов, а также трели,
использующиеся главным образом в охранной
сигнализации.
Конструкция
Некоторые звуковые извещатели выпускаются в
вариантах для поверхностного монтажа и имеют
размер 12 мм и менее. Поскольку резонансная
частота связана с размером компонента, сигна-
лизаторы для поверхностного монтажа обычно
издают высокий звук.
Варианты для монтажа на панели или на плате
могут иметь диаметр от 12 до 40 мм. Небольшой
звуковой сигнализатор, предназначенный
для установки на печатной плате, показан на
рис. 28.2, причем справа — без верхней крыш-
ки, чтобы была видна латунная диафрагма, при-
клеенная по краю. Этот же компонент, но с пол-
ностью снятым пластиковым корпусом, изобра-
жен на рис. 28.3.
Звуковые извещатели обычно создают звуковое
давление в пределах от 65 до 95 дБ (SPL), и лишь
некоторые из них могут быть более громкими
или более тихими. Для уровня в 120 дБ и выше
большинство устройств поставляются в качестве
готовых для установки сирен сигнализации, за-
частую снабженных небольшим рупором. Они
Рис. 28.2. Звуковой извещатель диаметром около 12 мм: спра-
ва он частично разобран, чтобы была видна диафрагма
Рис. 28.3. Тот же компонент, что и на рис. 28.2, но с полностью
снятым корпусом
Звуковой извещатель
299


Параметры
источники звука > зуммеры > звуковой извещатель
могут потреблять ток 200 мА и выше, а их стои-
мость во много раз выше стоимости простого
извещателя, предназначенного для монтажа на
печатной плате.
Объяснение понятия звукового давления и еди-
ниц его измерения приводится в разд. «Давление
звука» статьи, посвященной звуковым преоб-
разователям.
Естественно, интенсивность звука будет зависеть
от напряжения питания, но не настолько сильно,
как можно было бы предположить. График на
рис. 28.4 демонстрирует, что звук на выходе сиг-
нализатора, измеренный в децибелах, возрас-
тает всего на 8 дБ при увеличении напряжения
почти в пять раз. Конечно же, шкала в децибелах
не является линейной, но также нелинейным яв-
ляется и слуховое восприятие человека.
Напряжение
Звуковой извещатель, содержащий встроенную
электронную схему, практически всегда рассчи-
тан на постоянное напряжение питания в диапа-
зоне от 5 до 24 В. Сирены, предназначенные для
охранной сигнализации, часто рассчитаны на
напряжение от 12 до 24 В, поскольку эти значе-
ния характерны для охранных систем с питани-
ем от аккумуляторов. Тем не менее, в дополне-
ние к расчетному напряжению в документации
может быть указан широкий диапазон прием-
лемого рабочего напряжения. Так, например,
индикатор с номинальным напряжением в 12 В
постоянного тока может иметь рабочее напря-
жение от 3 до 24 В постоянного тока.
щ
: 86
""84
- 82
80
о
Звуковая отдача
пьезоэлектрического
индикатора Mallory SC628
(щитовой монтаж)
М' ^; ' СО Ф ' О '■ CN ' "* 'С0
Напряжение постоянного тока, В
Рис. 28.4. Зависимость звуковой отдачи от напряжения для
типичного пьезоэлектрического извещателя
Ток
Типичные пьезоэлектрические сигнализаторы
потребляют ток менее 10 мА (часто вплоть до
5 мА) и выделяют пренебрежимо мало тепла.
Частота
Наиболее распространенные частоты для из-
вещателей расположены в диапазоне от 3 до
3,5 кГц. Пьезоэлектрические элементы неэф-
фективны для создания звука с частотой менее
1кГц.
Продолжительность работы
Пьезоэлектрические сигнализаторы генерируют
очень мало тепла и способны обеспечить непре-
рывную работу.
Если сигнал должен обладать небольшой пуль-
сацией, то минимальная продолжительность
импульса составляет 50 мс. При более короткой
продолжительности импульса звук будет попро-
сту щелкающим.
Использование
Подходящая интенсивность звука
Извещатель следует выбирать в соответствии с
окружающими условиями, в которых он должен
звучать. Чтобы его можно было легко услышать,
уровень звучания должен хотя бы на 10 дБ пре-
восходить уровень фоновых звуков.
300
Статья 28


источники звука > зуммеры > звуковой извещатель
Что может пойти не так?
Управление громкостью
Давление звука можно уменьшить, понизив на-
пряжение. Поскольку потребляемый компонен-
том ток невелик, в качестве регулятора громко-
сти подойдет подстроенный потенциометр. Как
вариант, можно применить поворотный пере-
ключатель с набором резисторов с фиксирован-
ными номиналами, чтобы выбирать заданные
значения громкости звука.
Впрочем, как следует из рис. 28.4, во многих
извещателях изменение напряжения будет до-
вольно слабо отражаться на звуковой отдаче.
Электрическое подключение
Звуковому извещателю необходима подача по-
стоянного напряжения питания, и поскольку
в состав компонента обычно входят транзисто-
ры, важно соблюдать полярность. Если изве-
щатель снабжен выводами, то к положительной
клемме источника питания следует подключать
провод красного цвета. Если он имеет штырьки,
то более длинный из них должен быть поло-
жительным.
Что может пойти не так?
Потенциальные проблемы для звукового изве-
щателя те же, что и для звукового преобразо-
вателя (см. разд. «Что может пойти не так}»
предыдущей статьи).
Звуковой извещатель
301


источники звука > воспроизводящие устройства > наушники
НАУШНИКИ
29
Термином наушник (по англ. headphone) называется здесь практи-
чески любое устройство, которое крепится в ухе или на нем в це-
лях воспроизведения звука {слуховые аппараты в эту категорию не
включены). Поскольку наушниками, как правило, пользуются в паре,
термин обычно приводится во множественном числе.
Термин головной телефон служил ранее для обозначения воспроиз-
водящего устройства, предназначенного для вставки в ухо, но теперь
он малоупотребителен, — чаще встречается выражение наушники-
вкладыши.
Поскольку в этой энциклопедии основной акцент сделан на элек-
тронные компоненты, а не на потребительскую продукцию, здесь
приводится лишь поверхностный обзор наушников в сборе, а глав-
ное внимание уделено их внутреннему устройству, принципам рабо-
ты и общим вопросам воспроизведения звука.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• звуковой преобразователь (см. статью 27)
• динамик (см. статью 30)
Описание
Наушники преобразуют колебания электриче-
ского сигнала в акустические волны, которые
человеческое ухо воспринимает как звук. Эти
устройства могут использоваться для воспроиз-
ведения музыки в развлекательных целях или
речи в телекоммуникационных системах, а так-
же в радиовещании и при аудиозаписи.
На рис. 29.1 показаны два условных обозначе-
ния наушников: символ слева изображает оди-
ночный компонент или головной телефон (если
этот символ зеркально отражен относительно
Наушники
вертикальной оси, он может обозначать микро-
фон), символ справа известен уже несколько де-
сятилетий и его по-прежнему можно увидеть на
схемах.
Рис. 29.1. Условные обозначения для одиночного головного
телефона {слева) и для наушников {справа)
303


Устройство
источники звука > воспроизводящие устройства > наушники
Устройство
Основные сведения о звуке
Звук передается в виде волн сжатия и растяже-
ния, проходящих через среду, которой обычно
является воздух, но ею может быть также любой
газ, жидкость или твердое вещество. Скорость
распространения звука зависит от плотности и
от других параметров среды. Волоски, имею-
щиеся во внутреннем ухе (они называются рес-
ничками), вибрируют, реагируя на акустические
волны, и передают нервные импульсы в мозг,
который интерпретирует их как звук.
Распространение волны любого типа, включая
звуковую, описывают три величины: частоту
(обычно обозначается буквой Д скорость рас-
пространения (обозначается буквой v — от слова
velocity, скорость) и длину волны от пика до пика
(обозначается греческой буквой X «лямбда»).
Отношение между ними определяется весьма
простой формулой:
v = А х f
Скорость обычно измеряется в метрах в секун-
ду (м/с), длина волны — в метрах (м), а часто-
та—в герцах (Гц). Один период соответству-
ет одному герцу. Первая буква в сокращении
«Гц» — всегда прописная, поскольку она имеет
отношение к фамилии Генриха Рудольфа Герца
(Heinrich Rudolf Hertz) — ученого, который
впервые доказал существование электромаг-
нитных волн. Одну тысячу герц можно записать
как 1 килогерц, что почти всегда сокращается до
1 кГц (обратите внимание, что буква «к» здесь
строчная).
Обычно считается, что человеческое ухо спо-
собно воспринимать звуки с частотой от 20 Гц
до 20 кГц, хотя способность слышать звук с ча-
стотой более 15 кГц является довольно редкой
и естественным образом снижается с возрастом.
Чувствительность ко всем частотам может быть
нарушена в результате длительного пребывания
в условиях сильного шума.
Звуки, возникающие естественным образом,
могут быть преобразованы в колебания на-
пряжения при помощи микрофона (описа-
ние которого в качестве датчика можно найти
в третьем томе этой энциклопедии). Искусст-
венные звуки можно создать в виде колебаний
напряжения при помощи генераторов и других
электронных схем. В любом случае диапазон ко-
лебаний на выходе может быть заключен между
верхней границей, задаваемой положительным
напряжением источника питания, и нижней гра-
ницей, определяемой электрическим заземле-
нием (потенциал которого принимается равным
нулю). Как вариант, диапазон колебаний можно
задать также положительным напряжением ис-
точника питания и равным ему по абсолютной
величине отрицательным напряжением источ-
ника питания — при этом значение 0 В будет
расположено ровно посередине. Этот вариант
может оказаться менее удобным с точки зрения
электротехники, но он является более прямым
представлением звука, поскольку звуковые вол-
ны колеблются относительно уровня давления
окружающего воздуха, который можно рассма-
тривать как аналог заземленного состояния.
Понятие о положительных и отрицательных зву-
ковых волнах проиллюстрировано на рис. 29.2
(который изначально был приведен в книге
Make: More Electronics1). Вопросы усиления зву-
ка детально рассмотрены в статье, посвященной
операционным усилителям.
Наушники осуществляют операцию, обратную
функции микрофона, т. к. преобразуют элект-
рический ток в звуковые волны. Это выполня-
ется либо электромагнитным способом (пере-
мещением диафрагмы, реагирующей на движе-
ние электромагнита), либо электростатическим
1 На русском языке книга Ч. Платта «Make: More Elec-
tronics» вышла в издательстве «БХВ-Петербург» под
названием «Электроника: логические микросхемы,
усилители и датчики для начинающих» (http://www.
bhv.ru/books/book.php?id=193257). - Ред.
304
Статья 29


источники звука > воспроизводящие устройства > наушники
Варианты
(перемещением мембраны в ответ на электро-
статическую силу, возникающую между двумя
заряженными электродами).
Варианты
Движущаяся обмотка
В самом популярном типе наушников исполь-
зуется обмотка, прикрепленная к диафрагме
(рис. 29.3). Такой тип устройства называется
наушниками с подвижной обмоткой, поскольку
обмотка в нем перемещается вместе с диафраг-
мой. Можно также сказать, что это устройство
обладает динамическим возбудителем или дина-
мическим преобразователем, где слово «динами-
ческий» относится к перемещению обмотки.
Катушка в наушниках с подвижной обмоткой
скользит внутри глубокого кольцевого углубле-
ния в магните, прикрепленном к пластиковой
раме наушников. Сама диафрагма удерживается
по краю при помощи гибкого обода. Колебания
тока, протекающего через обмотку, создают из-
меняющееся магнитное поле, взаимодействую-
щее с полем неподвижного магнита, в результа-
те чего перемещение диафрагмы соответствует
изменению интенсивности магнитного поля,
и наушник излучает звуковые волны, пропор-
циональные току в обмотке. Очень похожая
конфигурация используется во многих динами-
ках. В отдельных их модификациях могут быть
предприняты попытки увеличить эффектив-
ность, снизить стоимость производства или же
улучшить качество звучания, но принцип оста-
ется тем же.
На рис. 29.4 показан внутренний элемент на-
ушников — можно увидеть пластиковую диа-
фрагму диаметром чуть менее 50 мм, под ней
скрыты магнит и обмотка.
Элемент, приведенный на рис. 29.4, обычно за-
ключен в корпус, подобный изображенному на
рис. 29.5, — он снабжен мягким ободом с обив-
кой, прижимаемым вплотную к уху.
относительно
Рис. 29.2. Использование понятий положительного и отрица-
тельного напряжения для представления волны повышенно-
го давления звука, за которой следует впадина пониженного
давления
Рис. 29.3. Основные элементы наушников с подвижной
обмоткой
Наушники
305


Варианты
источники звука > воспроизводящие устройства > наушники
Рис. 29.4. Элемент, воспроизводящий звук, вынут из науш-
ников
Рис. 29.5. Обычно элемент, воспроизводящий звук, размеща-
ется в подобном корпусе
Для достижения более сбалансированной ча-
стотной характеристики некоторые конструк-
ции содержат по два звукоизлучающих элемента
с подвижными обмотками, оптимизированными
для верхних и нижних частот соответственно.
В наушниках-вкладышах, которые будут рассмо-
трены далее, часто используется миниатюрный
вариант конструкции с подвижной обмоткой.
Другие типы
В электростатических наушниках колеблется
тонкая плоская диафрагма, подвешенная между
двумя сетками, действующими как электроды.
Изменяющийся потенциал между сетками в со-
четании с обратным по фазе напряжением на
диафрагме и создает вибрацию диафрагмы, ко-
торая генерирует звуковые волны. Для достиже-
ния этого необходимо довольно высокое напря-
жение — в диапазоне от 100 до 1000 В, которое
через модуль преобразователя напряжения при-
кладывается между наушниками и усилителем.
Электростатические наушники отличаются низ-
кими искажениями и превосходной частотной
характеристикой на верхних частотах, что уве-
личивает их стоимость.
Электретные наушники работают по сходному
принципу, за исключением того, что мембрана в
них заряжена постоянно, и высокое напряжение
не требуется. Электретные наушники обычно
имеют небольшие размеры, недороги и не обла-
дают высоким качеством звука.
Конструкция со сбалансированным механизмом
(часто употребляется сокращение ВА - balanced
armature) содержит балансирующий магнит -
утверждается, что это увеличивает эффектив-
ность и снижает нагрузку на диафрагму. Такое
устройство может быть исключительно ком-
пактным и способно поместиться в закры-
том металлическом корпусе размерами менее
10x10x5 мм. Этот тип конструкции широко
применяется в наушниках-вкладышах, рассмо-
тренных в следующем разделе.
Механическая конструкция
Наушники, окружающие ушную раковину, осна-
щены большой мягкой обивкой, которая окружа-
ет ухо и задерживает внешние шумы. Вследствие
своего размера такие наушники обычно доста-
точно тяжелые, и для них необходимо хорошо
сконструированное оголовье, способное обе-
спечить удобное положение.
306
Статья 29


источники звука > воспроизводящие устройства > наушники
Варианты
Наушники, располагающиеся возле ушной ра-
ковины, меньше по размерам и легче, они при-
легают к уху, а не окружают его. Однако такие
наушники не способны исключить внешние
шумы, а также могут обладать сниженной пере-
дачей басов по сравнению с наушниками, окру-
жающими ухо.
Наушникам с открытой задней стенкой, кото-
рые известны также как акустически прозрач-
ные, отдают предпочтение некоторые аудиофи-
лы, поскольку считается, что снабженные от-
верстиями внешние поверхности обеспечивают
более натуральное звучание, подобное звуча-
нию динамика. Естественно, такие наушники
пропускают внешние шумы, а также позволяют
услышать воспроизводимый звук другим лю-
дям, находящимся в помещении.
Наушники с закрытой задней стенкой удержи-
вают звук «в себе» и обеспечивают лучшую изо-
ляцию от внешних шумов.
Наушники-вкладыши (рис. 29.6) располагаются
внутри ушной раковины и, подобно паре ма-
леньких динамиков, направлены внутрь уха.
Однако они очень легко из него выпадают и
плохо защищают от окружающих шумов. Тем
не менее, такие наушники приобрели широкую
популярность после выпуска компанией Apple
проигрывателя iPod.
Внутриушные наушники (рис. 29.7) предназна-
чены для вставки в слуховой проход — они часто
снабжены мягкой оболочкой, которая, подобно
берушам, повторяет форму уха. Эта оболочка
устраняет большую часть посторонних шумов,
а за счет минимизации воздушного зазора меж-
ду звукоизлучателем наушников и барабанной
перепонкой достигается высокое качество вос-
произведения звука. Оболочка внутриушных
наушников по мере эксплуатации подлежит
замене из гигиенических соображений, а так-
же потому, что в процессе эксплуатации теряет
часть своей пластичности. В англоязычных ис-
точниках внутриушные наушники называют
также in-ear monitors, IEMs, ear canal headphones,
earphones и canalphones.
Гарнитура состоит из одного или из двух на-
ушников, снабженных миниатюрным микрофо-
ном, который располагается вблизи рта пользо-
вателя.
Наушники с подавлением шума, которые стали
известными благодаря компании Bose, улав-
ливают внешние шумы с помощью встроен-
ного микрофона и создают на их основе звук в
Рис. 29.6. Наушники-вкладыши: с одного из них снята наклад-
ка, чтобы показать элемент, воспроизводящий звук, он очень
похож на диафрагму полноразмерных наушников
Рис. 29.7. Внутриушные наушники снабжены съемными губ-
чатыми накладками, которые подстраиваются под форму
слухового прохода: на компоненте слева эта накладка снята,
и можно увидеть прямоугольный серебристый преобразова-
тель, создающий звуковые волны
Наушники
307


Параметры
Рис. 29.8. Старинный головной телефон, подходящий для
работы в детекторном радиоприемнике
противофазе, обеспечивающий частичное глу-
шение шума. Они чрезвычайно эффективны в
реактивных самолетах, полет в которых сопро-
вождается постоянным внешним шумом.
И хотя головной телефон (рис. 29.8) уже почти
вышел из употребления, его еще можно приоб-
рести у поставщиков компонентов. Он обладает
высоким импедансом, и это делает его пригод-
ным для работы в детекторном радиоприем-
нике.
источники звука > воспроизводящие устройства > наушники
Частотная характеристика
График зависимости давления звука от частоты
представляет собой частотную характеристику
наушников. Достоверное измерение звукового
давления — весьма сложная задача, поскольку
слуховой канал «окрашивает» звук, а также вос-
принимает некоторые частоты как более «силь-
ные», а некоторые — как более «слабые». В иде-
але измерения следует выполнять на барабан-
ной перепонке, но это неосуществимо, поэтому
качество звучания наушников высокого класса
оценивают внутри искусственного слухового ка-
нала в макете головы человека.
Кривые на рис. 29.9 иллюстрируют различия
в частотных характеристиках высококачест-
венного аудиоустройства, стоимостью 500$,
Параметры
Звуковое давление
Давление звука измеряется в децибелах. Более
подробные сведения об измерении звуково-
го давления, а также объяснение и рассмотре-
ние взвешенных и невзвешенных парамет-
ров звукового давления можно найти в разд.
«Параметры» статьи, посвященной звуковым
преобразователям.
308
Рис. 29.9. Сравнение частотных характеристик электромаг-
нитного преобразователя за 1 доллар, предназначенного для
звуковой сигнализации, и наушников стоимостью 500 долла-
ров, предназначенных для высококачественного воспроизве-
дения звука (верхний график взят из онлайн-обзора на сайте
headroom.com, нижний — позаимствован из спецификации
производителя)
Статья 29


источники звука > воспроизводящие устройства > наушники
Что может пойти не так?
и звукового преобразователя, который можно
в качестве компонента приобрести менее чем
за доллар.
Наушники фирмы Sennheiser обладают ровной
характеристикой, которая повышается на ниж-
них частотах, компенсируя недостаточное вос-
произведение басов, что всегда является про-
блемой для наушников, а также сравнительно
низкую чувствительность человеческого уха к
нижним частотам. Колебания в верхней части
диапазона находятся в пределах 5 дБ.
В сравнении с наушниками Sennheiser, преоб-
разователь Kobitone выделяет диапазон от 3 до
4 кГц, поскольку его основная задача — быть
услышанным, а человеческое ухо наиболее вос-
приимчиво именно к этим частотам. На нижних
частотах его характеристика сходит на нет (хотя
она все-таки намного лучше характеристики
пьезоэлектрического преобразователя, у кото-
рого на нижних частотах характеристика сни-
жается на 40-50 дБ). Однако звуковая отдача
преобразователя Kobitone на нижних частотах
действительно впечатляет, если учесть, что этот
компонент имеет диаметр всего 9 мм. Он потре-
бляет ток 60 мА при переменном напряжении
5 В.
Некоторые производители предпочитаютне при-
водить частотные характеристики своего обо-
рудования для воспроизведения звука. Вместо
этого они иногда заявляют, например, что ча-
стотная характеристика охватывает диапазон
от 100 Гц до 20 кГц. Такое утверждение ничего
не значит, если не сопровождается диапазоном
уровней звукового давления. Если частотная ха-
рактеристика является равномерной в пределах,
скажем, 5 дБ, это можно считать приемлемым.
Если же этот диапазон составляет 20 дБ, то это
никуда не годится. Способность воспроизводить
звук с высокой или с низкой частотой не прине-
сет пользы, если такой звук будет слишком слаб,
чтобы его услышать.
Искажения
Суммарный коэффициент гармонических искаже-
ний (КГИ) любого аудиоустройства определяет
его склонность к добавлению побочных гармо-
ник к отдельной частоте. Если потребовать от
наушников воспроизвести чисто синусоидаль-
ный сигнал на частоте 1 кГц, то они будут так-
же создавать артефакт в виде дополнительного
тона на частоте 3 кГц. Это может быть вызвано
механическими причинами, проявляющими-
ся при вибрации диафрагмы. Человеческое ухо
слышит искажения как размытый или скреже-
щущий звук. Теоретически в сигнале прямо-
угольной формы содержатся все гармоники, ча-
стота которых в нечетное число раз превосходит
основную, при этом звук искажен очень сильно.
Аудиоустройства хорошего качества должны об-
ладать значением КГИ менее 1%.
Импеданс
Электрический импеданс наушников следует
принимать во внимание, поскольку он должен
соответствовать выходным характеристикам
усилителя, к которому подключены наушники.
Что может пойти не так?
Перегрузка
Наушники можно вывести из строя, если под-
вергнуть их перегрузке. Поскольку для переноса
энергии при воспроизведении нижних частот
необходимо большее перемещение диафрагмы,
чем при воспроизведении верхних, наушники
особенно подвержены повреждению, если вос-
производить басы на высокой громкости.
Нарушение слуха
Слух человека можно повредить в результате
длительного использования наушников с по-
Наушники
309


Что может пойти не так?
источники звука > воспроизводящие устройства > наушники
вышенной громкостью. Впрочем, остаются раз-
ногласия по поводу того, какой уровень звуко-
вого давления считать приемлемым.
Неправильный импеданс
Если импеданс наушников не соответствует па-
раметрам выходного усилителя, от которого они
работают, то в результате могут возникнуть ис-
кажения или отклонения от частотной характе-
ристики. Это называется рассогласованием им-
педанса.
Неправильное электрическое
подключение
В большинстве потребительской продукции
у наушников используется общее заземление.
В типичном трехконтактном аудиоразъеме все
подключения стандартизированы, а отремонти-
рованные компоненты или переходники следу-
ет внимательно проверять, — неправильное их
подключение может привести к непредсказуе-
мым результатам.
310
Статья 29


источники звука > воспроизводящие устройства > динамик
ДИНАМИК
Английское название динамика {speaker) является сокращением от
loudspeaker (громкоговоритель). В настоящее время такой вариант
встречается настолько редко, что в некоторых каталогах даже не
упоминается. В этой энциклопедии используется современный тер-
мин динамик, а не громкоговоритель.
Динамиком может называться и полностью собранный потребитель-
ский продукт, включающий в свой состав один или несколько отдель-
ных компонентов, которые также называются динамиками\ Чтобы
избежать двусмысленности, можно было бы называть такие компо-
ненты звукоизлучателями, однако на практике это может привести к
еще большей путанице, поскольку компоненты других звукоизлуча-
ющих типов (звуковые преобразователи и звуковые извещатели)
также могут быть отнесены к этой категории. Так что, единственной
подсказкой к значению слова динамик является контекст, в котором
оно употребляется.
В этой статье динамиком называется устройство для воспроизведе-
ния звука, которое отличается от типичного электромагнитного пре-
образователя тем, что оно больше по размерам и мощности, а также
обладает более линейной частотной характеристикой. В отличие от
динамика, звуковые преобразователи можно рассматривать лишь
как устройства для создания звука, подающие звуковой сигнал, ин-
формирующий пользователя о состоянии какого-либо компонента
оборудования. Поскольку некоторые динамики имеют миниатюрные
размеры для установки в портативные устройства, такие динамики
могут быть заменой преобразователям, что приводит к частичному
совпадению двух категорий компонентов.
Поскольку в этой энциклопедии основной акцент сделан на элек-
тронные компоненты, а не на потребительскую продукцию, здесь
приводится лишь поверхностный обзор динамиков в сборе, а глав-
ное внимание уделено их внутреннему устройству, принципам рабо-
ты и общим вопросам воспроизведения звука.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• звуковой преобразователь (см. статью 27)
• наушники (см. статью 29)
30
1 У нас в обиходе такие продукты иногда называются колонками. — Ред.
Динамик 311


Описание
источники звука > воспроизводящие устройства > динамик
Описание
Динамик преобразует колебания электрическо-
го сигнала в волны сжатия и разрежения воз-
духа, которые человеческое ухо воспринимает
как звук. Этот компонент может использоваться
в развлекательных целях, а также для передачи
информации: произносимых слов или характер-
ных звуков (как в случае с миниатюрным дина-
миком в мобильном телефоне, который воспро-
изводит звук звонка).
Международное условное обозначение динами-
ка приведено на рис. 30.1.
Рис. 30.2. Слева — динамик диаметром 50 мм; справа — из
динамика удален диффузор, чтобы показать магнит с кольце-
вой канавкой. Здесь же показана вырезанная из диффузора
горловина, которая обычно скользит внутри канавки
Рис. 30.1. Для обозначения динамика существует всего один
символ
Устройство
Обзор основных понятий и терминологии,
относящихся к звуку и его воспроизведению,
приведен в разд. «Основные сведения о звуке»
предыдущей статьи.
Конструкция
Динамик содержит диафрагму или диффузор
с прикрепленной к ним обмоткой. Колебания
тока, протекающего через обмотку, создают ме-
няющееся магнитное поле, взаимодействующее
с полем неподвижного магнита, в результате
чего диафрагма перемещается соответственно
изменениям величины магнитного поля, и ди-
намик излучает звуковые волны, пропорцио-
нальные току в обмотке. Принципиально такая
конструкция напоминает наушники, показан-
ные на рис. 29.3. Главное отличие динамиков
от наушников состоит в том, что в динамике
диаметром 50 мм и более вместо диафрагмы
Рис. 30.3. Задняя сторона динамика с диффузором диаметром
около 10 см: его магнит выглядит как большой круглый диск,
расположенный на самом верху. Мощность этого компонента
равна 4 Вт, а импеданс составляет 8 Ом
используется диффузор, — его коническая фор-
ма является более жесткой и создает более на-
правленное звучание.
В прошлом диффузоры динамиков изготав-
ливали из плотной волокнистой бумаги. Со-
временные диффузоры чаще всего пластиковые,
в особенности если они небольшие.
На рис. 30.2 изображен динамик диаметром
50 мм мощностью 0,25 Вт, снабженный обмоткой
312
Статья 30


источники звука > воспроизводящие устройства > динамик
Устройство
Рис. 30.4. Динамик диаметром менее 10 мм, предназначен-
ный для поверхностного монтажа: вид спереди
Рис. 30.5. Вид сзади на динамик, показанный на рис. 30.4
с импедансом 63 Ом: слева — в собранном виде,
а справа — с удаленным из него диффузором.
Вырезанная горловина диффузора, которая
обычно располагается внутри кольцевой канав-
ки магнита, показана здесь с намотанной на нее
катушкой индуктивности.
Вид сзади на динамик с диффузором диаметром
10 см показан на рис. 30.3.
Миниатюрный динамик для поверхностного
монтажа (выпускается для компании Motorola)
изображен спереди (рис. 30.4) и сзади (рис. 30.5):
его диаметр всего 10 мм, а мощность равна
50 мВт.
Динамик, предназначенный для мобильного
телефона, показан на рис. 30.6 — обратите вни-
мание на близкое сходство его конструкции со
звукоизлучателем, используемым в наушниках-
вкладышах (см. рис. 29.6 в предыдущей статье).
Динамик
Рис. ЗО.б. Миниатюрный динамик диаметром чуть менее
12 мм и толщиной всего 3,3 мм, предназначенный для мо-
бильных телефонов: его импеданс составляет 150 Ом
313


Устройство
источники звука > воспроизводящие устройства > динамик
Улучшение воспроизведения
высоких и низких частот
Вообще говоря, диффузор динамика большо-
го диаметра при перемещении значительного
объема воздуха, связанного с воспроизведением
басов, более эффективен, чем маленький диф-
фузор. В то же время, инерция большого диф-
фузора ухудшает его способность вибрировать
с высокой частотой.
Чтобы справиться с этой проблемой, в один
корпус часто помещают большой динамик вме-
сте с маленьким, а разделительный фильтр, со-
стоящий из катушек индуктивности и конден-
саторов, предотвращает поступление нижних
частот в маленький динамик и верхних частот —
в большой (рис. 30.7). Учитывая, что на выходе
аудиоусилителя присутствует переменный ток,
в разделительных фильтрах нельзя использо-
вать поляризованные конденсаторы (распро-
странены конденсаторы из полиэстера).
Поскольку разделительный фильтр должен
быть «настроен» на соответствие характери-
стикам динамиков, а также, чтобы объеди-
ненное давление звука от динамиков было
Рис. 30.7. Упрощенная схема, иллюстрирующая принцип
действия разделительного фильтра
равномерным в широком диапазоне частот,
реальный фильтр обычно содержит дополни-
тельные компоненты.
Маленький динамик в такой паре называется
твитером, или ВЧ-динамиком, а большой — ву-
фером, или НЧ-динамиком. И хотя эти названия
представляют собой причудливые неологизмы,
в обиходе они стали утвердившимися.
Внутри корпуса можно различными способами
разместить и более двух динамиков.
Отверстия в корпусе
Динамик излучает звуковые волны с задней сто-
роны так же, как и с передней, а поскольку эти
волны находятся в противофазе, они стремятся
погасить друг друга.
В миниатюрном динамике с этой проблемой
можно справиться, если наглухо закрыть часть
его корпуса, расположенную сзади. Для компо-
нентов большего размера более эффективную
конструкцию можно обеспечить с помощью от-
верстия на лицевой стороне, играющего роль
фазоинвертора: звуковые волны от задней части
динамика проходят внутри корпуса расстояние,
которого достаточно для того, чтобы при вы-
ходе из корпуса они оказались приблизительно
в фазе с нижними частотами, исходящими от
фронтальной стороны динамика, хотя при этом
волна, идущая сзади, будет иметь задержку по
сравнению с фронтальной на величину одной
длины волны.
Такая конструкция называется корпусом с отра-
жателем басов — она была практически универ-
сальной для компонентов высокого класса, пока
в 60-е годы прошлого века не появились ис-
ключительно мощные усилители. С того време-
ни компания Acoustic Research, расположенная
в штате Массачусетс, стала поставлять на рынок
серию устройств, у которых корпус динамика
был полностью закрыт, объясняя это тем, что
если усилитель способен обеспечить мощность
в 100 Вт на каждый из каналов, то какими-либо
314
Статья 30


источники звука > воспроизводящие устройства > динамик
Варианты
ухищрениями по повышению эффективности
можно уже и не заниматься, к тому же закрытый
корпус свободен от компромиссов, заложенных
в конструкцию с отражателем басов.
Компания Acoustic Research назвала свою кон-
цепцию «воздушной подвеской», т. к. воздушная
подушка в наглухо закрытом корпусе помогает
защитить динамик, ограничивая размах колеба-
ний его звукоизлучателя. Такую конфигурацию
теперь часто называют закрытым динамиком.
Некоторые аудиофилы уверяют, что корпуса с
закрытым динамиком изначально превосходят
корпуса с отражателем басов, — отчасти потому,
что у фазоинвертора присутствует задержка по
времени на одну длину волны. Тем не менее, как
и во многих аспектах воспроизведения звука,
эти утверждения недостаточно убедительны.
Резонанс
Корпус динамика всегда обладает доминирую-
щей резонансной частотой, и она должна быть
ниже, чем самая низкая частота, которую спо-
собен воспроизводить динамик, — в противном
случае резонанс будет выделять некоторые ча-
стоты по сравнению с остальными, что приведет
к появлению нежелательных пиков в частотной
характеристике.
Одна из причин, по которой высококачествен-
ные динамики обычно довольно тяжелые, за-
ключается в уменьшении их резонансной часто-
ты. Так, например, в современном блоке с ди-
намиками Thiel лицевая панель изготовлена из
ДСП толщиной 5 см. Соответственно, тяжелые
корпуса дорого перевозить и неудобно переме-
щать в домашних условиях.
Чтобы справиться с этой проблемой, ВЧ- и НЧ-
динамики решили устанавливать в отдельных
модулях: корпус для ВЧ-динамика может быть
очень маленьким и легким, его удобно поме-
стить на полке, а тяжелый корпус НЧ-динамика
можно оставить на полу. Человеческое ухо с
трудом определяет местоположение источника
звука с низкой частотой, и НЧ-динамик можно
разместить в комнате практически где угодно.
При этом его единственный динамик может об-
служивать оба стереоканала.
Эта конфигурация стала принятой по умолча-
нию для компьютерных динамиков. Она также
используется в системах домашних кинотеатров,
где НЧ-динамик превратился теперь в сабвуфер,
воспроизводящий самые низкие частоты.
Миниатюрные динамики
Если печатная плата некоторого электронно-
го устройства находится в одном корпусе с не-
большим динамиком, то размер этого корпуса и
материал, из которого он изготовлен, будут су-
щественно влиять на качество звучания. Корпус,
сделанный из тонкой твердой древесины, если
динамик предназначен только для простых
электронных звуков, станет вносить приятно
звучащий резонанс. В отличие от него, метал-
лический корпус может звучать как «жестянка».
Корпус, выполненный из пластика (например,
АБС-типа), будет сравнительно нейтрален, при
условии, что его стенки имеют достаточную тол-
щину (желательно около 5 мм).
Варианты
Электростатический динамик
Принцип работы электростатического динами-
ка тот же, что и у электростатических наушни-
ков: заряженная мембрана находится между
двумя сетками, играющими роль электродов,
с обеих сторон от нее. Поскольку мембрана эта
очень легкая, она откликается с довольно ма-
лой задержкой, а за счет большой площади ее
поверхности возникает рассеянное звучание,
которое многие аудиофилы находят приятным.
Однако для работы электростатических дина-
миков необходимо высокое напряжение, и они
недешевы.
Динамик
315


Параметры
источники звука > воспроизводящие устройства > динамик
Динамики с усилителем
Блок с динамиком, содержащий встроенный
электронный усилитель, называют динамиком
с усилителем. Такой вариант стал практически
универсальным для настольных компьютеров,
поскольку в самом компьютере нет усилителя
мощности. Динамики с усилителем могут так-
же содержать более удобный разделительный
фильтр.
Сабвуфер может иметь встроенный усилитель,
позволяющий управлять частотой отсечки, выше
которой динамик не будет воспроизводить звук.
Электронная схема может также обеспечивать
защиту динамика от перегрузки.
Беспроводные динамики
Беспроводная связь между стереоприемником и
его динамиками устраняет необходимость под-
ключения динамика традиционным способом —
проводами. Однако сами динамики должны по-
лучать питание, и их следует подключить к элек-
трической розетке.
Инновационные конструкции
Потребность в небольших динамиках для такой
потребительской продукции, как портативные
компьютеры, привела к появлению инноваци-
онных решений. Так, динамик, показанный на
рис. 30.8, имеет размер всего 2,5 см и за счет
своей формы легче вписывается в компактное
устройство по сравнению с традиционным круг-
лым динамиком.
На рис. 30.9 показана конструкция такого ди-
намика — можно видеть, что индуктивные об-
мотки крепятся к квадратной пластиковой диа-
фрагме.
Параметры
Типичный импеданс динамиков в аудиосистемах
составляет 8 Ом. Небольшие динамики могут
обладать более высоким импедансом, что мо-
жет оказаться полезным, когда они работают от
устройств, имеющих ограниченную мощность,
например, от ТТЛ-версии таймера 555.
Ч
' ^Ш
JRilP
5W £"^
Рис. 30.8. Динамик размером 2,5 см, пригодный для встраи-
вания в небольшое электронное устройство
Рис. 30.9. Динамик, изображенный на рис. 30.8, показан в рас-
крытом виде: видны индуктивные обмотки, прикрепленные
к квадратной пластиковой диафрагме
316
Статья 30


источники звука > воспроизводящие устройства > динамик
Что может пойти не так?
Динамики с диаметром более 12 дюймов
(30 см) редко используются в домашних усло-
виях. Диаметр 4 дюйма (10 см) следует считать
минимальным вследствие его ограниченной
способности воспроизводить низкие частоты,
однако в портативных устройствах нашли ши-
рокое применение и динамики намного мень-
шего размера.
На рис. 30.10 приведен заимствованный из дан-
ных, предоставляемых производителем, график
частотной характеристики миниатюрного ди-
намика, предназначенного для поверхностного
монтажа на печатной плате. Как можно видеть,
на низких частотах эта характеристика весьма
неудовлетворительна.
Номинальная мощность динамиков указывается
в ваттах и вычисляется как среднеквадратичное
значение.
Характеристическая чувствительность изме-
ряется в децибелах на расстоянии в один метр,
когда динамик воспроизводит постоянный тон с
выходной мощностью в 1 Вт. Комплект динами-
ков, предназначенный для нетребовательного
домашнего использования, может обеспечивать
уровень чувствительности от 85 до 95 дБ.
Частотная характеристика
миниатюрного- динамика
Рис. 30.10. Частотная характеристика динамика размерами
15x15x5 мм: небольшие размеры и отсутствие корпуса при-
водят к почти полному подавлению низких частот
Эффективность измеряется как отношение
звуковой мощности на выходе к электрической
мощности на входе, и типичным является зна-
чение 1%.
Что может пойти не так?
Повреждение
Как и в случае с наушниками, самая распростра-
ненная проблема для динамиков — поврежде-
ние, вызванное перегрузкой. Поскольку для
переноса энергии при воспроизведении низ-
ких частот необходимо большее перемещение
диффузора, чем при воспроизведении высоких,
громкие басовые звуки могут быть для динами-
ка опасными. С другой стороны, если усилитель
вносит искажения (возможно, вследствие того,
что он тоже перегружен), то гармоники, возни-
кающие при этом, способны повредить высоко-
частотные динамики.
Магнитное поле
Даже небольшой динамик (диаметром 50 мм и
менее) содержит магнит, достаточно мощный,
чтобы создать проблемы, если он располагается
близко к другим компонентам, — в особенности
к таким устройствам, как герконы или переклю-
чатели на основе эффекта Холла. Начальную
проверку схемы следует проводить как можно
дальше от динамика, чтобы исключить его как
источник помех.
Вибрация
Паяные соединения, подверженные низкоча-
стотной вибрации от динамика, могут испыты-
вать излишнюю нагрузку. Ослабленные детали
начинают дребезжать, а детали, прикрепленные
болтами, — отвинчиваться. Может оказаться
незакрепленным и сам динамик. Поэтому перед
затяжкой гаек следует нанести на резьбовые со-
единения какое-либо клеящее средство.
Динамик
317


ПРИЛОЖЕНИЕ. ОПИСАНИЕ
ЭЛЕКТРОННОГО АРХИВА К КНИГЕ
Электронный архив к книге выложен на FTP-сервер издательства
по адресу: ftp://ftp.bhv.ru/9785977537490.zip. Ссылка доступна
и со страницы книги на сайте www.bhv.ru.
Структура архива приведена в табл. П.1.
Таблица П. 1. Структура электронного архива
Папки
Pictures
Описание
Файлы со всеми рисунками в цветном исполнении
приложение
319


ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Adobe 1998 193
AMOLED 287
FIFO-устройство 143
I
Indiglo 285
SIPO-устройство 144
SIP-корпус 34
SISO-устройство 143
sRGB 193
TFT-дисплей 188,287
V
VFD 277
JK-защелка 131
м
MSCP 205,208
Z-состояние 147
О
OLED 284
Panelescent 285
PIN-диод 42
PISO-устройство 145
PMOLED 287
р-п-р-п-устройство 4
Абсолютный нуль температуры 201
Аддитивные первичные цвета 193
Адрес (отвода цифрового потенциометра) 74
Активатор (люминофора) 284
Активная среда лазера 230
Аналого-цифровой преобразователь 45
Анод
общий 269
светодиода 247
Арифметическая операция 104
Асинхронная операция сброса счетчика (CLR) 156
Предметный указатель
321


Асинхронный
ввод данных 145
счетчик 138,157
триггер 125,126
Байонетный цоколь 206
Балласт 210,261
магнитный 261
мгновенного запуска 224
электронный 223,261
люминесцентной лампы 223
Бесцокольная лампа накаливания 206
Бипер 290
Бистабильный
дисплей 194
мультивибратор 53
Бит 141,156
Булева
алгебра 103
операция 104
Буфер 105,150
В
Вакуумно-люминесцентный дисплей 277
катод 278
нить 278
сетка 278
Взвешенный выход (счетчика) 157
Время
релаксации 174
релаксации мультиплексора 183
установки сдвигового регистра 146
Втекающий ток компаратора 51
Входной ток смещения (операционного
усилителя) 61
Входное напряжение
дифференциальное (операционного
усилителя) 61
мультиплексора 181
смещения нуля (компаратора) 49
смещения нуля (операционного усилителя) 61
Выброс напряжения (в таймере) 85
Выбросы (на выходе счетчика) 162
Выгорание ЭЛТ 187
Вынужденное излучение 230
Выпрямитель 2
Высокое логическое состояние 103
Высокоимпедансное состояние 147
Выход
двухтактный (в компараторе) 49
с открытым стоком 147
с тремя состояниями 147,166
тристабильный 147
с открытым стоком 147
с тремя состояниями 147
Гамма 240
Гармоники 309
Гарнитура 307
Генератор
кварцевый 159
релаксационный 53,65
тактовый 126
Гирляндные светодиоды 259
Гистерезис 46
таймера 98
Головной телефон 308
Гонка фронтов в триггере 130
Гонки 174
Гребешковая ножка 214
Громкость динамика 317
д
Давление звука 292
Датчик 41
Движок (цифрового потенциометра) 70
Двоичная цифра 141,156
Двоично-десятичное число 170
Двунаправленный
мультиплексор 176
сдвиговый регистр 146
322
Предметный указатель


Двухтактный выход компаратора 49
Декодер (мультиплексора) 176
Декодирование 169
Делитель напряжения 84
Демпфер 37
Демпферная резистивно-емкостная цепь 28
Демультиплексор 164,172,176,177
Детекторный радиоприемник 308
Дешифратор 164,169,172,177
семисегментный 171
шестнадцатеричный 170
Диаграмма
пространственного распределения
излучения 246
состояний счетчика 159
Диапазон гистерезиса компаратора 50
Диафрагма
динамика 312
наушников 305
Динамик 312
громкость 317
диафрагма 312
диффузор 312
закрытый 315
импеданс 316
корпус с отражателем басов 314
номинальная мощность 317
с усилителем 316
фазоинвертор 314
эффективность 317
Динистор 13,20
уровень включения 14
уровень удерживания 14
Диод
защитный 37,102
лазерный 230
Дисплей
бистабильный 194
вакуумно-люминесцентный 277
жидкокристаллический 264
светодиодный 264
Дисплейный модуль 268
Диффузор (динамика) 312
Дребезг контактов 78,93,122
устранение с помощью триггера 128
Дроссель (люминесцентной лампы) 223
Дуга
электрическая 223
Ж
Жидкие кристаллы
суперскрученные нематические,
с компенсирующей пленкой 188
двойные суперскрученные нематические 188
скрученные нематические 188
суперскрученные нематические 188
цветные суперскрученные нематические 188
ЖК-дисплей 264
с активной матрицей 187
с пассивной матрицей 188
ЖК-индикатор 185
отражающий 187
полупрозрачный 187
прозрачно-отражающий 187
пропускающий 187
Задержка распространения
для компаратора 51
в счетчике 157
Закорачивающая перемычка 3
Запрещенная зона полупроводника 239
Запрещенные состояния (счетчика) 159
Запуск
по перепаду 143
поспаду 144
по фронту 144
таймера по перепаду 81
Зацикливание триггера 130
Защита от перенапряжений 3
мультиплексора 180
Защитный диод 37,102
Звуковое давление 292
Звуковой извещатель 297
керамическая пластина 298
Звуковой индикатор 290
номинальное напряжение питания 300
рабочее напряжение 300
Предметный указатель
323


Звуковой сигнал 290,297
Зона гистерезиса 46
Зуммер 290,298
И
Излучение
вынужденное 230
спонтанное 230
абсолютно черного тела 201
Изображение
растровое 185,264
Импеданс (динамика) 316
Импульсные помехи
асинхронного счетчика 161
Инвертирующий вход
компаратора 46
операционного усилителя 59
Инвертор 42,103,105,133
Индекс цветопередачи 203,246
Индикаторный модуль 192
Интегральный переключатель
(твердотельное реле) 35
Источник питания
двуполярный 58
К
Канал (мультиплексора) 177
Каналы микросхемы 49,61
Кандела 208
Каскадное соединение счетчиков 156
Катод 278
общий 269
люминесцентной лампы 223
неоновой лампы 218
светодиода 247
Квадранты режимов работы симистора 22
Кварцевый генератор 153,159
Керамическая пластина (в звуковом
преобразователе) 291,298
Когерентность
временная 232
пространственная 232
Когерентный свет 229,232
Коллектор
открытый 47
Кольцевой счетчик 157
Компаратор 45
втекающий ток 51
входное напряжение смещения нуля 49
двухпороговый 49,54
диапазон гистерезиса 50
задержка распространения 51
инвертирующий вход 46
как определитель нулевого значения 55
как преобразователь уровней 54
как следящий преобразователь 55
коэффициент усиления
по напряжению 50
напряжение переключения в верхнее
состояние 50
напряжение переключения в нижнее
состояние 50
неинвертирующий вход 46
разрешающая способность 50
рассеивание мощности 51
сдвоенный 49
с фиксацией 55
тактируемый 55
флуктуации выходного сигнала 51
функция защелки 49
Контур заземления 41
Корпус
для промышленного монтажа 34
с однорядным расположением выводов 34
Корректировка смещения нуля операционного
усилителя 66
Коррелированная цветовая температура 258
Коэффициент
гармонических искажений 309
пересчета 155,158
полезного действия источника света 208
усиления операционного усилителя 58
усиления по напряжению 50
усиления разомкнутой цепи обратной связи
(операционного усилителя) 62
Кривая ухудшения параметров 246
Кривые равной громкости 293
324
Предметный указатель


Кристалл
звукового извещателя 290
светодиода 253
Л
Лазер 229
активная среда 230
накачка 230
оптический резонатор 230
полупрозрачное зеркало 230
Лазерный диод 230
Лампа накаливания 199
бесцокольная 206
вворачиваемая 206
с байонетным цоколем 206
с фланцевым цоколем 206
с штырьковым цоколем 206
Логика
положительная 104
связующая 108
Логический элемент 103
буфер 105
инвертор 103,105
Логическое состояние 125
высокое 103
низкое 103
Лучевой поток 207
Люкс 207
Люмен 207,226,253,260
Люминесцентная лампа 221
компактная 221
с холодным катодом 224
Люминесцентная панель с холодным
катодом 194
Люминесценция 222,278,284
Люминофор 222, 278,284
м
Магнитный балласт 261
Матрица
резисторная 269
точечная 277
Метастабильность триггера 139
Микроконтроллер 36,69
Микросхемы
серии 4000 109
серии 7400 108
Милликандела 217,240
Многосекционный потенциометр 72
Модуль счета 155
Моностабильный таймер 81
Монохроматический свет 229
Мультивибратор 53,65
бистабильный 53
Мультиплексирование 279
многоразрядных индикаторов 196
Мультиплексор 164,172,175,177
аналоговый 176
время релаксации 183
входное напряжение 181
двунаправленный 176
декодер 176
дифференциальный 176
защита от перенапряжений 180
канал 177
каскадное соединение 182
сопротивление в рабочем состоянии 181
стробирование 177
ток канала 181
ток утечки 181
функция запрета запуска 177
цифровой 176
н
Нагрузочный резистор 42,47,147,178
Накаливание 284
Накачка лазера 230
Накопление заряда (в симисторе) 28,30
Нанометр 226,242
Напряжение
включения 20
включения симистора 25
включения триодного тиристора 5
зажигания неоновой лампы 215
Предметный указатель
325


переключения в верхнее состояние
(компаратора) 50
переключения в нижнее состояние
(компаратора) 50
пороговое 239
поддержания разряда неоновой лампы 215
пробоя неоновой лампы 215
пробоя симистора 25
пробоя триодного тиристора 2,5
синфазного сигнала (операционного
усилителя) 61
эталонное 82
Наушники 303
акустически прозрачные 307
вкладыши 306,307
внутриушные 307
диафрагма 305
окружающие ушную раковину 306
располагающиеся над ушной раковиной 307
с динамическим возбудителем 305
с динамическим преобразователем 305
с закрытой задней стенкой 307
со сбалансированным механизмом 306
с открытой задней стенкой 307
с подавлением шума 307
с подвижной обмоткой 305
частотная характеристика 308
электретные 306
электростатические 306
Наушники-вкладыши 307
Неинвертирующий вход
компаратора 46
операционного усилителя 59
Неоновая лампа
катод 218
напряжение зажигания 215
напряжение поддержания разряда 215
напряжение пробоя 215
отрицательное сопротивление 215
пусковое напряжение 215
распыление электродов 219
Неоновый светильник 213
Неполяризованный свет 186
Низкое логическое состояние 103
Нить накала 199
вакуумно-люминесцентного дисплея 278
пергаментированная 200
Номинальная мощность динамика 317
Номинальное напряжение (звукового
извещателя) 300
Обратная связь
отрицательная 57,60
положительная 52
Общий анод 269
Общий катод 269
Ограничение выходного сигнала 59
Одновибратор 81
Операционный усилитель 57
входное дифференциальное напряжение 61
входное напряжение смещения нуля 61
входной ток смещения 61
инвертирующий вход 59
корректировка смещения нуля 66
коэффициент усиления 58
коэффициент усиления разомкнутой цепи
обратной связи 62
напряжение синфазного сигнала 61
неинвертирующий вход 59
скорость нарастания сигнала при единичном
усилении 62
частота единичного усиления 62
частота среза 62
Операция
арифметическая 104
булева (логическая) 104
Определитель нулевого значения 55
Опрос клавиатуры 149
Оптический
переключатель 41
резонатор лазера 230
Оптрон 39
быстродействующий 42
двунаправленный 42
с аналоговым выходом 42
с высокой линейностью 42
с логическим выходом 42
326
Предметный указатель


Органический светодиод 284,287
Освещенность 207
Осциллятор релаксационный 15
Открытый коллектор 47
Отпай (неоновой лампы) 214
Отражающие первичные цвета 193
Отражающий ЖК-индикатор 187
Отрицательная обратная связь 57,60
Отрицательное сопротивление
(неоновой лампы) 215
Ошибочные комбинации (счетчика) 159
п
Параллельно-последовательный преобразова-
тель 145
Первичные цвета
аддитивные 193
субтрактивные 193
Переключатель
однополюсный на два направления (SPDT) 31
однополюсный на одно направление (SPST)
31
оптический 41
Переменный ток 201
Переход напряжения через нулевое значение 32
Переходный процесс на выходе 174
Плавающее состояние 149
Плавленый кварц 206
Платинит 214
Плотный люминофор 284
Повторитель напряжения 63
Повторный запуск таймера 81
Подстроечный потенциометр 47,295,301
Полный размах напряжения 49
Полный сумматор 107
Положительная логика 104
Положительная обратная связь 52
Полосовой фильтр 69
Полупрозрачное зеркало лазера 230
Полупрозрачный ЖК-индикатор 187
Полусумматор 107
Пороговое напряжение 239
светодиода 249
Пороговый ток управляющего электрода
симистора 22
Последовательно-параллельный
преобразователь 125,144
Постоянный ток 201
Потенциометр
многосекционный 72
подстроечный 47,295,301
программируемый 69
Поток
лучевой 207
световой 207,226,240,253
излучения 207
Преобразователь
автоколебательный 295
аналого-цифровой 45
параллельно-последовательный 145
последовательно-параллельный 125,144
ультразвуковой 291
ферромагнитный диск 290
уровня 45,54
Приоритетный шифратор 165,166
Программируемый потенциометр 69
трехпроводной 74
Прозрачно-отражающий ЖК-индикатор 187
Пропускающий ЖК-индикатор 187
Простой шифратор 166
ПротивоЭДС 37
Протокол передачи данных
I2C 73
SPI (serial peripheral interface) 73
Up/Down 73
Пусковое напряжение неоновой лампы 215
Разветвление на выходе 109
Разделительный
трансформатор 40
фильтр 314
Разрешающая способность компаратора 50
Распределитель данных 165,172,177
Распыление электродов (неоновой лампы) 219
Рассеивание мощности компаратора 51
Предметный указатель
327


Рассогласование импеданса наушников 310
Растровое изображение 185,264
Регенеративное устройство 2
Регистр 141
Регулирование фазы 3,16,27
Режим
фотогальванический 42
Резистивно-емкостная цепь (в таймере) 82
Резистивно-емкостной генератор 159
Резистор
нагрузочный 42,47,147,178
токоограничительный 239
Резисторная матрица 269
Релаксационный генератор 53,65
Релаксационный осциллятор 15
Реснички (уха) 304
Рэлеевское рассеяние 235
Свет
естественный 186
когерентный 229,232
монохроматический 229
Световая эффективность излучения 208,217,
241,257
Световой поток 207,226,240,253
Световой провод 283
Световой шнур 283
Светодиод
органический 284,287
пороговое напряжение 249
тонкопленочный органический 283
Светодиодный дисплей 264
Светодиодный индикатор 238
для установки в монтажные отверстия 238
пороговое напряжение 239
теплоотвод 238
Светоизлучающий конденсатор 284
Светофильтр 205,213
Светящаяся палочка 286
Связующая логика 108
Сдвиговый регистр 74,143
время установки 146
выбор режима 146
двунаправленный 146
как буфер 150
универсальный 146
Сдвоенный
компаратор 49
счетчик 159
цифровой потенциометр 72
Сегмент (дисплея) 277
Селектор данных 164,172,177
Семисегментный дешифратор 171
Сетка 278
Симистор 19
квадранты 22
коммутирующий эффект du/dt 28
накопление заряда 28,30
напряжение включения 25
напряжение пробоя 25
недемпфированный 29
пороговый ток управляющего электрода 22
ток включения 22
ток удержания 23
Синхронная операция сброса счетчика (CLR)
156
Синхронный
счетчик 157
триггер 126
Сирена 299
Скорость нарастания сигнала при единичном
усилении (операционного усилителя) 62
Следящий преобразователь 55
Слой
с собственной проводимостью 42
Соединение
каскадное (для счетчиков) 156
Сокращенный коэффициент пересчета 158
Сопротивление
движка цифрового потенциометра 76
мультиплексора в рабочем состоянии 181
Состояние
логическое 125
плавающее 149
Спонтанное излучение 230
Средняя сферическая сила света в свечах 208
Стабилизатор напряжения 69
328
Предметный указатель


Стартер 261
Стартер (люминесцентной лампы) 223
Стерадиан 208
Стробирование 177
Ступень счетчика 159
Схема
с переходом напряжения через нуль 28
Счетверенный цифровой потенциометр 72
Счетчик 153
асинхронная операция сброса 156
асинхронный 138,157
взвешенный выход 157
восьмеричный 157
выбросы на выходе 162
вывод для запуска параллельного входа 157
двоичный 157
делитель на 16 157
десятичный 157
диаграмма состояний 159
задержка распространения сигнала 157
запрещенные состояния 159
каскадное соединение 156
кольцевой 157
коэффициент пересчета 155
ошибочные комбинации 159
пульсаций 157
реверсивный 160
сдвоенный 159
с двоично-десятичным выходом 157
с декодированным выходным сигналом 157
синхронная операция сброса 156
синхронный 157
с кодированным выходным сигналом 157
с параллельным входом 157
ступень 159
тактовый вход 153
шестнадцатеричный 157
Таблица истинности 104
Таймер
556 86
558 86
4047В 88
5555 87
7555 88
7556 88
вывод запуска 81
вывод сброса 82
гистерезис 98
запуск по перепаду 81
моностабильный 81
повторный перезапуск 81
Таймер 555 82
биполярная версия 83
КМОП-версия 87
ТТЛ-версия 83
Тактируемый компаратор 55
Тактовый вход (счетчика) 153
Тактовый генератор 126,141
Твердотельное реле 31
перехода напряжения через нулевое значение
34
Температура
цветовая 202
Теплоотвод 34,238
Термопаста 37
Тиратрон 1
Тиристор 1
Тлеющий разряд 215
Ток
переменный 201
постоянный 201
включения симистора 22
включения тиристора 2
канала мультиплексора 181
удержания симистора 23
утечки 2,14, 21,90
утечки мультиплексора 181
Тонкопленочный органический светодиод 283
Точечная матрица 277
Транзисторно-транзисторная логика, ТТЛ 83,
108
Трансформатор
разделительный 40
Трехстабильный выход 147
Триггер 125
асинхронный 125,126
гонка фронтов 130
Предметный указатель
329


двухтактный 133
зацикливание 130
защелка 131
метастабильность 139
синхронный 126
состояние сброса 128
состояние установки 128
состояние хранения 128,134
Триодный тиристор 1,20
напряжение включения 5
напряжение пробоя 2,5
ток включения 2
ток удержания 2
Тристабильный выход 147
Ферромагнитный диск
(в звуковом преобразователе) 290
Фильтр
полосовой 69
разделительный 314
Флуктуации выходного сигнала компаратора
51
Флюоресценция 222
Фосфор 284
Фотогальванический режим 42
Фотон 239
Фоторезистор 41
Фут-кандела 207
Угол
отсечки 10
фазовый 8,16
обзора 240
Ультразвуковой преобразователь 291
Универсальный сдвиговый регистр 146
Уровень звукового давления 292
Усилитель
напряжения 58
тока 2,23
Устройство
пускорегулирующее 223,224
регенеративное 2
с параллельным входом и последовательным
выходом (PISO) 145
с последовательным входом и параллельным
выходом (SIPO) 144
с последовательным входом
и последовательным выходом (SISO) 143
с простой очередью (FIFO) 143
электролюминесцентное 283
с двухполярным питанием 46
Утечка 14
ф
Фазовый угол 8,16
Фазоинвертор 314
Хемилюминесценция 284
Цветовая гамма 193
Цветовая температура 202
коррелированная 258
Цепь
демпферная 28
синхронная 132
Цифра
двоичная 141,156
Цифровой потенциометр
адрес отвода 74
двухпроводной 75
программируемый, трехпроводной 74
режим делителя напряжения 76
режим реостата 76
сдвоенный 72
с линейной характеристикой 73
с логарифмической характеристикой 73
сопротивление движка 76
счетверенный 72
трехпроводной 75
Цоколь
байонетный 206
фланцевый 206
штырьковый 206
330
Предметный указатель


Частота
единичного усиления (операционного
усилителя) 62
среза (операционного усилителя) 62
Частотная характеристика наушников 308
Число
двоично-десятичное 170
ш
Широтно-импульсная модуляция, ШИМ 8,
224,245
Шифратор 163,164,177
приоритетный 165,166
простой 166
Шкала А 293
Электрическая дуга 223
Электролюминесцентная
лента 283
панель 283
Электролюминесцентное устройство 283
Электронная бумага 194
Электронно-лучевая трубка 187,278,284
Электронные чернила 194
Электронный балласт 223,261
Эффективность динамика 317
Предметный указатель
331