Автор: Ревич Ю.
Теги: электротехника электроника электронные средства своими руками
ISBN: 978-5-17-097466-5
Год: 2017
Текст
Ю. РЕВИЧ
АЗ Б
Электронные
устройства
своими руками
СХЕМ
УДК 621.38-053.6
ББК 32.85
Р32
Все права защищены.
Ни одна часть данного издания не может быть воспроизведена
или использована в какой-либо форме, включая электронную,
фотокопирование, магнитную запись или какие-либо иные
способы хранения и воспроизведения информации,
без предварительного письменного разрешения
правообладателя.
Ревич, Юрий.
Р32 Азбука электроники / Ю. Ревич. - Москва : Издательство ACT,
2017. - 224 с.: ил.
ISBN 978-5-17-097466-5
Книга «Азбука электроники» рассказывает о том, как делать
своими руками электронные устройства. Начиная с самых простых
схем на выключателях и батарейках, автор постепенно вводит
читателя в мир современной электроники. Более трех десятков
конструкций, имеющих практическое применение, научат читателя
самостоятельно проектировать и собирать схемы самого разного
назначения. Приведены сведения об устройстве, свойствах и
особенностях применения различных электронных компонентов,
а также необходимые элементарные теоретические сведения.
Изучение материала книги не требует предварительных знаний, за
исключением элементарной арифметики и алгебры. Книга пред-
назначена детям среднего школьного возраста и их родителям,
кружкам по электронике, а также всем тем, кто интересуется
современной электроникой.
УДК 621.38-053.6
ББК 32.85
ISBN 978-5-17-097466-5
© Ревич Ю.В., 2017
© ООО «Издательство АСТ», 2017
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
Зачем и для кого написана эта книга?..............................5
ВВЕДЕНИЕ
О схемах, платах, источниках питания и мультиметрах..............10
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОНИКА НА ВЫКЛЮЧАТЕЛЯХ............................23
Эксперимент 1.
Светодиоды и их свойства.........................................23
Эксперимент 2. Регулировка яркости светодиода с помощью переменного
резистора........................................................33
Эксперимент 3. Переключатели и их применение: изобретаем светофор
и дистанционное освещение........................................41
ГЛАВА 2. ЖИВЫЕ СХЕМЫ.............................................48
Эксперимент 4. Конденсаторы и простейший таймер..................48
Эксперимент 5. Таймер на микросхеме 555..........................55
Эксперимент 6. Генератор импульсов на микросхеме 555.............65
Эксперимент 7. Четырехсторонний автоматический светофор..........71
Эксперимент 8. Свойства и разновидности транзисторов.............74
ГЛАВА 3. ЦИФРОВЫЕ (ЛОГИЧЕСКИЕ) МИКРОСХЕМЫ........................91
Эксперимент 9. Свойства логических элементов....................92
Эксперимент 10. Таймер и генератор на логических элементах.......98
Эксперимент 11. Охранная сигнализация...........................107
ГЛАВА 4. ТРИГГЕРЫ И СЧЕТЧИКИ....................................ИЗ
RS-триггеры.....................................................ИЗ
D-триггеры.....................................................115
Эксперимент 12. Триггеры и их свойства.........................117
Эксперимент 13. Счетчики.......................................126
Эксперимент 14. Усовершенствованный автоматический светофор....135
Эксперимент 15. Измерения с помощью счетчиков..................138
ГЛАВА 5. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И КОМПАРАТОРЫ..................153
Эксперимент 16. Операционные усилители и их свойства...........166
Эксперимент 17. Компараторы и триггер Шмидта...................166
Эксперимент 19. Аналогово-цифровые преобразователи.............183
Приложение 1. Международная цветная маркировка резисторов......198
Приложение 2. Самодельные источники питания....................199
Приложение 3. Соответствие названий некоторых зарубежных
и отечественных цифровых микросхем.............................212
Приложение 4. Словарь часто встречающихся англоязычных аббревиатур
и терминов.....................................................215
Зачем и для кого написана
эта книга?
Два десятилетия назад, на глазах ваших родителей и старших товарищей,
в истории человечества произошел тихий переворот. Люди внезапно,
всего в течение нескольких лет, получили возможность свободно
и практически бесплатно обмениваться информацией по всему миру.
Теперь нас всегда сопровождают карманные устройства связи - сотовые
телефоны и коммуникаторы. Они круглосуточно готовы соединить
владельца, находящегося в Москве, с другом, проживающим хоть в городе
Нью-Йорке в Америке, хоть в Окленде в Новой Зеландии, находящейся
на противоположной стороне земного шара. Видеотелефония со страниц
фантастических романов перекочевала в повседневность. И заодно
выяснилось, что она совсем не так уж и нужна в ежедневном общении:
неожиданно для всех оказалось, что самый популярный способ связи,
после обычного разговора, - обмен «эсэмэсками», короткими текстовыми
сообщениями, мгновенно достигающими адресата.
Если почитать старые фантастические романы, то легко убедиться,
что люди того времени представляли себе будущее в основном как
время изобильного производства необыкновенных вещей, оружия
или транспорта. Никто никогда не пытался поставить в основу буду-
щего информацию! Компьютеры начали появляться в фантастических
романах и фильмах только после того, как они были изобретены и
успели завоевать популярность в реальной жизни. А возникновение,
распространение и совершенствование компьютеров — это прежде
всего развитие целого куста разделов науки и технологий под назва-
нием электроника.
При этом писателей-фантастов и постановщиков фильмов большей
частью привлекла только одна сторона компьютеризации, которая
в реальности, вероятно, не будет осуществлена еще очень долго: это
построение искусственного разума, похожего на человеческий. Ком-
пьютеры в фантастике — это несуществующие во плоти умные кибер-
пилоты звездных кораблей или человекообразные роботы-андроиды.
Во времена, когда снимались «Терминатор» и первые серии «Звезд-
ных войн», никто еще не подозревал, что уже в недалеком времени
довольно мощные компьютеры будут встроены в телефоны, стираль-
ные машины или детские игрушки. А ведь в современный смартфон
встроен компьютер намного мощнее того, что в 1969 году управлял
космическим кораблем «Апполон» при высадке людей на Луну!
Вместе с мини-компьютерами, которые выпускаются во всем мире
сотнями миллионов штук, появились и простые средства их програм-
мирования, с которыми способен управляться даже не очень опытный
человек. Потому радикально изменилось занятие, которое в нашей
стране по привычке иногда продолжают называть радиолюбитель-
ством: самостоятельная разработка электронных схем и устройств
в домашних условиях. Если ранее радиолюбитель был обязан уметь
работать с паяльником, то теперь ему скорее требуются навыки про-
граммиста и знание устройства компьютерных интерфейсов. Зато
возможности его расширились необычайно: нет ничего невозможного
в том, чтобы создать свой собственный планшет или самостоятельно
построить летающий робот-квадрокоптер с видеокамерой, передающий
изображение с головокружительной высоты.
Когда-то в начале компьютерной эры было много людей, считавших,
что обучать школьников программированию совершенно не нужно:
это, мол, такая специальная профессия, вроде водителя автобуса или
парикмахера. Автор этих строк полагает, что сторонники такой точки
зрения ошибались и продолжают ошибаться в настоящее время. Про-
граммирование — не только профессия, это такой особый способ
мышления, очень хорошо ставящий голову на место и применимый в
огромном количестве жизненных ситуаций. А если учесть, что с точки
зрения теории разработка электронных схем и программирование —
одно и то же, то занятия электроникой могут быть интересны и полезны
далеко не только тем, кто собирается ей посвятить свою жизнь: это
просто такой увлекательный способ научиться думать.
Но начинать следует с малого: на одних микрокомпьютерах электро-
ника не заканчивается. Устройства, которые еще называют «однокри-
стальными компьютерами» или, чаще, микроконтроллерами, могут
служить только мозгом электронной системы. К мозгу нужны еще
руки и ноги, а также средства общения с внешним миром: то есть
глаза, уши и умение разговаривать. Говоря техническим языком,
электронное устройство должно иметь исполнительные механизмы,
а также воспринимать и передавать информацию. Иначе это будет,
как выражался один старый философ, «вещь в себе»: программа
микроконтроллера может быть сколь угодно совершенной, но мы об
этом ничего не узнаем, пока она не производит каких-то видимых
действий.
В построении исполнительных устройств и способов приема и
передачи информации требуется не меньше знаний и умений, чем
в программировании, а иногда даже и больше. Потому что удобство
пользования и потребительские качества построенного вами при-
бора мало зависят от того, насколько крутой контроллер вы в него
вставили и насколько изящную программу написали — об этом,
скорее всего, никто даже и не узнает. Тот, кто пользуется вашим
прибором, будет судить о качестве конструкции по тому, насколько
надежными и удобными оказались способы общения устройства
с внешним миром.
Эта книга предназначена для тех, кто хочет научиться делать такие
устройства своими руками. Она посвящена простым конструкциям,
доступным для повторения даже тем, кто еще ничего не знает об
электронике и программировании. В книге приведено три с лишним
десятка законченных любительских конструкций самого разного
уровня сложности — от простейших до довольно сложных в повто-
рении. Но на самом деле таких конструкций извлечь из книги можно
гораздо больше. С этой целью в книге приведен ряд экспериментов
над отработкой отдельных электронных узлов для использования их
в собственных конструкциях читателя.
Совет тем, кто хочет овладеть азами радиолюбительства: никогда
не следуйте буквально за авторами описаний готовых конструкций!
Начнем с того, что в схемах или в их описаниях, размещенных во Все-
мирной сети, полно прямых ошибок или неточностей, которые могут
привести конструкцию к полной неработоспособности. И это даже
хорошо, потому что заставит вас искать источник ошибки и изучать
работу схемы самостоятельно. Но самое главное не в этом: большая
часть электронных схем при минимальных переделках годится для
множества самых разных применений. Всегда ищите возможность
усовершенствовать приведенную схему, приспособить ее к своим воз-
можностям и к стоящим перед вами задачам!
Приведем пример: в книге автор несколько раз обращается к •
: конструированию электронных термометров и термостатов. При :
: этом он очень надеется, что читатель способен догадаться: если ;
: вместо датчика температуры взять датчик атмосферного дав- •
: ления и приспособить его к той же самой схеме, то получится :
: барометр. С датчиком влажности — гигрометр, с датчиком силы ;
: нажатия — электронные весы и так далее. Конечно, придется •
: вникнуть в работу схемы и понять, где там что следует пересчи- :
; тать или переставить, чтобы все заработало, как надо. Именно ;
: на таких пытливых читателей и рассчитана эта книга! Другой •
: пример: автомат включения освещения, описанный в главе 5 :
: (Эксперимент 17), практически без доработки можно приспосо- ;
: бить для контроля входящих в помещение людей или животных: '
: достаточно напротив датчика установить фонарик или направ- :
; ленную лампочку, а вместо реле приспособить любую «гуделку» ;
: из главы 2 (примерно так устроены автоматические турникеты ;
: для прохода в метро). Более того, из этой конструкции можно :
: сделать счетчик пересекающих луч предметов или людей: доста- ;
: точно вместо реле подключить выход схемы ко входу счетчика с •
: индикатором, описанного в главе 4 (Эксперимент 13). Можно :
; привести еще много подобных примеров! И если автор не приводит :
: все многочисленные возможные применения для приведенных в ;
: книге схем, то это потому, что он не счел нужным умножать объем :
; книги таким путем: все необходимые сведения в книге имеются,
: а остальное за самим читателем.
: Читателю этой книги стоит также заранее знать одну вещь: в :
: этой книге нет сложных и недоступных для понимания схем!
: Некоторые схемы (например, схемы светофоров) поначалу пока- •
: жутся вам необычайно сложными, но это не так: они не сложные,
: а всего только громоздкие. Это означает, что эти схемы состоят ;
• из большого числа элементов. Но, разложив их на элементарные ;
: «кирпичики», вы не найдете в них ничего более сложного, чем :
; разобранные ранее простые схемы их составных частей.
Для проведения опытов, описанных в книге, все необходимые ком-
поненты можно приобрести самостоятельно в магазинах «Чип и Дип»
или в специализированных интернет-магазинах. Для микросхем всегда
указывается вместе с западным названием отечественный аналог (если
он, конечно, имеется в природе). Во вступительном разделе к книге вы
также встретите описания необходимых приборов и оборудования д ля
домашней лаборатории. Если вы покупаете готовый набор-конструктор
с подобранными компонентами, то приборы, конечно, могут вам и не
потребоваться. Но они обязательно будут необходимы, если вы хотите
по-настоящему научиться созданию электронных устройств!
: Мы не будем конструировать устройства, использующие опасное :
; для жизни напряжение! При повторении опытов и конструкций ;
i из этой книги опасность получить удар током не больше, ;
: чем у любого другого современного человека, пользующе- :
: гося электрическим освещением, телевизорами, зарядниками '
\ для мобильных телефонов и прочей бытовой электрической ;
: техникой. Но иногда нам придется упоминать устройства, :
; использующие именно такое высокое напряжение из бытовой :
; сети — они всем знакомы и служат хорошей иллюстрацией ;
: к содержанию некоторых разделов книги. Такие упоминания :
; вовсе не означают, что вы должны бросаться их разбирать и ;
; переделывать. Для того, чтобы конструировать безопасные j
: приборы, работающие от бытовой сети, несмотря на их кажу- :
: щуюся простоту, нужна квалификация гораздо выше, чем ;
\ можно получить самообразованием дома.
В приложениях к книге читатель найдет справочную информацию,
а также некоторые вспомогательные сведения. В Приложении 1
содержатся таблицы цветного кода резисторов и стандартных
рядов сопротивлений. В Приложении 2 — сведения для само-
стоятельного изготовления источников питания, включая универ-
сальный лабораторный источник с регулируемым напряжением.
В Приложении 3 — таблица соответствия названий зарубежных
логических микросхем разных серий, а также отечественных серии
К561. Наконец, в Приложении 4 помешена таблица расшифровки
многих непонятных англоязычных аббревиатур, а также русско-
английский и англо-русский словарики специальных терминов
из области электроники. Это последнее приложение может быть
необходимо при чтении англоязычной документации на различные
компоненты, которую никак не миновать при углубленном изучении
электроники.
Схемы и рисунки выполнены автором. Монтажные схемы выполнены
с помощью программы Fritzing. Автор приносит благодарность сети
магазинов «Чип и Дип» (www.chipdip.ru) за разрешение на использо-
вание изображений компонентов из каталога компании.
С автором книги можно связаться по электронной почте revich@lib.ru.
Ну вот, кажется все необходимое сказано, можно приступать.
ВДМ11
О схемах, платах, источниках
питания и мультиметрах
В этой вводной главе мы еще не будем проводить никаких опытов. Здесь
мы только познакомимся с некоторыми вещами, которые с самого начала
стоитзнать любому электронщику. Мы научимся разбираться в схемах,
узнаем о том, как устроена макетная плата для соединения компонентов
без паяльника и откуда брать для наших схем питание, а также получим
общие сведения о том, что такое самый ходовой прибор электронщика -
мультиметр.
Что такое схема электронного прибора?
Наверное, у вас на столе стоит лампа. Она так и называется — настоль-
ная. А может быть, на столе лампы нет, тогда она висит под потолком
и называется люстра. Или у вас лампа прикреплена к стенке и назы-
вается бра? В любом случае хотя бы одна лампочка у вас в комнате
имеется обязательно — без освещения не обходится ни одно жилище.
Инженер-электрик назовет любую из этих ламп «осветительным
прибором». К осветительным приборам он, не задумываясь, отнесет
и карманные фонарики — в своей основе они имеют точно такое
устройство. С точки зрения инженера, перечисленные приборы для
освещения, какой бы внешний вид они ни имели, ничем друг от друга
не отличаются. Как же можно изобразить осветительный прибор так,
чтобы его устройство было всем понятно?
Большинство карманных фонариков устроено так, как показано на
рисунке вверху страницы. Батарейки плоским концом упираются в
пружину (1), закрепленную на металлическом основании (часто это
просто корпус, если он целиком металлический, — на рисунке показан
именно такой вариант). Противоположный (выпуклый) вывод бата-
реек контачит с центральным выводом лампочки (2). Второй вывод
лампочки (металлическая резьба) соединен с подвижным контактом
выключателя (3). При передвижении ползунка выключателя подвижный
контакт замыкается с корпусом. Ток начинает путешествовать по цепи:
плоский контакт батареек — пружина — корпус — резьба лампочки —
центральный вывод лампочки — выпуклый контакт батареек. Лампочка
горит. Красная кнопка, видимая на фотографии фонарика, служит для
временного включения и на этом рисунке не показана.
Любой карманный фонарик, независимо от используемого типа лам-
почек и выключателей, числа, размера и типа батареек, в своей основе
имеет такое же устройство. Мало того, любой осветительный прибор,
будь-то настольная лампа, люстра или уличный фонарь, тоже устроен
подобным образом: он обязательно имеет в своем составе лампочку и
выключатель, только вместо батареек может быть приспособление для
подключения электрического питания от
бытовой сети.
Попробуем изобразить сказанное с
помощью принципиальной схемы. На
рисунке справа схематично, без под-
робностей, показано устройство любого
карманного фонарика. Символами L1
здесь обозначена лампочка. Выключа-
тель обозначен символами К1 (К — от
слова «контакты»), разорванная линия
показывает, что контакт в данном случае разомкнут — чтобы его
замкнуть, надо выключатель сдвинуть или нажать. Перекрещенный
кружочек и контакты в виде разорванной линии есть общепринятые
обозначения лампочки и выключателя на принципиальных схемах.
Если бы в схеме был, например, еще один выключатель, он бы обо-
значался как К2.
С батарейкой немного сложнее: два параллельных отрезка разной
длины обозначают один гальванический элемент (их-то обычно и
называют батарейками). Так как таких гальванических элементов у
нас два, то пары отрезков повторяются дважды, с общими выводами
от крайних линий, и все это вместе обозначается как Б1.
: Линии, обозначающие батарейку, недаром разной длины. Длинный :
; отрезок обозначает положительный вывод (+), короткий — отри- ;
. дательный (-). В карманном фонарике с лампочкой накаливания •
: (как на рисунке схематического устройства фонарика выше) поляр- :
: ность батарейки не имеет значения. Но уже для фонариков со :
светодиодами вместо лампочек это не так — там положительный :
‘ вывод батарейки должен обязательно подключаться к положи- •
: тельному выводу светодиода. А в электронных схемах полярность :
. подключения батареек имеет решающее значение. Чтобы читатель :
не запутался и лучше запомнил условное обозначение батарейки, ;
: мы в таких случаях поначалу на принципиальных схемах около
; длинного отрезка будем дополнительно ставить знак +.
Сравним устройство фонарика с другими осветительными при-
борами. Схематическое устройство настольной лампы изображено
на рисунке внизу страницы. Здесь вместо батарейки служит вилка с
проводом, с помощью которых лампу подключают к бытовой сети,
а выключатель обычно висит прямо на проводе. В случае настенных бра
или потолочных люстр вместо вилки применяют специальные зажимы
(клеммы) для постоянного подключения проводов. Клеммы обычно
спрятаны от глаз, но они имеются обязательно. То есть из перечис-
ленных трех компонентов: лампочки, выключателя и приспособления
для подключения питания состоит любой осветительный прибор.
Обратите внимание, что проводов для подключения здесь показано
два. Обычно они упрятаны в одной оболочке, но их все равно всегда
два — один из двух проводов от лампочки идет напрямую к вилке,
а второй — через выключатель. По этому рисунку можно собрать
настольную лампу и она заработает. То есть это уже не совсем просто
изображение, а монтажная схема. Конечно, настоящая монтажная
схема может выглядеть совсем иначе, но сейчас все чаще применяют
именно такое наглядное представление.
На рисунке, правда, не показан еще один обязательный компонент
любого осветительного прибора — патрон, в который вворачивается
лампочка. Провода у нас условно подключаются прямо к цоколю
лампочки, чего, конечно, в жизни не бывает — они подключаются
к патрону, а не прямо к лампочке. Но этот патрон — настолько оче-
видная штука, что его обычно на схемах и не показывают, просто
подразумевают.
Но как быть, если вместо вилки у нас клеммы, как в потолочной
люстре? Кроме того, на схеме не показано устройство выключателя — а
оно может быть очень разным. Выключатели могут висеть на проводе,
как показанный на схеме, могут встраиваться в корпус или вообще
размещаться отдельно от осветительного прибора — на стенке около
входной двери. И что, для каждого случая рисовать отдельную мон-
тажную схему?
Проще будет опять нарисовать принципиальную схему. Рисунок
справа внизу отличается от схемы для карманного фонарика тем,
что в нем вместо батарейки показаны стрелочки, обозначающие
вилку для подключения к электрической сети. Если бы мы хотели
нарисовать люстру, где вместо вилки служат навечно прикрученные
клеммы, то вместо стрелочек надо было бы нарисовать маленькие
кружочки. Они бы обозначали именно неразъемное соединение. Но
и в нашем виде принципиальную схему
с одного взгляда поймет любой электрик,
и не ошибется, когда ему нужно будет
собрать осветительный прибор.
Для этих основных обозначений есть
много способов добавить какие-то детали,
уточняющие, какая именно разновидность
лампочки или выключателя имеется в
виду. Они применяются при необходи-
мости, но именно в показанном виде
принципиальная схема осветительного прибора годится для любой
его разновидности.
Нам, конечно, не придется экспериментировать с настольными лам-
пами. Приборы, напрямую работающие от бытовой сети, подключаются к
опасному высокому напряжению, с которым самостоятельно производить
опыты не рекомендуется. Да и вместо прожорливой лампочки накали-
вания мы в самом первом эксперименте далее познакомимся с куда
более экономичным компонентом — светодиодом. Со светодиодами
можно проводить все те же действия, что и с лампочками, но высокое
напряжение им не требуется, а значит, и опасности никакой не будет.
Пример с фонариками и настольными лампами здесь приведен для
того, чтобы твердо усвоить — принципиальные схемы для любого
прибора строятся по одному принципу. Можете сравнить нарисо-
ванные здесь схемы со схемой подключения светодиода с тумблером
в главе 1 на странице 30, и вы убедитесь, что в них много общего.
И как ни парадоксально, но именно принципиальная схема (а вовсе
не наглядная монтажная!) представляет любой прибор во всей полноте
так, что перепутать что-то просто невозможно.
Это происходит потому, что в монтажной схеме мы вынуждены рисо-
вать именно те компоненты, которые были использованы в данной
конструкции. Но одних только выключателей на свете существует неис-
числимое количество разновидностей! На принципиальной схеме мы
показываем выключатель в общем виде, то есть в реальной конструкции
можно подставить любой, лишь бы он замыкал и размыкал провода
в электрической цепи — то есть, как говорят, специалисты, обладал
нужной функциональностью. Принципиальные схемы дают свободу
в выборе конструкции, тогда как монтажные есть лишь иллюстрация
к одному из возможных вариантов.
Подробности для любознательных. Электрический или элек-
тронный?
Обычную лампочку накаливания никто не назовет электронным
прибором — слишком проста она по устройству. Вольфрамовая
спираль и два вывода — вот и вся лампочка. В настольной лампе
к ней тоже не прибавляется ничего высокотехнологичного: патрон,
выключатель и вилка с проводом. Потому традиционно такие про-
стые устройства называли электрическими. Но последнее время
разница между электронными приборами и электрическими все
больше размывается. Например, энергосберегающие люминес-
центные лампы содержат внутри себя довольно сложную схему
запуска, потому они уже без оговорок относятся к электронным
приборам. При этом люминесцентные светильники быстро вытес-
няют крайне неэкономичные лампы накаливания — в некоторых
странах с традиционными лампочками уже попрощались навсегда.
Потому почти каждый осветительный прибор, который вы встре-
тите в магазине, можно называть электронным с полным правом.
Это же касается практически всех устройств, ранее привычно
относившихся к ведомству электротехники, а не электроники.
Например, едва ли вы найдете в каком-нибудь современном при-
боре электродвигатель, к которому не подключена управляющая
электронная схема. И про разницу в терминах, когда-то имевшую
принципиальное значение, приходится теперь забывать даже
профессорам, читающим в ВУЗах курс лекций под названием
«электротехника».
Беспаечная макетная плата и ее устройство
Беспаечная макетная плата — удобное устройство для быстрой про-
верки схемы (как говорят, для ее макетирования, то есть сборки и
проверки макета). Большинство монтажных схем, которые вы встре-
тите в этой книге (а также и на многочисленных радиолюбительских
сайтах в Интернете), будут показывать схему, собранную на такой
плате. Макетные платы встречаются во множестве разновидностей, но
все они устроены по одному принципу. На рисунке внизу страницы
СО
о>
о
Ф
•о
«5
abcde fghij
1 • в • • в В В в в 1 ,
2 • • • • | в в в в в 2 в в
3 • • в • в 8 в В в В з а в
4 в в • • в В В В В В 4 в в
5 • • • • • • в в в а 5 в •
6 • • • • • в в в а в 6 в В
7 в в • • в в в в в в 7
в
в • • • • • • • • • 8
9 • • • в в в в В а в 9 в в
Ю» • • • в 8 в в В • 10 в в
11 • • • • В В 8 в В В11 в в
12 • В • • в в в а в в 12 • в
показана одна из таких разновидностей. Как видите, она представ-
ляет собой пластину из пластмассы, в которой сделаны отверстия.
В отверстия можно вставлять выводы компонентов, и они будут там
прочно держаться.
Отверстия в рядах соединены между собой так, как показано на
рисунке вверху. Голубым цветом показаны невидимые внутренние
соединения. После того как вы вставили в отверстие вывод компо-
нента, в любое из соседних отверстий в том же ряду можно вставить
вывод другого компонента, который должен соединяться с первым.
Верхние и нижние ряды контактов, помеченные синей и красной
линиями, соединены вдоль всей платы (на платах большого размера —
иногда на половину длины с каждой стороны) и предназначены для
подключения внешнего питания. Для того чтобы не перепутать плюс
и минус, здесь они обозначены прямо на плате. В других случаях
горизонтальные ряды питания могут быть не помечены никак, но
соединяются они всегда одинаково.
Для соединения между рядами обычно применяют отрезки провода
со специальными наконечниками, которые часто продаются вместе
с платами, но это необязательно. Рисунок на предыдущей странице
демонстрирует схему, собранную на подобной плате с помощью
отрезков обычного провода отмеренной длины. Диаметр жилы про-
вода не должен быть толще 1 мм и кончики его следует зачистить
от изоляции примерно на 10 мм. Если провода не болтаются и они
прочно вставлены в отверстия, то такой макет можно потом поставить
в корпус и использовать какгоЯовцй прибор. Образец правильного
-^рисунке вверху страницы.
Источники питания
Источники питания, ин
; Scan & DJVu
l W
X Bookrngolz
ые сетевыми адаптерами,
преобразуют высокое переШйг,^ i жение бытовой сети в безопас-
ное и удобное для питания электропппхл/схем постоянное напряжение.
Внешне они очень похожи ^ДазЯрВ^акомые зарядные устройства
для мобильной техники (см. рисунок в начале следующей страницы.
На конце провода они имеют толстый круглый разъем (диаметром
5,5 мм) — в этом их отличие от зарядных устройств, где разъем гораз-
до тоньше или вообще плоский. К некоторым адаптерам прилагается
набор сменных разъемов разной толщины и формы. Адаптеры долж-
ны иметь на выходе выпрямленное и стабилизированное напряже-
ние — если в описании указано «не имеет
встроенного выпрямителя и стабилизато-
ра», то для наших целей такие адаптеры
в большинстве случаев не годятся.
Хотя иногда мы специально будем при-
менять либо адаптеры с нестабилизиро-
ванным напряжением на выходе, либо
вообще адаптеры переменного тока (но
также безопасного напряжения не выше
24-30 вольт). Это потребуется в случаях, когда стабильность или
форма напряжения нам не важна, но зато необходима, например,
повышенная мощность для питания какого-то мощного элемента
схемы. Исключение также представляют конструкции самодельных
источников питания из Приложения 2. Здесь также потребуются
адаптеры с пониженным переменным напряжением, а для некоторых
конструкций — нестабилизированные выпрямители: т.е. адаптеры, у
которых на выходе напряжение постоянное, но не стабилизированное.
И, кстати, не выбрасывайте адаптеры от отслужившей свой срок
мобильной техники! Чаще всего они имеют напряжение ровно 5 или
5,5 вольта, которое вполне годится для многих наших целей. Правда,
они подкачали в части совместимости выходных разъемов — к нашим
конструкциям они, скорее всего, не будут подходить. Но эта проблема
снимается, если обзавестись универсальным набором переходников
от одного типа разъемов к другим типам. Такие наборы можно при-
обрести в торговых центрах, где продаются принадлежности для
мобильной техники.
К макетной плате сетевые адаптеры удобнее всего подключать через
специальное гнездо с проводами (см. рисунок внизу слева). Гнездо
покупается отдельно, а соединительные провода к нему прикручи-
ваются винтовыми зажимами на обратной стороне. Провода можно
изготовить из проводников со штекерами из набора для соединений
на макетной плате, откусив штекеры с одной стороны красного и чер-
ного проводника и зачистив изоляцию
на длину примерно 10 мм.
К центральному штырьку разъема
адаптера и гнезда всегда подключен
плюс источника питания (красный
провод), минус источника подключен к
внешней металлической трубке разъема
(черный провод). Если адаптер, который
у вас имеется, может менять полярность,
то перед подключением убедитесь, что
на центральном штырьке именно плюс
(если с надписями на адаптере разобраться сложно, то в этом деле
может помочь мультиметр, см. далее).
Так как мы будем применять в основном микросхемы и другие
изделия, способные работать при питании как минимум от 3 до 15
вольт постоянного тока, то на большей части схем указано напряжение
питания 7-12 вольт. Это значит, что нам годится любой источник
питания с выходным напряжением в этих пределах. Это может быть
адаптер 7,5, 9, 10 или 12 вольт — при таких значениях напряжения
ничего в схеме менять не придется.
Для ряда схем указано более низкое напряжение питания 5 вольт. Не
приобретайте адаптеры с переключением выходного напряжения на
разные значения — они, как правило, выдают нестабилизированные
напряжения (разные значения получаются в результате простого пере-
ключения обмоток трансформатора). В корпус адаптера нормальных
размеров стабилизированный источник питания с переключением
выходных напряжений уместить просто невозможно. В таком случае
требуется, как минимум, настоящий лабораторный источник питания
(как его сделать самому — см. Приложение 2), но проще купить два
адаптера с разными напряжениями. Мощность источника питания для
большинства экспериментов не имеет значения — подойдут адаптеры
с выходным током 1-2 ампера. Если требуется более высокая мощ-
ность, то описании схемы это обязательно указывается, и для такой
нагрузки, как правило, используется отдельный адаптер.
О том, как быть, если адаптера с нужным напряжением не окажется,
рассказано в уже упомянутом Приложении 2. Там описываются способы
получения стабилизированного напряжения необходимой величины
из переменного напряжения или просто с помощью адаптера с более
высоким напряжением.
Для некоторых экспериментов вместо сетевых адаптеров потребуется
питание от батареек. Для этого применяются специальные блоки,
куда может вставляться 1, 2, 3, 4 или 6 круглых элементов типа АА
или ААА. Для большинства экспериментов необходимо и достаточно
иметь такой блок на три или четыре элемента, что дает напряжение
4,5-6 вольт и заменяет сетевой адаптер на 5 вольт (такой блок батареек
показан на рисунках в главе 1). В продаже имеются и подобные блоки
для более крупных батареек типа С или D — они могут пригодится в
случае, если требуется мощное автономное питание.
Мультиметр
Для повторения большинства опытов, приведенных в этой книге,
никакие приборы не понадобятся. Но при описании наших опытов
мультиметр — прибор, который умеет измерять множество разных
параметров электронных схем, — мы все время будем упоминать по
разным поводам. В некоторых познавательных экспериментах он будет
играть важную роль. Да и в других случаях иметь под рукой такой
прибор все равно очень полезно. Приведем несколько примеров.
В процессе проведения опытов с различными компонентами вы их
будете ронять на пол и путать. Это наверняка произойдет с резисто-
рами, если их больше одного. А резисторы на первый взгляд выглядят
все одинаково. Они различаются лишь разноцветными полосками
(т. е. помечены специальным цветным кодом), и разобраться в них
неподготовленному человеку очень трудно. Для этого есть специальная
таблица (мы ее приводим в Приложении 1 к книге), но обращаться
к ней каждый раз — мука мученическая.
Кроме того, пытаясь с непривычки отличить, скажем, желтую полоску
от оранжевой, очень легко ошибиться. На рисунке внизу страницы
третья слева полоска на обоих резисторах — фиолетовая, хотя на
верхнем ее очень просто принять за красную, ошибившись при этом
на 5 порядков — 100 ом вместо 10 мегаом. И тогда придется долго
соображать, почему же правильно собранная схема не работает или
делает совсем не то, что мы предполагали. Гораздо проще померить
сопротивление неизвестного резистора мультиметром. Тогда мы всегда
будем уверены, что взяли именно тот резистор, который нужен.
Еще один пример представляют собой светодиоды. Как мы увидим,
они могут включаться в цепь только в определенной полярности.
Между тем практически единственный способ отличить у светодиода
плюс от минуса — это длина выводов. Длинный вывод это всегда плюс,
короткий — минус. Но теперь представьте, что вам для какой-то цели
пришлось выводы укоротить и разницу между длинным и коротким вы
потеряли! На монтажных схемах в этой книге положительный вывод
светодиодов помечен специальным изломом, но в реальности такой
излом отсутствует. Самый быстрый способ установить какой из выводов
положительный — «прозвонить» светодиод опять же мультиметром.
То же самое касается обычных диодов, особенно в стеклянных корпусах,
где опознать заводскую маркировку бывает очень трудно.
Кроме этого, мультимер может пригодиться для множества разных
надобностей в быту. С его помощью, например, очень просто опоз-
навать севшие батарейки. Если у вас начал отказывать пульт управ-
ления телевизором, то первым делом стоит проверить его батарейку
мультиметром. И если она еще хорошая (напряжение не слишком
намного отличается от указанного на ней в меньшую сторону), то,
значит, сломалось что-то в пульте или телевизоре и тратить деньги
на новую батарейку бесполезно.
Нам годится любой не слишком дорогой и не слишком дешевый
мультиметр. Дорогие приборы имеют множество дополнительных
функций, которые нам могут никогда не понадобиться. А очень дешевые
просто ненадежны и могут показывать вместо реальных величин все
что угодно.
Типичный мультиметр показан на рисунке внизу страницы. Для наших
нужд щупы должны быть подключены, как показано на рисунке —
красный щуп к гнезду с надписью «mAVQ», черный — к гнезду «СОМ»
(от слова common, что значит «общий»). Установив переключателем
нужную величину в нужном диапазоне, концами щупов касаются
выводов батарейки или компонента. Для измерения сопротивления
переключатель следует установить в одно из положений, помеченных
знаком Q. Если сопротивление выше установленного диапазона, то
мультиметр ничего не покажет, если ниже — покажет значение,
близкое к нулю.
Для определения полярности диода или светодиода переключатель
нужно установить в положение «прозвонка». На шкале мультиметров
оно обычно отмечено значком Если прибор никак не реагирует
при подключении щупов к выводам компонента, то следует поменять
щупы местами. При правильном подключении мультиметр начинает
«пищать». Это означает, что положительный вывод тот, к которому
подключен красный щуп (при условии, что щупы подключены именно
так, как на рисунке на предыдущей странице).
Для более удобного и надежного выполнения этой операции дополни-
тельно к щупам мультиметра стоит приобрести зажимы-«крокодилы».
Конечно, «прозвонка» годится и просто для установления двух главных
неисправностей любой электронной схемы: наличия контакта там,
где он не нужен, или отсутствия контакта там, где он должен быть
обязательно.
С остальными величинами вы легко разберетесь по инструкции.
Для тренировки попробуйте померить напряжения разных батареек.
Лучше всего проверить и новые, и заведомо отработанные — так будет
лучше видна между ними разница. Например, новая или практически
новая батарейка типа АА или ААА будет показывать напряжение 1,5-
1,6 вольта, а «севшая» — не более 1-1,1 вольта.
А теперь отправимся в увлекательное путешествие по миру электро-
ники!
ожт aD
сж м®«и
Вся современная электроника построена на полупроводниках -
транзисторах, диодах, микросхемах. Им в основном и посвящена эта
книга, но начнем мы с самых простых схем. Схемы на выключателях,
описанные в этой главе, мы потом будем еще не раз встречать
в составе многих других, более сложных устройств. И заодно мы научимся
обращаться со многими необходимыми компонентами, а также увидим,
что без всяких заумных штучек можно собирать вполне полезные
и работоспособные устройства.
Эксперимент 1.
Светодиоды и их свойства
Необходимые материалы
Светодиоды красного, желтого, зеленого, синего и белого свечения,
диаметром 5 мм — по 1 шт.
Резистор 390 Ом — 1 шт.
Блок батареек 4 шт. АА — 1 шт.
Выключатель (тумблер) с клеммами — 1 шт.
Кнопка с контактами на замыкание Off-(On) с клеммами — 1 шт.
Макетная плата и соединительные провода (они требуются во
всех экспериментах, потому в дальнейшем мы их указывать
в перечне не будем).
Название «светодиод» составлено из двух слов: «свет» и «диод». Что
такое «свет» понятно каждому, а «диод» — это такой приборчик,
который имеет свойство пропускать электрический ток только в одну
сторону. Можно догадаться, что светодиод — это диод, который при
пропускании тока имеет свойство излучать свет. Светодиоды ныне
быстро вытесняют привычные лампочки накаливания, уже даже в
самых старых применениях, таких как освещение у вас дома. Почему
они лучше лампочек, мы узнаем попозже, а пока давайте познакомимся
с основными свойствами светодиодов на практике.
Мы будем иметь дело в основном со слабенькими (специалисты
говорят в таких случаях «маломощными») светодиодами. Главная осо-
бенность таких маломощных светодиодов — все они могут заменяться
друг на друга без каких-то переделок в схеме подключения. Потому
в любых схемах можно выбирать светодиоды любого цвета, какой
понравится, независимо от того, что именно там указано. Позднее
мы уточним это утверждение, чтобы подключать светодиоды к схеме
совсем уж грамотно, но пока нам важно, что при замене одного мало-
мощного светодиода на другой в схеме ничего не сгорит и светодиод
все равно будет послушно светиться. Чтобы убедиться в этом наглядно,
мы запасли несколько разных светодиодов и попробуем подключать
их по очереди.
Подробности для любознательных: какие бывают свето-
диоды?
Светодиод — это полупроводниковый
источник света. В его основе лежит
маленький кристалл, который при про-
хождении электрического тока излучает
свет. Свечение это не распространяется
в стороны, как у лампочки или свечки,
а направлено преимущественно в одном
направлении. Для того чтобы сфокуси-
ровать этот свет и сделать его более
заметным, кристалл обычно упаковы-
вают в пластиковый прозрачный корпус
в форме полукруглой линзы. Но не всегда
именно линзы: как вы видите на картинке
слева, бывают светодиоды самой разной формы: прямоугольные,
круглые или треугольные светодиоды с плоской светящейся
поверхностью, светодиоды сложной формы для самых разных
надобностей.
Прозрачный корпус часто бывает покрашен согласно цвету све-
чения, но далеко не всегда — бесцветный или молочный цвет
корпуса еще не означает белого цвета свечения. Нередко также
встречаются двухцветные и даже трехцветные светодиоды —
это просто несколько разных кристаллов в общем корпусе. Они
могут управляться или раздельно (второй сверху светодиод на
картинке), или подачей тока на одни и те же выводы, но в разном
направлении.
Самими первыми, еще в шестидесятых-семидесятых годах прошлого
века, изобрели маленькие светодиоды невидимого инфракрас-
ного, а также красного и зеленого свечения. После них появились
желтые. С инфракрасными светодиодами вы встречаетесь очень
часто: они стоят во всех пультах дистанционного беспроводного
управления, например, от телевизора или музыкального центра.
Значительно позднее, уже к концу XX века, усилиям инженеров
поддалась и синяя область спектра, а потом и ультрафиолетовая.
Смешивая желтое и синее излучение, удалось создать долго-
жданные светодиоды белого свечения. Белые светодиоды также
поначалу были маломощными и работали только как маленькие
сигнальные лампочки. В этом качестве светодиоды намного
удобнее, чем старинные лампочки накаливания. Чтобы такой све-
тодиод был лучше виден со всех сторон, его корпус часто делают
из молочного пластика, рассеивающего свет. Прозрачный корпус
можно превратить в молочный самостоятельно, если окунуть его
в бесцветный мебельный нитролак, в котором растерта капелька
белой масляной краски.
В настоящее время различающихся по цвету разновидностей
светодиодов не менее двух-трех десятков — всех цветов радуги.
Постепенно начали появляться так называемые «суперяркие» раз-
новидности, которые уже годились, например, для того, чтобы
сделать экономичный карманный фонарик. В таких фонариках,
как правило, ставят несколько — от 6 до 24 — белых светодиодов.
А потом появились и мощные светодиоды, пригодные для целей
настоящего освещения. Подобный светодиод показан на кар-
тинке на следующей странице вверху. При работе они гре-
ются, потому в светильниках их обязательно ставят на алю-
миниевую пластину, рассеивающую тепло. В осветительных
приборах светодиоды работают намного лучше ламп накали-
вания. Обычная лампа накаливания преобразует в свет менее
2 сотых долей затрачиваемой энергии, тогда как светодиод почти
одну десятую - то есть излучает в пять раз больше света при той
же потребляемой мощности. Но еще важнее непревзойденная
долговечность светодиодных светильников. Лучшие из лампочек
накаливания не выдерживают более года-двух, фирменные люми-
несцентные лампы - от полутора до трех лет, а светодиод в пра-
вильных условиях работы, без перегрева и перегрузки, вполне
способен отработать более 100 тысяч часов, то есть примерно
12-15 лет.
Обычные светодиоды нельзя подключать прямо к батарейке или
сетевому адаптеру, как лампочки. Если вы где-то услышите иное
утверждение, то знайте — тот, кто говорит такое, в светодиодах ничего
не понимает. Если вы подключите выводы светодиода напрямую
к батарейке, то он или не будет светиться, или будет, но очень тускло,
или, наоборот, ярко вспыхнет и быстро сгорит. Для правильного под-
ключения светодиоду, во-первых, нужен ограничитель тока — рези-
стор, во-вторых, при подключении нужно соблюдать определенную
полярность, то есть правильно ориентировать его относительно плюса
и минуса источника питания.
Схема подключения показана на рисунке на следующей странице
вверху. Голубым цветом на рисунке макетной платы отмечены участки
невидимых для нас соединений, имеющихся в самой плате (см. также
раздел «Беспаечная макетная плата» во вводной главе книги). В после-
дующем изложении отмечать эти соединения на рисунках мы больше
не будем, а пока просто напомним, что
черный (минусовой) провод можно под-
ключать в любую из четырех свободных
дырочек в своем вертикальном ряду. То
же самое касается и других соединений.
Для определенности светодиод на
рисунке покрашен в красный цвет, но
можно начинать экспериментировать
с любого цвета. Самое важное — пра-
вильно соблюсти полярность подклю-
чения: длинный вывод светодиода должен
быть подключен к резистору, а резистор
к плюсу блока батареек. Короткий вывод
светодиода подключается напрямую к
минусу блока батареек. Если вы пере-
путаете, то здесь ничего страшного не
случится — светодиод просто не засветится. Однако бывают схемы,
где при подключении в неправильной полярности светодиод сгорит
так быстро, что вы не успеете сказать «Ой!».
Резистор в этой схеме требуется определенный — а именно сопро-
тивлением 390 Ом (специалисты говорят «номинала 390 Ом»). На это
указывает его раскраска — оранжевая, белая и коричневая полоски.
Запомнить значение цвета каждой полоски очень сложно (поищите
эти сведения в Приложении 1), и еще проще что-нибудь напутать,
потому каждый резистор перед подключением лучше проверить,
измерив его сопротивление мультиметром. Вообще-то сопротивление
резистора в этой схеме можно менять в довольно больших пределах:
примерно от 100 до 700 Ом, от этого будет зависеть только яркость
свечения светодиода и расход энергии от батареек. 390 Ом как раз
среднее значение, при котором и светодиод светит достаточно ярко,
и батарейки не перегружаются.
Попробуйте поменять красный светодиод (если вы начинали именно
с него) на другие цвета. Не забывайте, что длинный вывод светодиода
каждый раз должен контачить с резистором, подсоединенным к плюсу
батареек, а короткий — прямо к их минусу. Вы увидите, что все свето-
диоды светятся примерно одинаково, хотя, возможно, синий и белый
будут светиться немного слабее красного, зеленого и желтого — для
них сопротивление резистора можно уменьшить до 300-330 ом.
Принципиальная схема нашего устройства показана на рисунке
в начале следующей страницы. С точки зрения инженера-электронщика,
она намного более информативна, чем наглядный рисунок вверху.
Здесь прямо написана величина резистора, видно, куда подключается
положительный и отрицательный выводы светодиода и батареек и
так далее. И рисовать ее, конечно, намного проще, чем наглядную
монтажную схему выше. Когда вы привыкнете к принципиальным
схемам, монтажная схема вам уже будет совсем не нужна, а пока мы
будем приводить и ту и другую.
Проделайте еще одно изменение в собранной нами схеме: отключите
временно выводы блока батареек от схемы и перенесите резистор от
положительного к отрицательному выводу светодиода. Теперь схема у
вас должна быть такой: отрицательный (короткий) вывод светодиода
подключен к резистору, второй вывод резистора — к отрицательному
выводу блока батареек, а положительный (длинный) вывод свето-
диода — напрямую к плюсу блока батареек. Подключите батарейки
заново и убедитесь, что светодиод снова горит, как ни в чем ни бывало.
Позднее вы познакомитесь со свойствами цепей постоянного
тока и узнаете, что к цепи без разветвлений полностью при-
менимо знаменитое правило арифметики: от перемены мест
слагаемых сумма не меняется. Повторим еще раз: полярности
компонентов схемы должны соблюдаться в обоих случаях, то есть
плюс светодиода смотрит в сторону плюса батареек, а минус свето-
диода — в сторону минуса батареек. А вот куда именно там под-
ключен резистор — к плюсу или минусу — совершенно неважно.
И ориентация по отношению к плюсу и минусу для резистора тоже
неважна. Подобные компоненты называют еще неполярными, в
отличие от полярных светодиодов, которые обязательно нужно
подключать к источнику питания определенным образом.
А как включать и выключать такую схему? Неужели каждый раз
выдергивать проводочки из платы? Для того чтобы этого не делать,
в схему надо ввести выключатель. В принципе годится любой, даже
такой, как у вас дома на стенке выключает и включает люстру. Но
он, конечно, слишком велик и неудобен
для такой маленькой схемы, потому мы
применим специальный выключатель,
который часто называют тумблером.
Собранная схема с выключателем-тум-
блером показана на рисунке справа. При
его переключении из одного положения в
другое контакты разрываются или соеди-
няются между собой, при этом светодиод
будет гаснуть или светиться. Большая
часть тумблеров имеет контакты, при-
способленные для пайки подводящих проводов, но мы вместо этого под-
ключаемся к ним с помощью плоских накидных клемм, как показано на
рисунке. Одной стороной такая клемма плотно надевается на контакт,
а вторая сторона представляет собой то или иное приспособление для
закрепления провода — чаще всего это просто трубочка, в которой конец
провода со снятой изоляцией зажимается плоскогубцами или специальным
инструментом — кримпером.
По выведенному нами правилу «от перемены мест слагаемых
сумма не меняется» тумблер можно устанавливать в любое место
цепи. Но принято его ставить в разрыв положительного провода
питания, идущего непосредственно от источника (в данном случае
блока батареек), как на рисунке. Смысл именно такой установки
в том, что при выключении тумблера не просто разрывается цепь,
но и вся схема оказывается отключенной от источника питания.
Следовательно, нет опасности вызвать нежелательные последствия,
если в схеме что-то замкнуть случайно.
А совсем грамотное подключение было бы, если второй свободной парой
контактов тумблера одновременно разрывать цепь отрицательного про-
вода тоже. Конструкция тумблера на рисунке это позволяет — в нем как
раз две независимых группы контактов. Конечно, куда чаще встречаются
тумблеры и выключатели только с одной парой контактов, тогда при-
ходится обходиться разрывом только одного положительного провода (в
случае сетевых выключателей, которые мы упоминали во вводной главе
книги, полагается разрывать так называемый фазный провод бытовой
электропроводки, хотя, к сожалению, этим часто пренебрегают).
Попробуйте заменить тумблер на кнопку. Обычная кнопка с кон-
тактами на замыкание (типа Off-On) в нормальном состоянии тока
не пропускает. Чтобы заставить светодиод загореться, нужно нажать
на кнопку. Когда вы ее отпустите, светодиод опять погаснет. Бывают
кнопки и с обратным механизмом действия — на размыкание (On-
Off). Если на такую кнопку нажать, то она размыкает цепь и светодиод
гаснет. На основе подобной кнопки устроено освещение в холодиль-
нике: закрытая дверца нажимает на кнопку, и лампочка подсветки не
горит. Стоит открыть дверцу, как лампочка зажигается и горит все
время, пока дверца открыта.
Заметим, что вместо выключателей-тумблеров часто используются
так называемые кнопки с фиксацией: нажатая кнопка защелкива-
ется и остается в таком положении. Чтобы разорвать цепь, надо
нажать на такую кнопку повторно. Во многих случаях кнопки
с фиксацией удобнее обычных перекидных выключателей, но они,
как правило, менее надежны из-за большей сложности механизма.
Принципиальная схема с подключением тумблера или кнопки пока-
зана на рисунке внизу страницы. Тумблер, как и любой другой выклю-
чатель, обычно изображается в виде своих контактов, которые здесь
обозначены как К1. Если надо подчеркнуть конструкцию — например,
тумблер это или кнопка, — обозначение приобретает более сложный
вид, но в основе остается таким же.
Здесь внесено еще одно изменение в сравнении со схемой, которую
мы рисовали ранее, — отрицательный провод показан условно, значком
который носит название «общий провод». Как видите, к этому
общему проводу схема подключается в одной точке, а в другом месте
к тому же общему проводу подключен минусовой вывод батареек.
Зачем такие сложности, если можно просто протянуть проводник от
минуса к схеме, как на рисунке ранее?
Схемы бывают очень сложные, но чаще всего они содержат как
минимум один проводник, который объединяет схему в единое целое —
он-то и называется общим проводом. Иногда общий провод еще
называют «корпусом» или «землей» — мы всегда эти термины будем
заключать в кавычки, и вот почему. Оба этих названия отражают
традиционное назначение общего провода: он действительно нередко
соединяется с металлическим корпусом прибора, а тот, в свою очередь,
имеет вывод для «заземления» устройства — соединения его с насто-
ящей электротехнической землей. Но чаще всего и корпус устройства
не металлический, и соединения для заземления у него нет, потому эти
названия — лишь дань традиции и самое правильное наименование
так и будет: общий провод.
Важно, что все компоненты схемы обязательно оказываются подклю-
чены к этому общему проводу. Обычно, за некоторыми исключениями,
за общий провод принимают минус источника питания. Конечно, ком-
поненты схемы также обязательно подключаются и к плюсу питания.
Но источников питания может быть много, и у каждого из них будет
свой плюс или даже иногда минус, как мы увидим далее в этой книге.
А общий провод на то и общий, что он всегда один и тот же для всех
компонентов схемы. Одна из целей введения такого обозначения —
сократить количество линий на принципиальной схеме, ведь в сложных
схемах их может быть так много, что и без того легко запутаться.
Подробности для любознательных: батарейки или сетевой
адаптер?
Что лучше выбрать для питания нашей схемы со светодиодом —
батарейки или сетевой адаптер? Ответ напрашивается: батарейки
постепенно истощаются, и их потом приходится выбрасывать, а
сетевые адаптеры работают всегда, пока есть электричество. Зато
с сетевыми адаптерами вы всегда привязаны к розетке, а с бата-
рейками можно отправляться куда угодно. Никто ведь не будет
навсегда подключать к адаптеру мобильный телефон, правда? Но
окончательный ответ зависит не только от этих причин, но и от
самого устройства — насколько много оно потребляет электриче-
ства. Несложно привязать к адаптеру, например, пульт управления
телевизором — он ведь все равно всегда находится поблизости от
розетки. Когда-то только такие — проводные — пульты и были,
только подключались они не к розетке, а к самому телевизору.
Но сейчас этого не делают не только потому, что таскать за собой
хвост из провода неудобно, но и потому, что пульт потребляет
настолько мало электроэнергии, что маленькой батарейки там
хватает на несколько лет и сетевой адаптер оказывается просто
не нужен. А если все-таки устройство нужно все время таскать
с собой, но потребляет оно много, то вместо батареек ставят
перезаряжаемые аккумуляторы. Так поступают с мобильными
телефонами и планшетами, а также с автономными электроин-
струментами и другой переносной (мобильной) техникой.
УФ-фонарик для новогоднего праздника
Так как вы научились включать светодиоды и немножко познакоми-
лись с их особенностями, то теперь можете применить свои знания
на практике. Есть такая разновидность светодиодов, которая светит
невидимым ультрафиолетовым (УФ) светом. В этих лучах начинают
сверкать в темноте некоторые краски, лаки для волос, специально об-
работанная бумага, елочные игрушки и даже питьевые жидкости (к
таким относится, например, всем известный тоник). Свечение таких
светодиодов обычно не полностью невидимое (к нему подмешивается
синий цвет), но видимая часть света не очень яркая и создает особую
атмосферу таинственности.
Приобрести такие светодиоды, а заодно светящиеся краски и бумагу
можно в интернет-магазинах. Не перепутайте: в продаже есть мощные
осветительные УФ-светодиоды (они, например, применяются для улуч-
шения роста растений), а нам нужны именно маломощные, подобные
по внешнему виду тем, что мы применяли в нашем эксперименте.
Можно опробовать такой светодиод в нашей схеме. А законченную
конструкцию очень просто сделать из фонарика, в котором применя-
ются белые светодиоды такого же размера (как правило, их там от 6
до 12 штук).
Разберите фонарик и просто замените
белые светодиоды на ультрафиолетовые.
Единственная сложность в этом деле —
определить, где у старых светодиодов был
плюс, а где минус — выводы-то у них
укороченные. Это можно проследить по
подключению батарейки или с помощью
мультиметра, как описано в разделе «Мультиметр» во вводной главе
книги. Если старые светодиоды придется отпаивать, а новые — при-
паивать, а паять вы еще не научились, то попросите помочь с этой
операцией кого-нибудь из старших товарищей.
Эксперимент 2. Регулировка
яркости светодиода с помощью
переменного резистора
Необходимые материалы
Светодиод суперяркий, желтого, синего или зеленого свечения,
диаметром 5 или 10 мм — 1 шт.
Резистор 220 Ом — 1 шт.
Потенциометр (переменный резистор) 20 кОм — 1 шт.
Сетевой адаптер 5 вольт — 1 шт.
Суперяркий светодиод, включенный по схеме, которую мы разбирали
в предыдущем эксперименте, будет гореть так ярко, что захочется его
немного притушить. Как можно регулировать яркость светодиода?
Попробуем это сделать методом, что называется, «в лоб». Для этого
можно, например, менять сопротивление резистора. Сопротивление
резистора, равное нулю, равносильно установке вместо него прово-
лочной перемычки или замкнутых контактов выключателя-тумблера.
Светодиод окажется подключенным напрямую к источнику питания
и, скорее всего, сгорит. Наоборот, сопротивление резистора, равное
бесконечности, равносильно разомкнутым контактам выключателя —
светодиод гореть не будет.
А что будет в промежутке, если постепенно повышать значение
сопротивления? Светодиод будет светиться все тусклее — а это-то нам
и надо! Для этого потребуется компонент, который «умеет» плавно
менять значение своего сопротивления —
переменный резистор. Устройство пере-
менного резистора показано на рисунке
справа. Он состоит из неподвижного
резистивного слоя, по которому пере-
двигается ползунок, связанный с ручкой.
Переменный резистор часто именуют
потенциометром, хотя, строго говоря,
так называется только один из вариантов
его включения (с ним мы познакомимся
в главе 2). Существуют и переменные
резисторы, в которых ползунок двига-
ется по прямой, они называются движко-
выми или ползунковыми (рисунок слева).
С точки зрения электронщика, круглые
и ползунковые переменные резисторы друг
от друга ничем не отличаются, потому
можно выбирать ту конструкцию, которая
удобнее.
Блок батареек в качестве источника
питания нам теперь заменит сетевой
адаптер, который включается в специ-
альный разъем. Поскольку разницы, откуда
поступает электричество, нет никакой, то
в дальнейшем мы не будем загромождать
схемы блоками батареек, а вместо них
будем рисовать такой разъем. Необходимое напряжение сетевого
адаптера всегда будет указано на принципиальной схеме.
Соберем простую схему, показанную на рисунке внизу страницы.
На монтажной схеме разъем для подключения адаптера показан в
виде черного прямоугольника с молнией. По сравнению с самой
первой схемой в предыдущем разделе (см. рисунок на странице 27)
здесь добавился еще один элемент — переменный резистор R2. Он
включен между постоянным сопротивлением и источником питания.
Включен он хитрым образом: как мы видели, у переменного резистора
три вывода, и в данном случае два из них соединены между собой
и с минусом источника питания.
Почему резистор R2 включен именно так, можно понять из рассмо-
трения принципиальной схемы (см. рисунок на следующей странице).
Здесь переменный резистор выглядит куда
нагляднее, чем на рисунке монтажной схемы.
Он состоит из неподвижной части с двумя
выводами и ползунка, на который надета ручка
для вращения. При перемещении ползунка
по резистивному слою величина сопротив-
ления между выводами от неподвижной части
и выводом ползунка меняется. Соединив вывод
ползунка с одним из выводов, как это сделано
на схеме, мы превращаем его просто в пере-
менный резистор с двумя выводами.
От того, между какими именно выводами стоит перемычка, зависит
реакция на вращение ручки в ту или другую сторону. В данном случае
(когда перемычка между центральным и левым по рисунку выводом)
сопротивление будет уменьшаться при вращении ручки вправо — по
часовой стрелке. Соответственно, в этом направлении светодиод будет
набирать яркость, а при вращении против часовой стрелки — гаснуть.
Чтобы изменить направление, при котором светодиод меняет яркость,
нужно переставить перемычку к другому контакту неподвижной части
резистора. Обратите внимание, что простой переворот резистора R1
на 180 градусов, когда установленная перемычка окажется со стороны
постоянного резистора R1, а не источника питания (что равносильно
перевороту R1 на принципиальной схеме), — ничего не изменит, яркость
светодиода все равно будет падать при повороте ручки по часовой
стрелке. Решающее значение имеет именно установка перемычки.
А зачем мы оставили постоянный резистор R2? Что ж, если вам не
жалко светодиода, то попробуйте R2 удалить и заменить перемычкой.
Тогда в крайнем положении ползунка (в данном случае крайнем правом,
или нижнем по принципиальной схеме) источник питания окажется
накоротко замкнутым на светодиод. Кто-то из них не выдержит такого
издевательства — скорее всего, это будет светодиод, но не исключено,
что пострадает и источник. И очень может быть, что переменному
резистору тоже в этом случае придется несладко.
Подробности для любознательных: что такое ток и напря-
жение и как они связаны между собой
Простая схема, над которой мы столько размышляли, хорошо
иллюстрирует одну из важнейших закономерностей в электро-
нике — связь между током и напряжением. Кстати, а что такое
вообще ток — ведь до сих пор мы с этим понятием ни разу не
сталкивались? Напряжение мы все интуитивно представляем,
потому что с раннего детства слышим про сетевое напряжение
ш w 220 вольт или о том, что у плейера «оконча-
тельно село напряжение батарейки». А вот
про ток мы только слышали название, но
никакого представления о нем обыденная
жизнь не дает.
Представьте себе водопроводную трубу,
по которой течет вода. Для того чтобы
она потекла, ее что-то должно подталки-
вать. В водопроводе ее толкает давление,
которое создается на насосной станции.
Чем больше это давление, тем мощнее
поток воды, тем большее количество ее
протекает через трубу за секунду. Вместо
насоса можно просто поднять большой
бак с водой повыше, и вода пойдет по
трубе самотеком — так устроены, например, старые сельские
водокачки.
В проводнике с током все происходит точно так же. Только роль
давления здесь играет напряжение, а роль потока воды — элек-
трический ток. Ток — это направленное движение электрических
зарядов под действием напряжения, которое в таком случае назы-
вают еще разностью потенциалов. Напряжение в нашей аналогии
с водопроводом — это высота водокачки на землей. Чем выше
стоит бак (больше напряжение), тем больше может протечь воды
через трубу за определенный промежуток времени (то есть тем
больше ток). А вот сколько именно ее протечет (какова величина
тока в цепи) — определяется толщиной трубы (сопротивлением
проводника).
В науке гидравлике, изучающей течение воды, величина, анало-
гичная сопротивлению резистора, называется точно так же —
сопротивление потоку. В этой аналогии очень наглядно можно
себе представить и общий провод (открытый конец трубы) и пере-
менный резистор (кран, перекрывающий воду) и даже батарейки
(одноразовая бутыль с водой) или аккумуляторы (бак, который
можно наполнять неоднократно).
Связь между напряжением, током и сопротивлением можно
представить несложной формулой: U = I*R (величина тока I
в амперах, умноженная на сопротивление резистора R в омах, равна
напряжению U в вольтах). Формулу эту называют еще законом
Ома, по фамилии Георга Ома, немецкого ученого, который вывел
ее в начале XIX века. Обычно у нас заданы напряжение и сопро-
тивление резистора, тогда ток можно определить преобразованием
Закон Ома
этой формулы: I = U/R. И наоборот,
если задано напряжение и необходимо
получить определенный ток, то нужное
сопротивление резистора подсчитыва-
ется по формуле R = U/L
Величина постоянного резистора
в схеме регулятора яркости равна
220 Ом, напряжение питания равно
5 вольт. Значит, самый большой ток
через светодиод в этой схеме (в крайнем положении переменного
резистора) будет равен 5/220 = 0,022 ампера? Это не совсем
так, потому что на светодиод (как и вообще на любую нагрузку в
электрической сети) тоже приходится часть напряжения, которая
в таком случае называется падением напряжения. На всех мало-
мощных светодиодах падение напряжения составляет от 1,5 до
3 вольт, в зависимости от типа светодиода и величины тока. Примем
значение этого падения напряжения равное 2 вольтам, тогда на
резистор из 5 вольт останется всего 3. Из этой величины мы и
получаем реальное значение максимального тока при выкрученном
переменном резисторе: 3/220 = 0,013 ампера, или 13 миллиампер.
Обратите внимание, что на схемах просто омы, без приставки,
часто не указывают вообще: просто 390 означает 390 Ом. Нередко
сопротивления резисторов в электронике лежат в области килоомов
или даже мегаомов. 1 килоом (кОм) = 1000 ом (Ом), 1 мегаом
(МОм) = 1000 кОм. Поэтому в миллиамперах (тысячная часть
ампера) или даже в микроамперах (миллионная часть ампера) ток
также измеряют довольно часто: 1 вольт (В) на сопротивлении
1 килоом даст ток в 1 миллиампер (мА), а 1 вольт на сопротив-
лении 1 мегаом даст ток в 1 микроампер (мкА).
Стоит заметить, что яркость больших осветительных светодиодов
регулируют совсем не так — наш простейший метод применим только
к маломощным светодиодам. Дело в том, что наша схема крайне
неэкономична: в ней «лишняя» энергия никуда не исчезает, а греет оба
резистора. Для маленького сигнального светодиода это несущественно.
А в случае светодиода большой мощности на этом резисторе будет
выделяться значительная мощность, что приведет к пустым потерям.
К тому же придется выбирать переменный резистор большого раз-
мера, иначе он просто перегреется и сгорит. С тем, как регулировать
яркость правильно, мы познакомимся позднее, при изучении логиче-
ских микросхем и таймеров.
Подробности для любознательных: что такое мощность
в электрической цепи
Мощность измеряется в ваттах: 1 ватт равен 1 джоулю энергии
в 1 секунду. Мощность — это скорость поглощения или выде-
ления энергии в единицу времени. Чтобы получить количество
энергии Е (джоули), надо мощность Р (ватты) умножить на
время t (секунды): Е = Рч. В быту количество электрической
энергии меряют в киловатт-часах — если разобраться,, то это
тоже мощность, умноженная на время, только результат полу-
чается в другом масштабе: 1 киловатт-час равен 3,6 миллиона
джоулей.
Поясним разницу между энергией и мощностью на таком при-
мере. Бегун-спринтер при забеге на стометровку может развивать
скорость более 10 метров в секунду, но ненадолго. Мощность,
которую развивает обычный человек при ходьбе со скоростью
один метр в секунду, разумеется, намного меньше. Но энергии за
час ходьбы ходок потратит куда больше, чем этот спринтер: его
энергия затрачивается малыми порциями, но в течение большого
времени. Еще большую мощность, чем спринтер, развивает кара-
тист, ломающий кирпичи ребром ладони, но в течение совсем
короткого промежутка времени в доли секунды. Общее количество
энергии, затраченное каратистом, при этом настолько мало, что
он даже не вспотеет.
Удар молнии весьма впечатляет, и он действительно несет
огромную мощность, измеряемую сотнями миллионов киловатт.
Но длится он всего тысячную долю секунды (миллисекунду),
потому молния способна ломать деревья, но не может разру-
шить сколько-нибудь серьезное строение: общего количества
энергии недостаточно. Разницу между энергией и мощностью
надо понимать очень четко: даже взрослые дяди, пишущие статьи
в Интернете, не всегда понимают разницу между киловаттами
(мощность) и киловатт-часами (количество энергии, за которое
В электрической цепи выделяющаяся
мощность вычисляется по закону
Джоуля—Ленца, столь же простому, как
и закон Ома: Р = U*I (мощность Р
в ваттах равна напряжению U
в вольтах, умноженному на ток I
в амперах). Покажем, как пользоваться
этой формулой на примере нашей схемы
регулятора яркости. Если максимальный
мы платим по счетчику).
Закон Джоуля-Ленца
ток в цепи регулятора яркости, как мы вычислили ранее, равен
13 мА при напряжении на нем 3 вольта, то выделяющаяся на
резисторе R2 мощность будет равна 0,013*3 = 0,039 ватта (Вт),
или 39 милливатт (мВт). Если же взять осветительный светодиод
мощностью 1 Вт, падение напряжения на котором составляет
3 вольта, то для него необходимая величина тока будет уже равна
0,3 ампера. Соответственно, выделяющаяся мощность на резисторе
будет равна 0,3* (5-3) = 0,6 ватта. А предельная допустимая мощ-
ность обычных резисторов равна 0,25 ватта, то есть при такой
мощности он перегреется и быстро сгорит. Кстати, для тренировки
можете попробовать посчитать, какое сопротивление резистора
понадобится, чтобы обеспечить ток в 0,3 ампера, исходя из этих
данных (ответ: 6,6 ома — проверьте!).
Регулируемый ночник
На основе суперяркого светодиода большого размера (диаметром
10 мм) можно при помощи нашей схемы легко соорудить регулируе-
мый ночник. Только не ошибитесь и не купите мощный осветитель-
ный светодиод — для данной конструкции он решительно не подой-
дет. Цвет свечения можно выбирать по вкусу: для ночника, наверное,
лучше подойдет желтый, зеленый или синий цвет.
Возьмите маленькую непрозрачную пластиковую бутылочку из-под
«энергетического» напитка и аккуратно разрежьте ее по линиям, пока-
занным на рисунке справа. После этого верхняя
часть должна надеваться на нижнюю и прочно
держаться на ней. В пробке просверлите отверстие
10 мм диаметром и вставьте в него светодиод так,
чтобы он торчал из пробки вверх основной частью
корпуса. Если светодиод держится непрочно, то
закрепите его капелькой клея.
Переменный резистор вставьте в отверстие
в боковой поверхности корпуса верхней части
бутылочки. Закрепить его можно прилагающей
к нему гайкой или кусочком «алюминиевого»
сантехнического скотча изнутри. Наденьте на линии
него подходящую ручку (разнообразные ручки ₽аз₽еза
для резисторов можно найти в интернет-мага-
зинах или в «Чипе-Дипе»). Полностью собранная
конструкция должна выглядеть примерно так,
как на рисунке на следующей странице слева.
Соединения деталей в соответствии со схемой можно сделать
с помощью соединительных проводов типа «гнездо-гнездо», которые
легко найти в продаже (см. рисунок вверху справа). Вывод компонента
вставляется в гнездо на проводе и держится в нем не хуже, чем в
отверстии макетной платы.
Для питания схемы здесь лучше всего приобрести блок для батареек
на три элемента типа АА (подобный блок на четыре элемента типа ААА
мы применяли в Эксперименте 1). При максимальной яркости свето-
диода таких батареек должно хватить более чем на 200 часов свечения,
или примерно на месяц работы по 8 часов в сутки. Учитывая, что при
максимальной яркости ночник, скорее всего, использоваться не будет,
одного комплекта батареек должно хватить на гораздо больший срок.
Эксперимент 3. Переключатели
и их применение: изобретаем
светофор и дистанционное
освещение
Наверное, вы обратили внимание, что тумблер, нарисованный на картинке
к Эксперименту 1 (на странице 29), имеет контактов больше, чем было
необходимо в той схеме. Мы его использовали только как выключатель,
то есть понадобилось всего два вывода, которые соединяются
и разъединяются, в зависимости от состояния тумблера.
На самом деле показанный на том рисунке тумблер имеет более сложную
конструкцию: в одном положении центральный вывод замкнут с одним из
крайних выводов, а в противоположном с другим. То есть он может служить
переключателем. Такой тумблер электронщики еще зовут «перекидным» -
он как бы «перекидывает» ток с одного направления на другое.
Существуют и другие конструкции переключателей. Вы наверняка встре-
чали ползунковые переключатели (см. рисунок справа). Они самые
дешевые, но не самые надежные, потому в ответ-
ственную аппаратуру их не ставят, а вот в быту их .
можно встретить довольно часто. Они работают так
же, как показанный ранее тумблер, только устроены >
гораздо проще.
А теперь перейдем к практическому применению
переключателей.
Светофор
Необходимые материалы
Светодиоды красного, желтого и зеленого свечения, диаметр
5 мм — по 1 шт.
Резисторы 220 Ом — 3 шт.
Сетевой адаптер 5 вольт — 1 шт.
Гнездо сетевого адаптера с винтовыми зажимами — 1 шт.
Тумблер или ползунковый переключатель с клеммами — 2 шт.
Для начала с помощью таких пере-
ключателей мы соорудим светофор.
От настоящего уличного он будет
отличаться только размерами: в на-
стоящем для свечения применяются
лампы или круглые панели, состав-
ленные из большого количества све-
тодиодов. А у нас будет только по
одному светодиоду каждого цвета —
то есть это будет макет светофора.
Соберите схему, показанную на
рисунке слева. Не ошибитесь —
отрицательные выводы светодиодов
соединены между собой и подклю-
чены к минусу источника питания. Положительные выводы через
резисторы подключены к контактам переключателей в определенном
порядке. Чтобы в нем разобраться, обратимся к принципиальной
схеме (рисунок внизу).
Здесь можно проследить путь тока от положительного вывода источ-
ника питания. При положении переключателей, показанном на схеме,
ток пойдет по такому пути: средний вывод переключателя К1 — нижний
вывод К1 — средний вывод К2 — нижний вывод К1 — резистор R3 —
желтый светодиод (нижние выводы по принципиальной схеме соот-
ветствуют левым на монтажной схеме). То есть ток в таком положении
поступает на желтый светодиод, и он зажигается. Если переключить
переключатель К2, то загорится красный светодиод (он и должен
гореть после желтого). Если же переключить К1, то переключатель К2
вообще перестанет участвовать в схеме и загорится зеленый светодиод.
У светофоров сигналы разных цветов всегда размещаются сверху вниз
в порядке красный-желтый-зеленый. А вот включаются они в обратном
порядке: желтый обязательно горит 1-2 секунды после зеленого перед
красным, чтобы машины успели затормозить. А вот после красного его
включают не всегда — как правило, зеленый включается сразу после
красного. Поэтому, чтобы повторить цикл переключения, в то время,
когда горит зеленый, вы должны переключить тумблер К2 обратно,
чтобы подготовить его к включению желтого, а не красного.
Если у вас тумблер другой конструкции, чем показан на рисунках
в этой книге, то следует учесть, что положение рычажка не всегда
указывает на то, какие именно контакты замкнуты. Обычно рычажок
(«клювик» тумблера) смотрит в сторону контакта, замкнутого с цен-
тральным. Но у некоторых разновидностей бывает наоборот: замыка-
ется противоположный контакт.
Представьте, что вы полицейский, разгребающий автомобильную
пробку. Когда на перекрестке скапливается много машин и возникает
пробка, нередко действительно приезжает полицейский из ГАИ и пере-
ключает светофор в режим ручного управления. Ручное управление и
делается на таких тумблерах.
Как нужно переработать схему на переключателях, чтобы управлять
четырехсторонним светофором на перекрестке двух улиц? Можно
просто использовать сдвоенные тумблеры (на два направления пере-
ключения), соединив их так, чтобы когда включается красный в одном
направлении, в перпендикулярном загорался зеленый, и наоборот.
При этом будет исключена ситуация, когда в обоих перпендикулярных
направлениях горит один и тот же свет. А вот для желтого можно было
бы в принципе оставить те же контакты, тогда он будет загораться в
обоих направлениях одновременно. Однако, как вы видите, при этом не
удастся избежать ситуации, когда после красного тоже горит желтый,
чего нам не требуется. Проще всего для второго желтого как-то при-
строить еще один тумблер (подумайте, как это можно сделать?), но
при длительном управлении четырьмя тумблерами вручную человек
быстро устанет и неизбежно начнет совершать ошибки.
Потому обычно светофоры работают в автоматическом режиме —
сначала для этого в них встраивали реле времени (таймеры), потом
стали делать на электронных счетчиках, что гораздо удобнее, —
в главе 3 вы познакомитесь с такой схемой. Конечно, конструкторы
современных светофоров в конце концов перешли на микропроцес-
соры, как наиболее универсальное и удобное средство. Кстати, одним
из практических применений микропроцессора 8080 — первого
микропроцессора, заслужившего популярность среди разработчиков
электронных схем, — было именно управление уличными светофорами.
В некоторых городах светофоры управляются от единого компьютера,
установленного в Центре управления дорожным движением.
Дистанционное освещение
Необходимые материалы
Автомобильная лампочка 12 В, 1-2 ампера — 2 шт.
Сетевой адаптер 12 вольт — 1 шт.
Тумблер или клавишный переключатель с клеммами — 2 шт.
Провода со штекерами типа «штырь» и «гнездо».
На рисунке внизу изображена принципиальная схема дистанционного
включения и выключения освещения. Она обладает одним интересным
свойством: если переключатели К1 и К2 находятся в одном и том же
положении (например, оба вверх или оба вниз), то лампочка горит,
если в противоположном — она погашена. Таким образом, если раз-
местить К1 и К2 в разных местах, то, включив лампочку одним из
переключателей, вторым мы можем ее выключить и наоборот.
Длина проводов между переключателями при этом может быть
в принципе сколь угодно большой — на схеме они поэтому показаны
пунктиром. Схему можно, например, применить на садовом участке:
К2 разместить рядом с лампочкой около калитки, а К1 вместе с адап-
тером питания внутри домика около входной двери. Покидая участок
в темноте, вы включаете освещение у калитки переключателем в доме,
а потом гасите его переключателем на выходе с участка. Приходя на
участок зимой вечером, когда темнеет рано, вы делаете то же самое,
но в обратном порядке.
• В этом способе применительно к садовому участку или загородному •
• дому есть и еще одно преимущество. Устройство освещения на :
: улице от бытовой сети — непростая задача даже для грамотного :
• электрика. Но так как мы не используем высокое сетевое напря- :
жение, то в нашем случае об особых мерах безопасности можно •
: не беспокоиться. Единственное, о чем следует подумать, — чтобы :
адаптер питания подключался к розетке в защищенном от сырости :
• месте внутри дома. Ну и конечно, переключатели с лампочкой ;
• должны быть защищены от дождя и снега. •
В качестве лампочки L1 здесь можно использовать любую маломощную
автомобильную лампочку: от освещения салона, от сигналов поворота
и т. п. (не подойдут только лампы от фар — они чересчур мощные).
Для них годится адаптер питания на 12 вольт с током нагрузки 1-2
ампера. Плюс и минус на схеме не обозначены, потому что для лам-
почки полярность питания значения не имеет. В отличие от светодиода
лампочку можно питать и переменным током, просто адаптеры для
постоянного тока чаще встречаются в продаже. Для удобства можно
взять готовую автомобильную лампу-переноску, только следует про-
следить, чтобы ее электрическая мощность не превышала примерно
10-15 ватт (иначе придется искать адаптер помощнее указанного).
К сожалению, обычные выключатели вместо переключателей К1
и К2 здесь использовать нельзя — бытовые выключатели всегда имеют
только два контакта для простого замыкания цепи. Вместо неудобных
для закрепления на стенке тумблеров можно приспособить автомо-
бильный клавишный переключатель (см. рисунок внизу справа) — он
вставляется в точно подогнанное прямоугольное отверстие, которое
можно выпилить в фанерной или пластиковой коробочке-корпусе
и имеет выводы под обычные ножевые автоклеммы.
В качестве проводников, соединяющих переключатели между собой,
удобно использовать трехжильный гибкий провод-шнур (такой при-
меняется для подключения настольных лампочек) — самый тонкий
из тех, что сможете найти в продаже,
сечением не более 0,75-1 мм. Провода
с жестким одножильным проводом при-
менять неудобно: их будет очень трудно
подключить к переключателям. Способ
закрепления клемм на проводе показан
на рисунке клавишного переключателя
слева внизу. Для разветвления проводов в
клемму можно зажать сразу два провода.
Подробности для любознательных: переключатель как логи-
ческий элемент
Логическими операциями занимается дисциплина под названием
«математическая логика» — точнее, ее раздел под названием
«алгебра высказываний». Ее чаще называют булевой алгеброй
по имени придумавшего ее математика XIX века Джорджа Буля.
Булева алгебра во многом даже проще обычных арифметики
и алгебры, потому что числа и переменные в ней могут иметь
не десять разных значений, а всего два: «правда» и «ложь».
По-английски они пишутся как true и false — обозначения, хорошо
знакомые тем, кто изучал языки программирования. В электро-
нике же вместо таких словесных обозначений используют еще
более простые: логическую единицу и логический ноль.
Логический элемент — устройство, которое выполняет логические
операции над логическими переменными. Основных логических
операций немного (подобно тому, как в арифметике всего четыре
основных действия над числами), и более подробно мы их будем
изучать в главе 3, когда перейдем к цифровым микросхемам. Здесь
же мы попытаемся понять, какую именно логическую операцию
выполняет рассмотренная схема дистанционного управления
освещением.
Два положения выключателя или переключателя также можно
обозначить логической единицей и логическим нулем. Для про-
стых выключателей естественно за логическую единицу принять
состояние, когда цепь замкнута, а за логический ноль — когда
разомкнута. Для переключателей то же самое будет выглядеть
несколько сложнее: для схемы на странице 44 положение контакта
переключателя вниз будем считать нулем, а вверх — единицей.
Соответственно, когда лампочка на конце цепи горит, будет также
состоянием логической единицы, а когда погашена — нулем. Как
же представить нашу цепь в виде логического элемента, выпол-
няющего логическую операцию?
Любой логический элемент имеет входы и выходы, которые могут
принимать значения единицы или нуля. В данном случае входов
два — состояния переключателей, а выход всего один — состояние
лампочки. Для нашего случая можно нарисовать такую табличку:
Вход 1 (переключатель К1) Вход 2 (переключатель К2) Выход (лампочка)
1 1 1
1 0 0
0 1 0
0 0 1
Подобные таблицы имеются для всех разновидностей логических
элементов и получили специальное название: таблицы состояний
(или таблицы истинности). Как видим, наша табличка отражает
основное свойство схемы управления освещением, как логического
элемента: лампочка горит тогда, когда переключатели находятся
в одном положении — либо оба ноль, либо оба единица. Эта
табличка и будет описанием логической операции, выполняемой
нашей схемой.
Воспроизведенная в табличке операция в математической логике
носит специальное название «исключающее ИЛИ». Несмотря на
кажущуюся простоту, она играет большую роль в электронике —
без «исключающего ИЛИ» не обходятся схемы шифрования, выпол-
нения арифметических операций, исправления ошибок в линиях
передачи и многие другие. С другими логические элементами мы
познакомимся в главе 3.
Описав схему таким образом, мы теперь вместо тумблеров
и лампочки можем подставить в нее любые другие элементы, лишь
бы они обладали теми же свойствами. Зная состояния входов и
выходов, мы можем строить из простых логических элементов
самые сложные системы, осуществляющие логические операции.
Всем известным примером таких систем является компьютер —
он тоже построен из многих миллионов элементарных логических
элементов.
gn ШЁЖ «и
Схемы, которые разбираются в этой главе, можно назвать живыми.
В них все время что-то мигает, звучит или переключается - они как-то
себя ведут и даже совершают поступки. Причем эта жизнь иногда
протекает совершенно независимо от действий человека: про такие
схемы говорят, что они автоматические. На основе подобных конструкций
много десятилетий назад были созданы первые в истории устройства
автоматики - сначала в промышленности, а потом и в быту. Конечно,
сейчас многие такие задачи перекладывают на плечи маленьких
компьютеров - микроконтроллеров. Но сделать то же самое с помощью
нескольких копеечных деталей может быть и проще и интереснее.
Эксперимент 4. Конденсаторы
и простейший таймер
Пора нам познакомиться еще с одним важнейшим компонентом элек-
тронных схем — конденсатором. Самый простой конденсатор — это
две металлических пластины (обкладки) с небольшим промежутком
между ними, заполненным изолятором. Именно так был устроен первый
в истории конденсатор, изобретенный голланд-
ским ученым Питером ван Мушенбруком и его
учеником Кюнеусом в 1745 в городе Лейдене и с
тех пор называемый «лейденская банка». Устрой-
ство лейденской банки показано на рисунке XVIII
века справа. Питер ван Мушенбрук обклеил сте-
клянный сосуд снаружи и внутри тонкой оловян-
ной фольгой, которая играла роль обкладок А и В,
а стекло выполняло роль изолятора.
В настоящее время, конечно, таких прими-
тивных конденсаторов уже никто не употре-
бляет. Обычные для электроники типы кон-
денсаторов — керамические и электролити-
ческие — имеют гораздо меньшие размеры
(см. рисунок на следующей странице вверху).
Обратите внимание, что конденсатор электро-
литического типа (на рисунке слева) имеет
определенную полярность при подключении:
отрицательный вывод обозначен на его корпусе большим жирным
минусом.
Подробности для любознательных:
характеристики конденсаторов
Главная характеристика конден-
сатора — величина его емкости,
которая измеряется в фарадах (Ф).
Чем ближе пластины и чем больше
их площадь, тем выше величина
емкости. Величина емкости в одну
фараду очень велика: примерно
такую емкость имеет шар раз-
мером с Землю. И хотя конденса-
торы с емкостями в единицы фарад
вполне нормального размера выпу-
скаются промышленностью (они называются ионисторами), :
для обычных в электронике конденсаторов емкости измеряются :
микро- и нанофарадами, то есть миллионными и миллиардными *
долями фарады* Нередко применяются еще более мелкие еди- •
ницы: пикофарады — доли фарады в тысячу раз меньшие, чем :
миллиардные. 1 микрофарада (мкФ) — 1000 нанофарад (нФ), :
1 нанофарада (нФ) = 1000 пикофарад (пФ). •
Разнообразие типов конденсаторов гораздо больше, чем резисторов. •
Как мы говорили выше, в основным в электронике применяются :
керамические и электролитические конденсаторы (причем для :
электролитических конденсаторов необходимо соблюдать поляр- •
ность при подключении). Однако сами эти типы тоже имеют •
разновидности: например, электролитические бывают обычные :
(алюминиевые) н танталовые или ниобиевые, отличающиеся :
повышенной стабильностью и надеж-
ностью. Электролитические имеют
емкость от единиц до сотен тысяч
микрофарад, керамические — от
единиц пикофарад до единиц микро-
фарад. Кроме этих типов, часто при-
меняются пленочные конденсаторы,
отличающиеся обычно высоким
рабочим напряжением (рисунок
справа). Они часто применяются в
конструкциях электроинструмента
или бытовой техники. Учтите, что
цвет корпуса ничего не означает: скажем, керамические конден-
саторы могут как желтыми, так и синими или зелеными, разницы
между ними нет никакой.
На схемах очень часто микрофарады обозначают просто запятой:
3,3 (3,3 мкФ), 10,0 (10 мкФ), а пикофарады, как и омы, иногда
не пишут вообще: просто 33 означает 33 пФ. Для конденсаторов
больших размеров значение емкости часто прямо пишут на кор-
пусе: 1000 мкФ (ju.F), 6,8 н (сокращенное от нанофарад, п), 47 пФ
(п, pF, р). Для маленьких размеров иногда употребляют цветной
код, аналогичный резисторам (см. Приложение 1, только в случае
конденсаторов за единицу принимается пикофарада). Но чаще
конденсаторы обозначают цифрами в условном коде, где первые
две цифры обозначают значение емкости из стандартного ряда
(без запятой), в третья — количество нулей, которое нужно при-
бавить к значению емкости, чтобы получить его в пикофарадах.
Например, надпись 152 будет означать 15 плюс два нуля, то
есть 1500 пикофарад, или 1,5 нанофарады. 150 будет означать
15 плюс ни одного нуля, то есть просто 15 пикофарад. Надпись 101
означает 100 пикофарад, а надпись 105 — 1 000 000 пикофарад,
или 1 микрофараду. Если вдруг встретите обозначение с цифрой
9 на конце, то не пугайтесь - это исключение из общего правила,
и девятка значит, что емкость меньше 10 пикофарад: 689 — это
6,8 пикофарад.
0 сокращениях единиц измерения
Вы наверное, обратили внимание, что сокращения единиц изме-
рения мы большей частью пишем с большой буквы. Международное
правило гласит, что единицы измерения, названные по фамилиям
ученых (Ампер — Ampere, Вольт — Volts, Фарада — Farad, Ом —
Ohm, Ватт — Watt), в сокращении пишутся с большой буквы:
А, В (V), Ф (F), Ом (Q), Вт (W). Обычные единицы измерения
с исторически сложившимися названиями (метр — meter, секунда —
second) пишутся с маленькой буквы: м (m), с (s). Кратные при-
ставки, если они больше тысячи, пишутся с большой буквы: МОм
(мегаом, MQ). Приставка «кило» пишется с маленькой буквы:
кВ (киловольт, kV), кОм (килоом, kQ). С маленькой буквы также
пишутся все приставки меньше единицы (дольные): мА (мил-
лиампер, mA), мкА (микроампер, цА), мкФ (микрофарада, p,F).
Постарайтесь не запутаться: МОм означает мегаом, а мОм —
миллиом, величину в миллиард раз меньшую.
Так как между пластинами конденсатора изолирующая прокладка, то
понятно, что в цепи постоянного тока он представляет собой просто
разрыв проводника. Но это только в спокойном (установившемся)
состоянии: в первый момент после включения на пластинах конден-
сатора начинают накапливаться электрические заряды, поступающие
от источника питания. А так как ток и есть движение электрических
зарядов, то он начинает течь по проводникам в цепи. Конденсатор не
может запасти бесконечное количество энергии — не больше того,
чем позволяет величина его емкости. По мере увеличения заряда ток
в цепи снижается, причем чем больше сопротивление цепи, тем мед-
леннее спадает величина тока.
В обратном порядке тот же процесс происходит при снятии питания:
если напряжения в цепи нет, но она остается замкнутой, то конден-
сатор с той же скоростью разряжается до нуля. Обратите внимание, что
цепь должна оставаться замкнутой: если просто выключить питание
выключателем (то есть разорвать цепь), то конденсатор останется
заряженным, причем теоретически навсегда. Конечно, в реальности
он в конец концов разрядится из-за утечки заряда через собственный
изолятор, а также через воздух, который очень-очень слабо, но все-
таки проводит электричество (то есть представляет собой резистор
с очень большим сопротивлением). Но тем не менее, чтобы полностью
повторить процесс заряда, перед этим необходимо обеспечить полную
разрядку конденсатора.
Чем больше емкость конденсатора, тем больше ток в самом начале
заряда. Наоборот, чем больше сопротивление цепи, тем меньше этот
первоначальный ток. Длительность процесса заряда тем больше, чем
больше емкость и сопротивление резистора в цепи. Все это вместе
описывается величиной, называемой постоянной времени Т. Она
равна произведению сопротивления резистора R (омы) на емкость С
(фарады). Полученное время (в секундах) будет приблизительно равно
времени заряда или разряда конденсатора через резистор.
Конструируем реле времени (таймер)
Необходимые материалы
Конденсатор электролитический 100 мкФ, 16 В — 1 шт.
Резистор 47 кОм — 1 шт.
Резистор 680 Ом — 1 шт.
Светодиод любой маломощный — 1 шт.
MOSFET-транзистор п-типа (IRLU8256) — 1 шт.
Переключатель (тумблер) с клеммами — 1 шт.
Сетевой адаптер 7-12 вольт — 1 шт.
Эта зависимость заряда конденсатора от времени позволяет с помощью
конденсатора и резистора отмерять промежутки времени — то есть
сделать простейший таймер. Для того чтобы его грамотно построить,
нам потребуется еще один компонент, который мы пока не «проходи-
ли» — полевой (MOSFET) транзистор. Мощный полевой транзистор
вместо обычного (биполярного) в данном случае удобен в том числе
и тем, что позволяет подключать нагрузку в очень широких пределах
изменения ее мощности, не меняя самого транзистора (о транзисторах
см. также Эксперимент 8 в конце этой главы).
Монтажная схема таймера приведена на рисунке слева. Обратите вни-
мание, что от напряжения ровно 5 или 12 вольт мы перешли к питанию
7-12 вольт (подробнее об этом см. раздел «Источники питания» во
вводной главе книги). Для этого требуется увеличенное сопротивление
в цепи питания светодиода. Все схемы,
разобранные в этой главе (кроме схем,
в которых присутствуют автомобильные
лампочки или другие 12-вольтовые ком-
поненты), будут работать и при 5 вольтах,
но в таком случае будет лучше снизить
сопротивления резисторов в цепи свето-
диодов до 220-330 Ом, иначе они будут
светиться слишком тускло.
Три вывода полевого транзистора
называются исток (И), сток (С)
и затвор (3), для простоты их распо-
ложение обозначено на монтажной
схеме. Практически все MOSFET-
транзисторы в одинаковых корпусах
имеют одно и то же расположение выводов, потому оно часто не
приводится на схемах, но мы на первый раз сделаем исключение.
Подробнее транзисторы мы разберем несколько позже, а для пони-
мания этой схемы достаточно сказать, что если затвор соединить
с истоком (неважно, напрямую или через резистор), то транзистор
закроется: промежуток сток-исток будет представлять собой бесконечно
большое сопротивление. Ток через светодиод, соединенный со стоком
и источником питания, не пойдет. Если, наоборот, на затворе повы-
шать напряжение и довести его до напряжения источника питания, то
транзистор откроется — промежуток сток-исток станет представлять
собой малое сопротивление, и светодиод загорится.
На этом принципе и работает наш таймер. Конденсатор С1, как вы
видите из принципиальной схемы (см. рисунок вверху страницы),
вначале замкнут накоротко через контакты переключателя и раз-
ряжен. Если с помощью переключателя К1 переключить верхний по
принципиальной схеме вывод конденсатора к проводу питания, то
конденсатор начнет заряжаться. Напряжение на его нижнем выводе,
подключенном к затвору транзистора, при этом резко подскочит
почти до напряжения питания. Поведение конденсатора в начале
заряда можно представить наглядно так, как будто цепь в месте его
установки замкнута накоротко — ведь если конденсатор разряжен, то
напряжение на его обкладках равно нулю. Транзистор Т1 откроется,
и светодиод загорится.
Постепенно конденсатор зарядится через сопротивление R2 до
напряжения питания, и на затворе транзистора напряжение станет
равным нулю. Транзистор закроется — через резистор R2 ток заряда
больше не течет, и состояние схемы равносильно тому, как если бы мы
просто соединили затвор с истоком через резистор R2. (На самом деле
светодиод погаснет несколько раньше: когда напряжение на затворе
транзистора станет меньше т. н. порогового напряжения данного тран-
зистора, но оно в данном случае мало в сравнении с напряжением
питания, и его можно не учитывать).
Время заряда примерно равно, как мы говорили, произведению емкости
на сопротивление, то есть в данном случае С1 на R2. Чтобы получить
время в секундах, емкость надо выразить в фарадах, а сопротивление —
в омах. Если вы еще не умеете заниматься приведением порядков, то
поверьте, что 47 кОм на 100 микрофарад дадут время около 5 секунд.
Собрав схему и отметив время свечения светодиода с помощью секун-
домера, вы получите результат, близкий к рассчитанному.
А что дальше? А дальше нужно привести схему в исходное состояние:
переключить переключатель обратно в левое по монтажной схеме
положение. Конденсатор очень быстро разрядится через контакты
переключателя, и схема будет ожидать нового включения.
Мы получили классическую схему таймера, или, как его иногда
называют, реле времени. Для доведения конструкции до ума вместо
постоянного резистора R2 нужно поставить пару из постоянного
и переменного резисторов, как в схеме регулятора свечения в главе 1
(см. рисунок на странице 35). Для обеспечения выдержки времени
от 1 до 60 секунд сопротивление постоянного резистора должно быть
10 кОм, а переменного — 620 кОм. Установите всю конструкцию в
корпус с отверстием для переменного резистора, наденьте на него
ручку и рядом наклейте шкалу с делениями, соответствующими изме-
ренным с помощью секундомера интервалам времени включенного
состояния светодиода.
Питание схемы может осуществляться от любого сетевого адаптера
с напряжением от 7 до 12 вольт, даже нестабилизированного. Необ-
ходимая его мощность зависит от нагрузки, которую вы поставите
вместо светодиода. Обычно вместо него ставят реле, которое своими
контактами может включать и отключать любую нагрузку, даже очень
мощную. Тогда нужда в мощном источнике питании отпадает.
Отвечаю на напрашивающийся вопрос: а можно ли эту схему пере-
делать так, чтобы по истечении заданного времени она не отключала
нагрузку, а наоборот, включала ее на какое-то время? Например, сде-
лать сигнализатор, который подает звуковой сигнал, как настоящий
кухонный таймер? Можно, но чтобы им было пользоваться действи-
тельно удобно, схему придется усложнить, а это нецелесообразно. На
основе микросхем можно делать куда более универсальные конструкции
таймеров, и мы этим займемся в следующем эксперименте.
Эксперимент 5.
Таймер на микросхеме 555
Сейчас мы впервые познакомимся наконец
с микросхемами. Микросхема таймера, извест-
ная под названием 555, была придумана еще в
начале 1970-х годов и до сих пор остается одной
из самых популярных среди всех микросхем
вообще. На рисунке справа показан внешний
вид этой микросхемы в корпусе DIP, удобном
для вставки в нашу макетную плату.
Учтите, что выводы микросхем в таком корпусе легко обламы-
ваются. У новых микросхем между рядами выводов расстояние
всегда немного большее, чем надо, так что перед вставкой в
макетную плату их придется слегка подогнуть. Будьте аккуратны
при выполнении этой операции: не сгибайте ножки пальцами!
Подгибать их следует пинцетом или самыми маленькими и тон-
кими плоскогубцами, ухватившись за вывод почти по всей его
длине — так, чтобы линия сгиба пришлась на толстую часть
ножки, а не на ломкий переход от толстой части к тонкой, где
вывод сгибается легче всего.
Первое, что надо выучить про микросхемы, — это порядок нуме-
рации выводов. Основное правило иллюстрирует рисунок внизу справа.
Вывод номер 1 всегда помечен на корпусе — выемкой сбоку или кру-
глой точкой. Далее разместите микросхему ножками вниз, так чтобы
пометка находилась слева. Не надо ориентироваться на надписи на
корпусе: они могут быть перевернуты, но первый вывод все равно
должен находиться слева внизу. Тогда нумерация производится от
первого вывода в обход корпуса против часовой стрелки: последний
(в данном случае 8-й) вывод всегда находится напротив первого.
Эти правила действуют абсолютно для
всех корпусов и для всех микросхем,
сколько бы они выводов ни имели и как
бы ни располагались. В других типах
корпусов пометка может выглядеть
иначе: первый вывод может быть толще,
напротив него в корпусе имеется высту-
полукруглая
выемка '——
или
круглое
углубление
пающий штырек и так далее. Бывают микросхемы, имеющие больше
сотни выводов по всем четырем сторонам корпуса, но все равно первый
вывод у них обязательно помечен, а далее номера возрастают при
обходе против часовой стрелки при взгляде на корпус сверху.
Более того, эти же правила действуют и для вообще всех полупрово-
дниковых компонентов в любых корпусах! Только если корпус заведомо
несимметричный, то пометка у первого вывода может отсутствовать.
Тогда компонент нужно разместить лицевой стороной корпуса вверх,
ножками к себе, и вывод номер 1 будет находиться слева. Так, если
мы захотим нумеровать выводы транзистора, показанного на мон-
тажной схеме таймера (см. рисунок на странице 52), то затвор (3)
будет соответствовать выводу номер 1, сток (С) — выводу номер 2, а
исток (И) — выводу номер 3. Учтите, что речь идет только о полупро-
водниковых компонентах: для многоштырьковых разъемов, например,
правила нумерации могут быть другими.
• Подробности для любознательных: зачем нужны микросхемы? •
: Микросхема (интегральная схема) потому так и называется, что •
: внутри ее содержится схема в миниатюрном исполнении. Эта :
: схема может быть очень сложной и содержать тысячи и миллионы j
• компонентов (как в компьютерных процессорах), а может быть и •
: относительно простой. Таймер 555 относится как раз к довольно ;
: несложным устройствам — в нем всего пару десятков транзисторов :
• и других компонентов. Но если бы мы захотели собрать его из •
: отдельных (как говорят электронщики, «дискретных») деталей, •
: то результат получился бы довольно громоздкий, ненадежный и ;
: стоил бы намного дороже микросхемы. Это кажется парадоксом, :
• но разработчикам микросхемы все равно — будет в ней три :
• транзистора или триста, это никак не повлияет на ее стоимость. •
: Причем все компоненты находятся в строго одинаковых условиях, :
: что повышает надежность и предсказуемость схемы. И в довер- :
• шение всего многие микросхемы энергии от источника питания •
• потребляют гораздо меньше обычных схем. •
: Например, цифровые элементы (о них в следующей главе) в состо- :
: янии ожидания энергии не потребляют вовсе: вспомните наручные :
• часы, которые от малюсенькой батарейки могут идти годами. •
• А если бы мы попробовали сделать цифровые часы с календарем •
: на отдельных транзисторах, они бы заняли место с прикроватную :
: тумбочку размером и питались бы от розетки. Первые компьютеры :
• были сделаны как раз на отдельных компонентах, и неважно, -
: еще на электронных лампах или уже на транзисторах, — все •
: равно они занимали обширные помещения и потребляли энергии :
как небольшая фабрика. И работали по 16-20 часов в сутки — :
остальное время занимал плановый ремонт. Потому микросхемы
и получили такое большое распространение. :
Легко догадаться, что микросхему в двух-
рядном корпусе DIP можно вставить
в макетную плату только одним спо-
собом: посередине платы, так, чтобы
центральная канавка разделяла ряды
выводов (см. рисунок справа). Макет-
ные платы специально проектируют так,
чтобы промежуток между рядами ввер-
ху и внизу соответствовал расстоянию
между выводами самого маленького
DIP-корпуса. Никаким другим способом
вставить микросхему не удастся: выво-
ды в рядах тогда обязательно окажутся
замкнутыми между собой.
Простой таймер на микросхеме 555
Необходимые материалы
Конденсатор электролитический 100 мкФ, 16 В — 1 шт.
Конденсатор керамический 0,1 мкФ — 1 шт.
Резистор 10 кОм — 2 шт.
Резистор переменный 100 кОм — 1 шт.
Резистор 680 Ом — 1 шт.
Светодиод любой маломощный — 1 шт.
Кнопка на замыкание — 1 шт.
Микросхема 555 — 1 шт.
Сетевой адаптер 7-12 вольт — 1 шт.
Сейчас мы уже кое-чему научились, потому будем начинать, как на-
стоящие электронщики, с принципиальной схемы. Схема таймера на
основе микросхемы 555 показана на рисунке вверху на следующей
странице. Работает она в своей основе точно так же, как таймер из
Эксперимента 4.
Время здесь задает цепочка из постоянного резистора R1, перемен-
ного R2 и конденсатора С1, который имеет такую же величину ем-
кости, как и в предыдущем случае, — 100 мкФ. Как видите, вместо
постоянного резистора здесь мы сразу установили пару переменный-
постоянный резистор, чтобы менять время выдержки. Выдержка
времени в секундах приблизительно определяется произведением
суммы сопротивлений на емкость: (К1+К2)*С1 (напомним, что со-
противление подставляется в омах, а емкость — в фарадах). При
указанных на схеме параметрах будет меняться при вращении ручки
переменного резистора примерно от 1 до 11 секунд. Обратите внима-
ние, что мы на этой схеме пишем значения емкостей конденсатора
«по-взрослому»: наличие запятой означает, что это микрофарады,
а не какие-то другие доли фарады.
: Обратите внимание, что в расчетных формулах сопротивление •
: резистора, обозначенного как R1, обозначается Rv а емкость кон- •
: денсатора С1 — как Сг Это делается для того, чтобы подчеркнуть :
• разницу между обозначением компонента и его величиной. •
Вывод 2 у микросхемы 555 называется «Запуск» и к нему здесь подклю-
чена кнопка Кн1, которая при нажатии замыкает этот вывод на общий
провод. В остальное время вывод запуска подключен к напряжению
питания (высокому уровню) через резистор R3. Обратите внимание,
что переключающая кнопка здесь не требуется: в конце выдержки
времени микросхема сама разрядит конденсатор, задающий время.
Конденсатор С2 — вспомогательный, он нужен, чтобы микросхема
не сбивалась от электрических наводок на вывод 5. Его величина
может быть любой в пределах от 10 нФ до 0,1 мкФ, но он обязательно
должен быть керамический, а не электролитический.
Монтажная схема приведена на рисунке вверху страницы. Питание
схемы может осуществляться от любого источника с напряжением от
7 до 12 вольт: время выдержки от напряжения питания здесь совер-
шенно не зависит (в этом одно из главных преимуществ применения
микросхемы 555 в сравнении с другими вариантами). После сборки
нажмите на кнопку Кн1 — светодиод должен загореться на заданное
время и погаснуть. Покрутите ручку переменного резистора — время
свечения будет меняться.
: Верхний предел величины резистора, задающего время, для микро- •
• схемы 555 составляет несколько мегаом. Иными словами, в этой •
: схеме мы можем получить время до 10-15 минут, если увеличим :
: емкость конденсатора С1 до 470 микрофарад, а сопротивление :
: переменного резистора R2 — до 2-3 мегаом. Можно увеличить •
• сопротивление резистора еще больше (при питании 12-15 вольт — •
: до 10 МОм и более), но тогда гарантии устойчивой работы мы :
: уже не получим: будет влиять влажность воздуха, температура, :
• сквозняк из форточки и прочие внешние воздействия, потому тут •
: лучше не увлекаться. Емкость конденсатора также формально никто :
: не запрещает увеличивать, но конденсаторы большой емкости :
: имеют свои недостатки и к работе в схемах установки времени не :
приспособлены. Потому при больших выдержках времени лучше
всего емкость оставить на уровне нескольких сотен микрофарад.
Если хотите получить хорошую стабильность выдержки, то вообще
лучше применять ниобиевые или танталовые электролитические
конденсаторы, а не обычные алюминиевые.
Схемы выдержки времени, которые мы здесь рассматривали, иначе
называют еще одновибраторами. В таком виде схема выглядит даже
сложнее простой схемы таймера на транзисторе из Эксперимента 4.
Зачем же огород городить и ставить какие-то микросхемы? Во-первых,
схема на таймере 555 отличается хорошей стабильностью — от раза к
разу мы будем получать одну и ту же величину, причем независимо от
напряжения источника питания. Во-вторых, очень важный момент —
то, что запуск происходит в момент перепада напряжений из высоко-
го уровня в низкий (как говорят электронщики, по отрицательному
фронту импульса) — дополнительные перепады во время действия
выходного импульса никак на него не повлияют. Нет необходимости
выдерживать определенный уровень напряжения длительное время —
таймер можно запускать дистанционно от слабого сигнала. Далее мы
увидим, как очень просто можно на основе этой конструкции полу-
чить большое разнообразие различных схем с выдержкой времени.
Расширенный вариант таймера
Необходимые материалы
Два набора компонентов для таймера (см. «Простой таймер на
микросхеме 555»)
Сетевой адаптер 7-12 вольт — 1 шт.
Дополнительно:
Конденсатор керамический 0,1 мкФ — 1 шт.
Диод импульсный КД510А (можно заменить на 1N4448, 1N4148,
КД522 и др.) — 1 шт.
Резистор 10 кОм — 2 шт.
Резистор 27 кОм (на замену R1+R2 в Таймере 2) — 1 шт.
Электромагнитный или пьезоэлектрический излучатель звука на
12 В (НСМ1212, НРА24АХ или аналогичный) — 1 шт.
Предположим, мы хотим решить задачу, о которой говорилось в
предыдущем эксперименте: не сразу включать нагрузку, а по исте-
чении заданного времени, причем тоже на определенный срок, а не
навсегда. Таким способом мы получим устройство с отсроченным
срабатыванием, которое через заданное время подает, например,
короткий звуковой сигнал. Для того чтобы построить такое устрой-
ство, сначала разберемся, от чего именно срабатывает построенный
нами таймер.
Таймер начинает отсчет времени в момент, когда кнопка замы-
кается на землю. В этом момент уровень напряжения на входе 2
микросхемы 555 меняется с высокого уровня на низкий. Можно
сказать и так: таймер срабатывает от падающего (отрицательного)
фронта импульса напряжения на запускающем выводе. Все это разные
формулировки одного и того же события: изменения напряжения на
выводе 2 от значения напряжения питания до нулевого значения.
Но ведь для того, чтобы изменить нужным образом напряжение на
входе запуска, необязательно нужна кнопка, управляемая пальцем:
мы можем сформировать нужный перепад напряжения и с помощью
другого таймера.
Отсюда и решение задачи: мы ставим два таймера друг за другом.
Причем выход одного из них подключен ко входу запуска второго
(светодиод на выходе первого таймера, естественно, уже не нужен).
Первый таймер содержит переменный резистор с ручкой, которым
мы устанавливаем время выдержки. Второй имеет постоянное время
выдержки, например, около 2 секунд. Подсчитайте сами, какой для
этого резистор нужно установить вместо цепочки переменный-посто-
янный резистор (ответ: —27 кОм).
Вход второго таймера подключен к выходу первого через кон-
струкцию из конденсатора С1 и резистора R2, которая называется
дифференцирующей цепочкой. Непосредственно к выходу первого
второй таймер подключать нельзя, потому что запуск микросхемы
555 производится от перепада уровней из высокого в низкий, а затем
напряжение на входе запуска должно вернуться обратно к высокому
уровню. Иначе таймер не выключится, пока напряжение на входе
опять не вернется к высокому уровню. Все это и обеспечивается диф-
ференцирующей цепочкой.
Такое название дифференцирующая цепочка получила за способность
выделять из входного сигнала только фронт импульса — в данном
случае падающий, из высокого уровня в низкий (это напоминает
математическую операцию дифференцирования, отсюда и название).
Перепад напряжений из высокого уровня в низкий передается на
вход второго таймера, а через некоторое время (когда конденсатор
зарядится через сопротивление R1) на входе опять восстановится
высокий уровень.
• ' Подробности для любознательных: дифференцирующая цепочка
• Работу дифференцирующей цепочки легко понять, если вспом- •
: нить, что в первый момент времени после прихода импульса :
: разряженный конденсатор можно рассматривать как пере- :
• мычку. На входе таймера при этом кратковременно возникает •
: нулевое напряжение. Таймер запускается, а примерно через 1 ;
: миллисекунду конденсатор зарядится, и напряжение на входе :
: таймера возвратится к высокому уровню. Таким образом, состо- :
• яние контактов в дальнейшем не будет оказывать влияния на •
: работу таймера. :
: Вопрос: а что будет с дифференцирующей цепочкой после того, :
: как контакты замкнутся снова? На выходе инвертора опять воз- :
• никнет перепад напряжения — на этот раз из низкого уровня к •
: высокому. Так как конденсатор к этому времени заряжен до напря- ;
: жения питания, то на выходе дифференциальной цепочки (т. е. :
: на входе таймера) возникнет положительный выброс напряжения, :
• вдвое превышающий значение питания. Этот эффект называют •
: удвоением напряжения и иногда используют для получения повы- :
: шенных значений напряжения для питания различных схем. Но :
• здесь это вредный эффект: по техническим требованиям на входы •
: микросхемы 555 нельзя подавать сигналы с уровнем выше напря- •
: жения питания. Для предотвращения этого в схеме установлен :
: диод VD1 — выброс выше напряжения питания замкнется на :
• него. Если бы дифференцирующая цепочка стояла на входе логи- j
• ческой микросхемы серии 4000 (мы их будем изучать в главе 3), ;
: то можно было бы обойтись и без специального диода: подобные :
: диоды, называемые защитными, в логических микросхемах уже :
• установлены внутри. •
: Дифференцирующую цепочку еще называют фильтром высоких •
: частот — она отрезает низкие частоты, пропуская высокие. Перепад :
: уровней напряжения с математической точки зрения и выглядит :
• как возникновение импульса высокой частоты, потому дифферен- •
: цирующая цепочка его пропускает, а постоянный уровень сигнала ;
: (у которого частота равна нулю) отбрасывает. :
: Кстати, легко сообразить, как построить дифференцирующую :
• цепочку, которая бы выделяла не падающий, а возрастающий •
: фронт импульса: для этого резистор R2 нужно было бы подклю- :
'. чить не к напряжению питания, а к общему проводу. :
Сказанное мы изложим в виде блок-схемы (см. рисунок на следующей
странице сверху), где каждый квадратик означает схему отдельного
таймера, только с разными параметрами. При нажатии на кнопку Кн1
через промежуток времени, установленный на первом таймере, на
выходе второго таймера (то есть на выходе всей схемы) на 2 секунды
появится высокий уровень напряжения — светодиод загорится и через
две секунды погаснет.
: Подробности для любознательных. Как изобразить работу
: таймеров наглядно?
: Перед нами уже довольно сложная схема, где в разных точках
: протекают разные процессы во времени. Если собранная схема
* не заработает сразу, то очень хочется эти процессы проверить,
: чтобы определить, где именно ошибка. Как показать их наглядно?
: Для этого служат диаграммы напряжения в различных точках схемы.
• Для нашего случая такая диаграмма показана на рисунке внизу.
: Здесь вы видите три графика, которые показывают напряжение
• на кнопке (входе таймера 1), на выходе таймера 1 (входе таймера J
• 2) и на выходе таймера 2 (то есть на выходе всей схемы). Первый •
• момент времени (^ на диаграмме) соответствует нажатию кнопки :
: Кн1 — в этот момент напряжение на ней и, соответственно, на :
входе первого таймера скачком снижается от напряжения питания j
• до нуля. Такой перепад и называют фронтом (в данном случае •
: падающим или отрицательным) импульса. :
: От этого фронта в тот же момент запускается таймер 1. На :
• его выходе возникает положительный перепад (возрастающий :
• фронт импульса), и высокий уровень напряжения удерживается •
: до момента t2, когда заканчивается установленная выдержка :
: времени. От отрицательного фронта в момент t2 таймер 2 сра- :
• батывает и формирует на выходе схемы положительный импульс :
• напряжения длиной 2 секунды (до момента времени t3). Све- •
: тодиод — или другая нагрузка — включается в течение этого :
: времени. :
'• Подобные диаграммы часто приводятся для пояснения работы •
• сложных импульсных схем во времени. Мы еще не раз будем с ними •
• сталкиваться при ознакомлении с работой цифровых схем. :
: Кстати, такую диаграмму можно увидеть «живьем» на экране при- :
• бора, который называется осциллограф. Потому подобные графики •
: еще называют осциллограммами. Одновременно во всех трех точках •
: схемы вы, скорее всего, осциллограмму наблюдать не сможете, но :
: обычно это не требуется: достаточно одной или двух. :
Мы обещали рассказать, как к этому устройству можно приспособить
звуковой сигнал вместо светодиода. Далее мы узнаем, как можно соору-
дить звуковой сигнал самостоятельно, а пока можно воспользоваться
какой-нибудь готовой звучащей схемой. Готовые «гуделки» (излучатели
звука, пьезоэлектрические или электромагнитные) продаются в том
же «Чипе-Дипе». Их можно подключать прямо к выходу таймера 555,
без дополнительных усилителей, только следует проследить, чтобы
рабочее напряжение «гуделки» соответствовало напряжению питания
нашей схемы: излучатели звука встречаются на напряжениях от 3 до
20 вольт. Таким образом на основе нашей схемы можно получить
вполне практически пригодный таймер для сигнализации об окон-
чании какого-то процесса.
Позднее на основе таймера 555 мы соорудим штуку и покруче:
охранную сигнализацию. Но сначала давайте проведем еще несколько
экспериментов.
Эксперимент 6. Генератор
импульсов на микросхеме 555
Необходимые материалы
Конденсатор электролитический 100 мкФ, 16 В — 1 шт.
Конденсатор керамический 0,1 мкФ — 1 шт.
Резистор 2,2 кОм — 2 шт.
Резистор 6,8 кОм — 2 шт.
Резистор 680 Ом — 1 шт.
Светодиод любой маломощный — 1 шт.
Микросхема 555 — 1 шт.
Сетевой адаптер 7-12 вольт — 1 шт.
Принципиальная схема генератора импульсов (мультивибратора)
на микросхеме 555 приведена на рисунке внизу страницы. Как
видите, она похожа на схему одновибратора-таймера, недаром
одновибраторы часто называют «моностабильными мультивибра-
торами». Только в схеме одновибратора у нас в цепи установки
времени был единый составной резистор (из постоянного и пере-
R1
2,2 кОм
100,0 "Г
менного), а здесь их два постоянных,
и по-иному включены выводы 2, 7 и 6
микросхемы. Кнопка запуска здесь не
нужна — генератор запускается авто-
матически после включения питания.
Монтажная схема показана на рисунке
справа. При указанных на принципиальной
схеме параметрах светодиод будет мигать
примерно раз в секунду.
: Подробности для любознательных: период и частота
: Промежутки времени, когда светодиод горит и когда он погашен,
: в схеме мультивибратора на таймере 555 будут разными. Время
• свечения (т. е. время, когда на выходе микросхемы высокий уровень
• напряжения) можно подсчитать по формуле Тв = 0,7* (Rj+Rj) *СГ
: Напоминаю, что время здесь получится в секундах, если подставить
: величину емкости в фарадах, а сопротивление — в омах. Под-
: ставив величины, указанные на схеме, мы получим время горящего
• светодиода равным примерно 0,63 секунды. Время погашенного
: состояния (время, когда на выходе микросхемы низкий уровень
: напряжения) считается иначе: Тн = 0,7 *R2Cl- Подсчитав его по
• этой формуле для нашей схемы, получим около 0,5 секунды.
: Периодом регулярно повторяющегося сигнала (колебания)
: Т называется сумма этих времен: Т = Тн + Тв. Иными словами,
: период — это промежуток времени, после которого сигнал будет
: повторяться вновь и вновь. Наглядное представление о том, что
: такое период, дает диаграмма на рисунке внизу. Здесь проме-
: жутки времени для низкого (Тн) и высокого (Тв) уровней условно
: представлены одинаковыми, хотя в нашей схеме они немного
• различаются, и весь период будет составлять чуть более секунды:
: 0,5 + 0,63 = 1,13 с.
время, секунды
Частотой сигнала называется величина, обратная периоду: / = 1/Т.
Частота, как вы уже, наверное, неоднократно слышали, измеряется
в герцах. 1 герц (Гц, Hz) есть частота колебания, период которого
равен 1 секунде. Таким образом, частота мигания светодиода в
нашей схеме будет равна 1/1,13 с, или примерно 0,88 Гц. Учи-
тывая неточности при изготовлении резисторов и конденсаторов,
с достаточной для практики точностью можно считать, что частота
мигания здесь будет равна 1 герцу.
Звуковой сигнал на таймере 555
Необходимые материалы
Набор компонентов для генератора на микросхеме 555
Дополнительные материалы
Конденсатор 0,1 мкФ — 1 шт.
Пьезоизлучателъ звука (SCS-24 или отечественный типа ЗП) — 1 шт
На основе такого генератора колебаний несложно построить схему са-
модельного звукового сигнала — «гуделки». Для этого надо, во-первых,
изменить частоту генератора так, чтобы она попала в звуковой диа-
пазон, во-вторых, подключить вместо светодиода пьезоэлектрический
излучатель звука. Частоту мы изменим очень просто — ничего больше
не меняя в схеме, вместо электролитического конденсатора 100 мкФ
надо поставить керамический конденсатор 0,1 мкФ (точно такой же,
как уже подключен к выводу 5). Частота звука при этом получится
около 1000 герц (1 килогерц).
Полученная «гуделка» (см. рисунок внизу справа) после включения
питания 12 вольт может завопить так, что очень захочется ее побыстрее
выключить. Громкость можно уменьшить, если снизить напряжение
питания или взять пьезоизлучатель звука меньшей мощности. Менять
тональность звучания можно как изменением емкости конденсатора,
так и величин обоих резисторов.
Если ваш мультиметр имеет функцию изме-
рения частоты, то можно таким способом изго-
товить электронный камертон — прибор для
настройки музыкальных инструментов. Для
этого нужно установить резистор R2, равный
15 килоом, и точно подобрать величину
резистора R1 (она должна лежать в пределах
3,6-4,7 килоом), измеряя каждый раз частоту
ВЫХОД
3
полученного генератора. Камертон должен быть настроен на звук
частотой 440 Гц («ля» первой октавы).
Регулятор яркости светодиодов на таймере 555
Необходимые материалы
Микросхема 555 — 1 шт.
Конденсатор 0,01 мкФ — 1 шт.
Конденсатор 0,1 мкФ — 1 шт.
Резистор 1 кОм — 2 шт.
Резистор переменный 51 кОм — 2 шт.
Резистор 470 Ом — 2 шт.
Светодиод красный — 2 шт.
Светодиод зеленый — 2 шт.
Сетевой адаптер 12 вольт — 1 шт.
В главе 1 был показан самый простой способ регулирования яркости
светодиодов — с помощью переменного резистора, который служил
для изменения тока, питающего светодиод. Способ неудобный (яр-
кость меняется неравномерно) и крайне неэкономичный: большая
часть энергии источника теряется впустую на резисторе. Крупные
осветительные светодиоды так регулировать и вовсе невозможно: ре-
гулирующий резистор придется делать размером с кастрюлю, иначе
он перегреется и сгорит.
Там же мы обещали показать, как регулировать яркость светоди-
одов правильно. Приведем один из практических вариантов спо-
соба регулирования, который носит название широтно-импульсной
модуляции — ШИМ. ШИМ-регуляторы широко распространены для
управления далеко не только светодиодными светильниками: они
управляют яркостью плазменных экранов и люминесцентных ламп,
мощностью двигателей бытового электроинструмента и применяются
еще во многих других областях.
На схеме (см. рисунок на следующей странице) показан вариант
осуществления такого способа на микросхеме 555. Схема по сути
представляет собой такой же генератор, как мы строили ранее, только
специально перестроенный таким способом, чтобы у него можно было
плавно менять соотношение времен высокого и низкого уровней на
выходе (когда напряжение близко к напряжению питания и к общему
проводу соответственно). Частота при этом остается неизменной
и при приведенных параметрах составляет около 2,5-3 килогерц.
Меняя положение ползунка переменного резистора, можно изменять
отношение время высокого уровня/время низкого уровня.
Светодиоды на выходе специально подключены таким необычным
способом, чтобы показать работу схемы нагляднее. В одном крайнем
положении ползунка переменного резистора зеленые светодиоды будут
светиться в полную яркость, а красные будут практически погашены.
В противоположном положении ползунка, наоборот, будут светиться
красные, а погашены будут зеленые. Наконец, в среднем положении
будут гореть оба цвета, но в половинную яркость от максимального
значения. Если хотите регулировать только один цвет, то ненужную
цепочку светодиодов можно просто исключить из схемы (а в оставшейся
можно оставить только один светодиод), ничего больше не меняя.
: Подробности для любознательных: ШИМ-регулирование
: Приблизительное значение частоты генератора, собранного :
• по рассматриваемой схеме, можно подсчитать по формуле •
: F » 1/0,7* (Cj ^R,). Диаграмма напряжений на его выходе выглядит •
: так, как показано на рисунке на следующей странице. При пере- :
: движении ползунка переменного резистора R2 меняется дли- :
: тельность пребывания выхода в состоянии высокого уровня.
• В одном из крайних положений (верхняя диаграмма) она мала. •
: Соответственно, цепочка красных светодиодов, подключенных :
: к общему проводу, будет включаться на очень короткое время :
• и светиться практически не будет. Цепочка зеленых светодиодов, »
^ПИТ |"Т r-| Г“| Г"
R2 вправо
о в —11—------IL—...... ...... II —
время, миллисекунды
подключенных к питанию, в это время, наоборот, будет светиться
практически в полную яркость.
В среднем положении ползунка резистора R2 высокий и низкий
уровни на выходе занимают примерно одинаковое время (средняя
диаграмма). Цепочки светодиодов будут светиться обе примерно
с одинаковой половинной яркостью. В противоположном крайнем
положении высокий уровень занимает почти весь период, и будут
ярко светиться красные светодиоды, а зеленые окажутся практи-
чески погашены.
То есть ШИМ-регулирование основано на изменении среднего
за период значения напряжения, подводимого к нагрузке (то
есть фактически дозирования количества энергии). При напря-
жении питания 12 вольт пределы регулирования в данной схеме
составят примерно от 5 до 95% от полной шкалы яркости. Этот
диапазон будет сужаться при снижении напряжения питания (до
примерно 70% при питании 5 вольт), потому мы в этой схеме
зафиксировали напряжение питания на уровне 12 вольт. Чтобы
получить полный диапазон и не зависеть от напряжения питания,
приходится переходить к цифровым методам регулирования с
помощью микроконтроллеров.
«Голый» выход микросхемы 555 может потянуть до десятка и более
цепочек маломощных светодиодов, включенных параллельно. При
напряжении питании 12 вольт в каждой такой цепочке может быть
включено три-четыре светодиода последовательно (на схеме у нас таких
диодов по два каждого цвета), только придется подобрать величину
сопротивления токоограничивающих резисторов (на схеме R3 и R4)
в зависимости от цвета свечения так, чтобы ток в каждой цепочке
составлял 10-13 миллиампер, не более. Итого микросхему 555 можно
нагрузить тремя-пятью десятками маломощных светодиодов, что уже
представляет довольно существенную световую мощность. Распределив
светодиоды по некоторой площади, таким образом можно, например,
сделать лампу бестеневого освещения с регулируемой яркостью.
Но чтобы получить реальный осветительный прибор, требуются
бо'лыпие мощности. Их можно получить, если, например, присоединить
к выходу схемы усилительный биполярный или полевой транзистор,
как это описывается далее в Эксперименте 8. Тогда можно подключать
к схеме мощные осветительные светодиоды, построив таким образом
настоящий диммер — устройство для регулирования яркости. Кроме
того, таким образом можно управлять не только светильниками, но
и двигателями, нагревателями и другими мощными потребителями
электроэнергии.
Эксперимент 7.
Четырехсторонний
автоматический светофор
Необходимые материалы
Четыре набора компонентов для таймеров (см. «Простой таймер
на микросхеме 555»).
Дополнительно:
Светодиоды красные, зеленые, желтые — по 4 шт каждого цвета.
Резисторы 680 Ом — 6 шт.
Диоды импульсные КД510А (можно заменить на 1N4448, 1N4148,
КД522 и др.) — 7 шт.
Резистор 10 кОм — 4 шт.
Кнопка на замыкание — 1 шт.
В Эксперименте 3 мы собирали простейший светофор, который надо
было переключать вручную. Здесь мы попробуем приспособить к делу
таймеры. Обычно автоматические светофоры конструируют на основе
цифровых триггеров или счетчиков (см. главу 3). Все такие конструк-
ции имеют тот недостаток, что работают от одного источника сигна-
лов выдержки времени — тактового генератора. В результате время
включения каждого из цветов можно менять только одновременно,
удлиняя или укорачивая весь цикл работы. А у нас время включения
зеленого, красного и желтого цветов можно будет менять совершенно
независимо друг от друга.
Принципиальная схема четырехстороннего светофора показана
на рисунке вверху. Серыми прямоугольниками обозначены одина-
ковые схемы четырех таймеров, точно такие же, как мы собирали в
Эксперименте 5 (см. схему на странице 58). Монтажная схема такого
устройства будет слишком громоздкой, чтобы имело смысл приводить
ее целиком. Если потребуется, можно посмотреть монтажную схему
таймера из Эксперимента 5: нужно собрать четыре таких на одной
плате и добавить компоненты по нашей схеме. Отличие здесь только
в том, что каждый таймер управляет сразу четырьмя светодиодами,
соответственно числу сторон светофора.
Каждый из таймеров может настраиваться на разное время своим
переменным резистором. Если интервал 1-10 секунд вам покажется
недостаточным, то сопротивление переменных резисторов в схеме
таймера можно увеличить вплоть до 1 мегаома, получив таким образом
интервал в пределах 100 секунд. Для желтого цвета, наоборот, 10
секунд слишком много (в настоящих светофорах желтый горит не
более 2 секунд), потому там сопротивление переменных резисторов
можно уменьшить до 2-3 кОм.
Общий принцип работы всей схемы основан на том, что таймеры
будут последовательно запускать друг друга. Последний (Таймер 4) по
окончании своей выдержки запустит опять первый (Таймер 1) и так до
бесконечности. Кнопка Кн здесь нужна для того, чтобы запустить всю
схему первый раз, автоматически она работать не начнет. В основной
работе схемы кнопка не участвует.
Выходы таймеров соединены со входами следующих по порядку
таймеров через дифференцирующие цепочки с диодами, защищающими
входы микросхем от выбросов напряжения (см. описание работы
дифференцирующей цепочки в Эксперименте 5). Диод Д7 на выходе
Таймера 4 защищает его от отрицательного выброса напряжения, воз-
никающего в момент нажатия кнопки Кн.
Теперь рассмотрим порядок подключения светодиодов. Размещение
их на сторонах светофора показано на рисунке внизу. Таймер 1 при
срабатывании зажигает два красных светодиода L1-L2, установленных
на двух противоположных гранях, и одновременно два зеленых L3-L4,
размещенных в перпендикулярном направлении. После него включается
Таймер 2, зажигающий желтые L9-L12 в обоих направлениях. При работе
Таймера 3 красные и зеленые меняются местами: там, где ранее горел
красный L1, теперь горит зеленый L7 и так далее. Затем вновь включается
желтый во всех направлениях, но теперь уже от Таймера 4. Диоды Д5 и
Д6 необходимы, чтобы выходы Таймеров 2 и 4 не замыкались друг на
друга — каждый раз высокий уровень на выходе только одного из них.
К сожалению, перестроить эту, по сути очень несложную (хотя и
довольно громоздкую), схему так, чтобы максимально приблизить
порядок включения цветов к реальному светофору, не получится.
Реальный светофор, напоминаем, не включает желтый свет перед
зеленым. Если вы захотите построить светофор только для одного
направления, то Таймер 4 можно исключить, у Таймера 1 оставить
только два зеленых светодиода, а у Таймера 3 — два красных. Вот тогда
такой односторонний светофор будет работать правильно. А правильно
работающий светофор на все четыре стороны можно сделать только с
применением цифровых микросхем, и мы займемся этим в главе 3.
Обратите внимание, что допустимое значение напряжения питания здесь
установлено в пределах от 9 вольт, а не от 7, как было ранее. Если у вас
источник на 7-8 вольт, то необходимо уменьшить сопротивления резисторов
R2-R7 до 330—430 ом, иначе светодиоды будут светиться слишком тускло.
Эксперимент 8. Свойства
и разновидности транзисторов
В Эксперименте 4 мы уже немного познакомились с компонентом,
который называется полевой транзистор. Хотя американский ученый
Уильям Брэдфорд Шокли сначала пытался построить именно полевой
транзистор, в 1948 году сотрудники его лаборатории Дж. Бардин и
У. Браттейн построили первый в мире работающий транзистор, имев-
ший иную структуру, названную биполярной. До некоторого времени
именно биполярные транзисторы были единственными применявши-
мися на практике. И хотя получившие распространение позже полевые
транзисторы во многих применениях удобнее, тем не менее биполяр-
ные транзисторы до сих пор остаются основной разновидностью этого
класса электронных компонентов.
Биполярные транзисторы
Три вывода биполярного транзистора носят название база, коллектор
и эмиттер. Ток через коллектор и эмиттер управляется током, те-
кущим через базу в эмиттер. Очень важно понять, что биполярный
транзистор, в отличие от полевого, управляется именно током, а не
напряжением. Вспомните отличие светодиодов от лампочек, которое
разбиралось еще в Эксперименте 1: светодиод нельзя подключать
прямо к источнику напряжения. Ему обязательно требуется резистор,
который ограничивает и одновременно задает величину тока. В точ-
ности так же обстоит дело с базой биполярного транзистора: к ис-
точнику напряжения она может подключаться только через резистор.
Иначе транзистор сгорит быстрее, чем вы успеете осознать, что что-то
подключено не так, как надо.
Ток через базу управляет током в цепи коллектор-эмиттер, который
может быть намного большим, чем управляющий ток. На этом и
основываются усилительные свойства транзистора.
Мы будем использовать биполярные транзисторы только как ключи:
то есть в режиме «закрыт» — «открыт». Они бывают двух типов,
называемых р-п-р и п-р-п. Первые управляются отрицательной поляр-
ностью, вторые — обычной положительной. Мы будем применять
в основном п-р-п-транзисторы, но нередко понадобятся и р-п-р. На
принципиальной схеме их легко отличить
по направлению стрелочки, обозначающей
вывод эмиттера. На рисунке справа показаны
условные обозначения двух разновидностей
биполярного транзистора. Знаки «плюс» и
«минус» указывают на правильное их под-
ключение относительно полярности источника
питания.
Подробности для любознательных: о транзисторах
Сходство между поведением светодиода и транзистора неуди-
вительно, если знать, что и светодиод (и обычный диод тоже),
и промежуток база-эмиттер транзистора одинаково представ-
ляют собой р-п-переход — то есть
переход между двумя областями
полупроводника с разной поляр-
ностью. Свойства р-п-перехода —
универсальной ячейки, лежащей в
основе огромного количества полу-
проводниковых компонентов, вы
наверняка будете изучать в курсе
физики в старших классах. Но для
практики эти сведения почти не
требуются: достаточно знать, что
и куда правильно подключать.
.......I Б
..... IK
Г'"" э
• Транзисторы ранее широко применялись как усилители плавно •
: меняющихся сигналов (называемых еще аналоговыми). Такое их
: применение — довольно сложная наука. К тому же в огромном :
: количестве практических случаев ее изучение уже не имеет особого :
• смысла: на готовых микросхемах можно построить, например, •
: звуковой усилитель с гораздо лучшими характеристиками, чем на •
: отдельных транзисторах. Не считая того, что он выйдет гораздо :
: дешевле во всех смыслах: и в денежном исчислении, и в количестве •
• затраченного труда. И все таки следует знать, что по-прежнему •
: самые высококачественные звуковые усилители делают на отдельных :
: транзисторах, а не на микросхемах, и даже иногда на еще более :
• древних компонентах: на электронных лампах. •
Внешний вид маломощного транзистора ВС337 показан сверху на
рисунке (см. предыдущую страницу внизу). Он выпускается в очень
распространенном корпусе, который носит название ТО-92. Мы с этим
типом корпуса еще не раз встретимся — он применяется еще для очень
многих компонентов. Там же приведен порядок отсчета выводов этого
транзистора: если расположить его плоской поверхностью с надпи-
сью вверх и выводами к себе, то слева направо будут идти коллектор
(К), база (Б) и эмиттер (Э). Отечественный транзистор КТ3102 имеет
точно такой же внешний вид и такую же разводку выводов, но может
управлять меньшим током.
Транзисторы средней мощности показаны на том же рисунке внизу,
на примере отечественного транзистора КТ815 (импортный аналог —
BD-139). Так же выглядит транзистор КТ646Б (2SC496), который мы
будем применять в схеме звукового генератора далее в этой главе.
Разводка выводов у них другая — при том же расположении корпуса
слева направо идет эмиттер (Э), коллектор (К) и затем база (Б). У всех
транзисторов средней и большой мощности в пластиковых корпусах
тыловая сторона корпуса представляет собой металлическую пластину
для лучшего отвода тепла. Коллектор имеет контакт с этой пла-
стиной и потому всегда находится посередине.
О том, как отводить тепло от таких корпусов,
если его выделяется чересчур много, —
см. Приложение 2 о самодельных источниках
питания.
На рисунке слева представлены два варианта
мощных транзисторов. Сверху отечественный
транзистор КТ819В большой мощности
в очень распространенном корпусе ТО-220,
с которым мы также еще не раз встретимся
в этой книге. Внизу показан его зарубежный аналог 2N3055 в кор-
пусе, выдерживающем очень большую мощность (в таких корпусах
выпускаются многие наиболее мощные транзисторы).
: Подробности для любознательных: характеристики бипо- •
• лярных транзисторов j
• Мощность биполярных транзисторов определяется предельно ;
: допустимым током коллектора, максимальным напряжением :
j между коллектором и эмиттером и собственно тепловой мощ- j
• ностью, которую данный транзистор в данном корпусе может •
: рассеять без вреда для себя. Допустимый ток коллектора харак- :
: теризует работу транзистора в открытом состоянии, допустимое :
: напряжение — в запертом. Для транзистора ВС337 максимальный :
• ток коллектора составляет 500 мА, а напряжение коллектор- •
: эмиттер 45 вольт. Для КТ3102 допустимый ток коллектора меньше: :
: 200 мА, а напряжение, в зависимости от буквы, составляет от 20 :
• до 50 вольт. Мощность, которую маломощный транзистор рассеет •
: без последствий, составляет для КТ3102 примерно 0,25 ватта, для •
: ВС337 — 0,5 ватта. :
: Запомните, что из всех параметров максимально допустимого :
• значения в процессе работы может достигать только один! Это J
: правило касается любых компонентов, не только транзисторов. •
: Представьте себе йога, который тренирован для пребывания :
: голым на морозе в минус 30 в течение часа, спокойно ходит :
: по раскаленным угольям, выдерживает давление на грудную ;
: клетку большегрузного автомобиля в 10 тонн и при этом •
: ломает кирпичи одним ударом ладони. А теперь заставьте его :
: проделать все это одновременно! Конечно, не исключено, что :
• он выдержит, — ну, а как нет? j
: При расчетах надо учитывать, что при протекании тока базы между •
: базой и эмиттером всегда имеется падение напряжения, равное :
: 0,6-0,7 вольта (подобное падению напряжения на светодиоде, только :
• там оно, как мы помним, выше — от 1,5 до 3 вольт). В отличие от •
: полевых транзисторов, которые в упрощенном виде можно рассма- ;
: тривать как управляемый резистор (см. далее), биполярные всегда :
j имеют остаточное напряжение между коллектором и эмиттером в •
• открытом состоянии. Для всех биполярных транзисторов (кроме •
• составных) это напряжение равно примерно 0,3 вольта. :
: Еще одна важнейшая характеристика биполярного транзистора — :
: коэффициент усиления по току, который по ряду причин обознача- J
• ется довольно сложным образом: h2l3. У маломощных транзисторов •
: этот коэффициент может достигать нескольких сотен: у ВС337 — от :
100 до 600, у КТ3102 — даже до 1000. У более мощных разно-
видностей он гораздо меньше и обычно не превышает несколько
десятков. Этот коэффициент равен отношению токов в базе и
коллекторе, которые может обеспечить данный транзистор, и его
реальная величина зависит от многих причин. Для страховки (и
по некоторым другим причинам) обычно принимают значение
отношения токов, заведомо меньшее, чем справочная величина
коэффициента h2 . Так, ток в базовой цепи, равный 1 мА, теоре-
тически мог бы обеспечить при полном открытии транзистора
ВС337 ток в нагрузке от 100 до 600 мА. Но практически для
достижения тока 100 мА следует обеспечить ток базы не менее
2 мА, а лучше еще больше.
Проверка возможностей биполярного транзистора
Необходимые материалы
Транзистор маломощный типа п-р-п в корпусе ТО-92
(ВС-337 или отечественный КТ3102) — 1 шт.
Резистор 10 кОм — 1 шт.
Резистор 4,7 кОм — 1 шт.
Резистор переменный 100 кОм — 1 шт.
Резистор 680 Ом — 1 шт.
Светодиод маломощный — 1 шт.
Лампочка автомобильная 12 В, 0,1 А
(для транзистора ВС-337 до 0,5 А) — 1 шт.
Сетевой адаптер 12 вольт — 1 шт.
Гнездо сетевого адаптера с винтовыми зажимами — 1 шт.
Попробуем проверить работу биполярного транзистора на практи-
ке. Соберите схему, показанную на рисунке на следующей странице
вверху слева. Принципиальная схема для нее показана на рисунке на
следующей странице вверху справа.
Не устанавливайте пока связь между плюсом питания и резистором
R1, пусть его конец болтается в воздухе (на принципиальной схеме —
волнистая линия). Подключите питание и убедитесь, что светодиод не
горит: транзистор заперт. Проверьте мультиметром напряжение на
коллекторе закрытого транзистора (левый вывод его по монтажной
схеме) — оно должно быть равно напряжению питания.
Ldl
R1
JL 680
Rill °M
4,7 кОм [I
R2
10 кОм
T1
BC337
Подключите резистор R1 к напряжению питания — светодиод заго-
рится. Проверьте мультиметром напряжение на коллекторе открытого
транзистора (левый вывод по схеме) — оно должно не превышать
0,3 вольта. Проверьте мультиметром напряжение на базе транзистора
(0,6-0,7 вольта).
А зачем в этой схеме нужен резистор R2? Ответить на этот вопрос нам
поможет эксперимент. При отключенном питании разорвите опять связь
R1 с шиной питания и отключите резистор R2 (то есть база транзистора
должна оказаться никуда не подключенной). Осторожно подключите
питание. Светодиод должен тускло светиться! Базового тока нет (рези-
стор R1 отключен), но транзистор не запирается полностью. Его слегка
приоткрывают небольшие токи утечки, которые присутствуют всегда.
Чтобы дать этим токам возможность стекать без нарушения работы
схемы, и устанавливается резистор R2, замыкающий между собой
выводы базы и эмиттера. Величина его, кстати, большого значения не
имеет: в данной схеме подойдет резистор сопротивлением от одного
до нескольких десятков килоом.
: Такое включение с «оборванной базой» могло даже запросто сжечь :
: старые германиевые транзисторы, где точки утечки были намного •
J больше, чем в современных. С повышением температуры токи утечки •
: возрастают и еще больше разогревают транзистор — в конце концов •
: он быстро нагревается до недопустимых температур и выходит из :
: строя. Современные кремниевые транзисторы такой напасти не :
: подвержены, но все-таки обрывов в цепи базы следует избегать.
Резистор между базой и эмиттером можно не устанавливать, если
базовый резистор R1 при отключении не «повисает в воздухе», а под-
ключается к низкому потенциалу схемы — например, при управлении
базой транзистора от другого такого же транзистора, с выхода логи-
ческой микросхемы или микроконтроллера. Но даже и в этих случаях
его установка, как минимум, ничему не помешает.
Извлеките из схемы (при отключенном питании!) светодиод вместе
с его резистором и подключите вместо него лампочку. Если у вас
отечественный КТ3102, то лампочка должна быть рассчитана на ток
не более 0,2 А. Убедитесь, что транзистор «тянет» лампочку — напря-
жение на коллекторе не должно превышать 0,3-0,5 вольта.
Подробности для любознательных: парадокс лампочки нака- •
• ливания •
: Предположим, у вас не оказалось под рукой лампочки на ток •
: 0,2 ампера, но имеется лампочка на ток 0,4 ампера. Если вы :
: читали внимательно в главе 1 то, что относится к закону Ома, :
• у вас может возникнуть законное желание подключить ее к схеме, $
• снизив напряжение питания вдвое: казалось бы при этом ток *
: через лампочку также снизится вдвое и не выйдет за пределы :
: безопасного для транзистора КТ3102. Как бы не так! :
J При сниженном относительно расчетного питании (как говорят, •
: недокале) ламп накаливания их сопротивление резко падает, и ток •
: при снижении напряжения питания может даже возрасти. Сопро- :
: тивление холодной нити накала более чем в десять раз меньше ее :
• сопротивления в раскаленном состоянии! В этом легко убедиться, •
: измерив сопротивление лампочки мультиметром: например, для •
: осветительной лампы накаливания 220 вольт мощностью 100 ватт :
: (расчетное значение сопротивления нити накала — около 500 :
• Ом) оно окажется примерно 35 ом. В таких случаях говорят, что •
: мы имеем дело с нелинейной нагрузкой (или что сопротивление •
: нагрузки имеет нелинейный характер). :
: В обычном режиме лампочка успевает нагреться настолько быстро, :
• что изменения тока не замечаем ни мы, ни источник, к которому •
: она подключена. Но это же является главной причиной того, что •
: лампочки накаливания преимущественно перегорают именно в :
: момент включения: начальный бросок тока, хоть и очень короткий, :
• не проходит бесследно для нити накаливания. •
Отключите питание и подключите между напряжением питания и
резистором R1 переменный резистор 100 килоом. Предварительно
необходимо убедиться, что движок этого резистора выведен в поло-
жение, соответствующее нулевому значению сопротивления. К вы-
воду коллектора и общему проводу подключите щупы мультиметра
с помощью зажимов «крокодил». Подключите питание и начинайте
осторожно поворачивать движок переменного резистора. Прекратите
эксперимент, когда напряжение на выводе коллектора немного пре-
высит 1 вольт, иначе транзистор может перегреться и выйти из строя.
В этом эксперименте мы достигли предела усилительных возможно-
стей транзистора. Отношение тока в коллекторе (равен току лампочки
при ее номинальном напряжении) к току в базе I6 = (Ц^. - O,6)/R1
в момент, когда транзистор начинает закрываться (напряжение на
коллекторе начинает расти), равно его коэффициенту усиления по
току. Если возможно, повторите эксперимент несколько раз с раз-
ными экземплярами транзисторов и, измеряя полученное сопротив-
ление переменного резистора, подсчитайте значение коэффициента
усиления для каждого из транзисторов. Значения этого параметра
для разных экземпляров транзистора могут различаться в несколько
раз, и измеренное сопротивление переменного резистора в данном
случае может лежать в пределах от 8-10 до 60-80 кОм (коэффициент
усиления примерно от 100 до 700-1000).
Два генератора на транзисторах
Приведем две «живые» схемы на транзисторах, которые были рас-
пространены во времена недоступности микросхем. Большого смысла
в их использовании в современных условиях нет, и мы даже не бу-
дем рисовать для них монтажные схемы и перечислять необходимые
компоненты. Но если у вас указанные на схемах детали завалялись в
ящике стола, то для тренировки можете попробовать собрать и из-
учить их работу.
Первая схема (см. рисунок на следующей странице) представляет
собой генератор коротких импульсов. В данном случае они подаются
на базу ключевого транзистора ТЗ, который управляет звуковой
динамической головкой. В зависимости от величины конденсатора
С1 и сопротивления цепочки резисторов R1-R2 меняется тональность
генерируемого тона. Длительность периода от импульса до импульса
Т O,7*(R1+R2)»C1. При указанных значениях резисторов и конден-
сатора схема будет выдавать звук частотой от 250 Гц до 1 кГц.
Компактная конструкция из двух разнополярных транзисторов Т1
и Т2 носит специальное название «аналог однопереходного транзи-
стора». В момент, когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет
порога, заданного сопротивлениями R4 и R6, вся конструкция откро-
ется и разрядит конденсатор через резистор R6 и базу транзистора
ТЗ. Через динамик пройдет кратковременный импульс, после чего
процесс зарядки конденсатора начнется заново.
В Интернете вы можете встретить подобные схемы, где резистор R3
будет отсутствовать. Теперь вы уже и сами знаете, что так включать
транзистор нельзя: в течение времени зарядки конденсатора, когда
р-п-р-транзистор Т1 закрыт, в отсутствие резистора база Т2 окажется
«висящей в воздухе», и он будет вести себя непредсказуемо. То есть
R3 устанавливает определенный режим для транзистора Т2 и без него
схема попросту не запустится (или запустится, но только при каких-то
определенных параметрах схемы).
: Подробности для любознательных: применение генератора
: импульсов на однопереходном транзисторе
: Показанный генератор можно, конечно, построить и на самом
• однопереходном транзисторе (КТ117), а не на его аналоге из
: двух разнополярных структур. Ранее подобные генераторы
: импульсов широко применяли для самых разных приложений
: импульсной техники. Из применений, сохранившихся до нашего
• времени, самое популярное — в качестве управляющего устрой-
: ства для запуска тиристоров. Тиристор — это полупроводни-
: ковый прибор, который может коммутировать переменное
• сетевое напряжение, изменяя среднюю мощность, подводимую
к нагрузке, подобно ШИМ-регулятору. Меняя период прихода
: импульсов от подобного генератора, можно изменять момент
: включения тиристора относительно начала периода сетевого напря-
• жения, а значит, и количество энергии, которое он пропускает.
: В таком качестве эту схему по ряду причин называют еще «схемой
: для сдвига фазы». Так устроены, например, диммеры для регу-
: лирования яркости ламп накаливания. Нельзя не заметить, что
• современные типы осветительных приборов — люминесцентные
: лампы и светодиоды — с диммерами для ламп накаливания несо-
вместимы, в них применяются способы ШИМ-регулирования,
рассмотренные нами в Эксперименте 6.
Вторая схема, которую мы приведем здесь, — классическая схема
мультивибратора на двух транзисторах (см. рисунок внизу). Схема
хороша тем, что она крайне неприхотлива: работает с любыми ти-
пами транзисторов, и притом в очень широких пределах изменения
емкости конденсаторов С1 и С2 и сопротивления резисторов R2 и R3,
которые задают частоту. Для конденсаторов теоретически ограниче-
ний нет — лишь минимальная их емкость ограничена естественной
паразитной емкостью монтажа и быстродействием транзисторов.
А для базовых резисторов R2 и R3 требования такие: они должны быть
больше коллекторных R1 и R4 и меньше, чем величина последних,
умноженная на коэффициент усиления транзистора.
Длительность каждой половины периода Т ~ 0,7*RC. При указанных
на схеме параметрах светодиоды будут «перемигиваться» из красного в
зеленый с частотой примерно раз в секунду. Чтобы перестроить схему
для генерации частот звукового диапазона (сотни и тысячи герц),
достаточно электролитические конденсаторы 47 мкФ заменить на
керамические конденсаторы емкостью в пределах 10-200 нФ (частота
получится от 100 до 2000 Гц).
Очень удобное свойство этой схемы — в ней можно менять пара-
метры двух половинок периода колебания совершенно независимо
друг от друга. Таким образом можно получать очень узкие импульсы
с широкими промежутками, или, как в представленной схеме, симме-
тричное прямоугольное колебание (посмотрите на диаграмму ШИМ-
регулирования на странице 70). И тем не менее общую частоту одним
переменным резистором здесь менять уже не получится, и вся схема
сложнее и содержит больше деталей, чем схема мультивибратора на
микросхеме 555, в котором также можно менять параметры в очень
широких пределах. А в следующей главе мы познакомимся с мульти-
вибраторами на логических элементах, с которыми обращаться еще
проще, чем с микросхемой 555.
: Подробности для любознательных: недостатки схемы мулы- :
: тивибратора на двух транзисторах :
: Мы недаром назвали приведенную схему мультивибратора на :
; двух транзисторах классической. Они обязательно приводилась во :
• всех старых пособиях по импульсной технике. Однако при бли- •
: жайшем рассмотрении у этой схемы обнаруживаются ограничения, :
: о которых забывают упомянуть не только в интернет-публикациях, :
: но и во многих солидных пособиях по схемотехнике. •
• По принципу работы этой схемы на базах обоих транзисторов •
: попеременно возникают отрицательные импульсы напряжения :
: (ниже минуса питания). По абсолютной величине (амплитуде) :
• они в данном случае меньше напряжения питания на величину •
: около 2 вольт (теряющихся на светодиодах), но в принципе равны •
: напряжению питания, только со знаком минус. Это происходит :
: потому, что пары C1R2 и C2R3 ведут себя, как рассмотренные нами :
: ранее дифференцирующие цепочки, которые выделяют оба фронта •
• импульса, преобразуя их в выбросы напряжения разной полярности. •
: Между тем для подавляющего большинства современных било- :
: лярных транзисторов, вне зависимости от остальных параметров, :
: предельно допустимое обратное напряжение между эмиттером и •
• базой не превышает 5-6 вольт. А ограничительные диоды здесь •
: ставить нельзя, потому что они нарушат работу мультивибратора, :
: сделав ее очень нестабильной и плохо поддающейся расчету. :
• И хотя на практике подобный мультивибратор чаще всего нор- »
* мально работает при напряжениях питания вплоть до 10-12 *
: вольт, но уверенности в том, что транзисторы в таком режиме :
: проработают сколько-нибудь долго, нет. :
: Во времена активной эксплуатации подобных схем, в 1950-60-е :
• годы, существовавшие тогда германиевые транзисторы имели •
• много большее допустимое значение напряжения база-эмиттер, :
: и этой проблемы не существовало: некоторые могли вьщержать :
* напряжение и до 60 вольт. А для сегодняшних, более совершенных, :
• но и более «нежных» транзисторов, верхний предел по питанию •
: для этой схемы — около 5-6 вольт, не более (в нашем случае из-за :
: наличия светодиодов на 2 вольта больше). При более высоких :
: напряжениях питания, вообще говоря, ее следует применять :
• с оглядкой, о чем часто забывают. ♦
Подключение динамика к звуковому генератору
Необходимые материалы
Комплект деталей мультивибратора в звуковом диапазоне (см.
«Звуковой сигнал на таймере 555» на странице 67)
Транзистор средней мощности с высоким коэффициентом уси-
ления КТ646Б — 1 шт.
Резистор 620 Ом — 1 шт.
Резистор переменный 1 кОм — 1 шт.
Сетевые адаптеры 5 и 12 вольт — 1 шт.
Гнездо сетевого адаптера с винтовыми зажимами — 1 шт.
Обычная динамическая головка (в просторечии часто именуемая
просто «динамиком») даст гораздо более естественный звук, чем пье-
зокерамический излучатель, но подключать ее напрямую к выходам
микросхем было бы неправильно. Даже довольно мощный выход микро-
схемы 555 не потянет — он, скорее всего, не сгорит прямо сразу, но
будет перегружен и рано или поздно перегреется и выйдет из строя.
Напомним, что в Эксперименте 6 (см. страницу 67) мы ставили не
просто динамик, а готовый звуковой излучатель.
Стандартная схема включения динамика Гд через транзисторный
ключ-усилитель приведена на рисунке внизу. Чтобы сразу не оглох-
нуть, здесь целесообразно снизить питание до величины 5 вольт.
Транзистор необходим средней мощности и с высоким коэффициентом
усиления, чтобы «потянуть» головку с номинальным сопротивлением
8 Ом. Показанный на рисунке КТ646Б выдерживает до 1 ампера при
коэффициенте усиления порядка 150.
Такая «гуделка» подойдет в качестве сигнала, который должен быть
слышен достаточно далеко. Для домашних применений все-таки лучше
что-нибудь такое, что гарантированно не
смогло бы довести бабушку или дедушку
до сердечного приступа — иными словами,
нужен регулятор громкости.
В показанную схему подключения мы
установить нормальный регулятор гром-
кости не можем. Ограничение тока в базе
биполярного транзистора (как и напряжения
на затворе палевого транзистора, если при-
меняется именно он, см. далее) приведет,
конечно, к снижению громкости, но так
поступать неграмотно: коэффициент уси-
ления транзистора будет меняться из-за
повышения его температуры, и стабиль-
ного эффекта регулирования не получится,
а транзистор может даже сгореть.
На рисунке слева приведен другой
вариант подключения транзистора для
усиления сигналов. Он позволяет под-
ключить переменное сопротивление
для регулирования громкости звучания.
Здесь можно использовать более высокое
напряжение питания, чтобы увеличить
пределы регулирования громкости. Такой способ подключения тран-
зистора называется эмиттерным повторителем (или схемой с общим
коллектором, в отличие от схемы с общим эмиттером, которую мы
применяли в остальных случаях). Служит он как раз для согласования
низкоомной нагрузки с маломощным управляющим выходом.
Такая схема будет на выходе (на эмиттере транзистора) повторять
напряжение на его базе, за вычетом 0,6-0,7 вольт за счет падения на
переходе база-эмиттер. При снижении громкости (когда подвижной
контакт переменного резистора сдвигается в сторону общего провода),
размах (амплитуда) напряжения на динамике будет уменьшаться, а
«лишнее» напряжение относительно источника питания будет падать
на самом транзисторе. Потому его, возможно, придется установить на
небольшой теплорассеивающий радиатор (подробности о радиаторах
см. в Приложении 2). Однако в этой схеме, несмотря на повышение
температуры транзистора, громкость всегда останется точно такой,
какую мы установили.
Про схему эмиттерного повторителя говорят, что она имеет
стопроцентную обратную связь по напряжению. Напряжение на
нагрузке (эмиттере) здесь будет в точности повторять напря-
жение на базе, за вычетом 0,6 вольт — падения между базой и
эмиттером. Потому такая схема очень стабильна, но не имеет
никакого усиления сигнала по напряжению. Зато по току здесь
усиление в полном соответствии с величиной h213 для данного
экземпляра транзистора.
Обратите внимание, как здесь подключен переменный резистор: в
этой схеме у него задействованы все три вывода. Такое подключение
носит название схемы потенциометра, потому что с его подвижного
контакта (движка) может сниматься напряжение во всем диапазоне
между крайними выводами. Отсюда понятно, почему переменный ре-
зистор во многих пособиях именуют потенциометром, хотя применять
это название во всех случаях, строго говоря, неправильно.
О полевых (MOSFET) транзисторах
Транзистор, с которым мы мимолетом познакомились в Экспери-
менте 4, носит название полевого или, по-западному, FET-транзистора.
Называется он так потому, что в основе такого транзистора лежит
действие электрического поля (по-английски FET расшифровывается
как field effect transistor). К этому названию часто прибавляют сокра-
щение MOS, где зашифрован состав слоев, составляющих транзистор:
metal-oxide-semiconductor, то есть металл-окисел-полупроводник (МОП).
Соответственно, по-русски такой компонент носит название «полевой
МОП-транзистор», хотя чаще используют английское сокращение.
Существуют и другие типы полевых транзисторов, однако мы будем
применять только MOSFET-транзисторы. Они получили большое
распространение из-за ряда очень удобных свойств: основной канал
(между выводами стока и истока) можно рассматривать как обычный
резистор, управляемый напряжением, приложенным к затвору. Чем
выше напряжение, тем ниже сопротивление канала. При достаточно
высоком напряжении на затворе относительно истока (обычно выше
нескольких вольт) сопротивление канала становится равным нескольким
тысячным долям ома — транзистор открывается. Наоборот, при напря-
жении завтора относительно истока близкого к нулю, сопротивление
канала практически равно бесконечности — транзистор закрыт.
MOSFET-транзисторы бывают с п-каналом ир-каналом. Мы здесь будем
употреблять только п-канальные транзисторы. У них привычные для
нас полярности напряжений: исток подключается к общему проводу,
а затвор и сток — к точкам схемы с положительным напряжением. У
р-канальных MOSFET-транзисторов все наоборот: рабочая полярность
напряжения относительно истока у них отрицательная.
: Если специальным образом объединить в одной схеме п-канальные :
: и р-канальные транзисторы, то такая схема будет симметрична :
: относительно полярности приложенного напряжения. Такой прием :
• используют в так называемых КМОП-микросхемах (по-английски, •
• KMOS), получая логические элементы с очень малым потреблением •
: тока и высокими характеристиками. С ними мы познакомимся :
: в главе 3. :
MOSFET-транзисторы широко применяют
в качестве мощных ключей: устройств
для включения и выключений нагрузки.
' Фирма International Rectifier выпускает
несколько сотен разновидностей таких
транзисторов. Они могут переключать
токи до нескольких сотен ампер при
напряжениях в десятки и сотни вольт.
Даже относительно маломощный ключ IRLU8256, который мы при-
меняли в схеме простейшего таймера в Эксперименте 4, тянет до 50
ампер при напряжении до 25 вольт — больше киловатта мощности в
нагрузке! Причем управляется все это всего несколькими вольтами на
затворе, которые можно получить от обычных цифровых микросхем
или микроконтроллеров.
Большинство мощных MOSFET-транзисторов выпускается в широко
распространенных корпусах под названием ТО-220 (на рисунке слева
вверху изображен популярный IRF530). Транзистор IRLU8256 немного
поменьше размерами (внизу на рисунке) — это одна из причин,
почему его удобнее использовать в наших целях. Большинство MOSFET-
транзисторов имеет порядок отсчета выводов, показанный на монтажной
схеме на странице 52, — если расположить корпус вверх надписью
и выводами к себе, то слева направо будут выводы затвора (3), стока
(С) и истока (И).
: Подробности для любознательных: быстродействие MOSFET-
: транзисторов
$ Платить за такие роскошные характеристики MOSFET-транзисторов
• приходится повышенной энергией, которую нужно приложить к
: затвору, чтобы транзистор переключился достаточно быстро. Не
: напряжением, а именно энергией: промежуток между затвором и
• каналом, к которому прикладывается управляющее напряжение,
: представляет собой конденсатор довольно большой емкости.
: Для нашего IRLU8256, а также для других популярных MOSFET-
: ключей (IRF530, IRFZ44 и пр.) эта емкость составляет несколько
• нанофарад. Заряд такой емкости от выхода обычной цифровой
• микросхемы занимает довольно значительное время, в течение
; которого транзистор находится в промежуточном состоянии: и не
: открыт и не закрыт. В результате при быстром переключении и
: большой мощности в нагрузке на транзисторе выделяется большое
• количество тепла. Это не только может привести к его перегреву
; и выходу из строя: даже если этого не произойдет, впустую будет
: расходоваться существенная часть энергии.
Поэтому при работе на большую нагрузку MOSFET-ключи управ-
ляют через специальные миросхемы-драйверы, которые позволяют
достичь высокой скорости переключения без особых потерь. Мы
их не используем, потому что нагрузки у нас небольшие и пере-
ключаются они относительно редко. Но при управлении от мало-
мощных цифровых микросхем (см. следующую главу) все равно
следует учитывать наличие большой емкости на затворе. Чтобы
не перегружать их выводы, мы будем подключать MOSFET-ключи
через небольшое сопротивление 10-20 ом.
При включении MOSFET-транзистора в клю-
чевом режиме резистор, ограничивавший
базовый ток в схеме с биполярным ключом,
оказывается ненужным (см. рисунок справа).
Но зато запирающий резистор, который здесь
соединяет затвор с истоком (R1 на схеме),
для полевого транзистора даже нужнее, чем
для биполярного, хотя здесь он может иметь
гораздо большее сопротивление.
Токи утечки биполярного транзистора очень невелики, они могут •
приоткрыть транзистор так, чтобы заставить слегка светиться •
маломощный светодиод, но не смогут включить сколько-нибудь :
мощную нагрузку в коллекторной цепи. А вот затвору полевого :
транзистора совершенно все равно, от источника какой мощности :
берется напряжение. Между затвором и истоком находится изо- •
лирующий промежуток окисла кремния, и заряды, наведенные :
на затвор от поднесенной руки, от радиоволн в атмосфере, от :
излучений проводов бытовой электрической сети, от искрения :
контактной дуги проходящего мимо трамвая и тому подобных •
случайных источников, будут открывать транзистор точно так же, :
как и «законный» сигнал. Потому обеспечить путь для стекания :
«незаконных» зарядов здесь абсолютно необходимо. Повторим, :
что при управлении от выхода различных микросхем этот путь •
обеспечивается автоматически, потому в таких схемах резистор :
не требуется, но установка его никогда не помешает. :
Кстати, а что это за диод нарисован внутри кружочка, обозначающего
полевой транзистор? Его назначение — защита транзистора от выбросов
напряжения, превышающих напряжение питания. Такие выбросы
могут образовываться при включении или отключении устройств,
обладающих значительной индуктивностью: обмоток мощных реле,
трансформаторов или электродвигателей. Это как раз те устройства,
которые чаще всего и управляются MOSFET-транзисторами. Через
включенный в состав транзистора диод подобные выбросы замыка-
ются на шину питания, и повредить схеме не могут. Если бы его не
было, то в таких случаях его все равно приходилось бы устанавливать
разработчику схемы. А в случаях обычной нагрузки диод просто не
участвует в работе схемы.
С одним логическим элементом вы уже познакомились в Эксперименте 3
(см. «Подробности для любознательных: переключатель, как логический
элемент» на странице 45) - там мы его назвали «исключающее ИЛИ».
Такой тип элемента играет важную роль в цифровой электронике, но
гораздо большее применение находят еще более простые элементы.
Из таких элементарных «кирпичиков» можно сложить любую схему,
выполняющую сколь угодно сложные логические операции - совсем
так же, как из обычных кирпичей возводят большие строительные
конструкции. В том числе их можно заставить производить обычные
арифметические действия и таким образом получить основную часть
любого компьютера - процессор.
Это не сразу осознанное учеными положение перевернуло мир, от-
крыв дорогу информационному веку. В отличие от уже привычной к
началу второй половины XX века аналоговой электронной техники,
имеющей дело с физическими явлениями, выраженными в виде непре-
рывных величин, цифровая электроника сначала преобразует любую
такую величину в последовательность чисел. А числа — сущность не
материальная, потому они не исчезают, не искажаются при переда-
че и не портятся при хранении. И в довершение математики умеют
производить с числами всякие необычные штуки, недостижимые для
величин из физической реальности. Потому информационный век и
стал совершенно новой эпохой, которую не смогли предсказать даже
фантасты.
Об аналоговых и цифровых величинах мы еще поговорим. От кон-
струирования такой сложной вещи, как микропроцессор, конечно,
воздержимся, но и на основе самых простых логических элементов
тоже можно получить многие интересные вещи — вот этим то мы
и займемся.
Эксперимент 9. Свойства
логических элементов
Напомним, что логические элементы оперируют с логическими пере-
менными, которые могут принимать только два значения: логический
ноль и логическая единица. Наши элементарные «кирпичики» долж-
ны выполнять три простейших логических операции, называемых
логическое сложение «ИЛИ» (OR), логическое умножение «И» (AND)
и отрицание «НЕ» (NOT).
+12 В
+12 В
Электрические схемы на выключателях, осуществляющие все эти
три операции, показаны на рисунке выше. За логическую единицу
на входе схемы принимается нажатое состояние выключателя, за
логическую единицу на выходе — горящий светодиод (наличие
тока в цепи выхода). В схеме слева светодиод горит, когда замкнут
любой из выключателей, потому схема называется «ИЛИ» (коротко
это можно записать, как «К1 ИЛИ К2»). В схеме посередине свето-
диод загорится тогда и только тогда, когда оба выключателя К1 и
К2 будут замкнуты, потому схема и называется «И» («К1 И К2»).
Наконец, схема справа содержит единственный выключатель К1, но
работающий на размыкание: когда он нажат, то светодиод не горит.
Это и есть операция отрицания «НЕ» (ее еще называют операцией
логической инверсии, потому она превращает логическую единицу
в ноль и наоборот).
Как видите, все пока довольно просто. Нарисуем на радостях таблицы
состояния (таблицы истинности) этих логических элементов — они
представляют в общем виде логические функции, которые мы тут
перечислили.
Вход 1 Вход 2 Выход «ИЛИ» Выход «ИЛИ-НЕ» Вход 1 Вход 2 1 Выход 1 «И» Выход «И-НЕ»
0 0 0 1 0 0 0 1
0 1 1 0 0 1 0 1
1 0 1 0 1 0 0 1
1 1 1 0 1 1 1 0
«НЕ»
Вход Выход
0 1
1 0
В электронных схемах за логическую единицу принимается высокий
уровень напряжения, близкий к напряжению питания, за логический
ноль — низкий уровень, близкий к нулю относительно общего провода.
Если мы посмотрим на диаграммы напряжений на выводах таймера
в Эксперименте 5 (см. рисунок на странице 63) или на диаграммы
ШИМ-регулирования (см. рисунок на странице 70), то там как раз на-
глядно и показано, что такое высокий и низкий уровень напряжений:
таймер 555, собственно говоря, тем и занимается, что реагирует на
логические уровни на входах, переключая выход из нуля в единицу
и обратно.
В реальности элементы, производящие «чистые» логические опе-
рации «И» или «ИЛИ», почти не встречаются. В электронных схемах
чаще употребляются элементы, объединяющие те же операции сразу
с инверсией: «И-НЕ» и «ИЛИ-HE». Их таблицы состояния можно полу-
чить, если в таблицах для элементов «И» и «ИЛИ» в колонке «Выход»
заменить все нули на единицы и наоборот (крайний столбец справа
в таблицах для логического сложения и умножения).
На схемах эти элементы обозначаются так, как показано на
рисунке внизу справа. В верхнем ряду — отечественные обозна-
чения, которыми мы будем пользоваться далее. Обратите внимание
на кружочки на выходе элементов — так обозначается инверсия
сигнала (функция «НЕ»). В нижнем ряду на всякий случай приве-
дены обозначения тех же элементов,
принятые в иностранной технической
литературе — их можно встретить в
книгах и документации на английском
языке. Треугольник или прямоугольник
с кружочком на выходе (на рисунке
крайние справа) одинаково употребля-
ются в обоих случаях для обозначения
и-не
элемента, выполняющего операцию «НЕ» (инверсию). Вообще-то
треугольник — общепринятое обозначение любого усилителя.
В данном случае выполняемую им операцию «НЕ» показывает все
тот же кружочек по выходу.
Подробности для любознательных: как превратить «ИЛИ» •
в «И» и наоборот •
: Мы везде принимаем за логическую единицу высокий уровень •
• напряжения (наличие тока в цепи с выключателями), а за логи- :
ческий ноль — низкий (отсутствие тока). Такая система еще '•
: называется «положительной логикой». Но никто нам не мешает •
сделать наоборот: принять за логическую единицу низкий уровень •
напряжения (отсутствие тока), а за логический ноль — высокий :
(наличие тока), то есть принять «отрицательную логику». Если :
: внимательно рассмотреть таблицы состояния логических эле- •
ментов, то можно сообразить, что такая операция превращает
элемент «ИЛИ» в «И» и наоборот. :
Для лучшего понимания рассмотрим схемы с выключателями: :
в самом деле, в левой крайней схеме светодиод не будет гореть :
, только тогда, когда разомкнуты оба выключателя. А это в отри- •
. цательной логике соответствует логической единице и на входах :
и на выходе — элемент «ИЛИ» превратился в элемент «И». На :
языке алгебры логики это означает, что логическое сложение при •
: переходе к отрицательной логике превращается в умножение и •
наоборот. А вот элемент «отрицание» от системы логики не зависит: :
он в любом случае переворачивает (инвертирует) значение входа. :
• Это я рассказываю вам не для того, чтобы вас запугать окончательно. •
• Такая простая подмена логических операций попросту означает,
: что при построении любой, даже самой сложной логической схемы :
можно обойтись всего двумя типами элементов: инверсией (отрица- :
; нием «НЕ») и либо логическим сложением «ИЛИ», либо умножением '
: «И». Пусть у нас, например, есть только элементы «И» — точнее, •
: как уже говорилось, «И-НЕ». Для того чтобы превратить элемент •
: «И-НЕ» в элемент «ИЛИ-HE», достаточно инвертировать каждый из :
его входов, то есть поставить на входах по
элементу «НЕ» (см. рисунок справа). Для
тренировки можете расписать таблицу состо-
яний для такой схемы и убедиться, что она
действительно выполняет функцию «ИЛИ»
с инверсией выхода. И наоборот — таким
же способом можно превратить «ИЛИ-НЕ»
в «И-НЕ».
В реальных сериях микросхем, конечно, наряду с элементами «И-НЕ»
и «ИЛИ-HE» имеются простые «И» и «ИЛИ». Но для практических нужд
удобнее применять элементы сразу с инверсией выхода. При этом
часто отдельные микросхемы инверторов «НЕ» можно не использо-
вать, потому что логических элементов в одном корпусе микросхемы
сразу четыре штуки, и нередко все равно остаются лишние. Любой из
элементов «И-НЕ» или «ИЛИ-HE» легко превратить в инвертор, если
объединить оба входа вместе.
И в заключение этой затянувшейся теоретической части необходимо
лишь упомянуть, что логическими элементами с двумя входами дело,
конечно, не ограничивается. Входов может быть в принципе сколько
угодно: в виде отдельной микросхемы выпускают логические элементы
с числом входов до восьми. Если надо подчеркнуть количество входов
элемента, то его пишут впереди обозначения: «2И-НЕ», «ЗИЛИ-НЕ» и
так далее.
Попробуйте для тренировки расписать таблицу состояний элементов
с тремя входами «ЗИ-НЕ» и «ЗИЛИ-НЕ». Общее правило при этом
не меняется: для элементов с функцией «И» логическая единица на
выходе будет только тогда, когда на всех входах единицы (для эле-
мента с инверсией в этом случае на выходе логический ноль). А для
функции «ИЛИ», наоборот, логический ноль на выходе будет только
тогда, когда нули на всех входах.
Знакомство с логическими функциями
Необходимые материалы
Резистор 470 Ом — 1 шт.
Светодиод любой маломощный — 1 шт.
Микросхема CD4011 (К561ЛА7) — 1 шт.
Сетевой адаптер 7-12 вольт — 1 шт.
Давайте посмотрим, как обращаться с логическими элементами в
реальной микросхеме. Существует много разных серий логических
микросхем, отличающихся технологиями изготовления и потому
имеющих разные электрические параметры. В этой книге мы будем
применять практически только одну из них — довольно старую серию
под названием 4000. Она была первой серией, выполненной по так
называемой технологии КМОП, и отличается тем, что может работать
в очень широком диапазоне значений напряжения питания: от 3 до
15 вольт, как минимум. Потому она легко совмещается с нашими
таймерами и другими простыми схемами, где напряжение питания
не важно. Вот когда вы будете изучать микроконтроллеры, то волей-
неволей придется переходить на питание строго 5 или 3,3 вольта, и
совместно с ними лучше будет использовать более современные серии
под общим названием 74НС или 74АС (см. Приложение 3, где приве-
дены соответствия названий микросхем с одинаковыми логическими
функциями, но из разных серий).
Микросхема, которая нас сейчас интересует, называется 4011. Впереди
этого названия могут идти буквы (CD, HEF, ММ, HCF и пр.), которые
обозначают фирму-производителя (см. Приложение 3). Можно выби-
рать любую — все микросхемы 4011 одинаковы и содержат четыре
двухвходовых элемента «И-НЕ». Для определенности мы на схемах
далее будем подставлять буквы CD, которые однозначно ассоциируются
с серией 4000 (их используют фирмы Fairchild и иногда Texas Instruments
и Phillips, но это не значит, что надо отдавать предпочтение именно
этим фирмам). Есть и отечественные аналоги этой микросхемы — они
называются К561ЛА7 и КР1561ЛА7. Следует отметить, что мы далее
везде будем указывать в качестве отечественного аналога только 561-ю
серию, но это сделано лишь для сокращения, ее без оговорок можно
заменять на КР1561.
Разводка выводов микросхемы CD4011 показана на рисунке внизу
страницы. Нам сейчас потребуется только один из четырех име-
ющихся элементов. Все элементы в корпусе равнозначны, потому
можно выбирать любой. Учтите, что по правилам полагается входы
незадействованных КМОП-элементов подключать к определенному
напряжению (или к «земле», или к напряжению питания, безраз-
лично). Сейчас у нас только ознакомительный эксперимент, потому
мы пренебрежем этой рекомендацией, но в готовых схемах забывать
об этом не следует.
12 11 10 9 8
гл гл гл гл гл
1—1 |_| |_| |_j |_J L_| L_|
1 2 3 4 5 6 7
Вставьте микросхему в макетную плату
и подключите ее к напряжению питания
5-12 вольт. В соответствии с разводкой
выводов, вывод 7 микросхемы CD4011
подключается к общему проводу (минусу
источника питания), а вывод 14 — к
плюсу источника питания. После этого
подключите ко входам самого первого
элемента (выводы 1 и 2) провода и пока
их никуда не подсоединяйте. К выходу
этого элемента (вывод 3) подключите
отрезок зачищенного медного провода.
Второй такой же отрезок надо подклю-
чить к общему проводу. К этому отрезку подключается минусовой
провод мультиметра (лучше зажимом типа «крокодил»), а к выходному
контакту — плюсовой. Общий вид того, как это может выглядеть в
результате, показан на рисунке вверху справа.
Подайте на оба входа элемента уровень логической единицы (то есть
подключите их к напряжению питания, как показано на этом рисунке).
После включения питания мультиметр должен показать напряжение,
близкое к нулю, — две логические единицы на входах элемента «И»
дадут единицу на выходе, а ее инверсия «НЕ» и будет логическим нулем.
Проверьте остальные строки таблицы состояний элемента «И-НЕ», по
очереди переключая входы к общему проводу (минусу) схемы. Для
любой другой комбинации на входах мультиметр на выходе должен
показать напряжение, близкое к напряжению питания.
Можете проверить утверждение о том, что схема на странице 94
выполняет функции «ИЛИ-HE» в обычной положительной логике.
Получить инверторы из логических элементов, как мы говорили,
очень просто: для этого надо объединить их входы. Например,
объединив выводы 5 и 6, а также 9 и 8, мы получим два инвер-
тора. Их выходы (выводы 4 и 10) надо подключить ко входам
первого элемента (выводы 1 и 2). Проверьте по таблицам состо-
яния (страница 93), что полученная схема работает как единый
элемент «ИЛИ-HE», у которого входами служат объединенные
входы каждого из инверторов, а выходом — как и раньше, вывод 3.
Кстати, перейти к отрицательной логике вместо положительной
очень просто, если посчитать за общий провод не минус, а плюс
питания. Для этого сначала надо переключить щупы мульти-
метра — к выводу СОМ подключить красный провод со щупом,
а к выводу измерения напряжения черный с «крокодилом». После
• этого переставьте отрезок медного провода от общего провода j
: схемы к плюсу питания (вывод 14 микросхемы) и опять подклю- •
: чите к нему «крокодил» (черный провод) мультиметра. Измеряя :
: напряжение на том же выходе 3, вы все равно будете получать :
• положительные величины, но логика работы элемента станет •
: отрицательной: элемент «И-НЕ» превратится в «ИЛИ-HE». Про- :
: верьте это утверждение. :
Эксперимент 10. Таймер
и генератор на логических
элементах
Для конструирования устройств со сложной логикой удобно применять
таймеры и генераторы, построенные прямо на логических элементах.
В сравнении с устройствами на микросхеме 555, которые мы изучали
в предыдущей главе, одновибраторы и мультивибраторы на логических
элементах получаются менее стабильными — формируемые интер-
валы времени сильно зависят от напряжения питания, температуры
и могут больше «гулять» от раза к разу. Зато они проще в исполнении
и имеют еще некоторые приятные качества в сравнении с таймерами
и генераторами на микросхеме 555.
Логические элементы серии 4000, которую мы здесь будем приме-
нять, не имеют столь мощного выхода, как микросхема 555. Один
светодиод при токе через него не более 5-7 мА микросхемы серии
4000 еще потянут без особых проблем, но не более. Иными словами,
при питании 12 вольт резистор в комплекте со светодиодом здесь
придется устанавливать не менее 1,5 кОм. При 5-7 вольтах можно
снизить величину этого резистора до 620 Ом. Для принятого нами
неопределенного значения питания 7-12 вольт будем писать зна-
чение 680 Ом, но запомним, что при питании 10-12 вольт лучше
его увеличить.
Конечно, при выходе сопротивления нагрузки за эти пределы микро-
схемы серии 4000 не сгорят. Более того, они не сгорят, даже если вывод
вообще замкнуть на общий провод накоротко — по крайней мере, при
напряжениях ниже 8 вольт они выдерживают короткое замыкание по
выходу длительное время без последствий (но, конечно, не одновременно
для всех выходов!). Но это все-таки не рекомендованный, а аварийный
режим работы. Более мощную нагрузку приходится подключать через
транзисторные ключи или через специальные усилительные элементы
с мощным выходом — они носят название «буферных».
• Подробности для любознательных: почему необходимо огра- •
• ничиватъ ток в нагрузке для микросхем серии 4000?
: Что происходит с выходом микросхемы серии 4000, если ее ;
: нагружать все большим током? По мере роста нагрузки (то есть :
• снижения ее сопротивления) напряжение на выходе микросхемы •
• будет падать, а ток через вывод — расти. В очень грубом при- •
: ближении выход логической микросхемы серии 4000 можно :
: себе представить как дополнительный резистор, подключенный :
• последовательно с нагрузкой. Если замкнуть выход микросхемы
: CD4011 на общий провод через мультиметр в режиме измерения
: тока, то прибор покажет определенный ток. Для разных экзем-
: пляров микросхемы он при напряжении питания 15 вольт может
колебаться от примерно 15 до 30 миллиампер — все равно как
: если бы мы подключили резистор сопротивлением 0,5-1 кОм. :
: Возникает законный вопрос: если выход может самостоятельно .
: ограничивать ток и при этом не выходит из строя, почему же :
• нам все равно нужно заботиться о величине тока в нагрузке ;
: и устанавливать дополнительные резисторы? ‘
: Все дело в ограничениях на максимально допустимые параметры. :
: Выходные транзисторы микросхемы будут от выходного тока :
• нагреваться. Максимально допустимая мощность для одного •
: выхода микросхемы CD4011 равна 100 милливаттам. Отсюда •
: получается, что при напряжении 15 вольт ток через этот выход не :
: должен превышать 100/15 » 7 миллиампер. При напряжении 5-7 :
• вольт ток, правда, может быть значительно выше, но при таком :
• питании микросхема уже сама не выдаст тока такой величины, ;
: который может перегрузить микросхему (уровни напряжения на ;
: выходе микросхемы при этом, правда, будут уже очень далеки :
5 от того, что мы считаем за логический ноль и единицу). Отсюда :
: и указанное для микросхем 4000-й серии усредненное ограничение •
: тока в 5-7 миллиампер. Если мы его немного превысим, ничего :
: страшного не произойдет, но помнить об этом необходимо. Схемы, '
• встречающиеся в Интернете, не всегда корректно составлены •
• в этом отношении. •
Посмотрим, как можно соорудить на логических микросхемах знако-
мые нам таймеры и генераторы и поисследуем их свойства.
Таймер на логических элементах
Необходимые материалы
Микросхема CD4011 (К561ЛА7) — 1 шт.
Резистор 10 кОм — 1 шт.
Резистор 100 кОм — 1 шт.
Резистор 680 Ом — 2 шт.
Конденсатор 100 мкФ — 1 шт.
Светодиод любой маломощный — 1 шт.
Кнопка замыкающая — 1 шт.
Сетевой адаптер 7-12 вольт — 1 шт.
Принципиальная схема таймера (одновибратора) на логических
элементах показана на рисунке выше, монтажная схема на рисун-
ке внизу слева. При указанных на схеме величинах С1 и R2 она
на каждый падающий фронт импульса на выводе 1 микросхемы
(перепад из единицы в ноль, который в этой схеме обеспечивается
кнопкой Кн) выдает импульс такой же
полярности — из высокого уровня в низ-
кий — на выводе 4. Чтобы превратить его
в положительный (как у таймера 555)
и заодно устранить возможное влияние
нагрузки на работу схемы, предназначен
инвертор на элементе D1.3. Длительность
импульса здесь также примерно равна
произведению R2*Cr При указанных на
схеме величинах таймер выдаст импульс
длительностью около 10 секунд.
По сравнению с таймером на микросхеме 555, такой одновибратор
обладает одним приятным свойством: его работа не зависит от дли-
тельности импульса на входе. Если микросхема 555 непременно
требует сброса входа в исходное положение до истечения заданного
времени, то в данном случае после запуска входной импульс может
длиться сколько угодно. Вы можете кнопку держать нажатой сколько
хотите — импульс на выходе все равно закончится через время, опре-
деляемое произведением RC.
Правда, чтобы привести схему в исходное состояние, уровень на
входе все-таки нужно ненадолго установить в состояние логической
единицы. Но при последовательном включении таких одновибра-
торов, например в схеме светофора из Эксперимента 8, дифферен-
цирующие цепочки с диодами ставить уже не потребуется, а значит,
схема будет проще.
Резистор R3 — ограничительное сопротивление, для того чтобы при
разряде конденсатора в момент возврата схемы в исходное состо-
яние не сжечь входные защитные диоды элемента D1.2. Он может
иметь величину от 0,5 до 2 кОм — чем больше емкость, тем больше
величина R3. При малых значениях величины емкости (не более
1 мкФ) и при низком напряжении питания (не более 5-7 вольт),
этот резистор можно не ставить — его роль сыграет выходное сопро-
тивление элемента D1.1.
Резистор R2 может иметь величину сопротивления от сотен ом до
единиц мегаом, конденсатор С1 — от единиц нанофарад до сотен
микрофарад. То есть время задержки можно устанавливать вплоть
до десятков минут. Как и у одновибратора на микросхеме 555, при
больших значениях емкости время выдержки может «гулять», причем
здесь нестабильность выдержки будет еще больше.
• Обратите внимание, что обозначения величины резисторов мы •
: здесь также, вслед за конденсаторами, стали делать в сокращенном •
: варианте, как и принято в настоящих схемах. Омы не пишутся :
: вообще (680 просто означает «680 Ом»), а килоомы сокращаются :
• до одной буквы «к». Если были бы мегаомы, то они отмечались •
: бы прописной буквой «М». Обозначение микросхемы буквой D :
: расшифровывается как «digital», что значит цифровая. Стоит :
• также заметить, что на монтажной схеме входы неиспользуемого J
• инвертора, входящего в состав микросхемы (выводы 12 и 13), как •
: полагается, подключены к общему проводу (на принципиальной :
: схеме не показаны). :
DI CD4001 (К561ЛЕ5)
вывод 14 подключить к +7-12 В
вывод 7 к общему проводу
На схеме вверху приведена схема точно такого же таймера, но на эле-
ментах «ИЛИ-HE» (микросхема CD4001 или К561ЛЕ5). У нее все поляр-
ности противоположны: запускается она от положительного фронта,
резистор R2 подключается к плюсу питания, конденсатор С1, если он
электролитический, развернут плюсом к резистору, а на выходе (вывод
4) образуется импульс из низкого уровня в высокий, как в таймере на
микросхеме 555. Но дополнительный инвертор (элемент D1.3) здесь
все равно желателен, чтобы избежать возможного влияния нагрузки
на работу таймера, потому светодиод подключен к плюсу питания,
а не к общему проводу. Чтобы получить нормальную полярность на
выходе из минуса в плюс, придется подключить еще один инвертор,
который имеется в составе микросхемы (на схеме не показан).
Генератор на логических элементах
Существует очень много разных схем автоколебательных мультивибраторов
на логических элементах. На рисунке внизу справа показана обобщенная
схема одного из самых простых вариантов. Она, как видите, содержит
два инвертора, два резистора и один конденсатор. Как и в схеме тайме-
ра, время одного периода колебаний здесь определяется произведением
сопротивления R2 на емкость Сг причем полное время одного периода Т
будет равно З’Я^Ср а частота колебаний F, соответственно,
Резистор R1 здесь также вспомогательный — служит для ограничения
разрядного тока конденсатора через вход-
ные диоды микросхемы. При малых на-
пряжениях питания и небольшой емкости
конденсатора R1 может не устанавливаться,
а при питании выше 7 вольт и конденса-
торах емкостью более 1 мкФ его величина
может быть от 0,51 до 1 кОм.
Инверторы могут быть взяты из микросхемы К561ЛН2 (CD4049,
CD4069), содержащей шесть одновходовых инверторов. Но если в
качестве инверторов взять обычные логические элементы из микро-
схем CD4011 («И-НЕ») или CD4001 («ИЛИ-HE»), то «лишние» входы
у них можно использовать для управления процессом генерации.
: Подробности для любознательных: как управлять генерато-
: рами на логических элементах
: На верхнем рисунке справа показана
J схема мультивибратора на логических
• элементах из микросхемы CD4011 («И-
: НЕ») или CD4001 («ИЛИ-HE»), У схемы
: образуется два свободных входа, которые
• могут быть использованы не только для
• включения и выключения генерации, но
: и для управления уровнями на выходе
; при остановке. Если управление не пре-
i дусмотрено, то оба этих входа (или один
: из них) просто соединяются со вторыми
: входами элементов, как в обычной схеме
: инвертора.
• Состояние выхода генератора в
: зависимости от уровней на управля-
: ющих входах Uyl и показано на диа-
: граммах справа для случаев использо-
: вания разных типов логических эле-
: ментов. Отметьте, что генерация на
: выходе возникает только тогда, когда
• на обоих управляющих входах для эле-
: ментов «И-НЕ» логическая единица, а
: для элементов «ИЛИ-НЕ» — логический
: ноль. Это так называемые «разреша-
5 ющие» уровни для соответствующих
: элементов, о которых мы будем говорить далее. В данной схеме •
: такое состояние равносильно тому, как если бы мы просто объ- :
: единили входы, получив два инвертора. :
• Обычно двух управляющих входов не требуется, потому выбирается ;
: один из них. В схеме управляемой «гуделки» далее используется •
: первый управляющий вход для элементов «И-НЕ», который при :
: установке в низкий уровень запрещает генерацию и при этом •
• обеспечивает также низкий уровень на выходе всей схемы. •
Управляемая «гуделка»
Необходимые материалы
Микросхема CD4011 (К561ЛА7) — 1 шт.
Резистор 10 кОм — 1 шт.
Резистор 100 кОм — 1 шт.
Резистор 220 кОм — 1 шт.
Резистор 680 Ом — 2 шт.
Резистор 100 Ом — 1 шт.
Резистор 51 Ом — 1 шт.
Конденсатор 1,0 мкФ — 1 шт.
Конденсатор 10 нФ — 1 шт.
Конденсатор 100,0 мкФ — 1 шт.
MOSFET-транзистор IRLU8256 — 1 шт.
Кнопка замыкающая — 1 шт.
Головка звукоизлучающая (динамик) 8-16 Ом — 1 шт.
Сетевой адаптер 7-12 вольт — 1 шт.
D1 561ЛА7
На рисунке на предыдущей странице приведена схема управляе-
мого генератора-гуделки, вроде тех, что мы пытались изобрести в
Эксперименте 5 на основе таймера 555. Отличается он от тех ва-
риантов прежде всего тем, что, несмотря на достаточную простоту
(всего одна микросхема CD4011 с четырьмя элементами «И-НЕ»),
работает эта схема гораздо интереснее, чем простые конструкции
на микросхеме 555.
При нажатой кнопке Кн разрешается работа генератора на элементах
D1.1 и D1.2 (нижнего по схеме). Он выдает периодические импульсы
примерно 2 раза в секунду. Эти импульсы во время действия высокого
уровня на выходе разрешают работу второго (верхнего) генератора
на элементах D1.3 и D1.4, который выдает частоту около 500 герц.
Таким образом, пока кнопка нажата (т. е. на входе первого генератора
действует высокий уровень), вся конструкция будет выдавать громкие
прерывистые сигналы, напоминающие телефонный сигнал «занято».
Монтажная схема приведена на рисунке внизу страницы. Если сигнал
слишком частый, замените резистор 220 кОм на резистор большего
сопротивления (величина 510 кОм даст частоту, практически равную
одному импульсу в секунду). Если громкий сигнал не требуется, то всю
конструкцию из MOSFET-транзистора и динамика можно заменить
на один пъезоизлучатель. В этом случае фильтр питания (резистор
100 ом и конденсатор 100 мкФ вблизи выводов питания) можно не
ставить. Этот фильтр предназначен для защиты генераторов от воз-
можного влияния друг на друга, которое может привести к сбоям в
генерации. Они возможны из-за помех по линии питания, которые
возникают в моменты переключения мощного MOSFET-транзистора.
Наличие резистора и конденсатора, разделяющих питание нагрузки и
микросхемы, не дает им распространяться по всем элементам схемы.
Резистор сопротивлением 51 Ом, подключенный к затвору тран-
зистора, устанавливается для защиты маломощного выхода микро-
схемы CD4011 от броска тока, возникающего в момент включения и
выключения MOSFET-транзистора (у таймера 555 выход достаточно
мощный, и там такой резистор мы не устанавливали). Транзистор
типа IRLU8256 можно заменить на IRF530, IRF3205 и аналогичные с
пороговым напряжением не выше 2-4 вольт.
Разумеется, вместо кнопки можно подключить любое другое устрой-
ство, задающее высокий уровень на входе схемы. Таким устройством
может быть, например, какой-нибудь из таймеров на основе микро-
схемы 555, разобранных в Эксперименте 5.
Логические вентили
Логические элементы часто называют еще логическими вентилями.
Вообще-то вентилем называют устройство для регулирования потока
жидкости или газа, всем известный пример вентиля — обыкновенный
водопроводный кран. Какой смысл кроется в таком названии для ло-
гических элементов в электрических цепях?
Оказывается, если на один из входов логического элемента подавать
последовательность прямоугольных импульсов (что действительно
напоминает поток жидкости), а на другой — различные логические
уровни, то в этом случае элемент будет себя вести совершенно ана-
логично вентилю настоящему. Для элемента И-НЕ подача логической
единицы на один из входов разрешает прохождение потока импульсов,
поступающих на второй вход. Такой уровень еще называют «разре-
шающим», а обратный — «запрещающим». Для И-НЕ разрешающим
будет уровень логической единицы, при подаче запрещающего уровня
(логического нуля) на выходе вентиля И-НЕ установится постоянный
высокий уровень (логической единицы). Наоборот, для вентиля ИЛИ-НЕ
разрешающим будет низкий уровень (логического нуля) на входе, при
запрещающем уровне (логической единицы) на выходе установится
постоянный высокий уровень.
Зная эти закономерности, можно строить самые сложные схемы пре-
образования различных последовательностей логических импульсов.
Хорошим примером управления потоками импульсов с помощью
логических вентилей служит управляемая «гуделка», которую мы
только что рассматривали. В ней один генератор управляется подачей
запрещающих и разрешающих уровней, и точно таким же способом
он управляет вторым генератором.
Можно построить схему на элементах ИЛИ-HE, и в ней ничего
бы не изменилось (кроме того, что необходимо было бы поменять
местами кнопку Кн и резистор R1 — кнопку подключить к питанию,
а не к общему проводу). Однако такая схема будет иметь в оста-
новленном состоянии на выходе постоянный высокий уровень, а не
низкий, как в нашей схеме. В результате MOSFET-транзистор ока-
жется открытым, и через динамик потечет большой постоянный ток.
Который, как любят изящно выражаться составители инструкций к
бытовой технике, «может привести к выходу динамического гром-
коговорителя из строя».
Кстати, есть выход и из этого положения: если вы по какой-то при-
чине непременно хотите использовать элементы ИЛИ-HE (CD4001,
К561ЛЕ5), то возьмите вместо п-канального MOSFET-транзистора
р-канальный (например, IRF4905, IRF5210 или аналогичный) и под-
ключите его вместо п-канального «в перевернутом виде»: истоком к
питанию, а динамик, соответственно, к общему проводу (не забудьте
аналогично изменить подключение кнопки). Тогда высокий уровень
на выходе будет закрывать транзистор и теперь уже, наоборот, в таком
сочетании нельзя будет использовать вентили И-НЕ.
Эксперимент 11.
Охранная сигнализация
Необходимые материалы
Компоненты для схемы таймера (см. Эксперимент 5, изменения
см. текст далее).
Резистор 10 кОм — 2 шт.
Конденсатор 0,1 мкФ — 1 шт.
Диод импульсный 1N4148 (можно заменить на 1N4448, КД510А,
КД522 и др.) — 1 шт.
Микросхема CD4011 (К561ЛА7) — 1 шт.
MOSFET-транзистор п-типа (IRLU8256) — 1 шт.
Концевой выключатель с рычагом — 1 (2, 3 и т.д.) шт.
Автомобильный сигнал (ток потребления не более 4 ампер) —
1 шт.
Мощный источник питания 12 вольт, 5 А — 1 шт.
Эту сигнализацию можно установить для охраны какого-то помеще-
ния. Помещение может иметь одну или несколько дверей, а также
окна. От количества точек охраны зависит только требуемое коли-
чество концевых выключателей. Особенностью нашей сигнализации
будет то, что отключить и включить ее возможно только изнутри
помещения. Таймер при этом нужен, чтобы после включения дать
время на выход и запирание дверей и наоборот — чтобы при ле-
гальном входе в помещение успеть отключить сигнализацию до ее
срабатывания.
Сигнализацию мы сделаем на основе стандартной схемы таймера
и автомобильного сигнала. Рисовать подробную схему таймера
заново нет никакой нужды — изобразим только изменения, которые
нужно сделать в подключениях входа и выхода (см. рисунок внизу
страницы). В основной своей части схема таймера, обозначен-
ного на рисунке серым прямоугольником, соответствует схеме на
странице 58, за исключением того, что вместо пары переменный-
постоянный резистор (R1 и R2) устанавливается один постоянный
резистор сопротивлением 680 кОм. В результате время импульса
на выходе таймера будет равно примерно 1 минуте.
Для запуска схемы устанавливается цепочка последовательно вклю-
ченных концевых выключателей К1 ... Кп с нормально разомкнутыми
контактами. Подобный концевой выключатель показан на рисунке
в начале следующей страницы. Согласно рисунку на странице 92 такая
цепочка выключателей выполняет логическую операцию «И»: цепь будет
замкнута только тогда, когда замкнуты все контакты. Концевые выклю-
чатели устанавливают на косяки дверей и откосы окон помещения так,
чтобы в их закрытом состоянии рычаги были прижаты и все контакты
были замкнуты.
Конечно, необязательно везде ста- - _
вить именно концевые выключатели
той конструкции, что показана на
рисунке. Например, чтобы сигнализиро-
вать о нарушении целостности стекол в
окнах, можно прямо на стекло наклеить
полоски из фольги: если стекло будет
разбито, то фольга порвется и разорвет
контакт. Можно придумать и другие
конструкции охранных датчиков, главное, чтобы они при проникно-
вении в помещение или других нарушениях (например, при пожаре)
размыкали цепь.
В рабочем режиме после включения питания элементы сигнали-
зации находятся в следующем состоянии. Если все контакты К1 ... Кп
замкнуты, то на входе логического элемента D1.3 (вывод 9) низкий
уровень (логический ноль). Низкий уровень с выхода не запущенного
таймера проходит через инвертор на элементе D1.2, и высокий уро-
вень поступает на второй вход элемента D1.3 (вывод 8). Сочетание
логического нуля и логической единицы на входах элемента «И-НЕ»
дадут высокий уровень на выходе (вывод 10, см. таблицу состояний
на странице 93). В свою очередь, на выходе инвертора D1.4 (вывод
11) окажется низкий уровень, и транзистор Т1 окажется закрытым.
Звуковой излучатель ЗИ не работает.
Если размыкается хоть один из контактов, то в дело вступает
таймер. Вход запуска (вывод 2 микросхемы 555) здесь подключен
хитрым образом. Когда все контакты охранных датчиков зам-
кнуты, на входе инвертора D1.1 (выводы 1 и 2 микросхемы 4011)
при этом будет логический ноль (низкий уровень напряжения).
Стоит хотя бы одному контакту разомкнуться (проникновение
в помещение!), как на входах 1 и 2 микросхемы 4011 устано-
вится высокий уровень напряжения (за счет резистора R1, под-
ключенного к напряжению питания). На выходе элемента D1.1
(вывод 3) при этом возникнет перепад напряжения из высо-
кого уровня в низкий. Он передается на дифференцирующую
цепочку из конденсатора С1 и резистора R2. Как мы знаем из
главы 2 (см. Эксперимент 5), такое название она получила за спо-
собность выделять из входного сигнала только фронт импульса —
в данном случае падающий, из высокого уровня в низкий.
От импульса, полученного с дифференцирующей цепочки, запускается
таймер. Высокий уровень напряжения с его выхода, возникающий
после запуска, пропускается через логический элемент D1.2, также
включенный по схеме инвертора. На входе (вывод 8) логического
элемента D1.3 теперь оказывается низкий уровень. На втором входе
(вывод 9) из-за разомкнутых контактов теперь, наоборот, высокий уро-
вень. Но на выходе элемента «И-НЕ» ничего не поменялось: сочетание
логический ноль — логическая единица на входе все равно дает на
его выходе высокий уровень (см. таблицу состояний на странице 93),
который после инвертора D1.4 превращается в низкий. Транзистор Т1
остается закрытым, и звуковой сигнал не звучит.
Такая ситуация возникнет при законном входе в помещение, как
только откроется дверь. За время, пока действует сигнал таймера
(около 1 мин), посетитель должен успеть выключить питание сигна-
лизации. Тумблер выключения размещается в секретном месте внутри
помещения.
Как только выдержка времени закончится, на выходе таймера
снова окажется низкий уровень, а на входе логического элемента
D1.3 (вывод 8) — высокий (логическая единица). Но если срабо-
тавший контакт остается разомкнутым, то на втором входе (вывод 9)
остается высокий уровень. Сочетание двух логических единиц на
входах элемента «И-НЕ» даст на выходе (вывод 10) низкий уровень
(см. таблицу состояний на странице 93), который после инвертора
D1.4 превратится в высокий и откроет транзистор Т1. Звуковой
сигнал ЗИ включается.
Посмотрим теперь, что будет происходить, когда посетитель захочет
покинуть помещение. Он включит питание сигнализации, но пока
оставит дверь открытой, то есть один из контактов останется разом-
кнутым. В момент включения на входах элемента D1.1 возникнет поло-
жительный перепад напряжения, а на входе таймера — отрицательный
импульс, который его запустит. В течение минуты звуковой сигнал не
будет работать. За это время посетитель должен закрыть дверь и тем
самым замкнуть все контакты. На обоих входах элемента D1.3 будет
по логическому нулю, на его выходе останется высокий уровень. Когда
таймер выключится, на выводе 8 элемента D1.3 уровень сменится на
высокий, но на выходе (вывод 10) по-прежнему останется логическая
единица — звуковой сигнал отключен, сигнализация перешла в режим
охраны.
Как видите, схема получилась достаточно сложная и собирать ее
необходимо очень тщательно. Мы не будем приводить монтажную
схему — она получится слишком громоздкая, и разобраться в ее
соединениях будет сложнее, чем самостоятельно собрать такую кон-
струкцию, руководствуясь принципиальной схемой.
В качестве звукового излучателя можно использовать автомобильный
сигнал (по старинке иногда именуемый клаксоном). Он может быть
любой, только не слишком мощный, так, чтобы ток потребления
у него не превышал четырех ампер. Идеально подойдет сигнал от
какого-нибудь старого «Москвича» или «Жигулей» — их можно
найти на автобарахолке. Мощные клаксоны с красивым много-
тональным звучанием могут потреблять токи до 20-25 ампер
и в этой схеме не годятся.
Керамический конденсатор С2 емкостью 1 микрофарада ставится
вблизи выводов питания микросхемы CD4011 и служит для защиты от
сбоев из-за импульсов, которые могут проскакивать по шине питания
в момент срабатывания мощного звукового излучателя. Можно также
установить второй такой же конденсатор около выводов питания
микросхемы 555 таймера.
Резистор R3 сопротивлением 51 Ом, как и в схеме управляемой
«гуделки» ранее, устанавливается для защиты маломощного выхода
микросхемы 4011 от броска тока, возникающего в момент включения
и выключения MOSFET-транзистора Т1. Транзистор типа IRLU8256
можно заменить на IRF530, IRF3205 и аналогичные с пороговым
напряжением не выше 2-4 вольт. Диод VD1 — любой импульсный
(например, отечественный КД522Б или КД510А).
• Подумайте, как можно в этой схеме сигнализации заменить •
: микросхему 4011 с элементами «И-НЕ» на микросхему CD4001, :
: содержащую также четыре элемента, но типа «ИЛИ-HE». Задание :
• сложное: порядок подключения логических элементов существенно
: изменится. Придется тщательно разобраться в логике работы, для ♦
: чего удобно нарисовать диаграммы напряжений в каждой точке :
: схемы. Если у вас после такой переработки останутся «лишние» :
: логические элементы, то не забудьте, что их выходы следует под- •
• ключать к шине питания или к общему проводу. •
Все компоненты схемы находятся внутри помещения, то есть злоу-
мышленник не сможет отключить сигнализацию, пока не проникнет
в него. Он, правда, может отключить электричество во всем здании
(оно может выключиться и само из-за сбоев в подаче электроэнер-
гии). Чтобы избежать такой ситуации, можно установить питание
схемы от батареек. Так как сигнал у нас мощный, то понадобятся са-
мые большие батарейки типа D в количестве не менее шести-восьми
штук, чтобы обеспечить питание 9 или 12 вольт. Так как в стороже-
вом режиме схема потребляет не более 12-15 миллиампер тока, то
одного комплекта таких батареек хватит примерно на 1,5-2 месяца
непрерывной службы, если сигнализация включена круглосуточно.
Если она включается только на 8 часов в сутки в ночное время, то
батареек хватит уже на полгода.
Следует учесть, что обычно в магазинах продают компоненты общего
применения. Они не предназначены для работы при отрицательных
температурах, потому в зимнее время схема будет работать ненадежно.
Для установки подобной охранной сигнализации в зимнее время
схему придется существенно переработать и, кроме всего прочего,
использовать для питания дорогие литиевые батарейки. И еще нужно
быть уверенным, что кто-то придет и вовремя выключит сработавшую
сигнализацию. Иначе при включенной «сирене» батарейки разрядятся
через часок-другой и сигнализация «умрет».
Как видите, хорошая работа охранной сигнализации — это в гораздо
большей степени правильная организация работы, чем особенности
электронной схемы. Это правило применимо ко всем системам безопас-
ности без исключения — от антивирусной защиты вашего домашнего
компьютера до «навороченных» секретных систем охраны банков или
государственных и военных объектов.
кеш wnmpfeo га еттгаига
Между прочим, одно из главных «неэлектронных» значений слова «trigger» -
спусковой крючок у огнестрельного оружия. В электронике
основное значение термина триггер - устройство для записи
и хранения информации в количестве одного бита. Любая элементарная
ячейка памяти, будь то магнитная ячейка на пластинах жесткого диска,
отражающая область на поверхности компакт-диска, или электронная
ячейка компьютерной памяти, обязательно обладает триггерными
свойствами и может хранить информацию. Некоторые электронные
компоненты другого назначения также называют триггерами -
например, триггер Шмидта есть основная часть знакомого нам таймера
555 (о триггерах Шмидта мы расскажем в главе 5).
RS-триггеры
Самый простой триггер можно получить, если в схеме одновибратора
(см. рисунок на странице 100) удалить RC-цепочку, а также резистор
R3 и соединить напрямую выход первого элемента со входом второго.
Если схема находится в состоянии, при котором на выходе уровень ло-
гической единицы, то кратковременная подача отрицательного уровня
на вход, как и в случае одновибратора, перебросит выход в состояние
логического нуля. Но теперь уже нет конденсатора, который осуществля-
ет отрицательную обратную связь и в конце концов возвращает схему в
исходное состояние, потому в таком состоянии схема останется навечно,
если мы что-то не предпримем. Чтобы вернуть ее в исходное состояние,
надо подать точно такой же сигнал, но на вход второго элемента, который
(вход) в схеме одновибратора у нас отсутствует. Если мы его введем, то
получим симметричную схему с двумя входами, которые обозначаются
буквами R и S (от слов Reset и Set, то есть «сброс» и «установка»). Само
же устройство носит название RS-триггера.
Оба варианта такой схемы на элементах «И-НЕ» и «ИЛИ-HE» показаны
на рисунке на следующей странице. Рядом со входами и выходами
условно показаны диаграммы сигналов при работе триггера. Из них
видно, что при подаче кратковременного отрицательного импульса (то
есть перепада напряжений из единицы в ноль) на вход сброса Елевого
по рисунку триггера (на элементах И-НЕ) на его выходе, обозначенном
буквой Q, возникнет перепад из высокого уровня в низкий. В таком
состоянии триггер останется, пока такой же перепад не возникнет на
входе установки S — в этом случае на выходе Q установится опять
логическая единица.
Так как мы работаем в положительной логике (то есть за логиче-
скую единицу у нас принят высокий уровень напряжения), а входы
R и S у нас управляются уровнем логического нуля, то они обозначены
значком инверсии — горизонтальной черточкой над символом (см. левую
схему на рисунке). Точно так же второй симметричный выход триггера
обозначен как Q— в отличие от прямого Q, он называется инверсным и
будет всегда находиться в состоянии, противоположном прямому выходу.
Легко догадаться, что ничего не изменится, если поменять местами все
обозначения: R заменить на S, а прямой выход — на инверсный.
В отличие от RS-триггера на элементах И-НЕ, триггер на элементах
ИЛИ-HE (на схеме — справа) управляется противоположными поляр-
ностями уровней. На его прямом выходе Q возникнет перепад из
единицы в ноль, если подать на вход сброса R кратковременный
положительный импульс. Установка его обратно в единицу произойдет,
если такой же положительный импульс подать на вход установки S.
Так как этот триггер управляется подачей логической единицы, то
входы R и S теперь обозначаются без значка инверсии.
• Практически любое устройство, имеющее в своем составе триг- •
• геры, обязательно будет иметь хотя бы вход сброса R (а иногда, •
: если это необходимо, то и оба входа R и S). Такой вход общего :
: сброса обязательно имеется и в составе микропроцессоров, на :
• основе которых построены персональные компьютеры. В старых •
: настольных компьютерах кнопка Reset даже выводилась на :
: переднюю панель системного блока, и с ее помощью можно :
• было заставить компьютер работать с самого начала — переза- :
: грузиться. Теперь нужда в отдельной кнопке отпала, потому что •
: ту же самую операцию перезагрузки можно выполнить чисто :
: программными методами, что будет безопаснее и для программ, :
• и для компонентов компьютера. Хотя вывод Reset на материн- •
: ской плате все равно имеется, просто его никуда не подключают. :
• Причем в большинстве случаев сброс микропроцессоров произво- :
: дится подачей уровня логического нуля (как для левого триггера •
: на нашем рисунке), и правильно помечать такой инверсный вход :
• сброса значком R с черточкой наверху. •
RS-триггеры являются простейшими элементами, из которых строят
более сложные логические конструкции, обладающие триггерными
свойствами. Из всего их разнообразия мы рассмотрим здесь только
так называемые D-триггеры, счетные триггеры и построенные на их
основе двоичные счетчики.
D-триггеры
D-триггеры получили свое название от слова
«delay», что означает «задержка». На самом
деле существуют две их разновидности, фор-
мально различающиеся только тем, что первая
из них управляется уровнем сигнала (стати-
ческий D-триггер, или триггер-защелка), а
вторая — фронтом импульса (динамический
D-триггер). Фактически же это разные по
устройству и области использования схемы.
Триггер-защелка — это простейшее
устройство памяти. Микросхема CD4042
(561ТМЗ) содержит четыре статических триг-
гера-защелки с общим входом разрешения
записи. Способ построения ячейки памяти на
четыре бита из такой микросхемы показан на
рисунке слева. Внизу условно показана диа-
грамма импульсов, поступающих на общий
вход разрешения записи, обозначенный здесь
буквой Е (от слова «enable», что означает
«разрешение»).
Короткое слово «бит» (bit переводится, как «кусочек», «частица»)
означает попросту одну двоичную цифру, которая, как мы знаем,
может принимать только два значения — ноль и единица. Из
отдельных битов складываются все остальные числа в цифровой
электронике. Бит является минимальной единицей количества
информации — меньше, чем один бит («орел» — «решка»), инфор-
мации не бывает.
Когда на входе Е высокий уровень, все изменения логических уровней,
установленных на входах триггеров от «бит 0» до «бит 3», без задерж-
ки повторяются на выходах. Но в момент, когда состояние входа раз-
решения Е меняется с высокого уровня на низкий, триггеры «защел-
киваются» — они запоминают тот уровень, который был установлен
на входах непосредственно перед перепадом на входе Е. И пока на
входе Е низкий уровень напряжения, никакие изменения на входах
«бит 0» — «бит 3» уже не изменят состояния триггеров. Обычно та-
кими устройствами управляют короткими импульсами «запись» (они
и показаны на условной диаграмме напряжений на входе Е). Следует
только помнить, что запись производится именно в момент смены
уровней с высокого на низкий, или, как говорят, по отрицательному
перепаду на входе Е (падающему фронту импульса).
* Подробности для любознательных: управление полярностями •
: на входе CD4042
: У микросхемы CD4042 есть еще один управляющий вывод, :
: наличие которого надо учитывать. На схеме он обозначен буквой «
: р — от слова «polarity», то есть «полярность». С его помощью
: можно переключать полярность фронта импульса, вызываю- :
: щего «защелкивание» триггеров. Если присоединить вывод Р к :
: общему проводу (вместо напряжения питания, как на схеме), то •
• триггеры будут переключаться положительным перепадом — из •
: логического нуля в логическую единицу, и хранить информацию :
: при высоком уровне на входах вместо низкого. Если вы посмо- :
: трите на схему подключения выводов Е и Р в документации на •
• микросхему CD4042, то поймете, что триггеры на самом деле все •
: равно управляются одними и теми же уровнями. Вывод Р лишь :
: управляет хитрой логической схемой, которая инвертирует или :
: не инвертирует уровни на входе Е, в зависимости от пожеланий ;
• разработчика схемы. •
Мы так подробно остановились на статических D-триггерах потому,
что они имеют огромное значение в современной электронике: по-
добным образом устроены ячейки статической памяти (SRAM) во всех
современных электронных устройствах — от мощных микропроцес-
соров для серверов до малюсеньких микроконтроллеров для управле-
ния детскими игрушками. SRAM обладает свойством очень быстрой
записи и чтения информации и может хранить ее неограниченно
долго, практически не потребляя энергии, — до тех пор, пока есть на-
пряжение питания. Для хранения информации в отсутствие питания
она непригодна, поэтому микросхемы системных часов в настольных
компьютерах и ноутбуках, содержащие подобную память, требуют
отдельной батарейки.
Фирма Dallas Semiconductor даже выпускает микросхемы подобной :
памяти с литиевой батарейкой, встроенной прямо в микросхему. :
Но батарейки имеют свойство рано или поздно «сдыхать», потому :
особого распространения такая память не получила. Вместо этого j
в отсутствие питания информацию стали хранить в энергонезави- •
симой памяти, ныне всем известной под названием флэш-память. :
Она записывает информацию намного медленнее SRAM и требует :
при этом гораздо больше энергии, зато может хранить ее годами :
без всякого питания. •
Эксперимент 12. Триггеры
и их свойства
Элементарный счетный триггер выполняет одно-единственное действие:
с каждым импульсом на счетном входе на входе он перебрасывается в
противоположное состояние. Это действие равносильно счету до двух.
На рисунке внизу страницы показан такой триггер, построенный на
основе так называемого динамического D-триггера (он отличается
от рассмотренного ранее статического тем, что реагирует только на
перепад уровней на входе, сама по себе величина входного уровня
на него никак не влияет). Два таких D-триггера входят в микросхему
CD4013 (К561ТМ2). Рабочий перепад уровней на входе у них — по-
ложительный, то есть триггер перебрасывается в противоположное
состояние при изменении уровня на входе С от логического нуля к
единице, обратный перепад никакого влияния на состояние триггера
не оказывает.
Как и положено каждому уважающему себя триггеру, он также
имеет входы принудительного сброса в нулевое (вход R) и установки
DDI CD4013
в единичное (вход S) состояния. Они срабатывают при подаче поло-
жительного уровня на один из этих входов. Во время действия поло-
жительного уровня на входах R или S никакие другие сигналы на
триггер не действуют — в таких случаях говорят, что входы сброса и
установки имеют наивысший приоритет.
Отметим, что такая конструкция счетного триггера на основе триг-
гера типа D — не единственная из возможных, есть много других
схем счетных триггеров. Но эта — одна из самых распространенных
и удобных на практике.
Рассмотрим процесс счета подробнее. Сначала триггер находится
в состоянии логического нуля, с пришедшим импульсом он перебра-
сывается в состояние логической единицы на выходе Q. То есть он
сосчитал импульс номер 1 и показал это своим состоянием выхода.
Но следующий импульс ведь опять перебросит его в состояние нуля,
откуда же получается счет до двух? А оттуда, что ноль и единица —
это два состояния, а не одно, и единичный счетный триггер, имеющий
два состояния, считает именно до двух. Если вы захотите получить
реальное число два, то надо иметь в виду, что в двоичной форме
число 2 записывается, как 10, и одного триггера для демонстрации
двух разрядов хватить не может — надо сооружать многоразрядный
счетчик, чем мы займемся в следующем разделе.
Если подать на вход такого триггера последовательность импульсов,
представляющих сигнал некоей частоты, то на выходе получим сигнал
частотой в два раза меньше. Такая ситуация показана на рисунке в
виде условных диаграмм импульсов на входе и выходе. То есть счетный
триггер еще и является делителем частоты ровно пополам. Очень важно,
что при этом все перепады уровней (фронты импульсов) на входе и
выходе строго синхронизированы друг с другом: очередной перепад
напряжения на выходе возникает строго в момент положительного
перепада на входе.
Из этого вытекает второе важное свойство полученной последователь-
ности импульсов на выходе: они строго симметричны относительно
нулевого и единичного уровня. То есть длительность низкого уровня
у них строго равна длительности высокого. Для характеристики
импульсов электронщики пользуются понятием скважности, которое
равно отношению периода повторения импульсов к длительности
положительного уровня. Для короткого положительного импульса
скважность велика, а для заполняющего собой почти весь период —
близка к единице. У счетных триггеров скважность импульсов на выходе
всегда равна 2, независимо от скважности приходящих импульсов.
Это свойство позволяет, например, имея импульсы с частотой ровно
1 Гц, но произвольной скважности, получить на выходе интервал
времени (как говорят электронщики, «ворота») длительностью ровно
1 секунду.
Сейчас мы попробуем воспользоваться этим фактом для построения
распределителя импульсов и на его основе займемся любимым раз-
влечением радиолюбителей всех времен и народов: соорудим много-
цветную елочную гирлянду.
Многоцветная елочная гирлянда
Необходимые материалы
Микросхема CD4013 (К561ТМ2) — 1 шт.
Микросхема CD4001 (К561ЛЕ5) — 1 шт.
Резистор 1,5 МОм — 2 шт.
Резистор 51 Ом — 4 шт.
Конденсатор керамический 2,2 мкФ — 1 шт.
Диод импульсный КД510А (можно заменить на 1N4448, 1N4148,
КД522 и др.) — 2 шт.
MOSFET-транзистор п-типа (IKLU8256) — 4 шт.
Лампочки 12 В, 0,1 А — 4 (8, 16...) шт.
Сетевой адаптер 12 вольт, 1-2 А — 1 шт.
Распределитель импульсов — это логическая схема, которая позволяет
расставить импульсы во времени определенным образом. Посмотрите
на диаграмму на рисунке внизу страницы. Из двух последовательностей
импульсов Q1 и Q2 (частота первой из которых вдвое выше второй)
ВЫХ1 ;
t, сек
VD1
мы получаем последовательно возникающие импульсы на четырех
разных выходах «вых1»~«вых4». Если мы подключим к этим выходам
лампочки разных цветов, то они будут загораться по очереди.
Практическая схема, которая делает именно то, что нарисовано на
диаграмме, показана на рисунке вверху. Она, как видите, не очень
сложная, но при ее сборке нужно быть внимательным, чтобы не оши-
биться в соединениях.
Генератор исходных импульсов здесь построен на «лишнем»
триггере микросхемы CD4013. Он несколько сложнее обычного (на
микросхеме 555 или на логических элементах), но зато не надо
устанавливать еще одну микросхему. Период между его импульсами
будет равен Т = При указанных на схеме параме-
трах величина Т составлять около 5 секунд. То есть каждые пять
секунд будет загораться лампочка другого цвета в порядке синий-
зеленый-желтый-красный.
Лампочек каждого цвета на 12 вольт 0,1 ампера может быть до пяти-
десяти штук, если их будет больше, то придется брать более мощный
источник питания. Заметьте, как лампочки подключены к транзистору:
такое соединение называется параллельным. В этом случае перегорание
одной лампочки никак не повлияет на горение остальных.
и
U2 ,
-IR1 i-k R2 Н
I
Подробности для любознательных: параллельное и последо-
вательное соединение
Любые два элемента электрической цепи
могут подключаться двумя способами:
последовательно (друг за другом) и
параллельно (рядом друг с другом). На
рисунке справа показано последовательное
соединение двух резисторов и указано
распределение напряжений между ними. Из этого рисунка очень
просто понять, откуда взялось часто употребляемое выражение
падение напряжения. Падение напряжения на резисторе R1 равно
Uv а падение напряжения на резисторе R2 будет равно U2, при
этом сумма этих падений U2+U2 обязательно будет равна общему
напряжению в цепи U (второй закон Кирхгофа). Это правило
соблюдается для любого количества последовательно соединенных
резисторов или вообще любых нагрузок (нагрузку — например
лампочку — всегда можно представить в виде резистора).
Предположим, что в ближайшем магазине нет лампочек на 12
вольт, а есть только маленькие лампочки для карманного фона-
рика, рассчитанные на 3 вольта. Тогда в нашей гирлянде мы можем
соединить их по четыре штуки последовательно и получить тот
же самый результат, потому что на каждой из них теперь будет
падать по 12/4 = 3 вольта, и они будут работать нормально. За
одним исключением: если в последовательной цепи перегорит
одна лампочка, то погаснут все, так как ток в цепи один, и через
перегоревшую лампочку он не пойдет.
На втором рисунке (внизу справа) показано параллельное сое-
динение двух резисторов (и вообще любых нагрузок). Теперь
между резисторами распределяются не напряжения, а токи.
В нашей гирлянде именно так и подключены лампочки, поэтому
перегорание одной лампочки никак не повлияет на остальные:
просто общий ток в параллельной цепи I, который всегда равен
сумме токов через отдельные нагрузки 1г+12 (первый закон Кирх-
гофа), уменьшится наполовину.
Кстати, из этих картинок, пользуясь законом
Ома, легко вычислить значения суммарных
сопротивлений цепи из резисторов (или
других нагрузок). При последовательном
соединении сопротивления резисторов
складываются, потому общее сопротив-
ление будет равно R = R1+ R2 (общее
сопротивление последовательной цепи
•' всегда больше большего из резисторов). При параллельном соеди- :
• нении складываются не сопротивления, а проводимости, которые •
• есть величины, обратные сопротивлению. Общая формула такова: •
1/R = 1/Rj + 1/R2, или R = R1*R2/(R1 + R2), а общее сопротив- •
; ление будет меньше меньшего из резисторов. •
Если вы не найдете в продаже цветные лампочки с нужными параме-
трами, их легко изготовить самостоятельно, покрасив обычные авто-
мобильные лампочки. Специальный лак тоже искать не потребуется.
Приобретите бесцветный мебельный нитролак и отлейте по 30-50
миллилитров в полиэтиленовую или стеклянную посуду (которую по-
том не жалко выбросить). В каждую такую порцию выдавите пасту из
стержня для шариковой ручки подходящего цвета. Это можно сделать,
если маленькими плоскогубцами удалить металлический кончик из
стержня, а затем с усилием подуть в его чистый конец. Размешай-
те полученный цветной лак и проверьте его густоту на стеклянной
пластинке: он не должен быть слишком густым, чтобы лампочка не
светилась слишком тускло. После этого окуните лампочку в лак, дай-
те ему немножко стечь и снимите образующуюся каплю кусочком
бумаги. Разместите лампочки для сушки так, чтобы они ничего не
касались покрашенной поверхностью — через час-полтора они го-
товы к употреблению.
Елочная гирлянда с плавным переходом цветов
Необходимые материалы
Микросхема CD4013 (К561ТМ2) — 1 шт.
Микросхема CD4001 (К561ЛЕ5) — 1 шт.
Резистор 75 кОм — 1 шт (несколько штук для точного подбора).
Резистор 68 кОм — 1 шт (несколько штук для точного подбора).
Резистор многооборотный 10 кОм — 1 шт.
Резистор 51 Ом — 4 шт.
Конденсатор 0,1 мкФ керамический — 1 шт.
Диод импульсный 1N4148 (можно заменить на 1N4448, КД510А,
КД522 и др.) — 2 шт.
MOSFET-транзистор п-типа (IRLU8256) — 4 шт.
Лампочки 12 В, 0,1 А — 4 (8, 16...) шт.
Сетевой адаптер переменного тока 12-18 вольт, 2-3 А — 1 шт.
Диод выпрямительный 1N5400 на 3 А (можно заменить на КД202
и др.) — 2 шт.
Маломощный сетевой адаптер 12 вольт постоянного тока —
1 шт.
Мигающую елочную гирлянду легко переделать в оригинальную
гирлянду с плавным переходом цветов. Таких в продаже вы не
встретите, а медленный плавный перелив одних цветов в другие
несравненно приятнее для восприятия, чем непрерывное раздра-
жающее мигание. Для того, чтобы понять принцип переделки, да-
вайте сначала рассмотрим диаграмму напряжений, показанную на
рисунке внизу страницы.
Внизу этого графика показаны по-прежнему выходы схемы 1-4, на
которых возникают сдвинутые по времени импульсы. Только на этот
раз пусть они будут идти с гораздо большей частотой, чем раньше
(на горизонтальной оси графика время отсчитывается не в секундах,
а миллисекундах). А на верхней кривой показано напряжение питания
ламп. Оно также импульсное, но представляет собой половинки сину-
соиды — кривой, по которой происходит изменение напряжения
в бытовой сети. Напряжение такой формы называют пульсирующим,
и его можно получить, если последовательно с источником питания
переменного тока включить один-единственный диод (то, что получа-
ется в результате, носит название однополупериодного выпрямителя —
подробности см. в Приложении 2).
На графике показана картинка для случая, когда частота перемен-
ного напряжения и частота возникновения импульсов на выходах
t, мсек
(она равна частоте задающего генератора) близки, но не равны друг
другу. В результате, как мы видим из диаграммы, первый импульс
пульсирующего напряжения перекроет полностью импульс выхода
3 и по чуть-чуть — импульсы выходов 4 и 2. В гирлянде будет ярко
светиться зеленый цвет и слабо — желтый и синий. Второй импульс
наполовину перекроет выходы 4 и 3 — синий и зеленый будут све-
титься в половинной яркости. Наконец, третий из показанных на
графике импульсов пульсирующего напряжения перекроет выход 4
и по чуть-чуть — выходы 1 и 3. Будет ярко светиться синий, и по
чуть-чуть — красный и зеленый.
Идея понятна? На диаграмме специально разница в частотах взята
достаточно большой, чтобы показать сдвиг импульсов питания и
управления друг относительно друга. В реальности разность частот
намного меньше самих значений частот, потому цвета будут меняться
очень плавно. А каковы должны быть эти частоты? Необходимо оттал-
киваться от сетевой частоты 50 Гц, которую мы все равно менять
не можем. Если мы заведем наш генератор на такой же частоте, то
цвета будут плавно меняться поодиночке. Но можно завести генератор
и на удвоенной частоте 100 Гц, тогда цвета будут меняться парами —
красный+зеленый будут сменять синий+желтый.
VD1
На рисунке в конце предыдущей стра-
ницы показана схема, в которой все эти
теоретические рассуждения реализованы
на практике. Как мы видим, она практи-
чески не отличается от схемы, переклю-
чающей гирлянды, из предыдущего при-
мера. За двумя исключениями: во-первых,
лампочки теперь питаются от отдельного
источника переменного тока с однопо-
лупериодным выпрямителем. Обычный
источник питания по-прежнему использу-
ется для питания микросхем, и здесь он может быть гораздо меньшей
мощности. Так как в такой схеме лампочки каждого цвета светятся
половину каждого периода частоты (посмотрите на диаграмму), то для
увеличения их яркости можно использовать переменный источник с
напряжением, повышенным до 18 вольт и даже более, в зависимости
от типа лампочек.
Второе отличие заключается в параметрах генератора. Здесь он рас-
считан на частоту 100 Гц и требует дополнительной тонкой подстройки.
Поэтому резистор в одном из плеч генератора разделен на два — пере-
менный R2 и постоянный R3. Причем переменный резистор R2 лучше
брать многооборотный, подобно показанному на рисунке вверху стра-
ницы. Ползунок такого подстроечного резистора движется с помощью
винта, размещенного на оси, которая вращается маленькой отверткой.
Весь диапазон резистора проходится за несколько оборотов, что позво-
ляет очень точно установить величину сопротивления.
Порядок настройки следующий. Временно отключите выходы гене-
ратора и питание от остальной схемы. Сначала нужно установить
ползунок переменного резистора R2 в положение, соответствующее
середине диапазона (5 кОм) — то есть половине его полного сопро-
тивления. Это делается с резистором, отключенным от схемы. Затем
резистор подключают к схеме генератора и, измеряя мультиметром
частоту на выходе схемы (вывод Q), подбирают постоянные резисторы
R1 и R3 из нескольких экземпляров с сопротивлением 75 и 68 кОм так,
чтобы частота была как можно ближе к нужному значению 100 Гц.
Если вы захотите сменить частоту на значение 50 Гц, то следует
снизить емкость конденсатора С1 до значения 51 или 47 нанофарад.
Для более точной начальной подгонки частоты можно также попро-
бовать подобрать конденсатор из нескольких экземпляров одного или
близких номиналов. В результате вы должны получить частоту, отли-
чающуюся от сетевой (ее можно измерить тем же мультиметром на
выходе однополупериодного выпрямителя — то есть на катоде диода
VD3) не более чем на 2-3 герца.
Установив частоту подбором постоянных резисторов как можно ближе
к необходимой, мы включаем схему полностью и увидим скорее всего
быстрое-бысгрое мигание всех лампочек. Нужно понемногу поворачивать
движок подстроечного резистора так, чтобы это мигание было все реже,
пока не получите медленное перетекание из одного цвета в другой.
Со временем, кстати, настройки эти будут в небольших пределах
«уплывать». Можно даже настроить генератор так, чтобы цвета вовсе
«остановились», но через несколько минут они опять начнут медленно
меняться. Это обусловлено нестабильностью и частоты генератора, и
самой бытовой сети 50 Гц — ее частота немного, в пределах долей герца,
«плавает», и этого достаточно, чтобы такой уход сказался на частоте пере-
ливания цветов в нашей гирлянде. Но самого красивого и необычного
эффекта перетекания цветов такие небольшие нарушения не испортят.
• Подробности для любознательных: биения •
: Явление, заключающееся в том, что при сложении двух близких •
: по частоте колебаний на нагрузке выделяется частота, равная их :
• разности, называется эффектом биений. Биения возникают всякий :
• раз, когда встречаются две близких или кратных частоты (то есть •
: частоты, отношение которых равно целому числу). Причем матема- •
: тики доказали, что частоты любых генераторов всегда представлены :
: рациональными числами, и их отношение есть также рациональное :
• число — иными словами, биения между двумя любыми периода- j
• ческими сигналами всегда будут также представлять периодиче- •
: ский сигнал. Это явление широко используется в радиотехнике :
: и технике связи: на его основе построены FM-приемники, модемы :
• и многие другие радиотехнические устройства. :
• • • • • • • • • • Я Я * * ft * * « » » « « * Ф Ф ф * © ® 9 9 » • • 9 « 9 • ft • • ft 9 9 ft * ® ® • ft • • ft • • 9 ft • • • ft ft ft • ft ft ft • • ft • • 9 • « 9 •» Ф 9 9 • « * Ф • *
Эксперимент 13. Счетчики
Если вы захотите с помощью нашего счетного триггера, который
считает, как мы выяснили, до двух, получить реальное число два,
то нам понадобится еще один числовой разряд. В двоичной форме
число 2 записывается как 10, и одного триггера для демонстрации
двух разрядов хватить не может. Чтобы получить числа с количе-
ством разрядов больше одного, придется соединить несколько таких
триггеров последовательно, образовав таким образом двоичный
счетчик.
Такой счетчик на основе двух триггеров из микросхемы CD4013
показан на рисунке на следующей странице справа вверху. Как легко
догадаться, он считает до четырех, но
поскольку реагирует на положительный
перепад, то получается не суммиру-
ющим, а вычитающим: если сначала
оба выхода Q0 и Q1 находились в состо-
янии логической единицы (образовав
двоичное число 11, что означает 3 в
десятичной системе), то следующим будет состояние 10 (вот оно —
число 2). То есть на выходах последовательно возникают состояния
11,10, 01 и 00. После этого последовательность повторяется: счетчик
каждым импульсом вычитает единицу из предыдущего значения:
3-2-1-0-3-2....
Чтобы было проще разобраться в работе этого устройства, на рисунке
справа внизу показана диаграмма состояний этого счетчика при по-
даче последовательности импульсов на вход. Легко заметить, что на
втором выходе (Q1) при этом возникает сигнал с частотой, равной
входной, поделенной на четыре. А всего счетчик имеет 4 состояния,
то есть считает до четырех.
Чтобы счетчик считал правильно (сум-
мировал, а не вычитал импульсы), надо
сделать так, чтобы составляющие его
триггеры реагировали не на положи-
тельный, а на отрицательный фронт
входного импульса. Самостоятельно
составлять такие счетчики из отдель-
ных триггеров нет никакой нужды: они существуют в виде готовых
микросхем во многих разных вариантах.
• Подробности для любознательных: десятичная, двоичная •
• и шестнадцатеричная системы счисления
: Мы уже упоминали о том, что, например, число 2 в двоичном :
: виде записывается, как 10, а число 3 — как 11. А зачем нужны ;
: разные системы счисления и как выглядит запись любого числа •
: в разных системах? :'
: Привычная нам десятичная система счисления имеет осно- ?
: вание 10. Запись числа, например, 35 в такой системе означает •
: то, что в разряде единиц стоит число 5, а в разряде десятков — •
: число 3. То есть запись 35 расшифровывается, как 3*10+5. Или в .
: общем виде запись произвольного целого числа вида AnAn r. .АД,
: в десятичной системе будет означать:
• An*10n+An l*10n l+...+A1*101+Ao»100 (так как любое число в нулевой •
: степени равно 1, то последний множитель можно не ставить). :
• Для представления десятичных чисел нужно ровно десять разных
• значков для цифр — это и есть цифры от 0 до 9. Разобравшись
• в этом, очень просто перейти к двоичной системе, где значков
: для цифр всего два (0 и 1), а разряды числа вместо степеней
• десятки располагаются по степеням двойки. Так, запись числа
: 111 в двоичной системе будет означать 1112 = 1х22+1х21+1х2° =
• = 4+2+1 = 710 (значки 2 и 10 внизу означают здесь основание
: системы счисления).
• Все элементы цифровых электронных схем работают только
: в двоичной системе счисления. Не так давно, в 2014 году, скон-
чался российский ученый Николай Петрович Брусенцов, который
: сумел в свое время построить вычислительную машину «Сетунь»,
♦ работавшую не в двоичной, а в троичной системе счисления.
: Это было единственное исключение за всю историю цифровой
: электронной техники. Кроме Брусенцова и его немногочисленных
: последователей, никто не пытался строить цифровые схемы, рабо-
• тающие на принципах, отличных от двоичных.
: Однако большие числа записывать в двоичной системе неудобно:
: например, не слишком большое число 241 уже запишется как
: 11110001. Договорились такие числа записывать не в двоичной,
\ а в кратной ей шестнадцатеричной системе. 16 равно 24, то есть
: каждый шестнадцатеричный разряд представляет четыре дво-
: ичных. Зато теперь нужно целых 16 значков для цифр — откуда их
: взять? Договорились, что, кроме обычных цифр от 0 до 9, это будут
• буквы английского алфавита А (10), В (11), С (12), D (13), Е (14)
: и F (15). Число 241 в шестнадцатеричной системе тогда запишется,
: как Flh (буква h в конце означает, что это именно шестнадцатеричная
: система, есть и другие способы ее обозначения). Расшифровывается
• это точно так же, как и раньше для других систем счисления, только
: в основании стоит число 16: 24110 = 15-16+1 = Flh.
: Кстати, два шестнадцатеричных числа подряд, как в этом примере,
• представляют всем хорошо знакомый байт. Он содержит 8 дво-
• ичных разрядов и всего может представить FFh+1 (в десятичной
: системе 256) значений чисел от 0 до 255.
Счетчики импульсов с индикацией на светодиодах
Необходимые материалы
Микросхема МС14516 (К561ИЕ11) — 1 шт.
Микросхема CD4017 (К561ИЕ8) — 1 шт.
Микросхема CD4011 (К561ЛА7) — 1 шт.
Резистор 10 кОм — 3 шт.
Резистор 680 Ом — 4+10 шт.
Светодиоды любого цвета — 4 + 10 шт.
Сетевой адаптер 9 (7-12) вольт, 1 А — 1 шт.
Кнопка переключающая — 1 шт.
Кнопка замыкающая — 1 шт.
Тумблер переключающий — 1шт.
Сначала ради эксперимента давайте по-
строим несколько простых счетчиков на
разных микросхемах с индикацией на
светодиодах. Входным сигналом для них
будет нажатие кнопки, хотя вместо нее
можно подключить на вход любой дру-
гой источник импульсов — например,
один рассмотренных ранее генераторов.
Так как мы остановились на кнопке, то
для начала придется озаботиться избав-
лением от ее дребезга. Любая кнопка
обязательно выдает при нажатии и отпу-
скании несколько импульсов, которые
будут вызывать ошибочное срабатывание
счетчика. Хорошим способом избавиться от такой напасти служит уже
знакомый нам RS-триггер. Схема подключения кнопки к нему показана
на рисунке справа. Она основана на том факте, что при замыкании и
размыкании контакт может подпрыгивать, то замыкая, то размыкая
цепь, но никогда не пролетает весь промежуток от замыкающего до
размыкающего контакта целиком. Поэтому в момент первого же касания
триггер мгновенно переключится в нужное положение и дальнейший
дребезг на его состоянии не скажется.
Как видите, для этой цели нужна кнопка с переключающим кон-
тактом, а не обычная замыкающая. Подобных конструкций гораздо
меньше, чем обычных. Один из вариантов такой кнопки показан на
рисунке в начале следующей страницы. Крайний правый контакт (тот,
который отдельно от двух других) в нормальном состоянии замкнут с
одним из левых, а при нажатии замыкается со вторым.
В схеме с RS-триггером одно нажатие такой кнопки выдаст на
выходах ровно один импульс полярности, показанной на рисунке
для обоих выходов, без какого-то дре-
безга. Разумеется, RS-триггер можно
построить самому из логических эле-
ментов (как на рисунке) или исполь-
зовать RS-входы элемента микросхемы
К561ТМ2 (входы D и С при этом под-
ключаются к общему проводу, см. схему
генератора для елочной гирлянды из
предыдущего эксперимента). Для опре-
деленности мы далее используем само-
дельный RS-триггер, показанный на
этом рисунке. При этом, какой именно брать импульс для запуска
счетчика (с выхода Q или Q ), нам без разницы, потому что счетчик
все равно будет реагировать только на определенный перепад — из
логической единицы в ноль или наоборот (на положительный или
отрицательный фронт импульса).
На рисунке ниже представлен простой счетчик с индикацией на
светодиодах на основе микросхемы К561ИЕ11 (МС14516). Это дво-
ичный реверсивный счетчик (то есть он может менять направление
счета со сложения на вычитание и обратно). Нажимая на кнопку
Кн1, вы можете наглядно наблюдать нарастание чисел в двоичном
представлении от 0 (код 0000 — все светодиоды погашены) до
15 (код 1111 — все светодиоды горят) и обратно. Направление счета
переключается тумблером К1. Кнопка Кн2 (обычная замыкающая)
сбрасывает показания счетчика в нули во всех разрядах.
+9В
Д R1-R3 Юк
DD1.1
DD1.2
DD1 К561ЛА7
выв. 14,13,12 +9 В
выв. 7,8,9 общий
DD2 К561ИЕ11
+9В
Следует отметить, что все возможности микросхемы К561ИЕ11 мы
здесь не задействуем. У нее есть выход (Рвых) и вход (Рю) переноса,
позволяющие соединять счетчики последовательно, получая большее
количество разрядов. Кроме того, счетчик позволяет выполнять
запись значений в каждый из разрядов отдельно (входы SO-S1
и вход разрешения записи SE), и таким образом, с кодом счетчика
можно производить всякие манипуляции (например, устанавли-
вать заданный коэффициент деления частоты). Отметьте, что
на схемах счетчики часто дополнительно помечают буквами СТ
(от английского counter, что и значит «счетчик»).
DD1.2
DD1 К561ЛА7
выв. 14,13,12+9 В
выв. 7,8,9 общий
+9В
DD2 К561ИЕ8
Удалите из макета микросхему К561ИЕ11, не разбирая конструкцию
из кнопки с триггером, и установите микросхему К561ИЕ8 (CD4017).
На рисунке выше показана схема счетчика на основе этой микросхе-
мы. Внутри К561ИЕ8 содержит дешифратор двоичного кода, подобный
тому, что мы изобретали для нашей елочной гирлянды в предыдущем
эксперименте. В результате на выходах у нее получаются уровни, по-
следовательно распределенные во времени так, как это показано на
диаграмме на странице 119. Только этот счетчик имеет больше раз-
рядов, потому у него целых десять таких выходов Q0-Q9. Нажимая
на кнопку Кн1, вы можете наблюдать последовательное передвижение
логической единицы от Ldl до LdlO.
Кнопка Кн2, как и в предыдущем случае, сбрасывает показания
счетчика в нули во всех разрядах. Выход переноса Рвых мы здесь не
используем. Но если надо получить длинную цепочку с большим числом
светодиодов, то можно подключать такие счетчики последовательно,
подключая Рвых ко входу СЕ второго счетчика и соединяя тактовые
входы С особым образом через логические элементы (пример см.
в фирменной документации на счетчик CD4017). На основе такого
счетчика можно, например, делать световые гирлянды с эффектом
«бегущий огонь».
Счетчик с дешифратором и семисегментным
индикатором
Необходимые материалы
Микросхема CD4029 (К561ИЕ14) — 1 шт.
Микросхема CD4011 (К561ЛА7) — 1 шт.
Микросхема CD4511 — 1 шт.
Резистор 10 кОм — 3 шт.
Резистор 680 Ом — 7 шт.
Семисегментный индикатор с общим катодом любого цвета,
с высотой цифры 0,5-0,56 дюйма (BL-S56A или аналогичный) —
1 шт.
Сетевой адаптер 9 (7-12) вольт, 1 А — 1 шт.
Кнопка переключающая — 1 шт.
Кнопка замыкающая — 1 шт.
Тумблер переключающий — 1шт.
На рисунке на следующей странице показана схема десятичного счет-
чика на основе микросхемы CD4029 (К561ИЕ14), которая имеет пере-
ключатель двоичный-десятичный счет через вывод, обозначенный B/D
(то есть binary/decade — «двоичный/десятичный»). Показания с выхо-
дов Q0-Q3 счетчика поступают на специальную микросхему, которая
носит наименование дешифратора. По смыслу названия дешифратор
должен расшифровывать какие-то коды, то есть преобразовывать их в
понятный вид. На схемах они часто дополнительно помечаются бук-
вами DC, что означает «декодер» (decoder, по-английски). Микросхема
CD4511, которая применяется в данном случае, преобразует двоичный
код счетчика в код для управления семисегментным индикатором.
Подробнее о ее возможностях мы поговорим в связи с измерением
частоты в Эксперименте 15.
+ 9В
DD2K561HE14
DD3 CD4511
Н1 BL-S56A
+ 9В
Подробности для любознательных: семисегментные инди- **.
: каторы :
Семь сегментов индикатора типа BL-S56A образованы из длинных :
• светодиодов, и размещены в плоском корпусе так, чтобы обра- •
зовать универсальную «заготовку» для изображения цифры из •
: отрезков прямых. Это несколько напоминает шаблон для напи- :
: сания почтовых индексов, которые размещают на конвертах :
• «Почты России». Только на конвертах сегментов в шаблоне •
• девять, а не семь (наверное, потому, что они разрабатывались •
: тогда, когда о семисегментных индикаторах еще не знали). :
: С помощью семисегментного индикатора можно отобразить :
• цифры от 0 до 9, знак минус, некоторые буквы и даже значок •
: градуса. Кроме того, в каждом таком индикаторе обязательно •
• имеется восьмой сегмент в виде разделительной точки (мы его :
: здесь не используем). :
• Семисегментные индикаторы бывают с общим анодом (то есть :
• с объединенным положительным выводом) и с общим катодом •
: (отрицательным выводом) и выпускаются разных цветов от голу- :
: бого до красного. В данном случае BL-S56A — с общим катодом, и :
• для зажигания необходимо подавать ток на аноды сегментов через :
• резисторы раздельно. Именно для этой цели и спроектирована •
: микросхема CD4511 — при использовании индикаторов с общим :
: анодом совместно с ней пришлось бы дополнительно подключать :
: ключевые транзисторы или микросхему с инверторами. :
• Следует учесть, что индикаторы с большими цифрами (высотой •
: дюйм, то есть 2,5 сантиметра и более) имеют в каждом сегменте •
: не один светодиод, а два, включенные последовательно. Падение :
: напряжения на них может составлять более 4 вольт. Потому :
• при 5-вольтовом питании они практически не работают, а при •
• напряжении питания 9-12 вольт лучше снизить сопротивление •
: резисторов R4-R10 до значения 430-470 Ом. :
Нажимая на кнопку, вы можете наблюдать смену цифр на индика-
торе. Направление счета, как и ранее, переключается тумблером
К1, а кнопка Кн2 сбрасывает показания счетчика в нули во всех
разрядах. Обычного входа Reset у микросхем К561ИЕ14 нет, вместо
него служит вход SE (set enable, то есть «разрешение установки»),
который разрешает запись в счетчики значений, установленных на
выводах S0-S3, то есть в данном случае нулей. Если бы использова-
ли обычный двоичный счетчик, считающий до 15, то импульсы с 10
по 15 индикатор бы не показывал — шестнадцатеричные числа он
отображать не умеет.
Эксперимент 14.
Усовершенствованный
автоматический светофор
Необходимые материалы
Микросхема CD4020 (К561ИЕ16) — 1 шт.
Микросхема CD4011 (К561ЛА7) — 2 шт.
Резистор 10 кОм — 6 шт.
Резистор 680 Ом — 6 шт.
Резистор 1 кОм — 1 шт.
Резистор 680 кОм — 1 шт.
Конденсатор керамический 1,0 мкФ — 1 шт.
Диод импульсный КД521 (можно заменить на КД510А, 1N4448,
1N4148, КД522 и др.) — 1 шт.
Транзисторы р-п-р КТ3107 — 5 шт.
Светодиоды красные, зеленые, желтые — по 4 шт. каждого цвета.
Сетевой адаптер 9 (7-12) вольт, 1 А — 1 шт.
Мы уже конструировали светофоры в Экспериментах 3 и 7 — снача-
ла самый простой односторонний, затем больше похожий настоящий.
Теперь, познакомившись со счетчиками, мы сконструируем более
совершенный светофор. Конструкция его гибче и ближе к порядку
работы настоящего светофора.
Посмотрев на принципиальную схему на следующей странице, вы
можете заключить, что она проще схемы светофора из Эксперимента 7:
здесь гораздо меньше разных деталей. Платой за упрощение будет
большая сложность логики работы светофора. Для наглядности мы
нарисовали диаграмму сигналов в разных точках схемы, помеченных
цифрами в кружочках (см. рисунок на странице 137).
Размещение светодиодов по направлениям у этого светофора точно
такое же, как у светофора из Эксперимента 7, и нумерация светодиодов
на этой схеме такая, чтобы соответствовать рисунку на странице 73.
Здесь светодиоды управляются р-п-р-транзисторами типа КТ3107, потому
они горят тогда, когда на выходе логического элемента, управляющего
базой транзистора, логический ноль. Состояния точек схемы (номера
4, 6, 7, 8, 9), соответствующие свечению светодиодов, на диаграмме
помечены цветными линиями.
Счетчик К561ИЕ16 — многоразрядный делитель частоты, он при-
думан специально для получения набора частот, каждая из которых на
выходах, обозначенных буквами Q, вдвое меньше предыдущей (следует
отметить, что в схеме светофора используются далеко не все выходы
этого счетчика). Исключение составляет разница между Q0 и Q3, где
частоты различаются сразу в 8 раз — для вывода промежуточных зна-
чений, очевидно, не хватило контактов 16-выводного корпуса.
При значениях емкости С1 и сопротивления R2, указанных на схеме,
тактовые импульсы с генератора идут с периодом около 0,7 с. На Q0 они
будут вдвое реже, то есть с периодом около 1,5 с. Так что время свечения
красного цвета одного направления (точки 4 или 8 на диаграмме), зани-
мающее 16 таких импульсов, будет составлять около 24 секунд, а весь
цикл работы — примерно 48 секунд. При желании это время можно
сократить или увеличить, если изменить значения R2 или С1.
Общее время свечения зеленого на четыре импульса частоты с выхода
Q0 короче красного — около 18 секунд. При этом перед переключе-
нием на желтый свет зеленый будет мигать также в течение четырех
импульсов частоты с выхода Q0 (то есть около 6 секунд). Разницу
между временем свечения красного и зеленого занимает желтый цвет,
который в обоих направлениях также горит в течение 6 секунд.
Подробности для любознательных: как улучшить светофор
Разбирать подробно логику работы всей схемы мы здесь не будем,
лучше, если вы сделаете это самостоятельно. Досконально разо-
браться в ней вам помогут решения задач по изменению и допол-
нению схемы. Предлагаю поразмышлять над такими изменениями:
- современные уличные светофоры, как правило, не зажигают
желтый перед зеленым. Считается, что для остановки нужно время
на подготовку (для чего, собственно, желтый и предназначен), а
вот если водитель замешкает со стартом, то ничего страшного
: не произойдет. Для такой модернизации потребуется желтые :
; светодиоды также разделить по направлениям и установить для ;
: них отдельную логику работы;
- попробуйте добавить к схеме стрелки поворота в каждом :
; направлении. При этом правый поворот не представляет трудностей ;
: и может быть включен одновременно с зеленым в соответству- :
: ющем направлении. А вот левый поворот должен работать после :
\ окончания зеленого, что потребует дополнительного усложнения ;
: схемы. Отталкиваться можно от существующей диаграммы, если :
: выделить периоды мигания зеленого в отдельную функцию и с ее :
= помощью управлять дополнительными светодиодами поворота;
- попробуйте добавить к схеме пешеходные светофоры. Они могут :
; работать во многих вариантах. Самый простой, когда пешеходный :
; зеленый просто горит одновременно с зеленым для машин (но отклю- ;
: чается при мигании). В более сложном варианте в схему вводится :
; дополнительный период, когда для машин во всех направлениях горит :
; красный, а для пешеходов, соответственно, зеленый либо во всех, либо ;
: в том направлении, которое перед этим было зеленым для машин. :
: В самом расширенном варианте зеленый сигнал для пешеходов начинает :
i подмигивать перед отключением, так же как и зеленый для машин. ;
: Может быть, вам облегчит выполнение подобных задач изучение :
\ статьи «Четырехсторонний светофор» на русскоязычном украинском :
' сайте: http://www.diagram.com.ua/list/beginner/beginner254.shtml. \
: Там суммированы сведения из различных источников, расписана :
: словами логика работы схемы светофора, подобного нашему, и ;
i добавлен один из вариантов с пешеходным светофором.
Конечно, все подобные конструкции сегодня делаются на основе
микроконтроллеров. Но не думайте, что составить корректно рабо-
тающую программу проще, чем логическую схему, подобную нашей.
В обоих случаях нужно отчетливо представлять логику работы всей
схемы, а переводить ее в строки кода или в соединения логических
элементов — это вопрос уже чисто технический.
Эксперимент 15. Измерения
с помощью счетчиков
Вся современная наука и технологии основаны на измерениях. Любая
теория не может считаться верной, пока не подтверждена экспери-
ментом, а эксперимент — это и есть в первую очередь измерения.
Причем точность проведения измерений тут играет решающую роль:
никому не нужен измерительный инструмент, если он, по меткому вы-
ражению одного инженера-метролога, показывает «погоду на Марсе».
С появлением цифровой микроэлектроники инженеры получили
универсальный способ проведения измерений, позволяющий выпол-
нять их единообразным способом, независимо от природы измеряемой
величины. Взгляните на шкалу вашего мультиметра: он измеряет и
напряжение, и ток, и сопротивление, и емкость конденсаторов, а иногда
даже частоту сигнала и другие параметры. Причем для переключения
между этими совсем разными по физической природе величинами
достаточно лишь повернуть переключатель в нужное положение.
Цифровой способ потому так удобен, что измерения проводятся для
любых величин по единой схеме. При этом сам по себе цифровой изме-
рительный прибор почти не вносит ошибок — его точность в принципе
зависит лишь от количества десятичных разрядов на индикаторе. Хотите
измерять точнее — просто добавьте цифр. Тут нужно сделать оговорку:
если покопаться в принципе проведения цифровых измерений, то
ошибки там, конечно, найдутся, но их величина гораздо меньше, чем
ошибки преобразования измеряемой величины в электрический сигнал.
В результате искусство проведения измерений свелось к конструи-
рованию датчиков, преобразующих измеряемую величину в электри-
ческий сигнал в той или иной форме (как их называют метрологи,
первичных преобразователей). После того как такой сигнал получен,
в дело вступают стандартные методы преобразования его в цифровой
вид (аналогово-цифрового преобразования) и отображения на индика-
торах в нужном масштабе.
Преобразование измеряемой величины в частоту — один из способов
преобразования аналогового сигнала в цифровую форму. Другими
способами такого преобразования мы займемся чуть позднее. А в
этом эксперименте мы как раз и займемся последней частью — нау-
чимся измерять частоту сигнала с помощью счетчиков. Но сначала
надо научиться выполнять еще одну операцию — получения точных
интервалов времени.
Схема кварцевого генератора
Высокая точность цифровых измерений основана на том интересном
факте, что среди всех физических величин с наименьшими ошибками
человечество научилось измерять время. Его измерение со времен пер-
вых конструкций маятниковых часов Христиана Гюйгенса, жившего
в XVII веке, основывается на колебаниях маятника, которые зависят
только от его массы и длины. Сравните — ошибка хороших маятнико-
вых часов не превышает нескольких секунд в сутки, что все равно как
если бы мы измеряли расстояние между Москвой и Санкт-Петербургом
(700 километров) с точностью до десятка метров. У электронных часов
эта ошибка еще меньше. И непостижимая точность спутниковой на-
вигации, позволяющей отмерять на земной поверхности сантиметры
(на расстоянии в десятки тысяч километров от самих навигационных
спутников!), также основывается на подсчете времени с помощью
особо точных атомных часов.
Со времен Гюйгенса все измерения времени заключаются в том или
ином способе подсчета числа колебаний некоего «маятника», или,
говоря понятными нам словами, генератора частоты. То есть, чтобы
измерять время, нужен какой-то эталонный генератор, про который
мы могли бы утверждать, что знаем его частоту колебаний достаточно
точно. Собственно говоря, в качестве такого генератора могла бы в
принципе выступить любая конструкция из главы 2 и еще много
других — в радиотехнике, например, особую популярность получили
генераторы на основе колебательного контура, то есть конструкции
из конденсатора и катушки индуктивности.
Но все эти схемы имеют один и тот же кардинальный недостаток:
они недостаточно точные. Генерируемая ими частота слишком сильно
зависит от разных обстоятельств: от напряжения питания и его коле-
баний, от выбранных элементов и технологий, по которым они изготав-
ливаются, от температуры воздуха и других параметров окружающей
среды. Генераторы на микросхеме 555 точнее других, но и они недо-
статочно точные для того, чтобы имело смысл городить громоздкие
цифровые схемы измерений. Для схемы светофора нам неважно, будет
ли он переключаться точно через 10, 11 или 12 секунд, а вот в изме-
рении времени даже для бытовых надобностей допустимы ошибки
лишь порядка единиц секунд в сутки.
Такую точность может предоставить кварцевый резонатор — пла-
стинка чистого кварца, специальным образом вырезанная из большого
монокристалла. Надо сказать, что электронная промышленность весьма
преуспела в изготовлении различных керамических резонаторов, но
до сих пор лучше обычного кварца ничего не придумали — только
с его помощью можно достичь нужных точностей.
• Подробности для любознательных: почему кварц? •
: Кварц, или двуокись кремния, — одно из самых распространенных ;
: на земле химических соединений. Всем известный песок — это ;
: тоже кварц. Мельчайшие примеси других элементов — чаще :
: всего железа — окрашивают его в желтый цвет. Совершенно :
чистый кварц — бесцветный, а в правильных кристаллах (горный :
хрусталь) — прозрачный. Многие полудрагоценные камни (агат, :
аметист, халцедон, оникс, тигровый глаз и другие) есть не что •
иное, как окрашенные разновидности кварца. Обычное стекло :
также на заметную часть состоит из кварца. :
Правильные кристаллы (монокристаллы) кварца обладают пье-
зоэлектрическим эффектом. Если к особым образом ориентире- •
ванной относительно граней кристалла пластинке кварца прило- :
жить напряжение, она чуть-чуть изогнется. Изгибание это очень :
мало — не более долей миллиметра (но его, кстати, хватает, •
чтобы на основе этого эффекта делать поршни-выталкиватели •
чернил в струйных принтерах фирмы Epson или манипуляторы :
для электронных микроскопов). Очень важно, что имеет место и :
обратный эффект: если изгибать ту же пластинку кварца, то на :
ее гранях появляется электрическое напряжение. •
Эти два эффекта вместе приводят к тому, что при включении :
такой пластинки в электрическую цепь с обратной связью в ней :
возникают самопроизвольные колебания. Причем их частота •
зависит только от размеров пластинки, и ни от чего более! Но •
кварц не завоевал бы особое место среди многих других подобных :
материалов — пьезоэлектриков, если бы не еще одно его уни- :
кальное свойство. Среди всех природных и искусственно соз- :
данных материалов кварц обладает одним из самых маленьких •
коэффициентов температурного расширения. А это значит, что :
при нагревании или охлаждении пластинки кварца ее размеры :
практически не изменяются, то есть частота колебаний в любых :
условиях остается постоянной. •
Простейшая схема кварцевого генератора, часто употребляемая
в схемах электронных часов и других подобных изделий, показана на
рисунке справа. В качестве логического инвертора здесь могут быть
использованы как именно инверторы (микросхемы
K561JIH2/CD4049/CD4069 и аналогичные), так и
обычные логические элементы типа «И-НЕ» или
«ИЛИ-HE» с объединенными входами (К561ЛА7/
CD4011, K561JIE5/CD4001). Можно использовать
и подобные элементы быстродействующих серий
(74АС и 74НС). Как правило, к выходу схемы ста-
раются подключить еще один такой же инвертор,
для того чтобы снизить возможное влияние на-
грузки на параметры генерации, которое может
выражаться в снижении стабильности частоты.
R1
ЮМ
t>
— Вых
R2
560к
: с»
С1
22 пФ
С2
22 пФ
Такой дополнительный элемент носит
название буферного (см. схему частото-
' мера далее).
Емкости конденсаторов С1 и С2 могут
Шм. быть в пределах от 10 до 47 пикофарад,
сопротивление резистора R1 может изме-
няться от 5 до 22 мегаом. Кварцевый резо-
натор (Q1 на схеме), может иметь любую
резонансную частоту в пределах возмож-
ностей логического инвертора. Для часов
специально выпускают кварцевые резо-
• • ' наторы с частотой 32 768 Гц. Число это
равно 215, потому, поделив полученную
частоту на пятнадцатиразрядном дво-
ичном счетчике, получим частоту ровно
1 Гц, то есть одно колебание в секунду. Мы здесь строить элек-
тронных часов не будем — делать их по старинке, на микросхемах
малой степени интеграции, есть занятие чрезвычайно утомительное,
и схема получается очень громоздкая. Но преимуществами, которые
дает «часовой» кварц для получения точного интервала в одну
секунду, воспользуемся.
Два слова о собственно электронном компоненте под названием
«часовой кварц». Они выпускаются в самых разных корпусах. На рисунке
вверху показаны три разновидности корпусов, которые подходят для
наших целей. Круглые миниатюрные кварцы (на рисунке вверху)
хороши, когда нужно экономить место и при малых напряжениях
питания — именно подобные ставят в наручные часы. Но если есть
выбор, то при напряжении питания 5 вольт и более лучше предпочесть
крупные корпуса — в них кварцы имеют большую мощность и нет
опасности их случайно перегрузить большими токами. Средний на
рисунке корпус (он называется HC-49S, где последняя буква означает
«короткий») подходит лучше всего, хотя если есть место, то можно
использовать и более высокий HC-49U (на рисунке внизу).
Частотомер на основе кварцевого генератора
Необходимые материалы
Микросхема CD4069 (К561ЛН2) — 1 шт.
Микросхема CD4020 (К561ИЕ16) — 1 шт.
Микросхема CD4013 (К561ТМ2) — 1 шт.
Микросхема CD4011 (К561ЛА7) — 1 шт.
Микросхема CD4029 (К561ИЕ14) — 3 шт.
Микросхема CD4511 — 3 шт.
Кварцевый резонатор 32768 Гц в корпусе HC-49S или HC-49U —
1 шт.
Семисегментные индикаторы с общим катодом любого цвета,
с высотой цифры 0,5-0,56 дюйма (BL-S56A или аналогичные) —
3 шт.
Резистор 10 кОм — 3 шт.
Резистор 10 МОм — 1 шт.
Резистор 560 кОм — 1 шт.
Резистор 680 Ом — 21 шт.
Конденсатор 22 пФ — 2 шт.
Конденсатор 10 нФ — 1 шт.
Конденсатор 1,2 нФ — 1 шт.
Конденсатор керамический 1,0 мкФ — 1 шт.
Сетевой адаптер 9 (7-12) вольт, 1 А — 1 шт.
На рисунке на следующей странице показана принципиальная схема
измерительной части частотомера. Не пугайтесь — в ней нет ниче-
го такого, чего бы мы уже не делали. В некотором смысле эта схема
даже проще, чем схема светофора с его запутанной логикой работы.
А такой по видимости громоздкой она получилась потому, что мы
здесь управляем сразу тремя разрядами индикации. Пришлось даже
выделить часть схемы с индикаторами в отдельный рисунок, который
мы рассмотрим далее.
Собирать подобную схему следует строго последовательно, на каждом
этапе проверяя работоспособность каждого отдельного узла. Рассма-
тривать ее работу мы будем в таком же порядке, и начнем с левого
верхнего угла. Там изображен генератор образцовой частоты на основе
«часового кварца», который мы теоретически изучили в предыдущем
разделе. Теперь мы его соберем практически на основе элемента
«НЕ» (инвертора) DD1.1 из микросхемы К561ЛН2 (CD4069). Второй
инвертор DD1.2 нужен потому, что генератор этот подключается к
многоразрядному счетчику DD2 (К561ИЕ16), где внутри, скорее всего,
соединяется со входами сразу многих элементов. Чтобы не нагружать
генератор лишними входами (это, как мы знаем, влияет на стабиль-
R1
ЮМ
DD1 K561ЛН2 (CD4069)
DD2 К561ИЕ16 (CD4020)
DD3 K561TM2 (CD4013)
DD4 К561ЛА7 (CD4011)
DD5-DD7 К561ИЕ14 (CD4029)
к выв. 14 DD1.DD3, DD4
+<*---к выв. 16 DD2, DD5-DD7
_ _ к выв. 13 DD1; к выв. 9,10,12,13 DD4
+9 В
к выв. 7 DD1, DD3, DD4
к выв. 8 DD2, DD5-DD7
+ 9В
ность его частоты), и устанавливается второй инвертор - в качестве
буферного усилителя сигнала.
Частота 32 768 герц, пропущенная через четырнадцать ступеней
счетчика К561ИЕ16, превращается на выходе Q13 в частоту 2 герца.
Для того чтобы сформировать нужный нам интервал в одну секунду
(от положительного перепада до отрицательного, то есть в форме
«ворот»), необходимо еще эту частоту дважды поделить пополам: тогда
мы получим сигнал с периодом 0,5 герца, у которого положительные
и отрицательные «ворота» занимают ровно по одной секунде. Есть,
конечно, и другие, более сложные способы формирования секундных
«ворот», где нет почти бесполезного для нас промежутка между ними,
но мы ограничимся этим простейшим способом.
Для получения еще двух ступеней двоичного счета служат два также
уже знакомых нам счетных триггера на микросхеме К561ТМ2 (CD4013).
Сигнал с секундными «воротами», получаемый с выхода этих триггеров
(соответствующая точка схемы обозначена цифрой 1 в кружочке) показан
на диаграмме сигналов (см. рисунок внизу страницы). А почему нам
нужна ровно одна секунда, кстати? А потому, что если мы в течение
этой секунды будем подсчитывать сигналы какой-то частоты, которую
нам надо измерить, то полученное число как раз и будет равно этой
частоте, выраженной в герцах. Так мы сразу автоматически получаем
нужный масштаб результата. Всем этим и занимается оставшаяся часть
схемы, которую мы сейчас и разберем.
Измеряемая частота F поступает на один из входов логического
элемент «И-НЕ» DD4.2. На второй его вход поступает наш сигнал
секундных «ворот». Результат на выходе пропускается через инвертор
(что в принципе необязательно) и показан на диаграмме под цифрой 2.
Пачку исходных импульсов, успевших проскочить за секунду, подсчи-
1 смрмАв
тывает трехразрядный десятичный счетчик DD5-DD7 на микросхемах
К561ИЕ14 (CD4029), которые, как мы уже знаем из Эксперимента 13,
специально приспособлены для работы в режиме десятичного счета.
На это указывает вывод 9, обозначенный B/D, — подключенный
к общему проводу, он и вводит счетчик в режим десятичного счета.
: Подробности для любознательных: как измерять частоту ;
: в диапазоне килогерц и мегагерц?
: Вы уже, наверное, сообразили, как ответить на этот вопрос: нужно :
: брать «ворота» в одну тысячную и в одну миллионную секунды, '
i да? Ответ неправильный. То есть если мы возьмем «ворота» в \
: одну тысячную секунды и подсчитаем с их помощью частоту :
; того же «часового» кварца, то действительно получим результат ;
: в килогерцах и будет он равен 32. Или чаще даже 33, потому i
: что число 32 768 ближе к 33 кГц. И много информации будет в :
; таком результате?
: На самом деле частоты из диапазона герцы-килогерцы-мегагерцы, :
: то есть те, с которыми чаще всего приходится иметь дело электрон- :
; щику (но не радиотехнику, у которого частоты гораздо выше!), ;
: все равно считают через «ворота» в одну секунду. Просто для того, :
; чтобы отобразить результат, ставят больше разрядов счетчиков и :
; индикаторов: чтобы получить килогерцы во всем диапазоне, нужно ;
: шесть разрядов (число до 999 999 герц), а мегагерцы — девять \
: разрядов (число до 999 999 999 герц). Можно и ограничиться '
; шестью разрядами для диапазона мегагерц, если действительно ;
: подсчитывать такую частоту через «ворота» в одну тысячную :
: секунды. Тогда результат будет в килогерцах, а шесть десятичных :
; разрядов — вполне приемлемая для практики точность.
: Сложнее, когда требуется измерить частоты в доли герца — уже :
; один знак после запятой требует «ворот» длительностью в десять '
; секунд, а сотые и тысячные герца предполагают неприемлемую ;
: с практической точки зрения длительность измерения. В реаль- :
' ности, конечно, никто и не занимается подсчетами сотни секунд — '
' низкие частоты измеряют обратным методом, через период. В этом '
: случае один период измеряемого сигнала считается «воротами», :
; и их заполняют импульсами достаточно высокой «кварцованной» :
: частоты. Заполнив, например, период сигнала с частотой около ;
: 1 герца импульсами с точно известной частотой 1 мегагерц, :
' получим шесть разрядов после запятой, то есть точность в одну :
' миллионную секунды.
Когда секундные ворота заканчиваются, происходит сразу много все-
го. Во-первых, элемент DD4.1 перестает пропускать подсчитываемые
импульсы. Во-вторых, по падающему фронту секундного импульса че-
рез дифференцирующую цепочку C3-R3 и элемент DD4.3 формируется
импульс длительностью примерно 100 микросекунд (диаграмма под
цифрой 3), который помечен надписью «перезапись». Этим импульсом
содержимое счетчиков DD5-DD7 переписывается в регистры, управ-
ляющие индикацией (о чем далее). По окончании импульса «пере-
запись» через дифференцирующую цепочку C4-R4 и элемент DD4.1
формируется импульс обнуления счетчиков DD5-DD7 (на диаграмме
R6-R26 680
помечен цифрой 4), который поступает на вход SE этих счетчиков.
В счетчики записываются нули со входов S0-S3, и они готовы к следу-
ющему циклу счета, который наступит с приходом очередных «ворот».
Теперь обратим свое внимание на индикацию (рисунок на преды-
дущей странице). Знакомые нам дешифраторы CD4511 обладают одной
особенностью, которую мы ранее не использовали. В них внутри содер-
жится запоминающий регистр из четырех статических D-триггеров,
похожий по принципу работы на также знакомую нам микросхему
К561ТМЗ. По внешнему импульсу перезаписи (полярность которого
здесь не управляется и может быть только такой, как показана на
диаграмме номер 3) в регистр записываются значения, поданные на
выводы ХО-ХЗ. А на них, как мы видим, как раз и подаются значения,
накопленные к моменту прихода импульса перезаписи на выходах
Q0-Q3 основных счетчиков DD5-DD7.
Серым цветом около индикатора старшего разряда (разряда 3) пока-
зано подключение десятичной разделительной точки (DP), которая в
схеме частотомера не нужна, но понадобится нам в следующем разделе.
Записанные в регистры значения тут же оказываются на выходе
дешифраторов, и отображаются на семисегментных индикаторах Н1-НЗ
в течение почти двух следующих секунд, до появления очередного
импульса перезаписи. Число, отображающееся на индикаторе, и будет
значением входной частоты F в герцах.
: Если на вход схемы подать частоту больше, чем 999 Гц, то чет- :
: вертый (старший) десятичный разряд «уедет» за пределы возмож- :
• ностей нашего частотомера, и индикаторы будут показывать лишь •
• остаток в целых герцах. Математически это соответствует операции •
: нахождения остатка от деления значения частоты на число 1000. :
: Запомните этот факт: операция нахождения остатка от деления :
• на некоторое число играет большую роль в цифровой технике. •
На время испытаний в качестве входной частоты можно подключать
любой из выводов Q5-Q7 микросхемы DD2 (выводы 4, 6 и 13), соответ-
ствующих частотам 512, 256 и 128 герц. Причем, даже если «кварц» не
очень точный, на индикаторах должны при этом отображаться точные
числа (плюс-минус один младший разряд), потому что измерительный
интервал и измеряемая частота происходят из одного источника.
После отладки попробуйте измерить частоты многочисленных муль-
тивибраторов, которые мы конструировали в главе 2, и оцените,
насколько точны используемые формулы расчета частоты. При этом
следует учесть, что погрешность расчетного значения возникает не
столько из-за приблизительности формул, сколько из-за разброса
значений используемых компонентов. Потому-то уточнять формулы
не имеет смысла: с другим компонентом (или даже с таким же, но
из другой производственной серии) вы получите отличие больше, чем
неточность приблизительной формулы расчета.
Как превратить частотомер в вольтметр
Дополнительные материалы
Микросхема LM331 — 1 шт.
Резистор 100 кОм — 2 шт.
Резистор 10 кОм — 1 шт.
Резистор 47 Ом — 1 шт.
Резистор 1 кОм — 1 шт.
Резистор 5,6 кОм — 1 шт.
Резистор 820 Ом — 1 кОм (подбирается) — 1 шт.
Резистор переменный многооборотный 5,1 кОм — 1 шт.
Резистор переменный 10 кОм — 1 шт.
Конденсатор керамический 0,1 мкФ — 2 шт.
Конденсатор керамический 1,0 мкФ — 1 шт.
Если придумать схему, которая бы преобразовывала значение напря-
жения в частоту, то, очевидно, наш частотомер можно было бы пре-
вратить в цифровой вольтметр — прибор, измеряющий напряжение.
По сути дела, настоящие мультиметры так и устроены — они умеют
измерять только напряжение, преобразованное в цифровую величину
(с помощью, правда, несколько более точных преобразователей, чем
напряжение-частота). Все остальные величины (кроме частоты), кото-
рые измеряются мультиметром, с помощью специальных схем просто
приводятся к значению напряжения в нужном масштабе. Конечно, мы
не будем изобретать настоящий мультиметр — это бессмысленное
занятие, потому лучше, дешевле и компактнее, чем приборы, прода-
ющиеся в магазинах, мы в любом случае не сделаем. Но принцип их
работы давайте пощупаем своими руками.
Существует очень много способов преобразовать напряжение в
частоту — в принципе некоторым усложнением схему любого из
рассмотренных ранее генераторов можно превратить в генератор,
управляемый напряжением, ГУН (что есть просто другое название
преобразователя напряжения в частоту, ПНЧ). Но обычно городить
самодеятельные схемы не имеет смысла — они будут сложнее и хуже,
чем преобразователь на основе готовой микросхемы. Мы построим
схему на основе микросхемы LM331 — классической микросхемы ПНЧ.
Схема ПНЧ показана на рисунке вверху страницы. Переменный
резистор R1, включенный между источником питания и общим про-
водом, обеспечивает изменяемое входное напряжение и нужен только
для проверки и калибровки схемы. Входом схемы преобразователя
служит левый по схеме вывод резистора R2 (тот, который подключен
в выводу ползунка переменного резистора). На него можно подавать
измеряемое напряжение величиной от нуля до напряжения питания
(здесь оно составляет 9 В, так как источник питания общий с часто-
томером из предыдущего примера). При изменении этого напряжения
будет пропорционально меняться и частота на выходе.
Общая формула для расчета зависимости выходной частоты F (в
герцах) от входного напряжения [7вх (в вольтах) выглядит так: F =
= (0,5/Я8С3)*(Яи/Я5)*17вх (где Ra равно сопротивлению резистора R6
плюс введенная часть переменного резистора R7). Меняя параметры,
включенные в это уравнение, можно подстраивать зависимость, чтобы
получить численные значения в удобном масштабе. Указанные на
схеме значения подобраны так, чтобы зависимость была такой: F =
= 100 *UBX. Точное значение множителя 100 подстраивается с помощью
многооборотного подстроечного резистора R7.
Соберите схему и с помощью переменного резистора R1 установите
на входе напряжение, равное круглому числу — например 3,00 вольта.
Затем подключите выход ПНЧ ко входу частотомера и убедитесь, что
число на индикаторах близко к величине 300. С помощью подстроеч-
ного резистора R7 установите его ровно 300 (или как можно ближе
к этому числу).
Иными словами, при таких параметрах схемы получившийся
вольтметр будет показывать число десятков милливольт. Как его
показания превратить в вольты, чтобы каждый раз не переносить
запятую в уме? Для этого надо просто «засветить» запятую в нужном
месте на индикаторах. В данном случае она понадобится около
старшего разряда, тогда индикаторы будут показывать напряжение
в вольтах с двумя знаками после запятой, по образцу «3,00». У
каждого из индикаторов десятичная точка уже имеется, нужно
просто подключить ее напрямую к питанию через резистор. На
схеме индикации (см. рисунок на странице 147) ее подключение
указано серым цветом. Величина резистора R27 намеренно не
проставлена, потому что его надо подобрать так, чтобы точка не
выделялась по яркости. Скорее всего, его величина будет лежать
в пределах 820 Ом - 1 кОм.
Диапазон измеряемого напряжения будет лежать от нуля до напря-
жения питания, которое здесь равно 9 вольтам. В этом, кстати, одно из
преимуществ микросхемы LM331 в сравнении с самодельными схемами.
Построить самостоятельно преобразователь напряжение-частота, как
мы говорили, не очень сложно, но вот чтобы обеспечить ему диапазон
входных напряжений от нуля до питания, надо очень постараться.
И схема при этом получается настолько сложной, что намного проще
оказывается воспользоваться готовым решением.
Кстати, а можно ли обеспечить измерение отрицательных напряжений
относительно общего провода? Просто так это сделать не получится —
недаром почти все готовые модули подобных цифровых вольтметров,
которые можно встретить в «Чип-Дипе» и других магазинах для
радиолюбителей, измеряют только положительное напряжение (один
такой модуль мы будем применять в Приложении 2 для контроля
напряжения самодельного источника питания). Если вы одолеете
материал главы 5 про операционные усилители, то в принципе смо-
жете догадаться, как это можно сделать, но практическая реализация
этого принципа будет довольно сложна. Потому для подобных целей
самостоятельно разработанные схемы не применяют, а пользуются
готовыми микросхемами аналогово-цифровых преобразователей или
микроконтроллерами.
Подробности для любознательных: точность цифрового волът-
• метра на ПНЧ
: Преобразователи напряжения в частоту не относятся к особо
: точным методам оцифровки аналогового сигнала. Тем не менее
: разработчики микросхемы LM331 постарались сделать все, чтобы
: «выжать» из этого метода максимум возможного. Однако, чтобы
: получить действительно достаточную точность и быть уверенным,
: что прибор показывает не «погоду на Марсе», а реальную величину
: входного напряжения, надо принять ряд специальных мер. К одной
• из этих мер относится установленные на входе схемы резистор R2
: и конденсатор С1. Такая цепочка носит название интегрирующей
: (или фильтра низкой частоты) и позволяет устранить влияние
: на результаты преобразования возможных колебаний входного
• напряжения за счет помех.
• Вторая необходимая мера — все резисторы, величина которых
: входит в формулу для расчета частоты (то есть R5, R6, R8, кроме,
: понятно, многооборотного переменного резистора R7) должны быть
♦ прецизионными (с точностью не хуже 1%). Конденсатор СЗ лучше
: выбирать даже не керамический, а пленочный, с диэлектриком из
: фторопласта или полистирола (то есть серий К72П-6, К72-9, К71
: и др.). И лучше, если его допустимое рабочее напряжение будет
* высоким, в сотни вольт. Такие конденсаторы довольно велики
: по размерам, но чем выше допустимое напряжение, тем они ста-
: бильнее. Конечно, если соберете схему на рядовых резисторах и
: конденсаторах, она вполне будет работать, но высокой точности,
• отвечающей возможностям микросхемы LM331, вы не добьетесь.
И ®о
ем га даиви
В середине XX века, когда цифровая техника была еще очень громоздкая
и дорогая, интегральные операционные усилители стали настоящим
открытием для электронщиков. Они позволяют с помощью простых схем
проводить практически любые математические операции над значениями
напряжений. Сложение, умножение, сравнение, логарифмирование,
интегрирование и дифференцирование - вот неполный список таких
операций, которые стандартно могут производить операционные
усилители.
Операционный усилитель — основа ана-
логовых электронных вычислительных
машин, которые в середине XX века
были на передовых позициях. На их
базе строились приборы управления
артиллерийским огнем, они служили
основой навигационных систем того
времени, управляли движением ракет
и сложной автоматикой регулирования
опасных технологических процессов на
химических и атомных производствах. Операционные усилители ис-
пользовались еще во многих областях, где были необходимы сложные
алгоритмы автоматического управления в сочетании с мгновенной
реакцией, присущей электронным приборам. Можно сказать, не
слишком преувеличив, что операционный усилитель в век аналоговой
техники занимал в электронике место, которое сегодня занимают
микропроцессоры.
И не надо думать, что с появлением столь же быстрой, но гораздо
более универсальной и точной микропроцессорной техники опера-
ционные усилители были забыты и перешли разряд музейных редко-
стей. Действительно, теперь редко встретишь электронный прибор,
основой которого является операционный усилитель в явном виде.
Но зато в скрытом виде они присутствуют почти везде: например, в
преобразователях аналоговых величин в цифровую форму использу-
ются компараторы (устройства для сравнения двух напряжений), что,
как мы увидим, тоже одна из ипостасей операционного усилителя.
А в наиболее точных преобразователях аналог-цифра — интегриру-
ющих, — само название указывает на присутствие интегратора на
операционном усилителе. Подобные преобразователи входят в состав
современных микроконтроллеров, то есть практически в любой совре-
менный электронный прибор.
И для любительских разработок операционные усилители применя-
ются очень активно. Сейчас мы посмотрим, какие интересные и совсем
несложные устройства можно построить на основе этих универсальных
приборчиков. Но сначала соберем специальный источник питания для
них — двухполярный.
Двухполярный источник питания
для операционных усилителей
Необходимые материалы
Микросхема UA741 (КР140УД708, К140УД7 в любом корпусе) —
1 шт.
Транзистор п-р-п ВС-337 (можно заменить на КТ3102) — 1 шт.
Транзистор р-п-р ВС-327 (можно заменить на КТ3107) — 1 шт.
Резистор 10 кОм — 2 шт.
Резистор 1 кОм — 1 шт.
Макетная плата небольших размеров — 1 шт.
Сетевой адаптер 12 вольт (10-15 вольт), 1-2 А — 1 шт.
Для того чтобы познакомиться с операционными усилителями, удобно
подключать их к двухполярному источнику питания. Такие источники
еще называют расщепленными, потому что они представляют собой два
отдельных источника разной полярности с одинаковым напряжением,
соединенных минус одного с плюсом другого. Этот объединенный
проводник образует общий провод (и обозначается обычным значком
«земли»), а оставшиеся плюс и минус образуют два необходимых нам
напряжения питания.
• Подробности для любознательных: секреты двухполярного ;
: питания :
: Пользуясь двухполярным источником питания, не нужно думать, что :
• в нем есть что-то таинственное, отличающее его принципиально •
• от обычных источников — батареек или адаптеров, к которым мы •
: привыкли. Это как если бы взяли обычный источник с удвоенным :
напряжением и «расщепили» его следующим хитрым образом.
Ток на одну половину схемы (условно верхнюю) поступает через
обычный положительный вывод источника, а возвращается своим
путем через отдельный проводник. Ток на вторую половину схемы
(условно нижнюю) поступает через этот проводник, а возвращается
через обычный отрицательный вывод источника. Общий прово-
дник и служит для схемы общим проводом («землей»).
Все сказанное иллюстрируется схемой на рисунке внизу справа, где
схематически изображено протекание токов в схеме с двухполярным
источником питания. «Верхняя» и «нижняя» половины схемы на этом
рисунке условно показаны в виде резисторов, обозначающих нагрузку.
Из рисунка следует один интересный вывод. Отметьте, что ток 1+
и ток I текут в общем проводнике в противоположных направле-
ниях. То есть если эти токи строго равны друг другу по величине,
то суммарный ток в общем проводе будет равен нулю, и этот общий
проводник оказывается вообще не нужен! Иначе говоря, равенство
токов означает, что двухполярный источник превратился в обычный
однополярный, с общим напряжением, равным сумме напряжений
двух половинок исходного источника.
В реальности такого не бывает: двухполярный источник нужен
для того, чтобы можно было работать с напряжениями, меняю-
щими знак относительно уровня общего провода. Типичный такой
случай возникает, когда мы на входе схемы имеем переменное
напряжение — например звуковой
сигнал. А здесь нам также потре-
буется работать с сигналами пере-
менной полярности, и удобнее это
делать, когда напряжений питания
тоже два. Попозже мы поймем,
как можно подключать операци-
онный усилитель к однополярному
источнику, но пока будем работать
с двумя напряжениями.
Ц» + 5В
ток1+у| |«агруз*а +
и=юв
tokIL
И99РУЗКЛ -
Можно, конечно, просто приобрести готовый двухполярный лабора-
торный источник питания, но это не имеет большого смысла. Двух-
полярный источник требуется редко и всегда для особых надобно-
стей, которым в этой книге мы уделяем мало внимания. Потому его
проще сделать самому на небольшой макетной плате. Есть большое
количество способов, позволяющих сделать двухполярный источник
из однополярного. Мы применим способ, называемый параллельной
стабилизацией, который для своей реализации потребует как раз опе-
рационного усилителя.
Схема двухполярного источника показана на рисунке вверху стра-
ницы. Как видите, мы «расщепили» напряжение от обычного адап-
тера с напряжением 12 вольт на два напряжения по 6 вольт каждое.
Адаптер может быть и на другое напряжение, но рекомендуется не
ниже 10 вольт: ±5 вольт есть нижняя граница рекомендованного
питания для используемого операционного усилителя UA741 (отече-
ственный аналог КР140УД708, так называется известный К140УД7 в
8-выводном DIP-корпусе). А вот верхняя граница исходного напря-
жения довольно высока: лучше всего этот усилитель работает при
напряжении ±15 вольт, то есть при исходном 30 вольт. Максималь-
но допустимые напряжения составляют для UA741 аж ±22 вольта
(для отечественного 140УД7 они поменьше, и равны ±17 вольт).
Отметим, что этот операционный усилитель широко употребляется
с давних времен и более известен как цА741, только для удобства
первую греческую букву обычно заменяют либо на U (как данном
случае), либо на строчную «ш».
Монтажная схема двухполярного источника приведена на рисунке
на следующей странице. Принцип работы этой схемы основан на
свойствах операционных усилителей, которые мы рассмотрим далее.
Здесь же только отметим, что усилитель DA1 будет стремиться со-
хранить напряжение в точке соединения эмиттеров транзисторов (то
есть на выводе микросхемы номер 2) таким, чтобы оно равнялось на-
пряжению на выводе номер 3, равному ровно половине от 12 вольт
входного напряжения за счет делителя напряжения R1 и R2. Поэтому
искусственный общий провод будет всегда иметь потенциал, равный
половине входного напряжения.
С указанными на схеме транзисторами ВС-337 и ВС-327 схема в
принципе может выдать по каждому из выходных напряжений
6 вольт такой ток, какой допускает входной источник. Однако разни-
ца между потреблением по плюсу и по минусу не должна превышать
100 миллиампер для ВС-337/ВС-327 (и 40 миллиампер для КТ3102/
КТ3107) — иначе они будут недопустимо нагреваться. Таковы особен-
ности способа параллельной стабилизации напряжения. Если хочется
получить большую мощность, то можно поставить более мощную пару
транзисторов, например КТ973/КТ972. Но при разнице в потреблении
более 150 миллиампер их необходимо будет ставить на радиаторы,
рассеивающие излишнее тепло. Потребление схем с двухполярным
питанием по положительному питанию практически всегда больше,
чем по отрицательному (исключением являются звуковые усилители,
которые мы здесь не рассматриваем). Но в нашем случае разница
между потреблением по обоим выходам не будет превышать десятка
милллиампер, потому обращать на это внимание мы не будем.
Эксперимент 16. Операционные усилители и их
свойства
Познакомиться с основными свойствами и возможностями операци-
онных усилителей можно на примере схем различных преобразовате-
лей на их основе. Сначала мы рассмотрим несколько схем, которые
позволяют производить различные операции над входными напряже-
ниями, чтобы лучше понять, как работают операционные усилители.
Но прежде чем мы перейдем к практике, остановимся на нескольких
теоретических положениях, которые определяют работу операционного
усилителя в любой схеме. Главные положения таковы:
— операционный усилитель имеет два входа: положительный (обо-
значается знаком плюс или не обозначается никак) и отрицательный
(инверсный, обозначается знаком минус или кружочком инверсии).
Возрастание напряжения на положительном входе ведет к возрастанию
напряжения на выходе в положительную сторону; возрастание напря-
жения на отрицательном входе ведет к возрастанию напряжения на
выходе в отрицательную сторону;
— операционный усилитель в схеме с обратной связью (а с ней он
используется чаще всего) всегда стремится изменить выходное напря-
жение так, чтобы свести разницу между напряжениями на положи-
тельном и отрицательном входах к нулю;
— входное сопротивление операционного усилителя по любому
из входов практически равно бесконечности. Иными словами, вход
операционного усилителя не оказывает влияния на подключенную к
нему цепь;
— выходное сопротивление операционного усилителя практически
равно нулю. Иными словами, напряжение на выходе усилителя опре-
деляется только параметрами схемы и не зависит от сопротивления
нагрузки.
Последнее положение, конечно, соблюдается до тех пор, пока не
превышена допустимая мощность выхода: если замкнуть выходной
контакт накоротко на общий провод, то его потенциал, конечно, станет
равным нулю в любом случае. Но и нормальная работа усилителя в
таком режиме невозможна. Практически минимально допустимое сопро-
тивление нагрузки д ля операционных усилителей общего назначения,
которые мы тут будем рассматривать, равно 1-2 кОм — меньшие
значения могут нарушить работу схемы.
Посмотрим теперь, что мы можем извлечь из этих теоретических
положений.
Простой неинвертирующий усилитель
Необходимые материалы
Микросхема UA741 (КР140УД708, К140УД7) — 1 шт.
Резистор 10 кОм — 1 шт.
Резистор 39 кОм — 2 шт.
Резистор переменный 10 кОм — 1 шт.
Источник питания ±6 вольт (±5-10 вольт) — 1 шт.
Схема неинвертирующего усилителя показана на рисунке на следу-
ющей странице. Она предельно проста и состоит из операционного
4+6 в
усилителя DA1 и двух резисторов R1 и
R2. Делитель напряжения из постоян-
ного резистора R3 и переменного R4
к собственно усилителю отношения не
имеет и служит лишь для иллюстрации
его работы.
Резисторы R1 и R2 формируют так
называемую отрицательную обратную
связь от выхода операционного усили-
теля к его входу. Без отрицательной
обратной связи операционный усилитель
неработоспособен — его собственный
коэффициент усиления измеряется сотнями тысяч, иногда даже мил-
лионами (например, для применяемой нами микросхемы UA741 он
равен 200 000). Именно из такого свойства операционного усилителя
вытекают все его особенности.
Коэффициент усиления схемы неинвертирующего усилителя (то есть
отношение выходного напряжения ко входному) полностью определя-
ется соотношением резисторов в обратной связи и равен 1 + R1/R2,
то есть в данном случае практически ровно 5.
Подробности для любознательных: какие резисторы надо
ставить в обратную связь?
Обратите внимание, что в выражении для коэффициента уси-
ления речь идет о соотношении, а не об абсолютных величинах.
Мы могли бы поставить сюда пары резисторов 3,9 кОм/I кОм,
12 кОм/3 кОм, 82 кОм/20 кОм и даже 1,2 кОм/ЗОО Ом — ив
принципе ничего бы не изменилось. Правда, последняя пара стала
бы чересчур нагружать слабенький выход микросхемы, потому
такие маленькие величины не рекомендуются. А вообще порядок
величин резисторов в обратной связи подбирается таким, чтобы
примерно соответствовать величине сопротивления источника
сигнала на втором (положительном) входе усилителя. При этом
очень больших величин сопротивлений также следует избегать —
если их порядок превышает мегаомы, то начинают сказываться
неидеальности усилителя, и величины напряжений в схеме могут
начать сильно отклоняться от расчетных.
Соберите схему и подключите ее к двухполярному источнику питания,
который мы собрали ранее. Подключите к выходу схемы мультиметр
и, поворачивая ползунок потенциометра R4, добейтесь, что напряже-
ние UBbix стало равным ровно 2,5 вольта. Переключите щуп мультиме-
тра к ползунку потенциометра (выводу 3 микросхемы) и убедитесь,
что входное напряжение UBX равно при этом 0,5 вольта. При любом
допустимом напряжении на входе будет соблюдаться соотношение
ивых/ ивх = 1+R1/R2 = 5.
А что значит «допустимое напряжении на входе»? Подключите
опять мультиметр к выходу микросхемы и поворачивайте движок
потенциометра так, чтобы напряжение на выходе увеличивалось.
В какой-то момент оно остановится и дальше увеличиваться не будет —
операционный усилитель вышел в режим насыщения. В этом режиме
выходное напряжение будет отличаться от напряжения питания на
несколько десятых вольта, то есть будет равно примерно 5,5 вольта
или несколько более. Входное напряжение на выводе 3 при этом будет
около 1,1 вольта — подача напряжения выше этого порога уже не
окажет влияния на выход. Это и есть максимально допустимое входное
напряжение для данной схемы.
Инвертирующий усилитель
Необходимые материалы
Микросхема UA747 (К140УД20) — 1 шт.
Резистор 10 кОм — 1 шт.
Резистор 51 кОм — 1 шт.
Резистор 39 кОм — 1 шт.
Резистор переменный 10 кОм — 1 шт.
Источник питания ±6 вольт (±5-10 вольт) — 1 шт.
Схема инвертирующего усилителя (то есть такого, у которого знак
напряжения на выходе противоположен знаку на входе) показана на
+6 в
рисунке в конце предыдущей страницы. Здесь мы применили микро-
схему UA747 (К140УД20), содержащую два операционных усилителя в
одном 14-выводном корпусе. Каждый из усилителей практически ничем
не отличается от одиночного UA741 (К140УД7), который мы применя-
ли ранее, только вывод отрицательного питания у них один на всех.
А вот положительное питание у них разделено.
Остальные контакты корпуса могут служит для коррекции каж-
: дого из усилителей (например, для точной подстройки нуля),
• но с самого появления подобных микросхем эту возможность
: практически никто никогда не использовал. Поэтому более совре-
: менные операционные усилители подобных выводов не имеют,
• и сдвоенный операционный усилитель обычно размещают в корпусе
: с 8 выводами. Далее мы будем применять подобный счетверенный
: усилитель, у которого «лишних» выводов коррекции не предусмо-
• трено, а питание одно на все четыре усилителя.
Делитель R3 и R4, как и ранее, нужен лишь для демонстрации свойств
схемы. А почему остальная часть схемы устроена столь сложно и вклю-
чает еще один операционный усилитель?
На самом деле на рисунке изображен один из вариантов схемы
инвертирующего усилителя с дополнениями, делающих его при-
годным для использования на практике. Собственно инвертирующий
усилитель — это вторая половинка микросхемы UA747 (К140УД20),
обозначенная на схеме как DA1.2, и два резистора R1 и R2. То есть
его схема мало отличается от неинвертирующего усилителя, который
мы рассматривали ранее, только входное напряжение подается не
на положительный вход, а на резистор R2, подключенный к отри-
цательному входу.
А такое подключение требует особых свойств от источника сигнала.
Его выходное сопротивление должно быть достаточно малым, чтобы
резисторы R1 и R2 не оказывали влияния на усиливаемый сигнал.
В нашем случае если бы мы подключили ползунок переменного рези-
стора прямо к R2, то ток, текущий через него, нарушил бы работу
делителя напряжения. Чтобы это требование к источнику сигнала
заведомо соблюдалось, и служит очень простая схема на первой
половинке микросхемы UA747, которая носит название повторителя:
выходной сигнал в ней равен входному по напряжению, но усилен по
мощности. Если источник сигнала имеет достаточную мощность, то
повторитель можно не устанавливать.
Подробности для любознательных: повторитель на операци- :
; онном усилителе
: Схема на DA1.1 представляет интерес сама по себе. Если мы в :
: формуле для коэффициента усиления неинвертирующего усили- \
; теля (см. предыдущий раздел) приравняем R2 бесконечности, то ;
: коэффициент усиления станет равным единице. Этот случай (R2 :
; равно бесконечности, R1 равно нулю) и представлен на нашей :
; схеме. Эта схема обладает очень высоким входным сопротив- ;
: лением (для даже не очень хороших операционных усилителей :
: оно измеряется гигаомами) и практически нулевым выходным '
; (в пределах мощности самого операционного усилителя, конечно). ;
: Потому такой повторитель и ставят для согласования источника :
; сигнала и входа усилителя. Вспомните буферные логические эле- :
' менты из главы 3 — повторитель напряжения в данном случае ;
: играет ту же самую роль. В простейшем случае вместо него можно :
; было бы поставить эмиттерный повторитель на транзисторе (см. \
; рисунок на странице 86). Только схема на операционном усилителе \
: делает все то же самое гораздо лучше одиночного транзистора, :
= за исключением разве что случая, когда требуется передать не :
; просто напряжение, а еще и действительно большую мощность. ;
: Про все перечисленные (буферные) схемы еще говорят, что они :
; выполняют согласование одной части схемы (с высоким выходным :
; сопротивлением) с другой ее частью (у которой входное сопро- ;
: тивление слишком мало). Подобное согласование позволяет избе- :
; жать искажения сигналов при передаче в схеме друг на друга. ;
; Еще раньше, до широкого распространения микросхем, в эпоху ;
: господства ламповой и транзисторной техники, для подобного :
; согласования часто применяли трансформаторы.
Выражение для коэффициента усиления инвертирующего усилителя
отличается от предыдущего случая: он равен попросту отношению
R1/R2, без прибавления единицы. Поэтому тут сопротивление рези-
стора R1 равно 51 кОм, а не 39, как в схеме ранее, — тогда коэффи-
циент усиления будет тоже почти равен 5.
Соберите схему по рисунку и подключите мультиметр к выходу
усилителя (контакт 10 микросхемы). Передвигая ползунок потенци-
ометра, установите на нем значение 2,5 вольта. Потом переключите
щуп ко входу усилителя (то есть к выходу повторителя на контакте 12)
и убедитесь, что там напряжение положительное и равно 0,5 вольта.
Заодно можете убедиться, что входное напряжение всей схемы (UBX
на выводе ползунка потенциометра) в точности равно напряжению
на выходе повторителя на усилителе DA1.1.
Сумматор напряжений
Необходимые материалы
Микросхема LM348N — 1 шт.
Резистор 10 кОм — 2 шт.
Резистор 51 кОм — 2 шт.
Резистор 39 кОм — 2 шт.
Резистор переменный 10 кОм — 2 шт.
Источник питания ±6 вольт (±5-10 вольт) — 1 шт.
На рисунке внизу показана схема устройства под названием сумматор
напряжений. Она дает пример того, как на основе операционных уси-
лителей можно делать схемы, производящие математические операции
сложения или вычитания нескольких величин.
Соберите схему, пока не обращая внимания на обозначенные на схеме
серым цветом резисторы R9 и R10. Указанная в схеме микросхема
LM348N (отечественного аналога у нее не существует) представляет
собой четыре отдельных операционных усилителя типа UA741, то есть
такого же типа, как мы пользовались ранее. Мы здесь используем три
усилителя из четырех, входящих в микросхему. Схема по сути пред-
ставляет собой объединение инвертирующего и неинвертирующего
усилителей. Для того, чтобы уравнять коэффициенты усиления, служит
делитель напряжения R7-R8. При указанных параметрах коэффициент
усиления инвертирующего усилителя и коэффициент усиления неин-
вертирующего будут одинаковы и равны 5.
Однако при такой переделке схемы неинвертирующего усилителя
его входное сопротивление также станет невысоким и потому потре-
бует отдельного буферного усилителя для того, чтобы не влиять на
подключенный на вход делитель с переменным резистором R5-R6.
Именно поэтому в схеме установлен счетверенный усилитель. Остав-
шийся незадействованным четвертый усилитель микросхемы LM348N,
в отличие от «лишних» элементов в логических схемах, можно никуда
не подключать.
После сборки схемы подключите щуп мультиметра по очереди к
ползункам переменных резисторов R2 и R6, и установите на них
одинаковые напряжения U и С/вх2 — например, по 0,5 вольта. Пере-
ключите щуп мультиметра к выходу всей схемы (то есть к выводу
1 корпуса), и вы увидите, что напряжение на выходе нашего сумматора
[7ВЬ1Х практически равно нулю. Что произошло? Ничего не произошло,
все правильно! Если схема объединяет инвертирующий и неинверти-
рующий усилители с одинаковыми коэффициентами усиления, то при
одинаковых напряжениях на входах они компенсируют друг друга и
на выходе будет ноль.
Переключите мультиметр к ползунку переменного резистора R2 и
установите напряжение Ubx1 несколько больше, чем UBx2, — например,
0,75 вольта. На выходе схемы теперь должно быть напряжение 1,25
вольта, причем со знаком минус. Если вернуть напряжение [7 вели-
чиной 0,5 вольта, а увеличить напряжение Пвх2 тоже до 0,75 вольта,
то UBta станет равным опять 1,25 вольта, но уже со знаком плюс.
Операция, которую мы выполняем, описывается общим уравнением:
Ц™ = ивх2 (й8/К7) - W в Данном слу™6 = № = 5>
потому уравнение упрощается: Пвых = 5(Пвх2 - 17вх1). Но мы можем
изменить величины резисторов R3, R4, R7, R8 в любую необходимую
сторону, таким образом смоделировав решение алгебраического урав-
нения с любыми коэффициентами.
Схему сумматора можно усложнить, заставив его решать уравнения
с большим числом параметров. Если ввести в схему резисторы R9
и R10 (они показаны серым цветом), то схема сможет суммировать
с разными знаками уже целых четыре входных напряжения. Если
это необходимо (то есть если они поступают с недостаточно мощ-
ного источника), для этих напряжений тоже придется предусмотреть
буферные согласующие усилители.
Более того, если ввести в схему инвертирующего усилителя кон-
денсатор, то можно получить дифференцирующие и интегрирующие
звенья, которые, в отличие от обычной резисторно-конденсаторной
схемы, будут выполнять математически корректные операции диффе-
ренцирования и интегрирования. Таким образом, на операционных
усилителях можно моделировать самые сложные дифференциальные
уравнения и целые их системы, мгновенно получая решения, которые в
ином случае потребовали бы долгих часов и дней ручного счета. Кроме
того, на операционном усилителе можно выполнять моделирование
операций возведения в степень и логарифмирования, Именно так
и работали аналоговые вычислительные машины — АВМ.
Подробности для любознательных: точность аналоговых :
вычислительных машин :
Небольшие отклонения от расчетного значения, которые могут :
все-таки наблюдаться на выходе схемы сумматора, обусловлены •
не только неточностью установки входных напряжений, но и •
отклонениями самих операционных усилителей от необходимого :
идеала. На этом примере хорошо видно, почему от АВМ в конце :
концов пришлось отказаться, несмотря на простоту и наглядность •
устройства в сравнении со значительно более сложной цифровой ;
техникой. Операционный усилитель, даже если рассматривать их :
современные модификации, куда более стабильные, чем древний :
UA741, все-таки очень неточный прибор. •
В идеальном случае операционный усилитель позволяет «вытащить» •
точность 2-3 знака после запятой, что для любых технических :
применений совершенно недостаточно. Например, ошибка в :
один градус направления в приборе для наводки зенитной ракеты •
(обычное применение АВМ в пятидесятые и шестидесятые годы •
XX века) на сравнительно небольшом расстоянии в один километр :
до цели даст расхождение в целых 17,5 метра. А ведь ошибка в j
один градус при определении направления сравнительно невелика •
и соответствует как раз примерно 2-3-му знаку после запятой. ;
Тем не менее аналоговые вычислительные схемы сыграли огромную :
роль в развитии электронной техники. Они впервые позволили :
увидеть на экране осциллографа ход решения сложных диффе- •
ренциальных уравнений «вживую» — так, как это происходит •
в реальности. Причем решения, получаемого мгновенно, без :
предварительных сложных расчетов, в которых иногда бывали :
задействованы целые счетные бюро (в США сотрудников таких •
бюро называли, как это ни смешно сегодня звучит, «компьюте- ;
рами» — в дословном переводе ведь это и значит «вычислитель»). :
В общем, этап АВМ хорошо подготовил инженеров и математиков :
к появлению цифровых вычислительных машин: они поняли, •
какие возможности несет в себе электроника. •
Эксперимент 17. Компараторы
и триггер Шмидта
Компаратор — это электронный прибор для сравнения двух напряже-
ний. В зависимости от знака их разности, выход компаратора может
находиться в одном из двух состояний: высокого или низкого уров-
ня. То есть компаратор является переходным звеном от аналоговой
к цифровой электронной технике, где различают как раз только эти
два уровня — высокий и низкий, логическую единицу и логический
ноль. В этой своей роли компараторы незаменимы — они входят в
качестве непременного компонента во все существующие разновид-
ности аналогово-цифровых преобразователей: устройств для перевода
непрерывной аналоговой величины в цифровую форму (мы их рас-
смотрим далее). Микросхема преобразователя напряжение-частота
LM331, которую мы применяли в Эксперименте 15, также содержит
компараторы в своем составе. А одна из самых известных микросхем
с применением компараторов — хорошо знакомый нам таймер 555.
В принципе любой операционный усилитель может служить в качестве
компаратора. Для этого его включают без обратных связей по инвер-
тирующему входу. В таком «голом» виде операционный усилитель
имеет огромный коэффициент усиления, составляющий несколько
сотен тысяч и даже миллионов. Потому любой малюсенький сигнал на
одном из входов относительно другого вызовет переключение выхода в
одно из крайних положений: выходное напряжение окажется равным
либо положительному, либо отрицательному напряжению питания.
Чтобы уверенно обращаться со
схемами на компараторах, следует
запомнить следующее правило:
если напряжение питания на отри-
цательном входе (инвертирующем, то
есть помеченном знаком минус) пре-
вышает напряжение питания на поло-
жительном (неинвертирующем —
том, который помечен знаком плюс),
то напряжение на выходе компара-
тора оказывается близким к отри-
цательному напряжению питания
(или к нулю, если питание однопо-
лярное). Если, наоборот, напряжение
напряжение на отрицательном, то напряжение на выходе компа-
ратора будет близко к положительному напряжению питания. Оба
этих варианта наглядно показаны на картинке на предыдущей
странице, где примеры изменения уровней напряжений на входах
и на выходе показаны в виде условных диаграмм.
Еще раз повторим — вся работа компараторов в качестве устройства,
служащего мостиком между аналоговым и цифровым миром, основана
на том, что очень маленькое (величиной всего в единицы или десятки
микровольт) изменение на входах отображается на выходе в виде
большого перепада напряжений. Этот перепад можно представить в
виде одноразрядного двоичного числа, что и служит основой для про-
цесса оцифровки непрерывного (аналогового) сигнала.
Компараторы и гистерезис
Явление гистерезиса очень распространено как в природе, так и в
технических устройствах, созданных человеческими руками. Это,
например, хорошо знакомый всем, кто ездит на велосипеде, люфт
в конструкции механического тормоза, связанного с педалями. Чтобы
затормозить, надо педали вхолостую провернуть на некоторый угол
назад, прежде чем тормоз сработает. Наоборот, чтобы отпустить та-
кой тормоз, педали придется вхолостую провернуть на небольшой
угол вперед. Если бы этого люфта не было, тормоз срабатывал бы при
каждой остановке вращения педалей, стоило бы случайно чуть-чуть
провернуть их в неправильном направлении.
Разница между положениями педалей, когда тормоз срабатывает
при нажатии и когда он отпускается, и называется люфтом, или, в
наших терминах, гистерезисом. Другим примером этого свойства
может служить такой же люфт в руле управления автомобилем. Чтобы
автомобиль начал поворачивать, нужно повернуть рулевое колесо
на небольшой угол вхолостую. Если бы автомобиль начинал пово-
рачивать при малейшем отклонении от нейтрального положения, то
все автомобили ездили бы по синусоиде, а не по прямой, потому что
человек не способен удерживать руль в строго в нужном положении
длительное время.
Еще один пример, на этот раз из области природных явлений, дает
замерзание водоемов. Река или озеро начинает замерзать только тогда,
когда осенью установятся устойчивые отрицательные температуры
воздуха. Наоборот, таяние льда на водоемах начинается, когда весной
установятся устойчивые положительные температуры. Разница между
средними суточными температурами замерзания водоема и его таяния
обусловлена большой теплоемкостью воды и также может служить
примером гистерезиса.
А какое отношение это имеет к компараторам? Как мы гово-
рили, компаратор реагирует на малейшие изменения напряжений
на входах. Всегда ли это хорошо? Если, например, компаратор
применяется для реагирования на сигналы внешних датчиков, то
его высокая чувствительность оборачивается тем, что близко к
моменту срабатывания выходной сигнал начинает «дребезжать»:
выход быстро-быстро переключается из одного состояния в другое.
Причиной этого служит всегда присутствующая помеха (как по при-
чине наводок от внешних электромагнитных полей, так и от вну-
тренних причин, вытекающих из фундаментальных свойств любых
проводников). Особенно этот эффект проявляется, если сигнал от
датчика меняется медленно — а в сравнении с быстродействием
микросхем практически любой аналоговый сигнал можно считать
меняющимся медленно.
Иногда таким дребезгом можно пренебречь, но в большинстве
случаев он вреден, а иногда просто недопустим. Далее мы увидим
это на практических примерах, а сейчас посмотрим, как от него
в принципе можно избавиться. Это делается точно так же, как в
случае руля автомобиля или велосипедного тормоза: в схему вводит
некий «люфт».
На рисунке в начале следующей страницы представлен простой
пример инвертирующего компаратора с гистерезисом. Как же это
работает? Предположим, что в начальном состоянии на выходе нулевое
напряжение (отрицательного питания у нас здесь нет). Такое может
UnHT=10B
быть, если уровень напряжения на отрицательном входе превышает
уровень на положительном входе. А какой, собственно, уровень на
положительном входе? В случае нулевого напряжения на выходе
он будет определяться величиной в средней точке делителя R2/R3,
причем к R3 при этом оказывается в данном случае параллельно
подключен резистор R1 (так как они оба подключены к точкам
схемы, где напряжение равно нулю, то их можно считать включен-
ными параллельно). Для простоты расчетов все резисторы на схеме
одинаковой величины, потому суммарное значение сопротивления
параллельно включенных одинаковых R1 и R3 равно половине от их
значения, или 5 килоом (кто забыл, как это считается, см. формулы
на страницах 121-122).
Итого, напряжение питания (в данном случае 10 вольт) делится дели-
телем в соотношении 10:5 (то есть 2:1), и на положительном входе
компаратора будет около 3,3 вольта. Для того чтобы выход компара-
тора переключился в противоположное состояние, необходимо, чтобы
входное напряжение (на отрицательном входе) оказалось ниже этой
величины. Назовем ее нижним порогом срабатывания компаратора.
Предположим, мы снизили входное напряжение ниже этого порога и
компаратор переключился в состояние, когда на выходе напряжение,
близкое к напряжению питания. Какое напряжение окажется на поло-
жительном входе в этом случае?
Так как в этом случае резистор R2 и резистор R1 оказываются
одинаково подключены к напряжению питания, то теперь уже они
подключены параллельно друг другу. Напряжение питания делится
делителем в соотношении 5:10 (или 1:2), и на положительном входе
будет напряжение около 6,7 вольта. Это верхний порог срабатывания
компаратора. Теперь, чтобы переключить компаратор в противопо-
ложное состояние, нужно, чтобы входной сигнал возрос как минимум
до этого значения.
Обычно гистерезис иллюстрируют гра-
фиком, который имеет характерный вид
замкнутой петли. Для нашего случая
такой график приведен на рисунке
справа. По горизонтальной оси здесь
отложено напряжение на входе схемы,
по вертикальной — уровни напряжения
на выходе. Стрелки указывают направ-
ление изменения входа, при котором
происходит переключение по тому или
другому порогу.
3,3 6,7 ии
нижний верхний
порог порог
Улавливаете? При переключении в одно из положений компаратор
с гистерезисом надежно зафиксирует его, и для переключения об-
ратно нужно будет приложить большие усилия. Какая бы помеха
ни «сидела» на входном сигнале, ее величина должна в нашем
случае составить не менее трех с лишним вольт, чтобы вызвать
дребезг на выходе. А таких помех в жизни не встречается: если
входной сигнал меняется с таким размахом, то это уже не помеха,
а что-то из «другой оперы».
Кстати, все эти соотношения сохранятся, если напряжение питания
будет не 10 вольт, а иметь другое значение. Отсчитывать величину
зоны гистерезиса (то есть разницу между верхним и нижним порогом)
удобно в процентах от напряжения питания: в данном случае, при
указанных на схеме соотношениях резисторов, он будет равен 33%
от Ппит, какую бы оно величину ни принимало.
Зона гистерезиса в 30 с лишним процентов от напряжения питания
для большинства применений излишне велика, и на практике стара-
ются обходиться меньшими величинами. Ведь, кроме всего прочего,
гистерезис вносит неопределенность в значение уровня срабатывания
компаратора, а в некоторых случаях этот уровень все-таки должен уста-
навливаться как можно точнее. Снизить зону гистерезиса просто — для
этого надо увеличивать сопротивление R1. В пределе, когда R1 равно
бесконечности, получаем обычный компаратор без всяких хитростей.
Триггер Шмидта
Если цепочку резисторов, формирующую пороги, спрятать внутрь
микросхемы, а за основу вместо операционного усилителя взять логи-
ческий элемент (который по сути тоже представляет собой усилитель),
то получим элемент с одним входом и одним выходом, который носит
название триггер Шмидта. Зона гистерезиса
у него по понятным причинам не регули-
руется (обычно она составляет около 20%
от напряжения питания) и расположена
симметрично относительно половины на-
пряжении питания. Серийные микросхемы
содержат четыре или иногда шесть таких
триггеров Шмидта (74С14, 74НС14 и др.)
и употребляются в основном как средство
для формирования импульсов прямоуголь-
ной формы из зашумленного сигнала.
На одновходовом триггере Шмидта, кстати, получается самый,
наверное, простой по устройству генератор импульсов — он содержит
всего один резистор и один конденсатор (см. рисунок справа).
Частота генерируемых импульсов F = l/l,7RCr Если вы сравните
эту схему с генератором импульсов на микросхеме 555 (см. схему
на странице 65), то увидите, что они очень похожи, только схема на
555 содержит на один резистор больше. На самом деле микросхема
555 тоже представляет собой не что иное, как прецизионный (то есть
высокоточный) триггер Шмидта с некоторыми дополнительными
возможностями.
Подробности для любознательных: почему триггер?
В главе 4 мы узнали, что триггер — это устройство для записи
и хранения информации в количестве одного бита, то есть элек-
тронный элемент, обладающий памятью. Если рассмотреть работу
компаратора с гистерезисом или триггера Шмидта, то видно, что
их работа в некотором роде напоминает RS-триггер. Последний,
переключившись подачей импульсов на R- или S-вход, сохраняет
это состояние, а элемент с гистерезисом, переключившись в одно
из состояний, будет сохранять его, пока воздействие не превысит
некий порог. То есть также налицо эффект памяти. Можно ли его
использовать для запоминания информации?
Конечно, в настоящее время никто не будет применять триггер
Шмидта для подобных целей. Но свойством гистерезиса, как мы
говорили, обладает множество природных объектов. Издавна для
целей запоминания информации приспособили магнитные мате-
риалы, которые также обладают этим свойством. В старинных
ЭВМ в качестве памяти использовали миниатюрные колечки из
ферритовой керамики: благодаря свойству гистерезиса они могли
находиться в одном из двух намагниченных состояний, которые
легко определялись при считывании. До наших дней дошли маг-
нитные жесткие диски, использующие то же самое свойство маг-
нитного слоя. Они из-за сложности устройства и чувствительности
к ударам постепенно сдают позиции твердотельным накопителям,
но пока еще имеют непревзойденную емкость при невысокой
стоимости. Потому практически все невообразимо огромное коли-
чество информации, доступной в Интернете, хранится именно на
жестких дисках.
Специальные микросхемы компараторов
Простой операционный усилитель может служить отличным компара-
тором, но лучше для этой цели употреблять специально разработан-
ные микросхемы. Они заведомо допускают подачу любых значений
напряжения на входы (в пределах напряжения питания, разумеется)
и имеют конструкцию выхода, специально приспособленную либо
для подключения к логическим микросхемам, либо для включения
иной нагрузки.
Одна из самых популярных и удобных микросхем компараторов
известна под названием LM311. Она имеет отечественный аналог,
даже несколько (например, 521САЗ и К554САЗ), но мы будем ориен-
тироваться на оригинальную импортную микросхему в 8-выводном
корпусе DIP, чтобы не запутаться в разводке выводов: отечественные
разновидности выпускаются в других корпусах.
На рисунке внизу приведена основная схема включения компаратора
LM311. Выход этой микросхемы отличается от выхода обычных опера-
ционных усилителей — он несимметричный. Его можно рассматривать,
как обычный п-р-п-транзистор, у которого наружу выведены эмиттер
(вывод 1) и коллектор (вывод 7). Сам транзистор условно показан
внутри треугольника, обозначающего микросхему. Нагрузочный рези-
+5 В
8
2
R1
1к
7
3
LM311
выход
вход-
4
стор R1 в коллекторе может быть величиной от нескольких сотен ом
до нескольких килоом.
Такая конструкция выхода сделана для возможности универсального
подключения к логическим схемам — независимо от напряжения
питания самой микросхемы (которое может составлять до ±18 В двухпо-
лярного или до 36 В однополярного питания), резистор R1 в коллекторе
выходного транзистора подключается к питанию логической схемы,
а эмиттер выходного транзистора — к общему проводу всей схемы.
Но именно к логическим схемам такую конструкцию подключать,
конечно, необязательно: подобный однополярный выход с открытым
коллектором удобен для многих других применений компаратора.
: Читатель, внимательно изучивший сведения из раздела про компа- •
• раторы, несомненно, тут же задаст вопрос: какой смысл приобретут •
: понятия «инвертирующий» (отрицательный) и «неинвертирующий» :
: (положительный) входы при такой конструкции выхода? Этот :
• вопрос обязательно возникает у каждого, кто пытается разо- •
: браться в схемах на основе LM311, и часто звучит на форумах •
: в Интернете. Ответ можно получить, если рассматривать состо- :
: яние выхода в терминах логических уровней: при превышении :
• величины напряжения на отрицательном входе напряжения на •
: положительном входе на выходе (то есть на коллекторе выходного •
: транзистора) будет логический ноль (иными словами, транзистор :
: будет открыт). Наоборот, при превышении величины напряжения j
• на положительном входе напряжения на отрицательном входе •
• на выходе будет логическая единица (транзистор будет заперт). :
• д ••• ••••• ••••« ••••••••••• •••••••••••••••••••••••••••••••••••• •••••••••*
Отметим, что в схемах с гистерезисом в качестве компаратора фигу-
рировал обычный операционный усилитель с симметричным выходом,
а не специализированная микросхема вроде LM311. Несимметричный
выход компараторов типа LM311 вносит некоторую погрешность
в расчет зоны гистерезиса — в частности, она оказывается несимме-
тричной относительно среднего уровня. Однако если резистор в цепи
коллектора выходного транзистора много меньше резистора R1 (как
оно обычно и бывает), то этой погрешностью можно пренебречь.
Термостат для аквариума
Необходимые материалы
Микросхема LM311 — 1 шт.
Резистор 10 кОм — 3 шт.
Резистор переменный многооборотный 10 кОм — 1 шт.
Резистор 430 кОм — 1 шт.
Резистор 2 кОм — 2 шт.
Диод импульсный 1N4148 (можно заменить на 1N4448, КД510А,
КД522 и др.) — 1 шт.
Транзистор р-п-р ВС-327 (можно заменить на КТ3107) — 1 шт.
Светодиод маломощный любого типа — 1 шт.
Термистор B57861-S 103-F40 (можно любой NTC-muna с сопротив-
лением 10 кОм при 25°С) — 1 шт.
Реле электромагнитное TRB-1-12VDC (или другое с обмоткой на
12 вольт) — 1 шт.
Резистор мощный SQP 10 Вт 15 Ом — 1 шт (можно заменить на
два проволочных керамических или отечественных остеклованных
резистора мощностью 5-10 Вт и сопротивлением 27-30 Ом).
Лак электроизоляционный УР-231 (можно заменить на акриловый
лак PLASTIK-71)
Сетевой адаптер 12 вольт — 1 шт.
Сетевой адаптер переменного тока 24 вольта, 2 ампера — 1 шт.
Давайте от теоретических рассуждений перейдем наконец к практи-
ческим конструкциям. Одно из самых распространенных применений
компараторов — в качестве различного рода автоматических регулято-
ров, то есть устройств для поддержания некоей величины на заданном
уровне. Мы на практике рассмотрим два таких устройства, и начнем
с классического примера устройства для регулирования температу-
ры — термостата для аквариума. На этом примере вы увидите, что
в конструировании автоматических регуляторов часто создание схемы
не самое сложное: куда больше времени займет оформление датчика
и исполнительного устройства — нагревателя.
Задача в данном случае состоит в том, чтобы поддерживать темпе-
ратуру воды в аквариуме на заданном уровне. Большинство разно-
видностей аквариумных рыбок предпочитает температуру чуть выше
комнатной — от 22 до 26 градусов. Нормальная комнатная температура
для центральной части территории России составляет 18-20 градусов,
потому нагреватель для комфортного существования рыбок необходим.
Однако, в жаркое время года или зимой при плохо отрегулированном
отоплении температура в комнате может даже превышать 26 градусов.
В этом случае термостат можно отключать или оставить его как есть:
холодильного элемента мы не предусматриваем, и при постоянной
температуре выше заданной термостат просто перестанет включаться.
Мы будем рассчитывать на поддержание температуры воды на уровне
24 градусов. Небольшая разница между температурой в комнате и в
аквариуме позволит нам не связываться с мощными нагревателями,
работающими от бытовой сети, а обойтись самодельным нагревателем
из мощного 10-ваттного резистора. Такой нагреватель будет работать
от безопасного напряжения 24 вольта, что значительно уменьшит
трудности по его изоляции от воды.
На рисунке вверху представлена принципиальная схема термостата. В
качестве чувствительного элемента (датчика температуры, R5 на схеме)
здесь применяется термистор: резистор из специальной керамики,
сопротивление которой с увеличением температуры быстро умень-
шается, то есть температурный коэффициент у него отрицательный.
Отрицательный температурный коэффициент по-английски называ-
ется negative temperature coefficient (NTC), потому такие компоненты
называют еще NTC-термисторами. Термисторы обозначают значением
их сопротивления при определенной температуре, чаще всего при 20
или 25 градусах Цельсия. Мы применяем термистор, у которого сопро-
тивление при 25 °C (номинальное сопротивление) равно 10 килоом.
Внешне термистор типа B57861-S похож на застывшую капельку (см.
рисунок внизу страницы). Можно приспособить любой другой NTC-
термистор, но изолировать его от воды может тогда быть сложнее,
а специальные термисторные датчики в металлическом или пласти-
ковом корпусе намного дороже простого термистора.
• Кроме NTC-термисторов, в продаже встречаются и РТС-термисторы, •
: у которых температурный коэффициент положительный (positive). :
: Они предназначены совсем для других целей и датчиками темпе- :
• ратуры служить не могут. Вместо термистора в принципе можно j
• взять и обмотку из металлической проволоки, но у металлов тем- •
: пературный коэффициент намного меньше, чем у термисторов, :
: потому чувствительность такого датчика резко упадет. Тем не :
• менее металлические (медные или платиновые) датчики суще- •
: ствуют, потому их можно приспособить на замену термистору. •
: Другой вариант на замену термистору — воспользоваться специ- :
: альным полупроводниковым датчиком температуры с аналоговым :
• выходом (например, ТМР35, ТМР36 или ТМР37). Надо учитывать, •
: что и у меди, и у полупроводниковых датчиков температурный •
: коэффициент положительный, потому в нашей схеме их нужно :
: будет поменять местами с резистором R4 (и, разумеется, величина j
• R4 также будет иной). :
При 24 градусах наш температурный датчик будет иметь сопро-
тивление лишь чуть выше номинального в 10 кОм, что облегчает
расчеты схемы. Как видите, все резисторы в левой части схемы
также по 10 кОм, включая многооборотный подстроечный резистор
R2, который служит для точной установки значения температуры.
Работу такой схемы в принципе мы уже разбирали. Здесь, когда
температура возрастет, сопротивление датчика R5 уменьшится,
напряжение на отрицательном входе компаратора станет ниже
положительного, выходной транзистор компаратора закроется,
ток из базы р-п-р-транзистора VT1 через светодиод L1 и резистор
R7 перестанет течь, и транзистор закроется тоже. Отключится реле
К1 и его контакты К1.1 разомкнутся, отчего нагреватель отключится
от питания. Вода будет остывать, пока сопротивление температур-
ного датчика не увеличится настолько, что напряжение на отри-
цательном входе опять превысит напряжение на положительном,
и компаратор опять включит нагреватель.
Светодиод L1 для работы термостата не нужен и введен в схему для
удобства ее использования. Он сигнализирует о том, что компаратор
сработал и включил нагреватель. Конденсатор С1 устанавливается,
чтобы снизить уровень помех, наводящихся на длинных проводах,
которыми термисторный датчик R5 подключен к схеме. Импульсный
диод VD1 нужен, чтобы защитить схему от выбросов напряжения
в момент включения и отключения обмотки реле, обладающей свой-
ством индуктивности.
Для дополнительной защиты от дребезга в схему введен гистерезис
(резистор R6). Если бы мы вместо электромагнитного реле применили
электронное или какой-то другой бесконтактный электронный выклю-
чатель нагрузки (например, мощный транзистор или тиристор), то
гистерезис можно было бы не вводить: пусть они себе переключаются
многократно, мы этого бы и не заметили. Но электромагнитное реле,
во-первых, портится при многократном срабатывании (общее число
срабатываний до отказа у электромеханических реле ограничено),
во-вторых, при дребезге издает неприятный жужжащий звук. Потому
хотя и гистерезис снижает точность поддержания температуры, но
здесь это необходимая особенность схемы. При указанных величинах
резисторов зона гистерезиса в пересчете на значение сопротивления
будет составлять около ±0,5 кОм, что для выбранного термистора
соответствует примерно ±1 градусу изменения температуры.
Изготовление датчика и нагревателя
Перед тем как тестировать схему, необходимо изготовить датчик из
термистора и нагреватель из мощного резистора. К выводам терми-
стора типа B57861-S припаиваются концы гибкого провода (удобно
использовать двойной тонкий гибкий провод, как у аудионаушников
или сетевых адаптеров). Места пайки сначала по отдельности изоли-
руются предварительно надетыми отрезками термоусадочной трубки
(кембрика). Затем на весь датчик, с захватом части провода, надева-
ется отрезок термоусадочной трубки длиной сантиметров 20-30 и по-
добранного диаметра так, чтобы он плотно охватил «капельку» самого
термистора. Трубка осаживается с помощью специального монтажного
фена или просто в струе горячего воздуха над газовой или электри-
ческой плитой. Готовый датчик вместе с трубками можно покрыть
лаком УР-231, чтобы придать ему дополнительную водостойкость.
Датчик можно погружать в воду на всю длину трубки, закрепив его
на краю аквариума или на покрывающем стекле (в процессе работы
датчик не должен касаться стенок).
Теперь займемся изготовлением нагревателя из мощного резистора,
что гораздо сложнее. Керамические резисторы типа SQP выглядят так,
как показано на рисунке на странице 179. Если в продаже не будет
резистора 15 Ом, то можно взять два резистора по 27-30 Ом, сложить
вместе и скрутить их выводы, соединив их таким образом параллельно.
Получится один резистор сопротивлением около 13,5-15 Ом.
Мощность, которая будет выделяться на таком нагревателе при
напряжении 24 вольта, равна 35-40 ваттам. Но резисторы даже
мощностью всего в 5 ватт при таком применении не сгорят,
если будут всегда погружены в воду, которая отнимает тепло
намного лучше, чем воздух. Недаром в инструкции к электро-
кипятильникам написано «Не включать без воды!», замечали?
И очень многие владельцы старых электрочайников, где отсутствует
автоматическое выключение при закипании, горько раскаивались,
если забывали их вовремя выключить и вода успевала выкипеть
полностью. Здесь точно такой же эффект: если не включать наш
нагреватель на воздухе, то в воде он проработает очень долго.
К концам выводов такого мощного резистора, укороченных до длины
примерно в 2 сантиметра, необходимо припаять гибкий провод сечени-
ем не менее 1 мм2, в достаточно толстой и неповрежденной изоляции.
Пайка должна быть выполнена очень надежно: необходимо плотно
обкрутить вокруг вывода зачищенный конец провода и пропаять его
паяльником средней мощности с применением флюса, очищающего
место пайки. Если вы не сумеете справиться с этим сами, попросите
кого-нибудь из старших помочь. Потом тщательно очистите место
пайки от остатков флюса. Изолирующую трубку надевать на выводы
не надо.
После этого все оголенные места, включая провод с захватом части
изоляции, и остаток вывода резистора с захватом боковой грани его
корпуса покрываются электроизоляционным лаком УР-231 в два слоя.
Второй слой наносится после полного высыхания первого. Уретаново-
эпоксидный лак УР-231 дает прочное и одновременно эластичное
покрытие, которое не разрушается водой. Но с этим двухкомпонентным
(вроде эпоксидки) лаком может быть сложно работать, и продается
он далеко не на каждом углу. Его можно заменить на акриловый лак
PLASTIK-71, который продается в радиомагазинах, хотя результат
может быть и не столь долговечен.
Проделав эти предварительные работы, можно приступать к калибровке
схемы. Сначала ее следует проверить вхолостую. В принципе работу,
как мы говорили, можно контролировать по свечению светодиода L1,
но для надежности лучше проверить схему полностью. Для этого под-
ключите вместо нагревателя мультиметр, установленный для измерения
переменного напряжения. Еще нагляднее будет подключить лампочку
на 24 вольта, если вы такую найдете (они встречаются в автомагазинах,
где продаются запчасти для грузовиков). Включите оба адаптера и,
если светодиод сразу не горит (а также мультиметр или лампочка не
показывают наличия напряжения), покрутите подстроечный резистор
R2 — в каком-то положении светодиод должен загореться и напря-
жение на выходе схемы появится. Теперь нагревайте термисторный
датчик рукой, пока контакты не разомкнутся (светодиод не погаснет,
и напряжение не исчезнет). Будем считать, что схема работает, теперь
ее нужно точно откалибровать по показаниям термометра.
Для калибровки нам понадобится собственно термометр, емкость
с водой (кастрюля) и обязательно аэратор — устройство, которое
насыщает воду кислородом, заодно перемешивая ее (рисунок внизу
страницы справа. Без аэратора для перемешивания воды термостат
в аквариуме работать правильно не будет: теплая вода будет под-
ниматься вверх, и верхнем слое вы рискуете получить рыбный суп,
тогда как вблизи дна оставшиеся в живых рыбки будут замерзать
от холода.
Закрепите датчик примерно на середине высоты емкости с водой
так, чтобы он не касался стенок. Рядом закрепите термометр. Нагре-
ватель надо погрузить почти на всю глубину, но так, чтобы он не
касался дна. Включите аэратор, подключите нагреватель к схеме и
включите опять оба адаптера. Контролируя температуру по термо-
метру, установите с помощью подстро-
ечного резистора R2 отпускание реле
(выключение нагревателя) на уровне
примерно 25 градусов. Теперь при осты-
вании реле должно включиться примерно
при 23 градусах. Процедура калибровки
довольно муторная и длительная, но
делается она один раз: после установки
в аквариум останется только проверить,
не сбились ли настройки.
А теперь мы разберем устройство,
которое требует вспомогательных работ
куда меньше, зато, с точки зрения электронщика, это одно из самых
капризных и сложных в наладке электронных устройств — автомат
включения освещения.
Автомат включения освещения
Необходимые материалы
Микросхема LM311 — 1 шт.
Резистор 10 кОм — 3 шт.
Резистор переменный 560 кОм — 1 шт.
Резистор 15 кОм — 1 шт.
Резистор 1 кОм — 2 шт.
Диод импульсный 1N4148 (можно заменить на 1N4448, КД510А,
КД522 и др.) — 1 шт.
Транзистор р-п-р ВС-327 (можно заменить на КТ3107) — 1 шт.
Фоторезистор ФР-765 (можно заменить на ФР-764 или на
импортный VT90N1) — 1 шт.
Реле электромагнитное TRB-1-12VDC (или другое с обмоткой на
12 вольт) — 1 шт.
Лампочка 12 В, 0,1-0,5 А — 1-2 шт.
Сетевой адаптер 12 вольт — 1 шт.
Сетевой адаптер переменного тока 12 вольт, 2 ампера — 1 шт.
Автомат включения освещения, или фотореле, — одно из самых рас-
пространенных устройств. В быту такие автоматы применяются от-
носительно редко, зато в городском хозяйстве они встречаются бук-
вально на каждом углу: именно с помощью таких автоматов уличное
освещение, декоративная подсветка зданий и свет в подъездах жилых
домов включаются вечером и выключаются утром. И, кстати, работа
автоматических турникетов в метро по принципу устройства мало чем
отличается от автоматов включения освещения. И там и там датчик
реагирует на изменение уровня освещенности, разве что автомат для
турникетов спроектировать несколько попроще, чем фотореле для
срабатывания на изменение естественного освещения.
Почему же это сложно? А потому, что естественное освещение —
величина, которая меняется очень медленно. И около установленного
порога срабатывания она может еще и колебаться от случайных
причин — облака на небе, проехавшая машина, отразившая зайчик
от ветрового стекла, рядом расположенные предметы могут менять
освещенность и заставлять фотореле срабатывать много раз, прежде
чем его состояние успокоится. При этом влияние обычных электри-
ческих помех из-за медленно меняющегося сигнала также возрастает
многократно. А устройства, которыми такое реле обычно управ-
ляет, многократного переключения туда-сюда не терпят абсолютно:
например, лампы уличного освещения могут выйти из строя в первый
же вечер, если их заставить включиться и выключиться пару сотен
раз за короткое время.
: Одно обстоятельство облегчает задачу: в фотореле точность уста- :
: новки порога включения и выключения не имеет особого зна- :
: чения. Поэтому здесь можно установить максимально большую :
• зону гистерезиса и конденсатор большой емкости для сглажи- •
: вания помех. В качестве фотодатчика можно применить любой •
: светочувствительный компонент: фоторезистор, фотодиод или :
: фототранзистор. Для наших целей тип датчика не имеет принци- :
• пиального значения: все они меняют проходящий ток в зависи- •
: мости от освещенности. Это не так, если нам нужно реагировать •
: на определенную длину волны света: например, в телевизионных :
: пультах-ленивчиках используется тот же принцип, но излучение :
: там инфракрасное, соответственно, и датчики должны лучше всего •
• реагировать на эту часть спектра. •
Конечно, от типа датчика зависят конкретные параметры схемы, по-
тому нам стоит остановиться на чем-то одном. Мы будем использовать
фоторезистор, как самый простой для понимания электронный при-
бор такого типа: он попросту меняет сопротивление при освещении.
Причем с увеличением освещенности его сопротивление падает и до-
вольно сильно: отношение сопротивления в темноте к сопротивлению
при освещенности в 200 люкс не менее 100-150. То есть, например,
фоторезистор ФР-765 (рисунок на следующей странице слева), в тем-
ноте имеющий сопротивление около 2 мегаом, на свету уменьшит его
до 20 килоом и ниже. Освещенность 200 люкс — это примерно как
в торговом зале большого универсама, крупном офисе или в школьном
коридоре. Нам требуется уловить порог несколько меньше, примерно
в 50-100 люкс — такая освещенность на улице будет в очень пасмурный
день или в ясный день в сумерки, когда солнце только что зашло за
горизонт. При таком освещении еще можно читать книгу или газету,
но буквы уже разбираются с трудом. Исходя из этих
данных, мы будем предполагать величину сопро-
тивления фотодатчика типа ФР-765 около 50 кОм.
Однако все равно придется обеспечить достаточно
большой диапазон подстройки «по месту» — в ме-
сте установки освещение может достаточно сильно
отличаться от того, что наблюдается на открытом
пространстве.
Схема автомата включения освещения представ-
лена на рисунке внизу страницы. Как видите, она
похожа на схему термостата, только регулировка
порога срабатывания (резистор R2) перенесена
к датчику, и величина гистерезиса (резистор R6)
здесь намного больше. При указанных на схеме
параметрах зона гистерезиса составит около 3 вольт, то есть при-
мерно 25% от напряжения питания. Кроме того, увеличена емкость
конденсатора С1, фильтрующего наведенные помехи, — так, что
он, кроме простой фильтрации, вместе с резисторами R1 и R2
еще и обеспечивает задержку срабатывания порядка нескольких
секунд. Все эти меры вместе обеспечивают надежную фиксацию
включенного или выключенного состояния реле и предотвращают
его дребезг.
Наладка правильно собранной схемы состоит только в установке
порога срабатывания с помощью резистора R2 по реальному уровню
освещенности в месте установки. Если в процессе настройки порога
обнаруживается, что ползунок переменного резистора R2 находится
в крайнем верхнем положении (по схеме), а нужный уровень сраба-
тывания все-таки не достигнут, придется заменить резистор R1 на
резистор меньшего сопротивления. И наоборот — если ползунок R2
R615K
дошел до нижнего по схеме положения, то величину резистора R1
нужно увеличить в несколько раз. Величины резисторов R1 и R2, воз-
можно, также придется изменить, если имеется фоторезистор другого
типа — например, импортный VT90N1 имеет меньшее сопротивление
в темноте и большую чувствительность, чем ФР-765. Кстати, чем
меньше сопротивление фоторезистора, тем меньше будет уровень
наведенных на нем помех.
Фоторезистор, в отличие от датчика температуры в регуляторе для
аквариума, выносить за пределы схемы не следует, от этого только
увеличится количество наведенных помех. Всю конструкцию устанав-
ливают в корпусе, к котором делается отверстие, пропускающее свет.
Отверстие заклеивают прозрачным скотчем или кусочком оргстекла.
Это одна из причин, по которой окончательную настройку порога
срабатывания следует делать на готовой конструкции: размеры отвер-
стия, расположение окна фоторезистора относительно него, степень
прозрачности заклейки и другие факторы будут сильно влиять на
освещенность датчика.
Настоящее уличное освещение мы, конечно, включать не будем, а вот
автоматическое включение 12-вольтового светильника над крыльцом
или у калитки дачного домика вполне можем обеспечить. Во избежание
лишних помех лучше лампочку питать от отдельного адаптера питания —
вполне подойдет самый дешевый нестабилизированный переменного
тока (см. схему выше). Перечитайте то, что говорилось в главе 1
(Эксперимент 3) по поводу схемы дистанционного включения и
выключения освещения, — это вам поможет правильно смонтировать
фотодатчик вместе с лампочками.
Эксперимент 19. Аналогово-
цифровые преобразователи
В этом разделе мы познакомимся с готовыми аналогово-цифровыми
преобразователями (АЦП) — устройствами, позволяющими полу-
чить из непрерывного аналогового сигнала цифровой код. С одним
из устройств такого рода мы уже знакомы: в Эксперименте 15 мы
применяли преобразователь напряжение-частота LM331 в совокуп-
ности с частотомером для того, чтобы отобразить на цифровых ин-
дикаторах величину напряжения. Тогда же мы выяснили, что такая
самодельная схема имеет крупный недостаток: она не позволяет
отобразить отрицательные значения. Не говоря уж о том, что пол-
ная схема получается неоправданно сложной и не у каждого хватит
терпения превратить ее в законченный прибор, который не стыдно
поставить на стол.
: Представьте себе, подобные схемы широко использовались в тот ♦
: период развития электроники, когда еще не было ни микропро- :
: цессоров, ни даже доступных АЦП в виде законченной микро- :
• схемы с выходом прямо на цифровые индикаторы. Тем не менее •
• цифровой метод подкупал своей точностью и универсальностью, •
: и его очень старались применять на практике. Более того — :
: измерительные приборы на основе схем, подобных той, что мы :
• составляли в Эксперименте 15, выпускались еще вообще до •
• появления интегральной электроники, на отдельных транзисторах, ♦
: диодах и резисторах. Можно представить себе, каких размеров и :
: какой стоимости получался такой прибор, обладавший всего лишь :
• способностями рядового современного карманного мультиметра. •
*••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••<•••••••••••••••••••••• •••• ••• ••
Интегральные АЦП делают все то же самое, что наша схема цифрового
вольтметра, но они гораздо компактнее, и плюс к тому еще и умеют
правильно отображать отрицательные значения напряжения относи-
тельно заданного нулевого уровня. Поскольку в основе АЦП лежат все
те же знакомые нам операционные усилители и компараторы, то для
правильной работы такой микросхеме требуются два напряжения пи-
тания — плюс и минус относительно общего провода. В микросхеме
КР572ПВ2 (ICL7107), которую мы будем применять, эти напряжения
должны иметь величину ±5 В. Потому мы сначала займемся источ-
ником питания.
Подробности для любознательных: что такое аналогово-циф-
ровой преобразователь?
Как мы измеряем длину? Мы отмечаем крайние положения
отрезка, который нужно измерить, и прикладываем к ним линейку,
которая имеет штрихи, нанесенные на известном расстоянии
друг от друга: миллиметры, сантиметры, метры. Отсчитав нужное
количество штрихов, мы записываем результат в цифрах. Рассто-
яние между штрихами определяет масштаб нашего аналогово-
цифрового преобразования. Если самый маленькое расстояние —
миллиметры, то и результат будет в миллиметрах. Даже если мы
меряем промежуток между Москвой и Санкт-Петербургом: просто
в этом случае результат будет выражаться очень большой цифрой,
а линейка потребуется очень длинная.
Электронный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) делает
в точности то же самое, только в отношении напряжения, а не
длины. В качестве линейки у него служит образцовое напряжение
(такое, величина которого точно известна). Оно сравнивается
с измеряемым (вот зачем в АЦП всегда имеются компараторы!),
и результат автоматически преобразуется в цифровой код. Коли-
чество двоичных разрядов, которое мы получаем (то есть раз-
рядность кода — это количество штрихов на нашей условной
линейке), будет определять масштаб измерения. Существует много
способов такого преобразования и представления полученного
числа, потому существует много разновидностей АЦП, отлича-
ющихся сложностью, точностью, скоростью работы и так далее.
Преобразователь напряжение-частота из главы 4, который мы
упоминали, есть один из самых простых таких способов — хотя
и не самый точный. АЦП КР572ПВ2 применяет другой способ,
который называется «метод двойного интегрирования».
Источник питания для АЦП
Необходимые материалы
Микросхема UA741 (КР140УД708) — 1 шт.
Регулируемый стабилизатор LM317LZ (можно заменить на LM317
в любом корпусе или на КР142ЕН12А) — 1 шт.
Резистор 220 Ом — 1 шт.
Резистор 1,6 кОм — 1 шт.
Резистор 10 кОм — 2 шт.
Резистор 1 кОм — 1 шт.
Транзистор п-р-п ВС-337 (можно заменить на КТ3102) — 1 шт.
Транзистор р-п-р ВС-327 (можно заменить на КТ3107) — 1 шт.
Сетевой адаптер нестабизированный 15 вольт — 1 шт.
Для питания схемы АЦП можно применить отдельный двухполярный
источник, несколько усложненный по сравнению с тем, что мы кон-
струировали в начале главы. Усложнение связано с тем, что требуется
получить два разнополярных напряжения, близких к значению ровно 5
вольт, для чего по ранее употреблявшейся схеме необходим исходный
адаптер с напряжением 10 вольт. Такие адаптеры в продаже встреча-
ются очень редко, потому проще поставить регулятор, установив на
его выходе напряжение 10 вольт, а уже потом поделить его пополам,
как мы делали раньше.
Схема такого источника питания показана на рисунке вверху страницы.
Как видите, в выходной части она не отличается от той, что приведена
в начале этой главы, но на входе (верхняя часть по рисунку) допол-
нительно снабжена стабилизатором, с помощью которого из 15 вольт
получается 10. Так как нам большая мощность не требуется, то регули-
руемый стабилизатор LM317 выбран здесь в маленьком транзисторном
корпусе, что обозначают буковки LZ в его наименовании. Разводка
выводов этой микросхемы показана на рисунке внизу страницы слева.
Такой стабилизатор выдает небольшой ток, достаточный для работы
измерительной части АЦП КР572ПВ2 (потребляющей около 2 мА).
Основную нагрузку несет положительное напряжение +5 вольт, так
как к нему подключаются светодиодные семисегментные индикаторы,
потребляющие довольно большой ток (порядка 200 мА). Поэтому
LM317LZ
3 2 1
1 - регул. (ADJ)
2 < выход (Vout)
3 - вход (Vin)
светодиодные индикаторы лучше питать
от отдельного адаптера 5-5,5 В, потому
что транзисторы «расщепителя» питания
в таком режиме будут только зря перегре-
ваться, а для светодиодных индикаторов
особо высоких параметров стабилизации
не требуется (главное, не превысить поло-
жительное напряжение питания более
чем 0,5 вольта).
Учтите, согласно правилам монтажа схем, объединяющих малопотре-
бляющую и чувствительную к помехам аналоговую электронику и более
мощные цифровые схемы, соединения «общего» провода цифровой и
аналоговой части производятся в одной точке вблизи входа питания
на плату и далее разводятся по плате отдельными проводниками. Так
ваша схема будет работать значительно стабильнее.
Измерение напряжения с помощью АЦП КР572ПВ2
Необходимые материалы
Микросхема КР572ПВ2 (ICL7107) — 1 шт.
Резистор 390 Ом — 1 шт.
Резистор 100 кОм — 1 шт.
Резистор 3,6 кОм — 1 шт.
Резистор подстроенный многооборотный 1,5 кОм — 1 шт.
Резистор 470 кОм — 2 шт.
Конденсатор 91 пФ — 1 шт.
Конденсатор керамический 1,0 мкФ — 1 шт.
Конденсатор 47 нФ — 2 шт.
Конденсатор керамический 0,22 мкФ — 1 шт.
Семисегментные индикаторы с общим анодом любого цвета,
с высотой цифры 0,5-0,56 дюйма (BL-S56B или аналогичные) —
4 шт.
Стабилизатор двухполярного питания ±5 В — 1 шт.
Сетевой адаптер стабилизированный 5 вольт, 0,5 ампера — 1 шт.
Измеритель напряжения (вольтметр) на основе микросхемы АЦП
КР572ПВ2 (ICL7107) делается по схеме, приведенной на рисунке на
следующей странице. Для удобства сборки расположение многочис-
ленных выводов микросхемы приведено на схеме в том же порядке, в
котором они расположены на настоящей микросхеме, помещенной на
плату выводами вниз. По этой причине выводы управления сегмента-
ми индикаторов идут не в том порядке, в котором они указаны около
самих индикаторов, но разобраться несложно. Внутри квадратика,
обозначающего микросхему, около вывода стоит цифра, которая обо-
значает разряд индикатора (первый — младший), и буква, обознача-
ющая сегмент. Те же самые буквы стоят около изображений разрядов
индикатора, обозначенных цифрами.
Схема кажется сложной из-за большого количества соединений
микросхемы с цифровыми индикаторами, хотя на самом деле она
проще схемы частотомера, который мы изобретали в главе 4. При ука-
занных на схеме параметрах такой измеритель будет преобразовывать
в цифровой вид и отображать на индикаторах входное напряжение
от -2 до +2 вольт (точнее, от 1,999 до +1,999 вольта).
Полностью описывать принцип работы АЦП двойного интегрирования
КР572ПВ2 и расшифровывать, что означают загадочные Синт, Яинт, Сак и
так далее, мы здесь не будем (любопытствующие могут ознакомиться
разряд 4
+5В-«-*>+5В
+5 В-----
___2_
3
*Ц1ИТ
d
A/D
10
11
12
13
14
15
16
17
* 18
.. 19
разр. 4 Ь,с-----
разр. 4 д-™-
4Ь,с
4g Н
вх. F
«г
сг
tst
+Цн1
“Ц)П
Con,
СоПа
общ. а
+</вх
'Цзх
Сак
Rmht
Синт
“ЧпИТ
2g
Зс
За
572ПВ2
(ICL7107) 3g
общ. ц
40
39 R2100 K
38
37
36________
35________
34____
33 =г 1
32________
31________
30________
29 С447н
28 -ВЦ
27 470к
26
25
24
23
22
21
♦5 В
С1 91
1,0 В,
R3
3,6к
IR4
1,5к
4 R5 470K
СЗ
Чвх
1,999... *1,999 В
1ГС5
-5 В 0,22
разр.2д
разряд 3
£
6
£
9
с
Ь
g
d
с
b
f
d
Ь
с этим принципом по книге автора «Занимательная электроника»1). Общая
[7вх
формула для результата преобразования выглядит, как N = 1000 ——.
иоп
В этой формуле N — цифровой код, который отображается на инди-
каторах (без учета знака), Ubx — входное (измеряемое) напряжение,
a Uon — опорное напряжение. Опорным напряжением называется уро-
вень, относительно которого АПЦ производит измерения. Его величина
определяет масштаб результата преобразования. Для микросхемы
КР572ПВ2 опорное напряжение подается на выводы 35-36, и в нашей
схеме оно задается на уровне ровно 1 вольт с помощью делителя
R3-R4. От точности задания опорного напряжения напрямую зависит
точность преобразования, потому в схеме предусмотрен многообо-
ротный переменный резистор R3, с помощью которого можно точно
выставить величину опорного напряжения.
• Подробности для любознательных: опорное напряжение •
: Опорное напряжение — непременный атрибут всех конструкций •
: АЦП. Все способы аналогово-цифрового преобразования в конечном :
: итоге основаны на сравнении измеряемого напряжения с образ- :
• цовым (именно по этой причине в деле оцифровки такую большую •
• роль играют компараторы). Как правило, опорное напряжение •
: устанавливается от отдельного внешнего источника, хотя во :
: многих конструкциях интегральных АЦП бывает предусмотрен :
: внутренний источник опорного напряжения (таковы, например, •
• АЦП в составе микроконтроллеров). Для ответственных изме- •
: рений опорное напряжение задают от специального отдельного :
: стабилизатора, который так и называется — источник опорного :
• напряжения. Такие источники бывают на разные значения напря- •
• жения и отличаются высокой стабильностью и точностью. •
А вот интересно — а что играет роль опорного напряжения в пре-
образователе напряжение-частота типа LM331, который мы приме-
няли в Эксперименте 15? В силу особенностей конструкции, в этой
микросхеме вместо опорного напряжения применяется опорный ток,
который в той нашей схеме (см. схему на странице 150) задавался
резисторами R6 и R7, подключенными к выводу 2. Как видим, и
там не обошлось без опорной величины, задающей масштаб преоб-
разования.
1 Ревич Ю.В. Занимательная электроника. // C-Пб, Изд-во «БХВ-Петербург»,
2009, 2015, 2016.
Измеряемое напряжение поступает на выводы 30 и 31 через цепочку
R5-C3, позволяющую избавиться от возможных помех и наводок на
высокоомный вход преобразователя. Величина сопротивления R5
может быть любой в пределах сотен килоом, вплоть до одного мегаома,
а конденсатора СЗ в пределах 10-100 нанофарад.
В нашем случае отрицательные выводы опорного напряжения (вывод
35) и измеряемого (вывод 30) объединены, подключены к общему про-
воду аналоговой (вывод 32) и цифровой части. Питание микросхемы
(выводы 1 и 26, а также общий провод) подключено к биполярному
источнику ±5 вольт, а питание индикаторов специально обозначено
как +5 Вц, потому они питаются от отдельного адаптера, напряжение
которого может быть в пределах 4,5-5,5 вольта. Не забывайте о пра-
вильном соединении общих проводов этих источников: на принципи-
альной схеме это не видно, но аналоговые «земли» (выводы 30, 32, 35
и «минус» входного напряжения) соединяются с цифровой «землей»
(вывод 21) в одной точке вблизи ввода питания на плату.
Обратите внимание, что здесь (в отличие от Эксперимента 15)
установлены семисегментные индикаторы с общим анодом — то есть
они управляются подключением соответствующего вывода к общему
проводу, а не к питанию. И токоограничивающие резисторы здесь не
требуются — разработчики микросхемы позаботились о том, чтобы
ток на управляющих выводах был ограничен на нужном уровне. И раз-
рядов здесь на один больше, причем у старшего (четвертого) разряда
используется только два сегмента, соответствующие числу 1, и еще
один для знака минус. Кроме этого, у старшего разряда используется
десятичная точка (DP, вывод 5), которая здесь навсегда подключена
к общему проводу.
Для настройки схемы необходимо подавать на ее вход точно уста-
новленное напряжение. Чтобы его получить, можно воспользоваться
приемом, который мы применяли при изучении свойств операционных
усилителей: подключить делитель с потенциометром к источнику
положительного напряжения (R3 и R4 в схеме на странице 159). Для
корректной проверки измерительной схемы вообще-то полагается под-
ключать независимый источник с гарантированно известным напряже-
нием. Но здесь мы можем обойтись потенциометром, подключенным к
напряжениям питания самой микросхемы, при условии, что напряжение
на входе схемы будет контролироваться проверенным мультиметром.
Сначала проверьте ноль показаний, замкнув входные клеммы нако-
ротко. Затем, установив напряжение на входе ровно 1,00 вольта,
с помощью подстроечного резистора R4 добиваемся, чтобы на инди-
каторах также высветилось 1,000 вольта. После этого переключаем
делитель входного напряжения к отрицательному напряжению, уста-
навливаем на входе ровно -1,00 вольта и убеждаемся, что при этом
высвечивается отрицательное значение -1,000 вольта или очень близко
к этой величине. Ошибка может составлять до 2-3 единиц младшего
разряда (показания в пределах - 0,997 + -1,003) — это нормально.
Проверьте также пределы измерения, увеличивая абсолютную вели-
чину напряжения: свыше 1,999 вольта индикаторы должны погаснуть
(или, в случае отрицательного напряжения, останется светиться знак
минус). Если показания совсем не соответствуют входному напряжению
или на индикаторах светится откровенная белиберда, то проверьте
правильность сборки схемы.
Можно ли из этой схемы сделать настоящий мультиметр? Конечно,
но возни при этом предстоит очень много: одно только переключение
пределов измерения в нескольких диапазонах потребует достаточно
много труда и точных расчетов. Поэтому здесь уже говорилось, что
конструировать такой общедоступный прибор, как мультиметр, не
имеет практического смысла: все равно лучше, дешевле и компактнее
вы не сделаете.
А вот измерение по подобной схеме других физических величин может
вполне оказаться целесообразным. Цифровой термометр, например,
у нас может и не получиться компактнее фирменных метеостанций,
но дешевле и точнее при надлежащем старании получится наверняка.
Причем это будет настоящий уличный термометр — с диапазоном от
отрицательных температур до положительных.
Цифровой термометр на АЦП КР572ПВ2
Необходимые материалы
Микросхема КР572ПВ2 (ICL7107) — 1 шт.
Датчик температуры полупроводниковый ТМР36 в корпусе ТО-92
(как транзисторы КТ3102) — 1 шт.
Резистор 390 Ом — 1 шт.
Резистор 100 кОм — 1 шт.
Резистор 3,6 кОм — 1 шт.
Резистор подстроенный многооборотный 1,5 кОм — 1 шт.
Резистор подстроенный многооборотный 910 Ом — 1 шт.
Резистор 910 Ом — 1 шт.
Резистор 3,9 кОм — 2 шт.
Резистор 470 кОм — 1 шт.
Конденсатор 91 пФ — 1 шт.
Конденсатор керамический 1,0 мкФ — 1 шт.
Конденсатор 47 нФ — 2 шт.
Конденсатор керамический 0,22 мкФ — 1 шт.
Семисегментные индикаторы с общим анодом любого цвета,
с высотой цифры 0,5-0,56 дюйма (BL-S56B или аналогичные) —
3 шт.
Плоский светодиод L-1053 под цвет индикаторов — 1 шт.
Стабилизатор двухполярного питания
±5 В — 1 шт.
Сетевой адаптер стабилизированный 5 вольт, 1
0,5 ампера — 1 шт.
Схема цифрового термометра на КР572ПВ2
(см. рисунок на предыдущей странице) в принципе
похожа на схему простого вольтметра, за тем ис-
ключением, что здесь мы не используем четвертый
(старший) разряд — тот, который в схеме вольтме-
тра показывал минус и единицу целых вольт. Но ин-
дикация минуса нам понадобится, потому вместо це-
лого индикатора мы здесь ставим плоский светодиод
(типа L-1053, см. рисунок справа). Все боковые грани у такого светодиода
следует закрасить черным маркером или непрозрачной краской, оставив
только узкую торцевую поверхность, иначе он будет светить в стороны
и изображения минуса не получится.
Теперь надо разобраться с датчиком типа ТМР36 и его хитрой схемой
включения.
• Подробности для любознательных: полупроводниковые дат-
: чики температуры
: Все полупроводниковые датчики температуры в конечном счете
: используют эффект зависимости прямого падения напряжения на
• полупроводниковом р-п-переходе от температуры. Для кремния,
• из которого делают практически все полупроводниковые изделия
: (кроме разве что светоизлучающих и фоточувствительных ком-
: понентов), эта зависимость постоянна и равна -2,3 мВ на градус
• Кельвина. Поэтому в принципе датчиком температуры может
; служить любой диод в прямом включении. Но пользоваться
: «голым» р-п-переходом неудобно, потому что нужно очень точно
• задавать проходящий ток, от которого падение напряжения
• зависит в гораздо большей степени, чем от температуры. Лучше
: употреблять законченные датчики с калиброванной (и положи-
: тельной, а не отрицательной) зависимостью выходного сигнала
• от температуры. Довольно много таких датчиков выпускается
• прямо с готовым цифровым выходом, рассчитанным на считы-
: вание показаний в микроконтроллер. А здесь мы применяем один
: из самых удобных датчиков с аналоговым выходом — ТМР36
: может работать в диапазоне от минус 40 до плюс 125 градусов
• (его родные братья — ТМР35 и ТМР37 работают лишь в поло-
: жительном диапазоне).
• Отметим, что полупроводниковые датчики применяются для
• бытовых целей или в тех технических применениях, где высокая
: точность и стабильность не очень важна. В лучшем случае, если
: их индивидуально калибровать, полупроводниковые датчики
♦ дают значение температуры с точностью до нескольких десятых
: долей градуса. Впрочем, для большинства применений их точ-
: ности достаточно даже без дополнительной калибровки, когда
• они могут выдать ошибку в 2-3 градуса. А вот для цифровых
: термометров, предназначенных для научных лабораторий и других
: ответственных применений, где важны точности в сотые доли
: градуса, используются точные термометры сопротивления. Они
: изготавливаются из химически чистой платиновой или медной
: проволоки, и используют точно известную зависимость сопро-
• тивления этих металлов от температуры.
Датчик ТМР36 может питаться от напряжения от 2,7 до 5,5 вольт (что
делает его совместимым с огромным большинством цифровых микро-
схем), и при этом выдает стабильное напряжение на выходе, которое
меняется с температурой с коэффициентом 10 милливольт на каждый
градус изменения температуры. При этом весь диапазон напряжений
на выходе у этого датчика смещен в отрицательную сторону ровно на
500 мВ. То есть ноль напряжения у него соответствует, как нетрудно
подсчитать, минус 50 градусам. Итого получается, что милливольты
на выходе датчика соответствуют десятым долям градуса, при этом
при нуле Цельсия на выходе будет ровно 0,5 вольта, а при плюс
100 °C — ровно 1 вольт.
В итоге подгонять шкалу нашего измерителя к этим величинам ока-
зывается очень просто: датчик можно просто подключить к обычному
вольтметру, и число демонстрируемых милливольт будет равно числу
десятых градуса. Разумеется, за вычетом числа 500, соответствующего
нулю градусов. Осталось придумать, как вычесть эту величину и при
этом отобразить ее в отрицательную область.
Но сначала давайте подумаем, что можно сделать, чтобы прибор
показывал все-таки истинные градусы, а не ту самую «погоду на
Марсе». Разумеется, как и все без исключения полупроводниковые
компоненты, датчики ТМР36 имеют заводской разброс параметров.
Документация утверждает, что этот разброс может составить до ±3 °C
при 25 градусах и до ±4 °C во всем диапазоне температур. Неприятно
ведь, когда за окном лужи замерзли, а термометр упорно твердит, что
температура +3 градуса, правда?
• В этом вопросе мы и можем переплюнуть фирменные метео- '\
: станции, в которых стоят такие же полупроводниковые датчики •
: (все они, независимо от выходного сигнала, могут иметь разброс :
: показаний в 2-3 градуса). Это происходит потому, что в массовом :
• производстве индивидуальная калибровка невозможна, и средства •
• для точной подстройки показаний имеют только самые дорогие •
: приборы профессионального назначения. А нам ничего не стоит :
: предусмотреть пару регулировочных потенциометров, и потом :
• точно настроить прибор по проверенному термометру. :
Причем нам придется иметь сразу две подстройки — крутизны
преобразования (те самые 10 мВ на градус, которые тоже могут
иметь свои неточности) и уровня показаний в нуле градусов. Первая
подстройка у нас уже есть: это потенциометр R4, который без изме-
нений перекочевал сюда из схемы вольтметра. Для того же, чтобы
вычесть из величины выходного напряжения 0,5 вольта и при этом
иметь возможность точной подстройки, служит цепочка резисторов
R5-R8. Она формирует питание датчика на уровне около 4,5 вольт,
причем сдвинутое относительно уровня аналоговой «земли» (выводы
30,32 и 35) на 0,5 вольта в отрицательную область. Потенциометром
R7 этот сдвиг можно подстроить точно под конкретный экземпляр
датчика.
Таким образом, нулю температуры будет соответствовать ноль
напряжения, минус 40 градусам (это нижний предел работы датчика
ТМР36) — минус 400 милливольт. Верхний предел работы датчика
составляет 125 °C, чему будет соответствовать 1250 милливольт на
выходе (наш прибор покажет только до 999 миливольт). Чтобы прибор
показывал именно температуру, а не милливольты, десятичная раз-
делительная точка DP перенесена во второй знаковый разряд.
Нумерация выводов датчика ТМР36 такая же, как у транзистора или
стабилизатора LM-317 в таком же корпусе (корпус называется ТО-92,
нумерацию выводов см., например, рисунок на странице 186).
Несколько слов о том, как все это оформить конструктивно. Если вы
хотите, чтобы прибор показывал температуру на улице, датчик при-
дется вынести на значительное расстояние — не менее нескольких
метров. Проще всего для этого приобрести несколько метров плоского
цветного кабеля-шлейфа (см. рисунок на следующей странице слева)
и аккуратно отделить от него три жилы. Можно взять, конечно, и
обычный шлейф серого цвета, но цветной легче монтировать, чтобы
не перепутать жилы. Такой кабель-шлейф имеет достаточно прочную
изоляцию и одновременно небольшую толщину — его можно просто
прижать оконной рамой, чтобы вынести датчик на улицу.
кольцо для
крепления
плоский
кабель
эпоксидная
трубка
датчик
ГТМР36
Микросхему датчика необходимо устано-
вить в корпус — готового датчика такого
рода, способного вынести пребывание
на улице, вы, к сожалению, не найдете.
Именно поэтому рекомендуется ТМР36
приобретать в корпусе ТО-92 — датчик еще
бывает в плоских корпусах, но их изоли-
ровать от окружающей среды значительно
сложнее. К выводам датчика припаиваются
провода и изолируются каждый по отдель-
ности термоусадочной трубкой. Затем все пластилин
вместе помещается в отрезок пластиковой
или металлической трубки подходящего размера так, чтобы корпус
датчика выступал наружу. Выступающий корпус ТМР36 облепляется
пластилином, чтобы закрыть отверстие, и трубка с другого конца
заливается эпоксидной смолой (рисунок вверху справа). Сверху (со
стороны проводов) можно вставить колечко для крепления, в каче-
стве которого удобно использовать кольцевую клемму, откушенную
от какого-нибудь старого провода (как на рисунке). Можно просто
согнуть колечко из проволоки, оставив концы, которые будут удер-
живаться в смоле. Остатки пластилина потом удаляются бензином.
Вместо эпоксидной смолы можно применить специальный электро-
изоляционный силиконовый герметик (только, конечно, не тот, что
для строительных или сантехнических работ).
Готовый датчик закрепляют снаружи так, чтобы он не касался '•
никаких предметов. При этом нужно стараться разместить его в :
таком месте, чтобы на него не попадали прямые солнечные лучи. :
Температуру воздуха можно измерять только в тени: «температуры •
на солнце» не бывает! Если вы в этом сомневаетесь, то проделайте •
такой опыт: зимой в солнечный морозный безветренный день :
повесьте обычный термометр на солнце. Скорее всего, он покажет
отрицательную температуру. Теперь заверните его кончик в черную
ткань или бумагу — когда бумага прогреется, температура резко
возрастет и может перекочевать далеко в положительную область.
Если при этом начать обдувать обертку воздухом, то она снова
снизится. То есть на солнце термометр показывает собственную
температуру, которая зависит от очень многих факторов, и тем-
пература воздуха только один из них.
Солнечные лучи тоже только один из факторов, которые могут
привести к ошибкам в измерении температуры воздуха. Не стоит
помещать наш датчик под навес, где будет скапливаться теплый
воздух, или вблизи стены, которая греется солнечными лучами
недалеко от датчика. В общем, рассмотрев все варианты с этой
точки зрения, вы придете к правильному выводу о том, что наружная
сторона окна в доме — не лучшее место для размещения каких-либо
датчиков. Правильное место предо-
ставляет отдельно стоящая метео-
рологическая будка: специальная
конструкция именно для таких целей
(пример такой будки представлен на
рисунке справа). У нас такой будки
нет, и ставить ее нам некуда, так что
в конце концов придется смириться с
тем, что в период суток, когда солнце
светит в окно, датчик будет показы-
вать ту самую «погоду на Марсе». Но
помнить об этой ошибке необходимо:
учет подобных факторов убережет вас
от многих неприятностей, связанных
с измерениями, и далеко не только
температуры.
Приложение 1.
Международная цветная
маркировка резисторов
Цифра 1 и2 Цвет Множитель (цифра 3)
Серебряный 0,01 Ом
Золотой 0,1 Ом
"nlflp ll" 0 Черный 1 Ом
V2‘,Y 4 1 Коричневый 10 Ом
2 Красный 100 Ом
3 Оранжевый 1 К
4 Желтый ЮК
5 Зеленый 100 К
1 — пАппяа ныгНпя 9 — ятлпяа
цифра, 3 - множитель, 4 - до- 6 Голубой 1 м
пуск (золотой — 5%, серебря- 7 Фиолетовый ЮМ
ный —10%, отсутствует — 20%). 8 Серый
9 Белый
Примеры:
—желто-фиолетово-коричнево- золотой — резистор 470 Ом
с допуском 5%
красно-желто-оранжево-серебряный — резистор 24 кОм
с допуском 10%
Таблица значений сопротивлений резисторов
и емкости конденсаторов с допуском 5%, 10%
(выделен красным и жирным) и 20% (выделен красным)
10 16 27 43 68
11 18 30 47 75
12 20 33 51 82
13 22 36 56 91
15 24 39 62
Приложение 2. Самодельные
источники питания
Для электронных схем, приведенных в этой книге, используются
готовые источники питания. Для первых, самых простых экспериментов
в главе 1 это были батарейки, установленные в специальные гнезда-
держатели. В таких гнездах соединения между полюсами отдельных
батареек уже сделаны, так что результирующее напряжение всегда
равно сумме напряжений отдельных элементов.
Следует знать, что официально батарейка называется «электрохими-
ческим элементом». В нашем случае это элементы так называемого
щелочного типа (по-английски alkaline), у которых номинальное
напряжение равно 1,5 вольта. Слово «номинальное» в данном случае
означает «такое, какое должно быть», «характерное для данного типа»
(такой же смысл несет выражение «номинальное сопротивление» при-
менительно к резисторам). Почему же применительно к батарейкам
говорят про номинальное напряжение, а не просто про напряжение?
Потому что по мере истощения запаса энергии (а также просто со
временем при хранении) напряжение, которое может выдать электро-
химический элемент, падает, и довольно сильно.
В случае щелочных элементов, как у нас, начальное напряжение
свежей батарейки будет равно 1,62 вольта, а затем быстро снижается.
Основное время работы батарейка будет выдавать напряжение 1,3-1,5
вольта. Конечное напряжение (когда запас энергии почти подошел
к концу) зависит от условий работы, но для нашего случая можно
считать его равным примерно 1,1-1,2 вольта.
То есть у блока из трех батареек, такого, какой мы применяли в
первых опытах в главе 1, начальное напряжение будет около 4,8 вольта,
а в конце работы снизится на целых полтора вольта (или почти на
полтора вольта) и составит примерно 3,3-3,6 вольта. Есть схемы, для
которых такое большое снижение напряжения питания недопустимо:
к ним, в частности, относятся все измерительные аналоговые схемы,
которые мы разбирали в главе 5.
Чуть позже мы подумаем, как быть в случае батареек, а пока пого-
ворим про сетевые адаптеры, которые мы применяли в большинстве
случаев. Для большинства схем указано напряжение 7-12 вольт (то
есть можно применять любое в этом интервале), но иногда указано
ровно 9, 12 или, наоборот, меньшее напряжение, равное 5 вольтам.
Как быть — запасаться адаптерами на все случаи жизни? Разуме-
ется, в продаже есть адаптеры с переключаемым напряжением, но
они крайне примитивны по устройству и, как мы говорили, выдают
нестабилизированное напряжение, которое может «гулять» в очень
широких пределах.
Во всех этих случаях — и когда надо добиться стабильного и неиз-
менного напряжения от батареек, и когда адаптера с нужным напря-
жением нет под рукой — помогут описываемые в этом приложении
несколько простых конструкций самодельных источников питания.
Конечно, нет никакой необходимости их проектировать и изготавливать
«с нуля» — то есть начиная с трансформатора сетевого напряжения.
С сетевым напряжением 220 вольт, как мы уже договаривались, мы
дела вообще не имеем — для безопасного обращения с ним нужна
квалификация повыше нашей. Но сначала все-таки покажем, как можно
получить постоянное напряжение (пока еще нестабилизированное) из
низковольтного переменного и как правильно рассчитать компоненты
такого источника питания.
Получаем постоянное напряжение из переменного:
выпрямитель со сглаживающим фильтром
Необходимые материалы
Сетевой адаптер переменного тока — 1 шт.
Мост выпрямительный диодный DB102 (или аналогичный) —
1 шт.
Конденсатор электролитический 1000 мкФ, 25 В — 1 шт.
Исходное переменное напряжение для
выпрямителя мы возьмем, разумеется,
от готового сетевого адаптера. В перечне
необходимых материалов намеренно не
указано его номинальное напряжение:
оно определяется значением постоян-
ного, которое нам необходимо получить
на выходе. Кроме адаптера, необходим
выпрямительный диодный мостик (см.
рисунок справа) — это главный элемент
схемы, с помощью которого из перемен-
ного напряжения получается постоянное.
Выпрямительных мостов имеется огромное разнообразие типов.
По форме они бывают прямоугольные (как на рисунке) и круглые, с
ножками по всем четырем углам или по одной стороне и так далее.
Конечно, в нашем случае удобно применять мост в привычном DIP-
корпусе, который становится в центральный ряд макетной платы на
место микросхем. Выбранный мост DB102 имеет предельное рабочее
напряжение до 100 вольт и может пропустить через себя ток до
1 ампера, потому он годится для большинства целей этой книги. Если
искать ему замену, то не следует выбирать мосты с высоким допу-
стимым напряжением, более 200-300 вольт: они могут иметь большое
собственное падение напряжения и, следовательно, расходовать энергию
впустую на собственный нагрев. Нужно также смотреть, чтобы прямо
на корпусе моста напротив выводов были нанесены обозначения, куда
подключается входное переменное напряжение и откуда снимается
плюс и минус выходного постоянного (см. эти обозначения на фото
моста DB102).
Внутри диодный мост состоит просто из четырех
диодов, соединенных, как показано на рисунке
справа. Обратите внимание, к каким точкам моста Яг
подключены выводы входа переменного напря- уР-
жения и откуда снимается плюс и минус выходного
напряжения. Если готового диодного моста под _
рукой нет, его всегда можно сделать самостоя-
тельно по этой схеме, соединив четыре диода с
подходящими характеристиками (например, 1N4001).
И третий непременный элемент таких схем — фильтрующий
(сглаживающий) электролитический конденсатор большой емкости.
Величина емкости зависит от максимального тока, на который рас-
считывается наш источник, и определяется по приблизительному
соотношению 1000-2200 микрофарад на каждый ампер выходного
тока. Меньшая величина характерна для случая, когда после нашего
выпрямителя предусматривается установка стабилизатора напря-
жения, большая — когда выпрямитель непосредственно питает
нагрузку.
Впрочем, иногда нагрузка допускает (или больше того: требует)
напряжения выпрямленного, но не сглаженного — тогда, разуме-
ется, фильтрующий конденсатор не устанавливается вовсе. Есть
нагрузки, которые нетребовательны к качеству напряжения — для
них можно применять выпрямители с фильтром, но без стабилизации
(см., например, термостат для аквариума, который мы конструиро-
вали в Эксперименте 17).
: Подробности для любознательных:
• как рассчитать напряжение после
• выпрямителя?
: Вид диаграмм напряжения в разных
: точках выпрямителя показан на рисунке
справа. Верхняя диаграмма представ-
: ляет исходное переменное напряжение
: после трансформатора. Переменное
напряжение имеет две характерных
: величины: амплитудное значение (на
диаграмме называется 1Га) — это мак-
симальное значение напряжения за
период, и действующее значение (17д) — среднее за период, то, :
: которое покажет мультиметр, подключенный в режиме измерения •
: переменного напряжения. Действующее значение в корень из двух :
. (то есть примерно в 1,4 раза) меньше, чем амплитудное. Именно :
• действующее значение указывается в качестве величины пере- ;
• менного напряжения, и его необходимо использовать в расчетах. •
: Например, напряжение бытовой сети 220 вольт — это тоже дей- :
: ствующее значение, амплитудное значение напряжения в бытовой :
• сети 220 вольт равно приблизительно 310 вольт. Как мы видим, за •
: полный период изменения переменного напряжения оно изменяется •
: от положительного к отрицательному амплитудному значению, :
: потому оно и называется переменным. Полный период бытового :
• напряжения Т, после которого оно повторяет свою форму, как •
: видно из диаграммы, равен 20 миллисекундам, что соответствует •
: частоте бытовой сети F = 1/Т = 50 герц. :
: Ниже показана форма напряжения после диодного моста при :
• условии, что фильтрующий конденсатор отсутствует. Такое •
• несглаженное напряжение на выходе выпрямителя без конденса- :
тора-фильтра имеет вид периодических пульсаций (с удвоенной
частотой питающей сети, то есть 100 Гц), потому так и называется
пульсирующим. Выпрямитель (диодный мост) работает в обоих
половинах периода переменного напряжения, как бы отображая
отрицательную половину в положительную сторону. Такой выпря-
митель называется двухполупериодным. Если вместо диодного моста
поставить один диод (как мы это делали в гирлянде с плавным
переключением цветов, см. схему на странице 124), то получим
однополупериодный выпрямитель: у него такая же диаграмма, но
отсутствует каждый второй полупериод напряжения — отрица-
тельная часть исходного переменного напряжения как бы просто
отрезается.
Отметим, что действующее значение напряжения на выходе
двухполупериодного напряжения равно действующему значению
исходного переменного напряжения (только оно будет однопо-
лярным, а не менять знак каждый период). Но это будет уже не
так, если подключить фильтрующий конденсатор. Через диодный
мост фильтрующий конденсатор все время подзаряжается до
амплитудного значения, потому на выходе выпрямителя с фильтром
при отсутствии нагрузки будет напряжение, равное амплитудному
значению. Оно представляет собой ровную линию.
Под нагрузкой все это опять меняется: в промежутках между
пиками исходного напряжения конденсатор будет разряжаться
током нагрузки и тут же опять подзаряжаться заново. Потому
напряжение на выходе выпрямителя будет иметь такую форму,
как показано на нижней диаграмме, — оно опять станет пульсиру-
ющим, но гораздо в меньшей степени, чем исходное. Измеренное
значение напряжения будет ниже, чем амплитудное значение, но
выше, чем действующее у исходного напряжения. Кстати, чтобы
получить гарантированное значение напряжения, измеренную
среднюю величину выпрямленного напряжения нужно еще умень-
шить примерно на 0,5-1 вольт, так как провалы пульсаций могут
достигать этой величины.
Чем больше емкость конденсатора, тем ниже пульсации, но суще-
ствует некоторый предел, выше которого дальнейшее увеличение
емкости бессмысленно — без стабилизатора ровную линию строго
постоянного напряжения на выходе такого источника можно
наблюдать только без какой-либо нагрузки. Как только вы подклю-
чаете что-то потребляющее ток, напряжение немного снижается
и начинает пульсировать. Поэтому при необходимости получить
качественное напряжение без пульсаций такую схему обязательно
дополняют стабилизатором напряжения.
Чему же равно измеренное значение постоянного выпрямленного
напряжения UB после фильтра? Приблизительная формула для его
расчета выглядит так: UB = 1,4*U - Д(7, где ид — значение (дей-
ствующее) исходного переменного напряжения; ДУ — величина,
которая зависит падения напряжения на диодах моста (—1,5-2
вольта) и пульсаций (около 1-2 вольт). То есть величину выпрям-
ленного напряжения можно принимать равной амплитудному
значению исходного напряжения, за вычетом от 2,5 до 4 вольт, в
зависимости от нагрузки. При расчетах выпрямителей для малопо-
требляющей нагрузки (вроде наших электронных схем) вычитают
2,5-3 вольта, при расчетах силовых выпрямителей — не менее 4.
Здесь важно усвоить, что выходное напряжение не связано про-
стой пропорциональной зависимостью со входным напряжением
переменного тока: в принципе оно больше входного, но при малых
значениях может быть даже несколько меньше. Например, входное
переменное напряжение 5 вольт имеет амплитудное значение
около 7 вольт, но при большой нагрузке выходное напряжение
может быть меньше этой величины на 3-4 вольта, то есть полу-
чаем выпрямленное напряжение также около 3-4 вольт. Как вы
видите, выпрямители требуют довольно тонкого расчета, поэтому
лучше задаваться заведомо большей величиной, чтобы не про-
махнуться, хотя это и снижает коэффициент полезного действия
простых стабилизаторов.
Для вычисления необходимого входного напряжения нестабилизирован-
ного выпрямителя на практике достаточно запомнить несколько цифр.
Нам в дальнейшем потребуются нестабилизированные напряжения 7,5-8
вольт для 5-вольтового стабилизатора, 12-13 вольт для 9-вольтового
и 15-16 вольт для 12-вольтового. Для первого значения нужно при-
мерно такое же переменное напряжение — 7,5-8 вольт, для значения
12-13 вольт — 11 вольт переменного, для значения 15-16 вольт —
13 вольт переменного. Готовых адаптеров ровно на такие напряже-
ния может не найтись в продаже, тогда приходится выбирать самое
близкое большее значение.
Можно сделать и один универсальный выпрямитель на все случаи
жизни, задавшись напряжением на выходе, например, 16 вольт. Такой
источник получается, если взять для нашего выпрямителя адаптер
14 вольт переменного тока. Из него можно получить все необходимые
стабилизированные напряжения, хотя, как сейчас увидим, и придется
попотеть с конструкцией.
Простейший стабилизатор с фиксированным
напряжением
Необходимые материалы
Сетевой адаптер постоянного тока, нестабилизированный —
1 шт.
Стабилизатор напряжения LM7805, LM7809 или LM7812 — 1 шт.
Конденсатор электролитический 100 мкФ, 25 В — 2 шт.
Схема самого простого стабилизатора напряжения приведена на
рисунке ниже. Она состоит всего из трех компонентов и настолько
проста, что можно даже не рисовать монтажную схему. Левый по
схеме конденсатор (тот, который стоит параллельно входу) можно
заменить на керамический емкостью 0,33-1,0 микрофарады, осо-
бенно если стабилизатор подключен непосредственно к выходу
самодельного выпрямителя, подобного тому, что мы разбирали
в предыдущем разделе. Выходной конденсатор (на схеме справа)
также можно заменить на керамический емкостью от 0,1 до 1,0
микрофарады — смотря какие конденсаторы есть под рукой. Вовсе
без конденсаторов стабилизаторы подключать не рекомендуется.
Овх
+7,5-35 В
1/вых
Мы нарисовали схему, которая дает на выходе ровно 5 вольт ста-
билизированного напряжения. Чтобы получить другие значения Ивых,
надо просто взять соответствующий стабилизатор: для 9 вольт это
LM7809, для 12 — LM7812. В самой схеме ничего не изменится. Для
небольших токов потребления (до 100 миллиампер) можно взять
малогабаритный стабилизатор с буковкой «L» в названии: LM78L05,
LM78L09, LM78L12 (они выпускаются в корпусах ТО-92, таких же,
как маломощные транзисторы). Более мощные стабилизаторы (без
буквы L в названии) могут выдать ток до 1,2-2,1 ампера, в зависи-
мости от напряжения стабилизации. Разводка выводов тех и других
типов стабилизаторов приведена на рисунке наверху следующей
страницы.
о
вход
общий
ВЫХОД I Ц вход
общий
Теперь поговорим о входном напряжении UBX, от которого в значи-
тельной степени зависит конструктивное оформление стабилизатора.
Почему на схеме указано такое большое входное напряжение — аж
до 35 вольт? Ранее мы говорили, что входное напряжение должно пре-
вышать выходное на 2,5-4 вольта. В реальности дело обстоит таким
образом: все стабилизаторы типа 78 допускают входное напряжение
до 35 вольт. Но это не значит, что надо этим злоупотреблять. Счи-
тайте: у пятивольтового стабилизатора с маломощной микросхемой
78L05 при входном напряжении 35 вольт разница между входом и
выходом составит 30 вольт. Если нагрузка потребляет максимальный
для этой микросхемы ток 0,1 ампера, то на микросхеме будет выде-
ляться 30*0,1 = 3 ватта! Микросхема не сгорит только потому, что
ее разработчики предусмотрели такую ситуацию: при превышении
безопасной температуры корпуса все стабилизаторы серии 78 просто
отключают выход (и опять его включают, когда температура снизится).
В чем тоже нет ничего хорошего: наша схема вдруг по «необъяснимым»
причинам перестанет работать, а потом опять включится, как ни в
чем ни бывало.
Чтобы этого не случалось, нужно тщательно проработать ситуацию
со входным напряжением. Минимально необходимый для работы
микросхем серии 78 перепад между входом и выходом составляет
около 2 вольт (он немного меняется в зависимости от напряжения
стабилизации). Потому и входное напряжение должно никогда не
опускаться ниже величины 7 вольт для 5-вольтового, 11 вольт —
для 9-вольтового и 14 вольт — для 12-вольтового стабилизаторов.
С некоторым запасом (напряжение непосредственно с выпрямителя,
как мы помним, пульсирует) входное напряжение и будет состав-
лять указанные в предыдущем разделе величины 7,5-8, 12-13 и 15-
16 вольт — соответственно.
Маломощный стабилизатор на микросхемах с буквой «L» в названии
при таких входных напряжениях не перегреется никогда. Но того же не
скажешь про мощные стабилизаторы, допускающие ток до 1-2 ампер.
Например, при 8 вольтах на входе пятивольтовый стабилизатор при
допустимом для него токе 2 ампера будет
рассеивать (8-5) *2 = 6 ватт тепловой
мощности. Это приведет к такому же
эффекту, как описан ранее: микросхема
при перегреве просто отключит выход.
Резюме: если вы проектируете мало-
мощный источник питания для схем без
больших нагрузок, то при условии, что
входное напряжение не слишком превы-
шает минимально необходимое, можно
не задумываться о тепловых перегрузках.
Повторим эти минимально необходимые
величины входного напряжения: 7,5-8,
12-13 и 15-16 вольт соответственно для
5-вольтового, 9-вольтового и 12-вольто-
вого стабилизаторов.
В случае же мощного источника для схем, потребляющих ток от поло-
вины ампера и более, микросхему стабилизатора необходимо ставить
на теплоотводящий радиатор. Примеры таких радиаторов, имеющихся
в продаже, приведены на рисунке выше. Расчет необходимой величины
радиатора в зависимости от мощности, даже ориентировочный, —
слишком сложная наука, чтобы имело смысл приводить его здесь. Если
очень надо, то можно ориентироваться на эмпирическую величину
около 10 кв. сантиметров на каждый ватт рассеиваемой мощности.
Но проще исходить из народной мудрости «запас карман не тянет».
Микросхема в корпусе ТО-220 крепится к радиатору винтиком 3 мм с
подложенной шайбой так, чтобы контакт основания корпуса с поверх-
ностью радиатора был максимальным (см. рисунок внизу страницы).
Основание перед этим обязательно смазывают специальной теплопро-
водящей пастой (она продается отдельно или встречается в комплекте
с радиаторами для компьютерных процессоров). Надо учитывать, что
с металлическим основанием корпуса типа ТО-220 электрически всегда
связан средний вывод транзистора или микросхемы, то есть в данном
случае «общий» вывод схемы. Потому радиатор не должен касаться
других деталей и токоведущих проводников в схеме.
Подробности для любознательных: а почему нам вообще тре-
буется радиатор?
Вы, несомненно, обратили внимание, что покупные стабилизиро-
ванные адаптеры спокойно выдают ток до 1-2 ампер и более, при
этом в таких габаритах, что установка каких-либо радиаторов там
исключена. Почему же мы вынуждены загромождать схему круп-
ногабаритными греющимися деталями, а заводские конструкции
спокойно без них обходятся? Ответ очень простой: линейные
стабилизаторы, которыми мы здесь применяли, очень просты
в использовании, но крайне неэкономичны. Отсюда и радиаторы,
впустую рассеивающие существенную часть подводимой мощ-
ности. А готовые конструкции используют совсем другой принцип
регулирования: импульсный, при котором энергия от входного
источника добавляется на выход маленькими порциями, притом
ровно столько, сколько нужно, чтобы обеспечить потребляемый
нагрузкой ток при номинальном напряжении. Потери при этом
минимальны: у правильно спроектированного импульсного источ-
ника они составляют единицы процентов, и чем больше мощность
адаптера, тем эти потери в относительном исчислении меньше.
Ценой за такое усовершенствование служит резкое усложнение
схемы, которая включает уже не пару-тройку компонентов, а пару
десятков, среди которых есть очень трудоемкие в изготовлении,
например импульсный трансформатор. Лучше и не думать о том,
чтобы воспроизвести такую схему самостоятельно «на коленке»:
одна только настройка займет кучу времени, и все равно столь же
миниатюрных адаптеров вы не сконструируете при всем желании.
Недаром даже известная микроконтроллерная платформа Arduino
в своих платах также применяет обычные линейные стабилиза-
торы, правда, более современные, чем старинная серия 78.
В дополнение нужно сказать, что аналогичные стабилизаторы име-
ются на отрицательное напряжение, только их название содержит
цифру 79 (вместо цифры 78). Подключаются они точно так же, как
обычные положительные, только все полярности в схеме нужно по-
менять на обратные.
Регулируемый лабораторный источник питания
Необходимые материалы
Сетевой адаптер постоянного тока, нестабилизированный,
16 В — 1 шт.
Стабилизатор напряжения LM311 в корпусе ТО-220 — 1 шт.
Светодиод любого цвета 5 мм — 1 шт.
Резистор 2,0 кОм — 1 шт
Резистор 220 Ом — 1 шт.
Резистор 300 Ом — 1 шт.
Резистор переменный 1,8 кОм — 1 шт
Конденсатор керамический 1,0 мкФ — 1 шт.
Конденсатор электролитический 100 мкФ, 25 В — 1 шт.
Вольтметр-амперметр встраиваемый SVAL0013PW-100V-I10A —
1 шт.
Радиатор для LM311 площадью 200 кв. см — 1 шт.
Теплопроводящая паста
По сути дела, регулируемый источник питания мы уже проектировали
в главе 5, когда нам необходимо было получить двухполярное питание
±5 вольт из однополярного (см. схему на странице 186). Там задача
стояла в получении напряжения ровно 10 вольт из нестабилизирован-
ного входного. Теперь на основе той же самой микросхемы LM317 мы
попробуем сделать регулируемый универсальный источник питания,
который мог бы выдавать любые напряжения от 3 до 12 вольт.
।------ Схема такого источника, рассчитанного на
О выходные напряжения от 3 до 12 вольт, пока-
зана на рисунке в конце предыдущей страницы.
В главе 5 мы применяли LM-317 в миниатюрном
корпусе ТО-92, а здесь лучше сразу применить
мощную версию микросхемы в знакомом нам
корпусе ТО-220. Разводка выводов LM-317
1 г 1Г 1Г в таком корпусе показана на рисунке слева.
регул. пход При указанных на схеме величинах сопротив-
выход лений выходное напряжение можно регулировать
от 3 до 12 вольт. Стабилизатор LM317 в корпусе
ТО-220 позволяет получать ток до 1,5 ампера,
но, конечно, при этом его необходимо ставить на теплоотводящий
радиатор — при установленном напряжении на выходе, например,
5 вольт и входном напряжении 16 вольт, при нагрузке в 1 ампер, на
микросхеме будет выделяться (16-5) *1 = 11 ватт тепла. Потому лучше
сразу его установить на достаточно солидный радиатор площадью не
менее 150-200 квадратных сантиметров.
Такой источник имеет смысл смонтировать в отдельном корпусе.
При монтаже надо учитывать простые правила: при расположении
выходных клемм положительный вывод размещается вверху (при
вертикальном размещении) или справа (при горизонтальном разме-
щении). Переменный резистор необходимо распаять таким образом,
чтобы напряжение на выходе увеличивалось при повороте по часовой
стрелке. Эти общепринятые правила позволяют избежать множества
ошибок при подключении схем к такому источнику.
Светодиод L1 сигнализирует о том, что источник включен. А как мы
узнаем, какое напряжение установлено? Не подключать же каждый
раз мультиметр, правда? Конечно, можно просто нанести напротив
ручки переменного сопротивления штрихи с надписями, соответ-
ствующими напряжению на выходе. Но такая нарисованная шкала
неизбежно будет неточной и для серьезных применений не годится.
Поэтому лучше снабдить источник настоящим вольтметром, а заодно
и амперметром, который бы показывал потребляемый нагрузкой ток.
Эту проблему решают готовые встраиваемые вольтметры-амперметры,
которые имеются в продаже. Слово «встраиваемые» означает, что
они не имеют собственного корпуса и предназначены для установки
в какую-то конструкцию.
На рисунке наверху следующей страницы показан внешний вид недо-
рогого встраиваемого вольтметра-амперметра типа SVAL0013PW-100V-
I10A. Он может измерять напряжение до 100 вольт и ток до 10 ампер,
так что с лихвой перекрывает наши нужды. Схема подключения его
к выходу нашего стабилизатора показана на рисунке справа. На задней
панели этого прибора имеются пронумерованные клеммы «под винт»,
так что подключать его очень просто. Как видите, прибор подключается
в разрыв «минусового» проводника — это необходимо для обеспечения
измерения тока. Вывод 1 — это вывод питания самого прибора, он
подключается ко входному напряжению всей схемы стабилизатора.
• Стабилизатор с установкой выходного напряжения можно еде- •
: лать значительно удобнее в пользовании, если вместо перемен- :
: ного резистора установить многопозиционный переключатель с :
• фиксированными значениями выходного напряжения, например •
: 3, 3,3, 4, 4,5, 5, 6, 7,5, 9 и 12 вольт. Сложность состоит в том, •
: чтобы правильно подобрать значения резисторов для каждого :
: положения переключателя. В качестве самостоятельного задания :
: попробуйте начертить схему преобразователя с таким переклю- •
• чателем, и рассчитать нужные значения резисторов. В этом вам •
: поможет общая формула для вычисления выходного напряжения :
: стабилизатора LM317: ивых = 1,25+1,250^+1^/1^ (обозначения :
• резисторов — по приведенной схеме). •
• •
Установив два таких регулируемых стабилизатора, питающихся от
разных нестабилизированных источников питания, в одном корпусе
и соединив отключаемой перемычкой минус одного с плюсом второ-
го, вы получите универсальный сдвоенный лабораторный источник.
У него напряжения по разным каналам можно будет регулировать
независимо друг от друга и по необходимости использовать его в
качестве двух однополярных источников с разными напряжениями
или одного двухполярного.
Приложение 3. Соответствие
названий некоторых
зарубежных и отечественных
цифровых микросхем
В табл. П3.1 приведены основные микросхемы «классической» КМОП-
серии, их отечественные аналоги, полные или функциональные ана-
логи из серии 74, включающей в себя быстродействующие КМОП-
микросхемы (с буквой С в наименовании). Следует отметить, что
всего в серии 74 представлено около полутора десятков различных
технологий, но одинаковые по функциональности микросхемы в раз-
личных сериях называются одинаково. Кроме приведенных в таблице,
и 4000-я серия, и, тем более, разновидности 74-й включают в себя еще
очень много типов микросхем, здесь приведены только те, которые
имеют аналоги в отечественных «классических» сериях К561 и КР1561
(за исключением ряда микросхем, выполняющих арифметические
функции, ввиду потери ими актуальности).
Напомним, что серия 4000, как и отечественные К561/КР1561, имеют
допустимые пределы напряжения питания от 3 до 15 (иногда до 18)
вольт. В книге указана только 561-я, но это сделано лишь для сокращения,
и ее без оговорок можно заменять на КР1561, имеющую большее
быстродействие и по ряду других параметров лучшие характеристики,
чем более традиционная К561. Серии 74хх, за редким исключением,
допускают питание в гораздо более узком диапазоне: от 2 до 6 (иногда
до 7) вольт. В любом случае перед применением того или иного варианта
необходимо обязательно справиться с технической документацией,
иначе легко ошибиться, попав на редко встречающееся исключение.
CD4xxx — наименование серии 4000, принятое в фирме Fairchild
Semiconductor, МС14ххх — в фирме Motorola. У других фирм могут
быть свои префиксы, например: SN4xxx — у Texas Instruments, НСС
или HCF — у фирмы ST Microelectronics, HEF — у Philips и NXP. Микро-
схемы серии 74НС Texas Instruments выпускает также с префиксом SN,
Fairchild — с префиксом ММ, остальные с префиксом М или вовсе без
префикса. Эти правила действуют не всегда, — так, имеются микро-
схемы с префиксом CD, но производства не Fairchild, а других фирм
(например, Texas Instruments или Philips). Отечественное НПО «Инте-
грал» выпускает лицензионные микросхемы 74-й серии с префиксом
IN. Сами обозначения микросхем в серии остаются одинаковыми
независимо от префикса.
Таблица П3.1. КМОП-микросхемы,
их аналоги и функции
4000 КМОП (К561, КР1561) 74хх Функции (цифра обозначает число входов элемента)
CD4000 ЛП4 - Два элемента «ЗИЛИ-НЕ» и один элемент «НЕ»
CD4001 ЛЕ5 02 Четыре логических элемента «2ИЛИ-НЕ»
CD4002 ЛЕ6 25 Два логических элемента «4ИЛИ-НЕ»
CD4008 ИМ1 4-разрядный сумматор
CD4011 ЛА7 00 Четыре логических элемента «2И-НЕ»
CD4012 ЛА8 20 Два логических элемента «4И-НЕ»
CD4013 ТМ2 74 Два D-триггера (динамических)
CD4015 ИР2 Два 4-разрядных сдвигающих регистра
CD4017 ИЕ8 - Счетчик-делитель на 10
CD4018 ИЕ19 - 5-разрядный счетчик с предустановкой
CD4019 ЛС2 - Четыре логических элемента «И-ИЛИ»
CD4020 ИЕ16 - 14-разрядный двоичный счетчик
CD4022 ИЕ9 - Счетчик-делитель на 8
CD4023 ЛА9 10 Три логических элемента «ЗИ-НЕ»
CD4025 ЛЕЮ 27 Три логических элемента «ЗИЛИ-НЕ»
CD4027 ТВ1 72 Два JK-триггера
CD4028 ИД1 42 Двоично-десятичный дешифратор
CD4029 ИЕ14 168 4-разрядный двоично-десятичный реверсивный счетчик
CD4030. CD4070 ЛП2 86 Четыре логических элемента «исключающее ИЛИ»
CD4034 ИР6 198 8-разрвдный регистр сдвига
CD4035 ИР9 195 4-разрядный регистр сдвига
CD4039 РП1 170 Буферное ЗУ
CD4042 тмз 175 Четыре D-триггера («защелки»)
CD4043 ТР2 279 Четыре RS-триггера
CD4046 ГГ1 124 Генератор с фазовой автоподстройкой частоты
CD4049 (CD4069) ЛН2 04, 74НС4049 Шесть инверторов
4000 КМОП (К561, КР1561) 74хх Г функции (цифра обозначает число входов элемента)
CD4050 ПУ4, ПУ7 17, 74АС34, 74НС4050 Шесть буферных повторителей
CD4051 КП2 152 Аналоговый 8-канальный мультиплексор (КМОП), 8-канальный мультиплексор (ТТЛ, серия 74)
CD4052 КП1 153 Два аналоговых 4-канальных мультиплексора (КМОП), два 4-канальных мультиплексора (ТТЛ, серия 74)
CD4056 ИД5 247 Дешифратор для управления сегментными индикаторами*
CD4059 ИЕ15 - Программируемый счетчик-делитель
CD4061 РУ2 ОЗУ 256 бит со схемами управления
CD4066 «уз** - Четыре 2-направленных переключателя
CD4093 ТЛ1 132 Четыре триггера Шмитта «2И-НЕ»
(74С14) 1564ТЛ2 14 Шесть триггеров Шмипа с инверсией
CD4098 АГ1 123 Два мультивибратора/одновибратора
CD40107 ЛАЮ 22 Два элемента «2И-НЕ» с открытым истоком (коллектором)
CD40109 ПУ6 - Четыре преобразователя уровня ТТЛ-КМОП с индивидуальным стробированием
МС14502 ЛН1 365 Шесть стробируемых инверторов
МС14516 ИЕ11 169 4-разрядный двоичный реверсивный счетчик
МС14520 ИЕ10 393 Два 4-разрядных двоичных счетчика
* В быстродействующей КМОП-версии не существует. Рекомендуется
заменять на 514ИД1/2 (MSD047/MSD101).
“ Для аналоговых сигналов предпочтительнее использовать 590КН2/
КН5/КН13.
Приложение 4. Словарь часто
встречающихся англоязычных
аббревиатур и терминов
Разработчики электронных приборов - большие любители сокращений,
которые они нередко приводят без дополнительных пояснений.
Некоторые из часто встречающихся английских аббревиатур
расшифровываются в табл. П4.1.
Таблица П4.1. Английские аббревиатуры
Термин Расшифровка
AC (alternating current) Переменный ток
ADC (analog-to-digital converter) Аналого-цифровой преобразователь. АЦП
AF (audio frequency) Звуковая частота
AM (amplitude modulation) Амплитудная модуляция, AM
ATM (asynchronous transfer mode) Асинхронный режим передачи
CLK (clock) Тактовый сигнал
CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) Комплементарная структура металл-оксид- полупроврдник, КМОП
CPU (central processing unit) Центральный процессор, ЦП, ЦПУ
DAC (digital-to-analog converter) Цифро-аналоговый преобразователь, ЦАП
DC (direct current) Постоянный ток
EIA/TIA (Electronics Industry Association/ Telecommunications Industry Association) Ассоциация электронной промышленности/ Ассоциация телекоммуникационной промышленности
EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) Электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство, ЭСППЗУ
EPROM (erasable programmable read-only memory) Стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство, СППЗУ
FET (field-effect transistor) Полевой транзистор
FLOP (floating octal points) Плавающая восьмеричная точка
FM (frequency modulation) Частотная модуляция, ЧМ
Термин Расшифровка
FPGA (field-programmable gate array) Логическая матрица, программируемая пользователем, ПЛИС (программируемая интегральная схема)
GND (ground) «Земля», корпус, общий
GPU (general processing unit) Главный процессорный модуль
IC (integrated circuit) Интегральная схема, ИС
IEC (International Electrotechnical Commission) Международная электротехническая комиссия
IR (infrared) Инфракрасный,ИК
ISO (International Standards Organization) Международная организация по стандартизации
ITU (International Telecommunication Union) Международный телекоммуникационный союз
LCD (liquid-crystal display) Жидко-кристаллический индикатор, ЖНИ
LED (liquid emitting diode) Светодиод
LPF (lowpass filter) Фильтр низких частот, ФНЧ
MODEM (modulator/demodulator) Модулятор/демодулятор
MOSFET (metal-oxide semiconductor field- effect transistor) Полевой транзистор структуры металл-оксид- полупроводник, МОП-транзистор
MPU (microprocessor unit) Микропроцессорный модуль
MUX Мультиплексор
NC (not connected) Свободный, не подсоединенный вывод
NR (noise reduction) Шумоподавление
PA (power amplifier) Усилитель мощности, УМ
PCB (printed circuit board) или PWB (printer wiring board) Печатная плата, ПП
PCI (peripheral component interconnect) «Соединение периферийных компонентов» стандарт передачи данных
PM (phase modulation) Фазовая модуляция, ФМ
ppb (parts per billion) Частей на миллиард
ppm (parts per million) Частей на миллион
PWM (pulse width modulation) Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
RAM (random access memory) Запоминающее устройство с произвольной выборкой (ОЗУ)
ROM (read only memory) Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)
RX (receiver/receive) Приемник/прием,ПРМ
Термин Расшифровка
TCR (temperature coefficient of resistance) Температурный коэффициент сопротивления, TKC
T/R (transmit/receive) Прием/передача
TTL (transistor-transistor logic) Транзисторно-транзисторная логика, ТТЛ
TX (transmit/transmitter) Передача/передатчик, ПРД
V-REF (voltage reference) Опорное напряжение
Vss (voltage super source) Напряжение питания
В табл. П4.2 и П4.3 приведен перевод некоторых терминов, часто
встречающихся в технической документации. Термины, вошедшие в
русский язык в оригинальном звучании или близком к нему (transistor,
resistor, logic, timer, emitter и т. п.) и потому понятные без перевода,
за некоторыми исключениями не приводятся.
Таблица П4.2. Соответствие терминов на русском
их переводу на английский
Термин — соответствие Термин — соответствие
Блок (узел, устройство) - unit Центральный процессорный блок - central processor unit, CPU Период (импульсов) - cycle
Питание - power
Внешний - external Источник питания - power supply
Внутренний - internal Плата - board
Восьмеричный - octal Поддержка - support
Вход - input Показатель - rate
Вывод (компонента) - pin, lead Полоса (частот) - band Ширина полосы - bandwidth
Выпрямитель - rectifier Полупроводник - semiconductor
Выход - output Поправка - correction
Вычитание - subtraction Последовательный - serial
Генератор тактирующих импульсов - clock Предел - limit
Данные data Преобразователь - converter Аналого-цифровой преобразователь — analog-to-digital converter, ADC
Двоичный - binary
Проверка, контроль - check
Термин — соответствие Термин - соответствие
Действующий, ее (значение, напряжение) - effective Провод - wire Гибкий провод (шнур) - cord
Проводник - conductor
Деление - division Делитель - divisor Произвольный - random
Десятичный - decimal Прямой - direct
Диапазон - range, scale Регулировать - adjuist, control
Доступ - access Регулировка - adjustment
Дрейф - drift Режим (работы) - mode
Емкость - capacity, capacitance Синхронизация - clock
Задержка - delay Сложение - adding
Заряд - charge Смещение - offset
Затвор - gate Соединение - connect
Земля - ground Соединитель (разъем) - connector
Измерение - measuring Состояние - state
Индуктивность (катушка индуктивности) - coil Стирание - erase
Исток, источник - source Сток - drain
Канал - channel Канал передачи данных - data transfer channel Сторожевой (таймер) - watchdog
Схема - circuit
Кнопка - button, key
Конденсатор - capacitor Счетчик - counter
Корпус - case, package Ток - current Ток базы - base current Втекающий ток - sink current Вытекающий ток - source current Ток насыщения - saturation current Переменный ток - alternating current, AC Постоянный ток - direct current, DC Ток смещения - bias current Сила тока - amperage
Коэффициент усиления - gain Коэффициент усиления по напряжению - voltage gain
Точность (погрешность) - accuracy
Мост - bridge Мост выпрямительный - rectifier brige Умножение - multiplication
Мощность - power Умножитель - multiplier
Набор - kit Управление - control Центральное устройство управления mean control unit, MCU
Термин — соответствие Термин — соответствие
Напряжение - voltage Высокий уровень ~ напряжения - high voltage Низкий уровень напряжения - low voltage Напряжение питания - supply voltage Напряжение смещения - bias Усилитель - amplifier
Ноль - zero Установка - set Начальная установка (переустановка) - reset
Объединение (каналов) - multiplex Устройство - device
Отношение - ratio Утечка - leakage
Пайна - soldering Хранение - storage
Память - memory Частота - frequency
Панель (для микросхем) - socket Шестнадцатеричный - hexadecimal
Параллельный - parallel Шина - bus
Переключатель - switch Элемент (гальванический) - cell, battery
Таблица П4.3. Соответствие терминов на английском
их переводу на русский
Термин - перевод Термин - перевод
AC (alternating current) - переменный ток Gain - коэффициент усиления
Access - доступ Gate - затвор (полевого транзистора); логический элемент, вентиль (AND gate)
Accuracy - точность (погрешность) Ground - земля
ADC (analog-to-digital converter) - аналого-цифровой преобразователь Hexadecimal - шестнадцатеричный
Adding-сложение Input - вход
Adjuist - регулировать Internal - внутренний
Adjustment - регулировка Key-кнопка
Amperage - сила тока Kit - набор
Amplifier - усилитель Lead - вывод (компонента)
Band - полоса (частот) Leakage - утечка
Bandwidth - ширина полосы Limit - предел
Термин - перевод Термин - перевод
Battery - элемент (гальванический) Loop - контур обратной связи, цикл (в программе)
Bias - смещение, напряжение смещения MCU (mean control unit) - центральное устройство управления
Binary-двоичный Measuring - измерение
Board - плата Memory - память
Bridge - мост Rectifier Bridge - выпрямительный мост Mobile - мобильный
Billion - миллиард Mode - режим (работы)
Bus-шина Mount - монтировать
Button - кнопка, клавиша Multiplex - объединение (каналов)
Capacitor - конденсатор Multiplication - умножение
Capacity, capacitance - емкость Multiplier - умножитель
Case - корпус Octal - восьмеричный
Cell - ячейка, элемент (гальванический) Offset-смещение
Channel - канал Data transfer channel - канал передачи данных Output - выход
Charge - заряд Package - корпус
Check - проверка, контроль Parallel - параллельный
Circuit — схема Pin - вывод (компонента)
Clock - синхронизация; генератор тактирующих импульсов Power - мощность, питание Power supply - источник питания
Coil - индуктивность (катушка индуктивности)
Conductor - проводник
Connect - соединение Random - произвольный, случайный
Connector - соединитель (разъем) Range - диапазон
Control - управлять, регулировать, управление Rate - показатель
Converter - преобразователь Ratio - отношение
Cord - гибкий провод (шнур) Rectifier - выпрямитель
Correction - поправка Reset - переустановка; начальная установка
Counter - счетчик Scale - диапазон
Термин - перевод Термин — перевод
CPU (central processor unit) - центральный процессорный блок Semiconductor - полупроводник
Current - ток Base current - ток базы Bias current - ток смещения Saturation current - ток насыщения Sink current - втекающий ток Source current - вытекающий ток Serial - последовательный
Cycle - период (импульсов) Set-установка
Data - данные Socket - панель (для микросхем)
DC (direct current) - постоянный ток Soldering-пайка
Decimal - десятичный Source - исток, источник
Delay-задержка State - состояние
Device - устройство Storage - хранение
Direct-прямой _ Subtraction - вычитание
Division-деление Support - поддержка
Divisor-делитель Switch - переключатель
Drain - сток Unit - блок (узел, устройство)
Drift-дрейф Value - значение
Effective - действующий (значение, напряжение) Voltage - напряжение High voltage - высокий уровень напряжения Low voltage - низкий уровень напряжения Supply voltage - напряжение питания Voltage gain - коэффициент усиления по напряжению
Erase - стирание Watchdog - сторожевой (таймер)
External - внешний Wire - провод
Frequency - частота Zero - ноль