Рис. 11.19. Таймер 555.

а - вид сверху на корпус с двухрядным расположением выводов и функ. циональиая схема: / - земля, 2 - триггер, 3 - выход, 4 - возврат, 5 - управляющее напряжения, 6 -порог, 7 - разряд, 8- + Uiq; б -металлический корпус (обозначения выводов те же).

И.3.2. СХЕМА 555 В РЕЖИМЕ МУЛЬТИВИБРАТОРА

На рис. 11.20, а показана схема включения в режиме мультивибратора. Когда прикладывается напряжение С/кк, вых приобретает высокий уровень и Ст заряжается до Ukk со скоростью, устанавливаемой сопротивлениями Ra и Rb- При Ucj, = V3,Uk.k пороговый компаратор устанавливает высокий уровень на выходе триггера, f/вых переходит на низкий уровень и открывает транзистор Ту. Конденсатор, задающий временной интервал, теперь разряжается через Ту и Rb. Когда f/cj, = Vsf/KK. компаратор триггера устанавливает триггер в нулевое положение (низкий уровень выходного напряжения), f/вых переходит на высокий уровень и запирает Ту. Этот процесс затем повторяется.

Следует отметить, что первый импульс длиннее всех последующих. Это объясняется тем, что вначале конденсатор Ст заряжается от О В до VsfKK, а не от /Ukk ДО /zUkk, как это имеет место в последующих циклах. Обычно это не вызывает каких-либо осложнений. Колебания могут быть остановлены в любой момент путем приложения к выводу возврат напряжения низкого уровня. Колебания возобновляются, когда к этому выводу прикладывается снова напряжение высокого уровня. В каталожном описании приведены уравнения для вычисления компонентов Ra, Rb и Ст, определяющих временные интервалы. Эти уравнения имеют вид

и = {),тЪ{НА-\- Rb)Ct, h = 0,693Rr,

xti + h = 0.693 {Ra + 2Rs) Cj, f=l/x=l ,U/{Ra + 2/?)

Относительная длительность импульса D:

D = /1/(1 -f q = Ф = RbKRa + 2Rs).

Представляет трудность получить относительную длительность импульса точно равной 50 % У таймера типа 555. При Rb == IOORa погрешность установки 50%-ной относительной длительности лежит в пределах I %. В случае необходимости получения точной 50 %-ной относительной длительности следует подключить на выход схемы 555 триггер со счетным входом).

Пример 11.7. Рассчитайте компоненты схемы 555, работающей в режиме мультивибратора (рис. 11.20, й) с частотой 2 кГц и относительной длительностью импульса D = 75 %. Положим t/кк = 5 В.

Решение. Из каталогов находим, что максимальная температурная стабильность достигается, когда

1 кОм < < 100 кОм, 1 кОм < /?д < 100 кОм.

При этом частота таймера, естественно, удваивается. -/7рмл1. ред.

I-г

Р 01 мкФ

Рис. 11.20. Схемы включения таймера 555. Обозначения выводов, как на рис. 11.19. а - автоколебательный мультивибратор, f=4{ti + t), <4=0,693 Су, <2=0,693;?£Cj.; б-однови6ратор, (=l,i;?;iCy,

> < -длительность генерируемого импульса - Лриж, ред.

Выбирем Ra и Rb ъ этих пределах, хотя схема 555 будет работать и при Ryi+RB = 20 МОм.

Определяем интервалы времени ti и h:

т = 1 = 1/2 кГц = 0,5 мс, , = /)т = 0,75 (0,5 мс) = 375 мкс.

Выбираем Ra + Rb=10 кОм и получаем Сг = ti/0fi93(RA + Rb) = = 375 мкс/0,693 (10 кОм)= 0,054 мкФ, Дв = 2/0,693Сг = 125 мкс/0,693 X X (0,054 мкФ) = 3,34 кОм, Ra = (Ra + Rb) - Rb = 6,66-kOm.

Из каталога находим, что емкость конденсатора, подключаемого к управляющему выводу, должна быть 0,01 мкФ.

11.3.3. СХЕМА 555 В РЕЖИМЕ ОДНОВИБРАТОРА

На рис. 11.20,6 показано включение схемы 555 в режиме одновибратора. На вывод 2, именуемый входом триггера, подается напряжение высокого уровня. При этом компаратор триггера будет удерживать триггер в положении, при котором уровень его выходного напряжения будет высоким, транзистор Tl будет включен, напряжение б'вых будет иметь низкий уровень Так как транзистор Ti включен, конденсатор, задающий распределение интервалов времени, не может заряжаться. Если к выводу 2 приложить мгновенный отрицательный импульс (0,1 мкс < имп < с отрицательной амплитудой, меньшей VsfKK. то триггер вернется в нулевое положение (низкий уровень выходного напряжения), Ti окажется запертым и установится высокий уровень выходного сигнала. Конденсатор Ст теперь будет заряжаться через Яд, пока Ucj. не достигнет значения VsfKK- В этот момент времени пороговый компаратор устанавливает на выходе триггера напряжение высокого уровня, f/вых низкого уровня И отпираст Tl. Конденсатор Ст быстро разряжается через Tl. Схема теперь подготовлена к приходу следующего импульса запуска.

Приложение отрицательного напряжения к выводу возврат немедленно устанавливает низкий уровень выходного напряжения схемы и отпирает Ti. После этого следующий импульс на выходе сможет появиться только после приложения нового импульса запуска. Минимальная продолжительность импульса на выходе равняется ширине импульса запуска. До тех пор, пока импульс запуска не снят, управление через вывод возврат не действует. Из каталожного описания находим, что =

1,1ЯаСт.

Пример 11.8. Рассчитайте значения Ra и Ст для схемы рис. 11.20,6 так, чтобы схема 555 работала как одновибратор с длительностью генерируемого импульса t = Ъ0 мкс.

Решение. Выбираем Ра между 1 и 100 кОм. Пусть Ра = 47 кОм, тогда Ст == = т,\РА = 50 мкс/1,1 (47 кОм) = 967 пФ.

11.3.4. ТАЙМЕР 555 В СХЕМЕ ИМПУЛЬСНОГО СТАБИЛИЗАТОРА С ОГРАНИЧЕНИЕМ ПО ТОКУ И ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

На рис. 11.21 показано применение таймера типа 555 в схеме юнижающего импульсного стабилизатора с широтно-импульсной модуляцией и ограничением тока по схеме с изменяющимся уровнем ограничения. На практике должна быть использована сдвоенная схема таймера типа 556, однако для ясности на рисунке показаны две схемы типа 555.

Эта схема может быть также модифицирована для повышающих и инвертирующих стабилизаторов напряжения. Ту представляет собой транзистор, работающий в качестве ключа, а Т2 - управляющий ключом тразистор. Одновибратор отпирает транзистор Т2 в течение времени tc и запирает его, когда выходное напряжение одновибратора принимает низкий уровень. Сф - формирующий конденсатор служит для ускорения отпирания транзистора Ту; Дг устраняет с базы Ti положительные всплески напряжения, когда напряжение коллектора Т2 становится высоким.

Операционный усилитель сравнивает выходное напряжение с опорным напряжением, получаемым с помощью стабилитрона Сгг- При этом может быть использован почти любой ОУ, в том числе и токоразностный. Для примера был выбран лА741. Когда выходное напряжение падает, управляющее напряжение на одновибраторе 555 увеличивается. Конденсатор Ст должен при этом зарядиться до более высокого уровня напряжения, так что длительность импульса tc увеличивается. Увеличение tc вызывает повышение выходного напряжения до его исходного значения. Стабилитрон Cti служит для того, чтобы напряжение f/ynp не могло подниматься до Ubx, с тем чтобы одновибратор мог быть отключен при пуске схемы.

Схема мультивибратора запускает одновибратор в каждом цикле. Для ограничения тока ширина запускающего импульса такова, что устанавливает минимальную ширину импульса одновибратора. Для схемы 555 в режиме мультивибратора минимальная ширина импульса составляет 1 мкс. Г3 -транзистор ограничителя тока. Он отпирается при иц> Ubbts-

Когда транзистор Тз отпирается, отпирается и Т^, и на выводе возврат одновибратора устанавливается напряжение низкого уровня. Это снимает выходной импульс до прихода следующего запускающего импульса. Так как среднее значение выходного тока зависит от значения tc, то при перегрузках оно может быть ограничено значениями, меньшими, чем /вых. макс-№ Когда выход схемы закорачивается, во всех трех основных

16,!kOm

-С

0,273 Оч

!0Oh

2,61 кОм

l =190 тГм -rv-vi-

С ф

0,0066 шФ

62 0м

6,8 В

6,1 иОм

2,1 кОм

л

1кОм 6.2 иОм

бООшФ

-о fsbix 12B ?1А

2, кОм

я 1кОм

2,15 кОн

655 Мультивибратор

31,8 кОм

15 в

15 кОм 0,0022 миф

i 0,01 МКФ

510 Ом

1,78 кОм

566 ОдноЕибратор 2

0,0066 мкФ

Рис. 11.21. Понижающий источник напряжения питания с ШИМ, реализованной с помощью таймеров 555 и схемой ограничения тока с изменяющимся уровнем ограничения.

Обозначение выводов на корпусе схем 555, как на рис. 11.19.

типах преобразователей напряжения полное входное напряжение прикладывается к индуктивности. Поэтому среднее значение входного тока составляет

/вх.ср = (/имп/2)(<Л).

При коротком замыкании трудно предсказать пиковое значение выходного тока, так как среднее значение входного тока, как и среднее значение выходного тока, получается путем измерения /ими. Минимальное значение tc равно времени,- в тс

чение которого ка выводе возврат было напряжение низкого уровня; другими еловами, tc - tt для ехемы 555 в режиме мультивибратора. Еели в режиме ограничения выбирается значение тока /огр равным среднему значению входного тока, то tL = tcmm- Из уравнения для среднего значения входного тока получаем

it tc мии 2/огр. мииТ огр'

Здесь /огр 1,1/имп, ЧТО обеспечивает возможность получения максимального / ; /огр. мин обычно составляет 0,25/вых. макс

Преобразователи напряжения, использующие ключевые схемы, не могут работать без нагрузки. По крайней мере от 5 до 10 7о полного тока нагрузки должно быть предусмотрено, иначе из-за отсутствия тока через индуктивность выходное напряжение поднимается до С/вх-

Пример 11.9. Рассчитайте элементы схемы рис. 11.21 так, чтобы при t/вх = j = 18 В она давала t/вых = 12 В (при токе нагрузки 1 А), и„у„ъс = 30 мВ (от пика до пика), /огр. мин = 0,25 А при f ы - 10 кГц.

Решение. При /вых. макс = 1 А, /имп = 2 А и /вкл. з = 2,2 А t/вх = 18 В, поэтому % < t/ст, < t/g. На этом основании Uq. выбрано равным 15 В, а исг2 = 6,8 В при /g=2 мА. В качестве ОУ принят цА741.

В условиях короткого замыкания пиковое значение тока через Д\ может быть очень большим, хотя и небольшой продолжительности. Диод Д\ выбран со следующими характеристиками: пиковое обратное напряжение 40 В, t/np = = 1 В при 2 А, /пр. ср = 4 А.

Технические характеристики транзисторов: для Ту t/so проб) ~ Л21эм н=10 при /к = 2 А, 1/бэ=1 В при /к = 2А, /рз = 10Вт. КЗиас^! В при /к = 2 А, = 0,2 мкс; для Т^;. t/кэопроб = 40 В. А21эмин = 35 при /к = 0,2 А, [/бэ = 0,8 В при /к = 0,2А, Pl Вт. tK3Hac = 0,5 В при /к = 0,2 А; для Т^ Т^. t/K3Onpo6 = 40 В, С/кэ ас = 0.3 В при /=10 мА, Л21Эмин = 0, t/j53 = 0,6 в при / = 0,1 мА. Расчет отдельных узлов схемы. /. Преобразователь напряжения:

т=1 ге =100мкс,

V0= (tBx + д)/[вх - (вых + КЭнасТ.)] = 13В/(18В - 13В) = 2,6, = т/3,6 = 100 мкс/3,6 = 27,8 мкс, t = X - г^Шмкс - 27,8 мкс = 72,2 мкс, = [(вых + д)Лнмп] о = (13 В/2 А) 27,8 мкс =181 мкГн, С = /вых. максУ41/ у ,. = 1 Л (72,2 мкс)/4 (30 мВ) = 602 мкФ, t ~ мин 2огр. мин^/огр-

: 2. Таймер типа 555.

Р Таймер 555 в режиме мультивибратора (автогенератора) имеет ti = tc = = 22,7 мкс, так что = т-- fa = 100 мкс = 22,7 мкс = 77,3 мкс. Выбирая

) Напряжение обратного пробоя участка коллектор - эмиттер. - Прим,

Ra + Rb = 50 кОм, получаем С, = ,/0,693( л + Rs) = 77,3 мкс/0,693 V X (50 кОм) = 0,0022 мкФ, Rb = 2/0,693С, = 22,7 мкс/0,693(2,2 нФ) = = 14,9 кОм, Ra = 50 кОм - 14,9 кОм = 35,1 кОм.

Как обычно, вывод 5 подсоединяется к земле через конденсатор емкостью 0,01 мкФ. Таймер 555 в режиме одновибратора запускается мультивибратором. Выходной сигнал одновибратора имеет длительность tc. Выбирая R =

r-~-lO кОм, получаем = 1,1 = 72,2 мкс/1,1 (10 кОм) = 0,0066 мкФ. Выход ОУ подается на выход управление . 5. Схема ОУ.

ОУ должен иметь коэффициент усиления с замкнутой обратной связью примерно равным 400. Это обеспечивает стабильность выходного напряжения с точностью 0,5% при изменениях нагрузки и с точностью 0,1 % на 1 В изменения питающего (входного) напряжения. Если Ro.c = 1 МОм, то R\ = = Ro. с/Ко. с = 1 МОм/400 = 2,5 кОм, Дси = Ro. cRiKRo. c + Ri) як = = 2,5 кОм.

Пусть ток делителя /дел = 1 мА. Для того чтобы удержать номинальное напряжение иа выходе ОУ на уровне QfilUsx, необходимо, чтобы напряжение, снимаемое с делителя, было меньше, чем напряжение на стабилитроне Ст2 Р Ubmx = 12 В. Наибольшая величина рассогласования напряжения на входе ОУ будет

At/ = 0,67t/ /j ., = 30MB.

Если на потенциометре П падение напряжения составляет 1 В при t/вых = 12 В, то выходное напряжение может быть установлено точно равным 12 В. Пусть для полного диапазона регулирования на одном конце потенциометра установлено напряжение 7 В, а на другом 6 В. Тогда

2 = (вых - 7-В) ел = (12 В - 7 В)/1 мА = 5 кОм,

у /?д, = (7В-6В) дел=1В/1 мА = 1 кОм,

Дз = 6 B/Zgj, = 6 в/1 мА = 6 кОм.

Яр обеспечивает ток смещения стабилитрона Ст2 равным 2 мА. Отсюда

lb = (tBbix - = (12 В - 6,8 В)/2 мА = 2,6 кОм.

обеспечивает ток смещения для стабилитрона Ctj, как только выходное напряжеие ОУ становится больше, чем .р^- Пусть /у, =5 мА, что меньше, чем /вьш ОУ цА741, тогда

10 = (+ t ac - Сг,)Лсг. = (17 В - 15 В)/5 мА = 400 Ом. 4. Цепь управления транзистором Т\:

ът, = I.unlh2X э т, мии = 2 А/10 = 200 мА. При изменениях t/gg транзистора Ti полагаем, что кг2> БГ,-усть /jy, = 250 мА, тогда

4 = (t/вх - 1БЭТ, - 1кэп.стд1БТ, = (18 В - 1 В - 0,5 В)/250 мА = 66 ОМ, ;?.>/вх-КГ,>4,5Вт, 5 = tB3 гЛК г. - г,) = 1 В/50 мА = 20 Ом,

6 = (вых. 555 ~ /рэГ2)/(КгУ'21ЭГгмнн)= .

= (16 В - 0,8 В)/(250 мА/35) = 2,13 кОм, Сф = гЛкл/(вх - t/кэ т, - С/бэ г.) = 0.5 А (0,2 мкс)/16,5 В = 0,006 мкФ.

= /с (мин)

Рис. 11.22. Формы напряжений в преобразователе ШИМ, выполненном на базе таймера 555.

а - выход мультивибратора; б - выход одновибратора.

5. Схема ограничения тока:

Rorp = Бэп/1.1имп = 0,273 Ом. Пусть /кг,= 10 мА, тогда 4=(вх-КЭнасГ,)Дкг,= (18В-0,ЗВ)/10мА=1,77кОм. .

Установим /j. = 1 мА, тогда

Rs = (fBX - tB3 т. - Urn нас rj/h Гз = ll кОм,

R9 = БЭ г./(/к Гз - л) = 0.6 В/0,8 мА = 1 кОм.

Номиналы элементов, приведенные иа схеме рис. 11.21, не отличаются от полученных расчетных значений более чем на 5 %.

т, = fKTjh2i3T, мин = 10 мА/50 = 0,2 мА.

Точнее, разности температур холодного и горячего спаев.- Прим. ред.

11.4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Измерительный усилитель представляет собой ОУ или схему с ОУ, используемые для измерения малых разностей напряжения на фоне синфазного напряжения, которое часто бывает больше, чем измеряемое разностное напря}кение. Этот тип усилителя часто называют также усилителем датчика, разностным усилителем, усилителем ошибки (рассогласования) и мостовым усилителем.

Измерительный усилитель должен иметь дифференциальный вход, высокое значение коэффициента усиления, низкий сдвиг нулевого уровня и очень большой (обычно больше 80 дБ) коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС). Большое значение КОСС необходимо потому, что напряжение, которое должно быть усилено, часто наложено на более высокое синфазное напряжение.

Дифференциальный входной сигнал часто представляет собой выходное напряжение, снимаемое с мостовой схемы, как это показано на рис. 11.23, а. Датчик выявляет любые изменения, измерение которых предусматривается спроектированной схемой. Датчик или преобразователь представляет собой устройство, преобразующее измеряемый параметр и его изменения в электрический, например температуру или давление в изменение сопротивления или напряжения. Примеры датчиков-преобразователей: 1) фоторезисторы для преобразования уровней освещенности в величины сопротивления; 2) термисторы для преобразования изменений температуры в изменения сопротивления; 3) тензодатчики- специально закрепляемые резисторы, сопротивление которых изменяется пропорционально механической деформации материала; применяются для измерения деформаций и давления; 4) термопары - соединения разных металлов, дающие на выходе напряжение, пропорциональное температуре спая).

Если все четыре сопротивления моста рис. 11.23, а равны по величине, то е\ = 6 = IJr/2. Когда физическое воздействие вызывает изменение сопротивления датчика А/?, уже не будет равно 62 и полярность ej по отношению к будет зависеть от того, представляет ли собой AT? повышение или понижение сопротивления датчика. Выходное напряжение моста ei - eg будет равно

6,-62 = Ur т/т + 2А/?)] (11.9)