Устройства со сверхнизким энергопотреблением – Цифровая техника – ЧАСТЬ 3

May 20, 2015 by admin Комментировать »

Соединим один из входов верхнего по схеме (рис. 2.24, б) триггера Шмитта с прямым выходом индикатора напряжения. Уровень лог «1»на входе этого элемента появится только в рабочем режиме — когда питание подано на все микросхемы, поэтому разряд «аккумулятбра» через его защитный диод невозможен (в «ждущем» режиме на этом входе всегда присутствует уровень лог. «0»).

В связи с этим изменением, для того чтобы индикатор нажатия кнопки «заодно» индицировал и напряжение питания устройства, его схему нужно немножко изменить. Для этого верхний по схеме вход среднего триггера Шмитта (см. рис. 2.24, б) через инвертор (четвертый, оставшийся свободным элемент микросхемы ТЛ1) нужно соединить с выходом верхнего триггера Шмитта (входом R счетчика). При этом, если напряжение питания замка неожиданно по какой-нибудь причине станет меньше некоторого максимального значения, светодиод будет постоянно светится. Кроме того, благодаря светодиоду ускорится разрядка конденсатора С2 (рис. 2 24, г) после переключения устройства в «ждущий» режим, напряжение на нем из-за токов утечки и наводок не увеличится до напряжения срабатывания индикатора напряжения.

В схему осталось внести последний «штрих» — «разобраться» со статическим триггером. В «ждущем» режиме запись должна выключаться. Поэтому соединяем через диод прямой выход индикатора напряжения и вход статического триггера. Обратное сопротивление диода должно быть гораздо больше сопротивления резистора R, а его емкость ничтожной, иначе при переходе устройства в рабочий режим, при разомкнутых контактах переключателя SA1, автоматически включится режим записи. Если емкость диода значительна, то между входом статического триггера и общим проводом нужно включить конденсатор емкостью 100…1000 пФ. Его емкость должна быть в десятки раз меньше емкости конденсатора СЗ.

Счетчик для этой схемы подходит любой, но он должен работать по фронту и иметь вход R. Из КМОП-микросхем этому требованию соответствуют К561ИЕ10 и К561ИЕ11. Я использовал последний.

Окончательный вариант схемы кодового замка нарисован на рис. 2.24, е. Подбором сопротивлений резисторов R6 и R9 добиваются, чтобы трехуровневый детектор работал правильно (чтобы светодиод HL1 загорался только при нажатии на какую-нибудь кнопку S1…S11); возможно, из-за большого напряжения гистерезиса элементов придется увеличить сопротивление резисторов R7 и R8. Конденсатор С2 можно заменить резистором сопротивления 10…30 кОм; в таком случае диоды VD1 и VD2 не нужны, но продолжительность времени автономной работы при переключении в «ждущий» режим из режима запись может уменьшиться. Резистор R16 нужен для того, чтобы не вывести из строя маломощный диод VD4 слишком большим зарядным током конденсатора СЗ. Подбором сопротивления резистора R13 (или R14) устанавливают нужное напряжение переключения схемы (оно должно быть примерно на 1 В меньше «обычного» напряжения питания), фильтрующий конденсатор С4 при стабилизированном напряжении питания лучше не устанавливать. Этот конденсатор сглаживает пульсации напряжения питания, но в то же время из-за него увеличивается время переключения схемы в «ждущий» режим, т. е. конденсатор СЗ сильнее разряжается и время автономной работы устройства существенно уменьшается (при указанных на схеме номиналах элементов и «хорошем» конденсаторе СЗ оно превышает две недели; ток потребления от этого конденсатора не более 10 нА).

Усилитель тока собран на транзисторах VT1 и VT2. Силовой транзистор VT2 для уменьшения падения напряжения на его выводах включен по схеме с общим эмиттером; падение напряжения на его выводах зависит от сопротивления резистора R11. При кратковременном включении нагрузки (не более

2..           .5 секунд) и потребляемым ею токе до 5 А радиатор (теплоотвод) для этого транзистора не нужен. Хотя лишним он не будет.

Выключается нагрузка нажатием на любую «неправильную» кнопку

51..        .510 или на кнопку S11. Если нужно, чтобы нагрузка выключалась при размыкании, а не замыкании контактов кнопки, то «выключающую» кнопку нужно включить между шиной «+U» и левым по схеме выводом резистора R13. При размыкании ее контактов схема перейдет в «ждущий» режим и обнулит счетчик (нагрузка отключится). При замыкании ее контактов, если напряжение питания схемы больше напряжения переключения индикатора напряжения, схема снова перейдет в рабочий режим. Гистерезис напряжения переключения индикатора можно уменьшить, увеличив сопротивление резистора R15.

Переключатель SA1 и кнопки SB1…SB5 нужно установить внутри охраняемого объекта, желательно в потайном месте. Кнопки S1…S11 и светодиод HL1 размещают с другой стороны двери, на самом видном месте.

На этом составление схемы устройства можно считать завершенным.

Следующее устройство, благодаря которому у меня в свое время отпала надобность в зубрежке экзаменационных билетов в 11-м классе, — таймер для подачи школьных звонков с недельным циклом. Основные требования к нему: он должен подавать как один звонок (с урока), так и два (на урок), длительность по две секунды и с такой же паузой между звонками; должен иметь встроенные часы с календарем (понедельник — воскресенье); минимальный интервал между звонками (минимальная длительность перемены) — 5 минут; память устройства должна быть стираемой, но в то же время энергонезависимой, а само устройство — недорогим. Кроме того, должна быть предусмотрена возможность оперативного изменения записанного в память расписания, а также работа устройства в режиме «выключено», когда звонок включается нажатием на кнопку.

Начнем с самого главного — выбора микросхемы памяти. Тип памяти — ОЗУ (электрически стираемые ПЗУ в то время были недоступны), ее объем должен превышать 7 (дней) · 24 (часа) ■ 12 (пятиминуток) = 2016 бит. Ближайшее двоичное число — 2048, но в него нам не «уложиться», поэтому примем объем памяти, равный 4 кб (4096 бит). Такой объем имеет микросхема КР537РУЗ. Учитывая, что нам надо давать два разных звонка, возьмем две микросхемы, в одну будем записывать время «звонков на урок», а во вторую — «на перемену».

Для управления микросхемой памяти к ее адресным входам нужно подключить счетчики. Для синхронизации работы всего устройства эти счетчики должны быть совмещены с часами — иначе часы будут показывать одно время, а звонки будут звенеть совсем по другому.

Две возможные схемы включения счетчиков нарисованы соответственно на рис. 2.25, а и б. На рис. 2.25, а выходы всех двоичных счетчиков подключены ко входам микросхемы памяти и одновременно ко входам дешифраторов, которые преобразуют двоичный код в обычный, понятный каждому человеку. Благодаря этому абсолютная синхронизация работы часов и памяти, и звонок будет звенеть только в то время, в которое он должен звенеть.

Верхний на схеме счетчик считает единицы минут, которые поступают на него с выхода кварцевого генератора. Так как в серии КМОП-микросхем нет

Рис. 2.25. Этапы создания универсального таймера с недельным циклом специализированного счетчика — делителя на 5 с D-триггером, то для облегчения управления микросхемами добавлен счетчик К561ИЕ8, у которого подобный выход (выход переноса) есть (см. рис. 1.67, а). Так как двоичный счетчик обнуляется при уровне лог. «1»на его входе сброса, а у счетчика ИЕ8 этот уровень на выходе появляется через 5, а не 10 импульсов, то для «исправления ситуации» в схему добавлен инвертор. С помощью RC-цепочки формируется короткий импульс — его длительность для нормальной работы схемы должна быть менее 1 минуты (на входе инвертора длительность импульса составляет 5 минут).

В принципе этот инвертор не обязателен и его можно убрать, соединив при этом правый по схеме вывод конденсатора с выходом переноса счетчика. Но из-за этого в течение первых 5 минут после включения напряжения питания возможна небольшая асинхронизация работы устройства. Через 5 минут после обнуления счетчика СТ2 через RC-цепочку синхронизация восстановится.

Все остальные двоичные счетчики, кроме счетчика дней недели, обнуляются через диодные элементы 2И, и в принципе их работы вы уже должны уметь разбираться сами. Каждый счетчик обнуляется в тот момент, когда на всех верхних по схеме выводах диодов, подключенных к его входу сброса R, появляются уровни

Рис. 2.25. Этапы создания универсального таймера с недельным циклом

(продолжение)

лог. «1». При уровне формируется очень короткий импульс лог. «1»(именно из-за его ничтожной длины безразлично, какой из перепадов уровней для счетчиков является «рабочим»), но длины которого вполне хватает для того, чтобы нижний счетчик «правильно» среагировал. Самый нижний счетчик нагружен на дешифра-

тор типа К561ИД1 или аналогичный и обнуляется в тот момент, когда уровень лог. «1» появляется на выходе 7 (восьмом по счету выходе) дешифратора, т. е. этот счетчик считает только до 7 (по числу дней в неделе), а не до 8, как обычно.

У этого блока есть два серьезных недостатка: во-первых, используются диодные логические элементы, потребляющие значительный ток (выход-замена диодов одной микросхемой К561ЛИ2 в соответствующем включении) и, во-вторых, для перебирания адресов ОЗУ используется 13 проводов, т. е. нужно 213 = 8 килобит памяти. «Лишний», 13-й провод у нас появился из-за нерационального включения микросхем — счетчика часов: они памятью управляют по 6 проводам, в то время как для просмотра 17…31 часов достаточно 5 проводов (25 = 32, 2е = 64). Для устранения этого недостатка и уменьшения объема памяти параллельно счетчикам часов можно включить еще один, 5-разрядный двоичный счетчик. Обнуляться он должен раз в 24 часа.

Первый блин обычно комом… Эта схема довольно громоздка и не совсем совершенна. Ее можно существенно упростить, если в качестве счетчиков и дешифраторов использовать специализированные микросхемы типа К176ИЕЗ и ИЕ4, совмещающие в себе обе эти функции и к тому же «умеющие» самостоятельно обнуляться, без всяких диодов. Усовершенствованная схема нарисована на рис. 2.25, б; она является окончательной, поэтому рассмотрим ее более подробно.

Единицы минут «считает» верхний по схеме счетчик ИЕ4. Благодаря тому что у этой микросхемы есть специализированный выход, уровень на котором меняется каждый пять периодов тактовой частоты (см. рис. 1.70, б), то нам «одним махом» удалось сократить схему аж на две микросхемы. Такая «удача» радиолюбителям попадается очень редко…

С выхода счетчика единиц минут сигнал поступает на счетчик десятков минут, собранный на счетчике ИЕЗ, управляющим индикатором, и продублированный двоичным счетчиком, «перебирающем» адреса ОЗУ. В этой и всех остальных частях схемы мне ничего более-менее существенного «сократить» не удалось. Так как оба счетчика управляются по спаду импульса, то формирователь короткого импульса, подключенный к выходу счетчика единиц минут, не нужен.

Блок счетчика часов выполнен по обычной схеме. Параллельно счетчикам ИЕЗ и ИЕ4 включен 5-разрядный двоичный счетчик, «перебирающий» адреса памяти. Такая схема самая простая: преобразовать каким-либо другим способом двоично-десятичный код (6 проводов) в двоичный (5 проводов) или наоборот очень сложно. А увеличивать из-за такого «пустяка» объем памяти в 2 раза неэкономично; вообще большинство уважающих себя радиолюбителей из принципа не пойдут на такой шаг.

По достижению счетчиком часов состояния «24» все три счетчика обнуляются, одновременно «прибавляется один день» счетчиком дней недели.

Несмотря на свою простоту, эта схема все равно довольно далека от идеала. Для достижения последнего необходимо ввести в схему возможность предварительной установки (сокращенно — предустановки) часов, а также из-за особенностей использующейся памяти тактирование и переключение устройства в режим пониженного энергопотребления.

Начнем переделывать схему как обычно — с начала, т. е. в нашем случае сверху. Но перед началом «революции» на отдельный лист нужно выписать все то, что мы хотим получить в результате, иначе в лучшем случае в итоговой схеме будут незначительные противоречия, которые, хотя и с трудом, можно устранить. А вот в худшем случае… В то же время если вы не поленитесь отдать пару минут на «бумагомарание», то возникновение противоречий невозможно в принципе.

Итак, что же должно получиться в результате:

1.             Нужно ввести тактирование в микросхему ОЗУ; его надежность должна равняться 100% — сбои в работе и возникающие в результате них повреждения хранимой в памяти информации недопустимы. В школе один «лишний» звонок — сенсация, которая может привести к повальной истерике.

2.             В качестве резервного источника питания желательно использовать 3…4 миниатюрных батарейки к наручным часам. В режиме пониженного энергопотребления основные узлы (генератор и счетчики времени) должны продолжать работу, а не основные (индикаторы, устройства управляющие нагрузкой) выключаться. ОЗУ целесообразно перевести в режим «хранения».

3.             Нужно предусмотреть независимую установку часов, минут и дней недели. При переходе счетчика минут из «59» в «00», счетчик часов импульс переноса «считать» не должен — иначе процесс программирования памяти начнет доводить до бешенства. Блокировать аналогичный процесс при переходе счетчика часов из «23» В «00» не обязательно. «Лишний» ноль в разряде десятков часов желательно погасить. Кроме того, в устройство желательно ввести функцию принудительного обнуления разряда часов или минут при продолжительном удерживании соответствующей кнопки в нажатом состоянии.

Усовершенствованная схема счетчика минут нарисована на рис. 2.25, в. В качестве дополнительных логических элементов пока выберем триггеры Шмитта (все равно в счетчике часов понадобится элемент 2И) и инверторы.

Так как микросхемы К176ИЕ12 (задающий генератор — см. рис. 2.25, г) и ИЕ4 рассчитаны на работу по спаду импульса, а для тактирования ОЗУ нужен фронт импульса, причем к тому времени, как начнет переключаться счетчик ИЕ4, ОЗУ уже должна находиться в режиме хранения, то между генератором и счетчиком включены два инвертора, и по спаду импульса на выходе генератора («рабочий» перепад уровней) на выходе первого инвертора (триггера Шмитта) формируется уровень лог. «1». который через диод тактирует ОЗУ (переводит в режим хранения), а на выходе второго инвертора появляется уровень лог. «0», и через некоторое, очень небольшое, время счетчика ИЕ4 переключится.

Из-за особенностей работы микросхемы генератора (40 секунд на ее выходе «1 мин.» поддерживается уровень лог. «0» и 20 секунд — уровень лог. «1»), для исключения возможности блокировки «нулем» триггера Шмитта, между выходом генератора и входом элемента включена дифференцирующая RC-цепочка (R1C1), формирующая из длинного импульса короткий. Его длительность зависит от номиналов элементов R1 и С1 и должна быть больше времени переклю» чения всех счетчиков (сотые доли секунды), так как в «рабочем» режиме, для упрощения схемы устройства, тактироваться ОЗУ будет только у выхода этого

Рис. 2.25. Этапы создания универсального таймера с недельным циклом

(продолжение)

триггера Шмитта, а не со входов каждого счетчика (посчитайте количество диодов и инверторов-повторителей, которые понадобились бы в этом случае).

Изменить информацию, записанную в счетчик минут, можно, нажимая на кнопку SB1 («+1 мин»). Для подавления искрения и дребезга контактов кнопки применена интегрирующая RC-цепочка на элементах R2C2 (постоянная времени Т — около 0,1 секунды). Триггер Шмитта (и только он среди всех логических элементов) может нормально работать в цифровом режиме с плавно изменяющимися аналоговыми сигналами, поэтому заменять его ничем нельзя (без серьезной переделки этого «кусочка» схемы).

Для обнуления счетчиков блока минут нам нужен такой логический элемент, у которого есть несколько выходов и на выходе которого при уровне лог. «0» на одном из входов (так как используемые в схеме счетчики ИЕЗ, ИЕ4 работают fio спаду импульса) появляется уровень лог. «1», обнуляющий счетчики. Этому требованию соответствует элемент И-НЕ, поэтому, недолго думая (думать нужно будет потом, когда из отдельных блоков нужно будет собрать целое устройство), поставим к выходу 6 счетчика ИЕЗ триггер Шмитта. Так как импульсы на этом выходе также имеют слишком большую длительность, для уменьшения ее поставим RC-цепочку R3C3 (с помощью пассивных элементов — резисторов, конденсаторов и пр. — можно только уменьшить какой-нибудь параметр — ток, напряжение. продолжительность импульса и т. д. Увеличить «параметры» можно только с помощью активных элементов — транзисторов или микросхем). Постоянная времени цепочки R3C3 может быть от тысячных долей секунды до бесконечности, но лучше, чтобы она была поменьше (подумайте почему).

Для принудительного обнуления счетчиков в любой момент нужно подать на нижний по схеме вход триггера Шмитта уровень лог. «0». Нам нужно, чтобы обнуление происходило при длительном (более 0,5 с) удерживании кнопки SB1 нажатой. Поэтому здесь не обойтись без интегрирующей RC-цепочки. Ее конденсатор припаивается между входом триггерра Шмитта и общим проводом (кстати, благодаря этому при включении напряжения питания счетчики минут окажутся обнуленными — при включении напряжения разряженный конденсатор начинает заряжаться и в течение некоторого времени на входе триггера Шмитта поддерживается уровень лог. «0»), а «свободный» вывод резистора — непосредственно к контакту кнопки SB1. При нажатии на эту кнопку счетчики переключаются почти мгновенно, и если ее сразу же отпустить, то обнуление не произойдет по той простой причине, что интегрирующий конденсатор (постоянная времени Т для этой цепочки — 0,5 с) «не успел» зарядиться (вернее, разрядиться до уровня лог. «0»). При отпускании кнопки напряжение на конденсаторе начинает увеличиваться (для ускорения этого процесса параллельно резистору можно включить диод анодом к кнопке SB1, но, к сожалению, при этом начнет «мешать» резистор R2, который очень сильно ограничивает заряжающий конденсатор ток. Выход — подключить вход интегрирующей цепочки к выходу (извините за тавтологию, но по-другому нельзя) второго инвертора (входу С счетчика ИЕ4). Недостатков у этого варианта нет, а большой выходной ток инвертора заряжает интегрирующий конденсатор практически мгновенно), поэтому обнуление счетчиков при разомкнутой кнопке SB1 и Т = R1C1 < 0,5 секунды возможно только с выхода счетчика ИЕЗ.

Рассмотрим теперь схему счетчика часов и календаря (рис. 2.25, д). Сигнал на счетчик часов поступает с провода, подключенного ко входам сброса R счетчиков минут, но при нажатой кнопке SB1 этот сигнал должен блокироваться. Проще всего это сделать, Поставив На входе счетчика часов схему «2И» (R7VD2): на выходе этой схемы появится уровень лог. «1»(и соответственно на входах С счетчиков — уровень лог. «0») только в том случае, если кнопка SB1 не нажата, а счетчик минут переключается из «59» в «00». Если кнопку SB1 Нажать, уровень лог. «0» через диод VD2 закоротит резистор R7 и на перепад уровней С выхода счетчика минут схема не отреагирует.

Показания счетчика часов изменяются с помощью кнопки SB2, а счетчика дней недели — с помощью кнопки SB3. Одновременно при нажатой кнопке через соответствующий диод (VD3 или VD6) микросхема памяти переходит в режим хранения (тактируется). Катоды всех диодов — VD1, VD3 и VD6 — соединены между собой и подключены ко входу CS микросхемы памяти; этот вход через R10 соединен с общим проводом. Поэтому ОЗУ переходит в рабочий режим (т. е. на ее входе CS появляется уровень лог. «0») только тогда, когда на анодах этих диодов появляются уровни лог. «0», т. е. когда ни один счетчик не переключается. За мгновение до переключения любого счетчика на вход CS поступает уровень лог. «1» — быстродействие диодов в сотни раз больше быстродействия счетчиков, — поэтому этот сигнал никогда не «опаздывает». Один из диодов (VD1, VD3 и VD6) можно заменить резистором, в этом случае резистор R10 не нужен.

При нажатии на кнопку SB2 на нижнем по схеме выводе элемента 2ИЛИ-НЕ появляется уровень лог. «1». Так как на его верхнем входе практически постоянно поддерживается уровень лог. «0», то элемент переключается и счетчики «прибавляют» одну единицу. При удерживании этой кнопки в нажатом состоянии более 0,5 секунды интегратор на нижней паре инверторов переключится и через диод VD5 обнулит все счетчики.

-При числе в разряде часов от 0 до 23 на одном или обоих выходах переноса счетчиков ИЕЗ и ИЕ4 присутствует уровень лог. «0», поэтому на выходе схемы «2И-НЕ» (триггер Шмитта) поддерживается уровень лог. «1». Этот уровень не разрешает счетчикам часов обнуляться (на выходе инвертора — уровень лог. «0») и в то же время разрешает нижнему по схеме триггеру Шмитта переключаться от кнопки SB3. Так как дней в неделе сравнительно немного, то блокировка и обнуление счетчика календаря не предусмотрены. Благодаря этому схема стала гораздо проще. Все должно быть в разумных пределах.

Обнуляется счетчик часов через элемент 2ИЛИ, собранный на диоде VD5 и резисторе R8; счетчик дней недели обнуляется при двоичном коде на его выходах, равным 7 (111), через соответствующий выход дешифратора.

Теперь нам осталось только нарисовать блок управления ОЗУ и нагрузкой (звонком). ОЗУ включено по обычной схеме (рис. 2-25, е), и информация, установленная на выходах DI (в схеме используются две микросхемы, все выводы которых, кроме DI и DO, соединены вместе; при изготовлении печатной платы одну микросхему нужно «посадить» сверху на другую (соблюдайте цоколевку!) и паяльником спаять все «нужные» выводы, кроме выводов данных) кнопками SB4 и (или) SB5, записывается при кратковременном нажатии на кнопку SB6 «запись». Так как сразу после включения напряжения питания в большинство ОЗУ по всем адресам записаны «нули», то для облегчения процесса налаживания устройства принято, что звонок должен звенеть только тогда, когда в соответствующем разряде записана «единица».

Для управления звонком используется счетчик, два четырехвходовых логических элемента ИЛИ-HE (для возможности увеличения количества микросхем

Рис. 2.25. Этапы создания универсального таймера с недельным циклом

(продолжение)

памяти до 4) и две дифференцирующие RC-цепочки C7R12 и C8R11. В исходном состоянии оба конденсатора разряжены (на обоих выходах ОЗУ — лог. «0»), на всех входах первого логического элемента установлены уровни лог. «0», на его выходе — лог. «1»; этот уровень блокирует работу нижнего по схеме элемента, на его выходе — уровень лог. «0», транзистор закрыт, и реле К1 обесточено. Звонок не звенит. Как только на одном из выходов (или обоих) ОЗУ появится уровень лог. «1», верхний логический элемент переключится и разрешит работу нижнего элемента. На выходе 2 счетчика в это время уровень лог. «0» (какой-нибудь уровень на выходе ОЗУ появляется только после спада импульса на входе CS; счетчик этим импульсом обнуляется по входу сброса R). Зазвенит звонок, и звенеть он будет в течени 2 секунд (пока на выходе два счетчика, «считающего» импульсы частотой 1 Гц, не появляется уровень лог. «1»), Постоянная времени одной из дифференцирующих цепочек выбрана равной 3 секундам, а второй — 5 секундам. Поэтому если звенит звонок «с урока» (t « 3 с), то через некоторое время после первого звонка, но до начала второго верхний логический элемент переключится и запретит нижнему давать второй и все остальные звонки. Если же звенит звонок «на урок» (t « 5 с), то схема заблокируется только после второго звонка, но до начала третьего.

Каждый уровень на выходе ОЗУ «держится» не менее 5 минут, и за это время он успевает как минимум 4 раза кратковременно «пропасть» из-за воздействия на вход CS сигнала тактирования. Но на работу схемы, управляющей звонком, это не влияет: резисторы R11 и R12 поддерживают на входах элемента уровни лог. «0», а за ту 1 минуту, через которую следуют сигналы тактирования, оба конденсатора успевают полностью зарядиться / разрядиться.

Так как информация на адресных входах ОЗУ изменяется каждые 5 минут, то расстояние во времени между двумя звонками кратно этой величине (5, 10, 15 минут и т. Д.)·

В большинстве школ установлены звонки электромагнитного типа, на которые нужно подавать переменное напряжение амплитудой 220 В и частотой

50..        .60 Гц (сетевое напряжение). Для управления звонком использован симистор (усилитель тока — звонок потребляет до десятков ампер) и реле. Реле К1 нужно для обеспечения гальванической развязки сетевого напряжения и напряжения питания этой схемы (иначе устройство будет «биться током» при прикосновении к нему — ни один руководитель школы не разрешит устанавливать такой «подарок»), кроме того, симистором проще всего управлять именно с помощью реле. Резистор на 100 Ом ограничивает протекающий через контакты К1.1 реле К1 ток в момент их замыкания. Его можно убрать, но делать это нежелательно.

Возможный вариант блока питания устройства изображен на рис. 2.25, ж. Трансформатор Т1 преобразует сетевое напряжение 220 В в напряжение

7..           . 10 В переменного тока. Оно выпрямляется диодным мостом и через диод VD поступает на вход стабилизатора напряжения. На его выходе действует напряжение, примерно равное 6 В, оно должно быть при отключенной батарее гальванических элементов GB1 (четыре батарейки к наручным часам) на 0…0,2 В больше, чем на никуда не подключенной батарее GB1. Благодаря такому режиму батарейки будут немножко подзаряжаться, не перезаряжаясь при этом.

На инверторе собран индикатор снижения напряжения питания, переводящий схему в режим пониженного энергопотребления. Вход этого индикатора подключен к выходу диодного мостика; диод VD в схему введен для того, чтобы индикатор срабатывал сразу же после пропадания напряжения питания, а не после того, как разрядится конденсатор С9 (диод VD «не пропускает» положительное напряжение влево по схеме). Сопротивления резисторов R13 и R14 при указанных на схеме напряжениях должна быть примерно одинаковыми (10…1000 кОм), а емкость конденсатора СЮ должна быть такой, при которой индикатор напряжения никогда не переключается при включенном сетевом напряжении, т. е. как минимум в 3…5 раз больше минимальной.

Когда сетевое напряжение включено, устройство работает как обычно (на выходе инвертора — уровень лог. «0»). Когда сетевое напряжение исчезает, на выходе инвертора появляется уровень лог. «1» и устройство переходит в режим пониженного энергопотребления: ОЗУ через резистор R10 переходит в режим хранения; на левые по схеме выводы кнопок SB1…SB3 подается уровень лог. «1». который присутствует и на их правых выходах; индикаторы, показывающие время и устройство подачи звонков, отключаются. Ток потребления в таком режиме резко снижается и не превышает 20 мкА — от «свежих» батареек такой ток можно «брать» в течение нескольких месяцев. Если же остановить кварцевый генератор, то потребляемый ток снизится еще примерно в 100 раз.

Все, схема устройства нарисована! Теперь осталось только определиться с типом и количеством микросхем, сгладить некоторые «острые углы», продумать, как лучше согласовать между собой отдельные блоки, и можно рисовать итоговую, «большую» схему.

Итак, триггеров Шмитта у нас задействовано ровно 4, т. е. одна микросхема К561ТЛ1; инверторов нужно 7 штук плюс один элемент 2ИЛИ-НЕ. Проще всего поставить одну микросхему ЛЕ5 (1 элемент 2ИЛИ-НЕ + 3 инвертора) и еще одну 4-элементную микросхему, способную работать как инвертор (ЛА7, ЛЕ5, ЛП2, ЛП14).

Хотя давайте посмотрим, может нам удастся как-нибудь сократить схему и обойтись 6 инверторами (К561ЛН2)? Первым делом нужно попытаться «убрать» элемент 2ИЛИ-НЕ. Смотрим: на его верхнем по схеме входе практически постоянно поддерживается уровень лог. «0», а на выходе — лог. «1». То есть инвертору этот элемент необходим — счетчики часов должны переключаться сразу же после начала (фронта) импульса на входах сброса счетчиков минут. Но если мы поставим здесь инвертор с одним входом, как мы будем «настраивать» кнопкой SB2 показания счетчиков часов? Выход, как и все гениальное, прост (не буду уточнять, сколько ночей я не спал, пока додумался до него): между выходом инвертора и входами С счетчиков нужно поставить резистор, а между входами С и точкой соединения конденсатора С4 и резистора R5 — диод. Получилась диодная схема «2И». При нажатии на кнопку SB2 через диод, прямое сопротивление которого гораздо меньше сопротивления резистора, на входы С счетчиков подается уровень лог. «0». Диод VD3 нужно оставить на прежнем месте.

Теперь нам осталось только убрать два инвертора — у микросхемы ЛН2 только 6 инверторов. Один инвертор можно «отобрать» у интегратора, с помощью которого счетчики обнуляются при длительном удерживании кнопки SB2 нажатой — для входов сброса крутизна управляющих импульсов безразлична. К сожалению, больше «лишних» инверторов нет. Но если вспомнить, что любой транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, инвертирует сигнал, то эта проблема станет решаемой. Для увеличения экономичности устройства заменять нужно такой инвертор, который в режиме понижения энергопотребления или не переключается вообще, или меняет свое состояние изредка и на непродолжительный срок. Таковыми являются второй инвертор интегратора, подключенного к кнопке SB2, и инвертор, через который счетчик часов обнуляется. Первый вариант для нас неприемлем — к выходу этого инвертора подключены конденсатор и диоды, требующие значительного импульсного тока. А вот второй вариант подходит идеально, заодно мы «сэкономим» диод VD5 (транзистор инвертора должен быть структуры р-п-р: большую часть времени на его входе будет присутствовать уровень лог. «1», а для уменьшения энергопотребления нужно, чтобы транзистор почти всегда был закрыт).

Теперь остались счетчики. Схема требует три трехразрядных счетчика и один — пятиразрядный. С последним все понятно: или К176ИЕ1, или К176ИЕ2, или К561ИЕ20. ИЕ1 — самый дешевый и «малогабаритный», на нем и остановимся. А вот строенных счетчиков, по моим сведениям, до сих пор не существует. Поэтому возьмем или два сдвоенных ИЕ10 (один счетчик окажется «лишним»), или лучше ИЕ10+ИЕ11 — этот вариант дешевле. Вместо ИЕ11 можно взять еще более дешевый ИЕ1.

Теперь определимся, куда и какой счетчик поставим. Счетчик минут работает по спаду, календарь — по фронту, счетчик для звонка — безразлично; но лучше по спаду. Микросхема ИЕ11 работает по фронту, ее мы поставим в календарь. Остальные счетчики соберем на микросхеме ИЕ10. Кстати, именно такое включение микросхем будет удобно и при изготовлении платы устройства — оба счетчика, относящиеся к микросхеме ИЕ10, должны быть расположены недалеко от задающего генератора (ИЕ12), т. е. недалеко друг от друга.

В качестве индикаторов возьмем светодиод типа АЛС324Б. Они собраны по схеме с общим анодом, т. е. на их общий вывод нужно подать положительное напряжение. Так как на выходе индикатора напряжения в рабочем режиме присутствует уровень лог. «0», то без инвертора не обойтись. Его мы соберем на мощном транзисторе, который заодно будет выполнять и роль усилителя тока. Индикатор в разряде десятков часов к питанию подключим через транзистор, а его базу соединим с выходом f соответствующего дешифратора. При коде цифры «0» на этом выходе будет присутствовать уровень лог. «0», а при коде «1» и «2» — уровень лог. «1». Для того чтобы «0» гасился, а «1»и «2» — нет, транзистор должен открываться при положительном напряжении на базе? т. е. он должен быть структуры п-р-п. Так как инверсия сигнала не нужна (положительное напряжение на общем входе индикатора должно присутствовать только тогда, когда на выходе f дешифратора действует уровень лог. «1»), то транзистор мы включим по схеме с общим коллектором и резистор в цепи базы не нужен.

Для нормальной работы этого транзистора выход f дешифратора к соответствующему входу индикатора лучше не подключать (кстати, здесь можно использовать индикатор с перегоревшим сегментом f); для того чтобы яркость свечения индикатора десятков часов совпадала с яркостью свечения всех остальных индикаторов (на эмиттерном повторителе, через который управляется этот индикатор, «падает» 0,6…0,8 В), все остальные индикаторы к источнику питания нужно подключить через диод, на котором будет «падать» такое же напряжение. Яркость свечения всех индикаторов зависит от сопротивления резистора R19.

Теперь нам осталось только «причесать» схему, чтобы довести ее до совершенства, а точнее т— поискать и попытаться устранить разнообразные так называемые мною «острые углы». Таковыми могут оказаться резисторы, через которые в режиме пониженного энергопотребления течет значительный ток; счетчики, не желающие считать и (или) обнуляться? и т. д. В этой схеме мною было обнаружено два таких «угла»: цепь сброса счетчика часов при переполнении, и подключение резервного источника питания.

Как только счетчик часов «досчитает» до числа «24», на выходе триггера Шмитта появится уровень лог. «0», а на выходе инвертора — уровень лог. «1». Счетчики начнут обнуляться, и может случиться так, что один из счетчиков (ИЕЗ или ИЕ4) обнулится быстрее второго и уровнем лог. «0» на своем выходе переноса установит «ноль» на входах сброса. То есть обнулятся не все три счетчика, а только один-два.

Соберем схему счетчика часов на макете и, подавая на ее вход С прямоугольные импульсы с выхода логического пробника, проследим, как обнуляются счетчики (перед тем как что-нибудь забраковать, нужно убедиться, что это именно брак). Если вы правильно собрали эту схему, то должны заметить, что счетчики всегда работают так, как должны. Объяснение этому — задержка выходов счетчиков и логических элементов, из-за которой длительность сигнала сброса становится чуть ли не в 2 раза больше минимальной. То есть никакого «острого угла» здесь нет.

А вот со второй проблемой нужно бороться. Подключив между выходом и общим проводом микросхемы-стабилизатора источник питания напряжением 6 В через миллиамперметр, можно убедиться, ток в цепи превышает 20 мА, т. е. батареек «хватит» на несколько часов, а не на полгода, как хотелось бы. Поэтому оба источника питания (основной и резервный) к схеме нужно подключить через диоды с большим обратным сопротивлением.

Кстати, тут можно «сэкономить» одну батарейку, поставив в схему вместо четырех три батарейки. Четыре батарейки я взял для того, чтобы было проще согласовать их суммарное напряжение (5,6…6 В) с выходным напряжением стабилизатора (6,0 ±0,2 В), напряжение резервного источника питания может быть от 3 до 6 В. Если же использовать 5 В – стабилизатор и его выход к схеме подключить через диод, падение напряжения на котором составляет 0,6…0,8 В, то можно обойтись и тремя батарейками (4,2…4,5 В). Так мы и сделаем.

Полная схема устройства изображена на рис. 2.26. Как она работает, вам уже известно. В схему добавлен только переключатель SA1, нажав на который можно остановить задающий генератор (при этом потребляемый им ток не уменьшается) и заблокировать работу элемента DD14.2, управляющего звонком. Этот переключатель значительно облегчает процесс программирования ОЗУ.

Переведя переключатель SA2 в нижнее по схеме положение, можно отключить устройство подачи звонков (часы при этом будут работать как обычно); возможность принудительного включения звонка нажатием на кнопку SB7 при этом сохранится. Такой режим работы Подойдет для случая, когда расписание на один-два дня нужно изменить и нет желания «мучиться» с программированием ОЗУ. В таком случае звонки будут включать вахтерши.

У показанного на схеме включения кнопки SB7 есть один недостаток: если на нее нажать в режиме пониженного энергопотребления, то реле К1 сработает — а оно потребляет немалый ток. Чтобы устранить возможность срабатывания реле, нижний по схеме вывод кнопки нужно соединить не с шиной «+U», а с тем проводом (выводом), напряжение на котором есть только в рабочем режиме. а при отключении напряжения питания становится равным нулю. Наиболее «привлекательная» для нас подобная точка — вывод 13 элемента DD3.6. Сюда его и нужно подключить.

Конденсатором С2 можно изменять частоту задающего генератора: если часы спешат, то его емкость нужно увеличить; если это не помогает —■ нужно увеличить и емкость конденсатора С1. Если суммарная емкость этих конденсаторов превышает 120…150 пФ, а часы все равно спешат — лучше всего поменять кварц ZQ1 на другой аналогичный (я использовал кварц от наручных часов).

Микросхема К176ИЕ12 довольно плохо работает от слишком низкого (4,5 В) для нее напряжения. Выражается это в том, что кварцевый генератор не хочет запускаться. Помочь ему в этом можно двумя способами: уменьшив сопротивление резистора R1 (резко увеличится потребляемый схемой ток) или пытаясь «раскачать» генератор, касаясь пальцами выводов 12…14 микросхемы, пока не «заморгает» точка на индикаторе HG3. Последний вариант по затратам наиболее выгоден, а работающий генератор не остановится до тех пор, пока батарейки не разрядятся окончательно.

Для управления мощным симистором использовано герконовое реле К1. Реле бывают трех типов: электромагнитные («обычные»), герконовые (на основе контактов, управляемых электромагнитным полем, — герконов) и твердотельные (полупроводниковые — на основе оптронов). Самые дешевые — два первых вида; герконовые реле по сравнению с электромагнитными потребляют гораздо меньший ток, но и контакты у них более слабые, рассчитанные на коммутирование незначительных токов. В схеме можно использовать любые реле с напряжением срабатывания 4 В и меньше. Если вам не удается «достать» столь низковольтные реле, то можно аккуратно разобрать любое имеюшееся и перемотать его обмотку более толстым проводом. Чем больше габаритные размеры реле и диаметр провода обмотки, тем больший ток оно потребляет — микросхема DA1 и транзистор VT2 должны быть рассчитаны для работы с ним (при токе более 150 мА транзистор нужно заменить на более мощный — КТ815, КТ817). Этот же ток должны выдерживать и трансформатор Т1 с диодами VD7…VD12.

Коротко про некоторые условные обозначения, принятые на схеме. Все выводы деталей, помеченных одинаково («CS», «вкл.», «+U»), должны быть соединены друг с другом. Это сокращение введено для того, чтобы не «тянуть» через весь рисунок линии, тем самым загромождая и делая его непонятным. Также на схеме есть шина из проводов, она отмечена более толстой линией. В шину «сплетены» несколько (от трех до бесконечности) проводов, изолированных друг от друга. Каждый отвод (вход или выход — безразлично) от шины помечается любым целым десятичным числом; так, например, как видно из рисунка, вход А4 ОЗУ соединен с выходом одного счетчика DD9. Номера провода с шины всегда ставятся над линией, символизирующей этот провод; если провод пересекает шину, но не входит в нее, то его рисуют как обычно, но номер не ставят (см.; например, соединение входов С счетчиков DD7 и DD9); если же он входит в шину и должен пересечь ее, то номера ставятся с обеих сторон (см. соединение микросхем DD10 и DD11). Круглые точки — знак соединения — на шинах ставить нельзя. Нельзя также, чтобы два разных провода, входящих в шину с разных сторон, перпендикулярно ей, являлись продолжением одной прямой, пересекающей шину, — эти провода должны быть смещены относительно друг друга. Также обратите внимание, как входят/выходят в шину «последние» провода, — это нужно знать, чтобы безошибочно читать чужие схемы и чтобы другие смогли понять вашу. Кстати, в шину можно было бы «загнать» и провода «CS», «вкл.» и др.; но в таком случае на схеме появились бы «лишние» провода

Рис. 2.26. Принципиальная схема узла таймера между соответствующим выводом и шиной, загромождающие рисунок. Всего должно быть в меру.

При налаживании схемы нужно добиться того, чтобы все ее узлы (блоки) работали так, как хочется нам, а не им. Сразу после включения напряжения питания по большинству (но не по всем) адресам ОЗУ записываются «нули». Чтобы стереть Не нужные нам «единицы», которые записаны по случайному адресу.

на левый по схеме вывод конденсатора С4 нужно подать сигнал частотой около 1000 Гц (соединив его не с выводом 10, а с выводом 11 микросхемы DD1 — в схеме можно даже предусмотреть переключатель, который будет это делать). Кнопка SB6 при этом должна быть нажата. Этот процесс нужно продолжать до тех пор, пока, судя по показаниям календаря, не пройдет две недели, то есть секунд пять. После Этого можно считать, что по всем адресам записаны «нули», и можно начинать записывать «единицы» (вначале нажать на одну или обе) кнопки SB4, SB5, а потом, удерживая эти кнопки нажатыми, на SB6) при тех показаниях индикаторов часов, когда должен звенеть звонок.

На параллельные входы D счетчика DD10 можно подать любые логические уровни. Микросхему К561ЛЕ6 можно заменить на К176ЛП11 (цоколевка та же), при этом появится один «лишний» инвертор, которым можно будет заменить транзистор VT1. Но в таком случае между выходом инвертора и входами сброса нужно будет поставить диод. Адресные входы ОЗУ можно подключить к любым выходам любого счетчика DD6.1, DD9, DD10: микросхеме памяти все равно, в каком порядке Перебираются адреса, по какому адресу информация была записана, по такому адресу она и считается. На схеме указана именно такая разводка выводов исключительно ради «красоты», и ее можно изменить. Главное, чтобы все 12 выходов счетчиков были соединены со всеми адресными входами ОЗУ.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты