11.4. Преобразователь на интегральном таймере

Интегральные таймеры являются наиболее яркими представителями устройств смешанного типа, из них наиболее популярным является таймер NE555 (отечественный аналог КР1006ВИ1). Учитывая его широкое распространение в различной аппаратуре промышленного и бытового назначения, рассмотрим кратко характеристики и особенности применения NE555 [34].

Функциональная схема таймера и его графическое обозначение в программе EWB показаны на рис. 11.5. Таймер содержит два компаратора на OU1 и OU2, RS-триггер, инвертирующий усилитель мощности UM, транзисторы VT1, VT2 для цепи разряда и принудительного сброса соответственно. Внутренний резистивный делитель задает пороговые напряжения, равные 2Ucc/3 для OU1 и Ucc/3 для OU2.

Напряжение питания таймера Ucc равно 5...16,5 В, ток нагрузки (вывод 7) — 200 мА, что позволяет управлять непосредственно лампочками или электромагнитными реле. Выходное сопротивление около 10 Ом как для низкого, так и для высокого уровней выходного напряжения. Запуск таймера осуществляется подачей на вывод 2 напряжения менее Ucc/3 (эту цепь обычно называют триггерным входом). При высоком напряжении на выводе 2 состоянием выхода таймера можно управлять с помощью компаратора OU1 по выводу 6, называемому обычно пороговым входом. Входной ток, втекающий в OU1 (вывод 6) и вытекающий из OU2 (вывод 2), не превышает 0,5 мкА. Для сброса таймера, т.е. установки на его выходе низкого напряжения независимо от напряжения на выводах 2 и 6 используется вывод 4. Если напряжение на этом выводе меньше 0,4 В, напряжение на выходе равно 0,1—0,2 В, а при напряжении больше 1 В цепь сброса выключена и не влияет на работу таймера. Кроме низкоомного выхода (вывод 3) таймер имеет и вспомогательный высокоом-ный выход (вывод 7, коллектор транзистора VT1). Этот вывод обычно используется для организации обратной связи с выхода на входы (выводы 2 и 6) таймера. Допустимое изменение напряжения на выводах 2, 4, 6 и 7 находится в пределах О...16,5 В. В таймере имеется доступ через вывод 5 к входам внутренних компараторов, на которые поданы пороговые напряжения. Этот вывод от резистивного делителя позволяет изменять пороговые напряжения компараторов при постоянном напряжении питания и тем самым дополнительно управлять работой таймера. Чтобы избежать влияния внешних помех и пульсации напряжения питания на точность работы таймера, рекомендуется шунтировать вывод 5 конденсатором емкостью 0,01 мкФ.

В режиме прямой трансляции сигнала со входа на выход таймер работает в диапазоне частот до 10 МГц. Однако приводимое в справочных данных значение погрешности формирования временного интервала, равное 0,5%, измеряется обычно при формировании импульсов длительностью более 10 мкс. Время нарастания выходного напряжения таймера не превышает 100 нс.

Временные параметры таймера слабо зависят от изменений Ucc и температуры и полностью определяются схемотехникой внутренних компараторов и качеством биполярной технологии их изготовления. В таймерах, изготовленных по КМОП-технологии, отличающейся худшим согласованием параметров парных транзисторов, зависимость характеристик от Ucc и температуры значительно выше, чем у таймеров, изготовленных по биполярной технологии.

Чтобы параметры времязадающей ЕС-цепи не влияли на точность формирования временных интервалов, необходимо ограничить диапазон изменения сопротивления R и емкости С. Максимальное сопротивление R определяется входным током I, компараторов. Для формирования устойчивых временных интервалов достаточно выбрать максимальное сопротивление R из условия Rmax<Ucc/Ii; при Ucc=10 В и Ii=0,5 мкА Rmax=20 МОм. При включении таймера по схеме мультивибратора, когда выводы 2 и 6 объединены, таймер сохраняет работоспособность при R>Rmax при этом не рекомендуется использовать времязадающие резисторы с сопротивлением R>10 МОм.

Минимальное сопротивление R определяется максимально допустимым током, протекающим через транзистор VT1 таймера при его насыщении. Хотя допустимый выходной ток устанавливают обычно на уровне 100 мА, не рекомендуется использовать малые сопротивления R в сочетании с большими емкостями С. Объясняется это тем, что при разряде конденсатора большой емкости транзистор VT1 переходит в режим насыщения через конечное время, в течение которого он находится в активном режиме при напряжении коллектор-эмиттер U«.=Ucc/2, и при Rn,,„ он может выйти из строя из-за большой рассеиваемой на нем мощности. Поэтому при формировании малых временных интервалов рекомендуется ограничиться значением Еmin=1 кОм и выбрать исходя из этого емкость С. Если же таймер применяется в схеме, где С<100 пФ, то сопротивление R может быть уменьшено до 150 Ом.

Минимальная емкость времязадающего конденсатора С должна быть значительно больше изменений емкости выводов 2, 6 и 7, зависящей от напряжения на них. Поскольку эти изменения при перезаряде С не превышают нескольких пикофа-рад, при формировании точных временных интервалов целесообразно выбирать С<100 пФ. Можно применять конденсаторы С сколь угодно большой емкости, если их ток утечки пренебрежимо мал. Фактически же, чем больше емкость конденсатора, тем больше его ток утечки. Для нормальной работы таймера необходимо, чтобы ток утечки конденсатора С не превышал зарядный ток через резистор R. Для формирования точных (<1%) временных интервалов ток утечки через С должен быть более чем на два порядка меньше зарядного тока.

Выходной инвертирующий усилитель таймера UM работает в режиме АВ, вследствие чего на переходной характеристике возникает "полка" длительностью 10...20 нс при напряжении 1,5 В. Если таймер нагружен на быстродействующие ТТЛ-схемы (например, серий 130 или 533), то наличие такой "полки" недопустимо, так как она может вызвать ложное срабатывание логического элемента. Для устранения этого недостатка необходимо выход таймера зашунтировать конденсатором емкостью около 100 пФ.

Преобразователи на интегральных таймерах отличаются весьма широким частотным диапазоном (в пределах 2...4 декад) [25]. Так, при включении таймера по схеме самовозбуждающегося мультивибратора можно получить линейный преобразователь напряжения в частоту, изменяющуюся от 10 Гц до 10 кГц, причем этот диапазон может быть легко сдвинут в любую сторону заменой одного из элементов схемы [25]. К сожалению, модель таймера NE555 в программе EWB далека от совершенства и не позволяет это реализовать. Предварительное исследование преобразователя, схема которого приведена на рис. 11.6, показало, что преобразуемое напряжение должно быть больше напряжения питания Ucc. Кроме того, схема не работает при отсутствии дополнительного сопротивления в цепи разряда интегрирующего конденсатора (транзистор VT1), поэтому сопротивление его заряда составлено из сопротивлений двух резисторов — R и R'.

В схеме на рис. 11.6 использована пассивная интегрирующая RC-цепь, поскольку преследовалась только цель проверки ее работоспособности. Для повышения линейности преобразователя на входе практического аналога схемы на рис. 11.6 используется преобразователь напряжение-ток (стабилизатор тока) [25].

Осциллограммы сигналов на выходе OUT микросхемы и конденсаторе С показаны на рис.11.7.

Контрольные вопросы и задания

1. Что из себя представляют интегральные таймеры и почему они так называются?

2. Чем вызвана популярность интегрального таймера NE555?

3. Проверьте работоспособность схемы преобразователя на рис.11.6 при Ui=4..40 В с оценкой линейности преобразования в этом диапазоне.