Привет, Хабр! Сегодня мы изучим ещё одну секретную китайскую плату, предназначенную для экзамена по электронике.
Разработчики этого учебного пособия уделили особое внимание распространённой микросхеме прецизионного интегрального таймера КР1006ВИ1 (NE555), про особенности и возможности которого многие из нас смогут узнать немало нового.
Экзаменуемым предлагается набор электронных компонентов, содержащий плату с двумя ошибками, и принципиальная электрическая схема, в соответствие с которой следует привести эту плату.
На схеме мы можем наблюдать два идентичных модуля на интегральных таймерах КР1006ВИ1 U1 и U2, а также третий, более простой модуль, с которого мы и начнём наше исследование.
Сигналы с выходов первого и второго модулей поступают на вход третьего через логический модуль, использующий три из четырёх элементов 2И-НЕ микросхемы К561ЛА7 (CD4011).
▍ Что скрывает таймер 555?
Для начала вспомним, как устроена микросхема NE555P, и для чего предназначен каждый из её выводов.
В левой части схемы таймера NE555 изображены два компаратора — верхний COMP1 и нижний COMP2.
Компаратором называется схемотехнический узел, имеющий выход и два входа — неинвертирующий и инвертирующий. По сути, компаратор представляет собой операционный усилитель с разомкнутой петлёй отрицательной обратной связи.
В случае, если напряжение на неинвертирующем входе выше, чем на инвертирующем, выход компаратора находится в состоянии высокого логического уровня. То есть, выход подключён к плюсу питания. В противном случае наблюдается низкий уровень на выходе. Иными словами, выход соединён с минусом питания.
Компараторы часто встраивают в различные микросхемы, в том числе микроконтроллеры, а также выпускают в виде специализированных микросхем.
Опорные напряжения для встроенных компараторов таймера NE555 формируются делителем, представляющим собой лестницу из трёх резисторов, каждый из которых имеет сопротивление 5 килоом.
Такой делитель встречался нам на предыдущей секретной плате, где с его помощью и посредством компараторов реализован ступенчатый индикатор уровня сигнала.
Сопротивления резисторов одинаковы, и делитель включён между плюсом питания — VCC, выводом 8, и землёй — GND, выводом 1 микросхемы. Поэтому напряжение на инвертирующем входе верхнего компаратора COMP1 равно двум третям, а на неинвертирующем входе нижнего COMP2 — одной трети напряжения питания.
Данные опорные напряжения можно изменить, если подключить источник внешнего напряжения к выводу 5 — CV, control voltage. Это внешнее напряжение не должно превышать напряжения питания микросхемы.
В любом случае, опорное напряжение нижнего компаратора будет равняться половине опорного напряжения верхнего компаратора, присутствующего на выводе 5.
Правила хорошего тона при разработке электронных схем предписывают заземлять пятый вывод микросхемы NE555 по переменному току посредством конденсатора, чтобы защитить компараторы от помех и получить гарантированную стабильность работы.
Авторы данной секретной платы пренебрегли этим правилом, оставив входы управляющего напряжения висеть в воздухе. Однако в данном случае это не приводит к каким-либо сбоям в работе.
Пятый вывод микросхемы NE555 — это не только вход, но и выход, который можно использовать в качестве источника опорного напряжения для других частей схемы. Но в таком случае его нужно снабдить буферным повторителем напряжения на операционном усилителе.
В средней части схемы таймера NE555 мы видим RS-триггер (FLIP-FLOP). Подробнее про триггеры можно прочитать здесь.
Триггер устанавливается в единицу, когда напряжение на входе запуска 2 (TRIGGER) ниже опорного, то есть, трети напряжения питания или половины управляющего напряжения на выводе 5.
Триггер сбрасывается в ноль, если напряжение на входе 6 (порог, ¬THRESHOLD) выше двух третей напряжения питания или потенциала пятой ноги микросхемы.
Также для сброса триггера предусмотрен отдельный инвертирующий вход 4 (¬RESET). Этот вход имеет наивысший приоритет. Пока на нём присутствует низкий логический уровень, триггер будет оставаться сброшенным.
Триггер предусмотрен в составе прецизионного интегрального таймера затем, чтобы обеспечить максимально чёткую работу без ложных срабатываний.
В правой части схемы таймера NE555 изображены два выхода — двухтактный вывод 3 и выход 7 с открытым коллектором, предназначенный для разряда времязадающего конденсатора.
Оба эти выхода являются инвертирующими, так как транзисторный каскад с общим эмиттером представляет собой логический элемент «НЕ».
Выход триггера на структурной схеме обозначен кружком, то есть, помечен как инвертирующий. Таким образом, логический уровень на выходе 3 будет соответствовать состоянию триггера. При установленном триггере транзистор выхода 7 будет закрыт, а при сброшенном — открыт.
Итак, при логическом нуле на входе сброса на выходах микросхемы NE555 всегда логический нуль.
Если на входе сброса логическая единица, и напряжение на входе «запуск» ниже трети напряжения питания или половины управляющего, на выходе логическая единица независимо от состояния входа «порог».
Если на входе сброса логическая единица, и напряжение на входе «запуск» выше трети напряжения питания или половины управляющего, а также напряжение на входе «порог» выше управляющего или двух третей напряжения питания, на выходе логический ноль.
И наконец, если на входе сброса логическая единица, и напряжение на входе «запуск» выше трети напряжения питания или половины управляющего, а напряжение на входе «порог» ниже управляющего или двух третей напряжения питания, то состояние выходов микросхемы не изменяется по сравнению с предыдущим.
Так обеспечивается гистерезис, необходимый для работы мультивибраторов и одновибраторов.
▍ Мультивибратор на NE555
Теперь мы готовы понять принцип работы генератора незатухающих электрических колебаний, а точнее, автогенератора прямоугольных импульсов, на микросхеме U4. Будем считать, что на входе 4 «сброс» логическая единица.
Входы 2 «запуск» и 6 «порог» микросхемы соединены между собой и подключены к плюсовому выводу электролитического конденсатора С1, минусовой вывод которого соединён с землёй схемы.
В момент включения питания после длительного бездействия напряжение на конденсаторе будет ниже трети напряжения питания. Поэтому триггер микросхемы NE555 будет установлен в единицу. Выходной транзистор вывода 7 «разряд» будет закрыт, и С1 будет заряжаться от плюса питания через последовательно соединённые резисторы R28 и R29.
Как только напряжение на C1 достигнет двух третей напряжения питания, сработает верхний компаратор, триггер перебросится в ноль, откроется транзистор выхода 7 «разряд», и C1 начнёт разряжаться через резистор R29.
Также с плюсовой шины питания потечёт ток через резистор R28 и выходной транзистор микросхемы, но этот ток никак не влияет на процесс разряда конденсатора.
Если бы схема питалась от источника с более высоким напряжением, например, 9 вольт, либо если снизить опорные напряжения компараторов посредством вывода 5, мы могли бы подключить светодиод последовательно с резистором R28.
Тогда при закрытом разрядном транзисторе таймера светодиод не будет светиться, или его свет будет очень тусклым. А при открытом транзисторе светодиод загорится ярче.
Как только напряжение на C1 составит меньше одной трети напряжения питания, триггер перебросится в единицу, и конденсатор снова начнёт заряжаться. Далее процесс повторяется.
Итак, конденсатор заряжается через два последовательно соединённых резистора R28 и R29, а разряжается через один резистор R29 и выходной транзистор микросхемы NE555P.
Время состояния высокого уровня можно рассчитать по формуле 0.693(R28+R29)C5 = 0.693 * 0.480 МОм * 1 мкФ = 0.333 с.
Формула длительности состояния низкого уровня выглядит как 0.693R29C5 = 0.693 * 0.470 МОм * 1 мкФ = 0.326 с.
Итого получается период колебаний 333 + 326 = 659 миллисекунд, и, соответственно, частота 1.52 Гц. Сопротивление резистора R29 в 47 раз больше, чем у R28, поэтому получается почти совершенный меандр.
Коэффициент заполнения ШИМ на выходе 3 микросхемы можно рассчитать по формуле 1 — R29/(R28+2R29) = 1-470/950 = 1 — 0.495 = 0.505. Соответственно, скважность равна 1/0.505 = 1.979.
Двухтактный выход 3 таймера U4 соединён через резистор R30 с базой транзистора Q5, включённого по схеме с общим эмиттером. Нагрузкой транзистора являются 4 жёлтых светодиода D13-D16, каждый со своим токоограничивающим резистором.
При логической единице на выходе U4 транзистор Q5 откроется, и жёлтые светодиоды всех четырёх светофоров будут светиться. При логическом нуле Q5 закрыт, и жёлтые светодиоды не светятся.
Вход сброса 4 таймера U4 подключён на выход логического элемента 2И-НЕ U3C. При логическом нуле на выходе U3C триггер таймера удерживается в сброшенном состоянии, и жёлтые огни не светят.
Разрядный транзистор таймера всё это время открыт, и конденсатор C1 разряжается не до трети напряжения питания, а ниже, до напряжения коллектор-эмиттер разрядного транзистора в режиме насыщения. При околонулевом токе последнее составляет примерно 150 милливольт.
Поэтому при появлении логической единицы на входе сброса U4 жёлтые огни включатся на время, необходимое для заряда C1 от 150 до 1667 милливольт, а затем, пока на входе сброса остаётся высокий уровень, жёлтый будет мигать с частотой полтора герца.
▍ Мультивибратор на двух одновибраторах
Теперь рассмотрим более сложный узел на таймере U1. Здесь к плюсовому выводу времязадающего конденсатора C1, кроме резисторов на плюс питания, подключены только открытый коллектор разрядного транзистора и вход нижнего компаратора.
На транзисторе Q1 собран логический инвертор — элемент НЕ. Когда на его входе — верхнем по схеме выводе R1 — низкий уровень напряжения, транзистор закрыт, и его коллектор, а соответственно и выход инвертора, подтянут к плюсу питания резистором R2.
Когда на входе инвертора появляется логическая единица, Q1 открывается, и получается логический ноль на входе сброса U1. Соответственно, на выходе таймера логический ноль. Транзистор Q2 закрыт, светодиоды D3-D6 не светятся.
Но при этом вход запуска U1 через диод D1 и открытый транзистор Q1 соединяется с землёй схемы, что является сигналом для запуска таймера в моностабильном режиме, то есть, режиме ждущего мультивибратора, или одновибратора.
Когда низкий логический уровень на входе инвертора Q1 сменяется высоким, транзистор открывается и снимает сигнал сброса с U1. В этот момент одновибратор запускается.
Разрядный транзистор U1 закрывается, и конденсатор C1 заряжается через резисторы R18 и R5 до двух третей напряжения питания, после чего одновибратор снова перейдёт в ждущее состояние с низким уровнем на выходе, и светодиоды D3-D6 погаснут.
При этом закроется транзистор Q3, и эстафета передаётся второму точно такому же ждущему мультивибратору на микросхеме U2. Который затем вернёт эстафетную палочку одновибратору на U1, и процесс будет повторяться бесконечно.
Однако сразу после включения питания ни один из светодиодов не светится. Колебательной системе из двух ждущих мультивибраторов необходим первоначальный сигнал запуска, который приходит с кнопки SW1, подключённой параллельно транзистору Q1.
Время, в течение которого горит зелёный свет для проезда перекрёстка слева направо и наоборот, регулируется переменным резистором R5, а сверху вниз и снизу вверх — соответственно, R6.
▍ Логика включения жёлтого
Когда таймер переходит в состояние высокого уровня на выходе, это не только зажигает светодиоды, запускает заряд времязадающего конденсатора и сбрасывает другой таймер, но и практически мгновенно заряжает второй времязадающий конденсатор — C2 через диод D2 или С4 через D8.
После перехода выхода таймера в логический ноль, C2 будет разряжаться через R15 и R3, и по прошествии некоторого времени логический уровень на нижнем по схеме входе логического элемента U3А сменится с высокого на низкий.
Чтобы разблокировать астабильный мультивибратор на U4, отвечающий за мигающий жёлтый цвет, нам нужен высокий уровень на выходе элемента И-НЕ U3C. То есть, логический ноль на выходе U3А или U3В, либо их обоих.
А для этого необходима логическая единица на обоих входах U3А или обоих входах U3В. То есть, в данном макете светофора жёлтый будет включаться вместе с зелёным или красным и светить, пока конденсатор C2 или С4 не разрядится до уровня логического нуля.
▍ Сборка, испытания и выводы
Чтобы схема заработала, необходимо найти и восстановить две недостающие дорожки на плате — между третьим и восьмым выводами CD4011 и между R12 и базой Q4.
Это не самая лучшая модель светофора, где жёлтый никогда не горит отдельно, а всегда вместе с красным или зелёным.
Мигание жёлтого в таком контексте может ввести водителя в заблуждение: светит зелёный, а жёлтый погас — значит, можно трогаться с места? — Нет, нельзя. Он просто мигает.
Однако для ускоренной демонстрации можно настроить время проезда перекрёстка так, чтобы жёлтый загорался и не успевал начать мигать. Это больше похоже на привычные нам светофоры, и именно так макет настроен на видео.
Скидки, итоги розыгрышей и новости о спутнике RUVDS — в нашем Telegram-канале 🚀
