Электроника:Эксперименты/Таймерные схемы 555/Минимальное количество комплектующих для КМОП 555 прибора на красных светодиодах

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak)
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Минимальное количество комплектующих для КМОП 555 проблескового прибора длительного действия на красных светодиодах[1]

Оборудование и материалы

  • Две батарейки ААА
  • Зажим для батареи (каталог Radio Shack №270-398B)
  • Один мультиметр (постоянного или переменного тока)
  • U1 – ИС таймера T-One КМОП TLC555 (каталог Radio Shack №276-1718 или аналог)
  • D1 – красный светодиод (каталог Radio Shack 276-041 или аналог)
  • R1 – резистор 1,5 Мом, ¼ Вт, 5%
  • R2 – резистор 47 кОм, ¼ Вт, 5%
  • C1 – танталовый конденсатор 1 мкФ (каталог Radio Shack №272-1025 или аналог)
  • C2 – электролитический конденсатор 100 мкФ (каталог Radio Shack №272-1028 или аналог)

Ссылки по теме

  • «Уроки по электрическим цепям», том I «Постоянный ток», глава 16: «Постоянные времени в RC и L/R цепях» (раздел «Расчёт напряжения и силы тока»)
  • «Уроки по электрическим цепям», том I «Постоянный ток», глава 16: «Постоянные времени в RC и L/R цепях» (раздел «Расчёт неизвестного времени»)
  • «Уроки по электрическим цепям», том III «Полупроводники», глава 9: «Практические аналоговые полупроводниковые схемы» (раздел «Электростатический разряд»)
  • «Уроки по электрическим цепям», том IV «Цифровая электроника», глава 10: «Мультивибраторы»

Цели эксперимента

  • Изучить практическое применение постоянной времени RC
  • Изучить одну из нескольких конфигураций нестабильного мультивибратора с таймером 555
  • Ознакомиться с концепцией рабочего цикла
  • Научиться обращаться с деталями, чувствительными к электростатическому разряду

Схематическая диаграмма

Рис. 1. Схематическая диаграмма: проблесковый прибор длительного действия на красных светодиодах.
Рис. 1. Схематическая диаграмма: проблесковый прибор длительного действия на красных светодиодах.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: проблесковый прибор длительного действия на красных светодиодах.
Рис. 2. Иллюстрация: проблесковый прибор длительного действия на красных светодиодах.

Ход эксперимента

Осторожно!

В этом проекте используется чувствительная к статическому электричеству схема КМОП 555. Если вы не используете защиту (как описано в томе III «Полупроводники», глава 9 «Практические аналоговые полупроводниковые схемы», раздел «Электростатический разряд») то это может привести к её разрушению.

Модель 555 не отличается особой мощностью, но это детище 1970-х годов (если конкретнее – создана в 1971 году). Она истощает батарею за дни, если не часы. К счастью, конструкция была заново переизобретена с использованием технологии КМОП. Новая реализация не идеальна, так как ей не хватает того отличнейшего привода по току, как было в оригинале, но для КМОП-устройства выходной ток по-прежнему очень хорош. К основным преимуществам можно отнести более широкий диапазон питающих напряжений (характеристики блока питания от 2 В до 18 В, будет работать от батареи 1½ В) и малое энергопотребление. В этом проекте используется TLC555, разработка компании «Texas Instruments». Существуют и другие КМОП-схемы 555, почти такие же, но кое-какие отличия есть. Эти чипы предназначены для быстрой замены и работают очень хорошо, пока выход не сильно загружен.

Эта конструкция превращает недостаток в преимущество, так как ток привода ухудшается только при более низких напряжениях питания, его характеристики не более 3 мА для 2 В постоянного тока. Этот дизайн пытается продлить срок службы батарей, используя несколько различных подходов. Микросхема КМОП имеет чрезвычайно низкий ток и посылает светодиоду импульс длительностью 30 мс (это весьма короткое время, но оно заметно для человеческого глаза), а также использует медленную частоту мигания (через каждую секунду) с использованием действительно больших резисторов для минимизации тока. При рабочем цикле 3% эта схема проводит бо́льшую часть времени в выключенном состоянии, и (при условии, что для светодиода 20 мА) средний ток составляет 0,6 мА. Большая проблема заключается в использовании встроенного ограничения тока этой ИС, поскольку она не рассчитана на определённый ток, а ток светодиода может сильно различаться между различными КМОП.

С электролитическими конденсаторами могут возникнуть проблемы при работе с очень низкими токами (в данном случае 2 мкА), поскольку утечка может быть чрезмерной, что является пограничным состоянием отказа. Если в вашем эксперименте, вроде бы, это происходит, это можно исправить, зарядив батарею, а затем разрядив конденсатор C1 через любой проводник несколько раз.

Когда вы замкнёте эту схему, светодиод должен начать мигать и будет продолжать это делать в течение нескольких месяцев. Если вы используете батареи большего размера, такие как элементы D, эта и без того немалая продолжительность резко увеличится.

Чтобы измерить потребляемый ток, питающий светодиод, подключите (+) у C1 к VCC с помощью перемычки (показана красным цветом на рисунке 2), которая включит TLC555. Измерьте силу тока, протекающую от батареи к цепи. Целевой ток составляет 20 мА, я измерил от 9 мА до 24 мА, используя разные КМОП 555. Это не критично, но влияет на срок службы батареи.

Теоретическое обоснование

Наблюдательный читатель заметит, что это в основном та же самая схема, которая использовалась в эксперименте с аудио осциллографом на базе 555. Многие дизайны используют одни и те же фундаментальные принципы и концепции по-разному, это как раз такой случай. Обычная микросхема 555 могла бы работать в этой конструкции, если бы источник питания не был таким низковольтным и использовался резистор, ограничивающий ток светодиода. За исключением типа используемых транзисторов, блок-схема, показанная на рисунке 3 ниже, в основном такая же, как у обычного 555.

Рис. 3. Схема функциональности TLC555.
Рис. 3. Схема функциональности TLC555.

Этот конкретный генератор зависит от транзистора на выводе 7, как и моностабильный мультивибратор 555, показанный в более раннем эксперименте. Условия запуска: конденсатор разряжен, «высокий» уровень на выходе и выключенный транзистор на выводе 7. Конденсатор начинает заряжаться, как показано на рисунке 4 ниже.

Рис. 4. Конденсатор на TLC555 начинает заряжаться.
Рис. 4. Конденсатор на TLC555 начинает заряжаться.

Когда напряжение на контактах 2 и 6 достигает ⅔ напряжения питания, триггер сбрасывается через внутренний компаратор C1, который включает транзистор на контакте 7 и запускает разрядку конденсатора C1 через R2, как показано на рисунке 5 ниже. Ток показанный через R1, является случайным и не имеет значения, кроме того, что он разряжает батарею. Вот почему значение этого резистора такое большое.

Рис. 5. Сброс триггера на TLC555 запускает включение транзистора и разрядку конденсатор.
Рис. 5. Сброс триггера на TLC555 запускает включение транзистора и разрядку конденсатор.

Когда напряжение на контактах 2 и 6 достигает ⅓ напряжения питания, триггер устанавливается через внутренний компаратор C2, когда выключает транзистор на контакте 7, позволяя конденсатору снова начать заряжаться через R1 и R2, как показано на рисунке 5 выше. Данный цикл повторяется.

Конденсатор С2 продлевает срок службы батарей, так как он сохраняет напряжение в течение 97% времени, когда цепь выключена, и обеспечивает ток в течение 3% времени, когда она включена. Это простое дополнение значительно продлевает срок службы батарей.

При проведении этого эксперимента был задействован механизм обратной связи, которого я не ожидал. Выходной ток TLC555 непропорционален, поскольку напряжение питания падает, выходной ток уменьшается намного больше. Моего «маячка» хватило на полгода, прежде чем я прекратил эксперимент. Он всё ещё мигал, но был совсем тусклым.

См.также

Внешние ссылки