rdlcmn1-22022

Æóðíàë ðàçðàáîò÷èêîâ ýëåêòðîíèêè

WWW.RLOCMAN.RU

ÐÀÄÈÎËÎÖÌÀÍ ßíâàðü-Ôåâðàëü 2022 (118)

Êàê ïîäàâëÿòü ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîìåõè â èìïóëüñíûõ èñòî÷íèêàõ ïèòàíèÿ

ÐàäèîËîöìàí.Æóðíàë

www.rlocman.ru/magazine

Îôèöèàëüíûå âåðñèè òîëüêî çäåñü: áåç ðåãèñòðàöèè è íàçîéëèâîé ðåêëàìû, ñ âûñîêîé ñêîðîñòüþ ñêà÷èâàíèÿ.

Åñëè âû ÿâëÿåòåñü íîñèòåëåì ïåðåäîâûõ çíàíèé â îáëàñòÿõ ðàçðàáîòêè ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ è/èëè ïðèìåíåíèÿ ýëåêòðîííûõ êîìïîíåíòîâ è ãîòîâû ïîïóëÿðèçèðîâàòü èõ – ïðèãëàøàåì ê ñîòðóäíè÷åñòâó!

Íîâîñòè

ÐÀÄÈÎËÎÖÌÀÍ ßíâàðü-Ôåâðàëü 2022 (118) Ãëàâíûé ðåäàêòîð: À. Íèêîëàåâ

4 MikroElektronika âûïóñêàåò ïëàòó ãåíåðàòîðà ñèãíàëîâ ñëîæíîé ôîðìû 5 Äâóõêàíàëüíûå äðàéâåðû çàòâîðîâ êîìïàíèè STMicroelectronics îïòèìèçèðóþò è óïðîùàþò óïðàâëåíèå IGBT è SiC MOSFET 6 Toshiba àíîíñèðóåò êîììóòàòîðû íàãðóçêè ñ óëüòðàíèçêèì òîêîì ïîêîÿ 0.08 íÀ

7 ×åòûðå áåëüãèéñêèå øêîëû äîñòàâëÿþò Èíòåðíåò ÷åðåç èíôðàêðàñíûé ïîðò Li-Fi 8 Nexperia âûïóñòèëà ñàìûé ìèíèàòþðíûé â ìèðå òðàíñëÿòîð óðîâíåé äëÿ èíòåðôåéñîâ SD êàðò

Äèðåêòîð:

Ñòàòüè

Ñ. Ìóðàò÷àåâ

Íàä íîìåðîì ðàáîòàëè:

10 Ñïîñîáû ñòàáèëèçàöèè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îáðàòíîõîäîâûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé 16 Óìåíüøåíèå óðîâíÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ èìïóëüñíûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé ïóòåì îïòèìèçàöèè ðàçìåùåíèÿ ýëåìåíòîâ íà ïå÷àòíîé ïëàòå

Ì. Áàñêîâ Ä. Çàõàðîâ Â.Êîëåñíèê Î. Ëåâàøîâ Ñ. Ìóðàò÷àåâ À. Íèêîëàåâ À. Ðóñó Ïî âîïðîñàì ðàçìåùåíèÿ ðåêëàìû, ïóáëèêàöèè àâòîðñêèõ ìàòåðèàëîâ, ñ çàìå÷àíèÿìè è ïîæåëàíèÿìè îáðàùàòüñÿ: rlocman@rlocman.ru

Å

+7 (495) 721-72-14 www.rlocman.ru

Îôèöèàëüíûå âåðñèè æóðíàëà ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ áåñïëàòíî è áåç ðåãèñòðàöèè òîëüêî íà ñàéòå ÐàäèîËîöìàí Ïðè ëþáîì èñïîëüçîâàíèè ìàòåðèàëîâ, îïóáëèêîâàííûõ â æóðíàëå, ññûëêà íà ÐàäèîËîöìàí îáÿçàòåëüíà. Ïîëíîå èëè ÷àñòè÷íîå âîñïðîèçâåäåíèå èëè òèðàæèðîâàíèå êàêèì áû òî íè áûëî ñïîñîáîì ìàòåðèàëîâ íàñòîÿùåãî èçäàíèÿ äîïóñêàåòñÿ òîëüêî ñ ïèñüìåííîãî ðàçðåøåíèÿ ðåäàêöèè. Ìíåíèÿ àâòîðîâ íå âñåãäà îòðàæàþò òî÷êó çðåíèÿ ðåäàêöèè.

Îôîðìëåíèå áåñïëàòíîé ïîäïèñêè: www.rlocman.ru/magazine

20 Êàê âäâîå óìåíüøèòü øóì èñòî÷íèêà îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ 22 Ãåíåðàòîð íà òàéìåðå 555 ñ íåçàâèñèìîé ðåãóëèðîâêîé êîýôôèöèåíòà çàïîëíåíèÿ è ÷àñòîòû

25 Îãðàíè÷èòåëü ïóñêîâîãî òîêà çàùèùàåò îò êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ 26 Êàê ïîäàâëÿòü ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîìåõè â èìïóëüñíûõ èñòî÷íèêàõ ïèòàíèÿ 31 Äðàéâåð ñâåòîäèîäîâ äëÿ ìîùíûõ âñïûøåê ñèñòåì ìàøèííîãî çðåíèÿ

Ñõåìû 36 Ïîäêëþ÷åíèå ÷àñîâ ðåàëüíîãî âðåìåíè DS1307 ê ìèêðîêîíòðîëëåðó STM8 ÷åðåç ìîäóëü I2C

51 54 58 60 69 72 74 78 80 82 85 88 91 94 96 98 100 108 109 112 115 117 119 122 126 130

Ïðîñòîé ãåíåðàòîð çàäåðæàííûõ èìïóëüñîâ íà äâóõ D-òðèããåðàõ Ýëåêòðîííûé ïðåäîõðàíèòåëü äëÿ íàñòðîéêè è ýêñïëóàòàöèè íèçêîâîëüòíûõ óñòðîéñòâ Ïðîñòàÿ ñõåìà óïðàâëåíèÿ íàïðàâëåíèåì è ñêîðîñòüþ âðàùåíèÿ äâèãàòåëÿ Ïîäàâëåíèå äðåáåçãà êîíòàêòîâ ñ ïîìîùüþ âñòðîåííûõ â ìèêðîêîíòðîëëåð EFM8LB1 êîíôèãóðèðóåìûõ ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ Øèðîêîäèàïàçîííûå ãåíåðàòîðû ëèíåéíî èçìåíÿþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ Âõîäíàÿ öåïü îñöèëëîãðàôà íà îñíîâå çâóêîâîé êàðòû Ñõåìà ÀÐÓ ñ äèíàìè÷åñêèì äèàïàçîíîì 60 äÁ Çàùèòà òîêîèçìåðèòåëüíîãî óñèëèòåëÿ îò áðîñêîâ íàïðÿæåíèÿ Ïðîñòîé ñïîñîá ñíèæåíèÿ ìîùíîñòè, ðàññåèâàåìîé îáìîòêîé ðåëå Ãåíåðàòîðû ñòóïåí÷àòî êà÷àþùåéñÿ ÷àñòîòû Ãåðìàíèåâûé ïðåîáðàçîâàòåëü çàïóñêàåòñÿ ïðè íàïðÿæåíèè 260 ì Äðàéâåð áåëûõ ñâåòîäèîäîâ âûñîêîé ìîùíîñòè äëÿ ïîðòàòèâíûõ ïðèëîæåíèé Ðàáîòà íåñêîëüêèõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ íà îáùóþ íàãðóçêó Èñïîëüçîâàíèå âûâîäà MCLR ìèêðîêîíòðîëëåðà PIC â êà÷åñòâå âûõîäà LDO ðåãóëÿòîð ñ óëüòðàíèçêèì óðîâíåì øóìîâ Îäíîïðîâîäíûé èíòåðôåéñ êëàâèàòóðû äëÿ ìèêðîêîíòðîëëåðà Êàê ÿ ñäåëàë Open Source ìîíèòîð êà÷åñòâà âîçäóõà icaRUS Áóòñòðåïíàÿ öåïü óñêîðÿåò àêòèâàöèþ ñîëåíîèäà Äðàéâåð ñâåòîäèîäîâ, èíâàðèàíòíûé ê èõ êîëè÷åñòâó è òèïó Íåäîðîãîé ðàçìûêàòåëü öåïè ñ àâòîìàòè÷åñêèì âîññòàíîâëåíèåì Ëèíåéíûé ïðåîáðàçîâàòåëü ñîïðîòèâëåíèå-âðåìÿ Ñòóïåí÷àòî-öèôðîâîå è ïëàâíîå óïðàâëåíèå ÷àñòîòîé LC-ãåíåðàòîðà Âèçóàëüíûé òåñòåð íàïðÿæåíèÿ íà îäíîì ÎÓ Êîìïåíñàöèÿ îøèáîê ïîâûøàåò òî÷íîñòü èñòî÷íèêà âòåêàþùåãî òîêà Çàðÿäîâûå íàñîñû íà ìèêðîñõåìå TLC555-Q1 Ôîòîðåçèñòîð â öåïè îáðàòíîé ñâÿçè ÎÓ îáåñïå÷èâàåò ëèíåéíîñòü îòêëèêà

MikroElektronika âûïóñêàåò ïëàòó ãåíåðàòîðà ñèãíàëîâ ñëîæíîé ôîðìû Jean-Pierre Joosting eeNews Embedded Êîìïàíèÿ MikroElektronika (MIKROE) âûïóñòèëà ïëàòó Waveform 4 Click, äîïîëíèâøóþ íàñ÷èòûâàþùåå áîëåå 1000 óñòðîéñòâ ñåìåéñòâî ïåðèôåðèéíûõ ìîäóëåé Click board. Ïëàòà ðàáîòàåò êàê âûñîêîñêîðîñòíîé ìíîãîêàíàëüíûé øèðîêîäèàïàçîííûé ãåíåðàòîð ñèãíàëîâ ñëîæíîé ôîðìû, íåîáõîäèìûõ â òàêèõ ïðèëîæåíèÿõ, êàê âîçáóäèòåëè óëüòðàçâóêîâûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé, ìåäèöèíñêèå ïðèáîðû, ïîðòàòèâíûå ïðèáîðû, ãåíåðàòîðû ñèãíàëîâ è ãåíåðàòîðû ñèãíàëîâ ïðîèçâîëüíîé ôîðìû.

Waveform 4 Click ñîäåðæèò ÷åòûðåõêàíàëüíûé 12-áèòíûé ãåíåðàòîð ñèãíàëîâ ñïåöèàëüíîé ôîðìû AD9106 êîìïàíèè Analog Devices ñ áûñòðîäåéñòâèåì 180 ìåãàâûáîðîê â ñåêóíäó, íà êðèñòàëëå êîòîðîãî îáúåäèíåíû ñòàòè÷åñêîå ÎÇÓ è ñõåìà ïðÿìîãî öèôðîâîãî ñèíòåçà (direct digital synthesis, DDS), îáåñïå÷èâàþùèå ãåíåðàöèþ ñèãíàëîâ ñëîæíîé ôîðìû. DDS ïîääåðæèâàåò ãåíåðàòîð çàäàþùåãî ñèíóñîèäàëüíîãî ñèãíàëà ñ ÷àñòîòîé äî 180 ÌÃö ñ 24áèòíûì ñëîâîì íàñòðîéêè, îáåñïå÷èâàþùèì ðàçðåøåíèå ïî ÷àñòîòå 10.8 Ãö íà áèò. AD9106 èìååò îäèí ÷àñòîòíûé âûõîä è íåçàâèñèìûå âûõîäû ñ ïðîãðàììèðóåìûì ôàçîâûì ñäâèãîì äëÿ êàæäîãî èç ÷åòûðåõ âñòðîåííûõ ÖÀÏ. Áîëåå òîãî, äàííûå èíòåãðèðîâàííîãî ÎÇÓ ìîãóò ñîäåðæàòü íåïîñðåäñòâåííî ñãåíåðèðîâàííûå è ñîõðàíåííûå ôîðìû ñèãíàëîâ, äîñòóï ê êîòîðûì ìîæíî ïîëó÷èòü ñ ïîìîùüþ ïîñëåäîâàòåëüíîãî ïåðèôåðèéíîãî èíòåðôåéñà, øàáëîíîâ àìïëèòóäíîé ìîäóëÿöèè, ïðèìåíÿåìûõ ê âûõîäàì DDS, èëè ñëîâ ïðîãðàììèðîâàíèÿ ÷àñòîòû DDS.

4

Ïëàòû Click îñíîâàíû íà ñòàíäàðòå 16êîíòàêòíîé øèíû mikroBUS äëÿ ðàçúåìîâ ïðîòîòèïíîé ïëàòû, ðàçðàáîòàííîì êîìïàíèåé MIKROE äåñÿòü ëåò íàçàä. Ïëàòû Click ïîçâîëÿþò èíæåíåðàì-ïðîåêòèðîâùèêàì ëåãêî ìåíÿòü ïåðèôåðèéíûå óñòðîéñòâà, íà ìåñÿöû ñîêðàùàÿ âðåìÿ ðàçðàáîòêè. Êîìïàíèÿ âûïóñêàåò íîâûå ïëàòû Click ïî÷òè åæåäíåâíî â 10 óòðà, è ìíîãèå âåäóùèå ïðîèçâîäèòåëè ìèêðîêîíòðîëëåðîâ, âêëþ÷àÿ Microchip, NXP, Infineon, Dialog, STM, Analog Devices, Renesas è Toshiba, òåïåðü âêëþ÷àþò ðàçúåì mikroBUS â ñâîè ïðîòîòèïíûå ïëàòû.

Êîììåíòèðóåò Íåáîéøà Ìàòè÷ (Nebojsa Matic), ãåíåðàëüíûé äèðåêòîð MIKROE: «Waveform 4 Click – ýòî èëëþñòðàöèÿ îãðîìíîãî íàáîðà ôóíêöèé, äëÿ íåäîðîãîé ðåàëèçàöèè êîòîðûõ ó íàñ åñòü ïëàòû Click. Íå òðàòüòå âðåìÿ íà èçîáðåòåíèå êîëåñà – ïîòðàòèâ âñåãî 109 äîëëàðîâ, ðàçðàáîò÷èêè ìîãóò ïðèñòóïèòü ê ïðîåêòèðîâàíèþ íåìåäëåííî».

Waveform 4 Click ïîääåðæèâàåòñÿ áèáëèîòåêîé, ñîâìåñòèìîé ñ íàáîðîì èíñòðóìåíòàëüíûõ ñðåäñòâ mikroSDK, êîòîðàÿ âêëþ÷àåò ôóíêöèè, óïðîùàþùèå ðàçðàáîòêó ïðîãðàììíîãî îáåñïå÷åíèÿ. Ýòà ïëàòà Click ïîñòàâëÿåòñÿ â âèäå ïîëíîñòüþ ïðîòåñòèðîâàííîãî ïðîäóêòà, ãîòîâîãî ê èñïîëüçîâàíèþ â ëþáîé ñèñòåìå, îñíàùåííîé ðàçúåìîì mikroBUS.

ÍÎÂÎÑÒÈ

Äâóõêàíàëüíûå äðàéâåðû çàòâîðîâ êîìïàíèè STMicroelectronics îïòèìèçèðóþò è óïðîùàþò óïðàâëåíèå IGBT è SiC MOSFET Äâà íîâûõ äâóõêàíàëüíûõ ãàëüâàíè÷åñêè èçîëèðîâàííûõ äðàéâåðà çàòâîðîâ IGBT è êàðáèäîêðåìíèåâûõ (SiC) MOSFET êîìïàíèè STMicroelectronics ýêîíîìÿò ìåñòî íà ïëàòå è óïðîùàþò ðàçðàáîòêó âûñîêîâîëüòíûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé ýíåðãèè è ïðîìûøëåííûõ ïðèëîæåíèé.

 ìèêðîñõåìàõ STGAP2HD äëÿ IGBT è STGAP2SICD äëÿ SiC MOSFET, âûïóñêàåìûõ â øèðîêîì êîðïóñå SO-36W, èñïîëüçóåòñÿ íîâåéøàÿ òåõíîëîãèÿ ãàëüâàíè÷åñêîé ðàç-

âÿçêè êîìïàíèè ST, ïîçâîëÿþùàÿ âûäåðæèâàòü ïåðåõîäíûå íàïðÿæåíèÿ 6 êÂ. Êðîìå òîãî, óñòîé÷èâîñòü ê ïåðåõîäíûì ïðîöåññàì ñî ñêîðîñòüþ èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ äî ±100 Â/íñ ïðåäîòâðàùàåò ëîæíûå âêëþ÷åíèÿ â óñëîâèÿõ ýëåêòðè÷åñêèõ ïîìåõ. Óñòðîéñòâà, ñïîñîáíûå ôîðìèðîâàòü ìîùíûé ñèãíàë óïðàâëåíèÿ çàòâîðîì ñ àìïëèòóäîé òîêà äî 4 À, äëÿ äîïîëíèòåëüíîé ãèáêîñòè èìåþò äâà âûõîäíûõ âûâîäà, ïîçâîëÿþùèõ íåçàâèñèìî ðåãóëèðîâàòü âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ. Àêòèâíîå ïîäàâëåíèå åìêîñòè Ìèëëåðà ïðåäîòâðàùàåò ñêà÷êè íàïðÿæåíèÿ íà çàòâîðàõ âî âðåìÿ áûñòðûõ ïåðåêëþ÷åíèÿõ â ïîëóìîñòîâûõ òîïîëîãèÿõ. Ôóíêöèè çàùèòû ñõåìû âêëþ÷àþò òåïëîâóþ çàùèòó, ñòîðîæåâîé òàéìåð äëÿ áåçîïàñíîé ðàáîòû è áëîêèðîâêó ïðè ïîíèæåííîì íàïðÿæåíèè (UVLO) â êàæäîì êàíàëå, ïðåäîòâðàùàþùóþ çàïóñê â îïàñíîì ðåæèìå ñ íèçêèì ÊÏÄ.

VH_A

UVLO VH

INA

Ñõåìà óïðàâëåíèÿ ïëàâàþùåé ñåêöèåé

Ñõåìà ñäâèãà óðîâíÿ

VDD

GON_A GOFF_A CLAMP_A

INB

Ñõåìà óïðàâëåíèÿ

BRAKE

VDD

GNDISO_A

Ïëàâàþùàÿ çåìëÿ A

+ –

VCLAMPth

VH_B

UVLO VH

Ñõåìà óïðàâëåíèÿ ïëàâàþùåé ñåêöèåé

Ñõåìà ñäâèãà óðîâíÿ

SD

È Ç Î Ë ß Ö È ß

GON_B GOFF_B CLAMP_Â

iLOCK GND

Ïëàâàþùàÿ çåìëÿ Â

GNDISO_B + –

VCLAMPth

Áëîê-ñõåìà äðàéâåðà STGAP2SiCD.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

5

Êàæäîå óñòðîéñòâî èìååò âûâîä iLOCK äëÿ îäíîâðåìåííîãî âêëþ÷åíèÿ îáîèõ êàíàëîâ â ïðèëîæåíèÿõ ñ äâóìÿ êîììóòàòîðàìè íèæíåãî ïëå÷à è â àñèììåòðè÷íûõ ïîëóìîñòîâûõ ïðèëîæåíèÿõ. Ïðåäóñìîòðåíà òàêæå áëîêèðîâêà äëÿ èñêëþ÷åíèÿ ñêâîçíûõ òîêîâ â îáû÷íûõ ïîëóìîñòîâûõ ñõåìàõ. Îáà äðàéâåðà ðàññ÷èòàíû íà íàïðÿæåíèå âûñîêîâîëüòíîé øèíû äî 1200  è èìåþò âðåìÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ îò âõîäà äî âûõîäà 75 íñ ïðè âûñîêîé òî÷íîñòè ØÈÌ. Íîâûå äâóõêàíàëüíûå ãàëüâàíè÷åñêè èçîëèðîâàííûå äðàéâåðû çàòâîðîâ ñî ñïåöèàëüíûìè âõîäàìè îòêëþ÷åíèÿ è òîðìîæåíèÿ, à òàêæå ñ âõîäîì âêëþ÷åíèÿ ðåæèìà îæèäàíèÿ äëÿ ýêîíîìèè ýíåðãèè, ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ òàêèõ ïðèëîæåíèé, êàê èñòî÷íèêè ïèòàíèÿ, ïðèâîäû, èíâåðòîðû, ñâàðî÷íûå àïïàðàòû è çàðÿäíûå óñòðîéñòâà. Êðîìå òîãî, âõîäû, ñîâìåñòèìûå ñ ëîãè÷åñêèìè óðîâíÿìè ÒÒË è ÊÌÎÏ äî 3.3 Â, óïðîùàþò ïîäêëþ÷åíèå ê óïðàâëÿþùåìó ìèêðîêîíòðîëëåðó èëè ñèãíàëüíîìó ïðîöåññîðó.

Äåìîíñòðàöèîííàÿ ïëàòà EVALSTGAP2SICD.

Îáà äðàéâåðà STGAP2HD è STGAP2SICD óæå çàïóùåíû â ìàññîâîå ïðîèçâîäñòâî è â ïàðòèÿõ èç òûñÿ÷è ïðèáîðîâ ïðîäàþòñÿ ïî öåíàì, íà÷èíàþùèìñÿ îò $1.84 çà øòóêó. Äîñòóïíû òàêæå äåìîíñòðàöèîííûå ïëàòû EVALSTGAP2HDM è EVALSTGAP2SICD, ïîçâîëÿþùèå áûñòðî îöåíèòü õàðàêòåðèñòèêè äðàéâåðîâ ïðè óïðàâëåíèè ïîëóìîñòîâûì ñèëîâûì êàñêàäîì.

Toshiba àíîíñèðóåò êîììóòàòîðû íàãðóçêè ñ óëüòðàíèçêèì òîêîì ïîêîÿ 0.08 íÀ Íîâûå ìèêðîñõåìû çíà÷èòåëüíî ïðîäëåâàþò ñðîê ñëóæáû óñòðîéñòâ ñ áàòàðåéíûì ïèòàíèåì Toshiba Electronics Europe âûïóñòèëà òðè êîììóòàòîðà íàãðóçêè, îáåñïå÷èâàþùèå çíà÷èòåëüíîå ñíèæåíèå ïîòðåáëÿåìîãî òîêà. Íîâûå ìèêðîñõåìû ïðåäíàçíà÷åíû â ïåðâóþ î÷åðåäü äëÿ íîñèìûõ óñòðîéñòâ è ïðèëîæåíèé Èíòåðíåòà âåùåé (IoT), ãäå îíè áóäóò óïðàâëÿòü ïèòàíèåì òàêèõ ïåðèôåðèéíûõ óñòðîéñòâ, êàê äàò÷èêè. Îíè òàêæå îêàæóòñÿ ïîëåçíûìè ïðè ìîäåðíèçàöèè ñóùåñòâóþùèõ êîíñòðóêöèé, ïîñòðîåííûõ íà îñíîâå äèñêðåòíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ. Ñïåöèàëüíî äëÿ óñòðîéñòâ ñåðèè TCK12xBG Toshiba ðàçðàáîòàëà íîâóþ ñõåìó äðàéâåðà, áëàãîäàðÿ êîòîðîé òèïîâîé ñîáñòâåííûé òîê ïîòðåáëåíèÿ âî âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè ñîñòàâëÿåò âñåãî 0.08 íÀ, ÷òî ïðèìåðíî íà 99.9% ìåíüøå, ÷åì ó âûïóñêàåìîé Toshiba â íàñòîÿùåå âðåìÿ ìèêðîñõåìû

6

TCK107AG. Ýòî çíà÷èòåëüíî óâåëè÷èâàåò âðåìÿ ðàáîòû íîñèìûõ óñòðîéñòâ è óñòðîéñòâ IoT, êîòîðûå ïèòàþòñÿ îò íåáîëüøèõ áàòàðåé.  ñåðèþ âîøëè òðè êîììóòàòîðà.

TCK127BG èìååò êëþ÷ àâòîìàòè÷åñêîãî ðàçðÿäà âûõîäíîé åìêîñòè ñ âûñîêèì àêòèâíûì

ÍÎÂÎÑÒÈ

VIN

VOUT Äðàéâåð óïðàâëåíèÿ ñêîðîñòüþ íàðàñòàíèÿ Óïð. ëîãèêà

CTRL

Ñèãíàë óïðàâëåíèÿ Âûñ.: ÂÛÊË Íèçê.: ÂÊË

Ðàçðÿä âûõîäíîé åìêîñòè

GND

Áëîê ñõåìà êîììóòàòîðà TCK128BG.

óðîâíåì âêëþ÷åíèÿ, äëÿ TCK128BG ýòîò óðîâåíü íèçêèé, à TCK126BG íå ñîäåðæèò öåïè àâòîìàòè÷åñêîãî ðàçðÿäà. Óñòðîéñòâà ðàáî-

òàþò îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ñ íàïðÿæåíèåì îò 1.0  äî 5.5  è âûäåðæèâàþò óïðàâëÿþùèå è âõîäíûå íàïðÿæåíèÿ â äèàïàçîíå îò –0.3  äî 6.0 Â. Ìèêðîñõåìû ðàññ÷èòàíû íà ïðîòåêàíèå íåïðåðûâíîãî òîêà 1.0 À è èìïóëüñíîãî òîêà 2.0 À. Âñå òðè íîâûõ ïðèáîðà TCK12xBG âûïóñêàþòñÿ â íåäàâíî ðàçðàáîòàííîì êîðïóñå WCSP4G, çàíèìàþùåì íà ïëàòå ïëîùàäü âñåãî 0.645 ìì × 0.645 ìì ïðè âûñîòå 0.465 ìì, ÷òî çíà÷èòåëüíî ýêîíîìèò ìåñòî â êîìïàêòíûõ íîñèìûõ óñòðîéñòâàõ è ïðèëîæåíèÿõ IoT. Èííîâàöèîííîå ïîêðûòèå îáðàòíîé ñòîðîíû êîðïóñà ñíèæàåò âåðîÿòíîñòü ïîâðåæäåíèÿ óñòðîéñòâ â ïðîöåññå ìîíòàæà. Ïîñòàâêè âñåõ òðåõ óñòðîéñòâ ñåðèè TCK12xBG óæå íà÷àëèñü.

×åòûðå áåëüãèéñêèå øêîëû äîñòàâëÿþò Èíòåðíåò ÷åðåç èíôðàêðàñíûé ïîðò Li-Fi Mark Halper LEDs Magazine Âî âòîðîé ðàç çà ïîñëåäíåå âðåìÿ Li-Fi ïîÿâèëñÿ â êëàññå, ïåðåäàâàÿ ó÷åíèêàì Èíòåðíåò íå ïî ðàäèîêàíàëó Wi-Fi, à ñ ïîìîùüþ èíôðàêðàñíûõ ëó÷åé.  ýòîò ðàç íà ýòî ïîøëè ÷åòûðå íà÷àëüíûå øêîëû â Áåëüãèè, ïðåïîäàâ îòðàñëè íåñêîëüêî ïðàêòè÷åñêèõ óðîêîâ Li-Fi.

Òðè øêîëû â Áðþññåëå, Ôëîáåêå è Âàíöå óñòàíîâèëè ñèñòåìû TruLi-Fi 6002 êîìïàíèè Signify. Îæèäàåòñÿ, ÷òî âñêîðå òî æå ñàìîå ñäåëàåò ÷åòâåðòàÿ øêîëà â Îáàíæå. Âî âñåõ ÷åòûðåõ ñëó÷àÿõ øêîëû îòêàçàëèñü îò èñòî÷íèêîâ âèäèìîãî ñâåòà. Âìåñòî ýòîãî â íèõ èñïîëüçóåòñÿ èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå (ÈÊ) – ÷àñòü íåâèäèìîãî ñïåêòðà áîëåå äëèííûõ âîëí çà ïðåäåëàìè âèäèìîãî êðàñíîãî öâåòà.

Signify ïåðåõîäèò íà èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå

Ïëàíøåòó íà ïåðåäíåì ïëàíå ïîòðåáóåòñÿ êëþ÷ Li-Fi äëÿ ïðèåìà èíôðàêðàñíûõ ñèãíàëîâ, ïîñòóïàþùèõ îò ïåðåäàò÷èêîâ, ïðèêðåïëåííûõ ê ïîòîëî÷íûì ñâåòèëüíèêàì â ýòîì êëàññå âî Ôëîáåêå.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

Õîòÿ âèäèìûé ñâåò äåéñòâèòåëüíî ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç ñïîñîáîâ ïåðåäà÷è Li-Fi êîìïüþòåðàì è ãàäæåòàì, Signify òåïåðü ïåðåêëþ÷èëàñü èñêëþ÷èòåëüíî íà èñïîëüçîâàíèå òîëüêî ÈÊ. Ïåðåõîä îò âèäèìûõ ñâåòîäèîäîâ ê èíôðàêðàñíûì êîìïàíèÿ íà÷àëà, êîãäà â èþíå 2019 ãîäà ïðåäñòàâèëà ñèñòåìó TruLi-Fi 6002. Äî ýòîãî êîìïàíèÿ èñïîëüçîâàëà âèäèìûé ñâåò äëÿ âõîäÿùåãî êàíàëà îò ñâåòèëüíèêà ê

7

ïîìî÷ü ðàçãðóçèòü íàñûùåííûé ñïåêòð Wi-Fi. Ñòîðîííèêè Li-Fi òàêæå îòìå÷àþò, ÷òî îí áîëåå áåçîïàñåí, ÷åì Wi-Fi, ïîñêîëüêó òðåáóåò ïðÿìîé âèäèìîñòè è íå ñîçäàåò ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ, êàê Wi-Fi.

Ñâåòîäèîäû èëè ëàçåðû? – Ïðåäñòîèò îïðåäåëèòü

Øêîëà âî Ôëîáåêå èñïîëüçóåò äëÿ îñâåùåíèÿ ñâåòîäèîäíûå ñâåòèëüíèêè Signify ñ ïîäêëþ÷åííûìè ê íèì èíôðàêðàñíûìè ïåðåäàò÷èêàìè äëÿ Li-Fi. Ïåðåäàò÷èêè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé áëîêè ñ ÷åðíîé îêàíòîâêîé íà îäíîé èç ñòîðîí êàæäîãî ñâåòèëüíèêà.

íîóòáóêó è èíôðàêðàñíûé äëÿ îáðàòíîãî èñõîäÿùåãî êàíàëà ê ñâåòèëüíèêó, êîòîðûé ñàì ïîäêëþ÷åí ê Èíòåðíåòó. ÈÊ êàíàëû Signify ïîääåðæèâàþò áîëåå âûñîêèå ñêîðîñòè, ÷åì ïðåäûäóùèå ñèñòåìû êîìïàíèè, èñïîëüçóþùèå âèäèìûé ñâåò, õîòÿ âî âðåìÿ ïðåçåíòàöèè 6002 Signify çàÿâèëà, ÷òî èñïîëüçóåò ÈÊ íå äëÿ ïîâûøåíèÿ ñêîðîñòè, à ïîòîìó, ÷òî ýòî îáëåã÷àåò ðàçðàáîòêó äðàéâåðîâ. TruLi-Fi ìîæåò îáåñïå÷èâàòü ñêîðîñòü äî 220 Ìáèò/ñ äëÿ âõîäÿùåé ëèíèè è 160 Ìáèò/ñ äëÿ èñõîäÿùåé. Ïî ñëîâàì ïðåññ-ñåêðåòàðÿ TruLi-Fi, â áåëüãèéñêèõ øêîëàõ äëÿ ëþáûõ íàïðàâëåíèé èñïîëüçóåòñÿ ñêîðîñòü 160 Ìáèò/ñ.

Câîè ïåðåäàò÷èêè íèñõîäÿùåé ëèíèè 6002 Signify ïðåäëàãàåò â äâóõ îïöèîíàëüíûõ ôîðìàõ – êàê äîïîëíåííóþ îñíàñòêó ê ñâåòèëüíèêàì Signify, èëè êàê ñàìîñòîÿòåëüíûå óñòðîéñòâà, áåç ñâåòèëüíèêîâ. «Â íåêîòîðûõ øêîëàõ ïðèåìîïåðåäàò÷èêè ñèñòåìû Li-Fi îáúåäèíåíû ñ îñâåòèòåëüíûìè ïðèáîðàìè, à â äðóãèõ óñòàíàâëèâàþòñÿ àâòîíîìíî», – ñîîáùèë ïðåññ-ñåêðåòàðü Signify. Áåëüãèéñêèå øêîëû èñïîëüçóþò ñî÷åòàíèå Li-Fi è Wi-Fi. Ïî êðàéíåé ìåðå, Li-Fi ìîæåò

Íåêîòîðûå ñòîðîííèêè Li-Fi óòâåðæäàþò, ÷òî ýòî áûñòðåå, ÷åì Wi-Fi, õîòÿ ñêîðîñòü ìîæåò âàðüèðîâàòüñÿ â çàâèñèìîñòè îò ñðåäû è ïðèëîæåíèÿ.

Li-Fi ïîòåíöèàëüíî ìîæåò çíà÷èòåëüíî óâåëè÷èòü ñêîðîñòü, åñëè çàìåíèòü ñâåòîäèîäû ëàçåðíûìè ÷èïàìè. Íåäàâíî êîìïàíèÿ Kyocera SLD Laser ïðîäåìîíñòðèðîâàëà ñâîþ ñàìóþ áûñòðóþ â èñòîðèè ñèñòåìó Li-Fi íà îñíîâå ñóïåðëþìèíåñöåíòíîãî äèîäà íà âûñòàâêå ïîòðåáèòåëüñêîé ýëåêòðîíèêè CES â Ëàñ-Âåãàñå. Ðàáîòàåò ëè Signify íàä ëàçåðíûì Li-Fi? Ïðåññ-ñåêðåòàðü íå ñòàë íè ïîäòâåðæäàòü, íè îïðîâåðãàòü. «Ìû ïîñòîÿííî ðàáîòàåì íàä èííîâàöèîííûìè ðåøåíèÿìè â îáëàñòè Li-Fi, ÷òîáû ëó÷øå îáñëóæèâàòü èíòåðåñû íàøèõ êëèåíòîâ, – ñêàçàë îí. – Ìû ñîîáùàåì îá ýòèõ ðàçðàáîòêàõ òîëüêî òîãäà, êîãäà îíè ïðèâîäÿò ê ñîçäàíèþ ïðèëîæåíèé, êîòîðûå ìû ìîæåì ïðåäîñòàâèòü íàøèì êëèåíòàì».  öåëîì Li-Fi ìåäëåííî çàâîåâûâàåò ïîïóëÿðíîñòü, âî ìíîãîì ïîòîìó, ÷òî áîëüøèíñòâî ïðîèçâîäèòåëåé óñòðîéñòâ äëÿ êîíå÷íûõ ïîëüçîâàòåëåé íå âíåäðèëè ýòó òåõíîëîãèþ â ñâîè ïðîäóêòû. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ïîëüçîâàòåëÿì îáû÷íî ïðèõîäèòñÿ ïîäêëþ÷àòü êëþ÷è äîñòóïà ê ïëàíøåòàì, íîóòáóêàì è òîìó ïîäîáíîìó, èíîãäà ñ ïîìîùüþ ôëåøêè, à èíîãäà ñ ïîìîùüþ USB-êàáåëÿ.  Áåëüãèè Signify ðàáîòàëà ñ áåëüãèéñêèì ñòàðòàïîì Li-Fi Solutions, ïðåäîñòàâëÿÿ êîìïëåêñíîå îáîðóäîâàíèå, âêëþ÷àþùåå êëþ÷è äîñòóïà.

Nexperia âûïóñòèëà ñàìûé ìèíèàòþðíûé â ìèðå òðàíñëÿòîð óðîâíåé äëÿ èíòåðôåéñîâ SD êàðò Nexperia àíîíñèðîâàëà ñàìûé ìèíèàòþðíûé â ìèðå òðàíñëÿòîð óðîâíåé äëÿ èíòåðôåéñîâ êàðò ïàìÿòè SD. Ñîâìåñòèìàÿ ñî

8

ñòàíäàðòîì SD 3.0 ìèêðîñõåìà NXS0506UP, âûïóñêàåìàÿ â êîðïóñå ñ 16 øàðèêîâûìè âûâîäàìè ñ ðàçìåðàìè 1.45 ìì × 1.45 ìì ×

ÍÎÂÎÑÒÈ

× 0.45 ìì è øàãîì êîíòàêòîâ 0.35 ìì, íà 40% ìåíüøå óñòðîéñòâ ïðåäûäóùåãî ïîêîëåíèÿ â 20-êîíòàêòíûõ êîðïóñàõ.  NXS0506UP òàêæå ðåàëèçîâàíà ôóíêöèÿ àâòîìàòè÷åñêîãî óïðàâëåíèÿ íàïðàâëåíèåì îáìåíà. Êðîìå òîãî, ìèêðîñõåìà ñîäåðæèò ôèëüòð ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ è öåïè çàùèòû îò ýëåêòðîñòàòè÷åñêèõ ðàçðÿäîâ, ñîîòâåòñòâóþùèå ñòàíäàðòó IEC 61000-4-2. Îíà ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ ðàáîòû íà òàêòîâûõ ÷àñòîòàõ äî 208 ÌÃö è ñêîðîñòÿõ ïåðåäà÷è äàííûõ äî 104 Ìáèò/ñ. Êîììåíòèðóåò Âèêðàì Ñèíãõ Ïàðèõàð (Vikram Singh Parihar), ñòàðøèé ìåíåäæåð ïî ïðîäóêöèè Nexperia: «Õîòÿ ïåðâîíà÷àëüíî NXS0506 ïðåäíàçíà÷àëàñü äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â áûòîâûõ óñòðîéñòâàõ, òàêèõ êàê ñìàðòôîíû, íîóòáóêè, èãðîâûå ïëàíøåòû, êàìåðû è òî÷êè áåñïðîâîäíîãî äîñòóïà, ìû íàáëþäàåì âíåäðåíèå NXS0506 â äîìàøíèå ìåäèöèíñêèå óñòðîéñòâà è àâòîìîáèëüíûå ñèñòåìû. NXS0506 – ýòî ñàìûé ìèíèàòþðíûé â îòðàñëè òðàíñëÿòîð óðîâíåé äëÿ êàðò SD 3.0, êîòîðûé ïîääåðæèâàåò ñâåðõâûñîêîñêîðîñòíîé ðåæèì SDR104, ïîìîãàÿ ïîòðåáèòåëÿì

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

èñïîëüçîâàòü ïðåèìóùåñòâà áîëåå âûñîêèõ ñêîðîñòåé ïåðåäà÷è äàííûõ, ïðåäîñòàâëÿåìûå ðåøåíèÿìè äëÿ êàðò ïàìÿòè SD 3.0». Äëÿ ñíèæåíèÿ îáùåé ñòîèìîñòè êîìïîíåíòîâ â íîâûé òðàíñëÿòîð óðîâíåé NXS0506UP òàêæå èíòåãðèðîâàíû ïîäòÿãèâàþùèå ðåçèñòîðû. Óñòðîéñòâà, îáåñïå÷èâàþùèå ïðÿìîå ïîäêëþ÷åíèå ê íîâåéøèì ñïåöèàëèçèðîâàííûì ïðîöåññîðàì è ÑíÊ, ïðîñòû â èñïîëüçîâàíèè, ïîñêîëüêó ïîçâîëÿþò ìåíÿòü ìåñòàìè êàíàëû äàííûõ è êîìàíä, íå âëèÿÿ íà ôóíêöèîíàëüíîñòü.

9

Ñïîñîáû ñòàáèëèçàöèè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îáðàòíîõîäîâûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé Monolithic Power Systems

Ââåäåíèå Ïðåîáðàçîâàòåëè ñ îáðàòíûì âêëþ÷åíèåì äèîäà (Flyback Converters), îáû÷íî íàçûâàåìûå «îáðàòíîõîäîâûìè», îáîñíîâàííî âõîäÿò â ÷èñëî ñàìûõ ðàñïðîñòðàíåííûõ ñõåì, èñïîëüçóåìûõ â èìïóëüñíûõ èñòî÷íèêàõ ïèòàíèÿ. Êëþ÷åâûì ïðåèìóùåñòâîì îáðàòíîõîäîâîé ñõåìû ÿâëÿåòñÿ ïðîñòîòà, áëàãîäàðÿ êîòîðîé èçîëèðîâàííûå èñòî÷íèêè ïèòàíèÿ ìîùíîñòüþ îò 2 Âò äî 100 Âò, ïîñòðîåííûå íà åå îñíîâå, èìåþò íàèëó÷øåå ñî÷åòàíèå ðàçìåðîâ, ñòîèìîñòè è ÊÏÄ. Êàê è áîëüøèíñòâî àíàëîãè÷íûõ ñõåì, îáðàòíîõîäîâîé ïðåîáðàçîâàòåëü ìîæíî óñëîâíî ðàçäåëèòü íà ñèëîâóþ ÷àñòü è ñõåìó óïðàâëåíèÿ. Ñèëîâàÿ ÷àñòü ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðîâ ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè, ïîýòîìó â åå ñîñòàâ, òàê æå êàê è â îñòàëüíûõ èìïóëüñíûõ ïðåîáðàçîâàòåëÿõ, âõîäÿò ìîùíûå ñèëîâûå ýëåìåíòû, â äàííîì ñëó÷àå – äâà êëþ÷à (MOSFET è äèîä), äðîññåëü è êîíäåíñàòîð. Öåíòðàëüíûì ýëåìåíòîì ñèëîâîé ÷àñòè îáðàòíîõîäîâîãî ïðåîá-

ðàçîâàòåëÿ ÿâëÿåòñÿ äðîññåëü, êîíñòðóêöèÿ êîòîðîãî îòëè÷àåòñÿ îò êîíñòðóêöèè èíäóêòèâíûõ íàêîïèòåëåé, èñïîëüçóåìûõ â äðóãèõ èìïóëüñíûõ ñõåìàõ. Äðîññåëü îáðàòíîõîäîâûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé îáû÷íî ñîäåðæèò, êàê ìèíèìóì, äâå èçîëèðîâàííûå îáìîòêè, ðàñïîëîæåííûå íà îáùåì ìàãíèòîïðîâîäå, áëàãîäàðÿ ÷åìó îí ñïîñîáåí íå òîëüêî íàêàïëèâàòü ýëåêòðè÷åñêóþ ýíåðãèþ, íî è îáåñïå÷èâàòü ýëåêòðè÷åñêóþ èçîëÿöèþ âõîäíûõ è âûõîäíûõ öåïåé (Ðèñóíîê 1).  ýòîé ñòàòüå ðàññìîòðåíû ñïîñîáû ñòàáèëèçàöèè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îáðàòíîõîäîâûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé, îäíàêî ïðåæäå ÷åì ïåðåéòè ê èõ îïèñàíèþ, îñâåæèì â ïàìÿòè V (Â) VDS VD tON

tOFF t (ñ)

(à) I (À)

D VIN + –

LP

CIN

LS

CO

RL

tON

tOFF t (ñ)

Ñõåìà óïðàâëåíèÿ

Ðèñóíîê 1. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà îáðàòíîõîäîâîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ.

10

IP IS

(á) Ðèñóíîê 2. Äèàãðàììû ðàáîòû îáðàòíîõîäîâîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ: íàïðÿæåíèÿ íà MOSFET è äèîäå – (à), òîê ïåðâè÷íîé è âòîðè÷íîé îáìîòêè äðîññåëÿ – (á).

ÑÒÀÒÜÈ

îñîáåííîñòè ðàáîòû ñèëîâîé ÷àñòè ýòîé ñõåìû. Öèêë ïðåîáðàçîâàíèÿ îáðàòíîõîäîâîãî èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ñîñòîèò èç äâóõ îñíîâíûõ ýòàïîâ ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ tON è tOFF, íàçâàíèÿ êîòîðûõ ñîîòâåòñòâóþò ñîñòîÿíèþ ñèëîâîãî MOSFET – âêëþ÷åí èëè âûêëþ÷åí. Âî âðåìÿ ïåðâîãî ýòàïà ñèëîâîé MOSFET â òå÷åíèå âðåìåíè tON íàõîäèòñÿ âî âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ â ïåðâè÷íîé îáìîòêå äðîññåëÿ ëèíåéíî íàðàñòàþùåãî òîêà, â ðåçóëüòàòå ÷åãî â ìàãíèòíîì ïîëå åãî ìàãíèòîïðîâîäà íàêàïëèâàåòñÿ íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî ýíåðãèè (Ðèñóíîê 2á). Íà âòîðè÷íîé îáìîòêå äðîññåëÿ ïðè ýòîì ïîÿâëÿåòñÿ íàïðÿæåíèå, çàïèðàþùåå ïåðåõîä äèîäà (Ðèñóíîê 2à), ÷òî ïðèâîäèò ê îòêëþ÷åíèþ äðîññåëÿ îò âòîðè÷íûõ öåïåé. Ïîñêîëüêó òîê ïî âòîðè÷íîé îáìîòêå äðîññåëÿ íå ïðîòåêàåò, íàãðóçêà íà ïðîòÿæåíèè ïåðâîãî ýòàïà ïèòàåòñÿ òîëüêî îò âûõîäíîãî êîíäåíñàòîðà, ðàñõîäóÿ åãî çàðÿä, íàêîïëåííûé â ïðåäûäóùèõ öèêëàõ (Ðèñóíîê 3). tON

tOFF D

VIN + –

LP

CIN

LS

CO

RL

Ñõåìà óïðàâëåíèÿ

Ðèñóíîê 3. Òîêè, ïðîòåêàþùèå â ñèëîâîé ÷àñòè îáðàòíîõîäîâîé ñõåìû íà ïðîòÿæåíèè ïåðâîãî (ñèíèå ëèíèè) è âòîðîãî (îðàíæåâûå ëèíèè) ýòàïîâ ïðåîáðàçîâàíèÿ.

Âî âðåìÿ âòîðîãî ýòàïà ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ tOFF ñèëîâîé MOSFET âûêëþ÷åí, îäíàêî, áëàãîäàðÿ íàëè÷èþ â ìàãíèòîïðîâîäå äðîññåëÿ íåêîòîðîãî êîëè÷åñòâà ýíåðãèè, íà åãî âûâîäàõ ïîÿâëÿåòñÿ íàïðÿæåíèå, îòêðûâàþùåå äèîä.  ðåçóëüòàòå ýòîãî ìàãíèòîïðîâîä äðîññåëÿ ðàçìàãíè÷èâàåòñÿ, à íàêîïëåííàÿ â íåì ýíåðãèÿ ÷åðåç îòêðûòûé äèîä ïîñòóïàåò â âûõîäíîé êîíäåíñàòîð è íàãðóçêó. Íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî ïðåîáðàçîâàíèå ïàðàìåòðîâ ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè ïðîèñõîäèò â ñèëîâîé ÷àñòè, çà òî÷íîñòü óñòàíîâêè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îòâå÷àåò ñõåìà óïðàâëåíèÿ, îñíîâíîé çàäà÷åé êîòîðîé ÿâëÿåòñÿ îáåñïå÷åíèå òðåáóåìîãî êà÷åñòâà âûõîäíîãî

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

íàïðÿæåíèÿ ïðè ëþáûõ îòêëîíåíèÿõ â ñèñòåìå, â ïåðâóþ î÷åðåäü – ïðè èçìåíåíèè âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ è òîêà íàãðóçêè. Êàê è â áîëüøèíñòâå äðóãèõ èìïóëüñíûõ ñõåì, âûõîäíîå íàïðÿæåíèå îáðàòíîõîäîâîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ ìîæíî ðåãóëèðîâàòü ïóòåì èçìåíåíèÿ îòíîñèòåëüíîé äëèòåëüíîñòè îòêðûòîãî ñîñòîÿíèÿ MOSFET (Duty Cycle, êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ, D), ÷òî õîðîøî âèäíî èç ôîðìóëû (1), ñâÿçûâàþùåé íàïðÿæåíèå íà åãî âõîäå è âûõîäå:

VOUT n ´ D = .

VIN 1- D

(1)

Àíàëèç ôîðìóëû (1) ïîêàçûâàåò, ÷òî êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ïî íàïðÿæåíèþ ñèëîâîé ÷àñòè óâåëè÷èâàåòñÿ ñ ðîñòîì D, ÷òî, ñîîòâåòñòâåííî, ïðèâîäèò ê ïîâûøåíèþ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ.  ðåàëüíîé ñõåìå êîíòðîëëåð óñòàíàâëèâàåò òàêîé êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ, ïîäàâàåìûõ íà çàòâîð MOSFET, ïðè êîòîðîì âûõîäíîå íàïðÿæåíèå áóäåò ìàêñèìàëüíî áëèçêèì ê òðåáóåìîìó çíà÷åíèþ. Î÷åâèäíî, ÷òî äëÿ ïðàâèëüíîãî óïðàâëåíèÿ ñèëîâîé ÷àñòüþ íà âõîäå êîíòðîëëåðà äîëæåí ïðèñóòñòâîâàòü, êàê ìèíèìóì, ñèãíàë, ïðîïîðöèîíàëüíûé âûõîäíîìó íàïðÿæåíèþ. Áîëåå òî÷íî óïðàâëÿòü îáðàòíîõîäîâûì ïðåîáðàçîâàòåëåì ìîæíî, èìåÿ äîïîëíèòåëüíîþ èíôîðìàöèþ î òîêå ïåðâè÷íîé îáìîòêè åãî äðîññåëÿ, ÷òî ïîçâîëÿåò óìåíüøèòü êîëåáàíèÿ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ïðè èçìåíåíèè òîêà íàãðóçêè è óâåëè÷èòü êîýôôèöèåíò ìîùíîñòè ñåòåâûõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ. Ïîýòîìó âî ìíîãèõ îáðàòíîõîäîâûõ ïðåîáðàçîâàòåëÿõ ïðèñóòñòâóþò è äàò÷èê âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, è äàò÷èê ïîòðåáëÿåìîãî òîêà, à ñòàáèëèçàöèÿ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ïóòåì ðåãóëèðîâêè àìïëèòóäíîãî çíà÷åíèÿ òîêà ïåðâè÷íîé îáìîòêè äðîññåëÿ (Ðèñóíîê 4).

Îñîáåííîñòè èçìåðåíèÿ íàïðÿæåíèÿ Îñíîâíîé ïðîáëåìîé, âîçíèêàþùåé ïðè ñîçäàíèè îáðàòíîõîäîâûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé, ÿâëÿåòñÿ ñîõðàíåíèå èõ îñíîâíîãî ïðåèìóùåñòâà – ãàëüâàíè÷åñêîé èçîëÿöèè ìåæäó âõîäîì è âûõîäîì. Ïðè ðàññìîòðåíèè ïîäîáíûõ ñõåì, öåïè, ýëåêòðè÷åñêè ñâÿçàííûå ñ èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ, îáû÷íî íàçûâàþò ïåðâè÷-

11

Ïåðâè÷íàÿ ñòîðîíà

Âòîðè÷íàÿ ñòîðîíà VIN D

VIN + –

CIN

Äàò÷èê òîêà

Ñõåìà óïðàâëåíèÿ

LP

LS

CO

RL

Äàò÷èê íàïðÿæåíèÿ

Ðèñóíîê 4. Îáðàòíîõîäîâîé ïðåîáðàçîâàòåëü ñ óïðàâëåíèåì òî òîêó.

íîé (Primary Side), à èçîëèðîâàííûå ÷àñòè, ñîåäèíåííûå ñ íàãðóçêîé – âòîðè÷íîé ñòîðîíîé (Secondary Side). Äëÿ ìíîãèõ ïðèëîæåíèé íàëè÷èå ýëåêòðè÷åñêîé èçîëÿöèè ìåæäó èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ è íàãðóçêîé ÿâëÿåòñÿ åäèíñòâåííûì ñïîñîáîì îáåñïå÷èòü òðåáóåìûé óðîâåíü ïîìåõîçàùèùåííîñòè è ýëåêòðîáåçîïàñíîñòè, íå ãîâîðÿ óæå î òîì, ÷òî â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ íàðóøåíèå èçîëÿöèè èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ìîæåò ôèçè÷åñêè âûâåñòè èç ñòðîÿ êîìïîíåíòû ñèñòåìû. À ýòî çíà÷èò, ÷òî èçîëÿöèÿ ìåæäó ïåðâè÷íîé è âòîðè÷íîé ñòîðîíîé íå äîëæíà íàðóøàòüñÿ íè â ñèëîâîé ÷àñòè, íè â êîíòóðàõ óïðàâëåíèÿ. Êîíå÷íî, ýòî òðåáîâàíèå íå àáñîëþòíî – íàïðèìåð, íåêîòîðûå òðàíñôîðìàòîðíûå èñòî÷íèêè ïèòàíèÿ ìîãóò èìåòü òîê óòå÷êè äî 10 ìÀ ïðè ýëåêòðè÷åñêîé ïðî÷íîñòè èçîëÿöèè íå ìåíåå 3 êÂ. Îäíàêî â îáùåì ñëó÷àå òîê óòå÷êè ìåæäó ïåðâè÷íîé è âòîðè÷íîé ñòîðîíîé îáðàòíîõîäîâîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ äîëæåí áûòü ìèíèìàëüíûì. Òàêèì îáðàçîì, â îáðàòíîõîäîâûõ ïðåîáðàçîâàòåëÿõ èíôîðìàöèÿ î âûõîäíîì íàïðÿæåíèè äîëæíà ïåðåäàâàòüñÿ â êîíòðîëëåð áåç ïðèìåíåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ ñâÿçåé. À ýòî ìîæíî ðåàëèçîâàòü äâóìÿ ñïîñîáàìè: ïóòåì ñòàáèëèçàöèè íàïðÿæåíèÿ ëèáî íà ïåðâè÷íîé, ëèáî íà âòîðè÷íîé ñòîðîíå.

Ñòàáèëèçàöèÿ íàïðÿæåíèÿ íà ïåðâè÷íîé ñòîðîíå  îáðàòíîõîäîâûõ ïðåîáðàçîâàòåëÿõ ïèòàíèå ìèêðîñõåìû êîíòðîëëåðà î÷åíü ÷àñòî ïðîèçâîäèòñÿ îò îòäåëüíîé âñïîìîãàòåëüíîé îáìîòêè äðîññåëÿ (Ðèñóíîê 5). Áëàãîäàðÿ óíèêàëüíîé îñîáåííîñòè îáðàòíîõîäîâîé ñõåìû, âî âðåìÿ âòîðîãî ýòàïà ïðåîáðàçîâàíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà âñåõ îáìîòêàõ äðîññåëÿ

12

+ –

D

CIN VCC

Äàò÷èê íàïðÿæåíèÿ

Äàò÷èê òîêà

LP

LS

CO

RL

Ñõåìà óïðàâëåíèÿ

Ðèñóíîê 5. Ïðèíöèï ñòàáèëèçàöèè íàïðÿæåíèÿ íà ïåðâè÷íîé ñòîðîíå.

ïðîïîðöèîíàëüíû äðóã äðóãó. Òàêèì îáðàçîì, çíàÿ êîýôôèöèåíò òðàíñôîðìàöèè ìåæäó âòîðè÷íîé è âñïîìîãàòåëüíîé îáìîòêîé, ìîæíî èñïîëüçîâàòü íàïðÿæåíèå âñïîìîãàòåëüíîé îáìîòêè â êà÷åñòâå ýêâèâàëåíòà âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Ýòîò ìåòîä ïîëó÷èë íàçâàíèå «ñòàáèëèçàöèÿ íà ïåðâè÷íîé ñòîðîíå» (Primary-Side Regulation, PSR). Åãî ãëàâíîé îñîáåííîñòüþ ÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü îðãàíèçàöèè êîíòóðà îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè ïî íàïðÿæåíèþ ñ èñïîëüçîâàíèåì âñåãî íåñêîëüêèõ ýëåìåíòîâ. Ñòàáèëèçàöèÿ íàïðÿæåíèÿ íà ïåðâè÷íîé ñòîðîíå íå îòëè÷àåòñÿ âûñîêîé òî÷íîñòüþ, îäíàêî, ó÷èòûâàÿ íàëè÷èå ìèêðîñõåì êîíòðîëëåðîâ ñ èíòåãðèðîâàííûìè óçëàìè êîìïåíñàöèè, åãî èñïîëüçîâàíèå çíà÷èòåëüíî ñîêðàùàåò âðåìÿ ðàçðàáîòêè îáðàòíîõîäîâîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ. Îäíèì èç ïðåèìóùåñòâ ñòàáèëèçàöèè íà ïåðâè÷íîé ñòîðîíå ÿâëÿåòñÿ ìèíèìàëüíîå êîëè÷åñòâî ðàäèîýëåìåíòîâ, íàõîäÿùèõñÿ ïî ðàçíûå ñòîðîíû èçîëÿöèîííîãî áàðüåðà. Ýòî ÿâëÿåòñÿ î÷åíü âàæíûì â âûñîêîâîëüòíûõ ïðèëîæåíèÿõ, ïîñêîëüêó ïîçâîëÿåò óìåíüøèòü êîëè÷åñòâî êîìïîíåíòîâ ñ æåñòêèìè òðåáîâàíèÿìè ê èçîëÿöèè, è, ñîîòâåòñòâåííî, óìåíüøèòü ñòîèìîñòü ñèñòåìû. Îäíàêî è ýòîò ñïîñîá èìååò íåäîñòàòêè. Íàïðèìåð, èçìåðåíèå íàïðÿæåíèÿ âñïîìîãàòåëüíîé îáìîòêè î÷åíü ÷àñòî âûïîëíÿåòñÿ êîíòðîëëåðîì âñåãî îäèí ðàç – â ñàìîì êîíöå öèêëà ïðåîáðàçîâàíèÿ, êîãäà òîê â îáìîòêàõ äðîññåëÿ èìååò íàèìåíüøåå çíà÷åíèå. Òàêîé ñïîñîá èçìåðåíèÿ ñíèæàåò óðîâåíü ïîìåõ â êîíòóðå îáðàòíîé ñâÿçè, îäíàêî îí æå è îçíà÷àåò, ÷òî âûõîäíîå íàïðÿæåíèå áîëüøóþ ÷àñòü öèêëà ïðåîáðàçîâàíèÿ îñòàåòñÿ íåêîíòðîëèðóåìûì. Ïîýòîìó ïåðåõîä-

ÑÒÀÒÜÈ

íûå ïðîöåññû â îáðàòíîõîäîâûõ ïðåîáðàçîâàòåëÿõ ñî ñòàáèëèçàöèåé íàïðÿæåíèÿ íà ïåðâè÷íîé ñòîðîíå îáû÷íî äëÿòñÿ äîëüøå, ÷åì â ñõåìàõ ñ äðóãîé îðãàíèçàöèåé êîíòóðà îáðàòíîé ñâÿçè. Òàêîé ñïîñîá ðåãóëèðîâàíèÿ èìååò òàêæå è õóäøèå õàðàêòåðèñòèêè ïðè ñòàáèëèçàöèè íàïðÿæåíèé ìíîãîêàíàëüíûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé, îñîáåííî ïðè áîëüøîé ðàçíèöå ìîùíîñòåé, ïîòðåáëÿåìûõ îò âòîðè÷íûõ îáìîòîê. Ïðè èñïîëüçîâàíèè ýòîãî ìåòîäà ôàêòè÷åñêè ñòàáèëèçèðóåòñÿ òîëüêî íàïðÿæåíèå êàíàëà ñ íàèáîëüøåé íàãðóçêîé, â òî âðåìÿ êàê âûõîäíûå íàïðÿæåíèÿ îñòàëüíûõ êàíàëîâ ìîãóò îêàçàòüñÿ âûøå íîðìû.

Ñòàáèëèçàöèÿ íàïðÿæåíèÿ íà âòîðè÷íîé ñòîðîíå Äëÿ áîëå òî÷íîé ñòàáèëèçàöèè òðåáóåòñÿ ïåðåäàâàòü â êîíòðîëëåð èíôîðìàöèþ î íàïðÿæåíèè íåïîñðåäñòâåííî ñ âûõîäíûõ êëåìì ïðåîáðàçîâàòåëÿ. Ýòîò ìåòîä ïîëó÷èë íàçâàíèå ñòàáèëèçàöèè íàïðÿæåíèÿ íà âòîðè÷íîé ñòîðîíå (Secondary-Side Regulation,

VIN + –

D

CIN VCC

Äàò÷èê òîêà

LP

Ñõåìà óïðàâëåíèÿ

LS

CO

RL

Äàò÷èê íàïðÿæåíèÿ

Äàò÷èê íàïðÿæåíèÿ

Ðèñóíîê 6. Ïðèíöèï ñòàáèëèçàöèè íàïðÿæåíèÿ íà âòîðè÷íîé ñòîðîíå.

SSR).  ýòîì ñëó÷àå äëÿ ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè î âûõîäíîì íàïðÿæåíèè èñïîëüçóåòñÿ îïòîïàðà (Ðèñóíîê 6). Ýòîò ìåòîä çíà÷èòåëüíî óìåíüøàåò âåëè÷èíû îòêëîíåíèé âûõîäíûõ íàïðÿæåíèÿ äàæå ïðè èñïîëüçîâàíèè ìíîãîêàíàëüíûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé. Âî ìíîãîì ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî âçàèìíîå ïåðåðàñïðåäåëåíèå ýíåðãèè ìåæäó âòîðè÷íûìè îáìîòêàìè îñóùåñòâëÿåòñÿ íàìíîãî áîëåå ýôôåêòèâíî, ÷åì ìåæäó îáìîòêàìè, ðàñïîëîæåííûìè ïî ðàçíûå ñòîðîíû èçîëÿöèîííî-

ÄÎ Ñ Ê À Î Á Ú ß Â Ë Å Í È É Ä Ë ß ÝË Å Ê Ò Ð Î Í Ù È ÊÎ Â

Ðàäèîäåòàëè

Ïðèáîðû, ïëàòû

Ðàáîòà

Óñëóãè

Òàáëèöà 1. Îñíîâíûå îñîáåííîñòè ìåòîäîâ ñòàáèëèçàöèè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îáðàòíîõîäîâûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé Ñòàáèëèçàöèÿ íà ïåðâè÷íîé ñòîðîíå

Ñòàáèëèçàöèÿ íà âòîðè÷íîé ñòîðîíå

Ñîáñòâåííîå ýíåðãîïîòðåáëåíèå

Íèæå

Âûøå

Ñòîèìîñòü

Íèæå

Âûøå (çà ñ÷åò èñïîëüçîâàíèÿ áîëåå äîðîãèõ êîìïîíåíòîâ, íàïðèìåð, îïòîïàðû)

Ñëîæíîñòü

Íèæå (çà ñ÷åò ìåíüøåãî êîëè÷åñòâà êîìïîíåíòîâ è íàëè÷èÿ èíòåãðèðîâàííûõ êîìïåíñèðóþùèõ óçëîâ)

Âûøå

Èçîëÿöèÿ

Ìåíüøåå êîëè÷åñòâî êîìïîíåíòîâ, íàõîäÿùèõñÿ ïî ðàçíûå ñòîðîíû èçîëÿöèîííîãî áàðüåðà, îñíîâíàÿ èçîëÿöèÿ îáåñïå÷èâàåòñÿ äðîññåëåì

Íà êà÷åñòâî èçîëÿöèè âëèÿþò ïàðàìåòðû äðîññåëÿ è îïòîïàðû

Òî÷íîñòü ñòàáèëèçàöèè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ

Õóæå (îñîáåííî äëÿ ìíîãîêàíàëüíûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé)

Ëó÷øå (ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ áîëåå òî÷íûå ìåòîäû ñòàáèëèçàöèè íàïðÿæåíèÿ)

Ðåàêöèÿ íà ïåðåõîäíûå ïðîöåññû

Ìåäëåííåå (ïîñêîëüêó âûõîäíîå íàïðÿæåíèå èçìåðÿåòñÿ ëèøü âî âðåìÿ âòîðîãî ýòàïà ïðåîáðàçîâàíèÿ)

Áûñòðåå (çà ñ÷åò ïîñòîÿííîãî êîíòðîëÿ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ)

Íàäåæíîñòü

Âûøå (çà ñ÷åò ìåíüøåãî êîëè÷åñòâà êîìïîíåíòîâ)

Íèæå (îïòîïàðà ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç ñàìûõ ïðîáëåìíûõ êîìïîíåíòîâ)

ãî áàðüåðà. Ñòàáèëèçàöèÿ íàïðÿæåíèÿ íà âòîðè÷íîé ñòîðîíå ïîçâîëÿåò òàêæå èñïîëüçîâàòü áîëåå ýôôåêòèâíûå ìåòîäû ðåãóëèðîâàíèÿ, íàïðèìåð, ìåòîäû âçâåøåííîé îáðàòíîé ñâÿçè, à òàêæå ïðèìåíÿòü íà âòîðè÷íîé ñòîðîíå îáìîòêè ñ îòïàéêàìè. Îäíàêî è ó ýòîãî ñïîñîáà åñòü ñâîè íåäîñòàòêè. Íàïðèìåð, äëÿ ñîçäàíèÿ êîíòóðà îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè òðåáóåòñÿ áîëüøå êîìïîíåíòîâ, îñîáåííî åñëè óçëû, ôîðìèðóþùèå åãî àìïëèòóäíî-÷àñòîòíóþ õàðàêòåðèñòèêó, ðàñïîëîæåíû íà âòîðè÷íîé ñòîðîíå, à êîíòðîëëåð – íà ïåðâè÷íîé. Î÷åâèäíî, ÷òî

14

ýòî óâåëè÷èâàåò ðàçìåðû è ñòîèìîñòü ïðåîáðàçîâàòåëÿ, à òàêæå óìåíüøàåò åãî íàäåæíîñòü, ïîñêîëüêó õàðàêòåðèñòèêè îïòîïàð ñî âðåìåíåì óõóäøàþòñÿ.

Çàêëþ÷åíèå Êàæäûé èç ðàññìîòðåííûõ ìåòîäîâ ñòàáèëèçàöèè íàïðÿæåíèÿ, è íà ïåðâè÷íîé, è íà âòîðè÷íîé ñòîðîíå, èìååò ñâîè äîñòîèíñòâà, íåäîñòàòêè è îáëàñòü ïðèìåíåíèÿ. Îñíîâíûå îñîáåííîñòè êàæäîãî èç ìåòîäîâ áûëè ðàññìîòðåíû âûøå è â ñæàòîì âèäå ïðèâåäåíû â Òàáëèöå 1. ÐË

ÑÒÀÒÜÈ

Îôëàéí + Îíëàéí

Êîíôåðåíöèÿ

FPGA ðàçðàáîò÷èêîâ ÌÎÑÊÂÀ / ÑÀÍÊÒ-ÏÅÒÅÁÓÐÃ/ ÌÈÍÑÊ/ ÒÎÌÑÊ

fpga-systems.ru/meet

Óìåíüøåíèå óðîâíÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ èìïóëüñíûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé ïóòåì îïòèìèçàöèè ðàçìåùåíèÿ ýëåìåíòîâ íà ïå÷àòíîé ïëàòå Timothy Hegarty

Ââåäåíèå Îñíîâíîé ïðè÷èíîé êîíäóêòèâíûõ (ïåðåäàâàåìûõ ïî ïðîâîäàì) è èíäóêòèâíûõ (ïåðåäàâàåìûõ ÷åðåç ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå) ïîìåõ, ñîçäàâàåìûõ èìïóëüñíûìè ïðåîáðàçîâàòåëÿìè ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ, ÿâëÿþòñÿ ðåçêèå èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèé (dv/dt) è òîêîâ (di/dt) â ìîìåíòû êîììóòàöèè ñèëîâûõ òðàíçèñòîðîâ. Îäíèì èç ýôôåêòèâíûõ ñïîñîáîâ ðåøåíèÿ ýòîé ïðîáëåìû ÿâëÿåòñÿ îïòèìèçàöèÿ âçàèìíîãî ðàñïîëîæåíèÿ ýëåìåíòîâ ïðåîáðàçîâàòåëÿ, à òàêæå ñîåäèíèòåëüíûõ ïðîâîäíèêîâ ïå÷àòíîé ïëàòû. Ïîèñê íàèëó÷øåãî ðàñïîëîæåíèÿ êîìïîíåíòîâ ñòàë îñîáåííî àêòóàëåí ïîñëå ïîÿâëåíèÿ ìîùíûõ àðñåíèä-ãàëëèåâûõ òðàíçèñòîðîâ, îáëàäàþùèõ âûñîêîé ñêîðîñòüþ ïåðåêëþ÷åíèÿ. Îäíàêî è ïðè èñïîëüçîâàíèè òðàäèöèîííîé êðåìíèåâîé ýëåìåíòíîé áàçû ýòîò âîïðîñ íå ñëåäóåò èãíîðèðîâàòü, ïîñêîëüêó èìïóëüñíûå ïðåîáðàçîâàòåëè î÷åíü ÷àñòî èñïîëüçóþòñÿ â àâòîìîáèëüíîé è òåëåêîììóíèêàöèîííîé òåõíèêå, ÷óâñòâèòåëüíîé ê êà÷åñòâó ïèòàþùèõ íàïðÿæåíèé è ê îêðóæàþùåé ýëåêòðîìàãíèòíîé îáñòàíîâêå.  ýòîé ñòàòüå ïðèâåäåíû ìåòîäû óìåíüøåíèÿ óðîâíÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ, ñîçäàâàåìûõ èìïóëüñíûìè ïðåîáðàçîâàòå-

16

ëÿìè, ñèëîâàÿ ÷àñòü êîòîðûõ ñòðîèòñÿ ïî ïîëóìîñòîâûì ñõåìàì è ñîñòîèò èç äâóõ ìîùíûõ MOSFET, óïðàâëÿåìûõ êîíòðîëëåðîì.  ÷àñòíîñòè, áóäåò ðàññìîòðåíî âëèÿíèå âåëè÷èíû èíäóêòèâíîñòè ïàðàçèòíîãî êîíòóðà ñèëîâîé êîììóòèðóåìîé öåïè íà àìïëèòóäó íåæåëàòåëüíûõ ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ, ÿâëÿþùèõñÿ îñíîâíîé ïðè÷èíîé ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ.

Òðàäèöèîííûå âàðèàíòû ðàçìåùåíèÿ ýëåìåíòîâ ×àùå âñåãî ýëåìåíòû ìîùíîãî ïîëóìîñòîâîãî êàñêàäà, îáðàçîâàííîãî, â äàííîì ïðèìåðå, òðàíçèñòîðàìè Q1 è Q2 â êîðïóñàõ SON ñ ðàçìåðàìè 5 × 6 ìì, ðàñïîëàãàþò íà îäíîé ñòîðîíå ïå÷àòíîé ïëàòå òàê, êàê ïîêàçàíî íà Ðèñóíêå 1. Ïðè òàêîé êîìïîíîâêå îñíîâíûì èñòî÷íèêîì ýëåêòðîìàãíèòíîé ïîìåõè ÿâëÿåòñÿ òîêîâûé êîíòóð, îáðàçîâàííûé ñèëîâûìè òðàíçèñòîðàìè è áëèæàéøèì ê íèì âõîäíûì ôèëüòðóþùèì êîíäåíñàòîðîì Cin1. Êàê âèäíî èç ðèñóíêà, ïëîùàäü îáðàçîâàâøåéñÿ òîêîâîé ïåòëè ðàâíà ïðè2 áëèçèòåëüíî 20 ìì , ïîýòîìó, äàæå íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî âòîðîé ñëîé ïëàòû (L2) ñîåäèíåí ñ îáùèì ïðîâîäîì (GND) è âûïîëíÿåò ôóíêöèþ ýêðàíà, óìåíüøàþùåãî óðîâåíü èçëó÷å-

ÑÒÀÒÜÈ

Lo1

Äðîññåëü

Ç È

Ñ

Âõîäíûå êîíäåíñàòîðû

VOUT

Q1

SW

Cin2

Cin1 È Ç

Ïàðàçèòíûé òîêîâûé êîíòóð

Âûõîäíûå êîíäåíñàòîðû

Îïòèìèçèðîâàííîå ðàçìåùåíèå ýëåìåíòîâ

Ïîëèãîí êîììóòèðóåìîãî óçëà

Ñ

Cout1 MOSFET Q2 íèæíåãî ïëå÷à

GND

ãî ïðîâîäíèêà, ñîåäèíÿþùåãî âõîäíûå è âûõîäíûå êîíäåíñàòîðû ñ èñòîêîì òðàíçèñòîðà íèæíåãî ïëå÷à.

Cout2 GND

Ïðîâîäíèêè âåðõíåãî ñëîÿ Ïîëèãîí îáùåãî ïðîâîäíèêà âòîðîãî ñëîÿ Êîíòàêòíûå ïëîùàäêè

Ðèñóíîê 1. Ïå÷àòíàÿ ïëàòà ñèíõðîííîãî ïîíèæàþùåãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ ñ òðàäèöèîííûì ðàçìåùåíèåì ýëåìåíòîâ.

íèÿ, èíäóêòèâíîñòü ýòîãî ïàðàçèòíîãî êîíòóðà ïðåâûøàåò 1 íÃí, ÷òî ÿâëÿåòñÿ äîñòàòî÷íî áîëüøèì çíà÷åíèåì äëÿ ìíîãèõ ïðèëîæåíèé. ×óòü áîëåå ýôôåêòèâíûì, ñ òî÷êè çðåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîé ñîâìåñòèìîñòè, ñëó÷àåì ðàçìåùåíèÿ ýëåìåíòîâ ÿâëÿåòñÿ âàðèàíò, ïðè êîòîðîì òðàíçèñòîð âåðõíåãî ïëå÷à Q1 óñòàíàâëèâàåòñÿ ïîâåðíóòûì íà 90° îòíîñèòåëüíî òðàíçèñòîðà, ïîäêëþ÷àþùåãî ñèëîâîé äðîññåëü ê îáùåìó ïðîâîäó (Ðèñóíîê 2). Òàêîå ðàñïîëîæåíèå ïîçâîëÿåò, âî-ïåðâûõ, óëó÷øèòü óñëîâèÿ îõëàæäåíèÿ òðàíçèñòîðà Q1 çà ñ÷åò åãî óñòàíîâêè íà ïå÷àòíûé ïðîâîäíèê áîëüøåé ïëîùàäè, à âî-âòîðûõ, ïåðåìåñòèòü êîíäåíñàòîð Cin1 áëèæå ê ñèëîâûì òðàíçèñòîðàì è óìåíüøèòü ðàçìåðû åãî êîðïóñà äî 0603. Êðîìå òîãî, ïîäîáíàÿ U-îáðàçíàÿ êîìïîíîâêà ïîçâîëÿåò ñîêðàòèòü äëèíó îáùå-

Ðàñïîëîæåíèå ýëåìåíòîâ ñ íàìíîãî ìåíüøåé ïëîùàäüþ ïåòëè ïàðàçèòíîãî êîíòóðà ïîêàçàíî íà Ðèñóíêå 3.  ýòîì âàðèàíòå âûñîêî÷àñòîòíûé òîê çàìûêàåòñÿ ïî ïåðâîìó (îòíîñèòåëüíî ñëîÿ, íà êîòîðîì ðàñïîëîæåíû ýëåìåíòû ñèëîâîé ÷àñòè ïðåîáðàçîâàòåëÿ) âíóòðåííåìó ñëîþ ìíîãîñëîéíîé ïå÷àòíîé ïëàòû. Ïðè òàêîé êîìïîíîâêå ïóòè ïðîòåêàíèÿ âûñîêî÷àñòîòíîãî òîêà îêàçûâàþòñÿ ðàñïîëîæåííûìè äðóã íàä äðóãîì, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ 2 ïàðàçèòíîé ïåòëè óìåíüøàåòñÿ äî 2 ìì . Êðîìå òîãî, âñòðå÷íî-ïàðàëëåëüíîå ïðîòåêàíèå ïðÿìîãî è îáðàòíîãî òîêîâ âçàèìíî êîìïåíñèðóåò ñîçäàâàåìûå èìè ìàãíèòíûå ïîëÿ, ÷òî åùå áîëüøå óìåíüøàåò ïàðàçèòíóþ èíäóêòèâíîñòü. ×åòûðå ïàðàëëåëüíî âêëþ÷åííûõ âõîäíûõ êîíäåíñàòîðà â êîðïóñàõ 0603 èìåþò íèçêèé èìïåäàíñ íà âûñîêèõ ÷àñòîòàõ è, â ñîâîêóïíîñòè ñî ñïëîøíûì ïîëèãîíîì ïåðâîãî âíóòðåííåãî ñëîÿ ïå÷àòíîé ïëàòû, îáåñïå÷èâàþò îòëè÷íûå óñëîâèÿ äëÿ ïðîòåêàíèÿ ïàðàçèòíûõ òîêîâ.

Âõîäíûå êîíäåíñàòîðû

GND

Cin5

Cin6 Cin1-4

Âûõîäíûå êîíäåíñàòîðû

Cout1 VIN

MOSFET âåðõíåãî

Lo1

ïëå÷à

Q1

È Ç SW

VOUT

MOSFET íèæíåãî ïëå÷à Äðîññåëü

Cvcc

MOSFET âåðõíåãî ïëå÷à

LO Gate Trace

VIN

PGND LO VC SW HO BST

Cbst

È Ç

Lo1

Âûõîäíûå êîíäåíñàòîðû

Ïîëèãîí êîììóòèðóåìîãî óçëà

VOUT GND

Cout1

Äðîññåëü

Cout2

Cout3

Cout4

MOSFET íèæíåãî ïëå÷à Ïîëèãîí êîììóòèðóåìîãî óçëà

Ñ

Ç È

Q2

Âõîäíûå êîíäåíñàòîðû

Cin1

Ç È Ñ

Cin2

VIN

Ïðîâîäíèêè âåðõíåãî ñëîÿ Ïîëèãîí îáùåãî ïðîâîäíèêà âòîðîãî ñëîÿ Êîíòàêòíûå ïëîùàäêè

Ðèñóíîê 2. Ïå÷àòíàÿ ïëàòà ñèíõðîííîãî ïîíèæàþùåãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ ñ ëó÷øèì ðàçìåùåíèåì ýëåìåíòîâ.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

Êîíòàêòû äëÿ ïîäêëþ÷åíèÿ ýêðàíà

Ïðîâîäíèêè âåðõíåãî ñëîÿ Ïîëèãîí îáùåãî ïðîâîäíèêà âòîðîãî ñëîÿ Êîíòàêòíûå ïëîùàäêè

Ðèñóíîê 3. Ïå÷àòíàÿ ïëàòà ñèíõðîííîãî ïîíèæàþùåãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ ñ îïòèìèçèðîâàííûì ðàçìåùåíèåì ýëåìåíòîâ.

Cin3

Q1 MOSFET âåðõíåãî ïëå÷à

Ïàðàçèòíûé òîêîâûé êîíòóð

ØÈÌêîíòðîëëåð

GND

SW

Ïàðàçèòíûé òîêîâûé êîíòóð

Cout2

Q2

×òîáû ñôîðìèðîâàòü çàêîí÷åííîå ïðåäñòàâëåíèå îá îïòèìàëüíîé êîìïîíîâêå ýëåìåíòîâ èìïóëüñíûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé, íà Ðèñóíêå 3 ïîêàçàí ÷åðòåæ ïå÷àòíîé ïëàòû ïîíèæàþùåãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ íà îñíîâå êîíòðîëëåðà LM5146-Q1, ñïîñîáíîãî ðàáîòàòü ñ âõîäíûì íàïðÿæåíèåì, äîñòèãàþùèì

17

100 B. Ïðè íåîáõîäèìîñòè óðîâåíü ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ ýòîãî óçëà ìîæíî äîïîëíèòåëüíî óìåíüøèòü, ïîìåñòèâ åãî ýëåìåíòû â çàùèòíûé ýêðàí, êîòîðûé ìîæíî ïðèïàÿòü ê ñïåöèàëèçèðîâàííûì êîíòàêòíûì ïëîùàäêàì, ðàñïîëîæåííûì ïî ïåðèìåòðó îáëàñòè ðàçìåùåíèÿ ïðåîáðàçîâàòåëÿ. Ïðèíöèï âçàèìíîé êîìïåíñàöèè ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîëåé, ñîçäàâàåìûõ ïàðàçèòíûì êîíòóðîì, õîðîøî âèäåí íà Ðèñóíêå 4, ãäå ïîêàçàíî ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå ïå÷àòíîé ïëàòû ðàññìîòðåííîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî âûñîêî÷àñòîòíûé òîê ÷åðåç ïåðåõîäíûå îòâåðñòèÿ çàìûêàåòñÿ ïî ñîåäèíåííîìó ñ îáùèì ïðîâîäîì ñëîþ L2, ðàñïîëîæåííîìó â íåïîñðåäñòâåííîé áëèçîñòè îò ñëîÿ L1, íà êîòîðîì ðàñïîëîæåíû ýëåìåíòû ïðåîáðàçîâàòåëÿ. Áëèçêîå ðàñïîëîæåíèå ïðÿìîãî è îáðàòíîãî ïóòåé ïðîòåêàíèÿ òîêà ñâîäèò ê ìèíèìóìó èìïåäàíñ ïàðàçèòíîãî êîíòóðà Q2 GND

SW

Q1

VIN

Cin1-4 GND

L1 0.15 ìì

L2 L3 L4

Ïåðåõîäíûå îòâåðñòèÿ 0.3 ìì

Ðèñóíîê 4. Ïóòü ïðîòåêàíèÿ òîêà ïàðàçèòíîãî êîíòóðà ïî ïðîâîäíèêàì ïå÷àòíîé ïëàòû.

Âàæíóþ ðîëü â ïîäàâëåíèè ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ èãðàåò áàòàðåÿ èç ÷åòûðåõ ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûõ êåðàìè÷åñêèõ êîíäåíñàòîðîâ åìêîñòüþ 10 íÔ, îáîçíà÷åííûõ íà Ðèñóíêå 3 êàê Cin1 – Cin4. Ýòè êîíäåíñàòîðû äîëæíû áûòü íåáîëüøîãî ðàçìåðà, íàïðèìåð, 0402 èëè 0603, è ðàñïîëàãàòüñÿ êàê ìîæíî áëèæå ê ñòîêó òðàíçèñòîðà âåðõíåãî ïëå÷à Q1. Èç-çà ìàëûõ ðàçìåðîâ ýòè ýëåìåíòû áóäóò èìåòü íèçêîå çíà÷åíèå ýêâèâàëåíòíîé ïîñëåäîâàòåëüíîé èíäóêòèâíîñòè (Equivalent Series Inductance, ESL) è, ñîîòâåòñòâåííî, âûñîêîå çíà÷åíèå ñîáñòâåííîé ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòû (Self-Resonant Frequency, SRF), ÷òî îáåñïå÷èò èõ åìêîñòíóþ ðåàêöèþ â áîëåå øèðîêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò. Îòðèöàòåëüíûå âûâîäû ýòèõ êîíäåíñàòîðîâ ñîåäèíÿþòñÿ ñ îáùèì ïîëèãîíîì ñëîÿ L2 ñ ïîìîùüþ íåñêîëüêèõ ïåðåõîäíûõ îòâåðñòèé äèàìåòðîì 0.3 ìì, ÷òî òàêæå óìåíüøàåò èíäóêòèâíîñòü ýòîãî ó÷àñòêà öåïè.

18

Óìåíüøåíèå ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ äîñòèãàåòñÿ òàêæå è çà ñ÷åò ìèíèìèçàöèè ïëîùàäè ñèëîâîé ÷àñòè ïîëèãîíà êîììóòèðóåìîãî óçëà, êîòîðûé, â äàííîì ïðèìåðå, ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ ñîñòîèò èç êîíòàêòíûõ ïëîùàäîê, ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ óñòàíîâêè ñèëîâîãî äðîññåëÿ è ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ. Íåìàëîâàæíóþ ðîëü èãðàåò òàêæå è ðàñïîëîæåíèå íà îäíîé ñòîðîíå ïå÷àòíîé ïëàòû äðóãèõ ïðîâîäíèêîâ, ñâÿçàííûõ ñ êîììóòèðóåìûì óçëîì, â ÷àñòíîñòè, ïðîâîäíèêîâ, ñîåäèíåííûõ ñ âûâîäàìè SW è BST êîíòðîëëåðà. Îòñóòñòâèå ïåðåõîäíûõ îòâåðñòèé â ýòèõ öåïÿõ îçíà÷àåò, ÷òî ýëåìåíòû ñ âûñîêèì çíà÷åíèåì dv/dt íå ïîÿâÿòñÿ íà äðóãîé ñòîðîíå ïå÷àòíîé ïëàòû. À ýòî, â ñâîþ î÷åðåäü, ïîçâîëèò èçáåæàòü íåæåëàòåëüíûõ âûñîêî÷àñòîòíûõ òîêîâ â ýòàëîííîé çàçåìëÿþùåé ïëàñòèíå âî âðåìÿ èñïûòàíèé íà ýëåêòðîìàãíèòíóþ ñîâìåñòèìîñòü. È ïîñëåäíèì ðåøåíèåì, áëàãîïðèÿòíî âëèÿþùèì íà óðîâåíü ýëåêòðîìàãíèòíîé ñîâìåñòèìîñòè, ÿâëÿåòñÿ ðàçìåùåíèå äâóõ âûõîäíûõ êåðàìè÷åñêèõ êîíäåíñàòîðîâ Cout1 è Cout2 ñ ðàçíûõ ñòîðîí ñèëîâîãî äðîññåëÿ. Ðàçäåëåíèå òîêà ïåðåçàðÿäà âûõîäíîãî êîíäåíñàòîðà íà äâå ðàâíûå ÷àñòè ïîçâîëÿåò êàê âçàèìíî êîìïåíñèðîâàòü ìàãíèòíûå ïîëÿ, ñîçäàâàåìûå èìè, òàê è, çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ àêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ, óìåíüøèòü ðàçíèöó ïîòåíöèàëîâ òî÷åê, ñâÿçàííûõ ñ îáùèì ïðîâîäîì, ñâîäÿ ê ìèíèìóìó ýôôåêò «îòñêîêà çåìëè» («Ground Bounce» Effect).

Ðåçóëüòàòû òåñòèðîâàíèÿ Îñöèëëîãðàììû íàïðÿæåíèÿ êîììóòèðóåìîãî óçëà ïðåîáðàçîâàòåëÿ ñ îïòèìèçèðîâàííûì ðàñïîëîæåíèåì ýëåìåíòîâ (Ðèñóíîê 3), ñíÿòûå øèðîêîïîëîñíûì îñöèëëîãðàôîì, ïîêàçàíû íà Ðèñóíêå 5à. Èç ðèñóíêîâ âèäíî, ÷òî ïðè èíäóêòèâíîñòè ïàðàçèòíîãî êîíòóðà îêîëî 500 ïÃí íåæåëàòåëüíûå êîëåáàíèÿ íàïðÿæåíèÿ â ýòîé ÷àñòè ñõåìû («çâîí») ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóþò. Êðîìå òîãî, îïòèìèçàöèÿ ðàçìåùåíèÿ ýëåìåíòîâ ïîçâîëÿåò óìåíüøèòü âûáðîñ íàïðÿæåíèÿ â ìîìåíò âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà âåðõíåãî ïëå÷à è ïðàêòè÷åñêè ñâåñòè ê íóëþ îòðèöàòåëüíûå âûáðîñû â ìîìåíò åãî âûêëþ÷åíèÿ, ÷òî ïîçâîëÿåò ñäåëàòü âûâîä î ìåíüøåé ýìèññèè ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ â îáëàñòè ÷àñòîò âûøå 30 ÌÃö.

ÑÒÀÒÜÈ

VIN = 48 Â VOUT = 12 Â IOUT = 8 À

VDS(pk) = 58 Â

VIN = 48 Â VOUT = 12 Â IOUT = 8 À

VDS(pk) = 62 Â

Âõîäíûå êîíäåíñàòîðû

GND

Cin1-8 Cin10

Cin9

Âûõîäíûå êîíäåíñàòîðû

Cout1 Q1

Q3 MOSFET âåðõíåãî ïëå÷à

È

VSW 10 Â/ÄÅË

(à)

Ðèñóíîê 5. Îñöèëëîãðàììû íàïðÿæåíèÿ êîììóòèðóåìîãî óçëà ïðåîáðàçîâàòåëÿ ñ îïòèìèçèðîâàííûì (à) è òðàäèöèîííûì (á) ðàñïîëîæåíèåì êîìïîíåíòîâ.

Äëÿ ñðàâíåíèÿ íà Ðèñóíêå 5á ïîêàçàíû àíàëîãè÷íûå îñöèëëîãðàììû ïðåîáðàçîâàòåëÿ ñ òðàäèöèîííûì ðàñïîëîæåíèåì ýëåìåíòîâ (Ðèñóíîê 2), ðàáîòàþùåãî â òîì æå ðåæèìå. Êàê âèäíî èç ðèñóíêà, â ýòîé ñõåìå âûáðîñû íàïðÿæåíèÿ â ìîìåíò âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà âåðõíåãî ïëå÷à ïðèáëèçèòåëüíî íà 4  áîëüøå, ÷åì â ñõåìå ñ îïòèìèçèðîâàííûì ðàçìåùåíèåì ýëåìåíòîâ.

Ðàçìåùåíèå ýëåìåíòîâ ìîùíûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé Äëÿ óâåëè÷åíèÿ âûõîäíîãî òîêà ïðåîáðàçîâàòåëåé èñïîëüçóþò ïàðàëëåëüíîå ñîåäèíåíèå òðàíçèñòîðîâ.  ýòîì ñëó÷àå îíè äîëæíû ðàçìåùàòüñÿ íà ïëàòå òàê æå, êàê è â ñõåìå, ïîêàçàííîé íà Ðèñóíêå 3. Ïðèìåð òàêîé

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

MOSFET íèæíåãî ïëå÷à

1 ìêñ/ÄÅË

(á)

È

Ç

MOSFET íèæíåãî ïëå÷à

Q2

Q4 Äðîññåëü

È

Ç

È

Ç

LO Gate Trace

1 ìêñ/ÄÅË

Ç

SW

VOUT

VSW 10 Â/ÄÅË

VIN

MOSFET âåðõíåãî ïëå÷à

Cvcc

Lo1

PGND LO VCC SW HO BST

Cbst ØÈÌêîíòðîëëåð

Cout2 GND

Ïàðàçèòíûé òîêîâûé êîíòóð

Ïðîâîäíèêè âåðõíåãî ñëîÿ Ïîëèãîí îáùåãî ïðîâîäíèêà âòîðîãî ñëîÿ Êîíòàêòíûå ïëîùàäêè

Ðèñóíîê 6. Ðàñïîëîæåíèå ýëåìåíòîâ ìîùíîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ ñ ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûìè òðàíçèñòîðàìè.

êîìïîíîâêè, â êîòîðîé â ñèëîâîé ÷àñòè ïðåîáðàçîâàòåëÿ èñïîëüçóþòñÿ ÷åòûðå ìîùíûõ ïîëåâûõ òðàíçèñòîðà, – ïî äâà â êàæäîì ïëå÷å – ïðèâåäåí íà Ðèñóíêå 6. Òàê æå êàê è â ïðåäûäóùåé ñõåìå, âûñîêî÷àñòîòíûå òîêè ïàðàçèòíûõ êîíòóðîâ ïðîòåêàþò ÷åðåç ìàëîãàáàðèòíûå êåðàìè÷åñêèå êîíäåíñàòîðû òèïîðàçìåðà 0603, â òî âðåìÿ êàê òîêè íèçêîé ÷àñòîòû çàìûêàþòñÿ ÷åðåç âõîäíûå êîíäåíñàòîðû áîëüøåé åìêîñòè òèïîðàçìåðà 1210. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Texas Instruments LM5146-Q1

19

Êàê âäâîå óìåíüøèòü øóì èñòî÷íèêà îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ Alfredo H Saab, Steve Logan EDN

Ñ

Ñíèæåíèå óðîâíÿ íèçêî÷àñòîòíîãî (1/f) øóìà, ãåíåðèðóåìîãî ìèêðîñõåìîé èñòî÷íèêà îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ, ìîæåò îêàçàòüñÿ ñëîæíîé çàäà÷åé. Òåîðåòè÷åñêè, óðîâåíü øóìà ìîæíî óìåíüøèòü äîáàâëåíèåì ê âûõîäó îïîðíîãî èñòî÷íèêà ôèëüòðà íèæíèõ ÷àñòîò.

IC1 ÌÈÊÐÎÑÕÅÌÀ IN ÈÎÍ 2.5 Â OUT GND

+

C1 100 µF 12 Â –

Íà ïðàêòèêå RC-ôèëüòð íèæíèõ ÷àñòîò äëÿ ïîäàâëåíèÿ øóìîâûõ êîìïîíåíò íèæå 10 Ãö òðåáóåò áîëüøèõ íîìèíàëîâ ïîñëåäîâàòåëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ è ïàðàëëåëüíîé åìêîñòè. Ê ñîæàëåíèþ, ïîñëåäîâàòåëüíûé ðåçèñòîð áîëüøîãî íîìèíàëà âíîñèò ïîãðåøíîñòè

ÎÏÎÐÍÎÅ ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ 10 Â

C3 0.1 µF

C2 0.1 µF 12 Â

IC2 ÌÈÊÐÎÑÕÅÌÀ IN ÈÎÍ 2.5 Â OUT GND C4 0.1 µF

IN

R1 3 × 4.99k

IC3 ÌÈÊÐÎÑÕÅÌÀ ÈÎÍ 2.5 Â OUT GND C5 0.1 µF

IN

IC4 ÌÈÊÐÎÑÕÅÌÀ ÈÎÍ 2.5 Â OUT GND C6 0.1 µF

+ IC 5 MAX4236A – R2 4.99k

ÂÛÕÎÄ ÈÎÍ 2.5  ÑÎ ÑÍÈÆÅÍÍÛÌ ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅÌ ØÓÌÎÂ

Ðèñóíîê 1. ×åòûðå ÈÎÍ 2.5  IC1 – IC4 âûäàþò íàïðÿæåíèå 10 Â. Ðåçèñòîðû R1 è R2 îáðàçóþò äåëèòåëü, êîòîðûé óìåíüøàåò âûõîäíîå íàïðÿæåíèå 10  äî 2.5  è ñíèæàåò íàïðÿæåíèå âûõîäíîãî øóìà âäâîå. Áóôåðíûé óñèëèòåëü IC5 èçîëèðóåò ñõåìó ÈÎÍ îò íàãðóçêè.

20

ÑÒÀÒÜÈ

Òàáëèöà 1. Íàïðÿæåíèÿ øóìîâ, èçìåðåííûå â ñõåìå íà Ðèñóíêå 1 ïðè èñïîëüçîâàíèè ÷åòûðåõ ÈÎÍ 2.5  òèïà MAX6037. Òî÷êè èçìåðåíèÿ Âûõîä ñî ñíèæåííûì íàïðÿæåíèåì øóìîâ

Øóì Øóì (ìê ñ.ê.ç.) (ìê ïèê-ïèê)

Òàáëèöà 2. Íàïðÿæåíèÿ øóìîâ, èçìåðåííûå â ñõåìå íà Ðèñóíêå 1 ïðè èñïîëüçîâàíèè ÷åòûðåõ ÈÎÍ 2.5  òèïà MAX6143. Òî÷êè èçìåðåíèÿ

Øóì Øóì (ìê ñ.ê.ç.) (ìê ïèê-ïèê)

1

10

Âûõîä ñî ñíèæåííûì íàïðÿæåíèåì øóìîâ

0.27

2.2

Âûõîä IC1 (ìåæäó âûâîäàìè OUT è GND)

1.9

20

Âûõîä IC1 (ìåæäó âûâîäàìè OUT è GND)

0.52

4.7

Âûõîä IC2 (ìåæäó âûâîäàìè OUT è GND)

1.6

19

Âûõîä IC2 (ìåæäó âûâîäàìè OUT è GND)

0.6

4.8

Âûõîä IC3 (ìåæäó âûâîäàìè OUT è GND)

1.7

20

Âûõîä IC3 (ìåæäó âûâîäàìè OUT è GND)

0.5

4.3

Âûõîä IC4 (ìåæäó âûâîäàìè OUT è GND)

2.7

30

Âûõîä IC4 (ìåæäó âûâîäàìè OUT è GND)

0.55

4.7

ñîïðîòèâëåíèÿ è òåïëîâîé øóì, à ñîïðîòèâëåíèå óòå÷êè ïàðàëëåëüíîãî êîíäåíñàòîðà îáðàçóåò íåïðåäñêàçóåìóþ è íåñòàáèëüíóþ øóíòèðóþùóþ öåïü. Âìåñòå ýòè äâà ýëåìåíòà îáðàçóþò øóìíûé è òåìïåðàòóðíî çàâèñèìûé äåëèòåëü íàïðÿæåíèÿ, íàïðÿìóþ âëèÿþùèé íà òî÷íîñòü è äîëãîâðåìåííóþ ñòàáèëüíîñòü èñòî÷íèêà îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ. Êðîìå òîãî, çàãðÿçíåíèÿ ïîâåðõíîñòè ïå÷àòíîé ïëàòû ìîãóò äîáàâèòü åùå îäèí âîçìîæíûé ïóòü óòå÷êè è èñòî÷íèê îøèáîê. Íåñêîëüêî èñòî÷íèêîâ îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ ìîæíî âêëþ÷èòü ïîñëåäîâàòåëüíî, ÷òîáû óìåíüøèòü èõ øóì 1/f. Ïîñòîÿííûå âûõîäíûå íàïðÿæåíèÿ îïîðíûõ èñòî÷íèêîâ ñóììèðóþòñÿ ëèíåéíî, à èõ íåêîððåëèðîâàííûå âíóòðåííèå øóìîâûå èñòî÷íèêè ñóììèðóþòñÿ ãåîìåòðè÷åñêè. Äëÿ ïðèìåðà ðàññìîòðèì ñòåê èç ÷åòûðåõ ìèêðîñõåì, êàæäàÿ èç êîòîðûõ ñîäåðæèò èñòî÷íèê ïîñòîÿííîãî îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ VREF è âêëþ÷åííûé ïîñëåäîâàòåëüíî ãåíåðàòîð ñëó÷àéíîãî øóìà VNOISE. Òîãäà, îáîçíà÷èâ ñóììàðíîå îïîðíîå íàïðÿæåíèå è ñóììàðíîå íàïðÿæåíèå øóìîâ êàê VREF_TOT è VNOISE_TOT, ñîîòâåòñòâåííî, ïîëó÷èì:

VREF _ TOT = 4 ´ VREF .

Òàêèì îáðàçîì, èñõîäíîå îòíîøåíèå íàïðÿæåíèÿ øóìîâ ê ïîñòîÿííîìó îïîðíîìó íàïðÿæåíèþ äåëèòñÿ ïîïîëàì. Ñïîñîá äîáàâëåíèÿ íåñêîëüêèõ èñòî÷íèêîâ îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ (ÈÎÍ) äëÿ ïîëó÷åíèÿ îäíîãî îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ ñ ìåíüøèìè øóìàìè ïîêàçàí íà Ðèñóíêå 1. R1 è R2 ÿâëÿþòñÿ ÷àñòüþ âûñîêîñòàáèëüíîé ìàòðèöû ìåòàëëîïëåíî÷íûõ ðåçèñòîðîâ, à áóôåðíûé óñèëèòåëü IC5 èìååò íèçêèé óðîâåíü øóìà, íèçêîå âõîäíîå íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ è íèçêèå òåìïåðàòóðíûå êîýôôèöèåíòû íàïðÿæåíèÿ ñìåùåíèÿ.  Òàáëèöàõ 1 è 2 ïðåäñòàâëåíû øóìîâûå íàïðÿæåíèÿ, âîçíèêàþùèå â ðåçóëüòàòå îáúåäèíåíèÿ ÷åòûðåõ èñòî÷íèêîâ îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ 2.5  äâóõ òèïîâ.  êàæäîé òàáëèöå ïîêàçàíû íàïðÿæåíèÿ øóìîâ, èçìåðåííûõ â ïîëîñå îò 0.1 äî 10 Ãö äëÿ êàæäîãî èç ÷åòûðåõ ÈÎÍ îò IC1 äî IC4 è äëÿ èõ êîìáèíàöèè. Îáðàòèòå âíèìàíèå, ÷òî ðàçáðîñ îòíîøåíèé ñðåäíåêâàäðàòè÷íûõ çíà÷åíèé ê ïèêîâûì çíà÷åíèÿì ñâÿçàí ñ ñóáúåêòèâíîñòüþ ìåòîäà èçìåðåíèÿ.  äîïîëíåíèå ê ñíèæåíèþ øóìà â äèàïàçîíå îò 0.1 äî 10 Ãö ñõåìà òàêæå óìåíüøàåò äîëãîâðåìåííûé äðåéô îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå

è

VNOISE _ TOT = 4 ´ ( VNOISE )2 = 2 ´ VNOISE .

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

1. Datasheet Maxim MAX6037 2. Datasheet Maxim MAX6143 3. Datasheet Maxim MAX4236A

21

Ãåíåðàòîð íà òàéìåðå 555 ñ íåçàâèñèìîé ðåãóëèðîâêîé êîýôôèöèåíòà çàïîëíåíèÿ è ÷àñòîòû Jordan Dimitrov Electronic Design

Ð

Ðåëàêñàöèîííûé ãåíåðàòîð, îñíîâàííûé íà ìèêðîñõåìå òàéìåðà 555 â ñòàíäàðòíîì âêëþ÷åíèè, íå ìîæåò îáåñïå÷èòü êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ, â òî÷íîñòè ðàâíûé 50%. Ýòî îáùåèçâåñòíûé ôàêò. Ê ñ÷àñòüþ, åñòü íåñêîëüêî ñïîñîáîâ îáîéòè ýòó ïðîáëåìó. Ëó÷øå âñåãî âêëþ÷èòü äîïîëíèòåëüíûé ðåçèñòîð R3 ìåæäó òî÷êîé ñîåäèíåíèÿ «øòàòíûõ» ðåçèñòîðîâ R1 è R2 è âûâîäîì êîëëåêòîðà ðàçðÿäíîãî òðàíçèñòîðà ìèêðîñõåìû (Ðèñóíîê 1).

V R1

R2

7 6

UC(t) 2V/3

8

4

R3

òó [1].  ýòîé ñòàòüå ïîêàçàíî, êàê äîñòè÷ü ðåãóëèðóåìîãî êîýôôèöèåíòà çàïîëíåíèÿ â 50% ïðè ìèíèìàëüíîì èçìåíåíèè ÷àñòîòû. Äàæå ñ äîïîëíèòåëüíûì ðåçèñòîðîì òàéìåð ðàáîòàåò â îáû÷íîì ðåæèìå. Êîãäà âíóòðåííèé êëþ÷ S ìèêðîñõåìû ðàçîìêíóò, êîíäåíñàòîð C çàðÿæàåòñÿ ÷åðåç öåïü R1-R2 (Ðèñóíîê 2), è íàïðÿæåíèå íà íåì âîçðàñòàåò. Êîãäà îíî äîñòèãàåò 2/3 íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ

V/3

555

t2

t1

3

S

2 C

1

UOUT

Ðèñóíîê 1. Äîáàâëåíèå ðåçèñòîðà R3 ê ñòàíäàðòíîé ñõåìå íà òàéìåðå 555 ïîçâîëÿåò óñòàíîâèòü êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ, ðàâíûé 50%. Âðåìÿ

Ïðîáëåìà â òîì, ÷òî èçìåíåíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ R3 ñèëüíî âëèÿþò íà âûõîäíóþ ÷àñòî-

22

Ðèñóíîê 2. Òðåòèé ðåçèñòîð íå âëèÿåò íà íîðìàëüíûé öèêëà çàðÿäà-ðàçðÿäà ñõåìû.

ÑÒÀÒÜÈ

V, êëþ÷ çàìûêàåòñÿ, è êîíäåíñàòîð íà÷èíàåò ðàçðÿæàòüñÿ. Êîãäà íàïðÿæåíèå ïàäàåò äî óðîâíÿ V/3, êëþ÷ ðàçìûêàåòñÿ îïÿòü, è öèêë ïîâòîðÿåòñÿ. Âðåìåííûå èíòåðâàëû t1 è t2 ðàâíû: (1)

t1 = R1C (p + 1) × ln( 2),

æ q ö æ q-2 ö ÷ × ln ç ÷, t 2 = R1C çç p + q + 1÷ø çè 2q - 1÷ø è

(2)

ãäå p = R2/R1 è q = R3/R1. Åñëè êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ ðàâåí 50%, òî t1 = t2, ïîýòîìó:

æ q ö æ q-2 ö ÷ × ln ç ÷. (p + 1) × ln( 2) = çç p + q + 1÷ø çè 2q - 1÷ø è

(3)

À ÷àñòîòà – ýòî ïðîñòî

f=

1 0.7213 = .

2t1 R1C (p + 1)

(4)

Ôîðìóëà (3) ñâÿçûâàåò p è q. Åñëè p çàäàíî, ìîæíî ðàññ÷èòàòü q. Îáðàòèòå âíèìàíèå, ÷òî ÷ëåí ïîä ëîãàðèôìîì â ïðàâîé ÷àñòè ôîðìóëû âñåãäà äîëæåí áûòü ïîëîæèòåëüíûì. Ýòî âûïîëíÿåòñÿ, êîãäà è ÷èñëèòåëü, è çíàìåíàòåëü èìåþò îäèíàêîâûå çíàêè, è ýòî äàåò äëÿ q äâà èíòåðâàëà: îäèí îò 0 äî 0.5, à äðóãîé îò 2 äî áåñêîíå÷íîñòè. Ïðè ýòîì äëÿ âû÷èñëåíèÿ q ìîæíî èñïîëüçîâàòü ïðîñòóþ èòåðàòèâíóþ ïðîöåäóðó. Êîãäà ýòî áóäåò ñäåëàíî, ìîæíî áóäåò îïðåäåëèòü R1, R2 è R3. Ïðîöåäóðà çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì: 1. Óñòàíîâèòå æåëàåìóþ ÷àñòîòó è âûáåðèòå çíà÷åíèå åìêîñòè C. 2. Âûáåðèòå âåëè÷èíó p è ðàññ÷èòàéòå q ïî ôîðìóëå (3).

3. Ñ ïîìîùüþ ôîðìóëû (4) íàéäèòå ñîïðîòèâëåíèå ðåçèñòîðà R1. Òàáëèöà 1. Çàâèñèìîñòü ñîïðîòèâëåíèé R1, R2 è R3 îò p

Òàáëèöà 2. Îòêëîíåíèÿ êîýôôèöèåíòà çàïîëíåíèÿ (DC) è ÷àñòîòû (F) ïðè èçìåíåíèÿõ ñîïðîòèâëåíèé R1 = R1n + 5%

R2 = R2n + 5%

R3 = R3n + 5%

Îòêë. DC Îòêë. F Îòêë. DC Îòêë. F Îòêë. DC Îòêë. F (%) (%) (%) (%) (%) (%) –0.44

0.01

0.21

4.56

0.24

0.24

–0.82

0.01

0.36

4.35

0.46

0.46

–2.56

–0.05

0.83

3.25

1.80

1.80

–5.52

–0.93

0.42

0.87

5.73

5.73

–6.03

–1.21

0.24

0.48

6.63

6.63

4. Ðàññ÷èòàéòå R2 = pR1.

5. Ðàññ÷èòàéòå R3 = qR1.  Òàáëèöå 1 ïðèâåäåíû íîìèíàëüíûå çíà÷åíèÿ R1n, R2n è R3n, îïðåäåëåííûå ñ ïîìîùüþ ýòîé ïðîöåäóðû äëÿ ïÿòè çíà÷åíèé p ïðè ÷àñòîòå 20 êÃö è åìêîñòè C, ðàâíîé 1 íÔ. Ïîñêîëüêó âåëè÷èíû ñîïðîòèâëåíèé ðåçèñòîðîâ äîëæíû áûòü îêðóãëåíû äî ñòàíäàðòíûõ çíà÷åíèé, êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ íå áóäå ðàâåí ðîâíî 50%. Âîïðîñ â òîì, êàê íàñòðîèòü åãî ñ ìèíèìàëüíûì èçìåíåíèåì ÷àñòîòû. Îòâåò ÿñåí èç Òàáëèöû 2, ãäå ïðîöåíòíûå îòêëîíåíèÿ êîýôôèöèåíòà çàïîëíåíèÿ (duty cycle, DC) è ÷àñòîòû F ðàññ÷èòàíû äëÿ ñëó÷àåâ, êîãäà ñîïðîòèâëåíèå îäíîãî èç òðåõ ðåçèñòîðîâ óâåëè÷èâàåòñÿ íà 5%, â òî âðåìÿ êàê äâà äðóãèõ îñòàþòñÿ íåèçìåííûìè. Îáðàòèòå âíèìàíèå, ÷òî íàèëó÷øèå ðåçóëüòàòû äîñòèãàþòñÿ òîãäà, êîãäà äëÿ ðåãóëèðîâêè êîýôôèöèåíòà çàïîëíåíèÿ èñïîëüçóåòñÿ R1. Ñõåìà, ñêîíñòðóèðîâàííàÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ îïèñàííîé âûøå ïðîöåäóðîé (ïðè p = 1), áûëà ïðîòåñòèðîâàíà. Ñîïðîòèâëåíèÿ ðåçèñòîðîâ áûëè òàêèìè: R1 = 18.2 êÎì, R2 = 18.2 êÎì è R3 = 4.12 êÎì. Çàòåì ñîïðîòèâëåíèå R1 ìåíÿëîñü â ïðåäåëàõ ±5%. Äîïóñêàåìûå îòêëîíåíèÿ íîìèíàëîâ âñåõ ðåçèñòîðîâ ñîñòàâëÿëè 1%. Èç Òàáëèöû 3 âèäíî, ÷òî ðåçóëüòàòû, îñîáåííî êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ, áûëè î÷åíü áëèçêè ê çíà÷åíèÿì, ïðåäñêàçàííûì Òàáëèöåé 2. Îíè òàêæå íàìíîãî ëó÷øå óêàçàííûõ â [1], ãäå èñïîëüçîâàëñÿ ïåðåìåííûé ðåçèñòîð R3.

p R2/R1

q R3/R1

R1n (êÎì)

R2n (êÎì)

R3n (êÎì)

10

0.0418

3.280

32.795

0.137

5

0.0764

6.013

30.063

0.459

R1 (êÎì)

DC (%)

F (êÃö)

Òàáëèöà 3. Ðåçóëüòàòû èñïûòàíèé ñõåìû Îòêë. DC (%)

Îòêë. F (%) 0.07

1

0.2248

18.038

8.038

4.055

17.3

49.03

18.881

2.83

0.1

0.3911

32.795

3.280

12.826

18.2

50.46

18.866

[1]

[1]

0.05

0.4068

34.357

1.718

13.976

19.1

51.77

18.826

–2.60

–0.22

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

23

Ðàçëè÷èÿ ìåæäó òåîðèåé è ýêñïåðèìåíòîì îáóñëîâëåíû äîïóñêàìè ñîïðîòèâëåíèé ðåçèñòîðîâ. Î÷åâèäíî, ÷òî áîëüøå âñåãî ýòè äîïóñêè âëèÿþò íà ÷àñòîòó. Åñëè òðåáóåòñÿ áîëåå òî÷íîå óïðàâëåíèå ÷àñòîòîé, ìîæíî âûáðàòü áîëüøåå çíà÷åíèå p è/èëè èñïîëüçîâàòü áîëåå òî÷íûå ðåçèñòîðû. Ïåðâûé âàðèàíò ñóæàåò äèàïàçîí ðåãóëèðîâêè êîýôôèöèåíòà çàïîëíåíèÿ, à âòîðîé óâåëè÷èâàåò öåíó.

24

Ïðè íåîáõîäèìîñòè ÷àñòîòó ìîæíî ðåãóëèðîâàòü íåçàâèñèìî îò êîýôôèöèåíòà çàïîëíåíèÿ, èçìåíÿÿ åìêîñòü êîíäåíñàòîðà Ñ. ÐË

Ññûëêà 1. http://home.cogeco.ca/~rpaisley4/LM555.html

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Texas Instruments LM555

ÑÒÀÒÜÈ

Îãðàíè÷èòåëü ïóñêîâîãî òîêà çàùèùàåò îò êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ Ryan Brownlee EDN

ÏÏðè íàëè÷èè â ñõåìå áîëüøîé åìêîñòè âîçíèêàþò ïðîáëåìû êîíòðîëÿ ïóñêîâûõ òîêîâ. Ñàìûé ïðîñòîé ïîäõîä ïðåäïîëàãàåò ïîäêëþ÷åíèå ðåçèñòîðà ïîñëåäîâàòåëüíî ñ áàòàðååé êîíäåíñàòîðîâ, íî ðåçèñòîð âïóñòóþ ðàññåèâàåò ìîùíîñòü è äîáàâëÿåò ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ. Ñõåìà íà Ðèñóíêå 1 ðåøàåò ýòè ïðîáëåìû è îáåñïå÷èâàåò äîïîëíèòåëüíîå ïðåèìóùåñòâî. Ïðè ïóñêå ñõåìû p-n-p òðàíçèñòîð Q2 óäåðæèâàåò n-êàíàëüíûé MOSFET Q1 â çàêðûòîì ñîñòîÿíèè äî òåõ ïîð, ïîêà íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå C1 íå âûðàñòåò äî óðîâíÿ, äîñòàòî÷íîãî äëÿ âûêëþ÷åíèÿ Q2.  òå÷åíèå ýòîãî èíòåðâàëà ïóñêîâîé òîê â êîíäåíñàòîð C1 è îñòàëüíóþ ÷àñòü ñõåìû èäåò ÷åðåç ðåçèñòîð R1. Êîãäà Q2 çàêðûâàåòñÿ, Q1 âêëþ÷àåòñÿ, îáðàçóÿ íèçêîîìíûé ïóòü òîêà, ïàðàëëåëüíûé R1. Ïðè âûêëþ÷åíèè âíåøíåãî ïèòàíèÿ êîíäåíñàòîð C1 ðàçðÿæàåòñÿ è ñõåìà ñáðàñûâàåòñÿ.  êà÷åñòâå äîïîëíèòåëüíîãî ïðåèìóùåñòâà ýòà ñõåìà îáåñïå÷èâàåò çàùèòó îò êîðîòêèõ çàìûêàíèé. Ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ òîêà ÷åðåç Q1 ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà âíóòðåííåì ñîïðîòèâëåíèè îòêðûòîãî òðàíçèñòîðà óâåëè÷èâàåòñÿ. Êîãäà ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà Q1 äîñòèãàåò ïðèìåðíî 0.6  (îòêðûâàþùåå íàïðÿæåíèÿ áàçà-ýìèòòåð òðàíçèñòîðà Q2), Q2 âêëþ÷àåòñÿ, çàêðûâàÿ Q1, è òîê íàãðóçêè òåïåðü òå÷åò ÷åðåç ðåçèñòîð R1. Óñòðàíåíèå êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ âîññòàíàâëèâàåò íîðìàëüíóþ ðàáîòó, ïîçâîëÿÿ òðàíçèñòîðó Q2 âûêëþ÷èòüñÿ, à Q1 – âêëþ÷èòüñÿ. Îáðàòèòå âíèìàíèå, ÷òî, ïîñêîëüêó ñîïðîòèâëåíèå îòêðûòîãî MOSFET Q1 âûïîëíÿåò ôóíêöèþ òîêîèçìåðèòåëüíîãî ðåçèñòîðà, ïîðîã ñðàáà-

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

òûâàíèÿ çàùèòû ìîæåò âàðüèðîâàòüñÿ â çàâèñèìîñòè îò òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû è õàðàêòåðèñòèê Q1. Ìîæíî íàñòðîèòü ïîðîãè âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ Q1, âûáðàâ ñîîòâåòñòâóþùèé ðåçèñòîð R1 è òðàíçèñòîð Q1 ñ ïîäõîäÿùèì ñîïðîòèâëåíèåì îòêðûòîãî êàíàëà. Äîáàâëåíèå îáû÷íîãî äèîäà èëè ñòàáèëèòðîíà ïîñëåäîâàòåëüíî ñ ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà Q2 óâåëè÷èâàåò òîê ñðàáàòûâàíèÿ ïðè êîðîòêîì çàìûêàíèè. Âûáîð êîìïîíåíòîâ è íîìèíàëîâ äëÿ ýòîé ñõåìû çàâèñèò îò êîíêðåòíîãî ïðèëîæåíèÿ. Âîçìîæíî, ìîæåò ïîòðåáîâàòüñÿ âûáðàòü ðåçèñòîð R1 áîëüøîé ìîùíîñòè èëè äîáàâèòü ðàäèàòîð ê òðàíçèñòîðó Q1, íî âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ ñõåìà ýêîíîìèò ýíåðãèþ ïî ñðàâíåíèþ ñ òðàäèöèîííûìè ðåøåíèÿìè. ÐË

R1

Q1

+ ÈÑÒÎ×ÍÈÊ ÂÕÎÄÍÎÃÎ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß

+ ÂÛÕÎÄ Ê ÎÑÒÀËÜÍÎÉ ÑÕÅÌÅ

Q2 C1

+

R3 –

–

Ðèñóíîê 1. Ñõåìà íà ìîùíîì MOSFET îãðàíè÷èâàåò ïóñêîâîé òîê è çàùèùàåò îò êîðîòêèõ çàìûêàíèé.

25

Êàê ïîäàâëÿòü ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîìåõè â èìïóëüñíûõ èñòî÷íèêàõ ïèòàíèÿ Steve Taranovich Electronic Design Ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîìåõè ÿâëÿþòñÿ íàñòîÿùèì áåäñòâèåì ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ñèëîâîé ýëåêòðîíèêè, à ïîäàâëÿòü èõ ìîæíî ìíîæåñòâîì ñïîñîáîâ. Äîáàâëåíèå ïîìåõîïîäàâëÿþùåãî ôèëüòðà âíà÷àëå ìîæåò ïîêàçàòüñÿ ñàìûì î÷åâèäíûì âûáîðîì, íî, âîçìîæíî, èìåþòñÿ áîëåå õîðîøèå ðåøåíèÿ.

ÑÑòðóêòóðû

ñîâðåìåííûõ ýëåêòðîííûõ ñèëîâûõ ñèñòåì ñòàíîâÿòñÿ âñå áîëåå íàñûùåííûìè, ñ îãðîìíûì êîëè÷åñòâîì âçàèìîñâÿçåé. Ñîîòâåòñòâåííî, áîðüáà ñ ýëåêòðîìàãíèòíûìè ïîìåõàìè â òàêèõ ñèñòåìàõ ñòàíîâèòñÿ âñå áîëåå òðóäíîé çàäà÷åé. Îäíèì èç ãëàâíûõ èñòî÷íèêîâ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ (ÝÌÏ) ÿâëÿåòñÿ èìïóëüñíûé èñòî÷íèê ïèòàíèÿ. Îí ìîæåò íàõîäèòüñÿ âíå ïðîåêòèðóåìîé ñèñòåìû èëè ïå÷àòíîé ïëàòû

(ÏÏ), èëè æå áûòü ÷àñòüþ ïðîåêòà è óñòàíàâëèâàòüñÿ íà ÏÏ.  ëþáîì ñëó÷àå, óðîâåíü ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ äîëæåí áûòü ñíèæåí äëÿ ïðîõîæäåíèÿ ñòàíäàðòíûõ èñïûòàíèé íà ýëåêòðîìàãíèòíóþ ñîâìåñòèìîñòü (ÝÌÑ), à òàêæå äëÿ èñêëþ÷åíèÿ âëèÿíèÿ íà ðàáîòó îêðóæàþùåé ýëåêòðîíèêè. Ýòà ñòàòüÿ ïîçíàêîìèò ïðîåêòèðîâùèêîâ ñõåì ñ íåñêîëüêèìè èç ëó÷øèõ ñïîñîáîâ áîðüáû ñ ýëåêòðîìàãíèòíûìè ïîìåõàìè â èõ ïðîåêòàõ.

 äèàïàçîíå îò 30 äî 100 ÌÃö â îñíîâíîì ïðåîáëàäàþò ïîìåõè dv/dt

IIN VSW

+

VIN

–

+

+

VSW

VOUT

–

–

Íà ÷àñòîòàõ ñâûøå 100 ÌÃö ïðåîáëàäàþò ïîìåõè îò çâîíà

Íà ÷àñòîòàõ íèæå 100 ÌÃö äîìèíèðóþò ïîìåõè îò ïðåðûâèñòîãî òîêà

IIN

Ðèñóíîê 1. Íà ýòîé ñõåìå ïîêàçàíû èñòî÷íèêè ïîìåõ èìïóëüñíîãî áëîêà ïèòàíèÿ.

26

ÑÒÀÒÜÈ

Èìïóëüñíûé áëîê ïèòàíèÿ Áëàãîäàðÿ çàìåòíî áîëåå âûñîêîìó ÊÏÄ ïî ñðàâíåíèþ ñ ëèíåéíûìè ðåãóëÿòîðàìè, èìïóëüñíûå áëîêè ïèòàíèÿ ñòàëè êëþ÷åâûìè êîìïîíåíòàìè â êîíñòðóêöèÿõ ìíîãèõ ñèñòåì. Îñíîâíîé ïðè÷èíîé ïîìåõ, ñïîñîáíûõ ïîâëèÿòü íà èõ íàäåæíóþ ðàáîòó, ÿâëÿåòñÿ ïðîöåññ ïåðåêëþ÷åíèÿ ìîùíûõ êðåìíèåâûõ MOSFET èëè GaN òðàíçèñòîðîâ, ñîïðîâîæäàþùèéñÿ ïðîòåêàíèåì â ñõåìå ïðåðûâèñòûõ òîêîâ (Ðèñóíîê 1).  ñëåäóþùèõ ðàçäåëàõ áóäóò çàòðîíóòû íåêîòîðûå èç ëó÷øèõ ñïîñîáîâ îñëàáëåíèÿ ðàçëè÷íûõ âèäîâ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ [5].

Ñïîñîáû ïîäàâëåíèÿ êîíäóêòèâíûõ ïîìåõ Êîíäóêòèâíûå ïîìåõè [6] àíàëèçèðîâàòü ëåã÷å, ÷åì èçëó÷àåìûå; ðàçðàáîò÷èêè ìîãóò èñïîëüçîâàòü äëÿ ýòîãî ñòàíäàðòíûå ìåòîäû àíàëèçà öåïåé. Îäíàêî ìíîãèå ýëåìåíòû â àíàëèçå ÝÌÏ ÿâëÿþòñÿ ïàðàçèòíûìè è íå áóäóò ïðåäñòàâëåíû íà ïðèíöèïèàëüíîé ñõåìå. Âñëåäñòâèå îòêðûâàíèÿ è çàêðûâàíèÿ ìîùíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïåðåêëþ÷àòåëüíûõ ïðèáîðîâ â ñõåìå ïîÿâëÿþòñÿ çíà÷èòåëüíûå ïðåðûâèñòûå òîêè. Ýòè òîêè ïðîíèêíóò íà âõîäû ïîíèæàþùèõ ïðåîáðàçîâàòåëåé, íà âûõîäû ïîâûøàþùèõ ïðåîáðàçîâàòåëåé, à òàêæå íà âõîäû è âûõîäû îáðàòíîõîäîâûõ è ïîíèæàþùå-ïîâûøàþùèõ ïðåîáðàçîâàòåëåé. Ïðåðûâèñòûå òîêè ñîçäàäóò ïóëüñàöèè íàïðÿæåíèÿ, êîòîðûå ìîãóò ïðîíèêíóòü â äðóãèå ÷àñòè ñèñòåìû ÷åðåç ãàëüâàíè÷åñêèå ñâÿçè ìåæäó öåïÿìè. Òàêèå òîêè äîëæíû áûòü îòôèëüòðîâàíû íà âõîäå ïðåîáðàçîâàòåëÿ äëÿ óìåíüøåíèÿ ïóëüñàöèé íàïðÿæåíèÿ. Íà âûõîäå ìîùíîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ òàêæå ìîæåò ïîòðåáîâàòüñÿ ôèëüòð, ÷òîáû îáëåã÷èòü ïðîõîæäåíèå èñïûòàíèé íà ñîîòâåòñòâèå ñòàíäàðòàì ÝÌÑ. Ñèíôàçíóþ ïîìåõó, êàê ïðàâèëî, òðóäíåå àíàëèçèðîâàòü, ïîñêîëüêó îáû÷íî îíà îáóñëîâëåíà çàðÿäîì/ðàçðÿäîì ïàðàçèòíûõ ¸ìêîñòåé, èç êîòîðûõ ñàìûå çíà÷èòåëüíûå – ýòî ¸ìêîñòü ðàäèàòîð - ìîùíûé ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïðèáîð èëè ìåæîáìîòî÷íàÿ ¸ìêîñòü òðàíñôîðìàòîðà.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

Ñïîñîáû ïîäàâëåíèÿ èçëó÷àåìûõ ïîìåõ Èçëó÷àåìóþ ïîìåõó ìîæíî îöåíèòü äâóìÿ ñïîñîáàìè [5]: ! Ïî ýëåêòðîìàãíèòíîìó ïîëþ, èçìåðÿåìîìó ñ ïîìîùüþ àíòåííû íà ðàññòîÿíèè íåñêîëüêèõ ìåòðîâ îò èñòî÷íèêà ïîìåõè. ! Ïî ìàãíèòíîìó ïîëþ, èçìåðÿåìîìó ñ ïîìîùüþ ïðîáíèêà âáëèçè èíäóêòèâíûõ êîìïîíåíòîâ ñõåìû. Èñòî÷íèêîì ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ îáû÷íî ÿâëÿåòñÿ òîê, ïðîòåêàþùèé ïî êàêîìóëèáî êîíòóðó è ñîäåðæàùèé âûñîêî÷àñòîòíûå ãàðìîíèêè. Óìåíüøåíèå ïëîùàäè ýòîãî êîíòóðà, ñíèæåíèå ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ òîêà (di/dt) èëè åãî àìïëèòóäû ñïîñîáñòâóþò îñëàáëåíèþ èçëó÷àåìîé ïîìåõè.

Ìîäóëÿöèÿ ÷àñòîòû ïåðåêëþ÷åíèÿ â èìïóëüñíûõ èñòî÷íèêàõ ïèòàíèÿ Ïðèíóäèòåëüíîå èçìåíåíèå ðàáî÷åé ÷àñòîòû èìïóëüñíîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ (äèçåðèíã) äëÿ ðàñøèðåíèÿ ñïåêòðà ñíèçèò óðîâåíü ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ è îáëåã÷èò ðàçðàáîò÷èêàì ñåðòèôèêàöèþ íà ñîîòâåòñòâèå ñòàíäàðòàì ÝÌÑ â òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà ôèëüòðîâ è îïòèìèçèðîâàííîé êîìïîíîâêè ìîæåò áûòü íåäîñòàòî÷íî. Ñóòü äèçåðèíãà [1] â íåãëóáîêîé ìîäóëÿöèè ÷àñòîòû ïåðåêëþ÷åíèÿ èìïóëüñíîãî ñòàáèëèçàòîðà. Ðàññìîòðèì åãî ïîäðîáíåå. Ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå îò èìïóëüñíîãî èñòî÷íèêà çàíèìàåò øèðîêóþ ïîëîñó ÷àñòîò, ïîñêîëüêó ôîðìà èìïóëüñîâ â åãî öåïÿõ áëèçêà ê ïðÿìîóãîëüíîé, íî íàèáîëüøàÿ ýíåðãèÿ ïðèõîäèòñÿ íà îñíîâíóþ ãàðìîíèêó. Íåáîëüøàÿ ìîäóëÿöèÿ ðàáî÷åé ÷àñòîòû (òèïè÷íàÿ ãëóáèíà – 3% èëè îêîëî òîãî) ðàñïðåäåëèò áîëüøóþ ÷àñòü ïèêîâîé ýíåðãèè ïîìåõ â áîëåå øèðîêîé ïîëîñå ÷àñòîò. Îáùàÿ ýíåðãèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ îñòàíåòñÿ ïðåæíåé, íî ÷àñòü å¸, èçëó÷àåìàÿ â óçêîé ïîëîñå, óìåíüøåíà, à ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîìåõè, ñîîòâåòñòâåííî, ýôôåêòèâíî ñíèæåíû. Ïðèìåð íà Ðèñóíêå 1 ïîêàçûâàåò ïîäàâëåíèå ïèêîâîãî óðîâíÿ ïîìåõè íà 5 äÁ, ÷òî ìîæåò èãðàòü ðåøàþùóþ ðîëü ïðè âûáîðå ìåæäó áûñòðûì âûâîäîì óñòðîéñòâà íà ðûíîê ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ èñïûòàíèé íà

27

130 Àìïëèòóäà (äÁìêÂ)

Ðàçðåøåíèå ïî ïîëîñå 9 êÃö 110

90

70

50 300

Áåç äèçåðèíãà: 109 äÁìê íà ÷àñòîòå 338 êÃö Ñ äèçåðèíãîì: 104 äÁìê íà ÷àñòîòå 328 ìê ×àñòîòà (êÃö)

370

Ðèñóíîê 2. Ãðàôèê êâàçèïèêîâîãî óðîâíÿ ïîìåõ âáëèçè ÷àñòîòû 330 êÃö ïîêàçûâàåò ïîäàâëåíèå óðîâíÿ ïîìåõ íà 5 äÁ ïðè ìîäóëÿöèè ÷àñòîòû ïåðåêëþ÷åíèÿ.

ÝÌÑ èëè äëèòåëüíîé ðàáîòîé íàä ñíèæåíèåì óðîâíÿ ïîìåõ íèæå äîïóñòèìûõ ñòàíäàðòàìè ïðåäåëîâ (Ðèñóíîê 2).

Êîíñòðóêöèÿ êîðïóñà è ðàñïîëîæåíèå âûâîäîâ îñëàáëÿþò ÝÌÏ Ìíîãèå ðàçðàáîò÷èêè ìîãóò è íå çàäóìûâàòüñÿ î ðîëè êîðïóñà ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ïðèáîðà, òîæå ñïîñîáíîãî ïîìî÷ü ïîäàâëåíèþ ïîìåõ. Îäíèì èç çàìå÷àòåëüíûõ ïðèìåðîâ ÿâëÿåòñÿ êîðïóñ ìîùíûõ MOSFET äëÿ áûñòðîäåéñòâóþùèõ èìïóëüñíûõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ.  ïðåîáðàçîâàòåëÿõ òàêîãî ðîäà èìåþòñÿ áûñòðî èçìåíÿþùèåñÿ íàïðÿæåíèÿ (dv/dt) è òîêè (di/dt), óâåëè÷èâàþùèå óðîâåíü ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ â ñèñòåìå.

Ñòàíäàðòíûé êîðïóñ QFN ñ ïðîâîëî÷íûìè ñîåäèíåíèÿìè êðèñòàëëà è âñêðûòûì îñíîâàíèåì

Óñòðîéñòâî ñ ïðîâîëî÷íûìè ñîåäèíåíèÿìè

(à)

Ðàçðàáîò÷èêè ìîãóò ðåøèòü ïðîáëåìó, äîáàâèâ ôèëüòð. Îäíàêî ïðåæäå ÷åì äåëàòü ýòî, óâåëè÷èâàÿ ãàáàðèòû êîíñòðóêöèè (è òåì ñàìûì, ñíèæàÿ ïëîòíîñòü ìîùíîñòè), îáðàòèòå âíèìàíèå íà òåõíîëîãèè êîðïóñèðîâàíèÿ, êîòîðûå òàêæå ìîãóò ïîìî÷ü ïîäàâëåíèþ ïîìåõ. Äàëåå ïðèâîäèòñÿ íåñêîëüêî ïðèìåðîâ òîãî, êàê ñïåöèàëüíûå êîðïóñà ìîùíûõ MOSFET ìîãóò óëó÷øèòü ïîäàâëåíèå ÝÌÏ. Ïàðàëëåëüíîå ðàñïîëîæåíèå ñèëüíîòî÷íûõ âûâîäîâ ïèòàíèÿ è «çåìëè» òàêîãî êîðïóñà ïîçâîëèò ñèììåòðè÷íî ðàçìåñòèòü áëîêèðîâî÷íûå êîíäåíñàòîðû, øóíòèðóþùèå âõîä ïî âûñîêîé ÷àñòîòå. Êðîìå òîãî, ýêâèâàëåíòíàÿ ïàðàçèòíàÿ èíäóêòèâíîñòü ïåòëè èç äâóõ ðàâíûõ è ïàðàëëåëüíûõ èíäóêòèâíîñòåé óìåíüøàåòñÿ âäâîå. Ïðîâîëî÷íûå ñîåäèíåíèÿ êðèñòàëëà ñ âûâîäíîé ðàìêîé êîðïóñà QFN â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ìîæíî èñêëþ÷èòü, çàìåíèâ èõ ìåäíûìè ñòîëáèêàìè è ïåðåâåðíóâ êðèñòàëë (Ðèñóíîê 3). Òîêè, ïðîòåêàþùèå ïî âõîäíîé öåïè, ñîçäàäóò âñòðå÷íî íàïðàâëåííûå ìàãíèòíûå ïîëÿ, ÷òî êîìïåíñèðóåò ìàãíèòíóþ êîìïîíåíòó ïîëÿ è îñëàáèò èçëó÷àåìûå ïîìåõè. Òàêèì îáðàçîì, áëàãîäàðÿ ñèììåòðè÷íîé êîìïîíîâêå òåõ êîíòóðîâ âõîäíîé öåïè, â êîòîðûõ èìåþòñÿ áûñòðî èçìåíÿþùèåñÿ òîêè, ñîçäàâàåìûå èìè ìàãíèòíûå ïîëÿ âçàèìíî êîìïåíñèðóþòñÿ.

QFN ñ ïîäêëþ÷åíèåì HotRod (ïåðåâåðíóòûé êðèñòàëë) Íèçêèå ïàðàçèòíûå ïàðàìåòðû

Óñòðîéñòâî ñ ïîäêëþ÷åíèåì HotRod

(á)

Ðèñóíîê 3.  îáû÷íîì êîðïóñå QFN èñïîëüçóþòñÿ ïðîâîëî÷íûå ñîåäèíåíèÿ êðèñòàëëà ñ âíåøíèìè âûâîäàìè, âûçûâàþùèå çíà÷èòåëüíûé çâîí ïðè ïåðåêëþ÷åíèè (à).  êîðïóñå óëó÷øåííîé êîíñòðóêöèè «ïåðåâ¸ðíóòûé êðèñòàëë» ñîåäèí¸í ñ âíåøíèìè âûâîäàìè ìåäíûìè ñòîëáèêàìè, ÷òî èñêëþ÷àåò çâîí (á).

28

ÑÒÀÒÜÈ

C3

Èññëåäóåìîå óñòðîéñòâî

Ýêâèâàëåíò ñåòè

R2

VCC

R5

R6

C1

C2

R3

C4

T1

R7 D1

R1 –

R8

R9

+

D2 T2 R4 –VCC Ðåãèñòðàöèÿ

Óñèëåíèå

Èíæåêöèÿ òîêà

Ðèñóíîê 4. Òàêàÿ óñîâåðøåíñòâîâàííàÿ êîíñòðóêöèÿ ôèëüòðà áåç èíäóêòèâíûõ êîìïîíåíòîâ ìîæåò ðàáîòàòü ñ âûõîäíûìè òîêàìè ïîðÿäêà 60 À.

Åù¸ îäèí ñïîñîá ñíèæåíèÿ óðîâíÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ, ñâÿçàííûõ ñ êîðïóñîì, – ðàçìåùåíèå ñïëîøíîãî «çåìëÿíîãî» ïîëèãîíà äëÿ îáðàòíîãî òîêà íåïîñðåäñòâåííî ïîä äâóìÿ êîíòóðàìè äðîññåëÿ íà äðóãîì ñëîå ïå÷àòíîé ïëàòû, íàïðèìåð, íà âòîðîì ñëîå, ðàñïîëîæåííîì íåïîñðåäñòâåííî ïîä ñèëîâûìè öåïÿìè âåðõíåãî ñëîÿ.

öèåé çàðÿäà â ëèíèþ ïèòàíèÿ áåç ïðèìåíåíèÿ èíäóêòèâíûõ êîìïîíåíòîâ. ×òîáû óâåëè÷èòü ñèëó òîêà è ìîùíîñòü íà âûõîäå ôèëüòðà, à òàêæå ñíèçèòü âíîñèìûå ïîòåðè, ïîñëå ÎÓ èñïîëüçóåòñÿ äâóõòàêòíûé óñèëèòåëüíûé êàñêàä. Ýòà êîíñòðóêöèÿ ôèëüòðà äîñòàòî÷íî óñòîé÷èâà, ÷òîáû çàìåíèòü ïàññèâíûé ïîìåõîïîäàâëÿþùèé ôèëüòð.

Ïîìåõîïîäàâëÿþùèé ôèëüòð

Ýêðàíèðîâàíèå ôèëüòðà ÝÌÏ êàê ïîñëåäíÿÿ ïîïûòêà ïîáîðîòü êîíäóêòèâíûå ïîìåõè

Òàêèå ôèëüòðû ìîãóò èìåòü äèñêðåòíóþ èëè ìîäóëüíóþ êîíñòðóêöèþ. Ðàçðàáîò÷èêàì ñèëîâîé ýëåêòðîíèêè ïðèäåòñÿ âûáèðàòü âàðèàíò, íàèëó÷øèì îáðàçîì óäîâëåòâîðÿþùèé òðåáîâàíèÿì èõ ïðîåêòà ñ òî÷êè çðåíèÿ çàòðàò âðåìåíè, ãàáàðèòîâ è ñòîèìîñòè.

Ôèëüòð äèôôåðåíöèàëüíîé ïîìåõè (Ðèñóíîê 5) ñàì ñïîñîáåí ñîçäàòü êîíäóêòèâíûå ïîìåõè â ñèñòåìå ýëåêòðîïèòàíèÿ.

Ôèëüòðû ÝÌÏ â ñòðóêòóðå ìîùíîãî áëîêà ïèòàíèÿ Âàæíî ñâåñòè ê ìèíèìóìó ãàáàðèòû ïîìåõîïîäàâëÿþùåãî ôèëüòðà â ìîùíîì èìïóëüñíîì áëîêå ïèòàíèÿ [7]. Êîíñòðóêöèÿ ôèëüòðà, íå ñîäåðæàùàÿ èíäóêòèâíûõ êîìïîíåíòîâ, ãîðàçäî êîìïàêòíåå êëàññè÷åñêîé è îáåñïå÷èâàåò õîðîøóþ ïëîòíîñòü ìîùíîñòè. Íàïðèìåð, â êîíñòðóêöèè àêòèâíîãî ôèëüòðà, ïîêàçàííîé íà Ðèñóíêå 4, èñïîëüçóåòñÿ êîìïåíñàöèÿ íàïðÿæåíèÿ ïîìåõè èíæåê-

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

L1 C1

C2

Ðèñóíîê 5. Ñõåìà Ï-îáðàçíîãî ôèëüòðà ÝÌÏ.

 òàêîé ñèòóàöèè ìîæåò ïîìî÷ü ìåäíûé ýêðàí ïîä äèôôåðåíöèàëüíûì ôèëüòðîì (Ðèñóíîê 6à). Êîãäà âñå îñòàëüíûå ìåòîäû íå äàþò óäîâëåòâîðèòåëüíîãî ðåçóëüòàòà,

29

Ñòåêëîòåêñòîëèò FR4

Âåðòèêàëüíûå ìåäíûå ýêðàíû

Âåðõíèé ñëîé ìåäè (á)

(à)

Ðèñóíîê 6. Äâà âàðèàíòà êîíñòðóêòèâíîãî èñïîëíåíèÿ Ï-îáðàçíîãî ôèëüòðà: (à) – íà îäíîñòîðîííåé ÏÏ, (á) – íà äâóñòîðîííåé ÏÏ ñ âåðòèêàëüíûìè ýêðàíàìè èç ìåäè. Ðàññòîÿíèå ìåæäó êîìïîíåíòàìè ôèëüòðà âåçäå 3.5 ìì.

äîáàâüòå ïîëèãîíû ñâåðõó è ñíèçó ÏÏ, à òàêæå äâà âåðòèêàëüíûõ ìåäíûõ ýêðàíà ñî ñòîðîíû âõîäà è âûõîäà ôèëüòðà (Ðèñóíîê 6á).

Ïîäâåä¸ì èòîãè Ðàçðàáîò÷èêàì íåîáõîäèìû ïîíèìàíèå è èíñòðóìåíòû äëÿ ìèíèìèçàöèè âëèÿíèÿ êîíäóêòèâíûõ è èçëó÷àåìûõ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîìåõ êàê íà ïðîåêòèðóåìîå óñòðîéñòâî, òàê è íà ñîñåäíåå îáîðóäîâàíèå.  ýòîé ñòàòüå îñíîâíîå âíèìàíèå óäåëåíî èìïóëüñíûì áëîêàì ïèòàíèÿ, äàþùèì çíà÷èòåëüíûé ïðèðîñò ÊÏÄ ïî ñðàâíåíèþ ñ ëèíåéíûìè èñòî÷íèêàìè, íî ñïîñîáíûì ïîòðåáîâàòü ìíîãî âðåìåíè äëÿ áîðüáû ñ ýëåêòðîìàãíèòíûìè ïîìåõàìè. Ïðåäñòàâëåííûå çäåñü ìåòîäû è ñðåäñòâà ïðåäëàãàþò ñïîñîáû óëó÷øåíèÿ êîíñòðóêöèè èìïóëüñíîãî èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ, îáëåã÷àþùèå ïðîõîæäåíèå èñïûòàíèé íà ÝÌÑ è ñîêðàùàþùèå çàòðàòû âðåìåíè íà ïðîåêòèðîâàíèå. ÐË

30

Ññûëêè 1. Understanding Noise-Spreading Techniques and their Effects in Switch-Mode Power Applications, TI Power supply design seminar 2. An overview of conducted EMI specifications for power supplies 3. An overview of radiated EMI specifications for power supplies 4. Enhanced HotRod QFN Package: Achieving Low EMI Performance in Industry’s Smallest 4-A Converter 5. Reducing EMI in switch mode power supplies 6. Simple success with conducted EMI from DC-DC converters 7. Research of active EMI suppression strategy for high power density power supply, IEEE Xplore 8. Time-Saving and Cost-Effective Innovations for EMI Reduction in Power Supplies 9. Effect of shielding and component placement in DM EMI filters on a power supply’s conducted EMI, IEEE Xplore

ÑÒÀÒÜÈ

Äðàéâåð ñâåòîäèîäîâ äëÿ ìîùíûõ âñïûøåê ñèñòåì ìàøèííîãî çðåíèÿ Keith Szolusha, Kyle Lawrence Analog Dialogue

ÄÄëÿ ïîëó÷åíèÿ âûñîêîñêîðîñòíûõ èçîáðàæåíèé, íåîáõîäèìûõ â ñàìûõ ðàçíîîáðàçíûõ ïðèëîæåíèÿõ îáðàáîòêè äàííûõ, â ñèñòåìàõ ìàøèííîãî çðåíèÿ èñïîëüçóþòñÿ î÷åíü êîðîòêèå âñïûøêè èíòåíñèâíîãî ñâåòà. Íàïðèìåð, äâèæóùèåñÿ ñ âûñîêîé ñêîðîñòüþ êîíâåéåðíûå ëåíòû ïðîõîäÿò ÷åðåç ñèñòåìû ìàøèííîãî çðåíèÿ äëÿ áûñòðîãî êîíòðîëÿ ýòèêåòîê è äåôåêòîâ. Âñïûøêè íà îñíîâå èíôðàêðàñíûõ è ëàçåðíûõ ñâåòîäèîäîâ îáû÷íî èñïîëüçóþòñÿ â äàò÷èêàõ ïðèáëèæåíèÿ è äâèæåíèÿ ñèñòåì ìàøèííîãî çðåíèÿ. Ñèñòåìû áåçîïàñíîñòè èçëó÷àþò âûñîêîñêîðîñòíûå òðóäíî îáíàðóæèâàåìûå ñâåòîäèîäíûå âñïûøêè äëÿ ðàñïîçíàâàíèÿ äâèæåíèÿ è çàõâàòà è õðàíåíèÿ çàïèñåé ñ êàìåð âèäåîíàáëþäåíèÿ.

Êàìåðà LED

Âñïûøêà ~10 ìêñ

LED

Îäíîé èç ïðîáëåì âî âñåõ ýòèõ ñèñòåìàõ ÿâëÿåòñÿ ôîðìèðîâàíèå ñèëüíîòî÷íûõ è êîðîòêèõ (ìèêðîñåêóíäû) èìïóëüñîâ ñâåòîäèîäíîé âñïûøêè êàìåðû ñ î÷åíü áîëüøèìè ïåðèîäàìè îæèäàíèÿ, êîòîðûå ìîãóò ñîñòàâëÿòü îò 100 ìñ äî 1 ñ è áîëåå. Ôîðìèðîâàíèå êîðîòêèõ ïðÿìîóãîëüíûõ ñèãíàëîâ ñâåòîäèîäíîé âñïûøêè, ðàçäåëåííûõ äëèòåëüíûìè ïåðèîäàìè âðåìåíè, ÿâëÿåòñÿ íåòðèâèàëüíîé çàäà÷åé. Èç-çà òîãî, ÷òî òîêè âîçáóæäåíèÿ ñâåòîäèîäîâ (èëè ñâåòîäèîäíûõ öåïî÷åê) ïðåâûøàþò 1 À, à âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ ñîêðàùàåòñÿ äî ìèêðîñåêóíä, ñëîæíîñòü òåõíè÷åñêîãî ðåøåíèÿ âîçðàñòàåò åùå áîëüøå. Ìíîãèå äðàéâåðû ñâåòîäèîäîâ, ïîääåðæèâàþùèå âûñîêîñêîðîñòíóþ ØÈÌ, íå ìîãóò ýôôåêòèâ-

Áèáëèîòåêà îáðàçîâ è ñïîñîáîâ îáðàáîòêè

Ðîáîò

Âñïûøêà ~10 ìêñ Êîíâåéåð ñ îáúåêòàìè Ïåðèîä îò ~1 ìñ äî 1 ñ

LT3932 ôîðìèðóåò îäèíàêîâûå èìïóëüñû òîêà, íå çàâèñÿùèå îò ïåðèîäà ìåæäó âñïûøêàìè

Ðèñóíîê 1. Ïðèìåð ìàøèííîãî çðåíèÿ íà ïðîìûøëåííîé êîíâåéåðíîé ëåíòå. Ñèñòåìû êîíòðîëÿ ðàáîòàþò ñ ðàçíûìè ñêîðîñòÿìè, íî òåõíîëîãèÿ âñïûøêè äîëæíà áûòü áûñòðîé è ÷åòêîé.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

31

íî ðàáîòàòü ñ äëèòåëüíûìè ïåðèîäàìè âûêëþ÷åíèÿ è ìîùíûìè êîðîòêèìè èìïóëüñàìè òîêà áåç óõóäøåíèÿ ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû ñèãíàëà, íåîáõîäèìîé äëÿ ïðàâèëüíîé îáðàáîòêè âûñîêîñêîðîñòíûõ èçîáðàæåíèé.

Ñîáñòâåííàÿ òåõíîëîãèÿ óïðàâëåíèÿ ñâåòîäèîäíîé âñïûøêîé êîìïàíèè AD Ê ñ÷àñòüþ, áûñòðîäåéñòâóþùèé äðàéâåð ñâåòîäèîäîâ LT3932 ìîæåò îáåñïå÷èòü ñâåòîäèîäíûå öåïî÷êè âñïûøåê êàìåð ìàøèííîãî çðåíèÿ òîêîì äî 2 À äàæå ïðè äëèòåëüíîì îòêëþ÷åíèè íà 1 ñåêóíäó, 1 ÷àñ, 1 äåíü èëè äîëüøå (Ðèñóíîê 1). Ðåàëèçîâàííàÿ â LT3932 ñïåöèàëüíàÿ ôóíêöèÿ óïðàâëåíèÿ âñïûøêîé êàìåðû ïîçâîëÿåò ïîääåðæèâàòü ñîñòîÿíèå çàðÿäà âûõîäíîãî êîíäåíñàòîðà è êîíòóðà óïðàâëåíèÿ äàæå â òå÷åíèå äëèòåëüíîãî âðåìåíè ïðîñòîÿ. Ïîñëå âûáîðêè ñîñòîÿíèÿ âûõîäíûõ êîíäåíñàòîðîâ è êîíäåíñàòîðîâ êîíòóðà óïðàâëåíèÿ LT3932 ïðîäîëæàåò ïîäçàðÿæàòü ýòè êîìïîíåíòû â òå÷åíèå âñåãî âðåìåíè îòêëþ÷åíèÿ, ÷òîáû êîìïåíñèðîâàòü ñâîéñòâåííûå èì òîêè óòå÷êè, êîòîðûå íå ó÷èòûâàþòñÿ äðóãèìè äðàéâåðàìè ñâåòîäèîäîâ. Çàïàòåíòîâàííàÿ òåõíîëîãèÿ, ðåàëèçîâàííàÿ â LT3932, äîïóñêàåò ìàñøòàáèðîâàíèå ïóòåì ïàðàëëåëüíîãî ñîåäèíåíèÿ íåñêîëüêèõ äðàéâåðîâ äëÿ óâåëè÷åíèÿ òîêà ñâåòîäèîäíîé âñïûøêè. Ïðè ýòîì æåëàåìàÿ ôîðìà èìïóëüñà âñïûøêè è åãî öåëîñòíîñòü ñîõðàíÿþòñÿ. Èç Ðèñóíêà 2 âèäíî, êàê ëåãêî ñîåäèíèòü ïàðàëëåëüíî äâà äðàéâåðà äëÿ 3àìïåðíîé âñïûøêè êàìåðû; ïðè ýòîì ìàêñèìàëüíûé òîê ñîñòàâëÿåò 4 À. Òðåáîâàíèÿ ê ñâåòîäèîäíûì âñïûøêàì ñèñòåì ìàøèííîãî çðåíèÿ íàìíîãî âûøå, ÷åì ìîæåò îáåñïå÷èòü ñòàíäàðòíûé äðàéâåð äëÿ ØÈÌ ðåãóëÿòîðà ÿðêîñòè. Äåëî â òîì, ÷òî áîëüøèíñòâî âûñîêîêà÷åñòâåííûõ ñâåòîäèîäíûõ äðàéâåðîâ ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ äèììèðîâàíèÿ ñ ÷àñòîòîé ØÈÌ íå ìåíåå 100 Ãö. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî áîëåå íèçêèå ÷àñòîòû ìîãóò âîñïðèíèìàòüñÿ ÷åëîâå÷åñêèì ãëàçîì êàê ðàçäðàæàþùåå ìåðöàíèå èëè äåðãàíüå, äàæå åñëè èìïóëüñû ØÈÌ, óïðàâëÿþùèå ñâåòîäèîäàìè, ñòðîãî ïðÿìîóãîëüíûå è ïåðèîäè÷åñêèå. Ïðè ÷àñòîòå 100 Ãö òåîðåòè÷åñêîå ìàêñèìàëüíîå âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ ñîñòàâëÿåò îêîëî 10 ìñ.  òå÷åíèå 10 ìñ âûêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ ïðàâèëüíî ñïðîåê-

32

òèðîâàííûé äðàéâåð ñâåòîäèîäà òåðÿåò ìèíèìàëüíîå êîëè÷åñòâî çàðÿäà âûõîäíîãî êîíäåíñàòîðà, ÷òî ïîçâîëÿåò åìó çàïóñêàòü ñâîé êîíòóð óïðàâëåíèÿ ïðèìåðíî â òîì æå ñîñòîÿíèè, â êîòîðîì îí íàõîäèëñÿ âî âðåìÿ ïîñëåäíåãî âêëþ÷åíèÿ èìïóëüñà ØÈÌ. Ñêîðîñòè îòêëèêà è íàðàñòàíèÿ òîêà äðîññåëÿ, à òàêæå âêëþ÷åíèå ñëåäóþùåãî èìïóëüñà ØÈÌ òîêà ñâåòîäèîäà ìîãóò áûòü áûñòðûìè è âîñïðîèçâîäèìûìè ïðè ìèíèìàëüíîì âðåìåíè çàïóñêà. Áîëåå äëèòåëüíîå âûêëþ÷åíèå (äëÿ ÷àñòîò íèæå 100 Ãö) ìîæåò ïðèâåñòè ê ïîòåðå çàðÿäà âûõîäíîãî êîíäåíñàòîðà èççà óòå÷êè, ÷òî ïîìåøàåò áûñòðîé ðåàêöèè ïðè ïîâòîðíîì âêëþ÷åíèè ñâåòîäèîäà.

Ïàðàëëåëüíîå âêëþ÷åíèå äðàéâåðîâ ñâåòîäèîäîâ äëÿ óâåëè÷åíèÿ âûõîäíîãî òîêà Äðàéâåðû ñâåòîäèîäîâ ðàáîòàþò êàê èñòî÷íèêè òîêà, ñòàáèëèçèðóÿ òîê, âîçáóæäàþùèé ñâåòîäèîäû. Ïîñêîëüêó òîê òå÷åò òîëüêî â îäíîì íàïðàâëåíèè ê âûõîäó, íåñêîëüêî äðàéâåðîâ ñâåòîäèîäîâ ìîæíî ñîåäèíÿòü ïàðàëëåëüíî, è èõ òîêè áóäóò ñóììèðîâàòüñÿ â íàãðóçêå. Èñòî÷íèêè òîêà íå íóæäàþòñÿ â çàùèòå îò îáðàòíûõ òîêîâ.  òî æå âðåìÿ ðåãóëÿòîðû íàïðÿæåíèÿ ïî ñâîåé ïðèðîäå ïëîõî ïîäõîäÿò äëÿ ðàñïðåäåëåíèÿ òîêà. Åñëè âñå îíè áóäóò ñòðåìèòüñÿ ñòàáèëèçèðîâàòü âûõîäíûå íàïðÿæåíèÿ îäíîãî óðîâíÿ, à â èõ öåïÿõ îáðàòíîé ñâÿçè áóäóò íåáîëüøèå ðàçëè÷èÿ, ÷åðåç ðåãóëÿòîð ìîæåò ïîòå÷ü îáðàòíûé òîê. Äðàéâåð ñâåòîäèîäîâ ñòàáèëèçèðóåò ñâîé âûõîäíîé òîê íåçàâèñèìî îò äðóãèõ äðàéâåðîâ, êîòîðûå ìîãóò ïîäàâàòü äîïîëíèòåëüíûé òîê â âûõîäíóþ íàãðóçêó. Ýòî äåëàåò ïàðàëëåëüíîå âêëþ÷åíèå äðàéâåðîâ ñâåòîäèîäîâ äîâîëüíî ïðîñòûì. Íàïðèìåð, ïîêàçàííàÿ íà Ðèñóíêå 1 êîíñòðóêöèÿ ñâåòîäèîäíîé âñïûøêè èç äâóõ ïàðàëëåëüíûõ äðàéâåðîâ LT3932 ýôôåêòèâíî óïðàâëÿåò ÷åòûðüìÿ ñâåòîäèîäàìè 3-àìïåðíûìè èìïóëüñàìè òîêà äëèòåëüíîñòüþ 10 ìêñ, ðàçäåëåííûìè äëèòåëüíûìè ïåðèîäàìè îæèäàíèÿ, îïðåäåëÿåìûìè ñèñòåìîé ìàøèííîãî çðåíèÿ. Êàæäûé ïðåîáðàçîâàòåëü LT3932 îòäàåò ïîëîâèíó îáùåãî òîêà öåïî÷êè âî âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ èìïóëüñà ØÈÌ, âûêëþ÷àåòñÿ è ñîõðàíÿåò ñâîå âûõîäíîå ñîñòîÿíèå ïîñëå îòêëþ÷åíèÿ ØÈÌ. Âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ ìîæåò áûòü êîðîò-

ÑÒÀÒÜÈ

VIN 24 Â

22 nF 33 µF 4.7 µF

BOOST

VIN

0.4 µF ×2

INTVCC L1

GND

SW

2.2 µH

M1

10 µF

W 178 kW

FB

W 100 kW

ÑÁÎÉ1

0.056 W

VOUT

INTVCC 10 µF

D1

W 10 kW

FAULT LT3932 ISMON

ISP

W 1 MW

47 nF

ISN PWMTG

VREF 2.2 µF

VC

W 100 kW

RT CTRL

45.3 kW 2 MHz

SS

470 pF

RP

2.2 µF

W 5.1 kW

3A

EN/UVLO PWM SYNC/SPRD W 232 kW W 14.3 kW

D1–D2: Nexperia BAT46WJ D3: Nexperia PMEG3010EJ L1–L2: Würth 74438323022 M1–M2: Vishay SI2369DS

Âñïûøêà

Âñïûøêà è ñèíõðîíèçàöèÿ

Òàêòîâàÿ ÷àñòîòà 2 ÌÃö, 3  W 14.3 kW W 232 kW

EN/UVLO PWM SYNC/SPRD 22 nF

VIN 4.7 µF

BOOST

INTVCC

0.47 µF ×2

L2

GND

SW

M2

10 µF

2.2 µH

D3 W 178 kW

W 100 kW

ÑÁÎÉ2

0.056 W

VOUT

INTVCC 10 µF

D2

FB W 10 kW

FAULT LT3932 ISMON W 1 MW

47 nF

ISP ISN

VREF 2.2 µF

PWMTG VC

W 100 kW

RT CTRL SS 2.2 µF

W 5.1 kW 45.3 kW 2 MHz

RP

470 pF

Ðèñóíîê 2. Âêëþ÷åííûå ïàðàëëåëüíî 1.5-àìïåðíûå ñâåòîäèîäíûå äðàéâåðû LT3932 îáåñïå÷èâàþò ñèñòåìó ìàøèííîãî çðåíèÿ èìïóëüñàìè àìïëèòóäîé 3 À ñ äëèòåëüíûì âðåìåíåì îòêëþ÷åíèÿ.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

33

êèì èëè äëèííûì, íèêàê íå âëèÿÿ íà âîñïðîèçâîäèìîñòü ôîðìû ñèãíàëà âñïûøêè. Ïðèëîæåíèÿ ñ ïàðàëëåëüíûìè äðàéâåðàìè âñïûøåê êàìåð ïî÷òè òàêæå ïðîñòû, êàê è îäèíî÷íûå ïðåîáðàçîâàòåëè ïðè äëèòåëüíîì îòêëþ÷åíèè. Ïðåîáðàçîâàòåëè îòñëåæèâàþò îáùåå âûõîäíîå íàïðÿæåíèå â êîíöå àêòèâíîãî ñîñòîÿíèÿ ïîñëåäíåãî èìïóëüñà ØÈÌ è ïîääåðæèâàþò âûõîäíîé êîíäåíñàòîð çàðÿæåííûì äî ýòîãî ñîñòîÿíèÿ äàæå âî âðåìÿ äëèòåëüíûõ ïàóç. Êàæäûé ïðåîáðàçîâàòåëü îòêëþ÷àåò ñâîé âûõîäíîé MOSFET ñõåìû ØÈÌ îò îáùåé íàãðóçêè è ïîääåðæèâàåò çàðÿä ñâîåãî âûõîäíîãî êîíäåíñàòîðà ïðèìåðíî íà óðîâíå, íà êîòîðîì îí íàõîäèëñÿ â ïîñëåäíåì ñîñòîÿíèè, ïîäàâàÿ â ýòîò êîíäåíñàòîð òîê ïî ìåðå óòå÷êè ýíåðãèè. Ëþáûå óòå÷êè, âîçíèêàþùèå â ýòèõ êîíäåíñàòîðàõ ïðè äëèòåëüíîì áåçäåéñòâèè, êîìïåíñèðóåòñÿ ïîäêà÷êîé íåáîëüøîãî òîêà.  íà÷àëå ñëåäóþùåãî èìïóëüñà ØÈÌ âûõîäíûå MOSFET ñõåìû ØÈÌ âêëþ÷àþòñÿ, è íîâûé öèêë íà÷èíàåòñÿ ïðèìåðíî ïðè òàêîì æå ñîñòîÿíèè âûõîäíûõ êîíäåíñàòîðîâ, â êàêîì îíè áûëè âî âðåìÿ ïîñëåäíåãî èìïóëüñà, íåçàâèñèìî îò òîãî, ïðîøëî ëè 10 ìñ èëè öåëûé äåíü. Îñöèëëîãðàììû ñèãíàëîâ â ñîåäèíåííûõ ïàðàëëåëüíî äðàéâåðàõ LT3932 ïðè âîçáóæäåíèè ÷åòûðåõ ñâåòîäèîäîâ 3-àìïåðíûìè èìïóëüñàìè òîêà äëèòåëüíîñòüþ 10 ìêñ ïîêàçàíû íà Ðèñóíêàõ 3à è 3á. Èìïóëüñû òîêà ñâåòîäèîäîâ èìåþò êðóòûå ôðîíòû è ìàëóþ çàäåðæêó, íåçàâèñèìî îò òîãî, ñîñòàâëÿåò ëè

âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ ØÈÌ 10 ìñ (100 Ãö) èëè 1 ñ (1 Ãö), ÷òî èäåàëüíî ïîäõîäèò äëÿ ñèñòåì ìàøèííîãî çðåíèÿ.

Òîê ìîæåò áûòü åùå áîëüøå Êîëè÷åñòâî âêëþ÷àåìûõ ïàðàëëåëüíî äðàéâåðîâ ñâåòîäèîäîâ íå îãðàíè÷åíî äâóìÿ ïðåîáðàçîâàòåëÿìè. Äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ åùå áîëåå ñèëüíîòî÷íûõ ñèãíàëîâ ñ êðóòûìè ôðîíòàìè ìîãóò áûòü ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåíû òðè èëè áîëåå ïðåîáðàçîâàòåëåé. Ïîñêîëüêó â ýòîé ñèñòåìå íåò âåäóùåãî èëè âåäîìîãî óñòðîéñòâà, âñå ïðåîáðàçîâàòåëè âûðàáàòûâàþò îäèíàêîâîå êîëè÷åñòâî òîêà è ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëÿþò ìåæäó ñîáîé íàãðóçêó. Ðåêîìåíäóåòñÿ, ÷òîáû ñèíõðîíèçàöèÿ âñåõ ïàðàëëåëüíûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé äðàéâåðîâ ñâåòîäèîäîâ âûïîëíÿëàñü îáùèì òàêòîâûì ñèãíàëîì. Ýòî äàåò ãàðàíòèþ, ÷òî ïóëüñàöèè íà âûõîäíûõ êîíäåíñàòîðàõ âñåõ ïðåîáðàçîâàòåëåé áóäóò ïðèìåðíî ñèíôàçíûìè, òàê ÷òî òîêè ïóëüñàöèé íå ïîòåêóò îáðàòíî â ïðåîáðàçîâàòåëü èëè ìåæäó ðàçíûìè ïðåîáðàçîâàòåëÿìè. Âàæíî òàêæå, ÷òîáû èìïóëüñû ØÈÌ îñòàâàëèñü â ôàçå ñ òàêòîâîé ÷àñòîòîé 2 ÌÃö. Ýòî ãàðàíòèðóåò, ÷òî èìïóëüñû ñâåòîäèîäíîé âñïûøêè êàìåðû ñîõðàíÿò êðóòûå è íå äðîæàùèå ôðîíòû, îáåñïå÷èâàÿ íàèëó÷øèå ðåçóëüòàòû îáðàáîòêè èçîáðàæåíèé. Äåìîíñòðàöèîííàÿ ñõåìà DC2286A ñ ìèêðîñõåìîé LT3932 ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â êà÷åñòâå ïîíèæàþùåãî ñâåòîäèîäíîãî äðàéâåðà ñ âûõîäíûì òîêîì 1 À, óïðàâëÿþùåãî îäíèì èëè äâóìÿ ñâåòîäèîäàìè.

Òàêòîâàÿ ÷àñòîòà 2 ÌÃö

Òàêòîâàÿ ÷àñòîòà 2 ÌÃö ÑÈÍÕÐÎÈÌÏÓËÜÑÛ 2 Â/ÄÅË

ØÈÌ ÂÑÏÛØÊÈ 2 Â/ÄÅË

ÑÈÍÕÐÎÈÌÏÓËÜÑÛ 2 Â/ÄÅË

Èìïóëüñ ñâåòîäèîäà 10 ìêñ

ÒÎÊ ÑÂÅÒÎÄÈÎÄÀ 2 À/ÄÅË

ØÈÌ ÂÑÏÛØÊÈ 2 Â/ÄÅË

Èìïóëüñ ñâåòîäèîäà 10 ìêñ

ÒÎÊ ÑÂÅÒÎÄÈÎÄÀ 2 À/ÄÅË 10 ìñ ìåæäó èìïóëüñàìè 2 ìêñ/ÄÅË

1 ñ ìåæäó èìïóëüñàìè 2 ìêñ/ÄÅË

Ðèñóíîê 3. Ôîðìû ñèãíàëîâ 3-àìïåðíîé âñïûøêè êàìåðû ñ ïàðàëëåëüíûìè äðàéâåðàìè ñâåòîäèîäîâ èç Ðèñóíêà 1 âûãëÿäÿò îäèíàêîâî, íåçàâèñèìî îò âðåìåíè âûêëþ÷åíèÿ ØÈÌ. Êàðòèíà áûëà áû òàêîé æå ïðè âûêëþ÷åíèè ØÈÌ íà äåíü èëè äîëüøå.

34

ÑÒÀÒÜÈ

ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ ìèêðîñõåìà ãåíåðàòîðà. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ åùå áîëåå ìîùíûõ èìïóëüñîâ òîêà äîáàâüòå äîïîëíèòåëüíûå ïðåîáðàçîâàòåëè äåìîíñòðàöèîííîé ñõåìû DC2286A, èñïîëüçóÿ òó æå ñõåìó ïàðàëëåëüíîãî ñîåäèíåíèÿ.

Çàêëþ÷åíèå

Ðèñóíîê 4. Äâå äåìîíñòðàöèîííûå ïëàòû DC2286A ñ ìèêðîñõåìàìè LT3932 ëåãêî ñîåäèíÿþòñÿ ïàðàëëåëüíî äëÿ ñîçäàíèÿ ñâåòîäèîäíîé âñïûøêè ñèñòåìû ìàøèííîãî çðåíèÿ, ïîêàçàííîé íà Ðèñóíêå 1, ñ òîêàìè îò 3 À äî 4 À.

Ýòè ñõåìû ìîæíî ëåãêî èçìåíÿòü è âêëþ÷àòü ïàðàëëåëüíî, êàê ïîêàçàíî íà Ðèñóíêå 1, äëÿ óâåëè÷åíèÿ âûõîäíîãî òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ. Ðèñóíîê 4 äåìîíñòðèðóåò ïðîñòîòó ñîåäèíåíèÿ äâóõ òàêèõ ñõåì äëÿ óïðàâëåíèÿ ÷åòûðüìÿ ñâåòîäèîäàìè 10-ìèêðîñåêóíäíûìè èìïóëüñàìè òîêà 3 À îò âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ 24 Â.Ïðè òåñòèðîâàíèè ñõåìû â êà÷åñòâå èñòî÷íèêà ñèíõðîíèçèðîâàííîãî òàêòîâîãî ñèãíàëà ìîæíî èñïîëüçîâàòü ãåíåðàòîð èìïóëüñîâ, êàê ïîêàçàíî íà Ðèñóíêå 4.  ïðîèçâîäñòâåííîé ñèñòåìå ìàøèííîãî çðåíèÿ äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ñèíõðîíèçèðîâàííûõ òàêòîâûõ èìïóëüñîâ è èìïóëüñîâ ØÈÌ

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

Äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ áûñòðûõ ïðÿìîóãîëüíûõ ñèëüíîòî÷íûõ èìïóëüñîâ òîêà, íåîáõîäèìûõ äëÿ àâòîìàòèçèðîâàííîé îáðàáîòêè èçîáðàæåíèé, â ñèñòåìàõ ìàøèííîãî çðåíèÿ ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ ïàðàëëåëüíî âêëþ÷åííûå äðàéâåðû ñâåòîäèîäîâ. Çàïàòåíòîâàííàÿ òåõíîëîãèÿ äðàéâåðà ñâåòîäèîäíîé âñïûøêè êàìåðû LT3932 ìîæåò áûòü ðàñøèðåíà äî áîëåå âûñîêèõ òîêîâ ïóòåì ïîäêëþ÷åíèÿ ïàðàëëåëüíûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé. Ñîåäèíåííûå ïàðàëëåëüíî ïðåîáðàçîâàòåëè LT3932 ïîçâîëÿþò ôîðìèðîâàòü èìïóëüñû òîêà äëèòåëüíîñòüþ ïîðÿäêà åäèíèö ìèêðîñåêóíä ñ àìïëèòóäîé 3 À è áîëåå äàæå ïðè äëèòåëüíûõ ïàóçàõ. Èìïóëüñû ñâåòîäèîäíîé âñïûøêè êàìåðû ñîõðàíÿþò êðóòûå è íå äðîæàùèå ôðîíòû, íåçàâèñèìî îò òîãî, ñêîëüêî äëèòñÿ ïàóçà ìåæäó âñïûøêàìè. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Analog Devices LT3932 2. Datasheet Nexperia BAT46WJ 3. Datasheet Nexperia PMEG3010EJ 4. Datasheet Vishay Si2369DS

35

Ïîäêëþ÷åíèå ÷àñîâ ðåàëüíîãî âðåìåíè DS1307 ê ìèêðîêîíòðîëëåðó STM8 ÷åðåç ìîäóëü I2C Àëåêñàíäð Ðóñó, Îäåññà, Óêðàèíà

Â

Âî ìíîãèõ ïðèëîæåíèÿõ ïðîöåññû è ñîáûòèÿ î÷åíü ÷àñòî äîëæíû ïðèâÿçûâàòüñÿ ê àñòðîíîìè÷åñêîìó âðåìåíè. Íå îêàçàëàñü èñêëþ÷åíèåì è ìîÿ ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ ñèñòåìà äëÿ âûðàùèâàíèÿ ðàññàäû [1], â êîòîðîé ìíå ïîòðåáîâàëîñü âêëþ÷àòü è âûêëþ÷àòü ôèòîëàìïû ïî îïðåäåëåííîìó ðàñïèñàíèþ. Ïîñêîëüêó â ìèêðîêîíòðîëëåðàõ STM8, âûáðàííûõ â êà÷åñòâå àïïàðàòíîé îñíîâû äëÿ åå ðåàëèçàöèè, ìîäóëü ÷àñîâ ðåàëüíîãî âðåìåíè (Real Time Clock, RTC) îòñóòñòâîâàë, ìíå íóæíî áûëî èëè ðåàëèçîâûâàòü åãî ñàìîìó, èëè èñïîëüçîâàòü äëÿ ýòîãî âíåøíèå ñïåöèàëèçèðîâàííûå êîìïîíåíòû. Ïîñëå íåäîëãèõ êîëåáàíèé áûë âûáðàí ïîñëåäíèé âàðèàíò. Ðåøàþùèì àðãóìåíòîì ñòàëî òî, ÷òî, èñïîëüçóÿ ìèêðîñõåìó, ñïåöèàëüíî ðàçðàáîòàííóþ äëÿ ýòîé çàäà÷è, ìîæíî ïîëó÷èòü íóæíûé ðåçóëüòàò áûñòðî è ñ ïðîãíîçèðîâàííûì êà÷åñòâîì, â òî âðåìÿ êàê ñàìîñòîÿòåëüíàÿ ðåàëèçàöèÿ èçâåñòíûõ âåùåé åùå íåèçâåñòíî ê ÷åìó ïðèâåäåò.  êà÷åñòâå ÷àñîâ ðåàëüíîãî âðåìåíè áûëà âûáðàíà ìèêðîñõåìà DS1307, îòëè÷àþùàÿñÿ ñâîåé äîñòóïíîñòüþ, íåâûñîêîé öåíîé è íàëè÷èåì äîñòàòî÷íî áîëüøîãî êîëè÷åñòâà àíàëîãîâ, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î åå ïîïóëÿðíîñòè. Ïðèÿòíûì, õîòü è íåâîñòðåáîâàííûì, äîïîëíåíèåì ñòàëî íàëè÷èå â íåé 56 áàéò ñâîáîäíîé îïåðàòèâíîé ïàìÿòè (ñ íåçàâèñèìûì ïèòàíèåì) è ãåíåðàòîðà èìïóëüñîâ. Îäíàêî ïîäêëþ÷åíèå åå ê ìèêðîêîíòðîëëåðó STM8 [2] îêàçàëîñü íå òàêîé ïðîñòîé çàäà÷åé, êàê ïèøóò â ñòàòüÿõ èç ñåðèè «ïîëó-

36

÷åíèå ðåçóëüòàòà çà 5 ìèíóò». Äåëî â òîì, ÷òî ñâÿçêà STM8 + DS1307 ñ èñïîëüçîâàíèåì ìîäóëÿ I2C èìååò ðÿä ñïåöèôè÷åñêèõ îñîáåííîñòåé, êîòîðûå ìîãóò ëåãêî ïîñòàâèòü â òóïèê ÷åëîâåêà, íå çíàêîìîãî ñ ýòèìè óñòðîé-ñòâàìè. Ïîýòîìó ÿ èñêðåííå íàäåþñü, ÷òî, ïðî÷èòàâ ýòó ñòàòüþ, ëþäè, íå çíàêîìûå ñ ìèêðîñõåìàìè RTC è STM8, ñìîãóò áûñòðî ïîâòîðèòü ïîäîáíóþ ñõåìó. Ñðàçó îáðàùó âíèìàíèå, ÷òî ìàòåðèàë ñòàòüè ðàññ÷èòàí íà ïîäãîòîâëåííûõ ñïåöèàëèñòîâ, óæå çíàþùèõ, ÷òî òàêîå ìèêðîêîíòðîëëåðû, ïåðèôåðèéíûå ìîäóëè è ïðî÷èå ýëåìåíòàðíûå âåùè. Õîðîøèì äîïîëíåíèåì ê ýòîé ñòàòüå ñòàíóò îïèñàíèå èíòåðôåéñà I2C [3], òåõíè÷åñêàÿ äîêóìåíòàöèÿ íà âûáðàííûå ìèêðîñõåìû [2, 4], à òàêæå ïðèìåðû ðàáîòû ñ ìîäóëåì I2C èç áèáëèîòåêè STM8S/A Standard Peripherals Library (StdPeriph_Lib) [5].

Àïïàðàòíàÿ ÷àñòü ñèñòåìû ×àñû áûëî ðåøåíî ñäåëàòü â âèäå îòäåëüíîé ïëàòû, ïðåäîñòàâëÿþùåé ñâåäåíèÿ î òåêóùåì âðåìåíè ïî çàïðîñó âíåøíåãî (ïî îòíîøåíèþ ê ïëàòå) êîíòðîëëåðà ñèñòåìû, ïîýòîìó åå ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà (Ðèñóíîê 1) âî ìíîãîì ïîõîæà íà ñõåìû äðóãèõ ïëàò, îäíà èç êîòîðûõ óæå áûëà ðàññìîòðåíà â [1]. Îñíîâíûì ýëåìåíòîì ìîäóëÿ ÿâëÿåòñÿ ìèêðîêîíòðîëëåð DD1 (STM8S003F3P6), ôàêòè÷åñêè âûïîëíÿþùèé ôóíêöèþ «ïåðåâîä÷èêà» êîìàíä, ïðîõîäÿùèõ ïî ñèñòåìíîé øèíå, íà ÿçûê, «ïîíÿòíûé» ìèêðîñõåìå ÷àñîâ ðåàëüíîãî âðåìåíè DD2 (DS1307). Ìèêðîñõåìà DA2

ÑÕÅÌÛ

X1 Öåïü 1

DA1 LM1117-5.0

R1

3

GND 100

2

VCC

3

RS485 B

4

RS485 A

R2

IN

+ C1

VD3 15Â

2

OUT

+ C2

GND 1

10.0×16Â

10.0×16Â

R3

100

100

DA2

C3 0.1 VD1 VD2 7.5Â 7.5Â

SP485

8 VCC

RO 1

7 B

RE 2

R4 6 A

DE 3

5 GND

10ê R5

DI 4

10ê X2 Öåïü 1

VCC

2

SWIM

3

GND

4

RST

R6 10ê

DD1

1 2 3 4

C4 0.1

5 6 7

C5 1.0

8

C6 0.1

9 10

STM8S003F3P6

PD4

PD3

PD5

PD2

20

R7

19

470

VD5

18 PD6

PD1

RESET

PC7

17

C7 0.1

16

PA1

PC6 15

PA2

PC5

DS1307

DD2 8 VCC

X1 1

R9 7 SQW/OUT BUF 10ê

X2 2

ZQ1 32768 Ãö

14 VSS

PC4 13

VCAP

PC3

VDD

PB4

12

R8 10ê

6 SCL

11

PA3

PB5

POWER CONTROL

VBAT 3

X1 GB1

2

IC

5 SDA

CLOCK CALENDAR

GND 4

3Â

Ðèñóíîê 1. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà ïëàòû ÷àñîâ.

(SP485) ñëóæèò äëÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ óðîâíåé ñèãíàëîâ èíòåðôåéñà RS-485, èñïîëüçóåìîãî äëÿ îáìåíà äàííûìè ìåæäó ïëàòàìè, â óðîâíè, ïðèãîäíûå äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ ìîäóëåì UART. Ïèòàíèå ïëàòû îñóùåñòâëÿåòñÿ íàïðÿæåíèåì 5 Â, ôîðìèðóåìûì êîìïåíñàöèîííûì ñòàáèëèçàòîðîì DA1 èç âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, êîòîðîå ìîæåò íàõîäèòüñÿ â äèàïàçîíå îò 7  äî 14 Â. Ìèêðîñõåìà DS1307 òðåáóåò äëÿ ñâîåé ðàáîòû âñåãî äâóõ âíåøíèõ êîìïîíåíòîâ: ÷àñîâîãî êâàðöà ZQ1 ñ ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòîé 32.768 êÃö è íåîáÿçàòåëüíîãî ðåçåðâíîãî èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ GB1 ñ íàïðÿæåíèåì 2.0…3.5 Â, â êà÷åñòâå êîòîðîãî óäîáíî

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

èñïîëüçîâàòü 3-âîëüòîâûå ëèòèåâûå áàòàðåéêè CR2032. È õîòü áàòàðåéêà ÿâëÿåòñÿ íåîáÿçàòåëüíîé – ìèêðîñõåìà DS1307 ìîæåò ïîëíîöåííî ôóíêöèîíèðîâàòü è áåç íåå, – åå îòñóòñòâèå äåëàåò áåññìûñëåííûì âåñü çàìûñåë, âåäü èìåííî îíà ïîçâîëÿåò ÷àñàì ðàáîòàòü ïîñëå èñ÷åçíîâåíèÿ íàïðÿæåíèÿ VCC. Îáìåí äàííûìè ìåæäó ìèêðîñõåìàìè 2 DD1 è DD2 ïðîèñõîäèò ïî èíòåðôåéñó I C, ïîýòîìó DS1307 ïîäêëþ÷àåòñÿ ê âûâîäàì 11 (èíôîðìàöèîííûé ñèãíàë – SDA) è 12 (òàêòîâûé ñèãíàë – SCL) ìèêðîêîíòðîëëåðà STM8S003F3P6, ñâÿçàííûì ñ åå àïïàðàòíûì ìîäóëåì I2C. Ðåçèñòîðû R8 è R9 íåîáõîäèìû äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ñèãíàëà ñ âûñîêèì ëîãè-

37

÷åñêèì óðîâíåì íà ëèíèÿõ SDA è SCL. Ê ñîæàëåíèþ, èñïîëüçîâàòü äëÿ ýòîé öåëè âñòðîåííûå ïîäòÿãèâàþùèå ðåçèñòîðû ïîðòîâ PB4 è PB5 íåëüçÿ. Âî-ïåðâûõ, îíè àêòèâíû òîëüêî ïðè ðàáîòå ïîðòà â ðåæèìå âõîäà, à âîâòîðûõ, èõ ïîâåäåíèå âî âðåìÿ ðàáîòû ìîäóëÿ I2C â òåõíè÷åñêîé äîêóìåíòàöèè íå îïèñàíî. Ïðàêòèêà ïîêàçàëà, ÷òî îíè, âåðîÿòíåå âñåãî, íåàêòèâíû, ïîñêîëüêó ïðè îáðûâå â öåïè ðåçèñòîðà R8 (èç-çà íåïðàâèëüíîé ðàçâîäêè ïå÷àòíîé ïëàòû), îáìåí äàííûìè ïðîèñõîäèë ñ îãðîìíûì êîëè÷åñòâîì îøèáîê.

Ðàáîòà DS1307 ïðè íàïðÿæåíèè ïèòàíèÿ 3.3  Ñîãëàñíî òåõíè÷åñêîé äîêóìåíòàöèè, íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ ìèêðîñõåìû DS1307, êàê è áîëüøèíñòâà åå àíàëîãîâ, äîëæíî áûòü â ïðåäåëàõ: ! âûâîä VCC (îñíîâíîå íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ) – 4.5…5.5 Â; ! âûâîä BAT (áàòàðåéêà) – 2.0…3.5 Â. Ïðîáëåìà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî íåäîðîãèå âåðñèè ïðîãðàììàòîðîâ ST-LINK ìîãóò íå ïîääåðæèâàòü ðàáîòó ìèêðîêîíòðîëëåðîâ, ïèòàþùèõñÿ íàïðÿæåíèåì 5 Â, õîòÿ ìèêðîñõåìû STM8 ìîãóò ôóíêöèîíèðîâàòü ïðè íàïðÿæåíèè ïèòàíèÿ îò 3.0  äî 5.5 Â. Ïîýòîìó ïðè íàëè÷èè òàêîãî ïðîãðàììàòîðà âî âðåìÿ çàãðóçêè è îòëàäêè ïðîãðàììíîãî îáåñïå÷åíèÿ ìèêðîñõåìû DD1, DD2 è DA2 ïðèõîäèòñÿ ïèòàòü íàïðÿæåíèåì 3.3 Â, ïîëó÷àåìûì ñ êîíòàêòà 1 ðàçúåìà Õ2. È åñëè ïðè òàêîì íàïðÿæåíèè ïðîáëåì ñ ðàáîòîé ïðèåìîïåðåäàò÷èêà SP485 îáû÷íî íå âîçíèêàåò, ïî êðàéíåé ìåðå, ïðè íåáîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ ìåæäó ïëàòàìè, òî àëãîðèòì ðàáîòû ìèêðîñõåìû DS1307 â ýòîì ðåæèìå ìîæåò îòëè÷àòüñÿ îò íîðìàëüíîãî. Ïðè îòñóòñòâèè áàòàðåéêè GB1 ìèêðîñõåìà DS1307, ïî êðàéíåé ìåðå îäèí åå òåñòîâûé ýêçåìïëÿð, ïðè ïèòàíèè îò èñòî÷íèêà ñ íàïðÿæåíèåì 3.3  ïðîäåìîíñòðèðîâàëà ïîëíóþ ðàáîòîñïîñîáíîñòü. Êîíå÷íî, ïðè îòêëþ÷åíèè ïèòàíèÿ ÷àñû îñòàíàâëèâàëèñü, à ñîäåðæèìîå îïåðàòèâíîé ïàìÿòè óíè÷òîæàëîñü, íî äëÿ òîãî, ÷òîáû «ïî÷óâñòâîâàòü» ýòó ìèêðîñõåìó è îòëàäèòü ïðîãðàììíîå îáåñïå÷åíèå, ýòîãî âïîëíå äîñòàòî÷íî. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïîñëå îòêëþ÷åíèÿ ïèòàíèÿ ðàçðóøåíèå èíôîðìàöèè â îïåðàòèâíîé

38

ïàìÿòè ìèêðîñõåìû DS1307 ïðîèñõîäèò ñïóñòÿ íåñêîëüêî ìèíóò, õîòÿ ÷àñû îñòàíàâëèâàþòñÿ ñðàçó. Âèäèìî, çàðÿäà, íàêîïëåííîãî â ôèëüòðóþùèõ êîíäåíñàòîðàõ è ïàðàçèòíûõ åìêîñòÿõ ìèêðîñõåìû, îêàçûâàåòñÿ äîñòàòî÷íî äëÿ ñîõðàíåíèÿ ñîäåðæèìîãî ÎÇÓ â òå÷åíèå íåêîòîðîãî âðåìåíè. À âîò ïðè íàëè÷èè áàòàðåéêè è ïîäà÷å íà âûâîä VCC íàïðÿæåíèÿ 3.3  ìèêðîñõåìà DS1307 ïåðåñòàåò îòâå÷àòü çà çàïðîñû ïî èíòåðôåéñó I2C, õîòÿ ÷àñû ïðè ýòîì ïðîäîëæàþò ðàáîòàòü è âðåìÿ íå ñáèâàåòñÿ. Î âîçìîæíîñòè òàêîãî ïîâåäåíèÿ ìèêðîñõåì DS1307 íóæíî ïîìíèòü, èíà÷å âî âðåìÿ îòëàäêè ïðîãðàììíîãî îáåñïå÷åíèÿ ìîæíî ïîòðàòèòü íåêîòîðîå âðåìÿ íà ïîèñê íåñóùåñòâóþùåé ïðîáëåìû.

Îðãàíèçàöèÿ ïðîãðàììíîãî îáåñïå÷åíèÿ Âî âðåìÿ ðàáîòû ïëàòû ÷àñîâ ìîãóò îäíîâðåìåííî ïðîèñõîäèòü äâà ïî÷òè íèêàê íå ñâÿçàííûõ ìåæäó ñîáîé ïðîãðàììíûõ ïðîöåññà: ! îáìåí äàííûìè ìåæäó STM8 è DS1307 ïî èíòåðôåéñó I2C; ! îáìåí äàííûìè ìåæäó STM8 è âíåøíèì êîíòðîëëåðîì ïî èíòåðôåéñó UART. Èç ýòèõ äâóõ ïðîöåññîâ áîëåå ïðèîðèòåòíûì ÿâëÿåòñÿ ïðîöåññ îáìåíà äàííûìè ïî èíòåðôåéñó UART, ïîñêîëüêó ýòîò èíòåðôåéñ áîëåå êðèòè÷åí ê çàäåðæêàì â îáðàáîòêå èíôîðìàöèè, ÷åì I2C. Îñîáåííîñòè îáìåíà äàííûìè ïî èíòåðôåéñó UART áûëè ïîäðîáíî ðàññìîòðåíû â [1]. Ïîñêîëüêó ýòîò ïðîöåññ áîëåå ïðèîðèòåòåí, åãî îáðàáîòêà ïðîèçâîäèòñÿ ñ ïîìîùüþ ïðåðûâàíèé. À âîò ïðè îáìåíå äàííûìè ïî èíòåðôåéñó I2C îò èñïîëüçîâàíèÿ ïðåðûâàíèé áûëî ðåøåíî îòêàçàòüñÿ. Äåëî â òîì, ÷òî ìîäóëü I2C ìèêðîêîíòðîëëåðîâ STM8 èìååò âñåãî îäèí âåêòîð ïðåðûâàíèÿ, â êîòîðûé «íàâàëåíû» âñå ñîáûòèÿ, ãåíåðèðóåìûå ýòèì óñòðîéñòâîì, (Ðèñóíîê 2), ïîýòîìó, äàæå åñëè àíàëèçèðîâàòü òîëüêî òå ôëàãè, êîòîðûå ìîãóò áûòü ïîäíÿòû â ðåæèìå âåäóùåãî, îáðàáîò÷èê óæå ïîëó÷èòñÿ äîñòàòî÷íî ñëîæíûì. Íå ñëåäóåò çàáûâàòü, ÷òî îáìåí äàííûìè ïî èíòåðôåéñó I2C íàìíîãî ñëîæíåå, ÷åì ïðè èñïîëüçîâàíèè èíòåðôåéñà UART, ïîýòîìó êîëè÷åñòâî ñîáûòèé, ãåíåðèðóåìûõ ìîäóëåì I2C, â òîì ÷èñëå è îøèáîê,

ÑÕÅÌÛ

1

1

SB

Îñíîâíîé öèêë (áåñêîíå÷íûé)

ADDR ADDR10

ITEVTEN

2

STOPF &

WUFH BTF TXE

& 1

Ïàêåò äàííûõ ïî UART îïïðàâëåí?

Ïðåðûâàíèå

&

4

Äà 5

Íåò

RXNE ITERREN ARLO

3 Îáðàáîòêà ïðèíÿòîé êîìàíäû

Íåò

ITUBFEN

BERR

Äà

Ïàêåò äàííûõ ïî UART ïîëó÷åí?

1

Âûïîëíåíèå ïðèíÿòîé êîìàíäû

6 Îáðàáîòêà ñîáûòèé ìîäóëÿ I2C

&

AF OVR

7 Êîíåö îñíîâíîãî öèêëà

Ðèñóíîê 2. Îðãàíèçàöèÿ ïðåðûâàíèé ìîäóëÿ 2 I C ìèêðîêîíòðîëëåðîâ STM8 [2].

Ðèñóíîê 3. Àëãîðèòì îñíîâíîãî öèêëà ïðîãðàììû.

çíà÷èòåëüíî áîëüøå. Êðîìå òîãî, ìîäóëü I2C ìîæåò ôîðìèðîâàòü îäèíàêîâûå ïðåðûâàíèÿ, íàïðèìåð, çàâåðøåíèå ïåðåäà÷è ñòàðòîâîãî áèòà, ñîâåðøåííî â ðàçíûå ìîìåíòû ñåàíñà îáìåíà, ïîýòîìó ïðè èõ îáðàáîòêå íåäîñòàòî÷íî ïðîñòî ïðîâåðèòü ôëàãè – íóæíî åùå ïîíèìàòü, êàê ïîñòóïàòü íà ýòîì ýòàïå îáìåíà. Åñëè âîçëîæèòü ýòó íàãðóçêó íà îáðàáîò÷èê ïðåðûâàíèÿ, òî åñòü ðèñê íàäîëãî â íåì «çàâèñíóòü», ÷òî ïðèâåäåò ê îøèáêàì â ðàáîòå UART. Ïîýòîìó áûëî ðåøåíî ïåðåíåñòè

îáðàáîòêó ñîáûòèé èíòåðôåéñà I2C â îáùèé ïðîãðàììíûé ïîòîê.  èòîãå îñíîâíîé öèêë ïðîãðàììû (main) ïîëó÷èëñÿ ñëåäóþùèì (Ðèñóíîê 3). Îáðàáîòêà çàïðîñîâ öåíòðàëüíîãî ïðîöåññîðà, ïåðåäàâàåìûõ ïî èíòåðôåéñó UART, èìååò áîëåå âûñîêèé ïðèîðèòåò, ïîýòîìó ïîñëå ïðèåìà ïàêåòà äàííûõ îí äîëæåí áûòü îáðàáîòàí â ïåðâóþ î÷åðåäü. Ïîñêîëüêó îáðàáîòêà ïàêåòà, â òîì ÷èñëå è ôîðìèðîâàíèå îòâåòà,

Òàáëèöà 1. Ñïèñîê êîíñòàíò I2C_Event_TypeDef ñ óêàçàíèåì ïðîâåðÿåìûõ ôëàãîâ [5]

1

I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED

1

1

1

1

I2C_EVENT_MASTER_MODE_ADDRESS10

1

1

I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED

1

1

1

1

1

I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED

1

1

1

1

1 1

1

SB

1 1

1

I2C_EVENT_SLAVE_TRANSMITTER_ADDRESS_MATCHED

ADDR

1 1

1

1

1

1

I2C_EVENT_SLAVE_BYTE_RECEIVED

1

1

I2C_EVENT_SLAVE_STOP_DETECTED

1

I2C_EVENT_SLAVE_BYTE_TRANSMITTED

1

1

1

I2C_EVENT_SLAVE_BYTE_TRANSMITTING

1

1

1

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

1 1

1

I2C_EVENT_SLAVE_GENERALCALLADDRESS_MATCHED

BTF

1

I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING I2C_EVENT_SLAVE_RECEIVER_ADDRESS_MATCHED

ADD10

1

RXNE

1

TXE

MSL

I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT

BUSY

TRA

GENCALL

DUALF

Íàçâàíèå êîíñòàíòû

STOPF

Ôëàãè ðåãèñòðà SR1

Ôëàãè ðåãèñòðà SR3

1

39

ìîæåò çàíÿòü äîñòàòî÷íî äëèòåëüíîå âðåìÿ, ýòà îïåðàöèÿ (áëîê 3) áûëà ïåðåíåñåíà â îáùèé ïîòîê äëÿ âûïîëíåíèÿ â ôîíîâîì ðåæèìå. Òàêèì æå îáðàçîì âûïîëíÿþòñÿ è îïåðàöèè ïîñëå îòïðàâêè îòâåòà öåíòðàëüíîìó ïðîöåññîðó (áëîê 5), íàïðèìåð, ïåðåçàãðóçêà ìèêðîêîíòðîëëåðà. Åñëè æå â äàííîé èòåðàöèè îñíîâíîãî öèêëà íåò íè êîìàíä, êîòîðûå íóæíî îáðàáîòàòü, íè êîìàíä, êîòîðûå íóæíî âûïîëíèòü, òîãäà ïðîèñõîäèò îáðàáîòêà ñîáûòèé, ñâÿçàííûõ ñ ìîäóëåì I2C (áëîê 6). Èç-çà äîñòàòî÷íî áîëüøîé ñëîæíîñòè èíòåðôåéñà I2C âî ìíîãèõ ðåêîìåíäàöèÿõ ïî ðàáîòå ñ ìîäóëåì I2C, â òîì ÷èñëå è â ïðèìåðàõ èç áèáëèîòåêè StdPeriph_Lib, ðåêîìåíäóåòñÿ îðèåíòèðîâàòüñÿ íà îáðàáîòêó «ñîáûòèé» – îïðåäåëåííîé êîìáèíàöèè ôëàãîâ â

ðåãèñòðàõ ñîñòîÿíèÿ ìîäóëÿ I2C (I2C_SR1, I2C_SR2 è I2C_SR3). Ñïåöèàëüíî äëÿ ýòîãî â áèáëèîòåêå StdPeriph_Lib ïðèñóòñòâóåò ñïåöèàëèçèðîâàííàÿ ôóíêöèÿ I2C_CheckEvent, â êîòîðóþ ïåðåäàåòñÿ êîíñòàíòà òèïà I2C_Event_TypeDef ñ óæå çàêîäèðîâàííîé êîìáèíàöèåé ïðîâåðÿåìûõ ôëàãîâ (Òàáëèöà 1). Äëÿ ðàáîòû ñ ìîäóëåì DS1307 áûëà ñîçäàíà ñïåöèàëèçèðîâàííàÿ ñòðóêòóðà TDS1307, îñíîâíûå ïåðåìåííûå êîòîðîé ïðèâåäåíû â Ëèñòèíãå 1. Ãëàâíîé ïåðåìåííîé, îïðåäåëÿþùåé òåêóùèé àëãîðèòì îáðàáîòêè ñîáûòèé, ñâÿçàííûõ ñ ìîäóëåì I2C, ÿâëÿåòñÿ ïåðåìåííàÿ State – â çàâèñèìîñòè îò åå çíà÷åíèÿ âûïîëíÿþòñÿ ñîâåðøåííî ðàçíûå îïåðàöèè, ïîýòîìó îíà ñëóæèò ñâîåîáðàçíûì ïåðåêëþ÷àòåëåì àëãîðèòìîâ.

Ëèñòèíã 1. Îïèñàíèå ñòðóêòóðû TDS1307 typedef struct { uint8_t State;

// ñîñòîÿíèå îáìåíà äàííûìè

uint8_t Rx[BUFFER_SIZE]; uint8_t Tx[BUFFER_SIZE];

// áóôåð ïåðåäà÷è // áóôåð ïðèåìà

bool HasDataToWrite;

// ôëàã íàëè÷èÿ äàííûõ äëÿ çàïèñè

int32_t Time;

// òåêóùåå âðåìÿ

// ñëóæåáíûå ïåðåìåííûå uint8_t ByteCount; uint8_t ErrorCount; uint8_t PulseCount; } TDS1307;

DS1307 ñîäåðæèò ÷àñû, êàëåíäàðü è 56 áàéò îïåðàòèâíîé ïàìÿòè. Âñÿ èíôîðìàöèÿ, õðàíÿùàÿñÿ â ýòîé ìèêðîñõåìå, íàõîäèòñÿ â 64 ðåãèñòðàõ, êàæäûé èç êîòîðûõ äîñòóïåí äëÿ ÷òåíèÿ è çàïèñè (Òàáëèöà 2).  ýòîì ïðîåêòå èñïîëüçóþòñÿ òîëüêî ÷àñû, ïîýòîìó äëÿ îáìåíà äàííûìè äîñòàòî÷íî ïðèåìíîãî (ìàññèâ Rx) è ïåðåäàþùåãî (ìàññèâ Tx) áóôåðîâ ðàçìåðîì âñåãî òðè áàéòà (BUFFER_SIZE = 3). Ôîðìàò õðàíåíèÿ äàííûõ, èñïîëüçóåìûé â ìèêðîñõåìå DS1307, ÿâëÿåòñÿ êðàéíå íåóäîáíûì äëÿ ïîñëåäóþùåãî èñïîëüçîâàíèÿ. Ïîýòîìó â ýòîì ïðîåêòå áûëî ïðèíÿòî ðåøåíèå î åãî ïðåîáðàçîâàíèè. Âðåìÿ, ïåðåäàâàåìîå öåíòðàëüíîìó ïðîöåññîðó è ïðèíèìàåìîå îò

40

íåãî, õðàíèòñÿ â 32-ðàçðÿäíîé ïåðåìåííîé Time, ñîäåðæàùåé êîëè÷åñòâî ñåêóíä, ïðîøåäøèõ ïîñëå ïîëóíî÷è (0…86399). Òàêîé ôîðìàò õðàíåíèÿ âðåìåíè ïîçâîëÿåò ïðîâîäèòü ñ íèì ïðîñòûå îïåðàöèè ñëîæåíèÿ, âû÷èòàíèÿ è ñðàâíåíèÿ è óïðîùàåò íàñòðîéêó ñèñòåìû, íàïðèìåð, ñ ïîìîùüþ ïåðñîíàëüíîãî êîìïüþòåðà. Ôëàã HasDataToWrite ñîäåðæèò èíôîðìàöèþ î òîì, ÷òî ïåðåìåííàÿ Time áûëà èçìåíåíà êîíòðîëëåðîì ñèñòåìû ïî èíòåðôåéñó UART, ÷òî ÿâëÿåòñÿ ýêâèâàëåíòîì òîãî, ÷òî åñòü äàííûå, ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ çàïèñè â ìèêðîñõåìó. Ýòîò ìåõàíèçì èñïîëüçóåòñÿ äëÿ óñòàíîâêè ÷àñîâ ïî èíòåðôåéñó UART.

ÑÕÅÌÛ

Òàáëèöà 2. Ðåãèñòðû ìèêðîñõåìû DS1307 Àäðåñ

Áèò 7

Áèò 6

Áèò 5

Áèò 4

Áèò 3

Áèò 2

Áèò 1

Áèò 0

Ñîäåðæèìîå

0x00

CH

Äåñÿòêè

Åäèíèöû

Ñåêóíäû

0x01

0

Äåñÿòêè

Åäèíèöû

Ìèíóòû

0x02

Äåñÿòêè

0

0x03

0

0

0x04

0

0

0x05

0

0

0x06 0x07

0

Åäèíèöû 0

Äåñÿòêè

Äåñÿòêè OUT

0

0

SQWE

0

0

Îáùèé àëãîðèòì îáðàáîòêè ñîáûòèé, ñâÿçàííûõ ñ ìèêðîñõåìîé DS1307 (áëîê 6 íà Ðèñóíêå 3), ðåàëèçîâàííûé â ïîäïðîãðàììå DS1307_Execute, âûãëÿäèò ñëåäóþùèì îáðàçîì (Ðèñóíîê 4). Ïðè êàæäîì âûçîâå ýòîé ïîäïðîãðàììû â ïåðâóþ î÷åðåäü ïðîâåðÿþòñÿ ôëàãè îøèáîê ìîäóëÿ I2C, õðàíÿùèåñÿ â åãî ðåãèñòðå SR2 (áëîêè 2 è 3). Ïîñëå ýòîãî ïðîèçâîäèòñÿ ïðîâåðêà çíà÷åíèÿ ïåðåìåííîé State, è óæå ïîñëå ýòîãî âûáèðàåòñÿ îäèí èç 1 Íà÷àëî 2 Åñòü îøèáêè?

Äà 3

Íåò

Îáðàáîòêà îøèáîê

4 Ïðîâåðêà çíà÷åíèÿ ïåðåìåííîé State

1 5.2 Îáðàáîò÷èê State = 1

N 5.N Îáðàáîò÷èê State = N

6 Êîíåö

Ðèñóíîê 4. Àëãîðèòì ïîäïðîãðàììû îáðàáîòêè ñîáûòèé, ñâÿçàííûõ ñ ìèêðîñõåìîé DS1307.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

Äåíü íåäåëè

Åäèíèöû

×èñëî

Åäèíèöû

Ìåñÿö

Åäèíèöû

Ãîä

RS1

Ïîëüçîâàòåëüñêàÿ èíôîðìàöèÿ

Ïåðåìåííûå ByteCount, ErrorCount è PulseCount ÿâëÿþòñÿ ñëóæåáíûìè è èñïîëüçóþòñÿ íà ðàçíûõ ñòàäèÿõ îáìåíà äàííûìè. Èõ êîíêðåòíîå íàçíà÷åíèå ñòàíåò ïîíÿòíûì ÷óòü ïîçæå.

×àñû

Åäèíèöû

Äåñÿòêè 0

0x08 – 0x3F

0 5.1 Îáðàáîò÷èê State = 0

0

RS0

Íàñòðîéêè ÎÇÓ

áëîêîâ (5.1 – 5.N), â êîòîðîì è ïðîèñõîäèò, ñîáñòâåííî, îáðàáîòêà òåêóùåãî ñîáûòèÿ.

Ïðîâåðêà îøèáîê Áîëüøèíñòâî ôëàãîâ îøèáîê ìîäóëÿ I2C ðàñïîëîæåíî â ðåãèñòðå SR2. Ïîñêîëüêó ìîäóëü I2C ïðè ðàáîòå ñ DS1307 èñïîëüçóåòñÿ òîëüêî â ðåæèìå âåäóùåãî (Master), òî è êîíòðîëèðîâàòü ñëåäóåò ôëàãè îøèáîê, ñâÿçàííûå ñ ýòèì ðåæèìîì.  ïåðâóþ î÷åðåäü ñëåäóåò ïðîâåðÿòü ôëàã AF (Acknowledge Failure), ñâèäåòåëüñòâóþùèé î òîì, ÷òî ìèêðîñõåìà DS1307 íå ñôîðìèðîâàëà áèò ACK, ÿâëÿþùèéñÿ ïîäòâåðæäåíèåì ïðèåìà èíôîðìàöèè (âîçìîæíî èíôîðìàöèÿ äî íåå íå äîõîäèò), è ôëàã ARLO (Arbitration Lost), ñèãíàëèçèðóþùèé î òîì, ÷òî íà øèíå I2C ïîÿâèëñÿ åùå îäèí âåäóùèé. Ïîñêîëüêó ïîÿâëåíèå åùå îäíîãî âåäóùåãî â äàííîé ñõåìå ïðèíöèïèàëüíî íåâîçìîæíî, òî óñòàíîâêà áèòà ARLO (îí óñòàíàâëèâàåòñÿ ïðè îáíàðóæåíèè èçìåíåíèÿ ñèãíàëà íà ëèíèè SDA ïðè âûñîêîì óðîâíå íà ëèíèè SCL) ñâèäåòåëüñòâóåò î íàëè÷èè ïðîáëåì íà àïïàðàòíîì óðîâíå, íàïðèìåð, îá îáðûâå â öåïÿõ ïîäòÿãèâàþùèõ ðåçèñòîðîâ. Âåðîÿòíîñòü óñòàíîâêè ôëàãà OVR (Overrun), ñèãíàëèçèðóþùåãî î âîçìîæíîé ïîòåðå ïðèíÿòûõ äàííûõ ïðè ðàáîòå â ðåæèìå âåäóùåãî, êðàéíå ìàëà. Òåì íå ìåíåå, óñòàíîâêà ýòîãî ôëàãà ìîæåò ñâèäåòåëüñòâîâàòü î íåïðàâèëüíîé ðàáîòå ïðîãðàììû, ïîýòîìó ëó÷øå ëèøíèé ðàç ïåðåñòðàõîâàòüñÿ. Ïðîâåðÿòü ôëàãè îøèáîê íåîáõîäèìî â îáÿçàòåëüíîì ïîðÿäêå, ïîñêîëüêó èõ óñòàíîâêà ñâèäåòåëüñòâóåò î íàëè÷èè íåïðåäâèäåííûõ ïðîáëåì. Åñëè ýòîãî íå äåëàòü, òî ïðîãðàììà ìîæåò íàìåðòâî «çàâèñíóòü» â îæèäàíèè ñîáûòèÿ, êîòîðîå óæå íèêîãäà íå íàñòóïèò. Íàïðèìåð, ïðè ñëó÷àéíîé óñòàíîâêå íèçêîãî óðîâíÿ íà ëèíèè SDA ïðè âûñîêîì

41

óðîâíå íà ëèíèè SCL èç-çà âîçäåéñòâèÿ ïîìåõè ïîäíèìåòñÿ ôëàã ARLO, ÷òî ïðèâåäåò ê ñáðîñó ôëàãà MSL (Master/Slave) â ðåãèñòðå SR3, ÷òî, â ñâîþ î÷åðåäü, ïðèâåäåò ê ñîâåðøåííî íåïðåäâèäåííîìó ïåðåâîäó ìîäóëÿ I2C èç ðåæèìà âåäóùåãî â ðåæèì âåäîìîãî (Slave). À ïîñêîëüêó âñå ñîáûòèÿ, ñâÿçàííûå ñ ðåæèìîì âåäóùåãî, ïîäðàçóìåâàþò ïðîâåðêó ôëàãà MSL (Òàáëèöà 1), ýòî çíà÷èò, ÷òî ïðîãðàììà çàâèñíåò â îæèäàíèè çàâåðøåíèÿ, íàïðèìåð, îêîí÷àíèÿ ïåðåäà÷è áàéòà, êîòîðûé óæå íèêîãäà íå áóäåò ïåðåäàí èç-çà òîãî, ÷òî ìîäóëü I2C ïðåêðàòèë ïåðåäà÷ó.

Àëãîðèòì îáðàáîòêè îøèáîê ìîæåò áûòü ëþáûì, â òîì ÷èñëå è äîñòàòî÷íî ñëîæíûì.  ýòîì ïðîåêòå èñïîëüçîâàëñÿ ñàìûé ïðîñòîé ïîäõîä, çàêëþ÷àþùèéñÿ â ïîëíîé ïåðåçàãðóçêå èíòåðôåéñà I2C, ïîýòîìó ïðè îáíàðóæåíèè îøèáîê ïåðåìåííîé State ïðèñâàèâàåòñÿ íà÷àëüíîå çíà÷åíèå RESET_I2C (ðàâíîå åäèíèöå) (Ëèñòèíã 2) è âåñü îáìåí äàííûìè íà÷èíàåòñÿ ñ ñàìîãî íà÷àëà. Îáðàòèòå âíèìàíèå, ÷òî ïðîâåðêó îøèáîê íåîáõîäèìî ïðîâîäèòü òîëüêî ïðè àêòèâíîì ìîäóëå I2C, òî åñòü, êîãäà îáìåí äàííûìè ñ ìèêðîñõåìîé DS1307 óæå óñïåøíî ïðîøåë íà÷àëüíûå ýòàïû.

Ëèñòèíã 2. Êîä îáðàáîòêè îøèáîê ìîäóëÿ I2C if (P->State > READ_DATA) { if (I2C->SR2 & (uint8_t)(I2C_FLAG_OVERRUNUNDERRUN | I2C_FLAG_ARBITRATIONLOSS | I2C_FLAG_ACKNOWLEDGEFAILURE)) P->State = RESET_I2C; }

Ïåðâûé ýòàï îáìåíà äàííûìè – çàâåðøåíèå ðàáîòû ñ ìèêðîñõåìîé DS1307 Âñå ðóêîâîäñòâà ïî ðàáîòå ñ èíòåðôåéñîì I2C, â òîì ÷èñëå è ñóùåñòâóþùèå â ñåòè Èíòåðíåò ïðèìåðû ðàáîòû ñ ìèêðîñõåìîé DS1307, íà÷èíàþòñÿ ñ èíèöèàëèçàöèè ìîäóëÿ I2C ñ ïîñëåäóþùåé ïåðåäà÷åé ñòàðòîâîãî áèòà. Îäíàêî ïðè ðàáîòå ñ ÷àñàìè ðåàëüíîãî âðåìåíè òàê äåëàòü íåëüçÿ, èíà÷å âû ïîëó÷èòå, êàê ãîâîðÿò â Îäåññå, «áîëüøîé ãåìáåëü». Ýòî ïðîèñõîäèò èç-çà ñêðûòîãî êîâàðñòâà èíòåðôåéñà I2C, óñóãóáëåííîãî ýíåðãåòè÷åñêîé íåçàâèñèìîñòüþ ìèêðîñõåìû DS1307.

2 Ñîãëàñíî ñïåöèôèêàöèè èíòåðôåéñà I C [3], äëÿ ïåðåäà÷è ñòàðòîâîãî áèòà íåîáõîäèìî ïåðåâåñòè ëèíèþ SDA â ñîñòîÿíèå íèçêîãî óðîâíÿ ïðè âûñîêîì óðîâíå íà ëèíèè SCL. Ïåðâàÿ ïðîáëåìà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ëèíèÿ SDA ìîæåò óäåðæèâàòüñÿ â ñîñòîÿíèè íèçêîãî óðîâíÿ êàê ìèêðîêîíòðîëëåðîì, òàê è ìèêðîñõåìîé DS1307, âåäü îáìåí äàííûìè ïî ýòîé ëèíèè ïðîèñõîäèò â äâóõ íàïðàâëåíèÿõ. Âòîðàÿ ïðîáëåìà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî èíòåðôåéñ I2C ìîæåò ðàáîòàòü íà êàêîé óãîäíî ÷àñòîòå – îáìåí äàííûìè ìîæíî äàæå ïðèîñòàíîâèòü íà íåîïðåäåëåííîå âðåìÿ, à

42

çàòåì, íàïðèìåð, ÷åðåç ãîä, ïðîäîëæèòü ñ òîãî æå ñàìîãî ìåñòà. È, íàêîíåö, òðåòüÿ ïðîáëåìà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ìèêðîñõåìà DS1307 èìååò ñîáñòâåííûé èñòî÷íèê ýíåðãèè (áàòàðåéêó), îò êîòîðîãî ïèòàþòñÿ âñå åå óçëû, â òîì ÷èñëå, è îòâå÷àþùèå çà ðàáîòó èíòåðôåéñà I2C. Òàêèì îáðàçîì, åñëè â ìîìåíò, êîãäà ìèêðîñõåìà DS1307 óäåðæèâàëà íèçêèé óðîâåíü íà ëèíèè SDA, ïðîèçîéäåò îòêëþ÷åíèå ìîäóëÿ I2C, íàïðèìåð, èç-çà ïðîáëåì ñ ïèòàíèåì, ïåðåçàãðóçêè ìèêðîêîíòðîëëåðà èëè îáíàðóæåíèÿ îøèáîê â îáìåíå äàííûìè, òî øèíà I2C ìîæåò îêàçàòü íàìåðòâî çàâèñøåé. Ëèíèÿ SDA áóäåò óäåðæèâàòüñÿ â ñîñòîÿíèè íèçêîãî óðîâíÿ ìèêðîñõåìîé DS1307 äî òåõ ïîð, ïîêà â áàòàðåéêå åñòü ýíåðãèÿ, è ìèêðîêîíòðîëëåð íå ñìîæåò ñôîðìèðîâàòü íè ñòàðòîâûé, íè ñòîïîâûé áèò. Âûâåñòè ìèêðîñõåìó DS1307 èç ýòîãî ñîñòîÿíèÿ ìîæíî äâóìÿ ñïîñîáàìè. Ïåðâûé ñïîñîá çàêëþ÷àåòñÿ â ïîëíîì îòêëþ÷åíèè ïèòàíèÿ – äëÿ ýòîãî ïðèäåòñÿ èçâëå÷ü áàòàðåéêó, ÷òî, âî-ïåðâûõ, äîëãî è íåóäîáíî, à âîâòîðûõ, ïðèâîäèò ê ñáðîñó âðåìåíè. Âòîðîé ñïîñîá çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ìèêðîêîíòðîëëåð äîëæåí «çàâåðøèòü íà÷àòîå», òî åñòü çàêîí÷èòü íà÷àòûé êîãäà-òî îáìåí äàííûìè.

ÑÕÅÌÛ

À äëÿ ýòîãî íóæíî ïðîäîëæèòü ôîðìèðîâàíèå èìïóëüñîâ íà ëèíèè SCL äî òåõ ïîð, ïîêà ìèêðîñõåìà DS1307 íå îñâîáîäèò ëèíèþ SDA. Ïîñêîëüêó ïîäîáíûé ðåæèì ðàáîòû â ìîäó2 ëå I C íå ïðåäóñìîòðåí, ýòî ïðèäåòñÿ äåëàòü âðó÷íóþ – ïóòåì ôîðìèðîâàíèÿ íóæíûõ ñèãíàëîâ íà ñîîòâåòñòâóþùèõ ïîðòàõ ââîäà2 âûâîäà. Ïîýòîìó ìîäóëü I C íåò ñìûñëà èíèöèàëèçèðîâàòü ñðàçó ïîñëå ïåðåçàãðóçêè ìèêðîêîíòðîëëåðà, êàê îáû÷íî äåëàåòñÿ ñî ìíîãèìè ïåðèôåðèéíûìè ìîäóëÿìè. Ýòî íóæíî äåëàòü ëèøü òîãäà, êîãäà åñòü ïîëíàÿ óâåðåííîñòü, ÷òî îí ñìîæåò ðàáîòàòü, òî åñòü êîãäà è íà ëèíèè SCL, è íà ëèíèè SDA áóäóò âûñîêèå óðîâíè.

2

Ïîäãîòîâêà ê çàïóñêó ìîäóëÿ I C ñîñòîèò èç íåñêîëüêèõ øàãîâ. Íà ïåðâîì øàãå (Ëèñòèíã 3) 2 íóæíî îòêëþ÷èòü ìîäóëü I C (åñëè îí äî ýòîãî áûë âêëþ÷åí). Îòêëþ÷åíèå ìîäóëÿ ïðîèçâîäèòñÿ ñ ïîìîùüþ ïîäïðîãðàììû I2C_Cmd, êîòîðàÿ, â äàííîì ñëó÷àå, ñáðàñûâàåò áèò PE â ðåãèñòðå CR1. Îäíàêî ïðåæäå ÷åì ýòî ñäåëàòü, íåîáõîäèìî çàâåðøèòü ïðåäûäóùèå 2 êîììóíèêàöèè, èíà÷å ìîäóëü I C ìîæåò îñòàâèòü ïîðòû ââîäà-âûâîäà, ñâÿçàííûå ñ ëèíèÿìè SCL è SDA, â ðåæèìå àëüòåðíàòèâíûõ ôóíêöèé è äàæå óäåðæèâàòü íà íèõ íèçêèé óðîâåíü ñèãíàëà. Ïðîùå âñåãî ýòî ñäåëàòü ïóòåì ãåíåðàöèè ñòîïîâîãî ñèãíàëà ïóòåì âûçîâà ïîäïðîãðàììû I2C_GenerateSTOP.

Ëèñòèíã 3. Èñõîäíûé êîä ïåðâîãî øàãà çàïóñêà ìîäóëÿ I2C switch (P->State) { case RESET_I2C: // îòêëþ÷àåì ìîäóëü I2C if (I2C->CR1 & I2C_CR1_PE) { I2C_GenerateSTOP(ENABLE); I2C_Cmd(DISABLE); } // íàñòðîéêà ïîðòîâ GPIO_Init(CLK_LINE, GPIO_MODE_OUT_OD_HIZ_SLOW); GPIO_Init(SDA_LINE, GPIO_MODE_OUT_OD_HIZ_SLOW); If (GPIO_ReadInputPin(CLK_LINE) && GPIO_ReadInputPin(SDA_LINE)) { P->State = START_I2C; } else { P->PulseCount = 0; P->ErrorCount = 0; P->State = REGLUE_I2C; } break; . . . }

Ïîñëå ýòîãî ïîðòû, ñâÿçàííûå ñ ëèíèÿìè SCL è SDA, óñòàíàâëèâàþòñÿ â ðåæèì âûõîäà ñ îòêðûòûì ñòîêîì è ïðîèçâîäèòñÿ ïðîâåðêà ðåàëüíûõ óðîâíåé ñèãíàëà, ïðèñóòñòâóþùèõ íà íèõ. Åñëè íà îáîèõ âûâîäàõ îáíàðóæèâàåòñÿ ñèãíàë ñ âûñîêèì óðîâíåì, çíà÷èò ìîæíî âêëþ÷àòü ìîäóëü I2C.  ýòîì ñëó÷àå ïåðåìåííîé State ïðèñâàèâàåòñÿ çíà÷åíèå

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

START_I2C. Åñëè æå õîòü íà îäíîì èç âûâîäîâ îáíàðóæåí ñèãíàë ñ íèçêèì óðîâíåì, òî ìîæíî ïîïðîáîâàòü âðó÷íóþ âûâåñòè ìèêðîñõåìó DS1307 èç ýòîãî ñîñòîÿíèÿ.  ýòîì ñëó÷àå ïåðåìåííîé State ïðèñâàèâàåòñÿ çíà÷åíèå REGLUE_I2C è ïðîèçâîäèòñÿ îáíóëåíèå ñëóæåáíûõ ïåðåìåííûõ PulseCount è ErrorCount.

43

Íà ïåðâîì øàãå «ðåàíèìàöèè» èíòåðôåéñà I2C (Ëèñòèíã 4) ïðîèñõîäèò ïðîâåðêà ëèíèè SCL. Åñëè îíà íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè âûñîêîãî óðîâíÿ, çíà÷èò ìîæíî ïåðåõîäèòü ê ñëåäóþùåìó øàãó. Åñëè æå íåò, òî, âîçìîæíî, íóæíî íåìíîãî ïîäîæäàòü. Ëèñòèíã 4. Èñ8õîäíûé êîä ïðîâåðêè ñîñòîÿíèÿ ëèíèè SCL case REGLUE_I2C: // ïðîâåðêà ëèíèè SCL if (GPIO_ReadInputPin(SCL_LINE)) { P->State++; P->ErrorCount = 0; } else { P->PulseCount++;

êî äëÿ ïîëíîãî è êîððåêòíîãî çàâåðøåíèÿ ïðåäûäóùåãî ñåàíñà îáìåíà òðåáóåòñÿ ñôîðìèðîâàòü ñòîïîâûé áèò, à äëÿ ýòîãî íåîáõîäèìî óñòàíîâèòü íà ëèíèè SDA âûñîêèé óðîâåíü ïðè âûñîêîì óðîâíå ñèãíàëà íà âûâîäå SCL. Ëèñòèíã 5. Èñõîäíûé ôîðìèðîâàíèÿ èìïóëüñîâ íà ëèíèè SCL case REGLUE_I2C + 1: // ïðîâåðêà ëèíèè SCL if (GPIO_ReadInputPin(SCL_LINE)) { // ïðîâåðêà ëèíèè SDA if (GPIO_ReadInputPin(SDA_LINE)) { // ôîðìèðóåì ñòîï GPIO_WriteLow(SDA_LINE); P->PulseCount = 0; P->State++; } else { P->PulseCount++;

if (P->PulseCount == 0) { P->ErrorCount++; if (P->ErrorCount >= MAX_ERROR_COUNT) P->State = HARD_ERROR;

if (P->PulseCount == 0) { P->ErrorCount++;

} } break;

Ìåõàíèçì îæèäàíèÿ ðåàëèçîâàí ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ïðè êàæäîì âûçîâå ïîäïðîãðàììû DS1307_Execute ïåðåìåííàÿ PulseCount óâåëè÷èâàåòñÿ íà åäèíèöó. Åñëè åå çíà÷åíèå â ýòîò ìîìåíò ðàâíî 255, òî äîáàâëåíèå åùå îäíîé åäèíèöû ïðèâåäåò ê åå ïåðåïîëíåíèþ, è îíà ñòàíåò ðàâíîé íóëþ.  ýòîò ìîìåíò óâåëè÷èâàåòñÿ ñ÷åò÷èê îøèáîê ErrorCount. È åñëè çíà÷åíèå ErrorCount ñòàíåò áîëüøå êîíñòàíòû MAX_ERROR_COUNT, òî ïåðåìåííîé State áóäåò ïðèñâîåíî çíà÷åíèå HARD_ERROR è ñèñòåìà ïåðåéäåò â ñîñòîÿíèå îøèáêè. Ýòî ñâèäåòåëüñòâóåò î ñåðüåçíîé àâàðèè – ïðè íèçêîì óðîâíå íà ëèíèè SCL äàëüíåéøàÿ ðàáîòà èíòåðôåéñà I2C íåâîçìîæíà. Íà ñëåäóþùåì øàãå (Ëèñòèíã 5) ïðîèñõîäÿò ñàìûå èíòåðåñíûå ïðîöåññû – ôîðìèðîâàíèå èìïóëüñîâ íà ëèíèè SCL ñ êîíòðîëåì ëèíèè SDA ïðè âûñîêîì óðîâíå ñèãíàëà íà ëèíèè SCL. Åñëè îáíàðóæèâàåòñÿ, ÷òî ìèêðîñõåìà DS1307 íàêîíåö-òî îñâîáîäèëà ëèíèþ SDA, òî ìèêðîêîíòðîëëåð ñðàçó æå óñòàíîâèò íà íåé íèçêèé óðîâåíü, ÷òî ýêâèâàëåíòíî ïåðåäà÷å ñòàðòîâîãî áèòà (Ðèñóíîê 5). Óæå ýòîãî áóäåò äîñòàòî÷íî äëÿ ñáðîñà öèôðîâîãî àâòîìàòà ìèêðîñõåìû DS1307. Îäíà-

44

if (P->ErrorCount > MAX_ERROR_COUNT) P->State = HARD_ERROR; else GPIO_WriteLow(SCL_LINE); } } } else { P->PulseCount++; if (P->PulseCount == 0) GPIO_WriteHigh(SCL_LINE); } break;

Äëèòåëüíîñòü èìïóëüñîâ íà ëèíèè SCL ôîðìèðóåòñÿ òàê æå, êàê è íà ïðåäûäóùåì

SDA

Îñâîáîæäåíèå ëèíèè Âðåìÿ

SCL Âðåìÿ Ñòàðòîâûé áèò Ñòîïîâûé áèò

Ðèñóíîê 5. Ïðèíöèï âûâîäà ìèêðîñõåìû DS1307 èç çàâèñøåãî ñîñòîÿíèÿ.

ÑÕÅÌÛ

øàãå – ïðè íóëåâîì çíà÷åíèè ïåðåìåííîé PulseCount. Êîëè÷åñòâî èìïóëüñîâ íà ëèíèè SCL îïðåäåëÿåòñÿ êîíñòàíòîé MAX_ERROR_COUNT è ðàâíî 10. Åñëè ïîñëå äåñÿòè èìïóëüñîâ íà ëèíèè SCL ëèíèÿ SDA íå îñâîáîäèëàñü, ýòî îçíà÷àåò íàëè÷èå àïïàðàòíûõ ïðîáëåì.  òàêîì ñëó÷àå ïåðåìåííîé State áóäåò ïðèñâîåíî çíà÷åíèå HARD_ERROR è ñèñòåìà ïåðåéäåò â ñîñòîÿíèå îøèáêè. Íà ïîñëåäíåì øàãå ïðîèñõîäèò ôîðìèðîâàíèå ñòîïîâîãî áèòà (Ëèñòèíã 6). Çäåñü ïðîñòî ôîðìèðóåòñÿ òðåáóåìàÿ çàäåðæêà (ïóòåì èíêðåìåíòà ïåðåìåííîé PulseCount), ïîñëå ÷åãî íà ëèíèè SDA óñòàíàâëèâàåòñÿ âûñîêèé óðîâåíü ëîãè÷åñêîãî ñèãíàëà. Ëèñòèíã 6. Èñõîäíûé êîä ôîðìèðîâàíèÿ ñòîïîâîãî áèòà case REGLUE_I2C + 2: // ôîðìèðóåì ñòîï P->PulseCount++; if (P->PulseCount == 0) { GPIO_WriteHigh(SDA_LINE); P->State = START_I2C; } break;

Ïîñëå âûïîëíåíèÿ âñåõ ïðîâåðîê, íàêîíåö-òî, ìîæíî âêëþ÷èòü ìîäóëü I2C, íå çàáûâ ïðåäâàðèòåëüíî ïåðåâåñòè ïîðòû ââîäàâûâîäà, ïîäêëþ÷åííûå ê ëèíèÿì SDA è SCL, â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå (Ëèñòèíã 7). Ïîäðîáíî îñòàíàâëèâàòüñÿ íà íàñòðîéêàõ ìîäóëÿ I2C íåò íåîáõîäèìîñòè – îíè âñå õîðîøî îïèñàíû â òåõíè÷åñêîé äîêóìåíòàöèè íà ìèêðîêîíòðîëëåðû STM8 è áèáëèîòåêó StdPeriph_Lib.  äàííîì ñëó÷àå ÷àñòîòà îáìåíà ïî èíòåðôåéñó I2C áûëà âûáðàííîé ðàâíîé 5 êÃö, à ÷àñòîòà òàêòèðîâàíèÿ ìîäóëÿ I2C – 12 ÌÃö. Ëèñòèíã 7. Èñõîäíûé çàïóñêà ìîäóëÿ I2C case START_I2C: // âêëþ÷àåì ìîäóëü I2C // îòêëþ÷àåì ïîðòû GPIO_Init(SCL_LINE, GPIO_MODE_IN_FL_NO_IT); GPIO_Init(SDA_LINE, GPIO_MODE_IN_FL_NO_IT); // âêëþ÷àåì ìîäóëü I2C I2C_Init(5000, 0, I2C_DUTYCYCLE_2, I2C_ACK_CURR, I2C_ADDMODE_7BIT, 12); P->State = READ_DATA; break;

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

Âòîðîé ýòàï – ïîëó÷åíèå èíôîðìàöèè ñ ìèêðîñõåìû DS1307 Ñ ýòîãî ìîìåíòà ðàáîòà ñ ìîäóëåì I2C è ìèêðîñõåìîé DS1307 óæå íå âûçûâàåò îñîáûõ ïðîáëåì. Ïðàêòè÷åñêè âåñü ïîñëåäóþùèé êîä ÿâëÿåòñÿ èíòóèòèâíî ïîíÿòíûì è ñîçäàííûì íà îñíîâå ïðèìåðîâ èç StdPeriph_Lib. Âíà÷àëå íåîáõîäèìî ïåðåäàòü ñòàðòîâûé áèò (Ëèñòèíã 8), îäíàêî ïðåæäå ÷åì ýòî ñäåëàòü, íåîáõîäèìî íàñòðîèòü ìîäóëü I2C, ÷òîáû îí ïåðåäàâàë áèò ïîäòâåðæäåíèÿ ACK â òåêóùåì áàéòå (ïîòîì ýòà íàñòðîéêà áóäåò ìåíÿòüñÿ). Äëÿ ðåàëèçàöèè ýòèõ è âñåõ ïîñëåäóþùèõ îïåðàöèé ñ ìîäóëåì I2C ïðîùå âñåãî èñïîëüçîâàòü ñóùåñòâóþùèå ïîäïðîãðàììû èç áèáëèîòåêè StdPeriph_Lib – äëÿ ýòîãî äîñòàòî÷íî ïîäêëþ÷èòü ìîäóëü stm8s_i2c.h ñ ïîìîùüþ äèðåêòèâû #include. Ëèñòèíã 8. Èñõîäíûé êîä ïåðåäà÷è ñòàðòîâîãî áèòà case READ_DATA: I2C_AcknowledgeConfig(I2C_ACK_CURR); I2C_GenerateSTART(ENABLE); P->State++; break;

Ïîñëå ïåðåäà÷è ñòàðòîâîãî áèòà ìîäóëü I2C ïåðåõîäèò â ðåæèì âåäóùåãî, ïîýòîìó ïðèçíàêîì çàâåðøåíèÿ ýòîé îïåðàöèè ÿâëÿåòñÿ îáíàðóæåíèå ñîáûòèÿ, ñîîòâåòñòâóþùåãî êîíñòàíòå I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT. Íà ñëåäóþùåì øàãå íóæíî ïåðåäàòü àäðåñ ìèêðîñõåìû DS1307 (0b1101000õ), ÷òîáû îíà «ïîíèìàëà», ÷òî îáðàùàþòñÿ èìåííî ê íåé. Ñîãëàñíî òåõíè÷åñêîé äîêóìåíòàöèè íà ìèêðîñõåìó DS1307, ìëàäøèé áèò àäðåñà, ïåðåäàâàåìîãî ïî èíòåðôåéñó I2C, îïðåäåëÿåò õàðàêòåð îáðàùåíèÿ: åñëè îí ðàâåí íóëþ, ñëåäîâàòåëüíî, ê ìèêðîñõåìå îáðàùàþòñÿ äëÿ ÷òåíèÿ, åñëè åäèíèöå – äëÿ çàïèñè. ×òîáû íå çàïóòàòüñÿ ñ àäðåñàöèåé, â ïîäïðîãðàììó I2C_Send7bitAddress ïåðåäàåòñÿ äîïîëíèòåëüíûé ïàðàìåòð – êîíñòàíòà I2C_DIRECTION_TX èëè I2C_DIRECTION_RX, â çàâèñèìîñòè îò çíà÷åíèÿ êîòîðîãî ìëàäøèé áèò àäðåñà óñòàíàâëèâàåòñÿ àâòîìàòè÷åñêè.  äàííîì ñëó÷àå, ìû îáðàùàåìñÿ ê ìèêðîñõåìå DS1307 â ðåæèìå çàïèñè (Ëèñòèíã 9).

45

Ëèñòèíã 9. Èñõîäíûé êîä ïåðåäà÷è àäðåñà äëÿ ÷òåíèÿ èíôîðìàöèè èç DS1307 case READ_DATA + 1: if (I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT)) { I2C_Send7bitAddress(0xD0, I2C_DIRECTION_TX); P->State++;

} break;

Ïîñëå ïåðåäà÷è àäðåñà ìèêðîñõåìû íåîáõîäèìî ïåðåäàòü àäðåñ ïåðâîé ÿ÷åéêè ïàìÿòè, îòêóäà áóäåò ñ÷èòûâàòüñÿ èíôîðìàöèÿ.  äàííîì ñëó÷àå íàñ èíòåðåñóþò áàéòû, íà÷èíàþùèåñÿ ñ íóëåâîãî àäðåñà (Ëèñòèíã 10).

Ëèñòèíã 10. Èñõîäíûé êîä ïåðåäà÷è àäðåñà ïåðâîé ÿ÷åéêè ïàìÿòè case READ_DATA + 2: if (I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)) { I2C_SendData(0x00); P->State++; } break;

Íà ýòîì ïåðâûé ñåàíñ çàïèñè â ìèêðîñõåìó çàêîí÷åí – òåïåðü îíà «çíàåò», êàêèå èìåííî äàííûå áóäóò «èíòåðåñîâàòü» ìèêðîêîíòðîëëåð. Îäíàêî ÷òîáû ïîëó÷èòü ýòó èíôîðìàöèþ, íóæíî âíà÷àëå ïåðåçàãðóçèòü èíòåðôåéñ I2C. À äëÿ ýòîãî íóæíî ñíîâà ïåðåäàòü ñòàðòîâûé áèò è àäðåñ ìèêðîñõåìû, íî, óêà-

çàâ, ÷òî òåïåðü ïåðåäàâàòü äàííûå áóäåò îíà. Èñõîäíûé êîä ýòèõ äâóõ øàãîâ òàêîé æå, êàê è íà ïðåäûäóùèõ ýòàïàõ, çà èñêëþ÷åíèåì òîãî, ÷òî òåïåðü ìëàäøèé áèò àäðåñà óñòàíàâëèâàåòñÿ ðàâíûì íóëþ, à ïåðåä íà÷àëîì ïðèåìà äàííûõ íóæíî îáíóëèòü ñ÷åò÷èê ïðèíÿòûõ áàéò (Ëèñòèíã 11).

Ëèñòèíã 11. Èñõîäíûé êîä ïåðåçàãðóçêè èíòåðôåéñà I2C äëÿ ïðèåìà äàííûõ case READ_DATA + 3: if (I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING)) { I2C_GenerateSTART(ENABLE); P->State++; } break; case READ_DATA + 4: if (I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT)) { I2C_Send7bitAddress(0xD0, I2C_DIRECTION_RX); P->State++; P->ByteCount = 0; } break;

Ïîñëå ïðèåìà àäðåñà ñ íóëåâûì ìëàäøèì áèòîì ìèêðîñõåìà DS1307 íà÷íåò ïîñëåäîâàòåëüíî ïåðåäàâàòü ñîäåðæèìîå ñâîèõ ðåãèñòðîâ. Ïðèçíàêîì ïðèåìà äàííûõ ÿâëÿåòñÿ áèò ACK, êîòîðûé, â äàííîì ñëó÷àå ôîðìèðóåòñÿ ìèêðîêîíòðîëëåðîì. Åñëè ìèêðîêîíòðîëëåðó íåîáõîäèìî ïîëó÷èòü ñëåäóþùèé áàéò, òîãäà îí ôîðìèðóåò áèò ACK, â ïðîòèâíîì ñëó÷àå ìèêðîñõåìà ïðåêðàòèò ïåðåäà÷ó èíôîðìàöèè.  äàííîì ñëó÷àå ìîäóëü I2C ïåðâîíà÷àëüíî áûë íàñòðîåí íà ïåðåäà÷ó áèòà ACK ñðàçó

46

ïîñëå ïðèåìà âîñüìè èíôîðìàöèîííûõ áèò òåêóùåãî áàéòà (Ëèñòèíã 8). Ïðè ïðèåìå ïðåäïîñëåäíåãî áàéòà ýòó íàñòðîéêó íóæíî èçìåíèòü, ÷òî è ïðîèçâîäèòñÿ ñ ïîìîùüþ ïîäïðîãðàììû I2C_AcknowledgeConfig (Ëèñòèíã 12). Ïîñëå òîãî êàê ïðèíÿëè âñå òðè áàéòà, ïåðåäàåòñÿ ñòîïîâûé áèò, ñèãíàëèçèðóþùèé î òîì, ÷òî ýòîò ñåàíñ îáìåíà äàííûìè çàêîí÷åí. Ïîñëå ýòîãî ìîæíî ïåðåõîäèòü íà ñëåäóþùèé ýòàï, çàêëþ÷àþùèéñÿ â ïðîâåðêå ïðèíÿòûõ äàííûõ.

ÑÕÅÌÛ

Ëèñòèíã 12. Èñõîäíûé êîä ïðèåìà èíôîðìàöèè îò ìèêðîñõåìû DS1307 case READ_DATA + 5: if (I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED)) { P->Rx[P->ByteCount] = I2C_ReceiveData(); P->ByteCount++; // ïîñëå ïðèåìà ïîñëåäíåãî áàéòà ÀÑÊ // ïåðåäàâàòü íå íóæíî if (P->ByteCount == BUFFER_SIZE - 1) I2C_AcknowledgeConfig(I2C_ACK_NONE); if (P->ByteCount == BUFFER_SIZE) { // ïðèíÿëè âñå äàííûå I2C_GenerateSTOP(ENABLE); P->State = CHECK_DATA; } } break;

Òðåòèé ýòàï – ïðîâåðêà ïðèíÿòûõ äàííûõ Ïðîâåðêó ïðèíÿòûõ çíà÷åíèé íåîáõîäèìî ïðîâîäèòü îáÿçàòåëüíî, ïîñêîëüêó ìèêðîñõåìà DS1307 èìååò îäíó î÷åíü èíòåðåñíóþ îñîáåííîñòü, êîòîðàÿ ìîæåò îòíÿòü íåìàëî âðåìåíè ó ëþäåé, íåâíèìàòåëüíî ÷èòàþùèõ òåõíè÷åñêóþ äîêóìåíòàöèþ. Äåëî â òîì, ÷òî ñòàðøèé (ñåäüìîé) áèò ðåãèñòðà ñåêóíä ÿâëÿåòñÿ ôëàãîì îñòàíîâêè ÷àñîâ CH (Òàáëèöà 2). È ýòîò ôëàã ïîäíèìàåòñÿ ïîñëå êàæäîãî ñáîÿ ïèòàíèÿ ìèêðîñõåìû, â òîì ÷èñëå è ïîñëå çàìåíû áàòàðåè. Òàêèì îáðàçîì, ïðè ïåðâîì âêëþ÷åíèè ìèêðîñõåìû DS1307 áóäåò ïîëó÷åíî âðåìÿ «00:00:80», ïðè ýòîì ÷àñû áóäóò ñòîÿòü, ïîòîìó ÷òî ýòîò ôëàã åùå è çàïðåùàåò ðàáîòó òàêòîâîãî ãåíåðàòîðà. À ýòî, â ñâîþ î÷åðåäü, ìîæåò ñîçäàòü èëëþçèþ íåèñïðàâíîñòè ìèêðîñõåìû èëè êâàðöåâîãî ðåçîíàòîðà, ïîòîìó ÷òî îñöèëëîãðàô ïîêàæåò ïîëíîå îòñóòñòâèå êàêèõ-ëèáî êîëåáàíèé íà âûâîäàõ 1 è 2 ìèêðîñõåìû DS1307. Ñáðîñèòü ôëàã CH ìîæíî òîëüêî ÷åðåç èíòåðôåéñ I2C ïóòåì çàïèñè èíôîðìàöèè â ñîîòâåòñòâóþùèé ðåãèñòð. Òàêèì îáðàçîì, åñëè ïðèíÿòûå äàííûå ÿâëÿþòñÿ íåêîððåêòíûìè, òî íóæíî, êàê ìèíèìóì, «çàïóñòèòü» ÷àñû, îáíóëèâ ôëàã CH, à çàîäíî è óñòàíîâèòü âðåìÿ. Åñòü åùå îäèí âàæíûé ìîìåíò. Ñâÿçü ïëàòû ÷àñîâ ñ êîíòðîëëåðîì ñèñòåìû îñóùå-

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

ñòâëÿåòñÿ ÷åðåç ïåðåìåííóþ Time, ïîýòîìó åå çíà÷åíèå ìîæåò èçìåíÿòüñÿ äâóìÿ ñïîñîáàìè: ÷åðåç èíòåðôåéñ I2C, â ðåçóëüòàòå îáìåíà äàííûìè ñ ìèêðîñõåìîé DS1307, è ÷åðåç èíòåðôåéñ UART, â ðåçóëüòàòå îáìåíà äàííûìè ñ êîíòðîëëåðîì ñèñòåìû. Ïðèçíàêîì ìîäèôèêàöèè ïåðåìåííîé Time ÷åðåç èíòåðôåéñ UART ÿâëÿåòñÿ ôëàã HasDataToWrite. Ïîýòîìó åñëè ýòîò ôëàã óñòàíîâëåí, òî ïåðåìåííîé State áóäåò ïðèñâîåíî çíà÷åíèå WRITE_DATA è ìîäóëü I2C íà÷íåò çàïèñü èíôîðìàöèè â ïåðâûå òðè ðåãèñòðà ìèêðîñõåìû DS1307 (Ëèñòèíã 13). Åñëè æå îí ñáðîøåí, ïðîèçîéäåò ïðîâåðêà äàííûõ, ïðèíÿòûõ ÷åðåç èíòåðôåéñ I2C. Åñëè îíè îêàæóòñÿ êîððåêòíûìè, òî ïåðåìåííîé State áóäåò ïðèñâîåíî çíà÷åíèå READ_DATA, ÷òî ïðèâåäåò ê íà÷àëó íîâîãî ñåàíñà ÷òåíèÿ äàííûõ èõ ìèêðîñõåìû DS1307. Åñëè æå íåò, òîãäà ïåðåìåííîé State áóäåò ïðèñâîåíî çíà÷åíèå WRITE_DATA äëÿ òîãî, ÷òîáû çàïèñàòü â ìèêðîñõåìó DS1307 êîððåêòíîå âðåìÿ, à çàîäíî è çàïóñòèòü ÷àñû. Ëèñòèíã 13. Èñõîäíûé êîä îáðàáîòêè èíôîðìàöèè îò ìèêðîñõåìû DS1307 case CHECK_DATA: // ïðîâåðêà äàííûõ if (P->HasDataToWrite) { CalculateTxBuffer(P); P->State = WRITE_DATA; P->HasDataToWrite = FALSE; } else { if (CalculateTime(P)) { P->State = READ_DATA; } else { // íåïðàâèëüíîå âðåìÿ - ñáðîñ ìèêðîñõåìû P->Tx[0] = 0; P->Tx[1] = 0; P->Tx[2] = 0; P->State = WRITE_DATA; } } break;

Ïðîâåðêà ïðèíÿòûõ äàííûõ è âû÷èñëåíèå çíà÷åíèÿ ïåðåìåííîé Time ïðîèçâîäÿòñÿ â ïîäïðîãðàììå CalculateTime. Åñëè ðåçóëüòàòîì åå âûïîëíåíèÿ áóäåò «Ëîæü», òîãäà ïðîèçîéäåò îáíóëåíèå ïåðåäàþùåãî áóôåðà Tx è çàïèñü åãî â ìèêðîñõåìó. Îáðàòíîå ïðåîáðà-

47

çîâàíèå ôîðìàòà – ôîðìèðîâàíèå çíà÷åíèé ðåãèñòðîâ ìèêðîñõåìû èç çíà÷åíèÿ ïåðåìåííîé Time ïðîèçâîäèòñÿ â ïîäïðîãðàììå CalculateTxBuffer, ïîñëå âûïîëíåíèÿ êîòîðîé ïðîèçâîäèòñÿ ñáðîñ ôëàãà HasDataToWrite.

×åòâåðòûé ýòàï – çàïèñü äàííûõ â ìèêðîñõåìó DS1307 Ýòîò ýòàï (Ëèñòèíã 14) âî ìíîãîì íàïîìèíàåò ýòàï ÷òåíèÿ. Âíà÷àëå ïåðåäàåòñÿ ñòàðòîâûé áèò, çàòåì àäðåñ ìèêðîñõåìû â ðåæèìå

çàïèñè è àäðåñ ïåðâîé ÿ÷åéêè, êóäà áóäåò çàïèñûâàòüñÿ èíôîðìàöèÿ. Íî åñëè â ðåæèìå ÷òåíèÿ ïîñëå ýòèõ îïåðàöèé ïðîèñõîäèë ïåðåçàïóñê èíòåðôåéñà ïóòåì ïîâòîðíîé ïåðåäà÷è ñòàðòîâîãî áèòà, òî â ðåæèìå çàïèñè äàëüøå áóäåò ïåðåäàâàòüñÿ ñîäåðæèìîå áóôåðà Tx. È êàê òîëüêî áóäóò ïåðåäàíû âñå òðè áàéòà, áóäåò ñôîðìèðîâàí ñòîïîâûé áèò. Ïîñëå ýòîãî ïåðåìåííîé State áóäåò ïðèñâîåíî çíà÷åíèå READ_DATA, ÷òî ïðèâåäåò ê íà÷àëó íîâîãî ñåàíñà ÷òåíèÿ äàííûõ èç ìèêðîñõåìû.

Ëèñòèíã 14. Èñõîäíûé êîä çàïèñè èíôîðìàöèè â ìèêðîñõåìó DS1307 case WRITE_DATA: I2C_GenerateSTART(ENABLE); P->State++; break; case WRITE_DATA + 1: if (I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT)) { I2C_Send7bitAddress(0xD0, I2C_DIRECTION_TX); P->State++; } break; case WRITE_DATA + 2: if (I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)) { I2C_SendData(0x00); P->ByteCount = 0; P->State++; } break; case WRITE_DATA + 3: if (I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING)) { I2C_SendData(P->Tx[P->ByteCount]); P->ByteCount++; if (P->ByteCount == BUFFER_SIZE) P->State++; } break; case WRITE_DATA + 4: if (I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED)) { I2C_GenerateSTOP(ENABLE); P->State = READ_DATA; } break;

Ïîäïðîãðàììû ïðåîáðàçîâàíèÿ ôîðìàòîâ âðåìåíè Ïîñêîëüêó â ñèñòåìå âðåìÿ õðàíèòñÿ â äâóõ ðàçíûõ ôîðìàòàõ, ïîòðåáîâàëîñü

48

ñîçäàòü äâå ïîäïðîãðàììû, âûïîëíÿþùèå èõ ïðÿìîå è îáðàòíîå ïðåîáðàçîâàíèå. Èñõîäíûé êîä ïîäïðîãðàììû CalculateTime, ôîðìèðóþùåé çíà÷åíèå ïåðåìåííîé Time èç ïðèåìíîãî áóôåðà Rx, ïðèâåäåí â Ëèñòèíãå 15. Ýòà

ÑÕÅÌÛ

ïîäïðîãðàììà òàêæå ïðîâåðÿåò êîððåêòíîñòü äàííûõ, ïîëó÷åííûõ ïî èíòåðôåéñó I2C. Ïîñêîëüêó ðåçóëüòàò ðàñ÷åòà ÿâëÿåòñÿ 32ðàçðÿäíûì, à â 8-ðàçðÿäíûõ ìèêðîêîíòðîëëåðàõ STM8 íåò ìîäóëÿ àïïàðàòíîãî óìíîæåíèÿ, äëÿ ñîêðàùåíèÿ êîëè÷åñòâà îïåðàöèé áûëà ïðèìåíåíà íåáîëüøàÿ õèòðîñòü – â èñõîäíûé êîä ïðîãðàììû áûëè çàëîæåíû ðåçóëüòàòû ïðîìåæóòî÷íûõ óìíîæåíèé, õðàíÿùèåñÿ â âèäå ïÿòè ìàññèâîâ êîíñòàíò: ! S10_C – êîëè÷åñòâî ñåêóíä â êàæäîì èç äåñÿòêîâ ñåêóíä; ! M_C – êîëè÷åñòâî ñåêóíä â êàæäîé èç åäèíèö ìèíóò;

! M_C10 – êîëè÷åñòâî ñåêóíä â êàæäîì èç äåñÿòêîâ ìèíóò; ! H_C – êîëè÷åñòâî ñåêóíä â êàæäîé èç åäèíèö ÷àñîâ; ! H_C10 – êîëè÷åñòâî ñåêóíä â êàæäîì èç äåñÿòêîâ ÷àñîâ. Ýòî ïîçâîëèëî óïðîñòèòü è óñêîðèòü ðàñ÷åò çíà÷åíèÿ ïåðåìåííîé Time, êîòîðûé òåïåðü ñâîäèòñÿ ëèøü ê ñëîæåíèþ øåñòè 32ðàçðÿäíûõ ÷èñåë, âûáèðàåìûõ èç ìàññèâîâ ïî çíà÷åíèÿì ñîîòâåòñòâóþùèõ ïåðåìåííûõ (S10, M, M10, H è H10), ñôîðìèðîâàííûõ èç ïðèåìíîãî áóôåðà Rx.

Ëèñòèíã 15. Èñõîäíûé êîä ïîäïðîãðàììû CalculateTime bool CalculateTime(TDS1307* P) { bool Result; uint8_t S, S10, M, M10, H, H10; // ñåêóíäû S = P->Rx[0] & 0x0F; S10 = (P->Rx[0] & 0xF0) >> 4; // ìèíóòû M = P->Rx[1] & 0x0F; M10 = (P->Rx[1] & 0xF0) >> 4; // ÷àñû H = P->Rx[2] & 0x0F; H10 = (P->Rx[2] & 0xF0) >> 4; // ïðîâåðêà êîððåêòíîñòè âðåìåíè Result = (bool)((S < 10) & (S10 < 6) & (M < 10) & (M10 < 6) & (((H10) == 2) & (H < 4)) | ((H10 < 2) & (H < 10))); // ìàññèâû ïðåäâàðèòåëüíî ðàññ÷èòàííûõ ñëàãàåìûõ const int8_t S10_C[6] = {0, 10, 20, 30, 40, 50}; const int16_t M_C[10] = {0, 60, 120, 180, 240, 300, 360, 420, 480, 540}; const int16_t M10_C[6] = {0, 600, 1200, 1800, 2400, 3000}; const int16_t H_C[10] = {0, 3600, 7200, 10800, 14400, 18000, 21600, 25200, 28800, 32400}; const int32_t H10_C[3] = {0, 36000, 72000}; // ðàñ÷åò ïåðåìåííîé Time if (Result) P->Time = H10_C[H10] + H_C[H] + M10_C[M10] + M_C[M] + S10_C[S10] + S; return Result; }

Îáðàòíîå ïðåîáðàçîâàíèå ôîðìàòà ïðîèçâîäèòñÿ â ïîäïðîãðàììå CalculateTxBuffer (Ëèñòèíã 16).  íåé çíà÷åíèå ïåðåìåííîé Time «ðàñêëàäûâàåòñÿ ïî ïîëî÷êàì» – ïî ðåãèñòðàì ìèêðîñõåìû DS1307. Ïîñêîëüêó

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

ïîäîáíîå ïðåîáðàçîâàíèå ïîäðàçóìåâàåò èñïîëüçîâàíèå äîñòàòî÷íî áîëüøîãî êîëè÷åñòâà îïåðàöèé äåëåíèÿ, êîòîðûå â ìèêðîêîíòðîëëåðàõ STM8 àïïàðàòíî âûïîëíèòü íå ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíûì, çäåñü îíè òàêæå

49

áûëè çàìåíåíû öèêëè÷åñêèìè îïåðàöèÿìè âû÷èòàíèÿ è ñëîæåíèÿ. Ëèñòèíã 16. Èñõîäíûé êîä ïîäïðîãðàììû CalculateTxBuffer void CalculateTxBuffer(TDS1307* P) { int32_t Buf = P->Time; uint8_t S, M, H; // íîðìàëèçàöèÿ ïðèíÿòîãî çíà÷åíèÿ while (Buf >= 86400) Buf -= 86400; // îïðåäåëåíèå êîëè÷åñòâà ÷àñîâ H = 0; while (Buf >= 3600) { H++; Buf -= 3600; } // îïðåäåëåíèå êîëè÷åñòâà ìèíóò M = 0; while (Buf >= 60) { M++; Buf -= 60; } // îïðåäåëåíèå êîëè÷åñòâà ñåêóíä S = (uint8_t)Buf; // ôîðìèðîâàíèå çíà÷åíèÿ ðåãèñòðà ñåêóíä P->Tx[0] = 0; while (S >= 10) { P->Tx[0] += 0x10; S -= 10; } P->Tx[0] += S; // ôîðìèðîâàíèå çíà÷åíèÿ ðåãèñòðà ìèíóò P->Tx[1] = 0; while (M >= 10) { P->Tx[1] += 0x10; M -= 10; } P->Tx[1] += M; // ôîðìèðîâàíèå çíà÷åíèÿ ðåãèñòðà ÷àñîâ P->Tx[2] = 0; while (H >= 10) { P->Tx[2] += 0x10; H -= 10; } P->Tx[2] += H; }

50

Çàêëþ÷åíèå Ìîäóëü I2C ìèêðîêîíòðîëëåðîâ STM8 îêàçàëñÿ íå î÷åíü óäîáíûì äëÿ ïðàêòè÷åñêîãî èñïîëüçîâàíèÿ. Îäíàêî ïî ñðàâíåíèþ ñ «ðó÷íûì» ìåòîäîì ôîðìèðîâàíèÿ ñèãíàëîâ èíòåðôåéñà I2C, êîòîðûé ìíå êîãäà-òî ïðèõîäèëîñü äåëàòü íà ìèêðîêîíòðîëëåðàõ, ó êîòîðûõ íå áûëî ñòîëü ðàçâèòîé ïåðèôåðèè, åãî èñïîëüçîâàíèå ïîçâîëÿåò ñýêîíîìèòü äîñòàòî÷íî áîëüøîå êîëè÷åñòâî âðåìåíè êàê ìàøèííîãî, òàê è ëè÷íîãî. Ïîýòîìó ñ ìîäóëåì I2C íóæíî ó÷èòüñÿ ðàáîòàòü, è ýòî íå ïîäëåæèò ñîìíåíèþ. Íå áóäó ñïîðèòü, ÷òî ïðèâåäåííûå àëãîðèòìû è èñõîäíûé êîä ìîãóò áûòü äàëåêî íå ñàìûìè êðàñèâûìè è îïòèìàëüíûìè. Îäíàêî ó íèõ îäíî íåîñïîðèìîå ïðåèìóùåñòâî – îíè ðàáî÷èå. Ïî êðàéíå ìåðå, íà ìîìåíò íàïèñàíèÿ ñòàòüè òåñòîâàÿ óñòàíîâêà ïðîðàáîòàëà óæå áîëüøå òðåõ íåäåëü â ðåæèìå 24/7, è ïðè ýòîì íå áûëî çàìå÷åíî êàêèõ-ëèáî ñáîåâ. À åñëè îíè è áûëè, òî èõ óñòðàíåíèå ïðîèçîøëî àâòîìàòè÷åñêè, áåç ìîåãî ó÷àñòèÿ. Ïîýòîìó ÿ íàäåþñü, ÷òî ýòîò ìàòåðèàë îêàæåòñÿ ïîëåçíûì êàê ñïåöèàëèñòàì, êîòîðûå óæå èìåþò îïðåäåëåííûé îïûò ïðîãðàììèðîâàíèÿ ìèêðîêîíòðîëëåðîâ, òàê è òåì, êòî äåëàåò òîëüêî ïåðâûå øàãè â îñâîåíèè ýòîãî íåëåãêîãî, íî î÷åíü óâëåêàòåëüíîãî äåëà. ÐË

Äîïîëíèòåëüíàÿ èíôîðìàöèÿ 1. À. Ðóñó. Æîíãëèðóåì ïðåðûâàíèÿìè: îñîáåííîñòè ðàáîòû ñ ìîäóëåì UART ìèêðîêîíòðîëëåðîâ STM8 2. STM8S Value line 3. I2C Bus 4. STM8S Series and STM8AF Series 8-bit microcontrollers. Reference Manual 5. STM8S/A Standard Peripherals Library

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Maxim DS1307 2. Datasheet STMicroelectronics STM8S003F3 3. Datasheet Texas Instruments LM1117 4. Datasheet MaxLinear SP485

ÑÕÅÌÛ

Ïðîñòîé ãåíåðàòîð çàäåðæàííûõ èìïóëüñîâ íà äâóõ D-òðèããåðàõ Luca Bruno EDN

ÂÂ íåêîòîðûõ ïðèëîæåíèÿõ, òàêèõ êàê ôîð-

ãåíåðàòîð çàäåðæàííûõ èìïóëüñîâ íà îñíîâå ÊÌÎÏ ìèêðîñõåìû ñäâîåííîãî D-òðèããåðà (Ðèñóíîê 1). Ñõåìà îáåñïå÷èâàåò òî÷íûå âðåìåííûå çàäåðæêè âõîäíîãî çàïóñêàþùåãî èìïóëüñà. Çàäåðæêà â ïðåäåëàõ äèàïàçîíà ïîëíîé øêàëû óñòàíàâëèâàåòñÿ ïîñòîÿííûì óïðàâëÿþùèì íàïðÿæåíèåì. Êîãäà ñõåìà

ìèðîâàíèå ïðåöèçèîííûõ òàêòîâûõ ñèãíàëîâ äëÿ ÀÖÏ ñ âðåìåííûì ðàçäåëåíèåì èëè ðåãóëèðîâêà çàäåðæåê â ðàçëè÷íûõ óñòðîéñòâàõ ñ æåñòêèìè òðåáîâàíèÿìè ê òî÷íîñòè âðåìåííûõ èíòåðâàëîâ, íåîáõîäèìû íàñòðîéêè ïàðàìåòðîâ ñèíõðîíèçàöèè.  ýòîé ñòàòüå îïèñàí

ÈÑÒÎ×ÍÈÊ ÒÎÊÀ 5Â

5 D

5Â 5Â

ÓÏÐÀÂËßÞÙÅÅ ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ 0…2.56 Â

+

R6 100

C2 100 pF

8

IC2A TS3702 2 – 4 C4 1 nF

1

ÏÐÈÌÅ×ÀÍÈß: ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ ÏÈÒÀÍÈß IC1 = 5  ÂÎÇËÅ ÂÛÂÎÄΠÏÈÒÀÍÈß IC1 ÏÎÄÊËÞ×ÈÒÅ ÁËÎÊÈÐÎÂÎ×ÍÛÉ ÊÎÍÄÅÍÑÀÒÎÐ 100 ïÔ

ÂÕÎÄ ÇÀÏÓÑÊÀ 5Â 0Â

R 4

1 ÇÀÄÅÐÆÀÍÍÛÅ ÈÌÏÓËÜÑÛ

Q

2

R1 1.33k 0.1% R2 11k 0.1%

Q1 2N5087 IO 100 ìêÀ

R5 8 13 100k S D Q IC1B Q3 CD4013B 2N2222A 11 CLK 12 Q NC R ÏÈËÎÎÁÐ.

10 ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ

VREF 1.233 Â

IC3 LM4041

R4 10k D1 1N4148

9

ÏÎ ÆÅËÀÍÈÞ

Q

IC1A CD4013B 3 CLK

C3 100 nF

3

6 S

C1 10 nF 1%

Q2 2N5087

R3 18k

Ðèñóíîê 1. Ïåðåäíèé ôðîíò âõîäíîãî çàïóñêàþùåãî èìïóëüñà èíèöèèðóåò íà÷àëî ôîðìèðîâàíèÿ ïðåöèçèîííîãî ëèíåéíî íàðàñòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ, êîòîðîå ñðàâíèâàåòñÿ ñ óïðàâëÿþùèì íàïðÿæåíèåì, ãåíåðèðóÿ òî÷íóþ çàäåðæêó.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

51

çàïóñêàåòñÿ ïåðåäíèì ôðîíòîì èìïóëüñà, íà åå âûõîäå ôîðìèðóåòñÿ èìïóëüñ, ïåðåäíèé ôðîíò êîòîðîãî çàäåðæàí íà âåëè÷èíó, ðàâíóþ ñóììå âûáðàííîé âðåìåííîé çàäåðæêè TD è ôèêñèðîâàííîé ñîáñòâåííîé çàäåðæêè ðàñïðîñòðàíåíèÿ TPD. Øèðèíó âûõîäíîãî èìïóëüñà îïðåäåëÿåò ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè R4C2. Ïîëíûé äèàïàçîí çàäåðæåê îïðåäåëÿåòñÿ òî÷íûì èñòî÷íèêîì ïîñòîÿííîãî òîêà IO è êîíäåíñàòîðîì C1. Êîãäà òðàíçèñòîð Q3 çàêðûò, èñòî÷íèê òîêà çàðÿæàåò êîíäåíñàòîð C1, ãåíåðèðóÿ ëèíåéíî èçìåíÿþùååñÿ íàïðÿæåíèå ñ íàêëîíîì, ðàâíûì IO/C1. Çàäåðæêà – ýòî âðåìÿ, íåîáõîäèìîå ïèëîîáðàçíîìó íàïðÿæåíèþ, äëÿ íàðàñòàíèÿ îò íà÷àëüíîãî óðîâíÿ äî çíà÷åíèÿ, óñòàíîâëåííîãî íà âõîäå óïðàâëÿþùåãî íàïðÿæåíèÿ.  ýòîì ïðèëîæåíèè íàêëîí ïèëîîáðàçíîãî íàïðÿæåíèÿ ñîñòàâëÿåò 10 ìÂ/ìêñ, ïîýòîìó äèàïàçîí ïîëíîé øêàëû çàäåðæåê ñîñòàâëÿåò 256 ìêñ äëÿ óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé îò 0 äî 2.56 Â. Óñòàíîâèòü ïîëíóþ øêàëó çàäåðæåê ìîæíî, èçìåíèâ òîê IO ëèáî âûáîðîì ñîïðîòèâëåíèÿ R1 + R2, ëèáî åìêîñòüþ êîíäåíñàòîðà C1. Íàèëó÷øàÿ òî÷íîñòü äîñòèãàåòñÿ â äèàïàçîíå òîêîâ èñòî÷íèêà îò 10 ìêÀ äî 1 ìÀ è åìêîñòåé êîíäåíñàòîðà îò 1 íÔ äî 1 ìêÔ; ïðè ýòîì ñîîòâåòñòâóþùàÿ øêàëà çàäåðæåê èçìåíÿåòñÿ îò 2.56 ìêñ äî 256 ìñ.  êà÷åñòâå C1 ñëåäóåò èñïîëüçîâàòü òî÷íûé ïëåíî÷íûé êîíäåíñàòîð. Îñíîâîé èñòî÷íèêà òîêà ñëóæèò òî÷íûé ìèêðîìîùíûé øóíòîâîé èñòî÷íèê îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ IC3, âûðàáàòûâàþùèé íàïðÿæåíèå 1.233  ñ íà÷àëüíîé òî÷íîñòüþ 0.2%. Ìèêðîñõåìà LM4041 ÷åðåç òî÷íûå ðåçèñòîðû R1 è R2 óïðàâëÿåò âêëþ÷åííûìè ïî ñõåìå Äàðëèíãòîíà òðàíçèñòîðàìè Q1 è Q2 îïîðíûì òîêîì

IO =

VREF = 100 ìêÀ .

R1 + R 2

Êîíôèãóðàöèÿ Äàðëèíãòîíà ãàðàíòèðóåò, ÷òî áàçîâûé òîê áóäåò íåçíà÷èòåëåí, à òî÷íîñòü âûõîäíîãî òîêà êîëëåêòîðà áóäåò íå õóæå 0.3%. Ìîæíî èñïîëüçîâàòü ëþáûå ìàëîñèãíàëüíûå òðàíçèñòîðû, íî äëÿ ëó÷øåé òî÷íîñòè ñëåäóåò âûáðàòü ìàëîøóìÿùèå áèïîëÿðíûå òðàíçèñòîðû ñ áîëüøèì óñèëåíèåì ïî òîêó, òàêèå êàê 2N5087 èëè BC557C. Íà ìèê-

52

ðîñõåìå IC1A ñäåëàí æäóùèé ìóëüòèâèáðàòîð [1]. Øèðèíà åãî âûõîäíîãî èìïóëüñà ðàâíà

æV ö TW = R 4C2 ´ ln çç DD ÷÷ , è TTH ø ãäå VTH – íàïðÿæåíèå ïîðîãà öèôðîâûõ ÊÌÎÏ ñõåì, à VDD – íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ. Ïîñêîëüêó

VTH »

VDD , 2

òî

TW » R 4C2 ´ 0.69 . Äèîä D1 ñîêðàùàåò âðåìÿ âîññòàíîâëåíèÿ. Ïîñëå ïîäà÷è ïèòàíèÿ òðàíçèñòîð Q3 íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè íàñûùåíèÿ, ïðèíèìàÿ íà ñåáÿ âûõîäíîé òîê èñòî÷íèêà, è, êàê òîëüêî âõîäíîé èìïóëüñ çàïóñêàåò ñõåìó, «ëîã. 0», ïîÿâèâøèéñÿ íà âûõîäå Q ìèêðîñõåìû IC1B, âûêëþ÷àåò Q3 è çàïóñêàåò ãåíåðàöèþ ïèëîîáðàçíîãî íàïðÿæåíèÿ. Êîãäà ëèíåéíî íàðàñòàþùåå íàïðÿæåíèå ïðåâûñèò óïðàâëÿþùåå íàïðÿæåíèå, óðîâåíü íàïðÿæåíèÿ íà âûõîäå êîìïàðàòîðà IC2A ñòàíåò âûñîêèì, è íàðàñòàþùèé ôðîíò íà âõîäàõ CLK Dòðèããåðà çàïóñòèò æäóùèé ìóëüòèâèáðàòîð IC1A è ÷åðåç òðèããåð IC1B âêëþ÷èò òðàíçèñòîð Q3, ïîçâîëÿÿ ðàçðÿæàòüñÿ êîíäåíñàòîðó C1. Ïîñëå òîãî, êàê âõîäíîé èìïóëüñ çàïóñòèò ñõåìó, ëþáîé äðóãîé çàïóñêàþùèé èìïóëüñ, âîçíèêàþùèé ïåðåä çàäíèì ôðîíòîì çàäåðæàííîãî âûõîäíîãî èìïóëüñà, íå ñïîñîáåí èçìåíèòü ñîñòîÿíèå ñõåìû; èíûìè ñëîâàìè, ñõåìà íå îáëàäàåò ñâîéñòâîì ïåðåçàïóñêà. Ýòî ïîçâîëÿåò îäíîâðåìåííî äåëèòü ÷àñòîòó âõîäíîãî ñèãíàëà è çàäåðæèâàòü åãî. Õîòÿ ìèêðîñõåìû IC1 è IC2 ìîãóò ðàáîòàòü îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ îò 3 äî 16 Â, ìèíèìàëüíîå íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ ñõåìû ñîñòàâëÿåò 5 Â, ïîñêîëüêó â ïðîòèâíîì ñëó÷àå òðàíçèñòîðû Q1 è Q2 íàõîäèëèñü áû âáëèçè íàñûùåíèÿ, ôîðìèðóÿ ìåíåå ëèíåéíîå ïèëîîáðàçíîå íàïðÿæåíèå. Äèàïàçîí âõîäíûõ ñèíôàçíûõ íàïðÿæåíèé êîìïàðàòîðà TS3702 (IC2A) âêëþ÷àåò «çåìëþ», ÷òî ïîçâîëÿåò êîíòðîëèðîâàòü âõîäíûå íàïðÿæåíèÿ äî 0 Â. Îäíàêî äëÿ ïðàâèëüíîé ðàáîòû ñõåìû ìèíèìàëüíîå óïðàâëÿþùåå íàïðÿæåíèå

ÑÕÅÌÛ

äîëæíî áûòü áîëüøå íàïðÿæåíèÿ íàñûùåíèÿ òðàíçèñòîðà Q3. Çíà÷åíèå, èçìåðåííîå ïðè èñïîëüçîâàíèè êîìïîíåíòîâ, ïîêàçàííûõ íà Ðèñóíêå 1, ñîñòàâèëî 12 ìÂ. Åñëè íóæíî óìåíüøèòü ýòî íàïðÿæåíèå, ìîæíî èñïîëüçîâàòü n-êàíàëüíûé MOSFET ñ ëîãè÷åñêèì óðîâíåì óïðàâëåíèÿ è íèçêèì ñîïðîòèâëåíèåì îòêðûòîãî êàíàëà. Äîïîëíèòåëüíûé âõîäíîé ôèëüòð íèæíèõ ÷àñòîò, ñîñòîÿùèé èç ýëåìåíòîâ R6 è C4, ïîìîãàåò î÷èñòèòü îò øóìà óïðàâëÿþùåå íàïðÿæåíèå. Åñëè âõîäíîå óïðàâëÿþùåå íàïðÿæåíèå ôîðìèðóåòñÿ ñ ïîìîùüþ ÖÀÏ, ìîæíî ñäåëàòü ãåíåðàòîð çàäåðæêè ñ öèôðîâûì ïðîãðàììèðîâàíèåì. Ïîäõîäÿùèì íåäîðîãèì 8ðàçðÿäíûì ÖÀÏ ÿâëÿåòñÿ AD558, èìåþùèé âíóòðåííèé ïðåöèçèîííûé èñòî÷íèê îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ íà îñíîâå øèðèíû çàïðåùåííîé çîíû è îáåñïå÷èâàþùèé âûõîäíîå

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

íàïðÿæåíèå îò 0 äî 2.56 Â, ÷òî äåëàåò åäèíèöó ìëàäøåãî ðàçðÿäà ðàâíîé 1 ìêñ. Îí ïèòàåòñÿ íàïðÿæåíèåì îò 5 äî 16  è èìååò âðåìÿ óñòàíîâëåíèÿ 1 ìêñ. Ñîáñòâåííûé òîê, ïîòðåáëÿåìûé ñõåìîé, ñîñòàâëÿåò ìåíåå 300 ìêÀ, ïîñêîëüêó â íåé èñïîëüçóþòñÿ òîëüêî ìèêðîìîùíûå ìèêðîñõåìû. ÐË

Ññûëêè 1. Bhandarkar Santosh. Ïðîñòàÿ ñõåìà çàìåíÿåò ìåõàíè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Analog Devices AD558 2. Datasheet Texas Instruments CD4013B 3. Datasheet Microchip LM4041 4. Datasheet STMicroelectronics TS3702 5. Datasheet Central Semiconductor 2N5087

53

Ýëåêòðîííûé ïðåäîõðàíèòåëü äëÿ íàñòðîéêè è ýêñïëóàòàöèè íèçêîâîëüòíûõ óñòðîéñòâ Ì. Ï. Áàñêîâ, Ìîñêâà

Ò

Òåìà ýëåêòðîííûõ ïðåäîõðàíèòåëåé êàê ñàìîñòîÿòåëüíîãî êëàññà óñòðîéñòâ ïðîäîëæàåò îñòàâàòüñÿ àêòóàëüíîé â ñëó÷àå ïèòàíèÿ àïïàðàòóðû îò àâòîíîìíûõ èñòî÷íèêîâ, ñïîñîáíûõ îáåñïå÷èòü çíà÷èòåëüíûå ðàçðÿäíûå òîêè. Ïîäòâåðæäåíèåì ýòîìó ÿâëÿåòñÿ íåäàâíèé âûïóñê ôèðìîé Toshiba ìíîãîôóíêöèîíàëüíîãî ñàìîâîññòàíàâëèâàþùåãîñÿ ïðåäîõðàíèòåëÿ TCKÅ712BNL [1].  ñòàòüå ïðåäëàãàåòñÿ ëþáèòåëüñêèé âàðèàíò àíàëîãè÷íîãî óñòðîéñòâà íà äèñêðåòíûõ ýëåìåíòàõ. Âñå ýëåêòðîííûå ïðåäîõðàíèòåëè ñîäåðæàò ðåãóëèðóþùèé ýëåìåíò â âèäå áèïîëÿðíîãî èëè ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà è äåëÿòñÿ íà äâå êàòåãîðèè: 1. Îãðàíè÷èòåëè òîêà, â êîòîðûõ òîê, ïîòðåáëÿåìûé íàãðóçêîé, íå ìîæåò ïðåâûñèòü íåêîòîðóþ âåëè÷èíó; 2. Òðèããåðíûå àâòîìàòû, îòêëþ÷àþùèå íàãðóçêó ïðè âîçíèêíîâåíèè ïåðåãðóçîê. Íåäîñòàòêîì ïåðâîé êàòåãîðèè çàùèòíûõ óñòðîéñòâ ÿâëÿåòñÿ çíà÷èòåëüíàÿ ìîùíîñòü, ðàññåèâàåìàÿ ðåãóëèðóþùèì ýëåìåíòîì ïðè ïåðåãðóçêå è, òåì áîëåå, ïðè êîðîòêîì çàìûêàíèè â íàãðóçêå. Âòîðàÿ êàòåãîðèÿ çàùèòíûõ óñòðîéñòâ, êàê ÿñíî èç íàçâàíèÿ, ðàáîòàåò ïî ïðèíöèïó òðèããåðà – ïîñëå àâàðèéíîãî ñðàáàòûâàíèÿ ýëåê-

54

òðîííîãî ïðåäîõðàíèòåëÿ òðåáóåòñÿ åãî ðó÷íîå èëè àâòîìàòè÷åñêîå ïðèâåäåíèå â ðàáî÷åå ñîñòîÿíèå. Ñóùåñòâåííûì íåäîñòàòêîì ýòîãî âèäà çàùèòû ÿâëÿåòñÿ òî îáñòîÿòåëüñòâî, ÷òî òàêèå ïðåäîõðàíèòåëè ïðàêòè÷åñêè íåïðèãîäíû äëÿ çàùèòû óñòðîéñòâ, ñòàðòîâûå òîêè êîòîðûõ â íåñêîëüêî ðàç ïðåâûøàþò íîìèíàëüíûå çíà÷åíèÿ, íàïðèìåð èìåþùèõ íà âõîäå êîíäåíñàòîðû áîëüøîé åìêîñòè. Ëîãè÷åñêè ðàññóæäàÿ, ìîæíî ïðèéòè ê âûâîäó, ÷òî îïòèìàëüíûé àëãîðèòì ðàáîòû ýëåêòðîííîãî ïðåäîõðàíèòåëÿ âûãëÿäèò òàê: ïîñëå âîçíèêíîâåíèÿ ñòàðòîâîé ïåðåãðóçêè ïðåäîõðàíèòåëü ïåðåõîäèò â ðåæèì îãðàíè÷åíèÿ òîêà íà âðåìÿ Ò1, ïîçâîëÿþùåå çàùèùàåìîé àïïàðàòóðå âûéòè íà øòàòíûé ðåæèì. Åñëè ïåðåãðóçêà ïðîäîëæàåòñÿ áîëüøå âðåìåíè T1, ïðåäîõðàíèòåëü îòêëþ÷àåò íàãðóçêó îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ. Ëþáàÿ íåøòàòíàÿ ïåðåãðóçêà ñ÷èòàåòñÿ ñëó÷àéíîé, ïîýòîìó ïîñëå îòêëþ÷åíèÿ íàãðóçêè ïðåäîõðàíèòåëü âûæèäàåò âðåìÿ Ò2, çàòåì äåëàåò òåñòîâîå âêëþ÷åíèå íàãðóçêè. Åñëè ïåðåãðóçêà íå èñ÷åçëà, ïîâòîðÿåòñÿ ïðîöåññ, îïèñàííûé âûøå. Ïîñêîëüêó â òå÷åíèå âðåìåíè Ò1 íà ðåãóëèðóþùåì ýëåìåíòå âûäåëÿåòñÿ çíà÷èòåëüíàÿ ìîùíîñòü, âûçûâàþùàÿ åãî íàãðåâ,

ÑÕÅÌÛ

Òåïëîâàÿ çàùèòà Âûêëþ÷åíèå /âêëþ÷åíèå VIN

RS

Çàùèòà âõîäà

t°

Ðåãóëèðóþùèé ýëåìåíò

Äåòåêòîð ïåðåãðóçêè

Ñòàáèëèçàòîð òîêà

Âûêëþ÷åíèå

Ôîðìèðîâàòåëü ëîãè÷åñêîãî ñèãíàëà

Íàãðóçêà

Çàäåðæêà T1

Ïîâòîðíîå âûêëþ÷åíèå

Çàäåðæêà T2

Àíàëèçàòîð äëèòåëüíîñòè ïåðåãðóçêè

Ðèñóíîê 1. Áëîê-ñõåìà ýëåêòðîííîãî ïðåäîõðàíèòåëÿ.

âðåìÿ Ò2 äîëæíî áûòü äîñòàòî÷íûì äëÿ åãî îõëàæäåíèÿ. Òàêèì îáðàçîì, âðåìÿ Ò1 äîëæíî áûòü áîëüøå äëèòåëüíîñòè ñòàðòîâîãî ïðîöåññà â çàùèùàåìîé àïïàðàòóðå, à âðåìÿ Ò2 îïðåäåëÿåòñÿ äîïóñòèìûì íàãðåâîì ðåãóëèðóþùåãî ýëåìåíòà ïðè ïîâòîðÿþùèõñÿ öèêëàõ âêëþ÷åíèÿ-âûêëþ÷åíèÿ. Åñëè âðåìÿ Ò2 ñëèøêîì ìàëî, ÷òîáû îáåñïå÷èòü åñòåñòâåííîå îõëàæäåíèå ðåãóëèðóþùåãî ýëåìåíòà, íåîáõîäèìî äîïîëíèòü ïðåäîõðàíèòåëü òåïëîâîé çàùèòîé, èñêëþ÷àþùåé âêëþ÷åíèå ðåãóëèðóþùåãî ýëåìåíòà äî åãî îñòûâàíèÿ. Äëÿ òîãî ÷òîáû èçáåæàòü ïîâðåæäåíèÿ ïðè ïîäêëþ÷åíèè ê èñòî÷íèêó ïèòàíèÿ â íåïðàâèëüíîé ïîëÿðíîñòè, ïðåäîõðàíèòåëü äîëæåí èìåòü ñîîòâåòñòâóþùóþ çàùèòó íà âõîäå. Áëîê-ñõåìà ïðåäîõðàíèòåëÿ, ðåàëèçóþùàÿ îïèñàííûé âûøå àëãîðèòì è äîïîëíèòåëüíûå óçëû, ïðèâåäåíà íà Ðèñóíêå 1. Íåñìîòðÿ íà îáèëèå ôóíêöèîíàëüíûõ óçëîâ â áëîê-ñõåìå, ïðàêòè÷åñêàÿ ðåàëèçàöèÿ ýëåêòðîííîãî ïðåäîõðàíèòåëÿ âåñüìà ïðîñòà è òðåáóåò ëèøü íåñêîëüêèõ àêòèâíûõ êîìïîíåíòîâ. Àâòîð èñïîëüçóåò òàêîé ïðåäîõðàíèòåëü ïðè ðàáîòå ñ àâòîìîáèëüíîé ýëåêòðîíèêîé, òàê êàê ñëó÷àéíûå çàìûêàíèÿ ïðè íàëàäêå óñòðîéñòâ, ïèòàåìûõ îò àêêóìóëÿòîðîâ, èìåþò, êàê èçâåñòíî, êðàéíå íåïðèÿòíûå ïîñëåäñòâèÿ.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà ýëåêòðîííîãî ïðåäîõðàíèòåëÿ èçîáðàæåíà íà Ðèñóíêå 2. Çàùèòà îò íåïðàâèëüíîé ïîëÿðíîñòè âûïîëíåíà íà òðàíçèñòîðå VT1 ïî èçâåñòíîé ñõåìå, êîòîðàÿ äåòàëüíî ðàçîáðàíà â [2] è [3]. Òðàíçèñòîð VT3 ñîâìåñòíî ñ R7 âûïîëíÿåò ôóíêöèþ äåòåêòîðà ïåðåãðóçêè è îäíîâðåìåííî ÿâëÿåòñÿ ÷àñòüþ ñòàáèëèçàòîðà òîêà. Êîãäà ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà ðåçèñòîðå R7 äîñòèãàåò âåëè÷èíû 0.6 Â, òðàíçèñòîð VT3 íà÷èíàåò îòêðûâàòüñÿ, ÷àñòè÷íî çàêðûâàÿ òðàíçèñòîð VT4. Ýòî îãðàíè÷èâàåò òîê â íàãðóçêå äî ìîìåíòà ñðàáàòûâàíèÿ çàùèòû. Òîê îãðàíè÷åíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ñîïðîòèâëåíèåì ðåçèñòîðà R7. Åãî âåëè÷èíà ðàññ÷èòûâàåòñÿ ïî ôîðìóëå:

RS =

0 .6 .

IÎÃÐ ( À )

 ñõåìå íà Ðèñóíêå 2 òîê îãðàíè÷åíèÿ ñîñòàâëÿåò îêîëî 2.4 À. Òðàíçèñòîð VT2 ïðè ïåðåãðóçêå îòêðûâàåòñÿ ñèíõðîííî ñ VT3, íàïðÿæåíèå íà åãî êîëëåêòîðå íà÷èíàåò ðàñòè, è êîãäà îíî äîñòèãàåò ïðèìåðíî òðåõ âîëüò, òðèããåð Øìèòòà íà ýëåìåíòå DD1.1 ôîðìèðóåò íà âûõîäå îòðèöàòåëüíûé ïåðåïàä íàïðÿæåíèÿ, êîòîðûé çàòåì èíâåðòèðóåòñÿ ýëåìåíòîì DD1.2. Ïîëîæèòåëüíûé ïåðåïàä íàïðÿæåíèÿ íà âûõîäå

55

7…15 Â +VIN

R7

ZD1

TP1 +VOUT

VT1 R1 10ê

0.25 R11 2ê

DA1 3 Ê âûâ. 14 DD1,DD2 R6 In 1 Ê âûâ. 8 DD3 3ê Out +5 Â C2 100í Gnd VT2 C2 2 100í C5 33í

R2 3ê

1 2

DD1.1

5

3

&

6

2

4

&

ZD2 C7 33í

3

&

7 6

&

8

VD1

9

12

DD1.3 &

10 13

&

VD2 R4 150ê*

+5 Â «Ïåðåãðóçêà»

2ê

1

&

3

R10 820ê*

VD3

C3 2.2ìê

C9 100í

DD2.1

2

C6 10ìê

R13 10ê

LED2

11

DD1.4 R3 75ê

LED1 «Ïåðåãðåâ»

R8

10ê DD3.1 5 R9 DD3.2

+5 Â

VT4

VT3

1

DD1.2

R12 100ê

–VIN

–VOUT C4 4.7ìê

5 6

8

DD2.2 &

4

9

DD2.3 &

13 R5 100ê

12

&

+5 Â 10

C8 10ìê

11

DD2.4

Buz1

DA1 – LM7805 DD1, DD2 – CD4093BE DD3 – CD40107BE VD1 ,VD2, VD3 – 1N4148 VT2, VT3 – BC557 VT1, VT4 – IRF4905 ZD1, ZD2 –15 B LED1, LED2 – êðàñí.

TP1 – KSD-01F 45° Buz1 – HCM1206X

Ðèñóíîê 2. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà ýëåêòðîííîãî ïðåäîõðàíèòåëÿ.

DD1.2 íà÷èíàåò çàðÿä êîíäåíñàòîð Ñ3 ÷åðåç ðåçèñòîð R4. Âðåìÿ çàðÿäà êîíäåíñàòîðà äî ïîðîãà ñðàáàòûâàíèÿ òðèããåðà Øìèòòà íà âõîäå ýëåìåíòà DD1.3 ñîîòâåòñòâóåò âðåìåíè Ò1, óïîìÿíóòîìó ïðè îïèñàíèè àëãîðèòìà. Åñëè ïåðåãðóçêà çàêîí÷èòñÿ ðàíüøå, ÷åì ñðàáîòàåò òðèããåð Øìèòòà, êîíäåíñàòîð Ñ3 íà÷íåò ðàçðÿæàòüñÿ ÷åðåç äèîä VD2 è ðåçèñòîð R3, âñëåäñòâèå ÷åãî îòêëþ÷åíèÿ íàãðóçêè íå ïðîèçîéäåò! Òàêèì îáðàçîì, ýëåìåíò DD1.3 ñîâìåñòíî ñ Ñ3 è R4 ñîîòâåòñòâóåò äâóì óçëàì íà áëîê-ñõåìå: àíàëèçàòîðó äëèòåëüíîñòè ïåðåãðóçêè è áëîêó çàäåðæêè ñèãíàëà íà âðåìÿ Ò1. Åñëè çà âðåìÿ Ò1 ïåðåãðóçêà íå ïðåêðàòèòñÿ, òî íà âûõîäå ýëåìåíòà DD1.3 ôîðìèðóåòñÿ îòðèöàòåëüíûé ïåðåïàä, çàïóñêàþùèé æäóùèé ìóëüòèâèáðàòîð íà ýëåìåíòàõ DD1.4 è DD2.1. Ïðè ýòîì íà âûõîäå DD1.4 óñòàíîâèòñÿ âûñîêèé óðîâåíü, êîòîðûé â ñâîþ î÷åðåäü âûçîâåò ïîÿâëåíèå íèçêîãî óðîâíÿ íà âûõîäíîì òðàíçèñòîðå ñ îòêðûòûì

56

ñòîêîì ìèêðîñõåìû DD3.1. Òîê ÷åðåç ðåçèñòîð R8 ïîëíîñòüþ îòêðîåò VÒ3, âñëåäñòâèå ÷åãî òðàíçèñòîð VÒ4 çàêðîåòñÿ, îáåñòî÷èâ íàãðóçêó. ×åðåç íåêîòîðîå âðåìÿ (T2), íåîáõîäèìîå äëÿ çàðÿäà êîíäåíñàòîðà Ñ6 æäóùåãî ìóëüòèâèáðàòîðà, íà âûõîäå ýëåìåíòà DD2.1 óñòàíîâèòñÿ íèçêèé óðîâåíü, à íà âûõîäå DD3.1 – âûñîêèé. Òîê ÷åðåç ðåçèñòîð R8 ïðåêðàòèòñÿ, è ïðåäîõðàíèòåëü âíîâü ïåðåéäåò â ðåæèì îãðàíè÷åíèÿ òîêà â íàãðóçêå. Åñëè ïåðåãðóçêà èñ÷åçëà, òî âîññòàíîâèòñÿ øòàòíûé ðåæèì ðàáîòû. Åñëè ïåðåãðóçêà ïðîäîëæàåòñÿ, îïèñàííûé âûøå öèêë ïîâòîðèòñÿ. Ïðè óêàçàííûõ íà ñõåìå âåëè÷èíàõ âðåìÿçàäàþùèõ ýëåìåíòîâ âðåìÿ Ò1 ðàâíî 380 ìèëëèñåêóíä, à âðåìÿ Ò2 – îêîëî 8 ñåêóíä. Ïðè ïîâòîðåíèè óñòðîéñòâà ïîëüçîâàòåëü ìîæåò èçìåíèòü âðåìåííûå ïàðàìåòðû ïðåäîõðàíèòåëÿ, èñõîäÿ èç êîíêðåòíûõ õàðàêòåðèñòèê íàãðóçêè, èëè ñäåëàòü èõ ðåãóëèðóåìûìè â øèðîêèõ ïðåäåëàõ.

ÑÕÅÌÛ

Ëîãè÷åñêèå ýëåìåíòû, íå èñïîëüçóþùèåñÿ íåïîñðåäñòâåííî â ðàáîòå ýëåêòðîííîãî ïðåäîõðàíèòåëÿ, çàäåéñòâîâàíû äëÿ èíäèêàöèè àâàðèéíîãî ñîñòîÿíèÿ – ñâåòîâîé (DD3.2) è çâóêîâîé (DD2.2, DD2.3, DD2.4). Íåñìîòðÿ íà âûñîêóþ ñêâàæíîñòü òåñòîâûõ èìïóëüñîâ è îòíîñèòåëüíî íåáîëüøîé ñðåäíèé òîê ÷åðåç VT4, ïîñëåäíèé îùóòèìî íàãðåâàåòñÿ ïðè äëèòåëüíûõ ïåðåãðóçêàõ, ÷òî òðåáóåò åãî óñòàíîâêè íà ðàäèàòîð. Íà áëîê-ñõåìå ïðèñóòñòâóåò òåïëîâàÿ çàùèòà, êîòîðîé íà ïðèíöèïèàëüíîé ñõåìå ñîîòâåòñòâóåò áèìåòàëëè÷åñêèé òåïëîâîé ïðåäîõðàíèòåëü TP1. Òåïëîâîé ïðåäîõðàíèòåëü âûïîëíåí â êîðïóñå ÒÎ-220, ÷òî ïîçâîëÿåò ñìîíòèðîâàòü åãî ìàêñèìàëüíî áëèçêî ê òðàíçèñòîðó VÒ4.  ðåàëüíîé êîíñòðóêöèè òåïëîâîé ïðåäîõðàíèòåëü ðàñïîëîæåí çåðêàëüíî òðàíçèñòîðó VÒ4 ïî äðóãóþ ñòîðîíó ìåäíîé ïëàñòèíû òîëùèíîé 2 ìì ïëîùàäüþ îêîëî 10 êâàäðàòíûõ ñàíòèìåòðîâ è êðåïèòñÿ òåì æå âèíòîì. Òåìïåðàòóðà ñðàáàòûâàíèÿ òåïëîâîãî ïðåäîõðàíèòåëÿ ñîñòàâëÿåò 45 ãðàäóñîâ. Ýòî â êàêîé-òî ñòåïåíè ãàðàíòèðóåò, ÷òî òåìïåðàòóðà êðèñòàëëà òðàíçèñòîðà VÒ4 íå ïðåâûñèò äîïóñòèìûõ çíà÷åíèé. Ñïåöèôèêà ðàáîòû MOSFET â ëèíåéíîì ðåæèìå çàñòàâëÿåò î÷åíü âíèìàòåëüíî îòíîñèòüñÿ ê èõ òåïëîâîìó ðåæèìó è èçáåãàòü íàãðåâà êðèñòàëëà äî òåìïåðàòóð, áëèçêèõ ê ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìûì. Èñïîëüçóåìûé â êà÷åñòâå ðåãóëèðóþùåãî ýëåìåíòà òðàíçèñòîð IRF4905 íå ÿâëÿåòñÿ îïòèìàëüíûì äëÿ ðàáîòû â ëèíåéíîì ðåæèìå, îäíàêî òðè ãîäà ýêñïëóàòàöèè ïîäòâåðäèëè íàäåæíîñòü óñòðîéñòâà.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

Ýëåêòðîííûé ïðåäîõðàíèòåëü, îïèñûâàåìûé â ýòîé ñòàòüå, èñïûòûâàëñÿ ïðè êîðîòêîì çàìûêàíèè íà âûõîäå è íàïðÿæåíèè èñòî÷íèêà 25.5  (äâà 12-âîëüòîâûõ àêêóìóëÿòîðà, ñîåäèíåííûõ ïîñëåäîâàòåëüíî). Ïîñëå 4 - 5 òåñòîâûõ âêëþ÷åíèé ñðàáàòûâàëà òåïëîâàÿ çàùèòà. Ïðè øòàòíîì íàïðÿæåíèè 12.8  è êîðîòêîì çàìûêàíèè íà âûõîäå òåïëîâàÿ çàùèòà ñðàáàòûâàëà ïîñëå 12 - 15 òåñòîâûõ âêëþ÷åíèé. Èñõîäÿ èç óñëîâèé ýêñïëóàòàöèè, óñòðîéñòâî ñìîíòèðîâàíî â êîðïóñå áåç âåíòèëÿöèîííûõ îòâåðñòèé ñ ðàçìåðàìè 90 × 60 × 20 ìì. Îïðåäåëåííûì íåäîñòàòêîì ýëåêòðîííîãî ïðåäîõðàíèòåëÿ, ïðåäëîæåííîãî âíèìàíèþ ÷èòàòåëåé, ÿâëÿåòñÿ îòíîñèòåëüíî áîëüøîå ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà ðåçèñòîðå R7 ïðè òîêàõ, áëèçêèõ ê ïîðîãó ñðàáàòûâàíèÿ çàùèòû. Îäíàêî ëþáîé ïðåäîõðàíèòåëü ïðåäïîëàãàåò ðàáî÷èå òîêè, ñóùåñòâåííî ìåíüøèå ïîðîãà ñðàáàòûâàíèÿ çàùèòû, òàê ÷òî ýòî íå ÿâëÿåòñÿ áîëüøîé ïðîáëåìîé. ÐË

Ññûëêè 1. Ê ïðîäóêòîâîé ëèíåéêå Toshiba äîáàâëåí ìíîãîôóíêöèîíàëüíûé ñàìîâîññòàíàâëèâàþùèéñÿ ýëåêòðîííûé ïðåäîõðàíèòåëü.

2. Øóëüãèí Î. À. Çàùèòà óñòðîéñòâ îò íåïðàâèëüíîé ïîäà÷è ïîëÿðíîñòè ïèòàíèÿ.

3. Jim Walker. MOSFET â íèçêîâîëüòíûõ ñõåìàõ çàùèòû îò îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ.

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Texas Instruments LM7805 2. Datasheet Texas Instruments CD4093BE 3. Datasheet Texas Instruments CD40107BE 4. Datasheet Infineon IRF4905 5. Datasheet Ruichi KSD-01F 6. Datasheet JL World HCM1206X

57

Ïðîñòàÿ ñõåìà óïðàâëåíèÿ íàïðàâëåíèåì è ñêîðîñòüþ âðàùåíèÿ äâèãàòåëÿ Jean-Bernard Guiot EDN

ÏÏðè

ðàçðàáîòêå ñèñòåì, âêëþ÷àþùèõ íåáîëüøèå ýëåêòðîìîòîðû, ìîæåò îêàçàòüñÿ ïîëåçíûì ïðîñòîé äâóíàïðàâëåííûé êîíòðîëëåð äâèãàòåëÿ ñ ðåãóëèðîâêîé ñêîðîñòè. Ñõåìà òàêîãî êîíòðîëëåðà ïîêàçàíà íà Ðèñóíêå 1.  íåé èñïîëüçóþòñÿ îáû÷íûå êîìïîíåíòû, äîïóñêè è íîìèíàëû êîòîðûõ íå êðèòè÷íû, åñëè îíè ïîääåðæèâàþò òðåáóåìûå óðîâíè íàïðÿæåíèÿ, òîêà è ìîùíîñòè. Ïðåèìóùåñòâàìè ñõåìû ÿâëÿþòñÿ íèçêàÿ ñòîèìîñòü, íåáîëüøèå ðàçìåðû, ãèáêîñòü è äîñòóïíîñòü êîìïîíåíòîâ. Åå ìîæíî ñîáðàòü

ìåíåå ÷åì çà ÷àñ íà ïëàòå ðàçìåðîì ïðèìåðíî 75 × 100 ìì; åå âûñîòà ìåíüøå 12 ìì. Òðàíçèñòîðíûé H-ìîñò ïîçâîëÿåò äâèãàòåëþ âðàùàòüñÿ â äâóõ íàïðàâëåíèÿõ. Âåðõíèì ïëå÷îì H-ìîñòà óïðàâëÿåò èìïóëüñíûé ìîäóëÿòîð, ïîçâîëÿþùèé ðåãóëèðîâàòü ñêîðîñòü âðàùåíèÿ. Äëÿ çàïóñêà âðàùåíèÿ â îäíîì íàïðàâëåíèè íåîáõîäèìî îäèí èç âõîäîâ (CW èëè CCW) ñîåäèíèòü ñ øèíîé 0 Â. Ýòî ìîæíî ñäåëàòü, íàïðèìåð, ñ ïîìîùüþ ïåðåêëþ÷àòåëåé, òðàíçèñòîðîâ èëè ÒÒË-ñõåì ñ îòêðûòûì êîëëåêòîðîì. Ïðè âûñîêèõ óðîâíÿõ R10

V DC R7 5.1k

R5 Q5

5.1k D1 Q1 R1 5.1k ÂÕÎÄ CW

R2

D3

F1

D5

Q3

5.1k D4

D6 Q4

C3 1000 µF

R8 5.1k

R6

Q6

5.1k

R11 1k 8 IC1

R9

R4

D7

1

5.1k R3

M

5.1k

Q2

D2

470

2

7

3

6

4

5

R12 10k D8

b

5.1k ÂÕÎÄ CCW

C1 10 nF

C2 22 nF

0 ÏÐÈÌÅ×ÀÍÈß: Q1, Q3 = TIP142.

Q2, Q4 = TIP147.

Q5 = BC161, BC556, 2N3906.

Q6 = BC160, BC546, 2N3904.

IC1 = ÒÀÉÌÅÐ 555.

D3 TO D6 = BYV26E. D1, D2, D8 = 1N4148, 1N4007.

D7 = ÑÒÀÁÈËÈÒÐÎÍ 15 Â, 0.4 Âò

Ðèñóíîê 1. Ñ ïîìîùüþ ýòîé ïðîñòîé ñõåìû ìîæíî óñòàíàâëèâàòü ñêîðîñòü è íàïðàâëåíèå âðàùåíèÿ äâèãàòåëÿ.

58

ÑÕÅÌÛ

íàïðÿæåíèÿ íà îáîèõ âõîäàõ (íåò êîìàíäû) òðàíçèñòîðû Q2 è Q4 çàêðûòû, è äâèãàòåëü îñòàíàâëèâàåòñÿ. Ïðè ýòîì äâèãàòåëü èñïûòûâàåò íåáîëüøîå òîðìîçÿùåå âîçäåéñòâèå îò ïåðåêëþ÷àþùèõñÿ òðàíçèñòîðîâ Q1 è Q3. Ïðè íèçêîì óðîâíå íà îäíîì èç âõîäîâ (âõîä ïîäêëþ÷åí ê 0 Â), íàïðèìåð, íà CW èëè CCW, îòêðûâàåòñÿ îäèí èç òðàíçèñòîðîâ Q2 èëè Q4, áàçîâûå òîêè êîòîðûõ îãðàíè÷èâàþòñÿ ðåçèñòîðàìè R1 è R4. Èìïóëüñíûé óïðàâëÿþùèé ñèãíàë, ïîäàâàåìûé íà áàçó òðàíçèñòîðà Q1 èëè Q3, çàìûêàåò áàçó íà çåìëþ, âûêëþ÷àÿ ñîîòâåòñòâóþùèé òðàíçèñòîð.  ïðîòèâîïîëîæíîì ïëå÷å òðàíçèñòîð Q4 èëè Q2 çàêðûò, íî íà áàçó Q3 èëè Q1 ÷åðåç äèîä D2 èëè D1 è ðåçèñòîð R6 èëè R5 ïîñòóïàþò èìïóëüñû îò ìîäóëÿòîðà. Òàêèì îáðàçîì, Q3 èëè Q1 îòêðûâàþòñÿ êàæäûé ðàç, òîãäà âêëþ÷àåòñÿ òðàíçèñòîð Q5.  ìîäóëÿòîðå èñïîëüçîâàíà ìèêðîñõåìà òàéìåðà 555 (IC1), âêëþ÷åííîãî àâòîêîëåáàòåëüíûì ìóëüòèâèáðàòîðîì. Ñòàáèëèòðîí D7 è ðåçèñòîð R10 îãðàíè÷èâàþò íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ ìèêðîñõåìû IC1 ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìûì çíà÷åíèåì 15 Â. Âðåìÿçàäàþùèé êîíäåíñàòîð C2 çàðÿæàåòñÿ ÷åðåç ðåçèñòîð R11, âåðõíþþ ÷àñòü ïîòåíöèîìåòðà R12 è ñòàáèëèòðîí D7. Ðàçðÿä ïðîèñõîäèò ÷åðåç íèæíþþ ÷àñòü ïîòåíöèîìåòðà R12. Åñëè äëÿ îáîçíà÷åíèÿ ïîçèöèè äâèæêà R12 ââåñòè âåëè÷èíó b (b = 0.5 – ñåðåäèíà, b = 0 – – âåðõ, b = 1 – íèç), âðåìÿ çàðÿäà áóäåò âûðàæàòüñÿ êàê

TON - 0.693C[R11 + R12 × (1 - b)] à âðåìÿ ðàçðÿäà

TOFF - 0.693bCR12 . Òàêèì îáðàçîì, îáùèé ïåðèîä èìïóëüñîâ ðàâåí

TON + TOFF = 0.693C[R11 + R12 × (1 - b + b)] = = 0.693C[R11 + R12 ] .

TON = 160 ñ

TOFF = 5 ñ

TON = 25 ñ

TOFF = 150 ñ

(à)

(á)

Ðèñóíîê 2. Ïîëîæåíèå äâèæêà ïîòåíöèîìåòðà óïðàâëåíèÿ ñêîðîñòüþ îïðåäåëÿåò êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ èìïóëüñîâ ìîäóëÿòîðà. (à) – b = 0, äâèæîê â ñàìîì âíèçó; (á) – b = 1, äâèæîê ââåðõó.

ìûì êîýôôèöèåíòîì çàïîëíåíèÿ. Íà Ðèñóíêå 2à äâèæîê ïîòåíöèîìåòðà íàõîäèòñÿ â êðàéíåì íèæíåì ïîëîæåíèè (b = 0). Íà Ðèñóíêå 2á äâèæîê ïîòåíöèîìåòðà íàõîäèòñÿ â êðàéíåì âåðõíåì ïîëîæåíèè (b = 1). Q5 è Q6 ñìåùàþò óðîâåíü èìïóëüñîâ äëÿ óïðàâëåíèÿ áàçàìè òðàíçèñòîðîâ Q1 è Q3, êîòîðûå îòêðûâàþòñÿ òîëüêî â òî âðåìÿ, êîãäà íàïðÿæåíèå íà âûõîäå òàéìåðà 555 (âûâîä 3) èìååò âûñîêèé óðîâåíü (TON). Äëèòåëüíîñòü èõ îòêðûòîãî ñîñòîÿíèÿ çàäàåò ñêîðîñòü âðàùåíèÿ. Äèîäû D3-D6 çàùèùàþò òðàíçèñòîðû Q1-Q4 îò èíäóêòèâíûõ áðîñêîâ íàïðÿæåíèÿ. Ïðåäîõðàíèòåëü F1 çàùèùàåò âñþ ñõåìó îò òîêîâîé ïåðåãðóçêè. Êîíäåíñàòîð C3 ìåæäó øèíîé VCC è çåìëåé ïðåäíàçíà÷åí äëÿ ôèëüòðàöèè ïèêîâ òîêà. Ñõåìà ïîìîãàëà îïðåäåëÿòü ñêîðîñòè èëè ïåðåäàòî÷íûå îòíîøåíèÿ ðåäóêòîðîâ âî âðåìÿ èñïûòàíèé è íàñòðîéêè ïðîòîòèïîâ íà íåáîëüøèõ ñòàíêàõ. Ïðåäïî÷òèòåëüíåå èñïîëüçîâàòü òðàíçèñòîðû Äàðëèíãòîíà, âûáèðàÿ èõ â ñîîòâåòñòâèè ñ íàïðÿæåíèåì èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ è òîêîì ìîòîðà. (È íå çàáûâàéòå î áîëüøîé èíäóêòèâíîñòè äâèãàòåëÿ). Ñîïðîòèâëåíèå ðåçèñòîðà R10 è ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå ñòàáèëèòðîíà âûáèðàþò, èñõîäÿ èç íàïðÿæåíèÿ èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ VCC. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Texas Instruments LM555

Âûõîäíîé ñèãíàë íà âûâîäå 3 ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïðÿìîóãîëüíûå èìïóëüñû ñ ïî÷òè ôèêñèðîâàííîé ÷àñòîòîé è ðåãóëèðóå-

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

2. Datasheet STMicroelectronics TIP142 3. Datasheet STMicroelectronics TIP147 4. Datasheet Vishay BYV26E

59

Ïîäàâëåíèå äðåáåçãà êîíòàêòîâ ñ ïîìîùüþ âñòðîåííûõ â ìèêðîêîíòðîëëåð EFM8LB1 êîíôèãóðèðóåìûõ ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ Àëåêñåé Êóçüìèíîâ, Ìîñêâà

 ñòàòüå ïðèâåäåíû àïïàðàòíûå è ïðîãðàììíûå ñðåäñòâà àíòèäðåáåçãîâîé ñõåìû, îñíîâàííîé íà RS òðèããåðå, ïîñòðîåííîì íà äâóõ êîíôèãóðèðóåìûõ ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòàõ (Configurable Logic Unit – CLU), âñòðîåííûõ â îòíîñèòåëüíî íîâûé 51-ñîâìåñòèìûé ìèêðîêîíòðîëëåð (MK) EFM8LB12. CLU ðàáîòàþò àâòîíîìíî, àáñîëþòíî íå òðåáóÿ ó÷àñòèÿ íå òîëüêî ïðîöåññîðà ÌÊ, íî äàæå òàêòîâîãî ãåíåðàòîðà ïðè ñâîåì ôóíêöèîíèðîâàíèè. Ïðèìåíåíèå âñòðîåííûõ â ÌÊ êîíôèãóðèðóåìûõ ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåííî ýêîíîìèòü íà àïïàðàòíûõ ñðåäñòâàõ óñòðîéñòâ íà áàçå ÌÊ, ÷òî çíà÷èòåëüíî ñíèæàåò ðàçìåð ïëàò ïîäîáíûõ óñòðîéñòâ è, êàê ñëåäñòâèå, èõ ñòîèìîñòü.

Ââåäåíèå Äëÿ ðó÷íîãî óïðàâëåíèÿ êàêèìè-ëèáî ôóíêöèÿìè â ÌÊ, êàê ïðàâèëî, èñïîëüçóþòñÿ ðàçëè÷íîãî ðîäà êíîïêè, ïðè çàìûêàíèè èëè ðàçìûêàíèè êîíòàêòîâ êîòîðûõ âîçíèêàåò õîðîøî èçâåñòíûé ýôôåêò – èõ äðåáåçã. Îí ïðîÿâëÿåòñÿ â òîì, ÷òî âìåñòî îäíîãî ôðîíòà èìïóëüñà (èëè ïåðåïàäà) âîçíèêàåò ñ äåñÿòîê (à òî è áîëüøå) èìïóëüñîâ, ïðèâîäÿùèõ ê ëîæíûì ñðàáàòûâàíèÿì êàêèõ-ëèáî óñòðîéñòâ ÌÊ, êîòîðûå çàïðîãðàììèðîâàíû íà çàïóñê îò îäíîãî ôðîíòà (èëè ñïàäà). Äëèòåëüíîñòü äðåáåçãà êîíòàêòîâ êíîïîê ñîñòàâëÿåò îò äîëåé äî íåñêîëüêèõ ìèëëèñåêóíä. Äëÿ èñêëþ÷åíèÿ ïîäîáíûõ ëîæíûõ ñðàáàòûâàíèé ïðèìåíÿþò êàê àïïàðàòíûå, òàê è ïðîãðàì-

60

ìíûå ñïîñîáû. Ïîñëåäíèå èñïîëüçóþò îðãàíèçàöèþ ïðîãðàììíûõ âðåìåííûõ çàäåðæåê, íàïðèìåð, ñ ïîìîùüþ òàéìåðîâ, ñ äëèòåëüíîñòüþ, çàâåäîìî ïðåâûøàþùåé äëèòåëüíîñòü äðåáåçãà. Íåäîñòàòîê òàêèõ çàäåðæåê – äîïîëíèòåëüíîå èñïîëüçîâàíèå ðåñóðñîâ ÌÊ (òàéìåðîâ è äîïîëíèòåëüíîé ïàìÿòè ÌÊ, òðåáóþùåéñÿ äëÿ ïîäîáíûõ ïðîãðàìì), à òàêæå áîëüøîå âðåìÿ çàäåðæêè (äëÿ íåêîòîðîãî çàïàñà ïî âðåìåíè). ×òî êàñàåòñÿ àïïàðàòíûõ ñðåäñòâ, òî îíè áûâàþò äâóõ òèïîâ. Ïåðâûé îñíîâàí íà ðàçëè÷íûõ RC-öåïî÷êàõ ñîâìåñòíî ñ ìèêðîñõåìàìè (íàïðèìåð, æäóùèé ìóëüòèâèáðàòîð), êîòîðûå çàòÿãèâàþò ôðîíò èìïóëüñà (èëè ïåðåïàäà) íà âðåìÿ, òàêæå çàâåäîìî áîëüøåå äëèòåëüíîñòè äðåáåçãà. Íåäîñòàòîê ýòîãî ñïîñîáà – òàêæå áîëü-

ÑÕÅÌÛ

561ËÀ7

SW

&

Q

&

Q

R1 100K +UÏ R2 100K

Ðèñóíîê 1. Àíòèäðåáåçãîâàÿ ñõåìà íà RS òðèããåðå.

øîå âðåìÿ çàäåðæêè, êîòîðîå âî ìíîãèõ êðèòè÷åñêèõ ñëó÷àÿõ ïðîñòî íåïðèåìëåìî. Âòîðîé ñïîñîá îñíîâàí íà èñïîëüçîâàíèè ðàçëè÷íîãî ðîäà òðèããåðîâ, íàïðèìåð, RSòðèããåðà (Ðèñóíîê 1). Ïðè çàìûêàíèè, íàïðèìåð, âåðõíåãî êîíòàêòà ïåðåêëþ÷àòåëÿ SW òðèããåð ïåðåáðàñûâàåòñÿ ïåðâûì æå êàñàíèåì êîíòàêòîâ, è äàëüíåéøèé èõ äðåáåçã íà òðèããåð óæå íå âëèÿåò. Ïðè ðàçìûêàíèè âåðõíåãî êîíòàêòà è äâèæåíèè ïåðåêëþ÷àòåëÿ ê íèæíåìó òðèããåð òàêæå ñîõðàíÿåò ñâîå ñîñòîÿíèå, íåñìîòðÿ íà äðåáåçã ðàçìûêàþùåãî êîíòàêòà, à ïåðâîå æå êàñàíèå ïåðåêëþ÷àòåëÿ íèæíåãî êîíòàêòà ïåðåáðàñûâàåò òðèããåð â ïðîòèâîïîëîæíîå ñîñòîÿíèå, è äàëüíåéøèé äðåáåçã íèæíåãî êîíòàêòà íà ñîñòîÿíèå òðèããåðà íå âëèÿåò. Ýòà ñõåìà õîðîøî èçâåñòíà è äîñòàòî÷íî ÷àñòî èñïîëüçóåòñÿ, òàê êàê èìååò ïîâûøåííîå áûñòðîäåéñòâèå ïî ñðàâíåíèþ ñ ïåðâûì òèïîì (ñì. âûøå), íî â êîììåíòàðèÿõ ê íåé, êàê ïðàâèëî, ìîæíî îáíàðóæèòü, ÷òî îíà èìååò îäèí ñåðüåçíûé íåäîñòàòîê, à èìåííî, – íåîáõîäèìîñòü èñïîëüçîâàòü êíîïêó ñ äâóìÿ ïåðåêëþ÷àåìûìè êîíòàêòàìè (à íå îäíèì). Îäíàêî, íà âçãëÿä àâòîðà, íåäîñòàòîê ýòîé ñõåìû êðîåòñÿ ñîâñåì íå â ýòîì, ïîñêîëüêó êíîïêè ñ ïåðåêëþ÷àåìûìè êîíòàêòàìè âûïóñêàþòñÿ ìèëëèîíàìè øòóê è èìåþò «êîïåå÷íóþ» ñòîèìîñòü. Íàïðèìåð, êíîïêà ñ äâóìÿ ãðóïïàìè ïåðåêëþ÷àåìûõ êîíòàêòîâ (òî åñòü, ñ 6-þ êîíòàêòàìè) PS-800L ðàçìåðîì 8×8 ìì (Ðèñóíîê 2à)

(à)

(á)

Ðèñóíîê 2. Êíîïêè: à – PS-800L, á – PSM2-1.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

ñòîèò ìåíåå 15 ðóá. Òàêèå êíîïêè âûïóñêàþòñÿ êàê ñ ôèêñàöèåé, òàê è áåç ôèêñàöèè. Ïîñëåäíÿÿ, íàïðèìåð, èñïîëüçóåòñÿ â ëþáîì íàñòîëüíîì êîìïüþòåðå (ñèñòåìíîì áëîêå) â êíîïêå RESET. Êðîìå òîãî, âûïóñêàåòñÿ êíîïêà P2-0S (PSM2-1) (ñî âñòðîåííîé êíîïêîé PS-800L) óæå â êîðïóñå ñ óäîáíîé ðó÷êîé äëÿ íàæàòèÿ è äàæå ñî ñâåòîäèîäîì, òîðåö êîòîðîãî âûâåäåí íà âåðõíþþ ÷àñòü êîðïóñà (Ðèñóíîê 2á). Ñòîèìîñòü òàêîé êíîïêè – íå áîëåå 50 ðóá. Êíîïêè PS-800L è PSM2-1 ëåãêîäîñòóïíû: îíè ïðîäàþòñÿ êàê â êîìïàíèÿõ, òîðãóþùèõ ýëåêòðîííûìè êîìïîíåíòàìè, òàê è â ìàãàçèíàõ ðàäèîäåòàëåé. Íî åñëè êíîïêè òàêèå äåøåâûå è ëåãêîäîñòóïíûå, òî â ÷¸ì æå òîãäà çàêëþ÷àåòñÿ íåäîñòàòîê ñõåìû íà Ðèñóíêå 1? À íåäîñòàòîê ñõåìû çàêëþ÷àåòñÿ â íåîáõîäèìîñòè èñïîëüçîâàíèÿ äîïîëíèòåëüíûõ àïïàðàòíûõ ñðåäñòâ (òî åñòü ñàìà ìèêðîñõåìà, íàïðèìåð, 561ËÀ7 è ðåçèñòîðû R1 è R2), êîòîðûå ñóùåñòâåííî óâåëè÷èâàþò ðàçìåð âñåãî óñòðîéñòâà. (Íàïðèìåð, ðàçìåð ÊÐ561ËÀ7 áîëåå ÷åì â 10 ðàç ïðåâûøàåò ðàçìåð êîðïóñà EFM8LB12QFN32 è åùå áîëüøå ðàçìåðà êîðïóñà EFM8LB12-QFN24). Èçáàâèòüñÿ îò àïïàðàòíûõ ñðåäñòâ ïîçâîëÿåò îäíî íîâøåñòâî, êîòîðîå â ïîñëåäíåå âðåìÿ ñòàëè ïðèìåíÿòü â ÌÊ, à èìåííî – âñòðîåííûå êîíôèãóðèðóåìûå ëîãè÷åñêèå ýëåìåíòû (óñòðîéñòâà) – Configurable Logic Unit, ñîêðàùåííî, CLU. Èíôîðìàöèÿ î CLU, ÷òî â ðóêîâîäñòâå ïîëüçîâàòåëÿ EFM8LB1 (EFM8LB1 Reference Manual [1]), ÷òî â ñòàòüå î ïðèìåíåíèè CLU [2] äîâîëüíî ñêóäíà. Òàì, íàïðèìåð, äàæå íå ïåðå÷èñëåíû âñå ëîãè÷åñêèå ôóíêöèè CLU, êàê èõ çàïèñûâàòü â ïðîãðàììå è ò.ï. Íèæå â êðàòêîì âèäå ýòîò ïðîáåë áóäåò âîñïîëíåí. Êðîìå òîãî, áóäåò îáúÿñíåíà èäåÿ, êàê ñ ïîìîùüþ CLU ñîçäàòü «ñõåìó» âíóòðè ÌÊ, ñîîòâåòñòâóþùóþ ñõåìå Ðèñóíîê 1. Èòàê, â ÌÊ EFM8LB1 èìåþòñÿ ÷åòûðå CLU: CLU0, CLU1, CLU2 è CLU3. Êàæäûé CLU èìååò 3 âõîäà: A, B è C è îäèí âûõîä. Âõîäû A è B – ñòàíäàðòíûå ëîãè÷åñêèå âõîäû (êàê, íàïðèìåð, äâà ñòàíäàðòíûõ âõîäà ó 561ËÀ7, Ðèñóíîê 1), à âõîä C – äîïîëíèòåëüíûé âõîä ïåðåíîñà (carry) ñ âûõîäà ïðåäûäóùåãî CLU. Íàïðèìåð, âõîä C CLU1 – ýòî âûõîä CLU0, âõîä C CLU0 – âûõîä CLU3 è ò.ï., ò.å. îíè êàê

61

áû ðàñïîëîæåíû ïî êðóãó. Ôóíêöèè êàæäîãî CLU – îñíîâíûå ôóíêöèè ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ: È (AND), ÈËÈ (OR), èñêëþ÷àþùåå ÈËÈ (XOR) è ÍÅ (NOT). Çàïèñûâàþòñÿ ôóíêöèè ñëåäóþùèìè çíà÷êàìè: «&» – È, «|» – ÈËÈ, «^» – èñêëþ÷àþùåå ÈËÈ, «~» – ÍÅ. Êðîìå òîãî, èñïîëüçóþòñÿ çíà÷êè ñêîáîê «(», «)» è ñèìâîëû «A», «B» è «C». Íàïðèìåð, ÷òîáû ïîëó÷èòü îäèí ëîãè÷åñêèé ýëåìåíò 2È-ÍÅ êàê, íàïðèìåð, â 561ËÀ7 (Ðèñóíîê 1), íåîáõîäèìî çàïèñàòü: «~(A & B)». Ïðè ýòîì ñîîòâåòñòâóþùèé CLU áóäåò âûïîëíÿòü ýòó ôóíêöèþ, à ïåðåíîñ C ó÷èòûâàòüñÿ íå áóäåò (ïîñêîëüêó C â âûðàæåíèå íå âõîäèò). Âõîäû êàæäîãî CLU ìîæíî ïîäêëþ÷èòü ëèáî ê âíåøíèì âûâîäàì (ïîðòàì) ÌÊ (èõ, ïðàâäà, îãðàíè÷åííîå êîëè÷åñòâî), ëèáî, íàïðèìåð, ê âûõîäó äðóãîãî CLU. Êðîìå òîãî, âûõîäû êàæäîãî CLU ìîæíî âûâåñòè íà âíåøíèå âûâîäû ÌÊ (ïîðòû), ïðè÷åì, äëÿ êàæäîãî âûõîäà CLU ñóùåñòâóåò îäèí åäèíñòâåííûé ïîðò, èçìåíèòü êîòîðûé íåëüçÿ. Íàïðèìåð, äëÿ âûõîäà CLU2 ïðåäóñìîòðåí ïîðò P2.2, à äëÿ âûõîäà CLU3 ïðåäóñìîòðåí ïîðò P2.5 (äëÿ EFM8LB12-QFN32). Òåïåðü, ïîñëå ýòèõ ïîÿñíåíèé íåòðóäíî ïîíÿòü èäåþ, êàê ñîçäàòü âíóòðè ÌÊ «ñõåìó», ñîîòâåòñòâóþùóþ ñõåìå Ðèñóíîê 1. Äëÿ ýòîãî âîçüìåì äâà ëþáûõ CLU, íàïðèìåð, CLU2 è CLU3. Âõîäû À êàæäîãî CLU è èõ âûõîäû âûâåäåì íà âíåøíèå ïîðòû ÌÊ, âõîä B CLU2 ïîäêëþ÷èì ê âûõîäó CLU3, à âõîä B CLU3 – ê âûõî-

Ñ2 1.0

X1 2 3

RSTLB1

RSTLB1 C2D

WF-03 +5

X2 2 1 WF-02

+5 +3.3

DA1 1

Ñ3

1 2 3 4 5 6 7 8

+3.3

1 C2D

RSTLB1

3 2

4.7 LP2950Z3.3

Ñ4 2.2

32 31 30 29 28 27 26 25

1K

LD1 Çåë.

R3 1K

SW1, SW2 – PSM2-1 R4 LD1

AGND/P0.1 P0.2 EXTCLK/P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P1.0

1K Ñ1 1.0

P0.0 VIO VDD RST/C2CK P3.7/C2D P3.4 P3.3 P3.2

GND

DD1 EFM8LB12F64

Êð.

1K

CLU2_A_IN/P1.1 P1.2 CLU3_A_IN/P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P2.0

P3.1 P3.0 P2.6 P2.5/CLU3_OUT P2.4 P2.3 P2.2/CLU2_OUT P2.1

R2

24 23 22 21 20 19 18 17

SW2

CLU2_A_IN +5 CLU3_A_IN

33

SW1

CLU2_A_IN

X3 1

CLU2_ASINC_OUT 2 CLU3_ASINC_OUT 3 4

9 10 11 12 13 14 15 16

R1 +3.3

äó CLU2. Åñëè â ïðîãðàììíûõ ñðåäñòâàõ äëÿ êàæäîãî CLU çàïèñàòü âûðàæåíèå ~(A&B), òî ïîëó÷èì RS-òðèããåð, êàê íà Ðèñóíêå 1. Íàçíà÷èì âõîäíûå ïîðòû ÌÊ (äëÿ âõîäîâ A CLU) êàê öèôðîâûå âõîäû (Digital ÎpenDrain I/O) ñî ñëàáîòî÷íûìè ïîäòÿæêàìè ê ïèòàíèþ (Weak Pullup), ÷òî áóäåò ñîîòâåòñòâîâàòü ðåçèñòîðàì R1 è R2, ïîäêëþ÷åííûì ê ïèòàíèþ, à âûõîäíûå ïîðòû (äëÿ âûõîäîâ CLU) – êàê öèôðîâûå âûõîäû (Digital Push-Pull Output). Åñëè òåïåðü ê îáîèì âõîäíûì ïîðòàì ïîäêëþ÷èòü êíîïêó, òî ïîëó÷èì àíòèäðåáåçãîâóþ «ñõåìó», ïîëíîñòüþ ñîîòâåòñòâóþùóþ Ðèñóíêó 1. Ïðè íàæàòèè íà êíîïêó íà âûõîäàõ CLU2 è CLU3 ïîÿâÿòñÿ âçàèìíî èíâåðñíûå ïåðåïàäû íàïðÿæåíèÿ, êàê íà âûõîäàõ Q è Q RSòðèããåðà. Ïðè÷åì, ýòè ïåðåïàäû íå áóäóò çàâèñåòü îò äðåáåçãà êîíòàêòîâ êíîïêè. Êàê âèäíî èç îáúÿñíåíèÿ âûøå, íè÷åãî ñëîæíîãî â îðãàíèçàöèè ïîäîáíîé «ñõåìû» âíóòðè ÌÊ íåò. Äàëüíåéøåå èçëîæåíèå áóäåò ïîñòðîåíî ñëåäóþùèì îáðàçîì. Âíà÷àëå áóäåò ïðèâåäåíà ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà òåñòîâîé ïëàòû íà áàçå ÌÊ EFM8LB12, çàòåì – å¸ âíåøíèé âèä. Äàëåå, â ïðîãðàììíûõ ñðåäñòâàõ, èñïîëüçóþùèõ ñðåäó Simplisity Studio, áóäåò ïîêàçàíî, êàê íåîáõîäèìî íàñòðîèòü âíóòðåííèå óñòðîéñòâà ÌÊ äëÿ ïîëó÷åíèÿ àíòèäðåáåçãîâîé «ñõåìû». Ïîñëå ýòîãî áóäóò ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàáîòû òåñòîâîé ïëàòû (îñöèëëîãðàììû âõîäíûõ è âûõîäíûõ ñèãíàëîâ).

CLU2_ASINC_OUT CLU3_ASINC_OUT

PSLM4

Ðèñóíîê 3. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà òåñòîâîé ïëàòû.

62

ÑÕÅÌÛ

X1 (JTAG/C2) NC GND GND TCK/C2DAT TMS TDO TDI/C2CK NC GND NC

2 4 6 8 10

1

1

GND 1

2 RST/C2CK 3

2

+5

C2D

ÁÏ +5 Â

1 3 5 RST/C2CK 7 9

X2

X1

X2

+5

HU-03

2

3 4

HU-02

ÐÑ4ÒÂ (Ð) SCM-10

(à)

(á)

Ðèñóíîê 4. Ñõåìà ïîäêëþ÷åíèÿ ê ïëàòå êàáåëåé: a – îò USB DEBUG ADAPTER'a, á – îò ÁÏ.

Ïðèíöèïèàëüíûå ñõåìû Êàê âèäíî èç ñõåìû Ðèñóíîê 3, îíà äîñòàòî÷íî ïðîñòà. Ê ëåâîé ÷àñòè êîðïóñà ÌÊ EFM8LB12 (DD1) ïîäêëþ÷åíû: ïèòàíèå +3.3  (âûâîäû 2 è 3) è ñèãíàëû äëÿ ïðîãðàììèðîâàíèÿ (çàãðóçêè ïðîãðàììû) ïî èíòåðôåéñó C2 – RSTLB1 (âûâîä 4) è C2D (âûâîä 5) ñ ïîìîùüþ USB DEBUG ADAPTER’a. Äëÿ ïèòàíèÿ ïëàòû èñïîëüçóåòñÿ ñòàáèëèçàòîð LP2950Z3.3 (DA1) ñ âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì 3.3 Â, âõîäíîå íàïðÿæåíèå (+5 Â) íà êîòîðûé ïîäàåòñÿ ñ äâóõêîíòàêòíîãî ðàçúåìà WF-02 (X2). Ñèãíàëû ïðîãðàììèðîâàíèÿ (C2D, RSTLB1) è «çåìëÿ» ïîäàþòñÿ íà ïëàòó ñ ðàçúåìà X1. Ê ýòîìó ðàçúåìó ïîäêëþ÷àåòñÿ êàáåëü (îòâåòíûì ðàçúåìîì X2, Ðèñóíîê 4à), âòîðîé êîíåö êîòîðîãî ïîäêëþ÷àåòñÿ ê âûõîäíîìó ðàçúåìó SCM-10 (X1, Ðèñóíîê 4à) USB DEBUG ADAPTER’a. Î ïðîãðàììèðîâàíèè ÌÊ EFM8LB12 ñ ïîìîùüþ USB DEBUG ADAPTER’a ïîäðîáíî íàïèñàíî â êíèãå àâòîðà [3]. RC-öåïî÷êà R1-R2-C1 èñïîëüçóåòñÿ êàê äëÿ ïðîãðàììèðîâàíèÿ ÌÊ ïî èíòåðôåéñó C2, òàê è äëÿ çàïóñêà ÌÊ ïðè âêëþ÷åíèè ïèòàíèÿ (Power On Reset – POR). Ñâåòîäèîä LD1 çåë¸íîãî ñâå÷åíèÿ ñî ñâîèì òîêîîãðàíè÷èòåëüíûì ðåçèñòîðîì R3 ñèãíàëèçèðóåò î íàëè÷èè ïèòàíèÿ íà ïëàòå. Ê ðàçúåìó X2 ïëàòû ïîäêëþ÷àåòñÿ êàáåëü ïèòàíèÿ îòâåòíûì ðàçúåìîì HU-02 (X2, Ðèñóíîê 4á), êîòîðûé ñâîèì âòîðûì êîíöîì ñîåäèíåí ñ ðàçúåìîì ÐÑ4Ò (Ð) (X1, Ðèñóíîê 4á), ïîäêëþ÷àåìûì ê ñòàáèëèçèðîâàííîìó ÁÏ ñ âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì +5 Â. Ê ïðàâîé ÷àñòè êîðïóñà ÌÊ DD1 ïîäêëþ÷åíû âõîäíûå ñèãíàëû A CLU2 è CLU3 (CLU2_A_IN è CLU3_A_IN, ñîîòâåòñòâåííî), ñîåäèíåííûå ñ ïåðâîé ãðóïïîé êîíòàêòîâ êíîïêè PSM2-1 (SW1), à âòîðàÿ ãðóïïà å¸ êîíòàêòîâ (SW2) ñîåäèíåíà ñ ïèòàíèåì +5  è

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

âñòðîåííûì â êíîïêó ñâåòîäèîäîì LD2 êðàñíîãî ñâå÷åíèÿ ñî ñâîèì òîêîîãðàíè÷èòåëüíûì ðåçèñòîðîì R4. Ê íèæíåé ÷àñòè DD1 ïîäêëþ÷åíû âûõîäíûå ñèãíàëû CLU2 è CLU3 (CLU2_ASINC_OUT è CLU3_ASINC_OUT, ñîîòâåòñòâåííî). Ñèãíàëû CLU2_A_IN, CLU2_ASINC_OUT, CLU3_ ASINC_OUT è «çåìëÿ» âûâåäåíû íà 4êîíòàêòíûé öàíãîâûé øòûðåâîé ðàçúåì PSLM4 (X3), ê êîòîðîìó îòâåòíûì ðàçúåìîì (SIP4) ïîäêëþ÷àåòñÿ 4-ïðîâîäíûé êàáåëü, ïðîâîäà êîòîðîãî ïîäêëþ÷àþòñÿ ê äâóõêàíàëüíîìó öèôðîâîìó îñöèëëîãðàôó äëÿ íàáëþäåíèÿ ñîîòâåòñòâóþùèõ ñèãíàëîâ. Âåðõíÿÿ ÷àñòü êîðïóñà ÌÊ îñòàâëåíà ñâîáîäíîé ïî äâóì ïðè÷èíàì. Âî-ïåðâûõ, äëÿ òîãî ÷òîáû áûëî âîçìîæíî ïîäêëþ÷åíèå ê ÌÊ âíåøíåãî ïðåöèçèîííîãî òàêòîâîãî ãåíåðàòîðà, äëÿ ÷åãî ïðåäóñìîòðåí åäèíñòâåííûé ïîðò P0.3 (âûâîä 30). Âî-âòîðûõ, äëÿ âîçìîæíîñòè ïîäêëþ÷åíèÿ ê ÌÊ ñèãíàëîâ UART-TX (P0.4) è UART-RX (P0.5), ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ àëüòåðíàòèâíîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ ÌÊ ïî èíòåðôåéñó RS-232 ñ COM-ïîðòà êîìïüþòåðà. Ýòè äâà ïîðòà òàêæå ÿâëÿþòñÿ åäèíñòâåííûìè äëÿ ñèãíàëîâ UART-TX è UARTRX, è èçìåíèòü èõ â ìàòðèöå ñîåäèíåíèé ÌÊ íåëüçÿ. Àëüòåðíàòèâíîå ïðîãðàììèðîâàíèå ÌÊ ñ COM-ïîðòà êîìïüþòåðà ìîæåò ïîòðåáîâàòüñÿ, åñëè ñêóïîñòü íå ïîçâîëÿåò ïðèîáðåñòè äîñòàòî÷íî äîðîãîé USB DEBUG ADAPTER (ñåé÷àñ åãî ìîæíî êóïèòü çà 3000 – 5000 ðóá.). Äëÿ ïðîãðàììèðîâàíèÿ æå ÌÊ ñ COM-ïîðòà êîìïüþòåðà äîñòàòî÷íî èçãîòîâèòü îäíîêàíàëüíûé ïðåîáðàçîâàòåëü óðîâíåé èíòåðôåéñà RS-232 â óðîâíè TTL (è îáðàòíî), íàïðèìåð, ñ ïîìîùüþ èçâåñòíîãî äâóõêàíàëüíîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ óðîâíåé MAX232, èëè èñïîëüçóåìîãî àâòîðîì îäíîêàíàëüíîãî ADM3101, î êîòîðîì ãîâîðèòñÿ â

63

1

31

2

AGND 32

4

3

5

6

7

9

8

10

29

28

30

27 33

GND 11 12

14 13

26

24

25

23

24 23

26 25

28 27

29

31

1

30

AGND 32

2

3

4

6

5

33

22

24

24

22

19

20

20

19

18

18

16

14

11

9

7

GND

GND 15

13

12

10

8

16 15

Âèä ñâåðõó

GND

Âèä ñî ñòîðîíû âûâîäîâ

Ðèñóíîê 5. Êîíòàêòû ïåðåõîäíèêà QFN32 – PGA32.

ñòàòüå àâòîðà [4].  ýòîé ñòàòüå ïðèâåäåíû àïïàðàòíûå ñðåäñòâà, ðàçðàáîòàííûå àâòîðîì, è ïðîãðàììíûå ñðåäñòâà, áåñïëàòíî ïîñòàâëÿåìûå êîìïàíèåé Silicon Laboratories äëÿ òàêîãî àëüòåðíàòèâíîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ ÌÊ EFM8LB12. Âîò â ñâÿçè ñ ýòèì äëÿ âõîäîâ è âûõîäîâ CLU è èñïîëüçóþòñÿ ïðàâàÿ è íèæíÿÿ ÷àñòü êîðïóñà ÌÊ EFM8LB12. Òåñòîâàÿ ïëàòà ñìîíòèðîâàíà íà «ìàêåòêå» (ñì. äàëåå), à äëÿ ÌÊ EFM8LB12 èñïîëüçîâàí ïåðåõîäíèê QFN32 – PGA32 (Ðèñóíîê 5), ðàçâîäêà êîòîðîãî ïðèâåäåíà â êíèãå àâòîðà [3].

Òåñòîâàÿ ïëàòà Òåñòîâàÿ ïëàòà (Ðèñóíîê 6) íå îòëè÷àåòñÿ îñîáîé ñëîæíîñòüþ. Ñëåâà ðàñïîëîæåíû ðàçúåìû ïèòàíèÿ è èíòåðôåéñà C2 äëÿ ïðîãðàììèðîâàíèÿ ÌÊ, ñëåâà ñâåðõó – ñòàáèëèçàòîð +3.3 Â, â ñåðåäèíå – ïåðåõîäíèê QFN32–PGA32 ñ ÌÊ EFM8LB12F64-QFN32, ñïðàâà – êíîïêà PSM2-1 ñ âñòðîåííûì ñâåòîäèîäîì, ñïðàâà ñíèçó – ðàçúåì äëÿ ïîäêëþ÷åíèÿ âõîäíûõ è âûõîäíûõ ñèãíàëîâ CLU ê îñöèëëîãðàôó. Êîììóòàöèÿ ïî ñõåìå Ðèñóíîê 3 ñäåëàíà àâòîðîì âðó÷íóþ ñ îáðàòíîé ñòîðîíû ïëàòû ïðîâîäîì ÌÃÒÔ-0,03 (ñå÷åíè2 åì 0.03 ìì ).

Ðèñóíîê 6. Òåñòîâàÿ ïëàòà.

64

Ïðîãðàììíûå ñðåäñòâà  êà÷åñòâå ïðîãðàììíûõ ñðåäñòâ àâòîð èñïîëüçîâàë ñðåäó ïðîãðàììèðîâàíèÿ Simplisity Studio, áåñïëàòíî ïîñòàâëÿåìóþ êîìïàíèåé Silicon Laboratories, â êîòîðîé ïðèâåäåí ïðèìåð ïðîãðàììèðîâàíèÿ ïðîñòåéøåé ôóíêöèè CLU A&B äëÿ ÌÊ EFM8LB12F64QFN32 (ïðîåêò EFM8LB1_Configurable_ Logic_AND). Ýòîò ïðîåêò áûë ìîäèôèöèðîâàí ïîä âûøåîïèñàííóþ çàäà÷ó.  îñíîâíîì âñ¸ ïðîãðàììèðîâàíèå ñâîäèòñÿ ê íàñòðîéêå óñòðîéñòâ ÌÊ. Äëÿ ýòîãî íåîáõîäèìî îòêðûòü ýòîò ïðîåêò è âûáðàòü îïöèþ EFM8LB1_Configurable_ Logic_AND.hvconf (â ñàìîì íèçó ïðîåêòà). Äàëåå âûáðàòü îïöèþ Default Mode Peripherals (âíèçó). Ïðè ýòîì îòêðîåòñÿ îêíî, ïîêàçàííîå íà Ðèñóíêå 7à.  ýòîì îêíå âíà÷àëå íåîáõîäèìî çàïðåòèòü âñå ïðåðûâàíèÿ (Interrupts), ðàçðåøèòü èñòî÷íèê ñáðîñà ïðè âêëþ÷åíèè ïèòàíèÿ (Reset Sources), àâòîìàòè÷åñêîå èçìåíåíèå ñòðàíèö ïàìÿòè (SFR Paging), óñòðîéñòâà ñ êîíôèãóðèðóåìîé ëîãèêîé (Configurable Logic), ìîíèòîð ïèòàíèÿ (Supply Monitor), âíóòðåííèé ðåãóëÿòîð íàïðÿæåíèÿ (Voltage Regulator) è çàïðåòèòü ñòîðîæåâîé òàéìåð (Watchdog Timer) – âñå, ÷òî îòìå÷åíî ãàëî÷êàìè íà Ðèñóíêå 7à. Ïðè íàæàòèè íà êíîïêó Configurable Logic (â êðàñíîì îâàëå, Ðèñóíîê 7à) â îêíå ñïðàâà áóäóò îòðàæåíû ñâîéñòâà âñåõ ÷åòûðåõ CLU. Âíà÷àëå íåîáõîäèìî çàïðåòèòü CLU0 è CLU1. Äàëåå âûáðàòü CLU2 (Ðèñóíîê 7á) è íàñòðîèòü åãî â ñîîòâåòñòâèè ñ îïöèÿìè â êðàñíûõ îâàëàõ. Ïîñëå ýòîãî âûáðàòü CLU3 (Ðèñóíîê 7â) è òàêæå íàñòðîèòü åãî â ñîîòâåòñòâèè ñ îïöèÿìè â êðàñíûõ îâàëàõ. Ïðè ïîäâåäåíèè êóðñîðà ê îïöèè Logical Expression â îïöèè Output Function íà ýêðàí âûâåäåòñÿ îêíî, â êîòîðîì áóäóò îòðàæåíû âñå ôóíêöèè CLU è ñïîñîá èõ íàïèñàíèÿ (Ðèñóíîê 7ã). Äàëåå ñëåäóåò ïåðåêëþ÷èòüñÿ íà îïöèþ Default Port I/O, ïîñëå ÷åãî îòêðîåòñÿ îêíî Ðèñóíîê 8, â êîòîðîì áóäåò ïîêàçàí êîðïóñ ÌÊ, è îòðàæåíû âñå 4 ñèãíàëà CLU (Ðèñóíîê 8à), à ñïðàâà (Ðèñóíîê 8á) – ñâîéñòâà âõîäíûõ ïîðòîâ. Ïðè íàæàòèè íà îïöèþ Port I/O â êðàñíîì îâàëå ñâåðõó â íèæíåì îêíå ïîÿâèòñÿ óñòàíîâêà ïîðòîâ.  êðàñíîì îâàëå áóäåò îòðàæåíî ñâîéñòâî Pull-ups enabled,

ÑÕÅÌÛ

(à)

(â)

(á)

(ã)

Ðèñóíîê 7. Íàñòðîéêè: a – óñòðîéñòâ ÌÊ, á – CLU2, â – CLU3; ôóíêöèè CLU – ã.

ðàçðåøàþùåå ïîäêëþ÷åíèå ê âõîäàì ïîðòîâ ñëàáîòî÷íûõ ïîäòÿæåê. Ïðè ïîäâåäåíèè êóðñîðà ê ñèãíàëó CLU2_A_IN è íàæàòèè íà ëåâóþ êíîïêó ìûøè ñïðàâà îòêðîåòñÿ îêíî ñâîéñòâ ýòîãî âõîäíîãî ñèãíàëà – öèôðîâîé âõîä (Digital OpenDrain I/O – â êðàñíîì îâàëå, Ðèñóíîê 9à). Ýòà îïöèÿ óñòàíîâëåíà ïî óìîë÷àíèþ. Àíàëîãè÷íàÿ îïöèÿ óñòàíîâëåíà è äëÿ ñèãíàëà CLU3_A_IN. À âîò äëÿ âûõîäíûõ ñèãíàëîâ CLU: CLU2_ASINC_OUT è CLU3_ASINC_OUT íåîáõîäèìî âûáðàòü îïöèþ öèôðîâîãî âûõî-

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

äà (Digital Push-Pull Output – â êðàñíîì îâàëå, Ðèñóíîê 9á). Êðîìå òîãî, íà ïîðòå P2.2 íåîáõîäèìî óñòàíîâèòü îïöèþ ïðîïóñêà Skipped, èíà÷å áóäåò îøèáêà (ýòîò ïîðò èñïîëüçóåòñÿ äëÿ àëüòåðíàòèâíîé ôóíêöèè ÌÊ, ïîýòîìó äîëæåí áûòü ïðîïóùåí). Íà ýòîì íàñòðîéêà çàêàí÷èâàåòñÿ. Äëÿ ñîõðàíåíèÿ íàñòðîåê íåîáõîäèìî íàæàòü â ëåâîì âåðõíåì óãëó ýêðàíà êíîïêó ñ îáîçíà÷åíèåì äâîéíîé äèñêåòû. Ïðè ýòîì àâòîìàòè÷åñêè ñîçäàñòñÿ êîä ïðîãðàììû èíèöèàëèçàöèè óñòðîéñòâà (InitDevice.c), â êîòîðîé âñå íàñòðîéêè áóäóò óæå îïèñàíû íà C51.

65

(à)

(á)

Ðèñóíîê 8. a – ïîäêëþ÷åíèå âõîäíûõ è âûõîäíûõ ñèãíàëîâ ê ïîðòàì ÌÊ á – ðàçðåøåíèå ñëàáîòî÷íûõ ïîäòÿæåê.

(à)

(á) Ðèñóíîê 9. Ñâîéñòâà ïîðòîâ äëÿ: a – âõîäíûõ ñèãíàëîâ, á – âûõîäíûõ ñèãíàëîâ.

66

ÑÕÅÌÛ

 îñíîâíîé æå ïðîãðàììå EFM8LB1_ Configurable_Logic_AND.c áóäåò òîëüêî îáðàùåíèå ê ïðîãðàììå InitDevice.c (enter_ DefaultMode_from_RESET();) è îïåðàòîð áåñêîíå÷íîãî îáðàùåíèÿ ê ñàìîìó ñåáå (while (1) {}). Òåêñò îñíîâíîé ïðîãðàììû ïðèâåäåí íèæå. //--------------------------------// Main Routine //--------------------------------void main (void) { enter_DefaultMode_from_RESET(); while (1) {} }

 ïðîãðàììå InitDevice.c ïîäïðîãðàììà enter_DefaultMode_from_RESET îáîçíà÷åíà êàê âíåøíÿÿ (extern) ïî îòíîøåíèþ ê îñíîâíîé ïðîãðàììå (main), êîòîðàÿ å¸ âûçûâàåò:

CLU; òåêñò ïðîãðàììû InitDevice.c ñãåíåðèðîâàí àâòîìàòè÷åñêè, à òåêñò îñíîâíîé ïðîãðàììû (main) ïî óìîë÷àíèþ ïðèñóòñòâóåò â ëþáîé ïðîãðàììå.

Ðåçóëüòàòû ðàáîòû óñòðîéñòâà Îñöèëëîãðàììû ñèãíàëîâ, ñíÿòûå äâóõêàíàëüíûì öèôðîâûì îñöèëëîãðàôîì (Ðèñóíêè 10 è 11), ïîêàçàëè, ÷òî ïåðåêëþ÷åíèå ñêîíôèãóðèðîâàííîãî ñ ïîìîùüþ CLU2 è CLU3 RS-òðèããåðà ïðîèñõîäèò ïî ïåðâîìó æå ïåðåïàäó ñèãíàëà ñ äðåáåçæàùåãî êîíòàêòà êíîïêè, à ïðè ïåðåêëþ÷åíèè êíîïêè îáðàòíî (ïðè åå îòïóñêàíèè) äðåáåçã ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóåò, îäíàêî òðèããåð ïåðåêëþ÷àåòñÿ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå ñ íåáîëüøîé çàäåðæêîé. Êàê îêàçàëîñü, «ïîéìàòü» äðåáåçã íå òàê-òî ïðîñòî. Äëÿ ýòîãî ïðèøëîñü èñïîëüçîâàòü îäíîêðàòíûé çàïóñê îñöèëëîãðàôà îò ôðîíòà âûõîäíîãî ñèãíàëà CLU2 (Ðèñóíîê 10à) è

extern void enter_DefaultMode_from_RESET (void) {

... Ïîñëå îêîí÷àíèÿ ãåíåðàöèè ïðîãðàììû InitDevice.c íåîáõîäèìî îòòðàíñëèðîâàòü âñþ ïðîãðàììó (ïðîåêò), âûáðàâ â îïöèè Project ïîäîïöèþ Build Project. Ïðè ýòîì ñãåíåðèðóåòñÿ ïðîãðàììà çàãðóçî÷íîãî ôîðìàòà EFM8LB1_Configurable_Logic_AND.hex, êîòîðóþ ñëåäóåò çàïðîãðàììèðîâàòü â ÌÊ. Òåêñòû ïðîãðàìì EFM8LB1_Configurable_ Logic_AND.c, InitDevice.c è îòòðàíñëèðîâàííàÿ ïðîãðàììà çàãðóçî÷íîãî ôîðìàòà EFM8LB1_Configurable_Logic_AND.hex ïðèâåäåíû â äîïîëíèòåëüíûõ ìàòåðèàëàõ ê ñòàòüå. Çäåñü ñëåäóåò äîáàâèòü ñëåäóþùåå. Âîïåðâûõ, îïåðàòîð while (1) {}, êîòîðûé âûïîëíÿåò ïðîöåññîð ÌÊ â îñíîâíîé ïðîãðàììå, ïîêàçûâàåò, ÷òî ñêîíôèãóðèðîâàííàÿ ñõåìà íà áàçå CLU2 è CLU3 ðàáîòàåò àâòîíîìíî è àáñîëþòíî íå òðåáóåò ó÷àñòèÿ ïðîöåññîðà (è äàæå òàêòîâîãî ãåíåðàòîðà). Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî âìåñòî îïåðàòîðà while (1) {} ìîæíî íàïèñàòü ëþáóþ ïðîãðàììó óæå ñ ó÷àñòèåì ïðîöåññîðà (íàïðèìåð, ðó÷íîé çàïóñê êàêîãî-ëèáî òàéìåðà, ÀÖÏ, ÖÀÏ è ò.ï.), êîòîðàÿ áóäåò âûïîëíÿòüñÿ ïàðàëëåëüíî ðàáîòå ñõåìû íà CLU. Âî-âòîðûõ, êàê ìîæíî óáåäèòüñÿ, àâòîðîì íå íàïèñàíî íè åäèíîé ñòðî÷êè êîäà íà C51 äëÿ ðàáîòû ñõåìû íà

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

(à)

(á) Ðèñóíîê 10. Îñöèëëîãðàììû ñèãíàëîâ: æåëòàÿ – CLU2_A_IN, áèðþçîâàÿ – CLU2_ ASYNC_OUT; à – ïðè íàæàòèè êíîïêè, á – ïðè îòïóñêàíèè.

67

(íàäïèñü «Time 200.0 us») è 1 ìñ/äåë. íà Ðèñóíêàõ 10á è 11á («Time 1.000ms»). Êàê âèäíî èç îñöèëëîãðàìì, äëèòåëüíîñòü äðåáåçãà êîíòàêòîâ ïðèìåíåííîé êíîïêè ñîñòàâëÿåò îêîëî 800 ìêñ, ò.å. íå ïðåâûøàåò 1 ìñ.

Çàêëþ÷åíèå

(à)

Ïðèìåíåíèå âñòðîåííûõ â ÌÊ êîíôèãóðèðóåìûõ ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåííî ýêîíîìèòü íà àïïàðàòíûõ ñðåäñòâàõ óñòðîéñòâ íà áàçå ÌÊ, ÷òî ñóùåñòâåííî ñíèæàåò ðàçìåð ïëàò ïîäîáíûõ óñòðîéñòâ è, êàê ñëåäñòâèå, èõ ñòîèìîñòü. Àâòîíîìíàÿ ðàáîòà CLU íå òðåáóåò íè ïðîãðàìì ñ ó÷àñòèåì ïðîöåññîðà ÌÊ (òî åñòü äîïîëíèòåëüíîé ïðîãðàììíîé ïàìÿòè è ðåñóðñîâ ïðîöåññîðà), íè äàæå òàêòîâîãî ãåíåðàòîðà; êðîìå òîãî, ïðèìåíåíèå CLU íå ñíèæàåò áûñòðîäåéñòâèÿ ïðîöåññîðà ÌÊ. ÐË

Ëèòåðàòóðà 1. EFM8 Laser Bee Family. EFM8LB1 Reference Manual – efm8lb1-rm.pdf. Silabs.com

(á)

2. AN921: Configurable Logic Unit – AN921_ CLU.pdf. Silabs.com

Ðèñóíîê 11. Îñöèëëîãðàììû ñèãíàëîâ: æåëòàÿ – CLU2_A_IN, áèðþçîâàÿ – CLU3_ ASYNC_OUT; à – ïðè íàæàòèè êíîïêè, á – ïðè îòïóñêàíèè.

3. Êóçüìèíîâ À.Þ. Ñâÿçü ìåæäó êîìïüþòåðîì è ìèêðîêîíòðîëëåðîì. Ñîâðåìåííûå àïïàðàòíûå è ïðîãðàììíûå ñðåäñòâà. – Ì. : Èçäàòåëüñòâî «Ïåðî», 2018

ñïàäà âûõîäíîãî ñèãíàëà CLU3 (Ðèñóíîê 11à). Âåðòèêàëüíîå ðàçðåøåíèå îñöèëëîãðàôà äëÿ êàæäîãî êàíàëà ñîñòàâëÿåò 1 Â/äåë. (íàäïèñè «CH1 = 1.00V» è «CH2 = = 1.00V»), ãîðèçîíòàëüíîå ðàçðåøåíèå íà Ðèñóíêàõ 10à è 11à ñîñòàâëÿåò 200 ìêñ/äåë.

4. Êóçüìèíîâ À. Ïðîãðàììèðîâàíèå ìèêðîêîíòðîëëåðîâ EFM8 ñ ïîìîùüþ âñòðîåííîãî çàãðóç÷èêà ïðîãðàìì. – Ðàäèî, 2018, ¹ 12

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Silicon Labs EFM8LB12 2. Datasheet Texas Instruments LP2950

Çàãðóçêè Äîïîëíèòåëüíûå ìàòåðèàëû ê ñòàòüå

68

ÑÕÅÌÛ

Øèðîêîäèàïàçîííûå ãåíåðàòîðû ëèíåéíî èçìåíÿþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ Ìèõàèë Øóñòîâ, ã. Òîìñê

Ïðèâåäåíî îïèñàíèå íåñêîëüêèõ ñõåì øèðîêîäèàïàçîííûõ ãåíåðàòîðîâ ëèíåéíî íàðàñòàþùåãî âî âðåìåíè íàïðÿæåíèÿ.

Ä

Äëÿ ïîñòðîåíèÿ ãåíåðàòîðîâ ëèíåéíî èçìåíÿþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ (ÃËÈÍ) îáû÷íî èñïîëüçóþò ãåíåðàòîð ñòàáèëüíîãî òîêà, çàðÿæàþùèé êîíäåíñàòîð, à òàêæå êëþ÷åâîå ïîðîãîâîå óñòðîéñòâî, ïåðèîäè÷åñêè ñáðàñûâàþùåå çàðÿä êîíäåíñàòîðà. ×àùå âñåãî òàêèå ãåíåðàòîðû ðàáîòàþò â îãðàíè÷åííîì äèàïàçîíå ÷àñòîò, ïîñêîëüêó ñëîæíî ñîãëàñîâàòü ìîìåíò äîñòèæåíèÿ òðåáóåìîãî íàïðÿæåíèÿ íà îáêëàäêàõ êîíäåíñàòîðà è ìîìåíò ðàçðÿäêè (ñáðîñà) ýòîãî íàïðÿæåíèÿ. Íà Ðèñóíêàõ 1–4 ïðèâåäåíû íåñêîëüêî ñõåì øèðîêîäèàïàçîííûõ ãåíåðàòîðîâ ëèíåéíî èçìåíÿþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ.

ÃËÈÍ, Ðèñóíîê 1, ñîäåðæèò ãåíåðàòîð ïðÿìîóãîëüíûõ èìïóëüñîâ íà ýëåìåíòàõ DD1.1 è DD1.2 ìèêðîñõåìû CD40106, òîêîâîå çåðêàëî íà òðàíçèñòîðàõ VT1 è VT2 BC557B, ìîäóëÿòîð çàðÿäíîãî òîêà íà òðàíçèñòîðå VT3 BC547C, íàêîïèòåëüíûé êîíäåíñàòîð C3, à òàêæå ñõåìó ñèíõðîíèçàöèè ñáðîñà çàðÿäà íà òðàíçèñòîðå VT4 BC547C. ×àñòîòó ãåíåðàöèè ïëàâíî ðåãóëèðóþò ïîòåíöèîìåòðîì R1.1 â ïðåäåëàõ îò 1 äî 7.6 êÃö. Ñ âûõîäîâ ýëåìåíòîâ DD1.1 è DD1.2 ìèêðîñõåìû CD40106 ïðîòèâîôàçíûå óïðàâëÿþùèå ñèãíàëû ïîñòóïàþò íà áàçó ìîäóëÿòîðà çàðÿäíîãî òîêà íà òðàíçèñòîðå VT3

DD1 7

R1.1

R2

100ê 1

VT1, VT2 BC557B C1 100í

15ê

1

2

+10 Â

14

3

C2 DD1.1 1í

1 DD1.2

4

R3 22ê R4 22ê

DD1 CD40106

Uâûõ

VT3, VT4 BC547C

1…7.6 êÃö

R5 VD1 1N5817 C4

7.5 Â

15ê R6 1ê

R1.2 100ê

C3 5.1í

100ï

Ðèñóíîê 1. ÃËÈÍ íà äèàïàçîí ÷àñòîò îò 1 äî 7.6 êÃö.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

69

DD1 7

R1.1

R2

1

C1 100í

1.6ê

10ê

2

1

+5 Â

VT1, VT2 BC557B

14

3

C2 DD1.1 1í

R3

4

1

51ê R4

DD1.2

51ê

DD1 SN7414

Uâûõ

VT3, VT4 BC547C

0.1…0.7 ÌÃö

R5 1.5 Â

1.6ê

VD1 1N5817

R6 150

C4

C3 1í

R1.2 10ê

100ï

Ðèñóíîê 2. ÃËÈÍ íà äèàïàçîí ÷àñòîò îò 100 äî 700 êÃö.

BC547C. Âåëè÷èíà çàðÿäíîãî òîêà ðåãóëèðóåòñÿ îäíîâðåìåííî ñ èçìåíåíèåì ÷àñòîòû ãåíåðàöèè ïîòåíöèîìåòðîì R1.2. Âûõîäíîé òîê òîêîâîãî çåðêàëà çàðÿæàåò êîíäåíñàòîð C3 ïî ëèíåéíîìó çàêîíó. Ñèãíàë ñ âûõîäà ýëåìåíòà DD1.1 ãåíåðàòîðà ïðÿìîóãîëüíûõ èìïóëüñîâ ÷åðåç äèôôåðåíöèðóþùóþ öåïî÷êó C4R6 ïîäàåòñÿ íà áàçó òðàíçèñòîðà VT4 BC547C, ïðåäíàçíà÷åííîãî äëÿ ñáðîñà çàðÿäà êîíäåíñàòîðà C3. Ñáðîñ çàðÿäà ïðîèñõîäèò â ìîìåíò ïîÿâëåíèÿ î÷åðåäíîãî èìïóëüñà ïðÿìîóãîëüíîãî íàïðÿæåíèÿ íà âûõîäå ýëåìåíòà DD1.1. Àìïëèòóäà âûõîäíîãî ñèãíàëà ïèëîîáðàçíîé ëèíåéíî íàðàñòàþùåé ôîðìû äîñòèãàåò 7.5  è îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé âî âñåì äèàïàçîíå ÷àñòîò.

ÃËÈÍ, Ðèñóíîê 2, âûïîëíåí íà ÒÒË ìèêðîñõåìå DD1 SN7414. Ýòîò ãåíåðàòîð âûïîëíåí ïî àíàëîãè÷íîé ñõåìå, íî ïèòàåòñÿ îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ íàïðÿæåíèåì 5 Â. Àìïëèòóäà âûõîäíîãî ñèãíàëà ðàâíà 1.5  â äèàïàçîíå ÷àñòîò ïåðåñòðîéêè ãåíåðàòîðà îò 100 äî 700 êÃö. Òðåòèé ãåíåðàòîð, Ðèñóíîê 3, òàêæå âûïîëíåí íà ìèêðîñõåìå DD1 SN7414. Îí ðàáîòàåò â äèàïàçîíå ÷àñòîò îò 10 äî 22.4 êÃö, àìïëèòóäà âûõîäíîãî ñèãíàëà 2.5 Â. ÃËÈÍ, Ðèñóíîê 4, âûïîëíåí ïî ïðèíöèïèàëüíî èíîé ñõåìå. Îí òàêæå ñîäåðæèò ðÿä ýëåìåíòîâ ïðåäûäóùèõ êîíñòðóêöèé: òîêîâîå çåðêàëî íà òðàíçèñòîðàõ VT1 è VT2 BC558B, ìîäóëÿòîð çàðÿäíîãî òîêà íà òðàíçèñòîðå VT3 BC547C, íàêîïèòåëüíûé êîí-

DD1 7

R1.1

R2

1

1

C2 DD1.1 1í

2

+5 Â

C1 100í

20ê

25ê

VT1, VT2 BC557B

14

3

1 DD1.2

4

R3 51ê R4 51ê

DD1 SN7404

Uâûõ

VT3, VT4 BC547C

10…22.4 êÃö

R5 VD1 1N5817 C4

2.5 Â

20ê R6 510

R1.2 25ê

C3 1.6í

100ï

Ðèñóíîê 3. ÃËÈÍ íà äèàïàçîí ÷àñòîò îò 10 äî 22.4 êÃö.

70

ÑÕÅÌÛ

+10 Â

VT1, VT2 BC558B 14

DD1

C1 100í

Uâûõ 20 Ãö…10 êÃö 7.0 Â

7

VT3 BC547C

DD1.1

R1 R2 10ê 100ê R3 430

1

R4 100ê

C2 1.2í

1

DD1.2 2

VT4 2N7000

3

1

4

DD1 CD40106

Ðèñóíîê 4. ÃËÈÍ íà äèàïàçîí ÷àñòîò îò 20 Ãö äî 10 êÃö.

äåíñàòîð C2 è ñõåìó ñèíõðîíèçàöèè ñáðîñà çàðÿäà íà òðàíçèñòîðå VT4 BC547C. Êðîìå òîãî, â ñîñòàâ ãåíåðàòîðà âõîäèò êëþ÷åâîå ïîðîãîâîå óñòðîéñòâî íà ýëåìåíòàõ DD1.1 è DD1.2 ìèêðîñõåìû CD40106 è òðàíçèñòîðå VT4 2N7000. Âåëè÷èíà çàðÿäíîãî òîêà íàêîïèòåëüíîãî êîíäåíñàòîðà C2 è, ñëåäîâàòåëüíî, ÷àñòîòà ãåíåðàöèè çàäàåòñÿ ðåãóëèðîâêîé ïîòåíöèîìåòðà R1. Ðåçèñòîð R3 îãðàíè÷èâàåò ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèå ÷àñòîòû ãåíåðàöèè. Òàêèì îáðàçîì, êîíäåíñàòîð C2 çàðÿæàåòñÿ ïî ëèíåéíî íàðàñòàþùåìó çàêîíó. Êîãäà íàïðÿæåíèå íà îáêëàäêàõ êîíäåíñàòîðà C2 ïðåâûñèò íàïðÿæåíèå ïåðåêëþ÷åíèÿ ëîãè÷åñêîãî ýëåìåíòà DD1.1, ïðîèçîéäåò ìãíîâåííîå ïåðåêëþ÷åíèå ñîñòîÿíèÿ ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ DD1.1 è DD1.2, òðàíçèñòîð VT4 îòêðîåòñÿ è ðàçðÿäèò êîíäåíñàòîð C2, ïîñëå ÷åãî

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

ïðîöåññ çàðÿäà/ðàçðÿäà ýòîãî êîíäåíñàòîðà áóäåò ïåðèîäè÷åñêè ïîâòîðÿòüñÿ. ×àñòîòà ïèëîîáðàçíûõ èìïóëüñîâ íà âûõîäå ãåíåðàòîðà ðåãóëèðóåòñÿ îò 20 Ãö äî 10 êÃö; ìàêñèìàëüíîå íàïðÿæåíèå íà âûõîäå ãåíåðàòîðà 7.0 Â. ×àñòîòó ãåíåðàöèè ÃËÈÍ, Ðèñóíîê 4, ìîæíî ðåãóëèðîâàòü òàêæå ïîòåíöèîìåòðîì, âêëþ÷åííûì â öåïü ýìèòòåðà òðàíçèñòîðà VT3. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Texas Instruments CD40106B 2. Datasheet Texas Instruments SN7404 3. Datasheet Texas Instruments SN7414 4. Datasheet Microchip 2N7000 5. Datasheet Fairchild BC547C 6. Datasheet Fairchild BC557B 7. Datasheet Fairchild BC558B

71

Âõîäíàÿ öåïü îñöèëëîãðàôà íà îñíîâå çâóêîâîé êàðòû Stephen Woodward EDN

ÏÏîÿâëåíèå íåäîðîãèõ ñòàíäàðòèçèðîâàííûõ 16- è 24-áèòíûõ àóäèîóñòðîéñòâ ââîäàâûâîäà äëÿ ïåðñîíàëüíûõ êîìïüþòåðîâ âäîõíîâèëî íà ñîçäàíèå ïðèëîæåíèé, èìèòèðóþùèõ îñöèëëîãðàôû. Ìíîãèå èç ýòèõ «Îñöèëëîãðàôîâ íà çâóêîâûõ êàðòàõ» âïîëíå ôóíêöèîíàëüíû, îáåñïå÷èâàÿ ìàñøòàáèðîâàíèå âõîäíîãî ñèãíàëà, óïðàâëåíèå ïàðàìåòðàìè çàïóñêà è âðåìåííîé ðàçâåðòêè, ÷àñòîòíûé àíàëèç, õðàíåíèå ôàéëîâ äàííûõ è ïîääåðæêó âñòðîåííûõ ãåíåðàòîðîâ ñèãíàëîâ. Íî äàæå ñàìûå ëó÷øèå ïðîãðàììíûå ñðåäñòâà íå ìîãóò ïðåîäîëåòü îñíîâíûå îãðàíè÷åíèÿ «æåëåçà», êîòîðîå, â êîíöå êîíöîâ, áûëî ñïåöèàëüíî îïòèìèçèðîâàíî äëÿ çàïèñè è

âîñïðîèçâåäåíèÿ çâóêà, áóäó÷è ïðè ýòîì ìàêñèìàëüíî äåøåâûì. Ê ÷èñëó òàêèõ îãðàíè÷åíèé îòíîñÿòñÿ: 1. Ñëèøêîì íèçêîå âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå, îáû÷íî íå ïðåâûøàþùåå 10–30 êÎì, ÷òî ìîæåò ïðèâåñòè ê ÷ðåçìåðíîé íàãðóçêå íà èñòî÷íèê ñèãíàëà.

2. Äèàïàçîí âõîäíûõ ñèãíàëîâ, îãðàíè÷åííûé óðîâíåì ïîðÿäêà 5  ïèê-ïèê, ñ âåðîÿòíîñòüþ ïîâðåæäåíèÿ (âîçìîæíî, äàæå ïîäêëþ÷åííîãî êîìïüþòåðà) â ñëó÷àå çíà÷èòåëüíîãî ïðåâûøåíèÿ, ýòîãî óðîâíÿ.

3. Îãðàíè÷åíèÿ ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ: ñâåðõó – çíà÷åíèåì ïðèìåðíî 20 êÃö, ñíèçó – 10 Ãö, 20 Ãö èëè äàæå 100 Ãö.

1M + 100µF 6V 2M

2M

576K

1× ÀÍÀËÎÃÎÂÛÉ ÂÕÎÄ

+ 100µF 6V

2M 3

1µF 10K

USB +5 Â ÊÎÍÒ. 1

1M

+

5

TLV9051 SOT-23 4

–

1 C1

2

100×

S1 10× 121K

ÂÕÎÄ ÊÎÄÅÊÀ

1µF

1M

R1 50K R2 1K + 100µF 6V

USB GND ÊÎÍÒ. 4

Ðèñóíîê 1. Âõîäíàÿ öåïü îñöèëëîãðàôà íà îñíîâå çâóêîâîé êàðòû.

72

ÑÕÅÌÛ

 îòâåò íà ýòî â ëèòåðàòóðå ïîÿâèëîñü ìíîæåñòâî îïèñàíèé àïïàðàòíûõ ñðåäñòâ. Ïðåäëîæåíû ñõåìû âõîäíûõ áóôåðîâ è óïðàâëÿåìûõ àòòåíþàòîðîâ, óëó÷øàþùèå âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå è ðàñøèðÿþùèå äèàïàçîí èçìåðÿåìûõ ñèãíàëîâ, à îðèãèíàëüíàÿ êîíñòðóêöèÿ, îñíîâàííàÿ íà ÓÂÕ AD583 [1], ïîäíÿëà âåðõíèé ïðåäåë ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ (äëÿ ïîâòîðÿþùèõñÿ ñèãíàëîâ) äî 50 ÌÃö! Îïèñàííàÿ çäåñü âõîäíàÿ öåïü äëÿ îñöèëëîãðàôà íà îñíîâå çâóêîâîé êàðòû íåìíîãî îòëè÷àåòñÿ îò äðóãèõ. Ñõåìà íà Ðèñóíêå 1 ñî÷åòàåò â ñåáå ìåãàîìíîå âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå ñî ñòóïåí÷àòûì àòòåíþàòîðîì x1x10-x100, íî, êðîìå òîãî, äîïîëíèòåëüíî ðàñøèðÿåò íèæíèé ïðåäåë ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ çâóêîâîé êàðòû áîëåå ÷åì â 10 ðàç. Äëÿ äâóõêàíàëüíûõ îñöèëëîãðàôîâ (ñòåðåî çâóêîâàÿ êàðòà) ñõåìà ïðîñòî äóáëèðóåòñÿ. Âõîäíàÿ öåïü íà÷èíàåòñÿ ñ àòòåíþàòîðà íà ðåçèñòîðíîé öåïî÷êå, êîììóòèðóåìîé ïåðåêëþ÷àòåëåì S1. Ñ ïîìîùüþ ïðîñòîãî òðåõïîçèöèîííîãî ïåðåêëþ÷àòåëÿ ÂÊËÂÛÊË-ÂÊË îíà îáåñïå÷èâàåò ìèíèìàëüíûé âõîäíîé èìïåäàíñ 1 ÌÎì è òðåõñòóïåí÷àòîå äåêàäíîå îñëàáëåíèå áåç èñïîëüçîâàíèÿ ðåçèñòîðîâ ñîïðîòèâëåíèåì âûøå 2 ÌÎì (òî÷êà, ñ êîòîðîé ïðåöèçèîííûå ðåçèñòîðû ñòàíîâèòüñÿ äîðîãèìè). Íåèíâåðòèðóþùèé áóôåðíûé óñèëèòåëü 9051 ñäâèãàåò óðîâåíü âõîäíîãî ñèãíàëà ê ñåðåäèíå íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ è îáåñïå÷èâàåò ðåãóëèðóåìóþ íèçêî÷àñòîòíóþ êîððåêöèþ öåïüþ îáðàòíîé ñâÿçè C1(R1+R2). (Äëÿ êîíêðåòíîé èñïîëüçóåìîé çâóêîâîé êàðòû òðåáóåòñÿ ëèøü îäíîêðàòíàÿ êàëèáðîâêà). Âîò êàê ýòî ðàáîòàåò. Ïðàêòè÷åñêè âñå êîäåêè çâóêîâûõ êàðò èìåþò âõîäû, ñâÿçàííûå ïî ïåðåìåííîìó òîêó, è äàæå, íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî íîìèíàëüíàÿ ÷àñòîòà ñðåçà, îïðåäåëÿåìàÿ ïîñòîÿííîé âðåìåíè âõîäíîé ðàçäåëèòåëüíîé RC öåïè êîäåêà ìîæåò ñîñòàâëÿòü âñåãî 10 Ãö (êàê â ñëó÷àå ñ êîäåêîì, èñïîëüçóåìûì äëÿ çàïèñè ñèãíàëà, îòîáðàæàåìîãî çåëåíîé êðèâîé íà Ðèñóíêå 2), âîçíèêàþùåå â ðåçóëüòàòå èñêàæåíèå (ñïàä âåðøèíû) òèïè÷íîãî ïðåäñòàâëÿþùåãî èíòåðåñ ñèãíàëà (íàïðèìåð, ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ïðÿìîóãîëüíûõ èìïóëüñîâ ÷àñòîòîé 20 Ãö, îáîçíà÷åííîé êðàñíûì öâåòîì íà Ðèñóíêå 2), ìîæåò áûòü ÷ðåçìåðíûì è íåïðèåìëåìûì.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

Ðåøåíèå ïðîáëåìû ñîñòîèò â ïîäáîðå òàêîãî çíà÷åíèÿ (R1 + R2), ÷òîáû ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè öåïè îáðàòíîé ñâÿçè ðàâíÿëàñü ïîñòîÿííîé âðåìåíè âõîäà êîäåêà è êîìïåíñèðîâàëà åå; â äàííîì ïðèìåðå ýòî 22 ìñ. Òèïè÷íîå óëó÷øåíèå ïðè òàêîé îäíîêðàòíîé êàëèáðîâêå âèäíî èç êðàñíîé êðèâîé íà Ðèñóíêå 2, ÷òî îáåñïå÷èâàåò êîëè÷åñòâåííî òî÷íîå âîñïðîèçâåäåíèå èñõîäíîé ôîðìû ñèãíàëà è âñåõ àíàëîãè÷íûõ âõîäíûõ ñèãíàëîâ. Êîìïåíñàöèÿ íå ñîâñåì èäåàëüíà, ïîñêîëüêó â êîíå÷íîì èòîãå 9051 âûéäåò çà ïðåäåëû çàïàñà ïî ôàçå, à òàêæå ïîòîìó, ÷òî ôèëüòðàöèÿ âåðõíèõ ÷àñòîò â êîäåêå èíîãäà âûïîëíÿåòñÿ áîëåå ñëîæíûìè öåïÿìè, ÷åì ïðîñòîé îäíîïîëþñíûé RC ôèëüòð. Òåì íå ìåíåå, êàê ïîêàçûâàåò Ðèñóíîê 2, óëó÷øåíèå ÿâëÿåòñÿ çíà÷èòåëüíûì è ïîëåçíûì.

Ðèñóíîê 2. Îòêëèê ñõåìû áåç íèçêî÷àñòîòíîé êîððåêöèè õàðàêòåðèñòèêè êîäåêà (çåëåíàÿ îñöèëëîãðàììà) ïî ñðàâíåíèþ ñî ñêîððåêòèðîâàííûì îòêëèêîì (êðàñíàÿ îñöèëëîãðàììà).

Êîíå÷íî, ïî ìåðå òîãî, êàê ìû äîáàâëÿåì áåñêîíå÷íûå óñîâåðøåíñòâîâàíèÿ ê òîìó, ÷òî íà÷èíàëîñü êàê îáùåäîñòóïíàÿ, ïðîñòàÿ, äåøåâàÿ è âåñåëàÿ çâóêîâàÿ êàðòà, â êîíå÷íîì èòîãå äîëæåí íàñòóïèòü ìîìåíò, êîãäà ïîçîëîòû íà ëèëèè ñòàíåò ÷ðåçìåðíî ìíîãî, è åå ýêîíîìè÷åñêàÿ ýôôåêòèâíîñòü áóäåò ïîòåðÿíà. Íàäåþñü, ïðåäëîæåííàÿ ñõåìà íå ïåðåñòóïèò ýòó ÷åðòó. ÐË

Ññûëêà 1. Doug Mercer. Ïðîñòàÿ ïðèñòàâêà ïðåâðàùàåò çâóêîâóþ êàðòó êîìïüþòåðà â âûñîêîñêîðîñòíîé ñòðîáîñêîïè÷åñêèé îñöèëëîãðàô

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Texas Instruments TLV9051

73

Ñõåìà ÀÐÓ ñ äèíàìè÷åñêèì äèàïàçîíîì 60 äÁ Julius Foit EDN

Ï

Ïðè îáðàáîòêå èíôîðìàöèè îò àíàëîãîâûõ äàò÷èêîâ ìû ÷àñòî ñòàëêèâàåìñÿ ñ áîëüøèìè ðàçëè÷èÿìè â çàòóõàíèè ñèãíàëîâ ìåæäó êàíàëàìè ñâÿçè èëè ìåæäó äàò÷èêàìè. Èëè æå èìåþò ìåñòî ñèòóàöèè, êîãäà íåñêîëüêî èäåíòè÷íûõ äàò÷èêîâ â êîíòðîëèðóåìîé ñèñòåìå âîçâðàùàþò ñèãíàëû ïðèìåðíî îäèíàêîâîãî ñïåêòðàëüíîãî ñîñòàâà è äèíàìè÷åñêîãî äèàïàçîíà, íî ñî çíà÷èòåëüíî ðàçëè÷àþùèìèñÿ ìàêñèìàëüíûìè àìïëèòóäàìè. Èíîãäà äèàïàçîí èçìåíåíèÿ çíà÷åíèé ñèãíàëîâ ìîæíî îöåíèòü çàðàíåå è óñòàíîâèòü ïîäõîäÿùèå êîýôôèöèåíòû óñèëåíèÿ öåïåé ïðåäâàðèòåëüíîé îáðàáîòêè. Îäíàêî ÷àùå âñåãî ñèãíàëû èìåþò íåïðåäñêàçóåìûå óðîâíè, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîòåðÿì äàííûõ, ñâÿçàííûì ñ íåïîâòîðÿþùèìèñÿ ñîáûòèÿìè.  òàêèõ ñëó÷àÿõ ïðåäîòâðàòèòü íàñûùåíèå èçìåðèòåëüíîãî êàíàëà è ïîòåðþ äàííûõ ìîæåò àäàïòèâíûé ïðåäóñèëèòåëü ñ àâòîìàòè÷åñêîé ðåãóëèðîâêîé óñèëåíèÿ (ÀÐÓ). Ïðåäâàðèòåëüíàÿ îáðàáîòêà ñõåìîé ÀÐÓ îñëàáëÿåò àáñîëþòíóþ àìïëèòóäó âîñïðèíèìàåìîãî ñèãíàëà, ñîõðàíÿÿ ïðè ýòîì ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîå ðàçðåøåíèå îòíîñèòåëüíûõ àìïëèòóä îòäåëüíûõ ñïåêòðàëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ.  ýòîé ñòàòüå ïðåäëàãàåòñÿ îòíîñèòåëüíî ïðîñòîé è ýôôåêòèâíûé ïîäõîä ê ðåàëèçàöèè ïîêàíàëüíîé ÀÐÓ.  ñõåìå èñïîëüçóåòñÿ ìåòîä ïðÿìîãî óïðàâëåíèÿ íèçêîóðîâíåâûì ñèãíàëîì ñ ïîìîùüþ çàêîðî÷åííîãî áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà. Íà Ðèñóíêå 1

74

óïðàâëÿåìûé äåëèòåëü íàïðÿæåíèÿ, ñîñòîÿùèé èç ïîñòîÿííîãî ñîïðîòèâëåíèÿ R1 è ðåãóëèðóåìîãî ñîïðîòèâëåíèÿ, óïðàâëÿåò àìïëèòóäîé ñèãíàëà ïåðåìåííîãî òîêà. Ïåðåìåííîå ñîïðîòèâëåíèå îáðàçîâàíî äèôôåðåíöèàëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà Q1 ñ çàêîðî÷åííûìè âûâîäàìè áàçû è êîëëåêòîðà. ×òîáû èçìåíÿòü ñîïðîòèâëåíèå Q1, â çàêîðî÷åííûé òðàíçèñòîð ïîäàåòñÿ ïîñòîÿííûé òîê îò ñòàáèëèçèðîâàííîãî èñòî÷íèêà, ñîñòîÿùåãî èç èñòî÷íèêà íàïðÿæåíèÿ VREG è ðåçèñòîðà R2 ñ áîëüøèì ñîïðîòèâëåíèåì. ×òîáû èñêëþ÷èòü âëèÿíèå R2 íà ïåðåäàòî÷íóþ õàðàêòåðèñòèêó ñõåìû ïî ïåðåìåííîìó òîêó, ñîïðîòèâëåíèå ðåçèñòîðà R2 äîëæíî çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàòü ñîïðîòèâëåíèå R1.

C1 R1

C2 I

VIN

R2

ÂÕÎÄ Q1

ÂÛÕÎÄ

VOUT

VREG

Ðèñóíîê 1. Îäèí èç ýëåìåíòîâ áàçîâîé ñõåìû àòòåíþàòîðà îáðàçîâàí çàêîðî÷åííûì áèïîëÿðíûì òðàíçèñòîðîì.

ÑÕÅÌÛ

800 750

10

700 100 650

RD (Îì)

ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ ÊÎËËÅÊÒÎÐ-ÝÌÈÒÒÅÐ (Â)

Ïðè âñåõ ðàçóìíûõ çíà÷åíèÿõ ïîëîæèòåëüíîãî òîêà I, êîòîðûé îáû÷íî ìåíüøå ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìîãî òîêà ýìèòòåðà òðàíçèñòîðà IE, íàïðÿæåíèå íàñûùåíèÿ êîëëåêòîð-ýìèòòåð òðàíçèñòîðà Q1 ìåíüøå åãî ïîðîãîâîãî íàïðÿæåíèÿ áàçà-ýìèòòåð, è òðàíçèñòîð ðàáîòàåò â àêòèâíîì ðåæèìå. Âîëüòàìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà çàêîðî÷åííîãî òðàíçèñòîðà ñèëüíî íàïîìèíàåò õàðàêòåðèñòèêó p-n ïåðåõîäà äèîäà è ñîîòâåòñòâóåò óðàâíåíèþ Øîêëè, çà èñêëþ÷åíèåì íåìíîãî áîëåå âûñîêèõ çíà÷åíèé ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ. Òî åñòü èçìåíåíèå íàïðÿæåíèÿ óñòðîéñòâà ïðîïîðöèîíàëüíî ëîãàðèôìó èçìåíåíèÿ âåëè÷èíû ïîñòîÿííîãî òîêà. Ñëåäîâàòåëüíî, äèôôåðåíöèàëüíîå ñîïðîòèâëåíèå çàêîðî÷åííîãî òðàíçèñòîðà â êàæäîé ðàáî÷åé òî÷êå åãî âîëüòàìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî ïðîòåêàþùåìó ïîñòîÿííîìó òîêó. Äðóãèìè ñëîâàìè, äèôôåðåíöèàëüíàÿ ïðîâîäèìîñòü óñòðîéñòâà ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà òîêó. Ïîñêîëüêó â àêòèâíîì ñîñòîÿíèè êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òîêà áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà â ñõåìå ñ îáùèì ýìèòòåðîì îáû÷íî ñîñòàâëÿåò 100 èëè áîëåå, äèôôåðåíöèàëüíîå ñîïðîòèâëåíèå òî÷íî ñîîòâåòñòâóåò ýòîìó ïðàâèëó â øèðîêîì äèàïàçîíå òîêîâ.

1k

600

10k

550 500

100k

450

500k –6

–5

–4

–3

–2

–1

log (À)

Ðèñóíîê 2. Âîëüòàìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïîêàçûâàåò ñîîòâåòñòâóþùóþ çàâèñèìîñòü äèôôåðåíöèàëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ îò òîêà äëÿ êîðîòêîçàìêíóòîãî òðàíçèñòîðà BC337-16. (Ñóôôèêñîì «-16» îáîçíà÷àåòñÿ ãðóïïà òðàíçèñòîðîâ ñ êîýôôèöèåíòîì ïåðåäà÷è òîêà îò 100 äî 250).

Òàêèì îáðàçîì, èçìåíåíèå íàïðÿæåíèÿ VREG â ñõåìå íà Ðèñóíêå 1 èçìåíÿåò òîê I è óïðàâëÿåò êîýôôèöèåíòîì äåëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ öåïè R1-Q1. Ðàçäåëèòåëüíûå êîíäåíñàòîðû C1 è C2 îòäåëÿþò àòòåíþàòîð ñõåìû +

+

R4 27k

C2 100 µF

C3 2200 µF

C10 1000 µF

R8 15k

R6 270k

+

Q1 BC546C

Q4 BC337 Q2 BC337

R7 390k

C9 1000 µF

R9 560

R3 2.2k

R11 27k R10 15k

+

C5 220 µF

9V –

C4 0.22 µF

+ R1 220

+ VIN

+

R18 330 Q3 BC15 9

R2 1M

C1 3.3 µF

R5 2.2k

R14 1k

C8 10 µF +

R12 100

R13 390

VOUT +

C7 3.3 µF

R19 3.3k D1 KA262

R15 1.5k

Q5 BC337 + Q6 BC337

C6 100 µF

R17 1.8M

D2 KA262

R16 56k

Ðèñóíîê 3. Ýòó ñõåìó ÀÐÓ ìîæíî ñîáðàòü ïîëíîñòüþ èç äèñêðåòíûõ êîìïîíåíòîâ.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

75

îò èñòî÷íèêà âõîäíîãî ñèãíàëà è âûõîäíîé íàãðóçêè. Ðèñóíîê 2 èëëþñòðèðóåò òèïè÷íóþ âîëüòàìïåðíóþ õàðàêòåðèñòèêó êîðîòêîçàìêíóòîãî ìàëîñèãíàëüíîãî áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà, ïîêàçûâàþùóþ, ÷òî äèôôåðåíöèàëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì ìîæíî óïðàâëÿòü â äèàïàçîíå íå ìåíåå ïÿòè äåêàä, òî åñòü áîëåå 100 äÁ.  ïðàêòè÷åñêèõ ñõåìàõ äèàïàçîí ðåãóëèðîâàíèÿ îãðàíè÷åí êîíå÷íûìè çíà÷åíèÿìè ñîïðîòèâëåíèé R1 è R2. Äëÿ ïðàâèëüíîé ðàáîòû ñõåìû è ïîääåðæàíèÿ ñóììàðíîãî êîýôôèöèåíòà íåëèíåéíûõ èñêàæåíèé (total harmonic distortion, THD) íà óðîâíå íèæå 5% àìïëèòóäà âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ VOUT äîëæíà ñîñòàâëÿòü âñåãî íåñêîëüêî ìèëëèâîëüò. Äàæå ñ ó÷åòîì ýòèõ îãðàíè÷åíèé ïðåäëîæåííàÿ ñõåìà àòòåíþàòîðà, ïî-âèäèìîìó, ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç ëó÷øèõ è ïðîñòåéøèõ ñõåì ÀÐÓ. Ïîëíàÿ ñõåìà óñòðîéñòâà ïîêàçàíà íà Ðèñóíêå 3. Âõîäíîé ñèãíàë VIN óïðàâëÿåò áóôåðíûì êàñêàäîì íà òðàíçèñòîðå Q1, íåøóíòèðîâàííûé ýìèòòåðíûé ðåçèñòîð R3 êîòîðîãî ñëóæèò ÷åòûðåì öåëÿì. Âî-ïåðâûõ, îí óâåëè÷èâàåò äèôôåðåíöèàëüíîå âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå RD1 òðàíçèñòîðà Q1 äî ïðèáëèçèòåëüíîãî çíà÷åíèÿ, îïðåäåëÿåìîãî èç ôîðìóëû (1):

RD1 »

h11E + h21ER 3 . h11Eh22E

(1)

Óâåëè÷åíèå äèôôåðåíöèàëüíîãî âûõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ñõåìû íàñòîëüêî âåëèêî, ÷òî åãî çíà÷åíèå ïî÷òè èñêëþ÷èòåëüíî îïðåäåëÿåòñÿ ñîïðîòèâëåíèåì ðåçèñòîðà R4, ðàâíûì 27 êÎì. Âî-âòîðûõ, ïðè íåøóíòèðîâàííîì ðåçèñòîðå R3 êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïî íàïðÿæåíèþ êàñêàäà íà òðàíçèñòîðå Q1 óâåëè÷èâàåòñÿ äî

A IC1 = (h22E R3 -h21E )

R4 DhE + R3 + R 4

+ [ h21E +1 -h12E +(R3 + R 4 )] R3 + h11E Ýòî ôîðìóëà óïðîùàåòñÿ äî

A IC1 » -

76

R4 .

R3

R »- 4.

R3

(2)

Îáðàòèòå âíèìàíèå, ÷òî DhE îáîçíà÷àåò îïðåäåëèòåëü

h11E × h22E - h12E × h21E , âêëþ÷åííûé â ýòó ñòàòüþ äëÿ òåîðåòè÷åñêîé òî÷íîñòè. Îäíàêî ñîâðåìåííûå êðåìíèåâûå òðàíçèñòîðû ïîçâîëÿþò ïðåíåáðå÷ü ÷èñëîâûì çíà÷åíèåì DhE áåç ñóùåñòâåííîãî âëèÿíèÿ íà òî÷íîñòü ðàñ÷åòà. Â-òðåòüèõ, êàê âèäíî èç ôîðìóëû (2), îòñóòñòâèå øóíòèðîâàíèÿ ðåçèñòîðà R3 ïîìîãàåò ëèíåàðèçîâàòü çàâèñèìîñòü êîëëåêòîðíîãî òîêà Q1 îò óïðàâëÿþùåãî íàïðÿæåíèÿ. Â-÷åòâåðòûõ, äèôôåðåíöèàëüíîå âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå áàçû Q1 ïîâûøàåòñÿ äî

R dBASE = h11E + h21E × R 3 , ÷òî çàìåòíî áîëüøå è â ìåíüøåé ñòåïåíè çàâèñèò îò ìãíîâåííîãî ïîëîæåíèÿ ðàáî÷åé òî÷êè, ÷åì òîëüêî h11E. ( ýòîé ôîðìóëå RdBASE – äèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå áàçû òðàíçèñòîðà).  ñõåìå íà Ðèñóíêå 3 ðåçèñòîð R4 ñîîòâåòñòâóåò âåðõíåìó (ïîñòîÿííîìó) ðåçèñòîðó R1 íà Ðèñóíêå 1, à òðàíçèñòîð Q6 – ýòî ýëåìåíò àòòåíþàòîðà ñ ðåãóëèðóåìûì ñîïðîòèâëåíèåì. Òðàíçèñòîð Q5 ïèòàåò ñòàáèëüíûì òîêîì êîëëåêòîð Q6, à âêëþ÷åíèå åãî â êîíôèãóðàöèè ñ îáùèì ýìèòòåðîì ïîçâîëÿåò ðàáîòàòü ñ íåáîëüøèì òîêîì áàçû. Òàêîé ïîäõîä äàåò âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàòü ðåçèñòîð R17, îïðåäåëÿþùèé âðåìÿ îòïóñêàíèÿ ÀÐÓ, ñ áîëüøèì ñîïðîòèâëåíèåì, ÷òî îáåñïå÷èâàåò äëèòåëüíîå âðåìÿ îòïóñêàíèÿ ÀÐÓ. Ðåçèñòîð R19 îãðàíè÷èâàåò ìàêñèìàëüíûé óïðàâëÿþùèé ïîñòîÿííûé òîê, èäóùèé ÷åðåç òðàíçèñòîðû Q5 è Q6. Áëàãîäàðÿ áîëüøîé åìêîñòè êîíäåíñàòîðà C3 åãî ðåàêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå äàæå äëÿ ñàìûõ íèçêî÷àñòîòíûõ ñîñòàâëÿþùèõ ñïåêòðà ñèãíàëà íåçíà÷èòåëüíî ïî ñðàâíåíèþ ñ ìèíèìàëüíûì äèôôåðåíöèàëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì òðàíçèñòîðà Q6, òî åñòü ñîïðîòèâëåíèåì ïðè ìàêñèìàëüíîé àìïëèòóäå ñèãíàëà è ïîëíîì óïðàâëåíèè. Âûïðÿìèòåëü ñ óäâîåíèåì íàïðÿæåíèÿ, ñîäåðæàùèé äèîäû D1 è D2, èçâëåêàåò ÷àñòü ñèãíàëà èç âûõîäíîãî êàñêàäà íà òðàíçèñòîðå Q4 è âûðàáàòûâàåò óïðàâëÿþùåå íàïðÿæåíèå äëÿ áàçû Q5. Òàêîå ðåøåíèå ïîçâîëÿåò äåòåêòèðîâàòü áîëüøèå ïèêîâûå àìïëèòóäû íåñèììåòðè÷íûõ ñèãíàëîâ. Ðåçèñòîð R15 îïðåäåëÿåò âðåìÿ «ñðàáàòûâàíèÿ» ÀÐÓ. Ñëèøêîì ìàëåíüêèå çíà÷åíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ R15 â ñî÷åòàíèè ñ åìêîñòüþ C6

ÑÕÅÌÛ

ìîãóò ïðèâåñòè ê íåóñòîé÷èâîñòè ñõåìû, îáðàçîâàâ ïîëþñ ïåðåäàòî÷íîé ôóíêöèè â öåïè îáðàòíîé ñâÿçè. Ðåçèñòîð R17 îïðåäåëÿåò âðåìÿ îòïóñêàíèÿ ÀÐÓ. ×òîáû îáåñïå÷èòü õîðîøèé îòêëèê íà âûñîêî÷àñòîòíûå ñîñòàâëÿþùèå ñèãíàëà, â êà÷åñòâå D1 è D2 ñëåäóåò èñïîëüçîâàòü äèîäû Øîòòêè èëè áûñòðîäåéñòâóþùèå êðåìíèåâûå äèîäû ñ p-n ïåðåõîäîì. Îñíîâíîå óñèëåíèå ñõåìû ïî íàïðÿæåíèþ îáåñïå÷èâàåò êîìïëåìåíòàðíûé êàñêàä ñî ñâÿçüþ ïî ïîñòîÿííîìó òîêó íà òðàíçèñòîðàõ Q2 è Q3. Ðåçèñòîð R14 ñîïðîòèâëåíèåì 1 êÎì èçîëèðóåò âûõîäíîé ýìèòòåðíûé ïîâòîðèòåëü Q4 îò êëåììû âûõîäíîãî ñèãíàëà. Ïðè íåîáõîäèìîñòè ìîæíî èñïîëüçîâàòü ðåçèñòîð R14 ìåíüøåãî ñîïðîòèâëåíèÿ, íî åñëè ñîïðîòèâëåíèå ñëèøêîì ìàëî, ñîåäèíèòåëüíûé êàáåëü ñ áîëüøîé åìêîñòüþ ìîæåò ñïðîâîöèðîâàòü ïàðàçèòíóþ ãåíåðàöèþ êàñêàäà íà òðàíçèñòîðå Q4. Íà Ðèñóíêå 4 ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îò àìïëèòóäû âõîäíîãî ñèíóñîèäàëüíîãî ñèãíàëà. Äèàïàçîí âõîäíûõ íàïðÿæåíèé, â êîòîðîì ñîõðàíÿåòñÿ ýôôåêòèâíîñòü ðàáîòû ÀÐÓ, ñîñòàâëÿåò îò 100 ìê äî 100 ìÂ, òî åñòü, 60 äÁ.  ýòîì âõîäíîì äèàïàçîíå âûõîäíîå íàïðÿæåíèå èçìåíÿåòñÿ ìåíåå ÷åì íà 2 äÁ, äîñòèãàÿ íîìèíàëüíîãî çíà÷åíèÿ 775 ì ñ.ê.ç. ïðè óðîâíå âõîäíîãî ñèãíàëà –20 äÁ (100 ìê ñ.ê.ç.). Âõîäíàÿ òî÷êà 0 äÁ óñòàíîâëåíà ïðîèçâîëüíî ïðè

âõîäíîì ñèãíàëå 1 ì ñ.ê.ç., ÷òî ñîîòâåòñòâóåò âûõîäíîìó ñèãíàëó 803 ì ñ.ê.ç. Âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ ÀÐÓ äëÿ ñèíóñîèäàëüíîãî âõîäíîãî ñèãíàëà, ñêà÷êîîáðàçíî íàðàñòàþùåãî îò 0 äî 100 ì ñ.ê.ç., ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 0.3 ñ, à âðåìÿ îòïóñêàíèÿ ïðè èçìåíåíèè îò 100 ì ñ.ê.ç. äî óðîâíÿ –20 äÁ (100 ìê ñ.ê.ç.) ðàâíî ïðèáëèçèòåëüíî 100 ñ. Íà Ðèñóíêå 4 òàêæå ïðåäñòàâëåí ãðàôèê çàâèñèìîñòè THD îò âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Èñêàæåíèÿ îñòàþòñÿ çíà÷èòåëüíî íèæå ïîðîãà 5% âî âñåì äèàïàçîíå âõîäíûõ íàïðÿæåíèé. ×òîáû èçìåðèòü ôëóêòóàöèîííûé âõîäíîé øóì àòòåíþàòîðà, íóæíî íàãðóçèòü âõîä íîìèíàëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì èñòî÷íèêà 1 êÎì. Ïðè íèçêèõ âõîäíûõ íàïðÿæåíèÿõ øóì âõîäíîãî êàñêàäà íà òðàíçèñòîðå Q1 îãðàíè÷èâàåò ïîëåçíûé äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí îáðàáàòûâàåìîãî ñèãíàëà. Ñðåäíåêâàäðàòè÷íûé óðîâåíü øóìà äëÿ âõîäíûõ ñèãíàëîâ, íå ïðåâûøàþùèõ ïîðîãà ÀÐÓ, ñîñòàâëÿåò îêîëî –38 äÁ îòíîñèòåëüíî íîìèíàëüíîãî âûõîäíîãî óðîâíÿ. Êîãäà ÀÐÓ ñòàíîâèòñÿ àêòèâíîé, îòíîøåíèå ñèãíàë/øóì óâåëè÷èâàåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî óìåíüøåíèþ ÀÐÓ. Íàïðèìåð, ïðè âõîäíîì ñèãíàëå 0 äÁ (1 ì ñ.ê.ç.) îòíîøåíèå ñèãíàë/øóì âîçðàñòàåò ïðèìåðíî äî 60:1.

–60

–40

–20

0

Ðèñóíîê 5. Ñîáðàííûé óñèëèòåëü ÀÐÓ ðàçìåùàåòñÿ íà îäíîñòîðîííåé ïå÷àòíîé ïëàòå.

0 20

40

60

1.8 äÁ –10 60 äÁ –20 VIN = 1 ì ñ.ê.ç.

VOUT = 850 ì ñ.ê.ç.

–30

5 4 3 2 1 0

ÓÐÎÂÅÍÜ ØÓÌÀ –40 –40

–20

0

20

THD (%)

ÂÛÕÎÄÍÎÅ ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ (äÁ)

10

40

ÂÕÎÄÍÎÅ ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ (äÁ)

Ðèñóíîê 4. Êàê âèäíî èç ãðàôèêà àìïëèòóäíîé õàðàêòåðèñòèêè, äèàïàçîí óïðàâëåíèÿ ñîñòàâëÿåò 60 äÁ (âåðõíÿÿ êðèâàÿ), à îáùèå ãàðìîíè÷åñêèå èñêàæåíèÿ çíà÷èòåëüíî íèæå 5% âî âñåì äèàïàçîíå ðåãóëèðîâàíèÿ (íèæíÿÿ êðèâàÿ).

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

Åñëè ñîáðàòü ñõåìó, èñïîëüçóÿ ïàññèâíûå êîìïîíåíòû ñ íîìèíàëàìè, ïîêàçàííûìè íà Ðèñóíêå 3, ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ óñèëèòåëÿ ïî óðîâíþ –3 äÁ áóäåò îõâàòûâàòü äèàïàçîí îò 45 Ãö äî 35 êÃö. Ïðè íàïðÿæåíèè èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ 9  è îòñóòñòâèè âõîäíîãî ñèãíàëà ñõåìà ïîòðåáëÿåò ïðèìåðíî 12 ìÀ. Íà Ðèñóíêå 5 ïîêàçàíà ôîòîãðàôèÿ ñîáðàííîé ïå÷àòíîé ïëàòû. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Unitra Cemi BC159 2. Datasheet onsemi BC337 3. Datasheet onsemi BC546 4. Datasheet Tesla KA262

77

Çàùèòà òîêîèçìåðèòåëüíîãî óñèëèòåëÿ îò áðîñêîâ íàïðÿæåíèÿ Arpit Mehta, Prashanth Holenarsipur Electronic Design

Í

Íåêîòîðûì òîêîèçìåðèòåëüíûì óñèëèòåëÿì ïðèõîäèòñÿ ïðîòèâîñòîÿòü ÷àñòûì ïåðåíàïðÿæåíèÿì. Íàïðèìåð, òîêîèçìåðèòåëüíûé óñèëèòåëü, êîíòðîëèðóþùèé òîêè ðàçðÿäà àêêóìóëÿòîðíîé áàòàðåè àâòîìîáèëÿ, äîëæåí âûäåðæèâàòü âûñîêîâîëüòíûå èìïóëüñû «ñáðîñà íàãðóçêè», âîçíèêàþùèå ïðè îòêëþ÷åíèè íàãðóçêè îò àêêóìóëÿòîðà. Ýòî âûçûâàåò èíäóêòèâíûå âûáðîñû è ïåðåíàïðÿæåíèÿ íà âûõîäå ãåíåðàòîðà. Åñëè ýòè èìïóëüñû ïðåâûøàþò äîïóñòèìîå ñèíôàçíîå íàïðÿæåíèå óñèëèòåëÿ, óñèëèòåëü òðåáóåò âíåøíåé ñõåìû çàùèòû. Äëÿ òàêîé ñõåìû íóæíà òîëüêî ïàðà ñòàáèëèòðîíîâ, ïàðà ðåçèñòîðîâ è åùå îäèí äèîä (Ðèñóíîê 1). Äèàïàçîí ñèíôàçíûõ íàïðÿæåíèé âçÿòîãî äëÿ ïðèìåðà óñèëèòåëÿ MAX4372

ñîñòàâëÿåò îò 0 äî 28 Â. Ýòîãî áîëåå ÷åì äîñòàòî÷íî äëÿ èçìåðåíèÿ íàïðÿæåíèÿ àâòîìîáèëüíîãî àêêóìóëÿòîðà, êîòîðîå ìåíÿåòñÿ îò 6  äî 18 Â. Îäíàêî ïðè ñáðîñå íàãðóçêè íàïðÿæåíèÿ ìîãóò äîñòèãàòü 35  è ñîõðàíÿòüñÿ â òå÷åíèå 0.5 ñ, ÷òî çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàåò àáñîëþòíûé ìàêñèìóì â 30 Â, óñòàíîâëåííûé äëÿ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ óñèëèòåëÿ. Òàêèì îáðàçîì, óñèëèòåëü íóæäàåòñÿ âî âíåøíåé çàùèòå. Èçáåæàòü äîïîëíèòåëüíûõ ïîãðåøíîñòåé îò ñìåùåíèÿ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ìîæíî, âûáèðàÿ ðàçëè÷íûå íîìèíàëû âõîäíûõ çàùèòíûõ ðåçèñòîðîâ R1 è R2 (2 êÎì è 1 êÎì, ñîîòâåòñòâåííî), êîìïåíñèðóÿ, òåì ñàìûì, âëèÿíèå íåðàâíûõ òîêîâ ñìåùåíèÿ óñèëèòåëÿ. Ïîäðîáíåå î âûáîðå íîìèíàëîâ ýòèõ

RSENSE VBATT

R1 2k

+

VSENSE

–

RS+

RS –

–

VCC

–

+

+ –

D1

MAX4372

100k

100k VD

Íàãðóçêà

Z2

VZ2

VZ1 Z1

R2 1k

A1 Q1

Òîêîâîå çåðêàëî

A2

OUT

+

Âûõîä VOUT

GND

Ðèñóíîê 1. Íåñêîëüêî êîìïîíåíòîâ, äîáàâëåííûõ ê òîêîèçìåðèòåëüíîìó óñèëèòåëþ, ìîãóò çàùèòèòü ñõåìó îò ñèíôàçíûõ íàïðÿæåíèé âûøå 30 Â.

78

ÑÕÅÌÛ

ðåçèñòîðîâ ìîæíî ïðî÷èòàòü â [1]. Ñòàáèëèòðîíû Z1 è Z2 èìåþò ïðîáèâíîå íàïðÿæåíèå 24  è ñïîñîáíû ðàññåèâàòü ìîùíîñòü, äîñòàòî÷íóþ, ÷òîáû âûäåðæèâàòü âòåêàþùèå òîêè ïðèìåðíî 11 ìÀ, êîòîðûå ïðîõîäÿò ÷åðåç íèõ â óñëîâèÿõ 35-âîëüòîâîãî ïèêà ïðè ñáðîñå íàãðóçêè. (Íàïðÿæåíèå íà ïîñëåäîâàòåëüíîì 1-êèëîîìíîì ðåçèñòîðå R2 ðàâíî íàïðÿæåíèþ ñáðîñà íàãðóçêè 35  çà âû÷åòîì íàïðÿæåíèÿ îãðàíè÷åíèÿ 24 Â).

Ñèíô. íàïð. (VCM)

VRS+ ÎÃÐÀÍÈ×ÈÂÀÅÒÑß ÄÎ (24  + VD)

VRS– ÎÃÐÀÍÈ×ÈÂÀÅÒÑß ÄÎ 24 Â

ÏÐÈ VCM > 24 Â VOUT ÍÀÑÛÙÀÅÒÑß ÄÎ VCC

VOUT = 1 Â ÏÐÈ VCM < 24 Â

Ñèíô. íàïð. (VCM)

VRS+

Ðèñóíîê 3. Ñ äèîäîì D1, âêëþ÷åííûì ïîñëåäîâàòåëüíî ñî ñòàáèëèòðîíîì Z1, âûõîä óñèëèòåëÿ ñìåùàåòñÿ ê íàïðÿæåíèþ îòðèöàòåëüíîé øèíû ïèòàíèÿ.

VRS–

ÎÁÀ ÎÃÐÀÍÈ×ÅÍÛ ÄÎ 24 Â

VOUT = 1 Â ÏÐÈ VCM < 24 Â

Ðèñóíîê 2. Áåç äèîäà D1 íà âûõîäå óñèëèòåëÿ âîçíèêàþò âûáðîñû, îáóñëîâëåííûå èçìåíåíèÿìè èçìåðÿåìîãî äèôôåðåíöèàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ.

Íà Ðèñóíêå 2 ïîêàçàíà îñöèëëîãðàììà âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ óñèëèòåëÿ ïðè íàëè÷èè 35-âîëüòîâûõ èìïóëüñîâ ñáðîñà íàãðóçêè áåç äèîäà D1. Ïðè íîðìàëüíîì íàïðÿæåíèè àêêóìóëÿòîðíîé áàòàðåè âûõîäíîå íàïðÿæåíèå VOUT = 1  ñîîòâåòñòâóåò îæèäàåìîìó (âõîäíîå íàïðÿæåíèå VSENSE = 50 ì è êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ðàâåí 20). Âîçíèêàþùåå ïðè ñáðîñå íàãðóçêè âõîäíîå ñèíôàçíîå íàïðÿæåíèå îãðàíè÷èâàåòñÿ ñòàáèëèòðîíàìè äî 24 Â, à âûõîäíîé ñèãíàë óñèëèòåëÿ ïîñëå íåñêîëüêèõ âûáðîñîâ óñòàíàâëèâàåòñÿ íà óðîâíå 0 Â. Ïîñêîëüêó ïðîáèâíûå íàïðÿæåíèÿ äâóõ ñòàáèëèòðîíîâ îáû÷íî íåìíîãî ðàçëè÷àþòñÿ èç-çà ïðîèçâîäñòâåííîãî ðàçáðîñà ïàðàìåò-

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

ðîâ è ðàçíûõ ðàáî÷èõ òîêîâ (Z1 ðàáîòàåò ïðè 5.5 ìÀ, à Z2 – ïðè 11 ìÀ), ðàçíîñòü (VZ1 – VZ2) ïðîÿâëÿåò ñåáÿ êàê èçìåíÿþùååñÿ èçìåðÿåìîå äèôôåðåíöèàëüíîå íàïðÿæåíèå, ÷òî âûçûâàåò íåæåëàòåëüíûå âûáðîñû íà âûõîäå. Äëÿ èõ óñòðàíåíèÿ ìîæíî äîáàâèòü äèîä D1 ïîñëåäîâàòåëüíî ñ Z1 èëè Z2. Äèîä âî âðåìÿ ñáðîñà íàãðóçêè äåëàåò äèôôåðåíöèàëüíîå íàïðÿæåíèå VZ1 – VZ2 ïîëîæèòåëüíûì èëè îòðèöàòåëüíûì, ÷òî, â ñâîþ î÷åðåäü, ñìåùàåò âûõîä óñèëèòåëÿ ê îäíîé èç øèí ïèòàíèÿ (VCC èëè GND), òåì ñàìûì, ïðåäîòâðàùàÿ âûáðîñû íà âûõîäå âî âðåìÿ ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ íà âõîäå. Ïîäêëþ÷åíèå äèîäà ïîñëåäîâàòåëüíî ñî ñòàáèëèòðîíîì Z1 ñìåùàåò âûõîä óñèëèòåëÿ ê íàïðÿæåíèþ ïîëîæèòåëüíîé øèíû ïèòàíèÿ (Ðèñóíîê 3). Ïîäêëþ÷åíèå äèîäà ïîñëåäîâàòåëüíî ñî ñòàáèëèòðîíîì Z2 ñìåùàåò âûõîä óñèëèòåëÿ ê íàïðÿæåíèþ îòðèöàòåëüíîé øèíû ïèòàíèÿ. ÐË

Ññûëêè 1. Performance of current-sense amplifiers with input series resistors. Application Note 3888

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Maxim MAX4372F

79

Ïðîñòîé ñïîñîá ñíèæåíèÿ ìîùíîñòè, ðàññåèâàåìîé îáìîòêîé ðåëå Darryl Widman Electronic Design

Í

Íåäàâíî èíæåíåð Ñàíäæàé Ð. ×åíäâàíêàð èç Ìóìáàè, Èíäèÿ, ïðåäëîæèë íîâûé ñïîñîá óìåíüøåíèÿ òîêà, èäóùåãî ÷åðåç êàòóøêó ðåëå [1]. Åãî èäåÿ áûëà îñíîâàíà íà èñïîëüçîâàíèè íåçàäåéñòâîâàííîé â ñõåìå ïàðû çàìêíóòûõ êîíòàêòîâ ýòîãî ðåëå äëÿ ñíèæåíèÿ óïðàâëÿþùåãî íàïðÿæåíèÿ íà ðåëå ïîñëå åãî âêëþ÷åíèÿ. Ýòà êîíñòðóêöèÿ ðàáîòàåò î÷åíü õîðîøî, íî ÷òî äåëàòü, êîãäà íåèñïîëüçóåìàÿ ïàðà êîíòàêòîâ íåäîñòóïíà? Õîðîøî èçâåñòíî, ÷òî âîçáóæäåííàÿ êàòóøêà ðåëå áóäåò ïîääåðæèâàòü çàìêíóòîå ñîñòîÿíèå êîíòàêòîâ äàæå ïîñëå íåêîòîðîãî ñíèæåíèÿ óïðàâëÿþùåãî íàïðÿæåíèÿ.  òå÷åíèå ìíîãèõ ëåò ìû èñïîëüçîâàëè î÷åíü ïðî-

ñòîé ïîäõîä ê ñíèæåíèþ óïðàâëÿþùåãî íàïðÿæåíèÿ ðåëå, íå òðåáóþùèé íè íåèñïîëüçóåìûõ êîíòàêòîâ, íè ñëîæíûõ ñõåì. Âñå, ÷òî íóæíî ñäåëàòü, ýòî äîáàâèòü äâà ïðîñòûõ êîìïîíåíòà – âêëþ÷åííûå ïàðàëëåëüíî ðåçèñòîð è êîíäåíñàòîð. Ïàðà ðåçèñòîð/êîíäåíñàòîð ðàçðûâàåò îáû÷íîå ñîåäèíåíèå ñ «çåìëåé» ýìèòòåðíîãî âûâîäà óïðàâëÿþùåãî òðàíçèñòîðà (Ðèñóíîê 1). Êîãäà óïðàâëÿþùèé òðàíçèñòîð âûêëþ÷åí, ðåçèñòîð R2 ãàðàíòèðóåò, ÷òî êîíäåíñàòîð ðàçðÿæåí. Êîãäà âíåøíÿÿ êîìàíäà âêëþ÷àåò óïðàâëÿþùèé òðàíçèñòîð, ýòîò íåçàðÿæåííûé ýëåêòðîëèòè÷åñêèé êîíäåíñàòîð â òå÷åíèå íåêîòîðîãî âðåìåíè ïðåäñòàâ-

ÍÇ ÍÐ 12  D R1 2.2 êÎì 1/8 Âò

RLY

Q1 2N3904

Êîìàíäà âêëþ÷åíèÿ

C 150 ìêÔ 25 Â

+

R2 390 1/4 Âò

Ðèñóíîê 1. RC-öåïî÷êà, âêëþ÷åííàÿ ïîñëåäîâàòåëüíî ñ îáìîòêîé, îáåñïå÷èâàåò íàäåæíîå âêëþ÷åíèå ðåëå ïîëíûì òîêîì, à çàòåì ñíèæàåò òîê äëÿ ýêîíîìèè ýíåðãèè.

80

ÑÕÅÌÛ

ëÿåò ñîáîé êîðîòêîå çàìûêàíèå, îáåñïå÷èâàÿ ïðîòåêàíèå ìàêñèìàëüíîãî òîêà ÷åðåç îáìîòêó ðåëå è áåçäðåáåçãîâîå çàìûêàíèå åãî êîíòàêòîâ. Îäíàêî ïî ìåðå òîãî, êàê êîíäåíñàòîð çàðÿæàåòñÿ, íàïðÿæåíèå íà îáìîòêå è òîê ÷åðåç íåå óìåíüøàþòñÿ. Ñõåìà äîñòèãàåò óñòàíîâèâøåãîñÿ ñîñòîÿíèÿ, êîãäà êîíäåíñàòîð çàðÿæàåòñÿ äî òàêîé ñòåïåíè, ÷òî âåñü òîê îáìîòêè ðåëå ïðîõîäèò ÷åðåç ðåçèñòîð R2. Êîíòàêòû ðåëå áóäóò îñòàâàòüñÿ çàìêíóòûìè äî òåõ ïîð, ïîêà íå áóäåò ñíÿòî âíåøíåå óïðàâëÿþùåå íàïðÿæåíèå.  ýòîì ïðèìåðå ñîïðîòèâëåíèå ðåçèñòîðà ïðèìåðíî â äâà ðàçà ïðåâûøàåò ñîïðîòèâëåíèå îáìîòêè ðåëå: 390 Îì äëÿ ñîïðîòèâëå-

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

íèÿ îáìîòêè 200 Îì. Âûáðàííûé êîíäåíñàòîð 150 ìêÔ/25  îáðàçóåò êîìáèíàöèþ, êîòîðàÿ õîðîøî ðàáîòàåò ïðè íîìèíàëüíîì íàïðÿæåíèè îáìîòêè 12 Â. Åñëè áû ýìèòòåð óïðàâëÿþùåãî òðàíçèñòîðà áûë ïðîñòî ïîäêëþ÷åí ê «çåìëå», öåïü ðåëå ïîòðåáëÿëà áû îêîëî 58 ìÀ. Ñ äîáàâëåíèåì ðåçèñòîðà/êîíäåíñàòîðà óñòàíîâèâøèéñÿ òîê ñîñòàâëÿåò âñåãî 20 ìÀ, ÷òî äàåò õîðîøóþ ýêîíîìèþ ýíåðãèè. Äîïîëíèòåëüíûå êîíòàêòû ðåëå íå òðåáóþòñÿ, à äâà äîáàâî÷íûõ êîìïîíåíòà ñòîÿò âñåãî íåñêîëüêî öåíòîâ.

Ññûëêà 1. Sanjay R. Chendvankar, "Driver Saves Power In Energized Relay".

81

Ãåíåðàòîðû ñòóïåí÷àòî êà÷àþùåéñÿ ÷àñòîòû Ìèõàèë Øóñòîâ, ã. Òîìñê

Ïðèâåäåíû ñõåìû íèçêî÷àñòîòíûõ ãåíåðàòîðîâ èìïóëüñîâ ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû ñòóïåí÷àòî èçìåíÿþùåéñÿ âî âðåìåíè ÷àñòîòû. Ïåðâûé èç ãåíåðàòîðîâ îáåñïå÷èâàåò íà ñâîèõ âûõîäàõ ñåòêó èç 2×8 ÷àñòîò. Âòîðîé ãåíåðàòîð – ñåòêó èç 4×15 ÷àñòîò. Ïðåäóñìîòðåíà ðó÷íàÿ óñòàíîâêà ÷àñòîòû ãåíåðàöèè, ëèáî ñòóïåí÷àòîå åå óïðàâëåíèå îò âñòðîåííîãî èëè âíåøíåãî ãåíåðàòîðà èìïóëüñîâ.

Ã

Ãåíåðàòîðû êà÷àþùåéñÿ ÷àñòîòû (ÃÊ×) íàõîäÿò ïðèìåíåíèå â èçìåðèòåëüíîé òåõíèêå; òàêèå ãåíåðàòîðû èñïîëüçóþò, íàïðèìåð, äëÿ ïîëó÷åíèÿ àìïëèòóäíî-÷àñòîòíûõ õàðàêòåðèñòèê, à òàêæå ïðè íàñòðîéêå ôèëüòðîâ. Ïîìèìî ïðî÷åãî, ÃÊ× ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû â êà÷åñòâå ãåíåðàòîðîâ ôèêñèðîâàííûõ ÷àñòîò. Ãåíåðàòîð ñòóïåí÷àòî êà÷àþùåéñÿ ÷àñòîòû, Ðèñóíîê 1, ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü íà âûõîäàõ ñåòêè ÷àñòîò f1 è f1/2. ×àñòîòó ãåíåðàòîðà

ìîæíî çàäàâàòü ðó÷íîé ñòóïåí÷àòîé óñòàíîâêîé, ëèáî ñòóïåí÷àòî ïåðåêëþ÷àòü âî âðåìåíè ÷àñòîòû âûõîäíûõ ñèãíàëîâ ïðè èñïîëüçîâàíèè âíåøíåãî èëè âíóòðåííåãî ãåíåðàòîðà òàêòîâûõ èìïóëüñîâ. Ãåíåðàòîð ñîäåðæèò âíóòðåííèé ãåíåðàòîð èìïóëüñîâ íà ýëåìåíòå DD1.1 ìèêðîñõåìû CD40106, ðàáîòàþùèé íà ôèêñèðîâàííîé ÷àñòîòå 100 Ãö. Êðîìå òîãî, ïðè ïîìîùè ïåðåêëþ÷àòåëÿ SA1 âõîä ñ÷åò÷èêà èìïóëüñîâ íà ìèêðîñõåìå DD2 CD4017 ìîæåò áûòü ïîä+10 Â

SB1 Ðó÷í. óñòàí.

C1 10í SA1

Âíåøíèé ãåíåðàòîð 10 Â R2

14 13 R3 10ê

270ê DD1.1 1 C5 22í

1

CT2

2

15 12

100 Ãö

DD1 CD40106

R4 100ê

CN CP R P

14

C2-C4

R1 DD2 200ê CD4017 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9

VD1-VD9 4 1N4148 R5-R13 2 4 7 10 1 5 6 9 11

R5 900ê R6 800ê R7 700ê

16

DD1,DD3 DD2 7 8 3×220í R14 DD1.2 3

1

33ê R15

DD1.3 4 5

1

6

10ê C6 1.1í

VT1 BC547C Uâûõ1

R8 600ê R11 300ê R9 500ê R12 200ê R10 400ê R13 100ê DD3 CD4013

DD3.1 6 S T 1 3 Q C 5 2 D Q 4 R

DD3.2

f1 8 Uâûõ2 S T 13 11 Q C f1/2 9 12 D Q 10 R

Ðèñóíîê 1. Ãåíåðàòîð ñòóïåí÷àòî êà÷àþùåéñÿ ÷àñòîòû ñ ñåòêîé ÷àñòîò f1 è f1/2.

82

ÑÕÅÌÛ

Òàáëèöà 2. ×àñòîòà èìïóëüñîâ íà âûõîäàõ ãåíåðàòîðà ñ ñåòêîé ÷àñòîò f1, f1/2, f/4 è f/8

Òàáëèöà 1. ×àñòîòà èìïóëüñîâ íà âûõîäàõ ãåíåðàòîðà ñ ñåòêîé ÷àñòîò f1 è f1/2 Ïîçèöèÿ

f1, Ãö

f1/2, Ãö

Ïîçèöèÿ

f1, Ãö

f1/2, Ãö

f1/4, Ãö

f1/8, Ãö

0

—

—

0

—

—

—

—

1

500

250

1

423

211.5

105.8

52.9

2

562

281

2

828

414

207

103.5

3

640

320

3

1240

620

310

155

4

740

370

4

1606

803

401.5

200.8

5

876

438

5

1998

999

499.5

249.8

6

1080

540

6

2348

1174

587

293.5

7

1400

700

7

2722

1361

680.5

340.3

8

1980

990

8

3016

1508

754

377

1558

9

3378

1689

844.5

422.3

10

3677

1838.5

919.3

459.6

11

3960

1980

990

495

12

4291

2145.5

1072.8

536.4

3117

9

êëþ÷åí ê âíåøíåìó ãåíåðàòîðó çàäàþùèõ èìïóëüñîâ, ëèáî ê êíîïêå ðó÷íîãî ïåðåêëþ÷åíèÿ ÷àñòîòû SB1 «Ðó÷íàÿ óñòàíîâêà». Ê âûõîäàì Q1–Q9 ìèêðîñõåìû DD2 ñ÷åò÷èêà èìïóëüñîâ ÷åðåç äèîäû VD1–VD9 ïîäêëþ÷åíà ðåçèñòèâíàÿ ìàòðèöà R5–R13, îïðåäåëÿþùàÿ ÷àñòîòó ãåíåðàöèè èìïóëüñîâ èãëîîáðàçíîé ôîðìû ãåíåðàòîðîì íà ýëåìåíòàõ DD1.2 è DD1.2 è òðàíçèñòîðå VT1 BC547C. Ñ âûõîäà ýòîãî ãåíåðàòîðà èìïóëüñû èãëîîáðàçíîé ôîðìû ïîñòóïàþò íà ïîñëåäîâàòåëüíî âêëþ÷åííóþ öåïî÷êó äåëèòåëåé ÷àñòîòû íà D-òðèããåðàõ ìèêðîñõåìû CD4013 (ýëåìåíòû DD3.1 è DD3.2). Íàçíà÷åíèå ýòèõ òðèããåðîâ – ïðåîáðàçîâàíèå èìïóëüñîâ èãëîîáðàçíîé ôîðìû â èìïóëüñû ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû ñ êîýôôèöèåíòîì çàïîëíåíèÿ 50% è îäíîâðåìåííîå ïîñëåäîâàòåëüíîå äåëåíèå ÷àñòîòû.

13

4558

2279

1139.5

569.8

14

4801

2400.5

1200.4

600.1

15

5080

2540

1270

635

Ïðè âêëþ÷åíèè óñòðîéñòâà çà ñ÷åò öåïî÷êè ýëåìåíòîâ C1, R1, R4 ñ÷åò÷èê óñòàíàâëèâàåòñÿ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå. Ïðè ðó÷íîì óïðàâëåíèè â ýòîì ñîñòîÿíèè ãåíåðàòîð îòêëþ÷åí, ñì. Òàáëèöó 1. Ïðè êàæäîì íàæàòèè íà êíîïêó SB1 óðîâåíü «ëîã. 1» ïîñëåäîâàòåëüíî ïîÿâëÿåòñÿ íà âûõîäàõ Q1–Q9 ìèêðîñõåìû DD2, ïîî÷åðåäíî ïîäêëþ÷àÿ ÷åðåç äèîäû VD1–VD9 ðåçèñòîðû ìàòðèöû R5–R13 ê ïëþñîâîé øèíå ïèòàíèÿ. Ñîîòâåòñòâåííî èçìåíÿåòñÿ è ÷àñòîòà ãåíåðàöèè ãåíåðàòîðà èìïóëüñîâ íà ýëåìåíòàõ DD1.2 è DD1.3 è òðàíçèñòîðå VT1. +10 Â

SB1 Ðó÷í. óñòàí.

C1 10í

C4 22í

1

2

R3 10ê

270ê DD1.1 2

7

C E R

16

DD2

7

8

2×220í VD1-VD4 1N4148

DD2.1 1

14

DD1

C2, C3

SA1

Âíåøíèé ãåíåðàòîð 10 Â R2

1

DD1 CD40106 DD2 CD4520

R1 200ê

3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4

R5-R8

R9 DD1.2 3

1

18ê

DD1.3 4 5

6

1

R10 10ê

100 Ãö

R4 100ê

R5 1.2Ì R6 600ê

R7 300ê R8 150ê C6 10í

R12 200ê

C5 1í DD2.2

R11 100ê

VT1 BC547C

9 10 15

C E R

11 Q1 12 Q2 13 Q3 14 Q4

Uâûõ1 f1 Uâûõ2 f1/2 Uâûõ3 f1/4 Uâûõ4 f1/8

Ðèñóíîê 2. Ãåíåðàòîð ñòóïåí÷àòî êà÷àþùåéñÿ ÷àñòîòû ñ ñåòêîé ÷àñòîò f1, f1/2, f/4 è f/8.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

83

Çíà÷åíèÿ ÷àñòîò, ïîëó÷àåìûõ íà âûõîäàõ òðèããåðîâ (ýëåìåíòû DD3.1 è DD3.2) â çàâèñèìîñòè îò íàëè÷èÿ óðîâíÿ «ëîã. 1» íà âûõîäàõ Q1–Q9 ìèêðîñõåìû DD2, ïðèâåäåíû â Òàáëèöå 1. Âòîðîé èç ãåíåðàòîðîâ, Ðèñóíîê 2, èìååò ðàñøèðåííóþ ñåòêó (15×4) ÷àñòîò ãåíåðèðóåìûõ ñèãíàëîâ.  ýòîì ãåíåðàòîðå äëÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ ýëåìåíòîâ ðåçèñòèâíîé ìàòðèöû R5–R8, à òàêæå ìíîãîñòóïåí÷àòîãî äåëåíèÿ ÷àñòîòû èñïîëüçîâàíà ñäâîåííàÿ ìèêðîñõåìà DD1 CD4520. Çíà÷åíèÿ ÷àñòîò, ïîëó÷àåìûõ íà âûõîäàõ ãåíåðàòîðà, ïðèâåäåíû â Òàáëèöå 2.

84

Ðåçèñòîðû, íîìèíàëû êîòîðûõ íå ïîïàäàþò â ðÿä ñòàíäàðòíûõ çíà÷åíèé, ïîëó÷àþò ïàðàëëåëüíûì èëè ïîñëåäîâàòåëüíûì âêëþ÷åíèåì 2–3 ðåçèñòîðîâ, ëèáî ïîäáèðàþò èç ãðóïïû ðåçèñòîðîâ ñ äîïóñêîì îòêëîíåíèÿ îò íîìèíàëà 5–10%. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Texas Instruments CD40106B 2. Datasheet Texas Instruments CD4013B 3. Datasheet Texas Instruments CD4017 4. Datasheet Texas Instruments CD4520B 5. Datasheet Fairchild BC547C

ÑÕÅÌÛ

Ãåðìàíèåâûé ïðåîáðàçîâàòåëü çàïóñêàåòñÿ ïðè íàïðÿæåíèè 260 ì Clayton B. Grantham Electronic Design

ÍÍåçàâèñèìî îò òîãî, î êàêîì èñòî÷íèêå ïèòàíèÿ ïîðòàòèâíîãî óñòðîéñòâà èäåò ðå÷ü, ÷åì íèæå íàïðÿæåíèå, ïðè êîòîðîì çàïóñêàåòñÿ ñõåìà, òåì ëó÷øå. Áîëåå íèçêîå íàïðÿæåíèå çàïóñêà òàêæå óâåëè÷èâàåò âðåìÿ ðàáîòû. Êðîìå òîãî, ÷òîáû ïîëíîñòüþ ðàçðÿäèòü àâòîíîìíûé èñòî÷íèê ïèòàíèÿ, ñõåìà äîëæíà áûòü ñïîñîáíà ðàáîòàòü ïðè ìèíèìàëüíûõ íàïðÿæåíèÿõ è òîêàõ. Ñóùåñòâóþùèå ïîâûøàþùèå ñõåìû ìîãóò çàïóñêàòüñÿ è ðàçðÿæàòü èñòî÷íèê ïèòàíèÿ ïðè åãî íàïðÿæåíèè äî 1 Â, íî ïðè ýòîì â áàòàðåå îñòàåòñÿ ñëèøêîì ìíîãî íåèñïîëüçóåìîé ýíåðãèè. Äðóãèì èñòî÷íèêàì ïèòàíèÿ, òàêèì êàê ñîëíå÷íûå áàòàðåè èëè ìèêðîòóðáèíû, äëÿ çàïóñêà ïðè íàïðÿæåíèè, íàìíîãî ìåíüøåì, ÷åì 1 Â, òðåáóþòñÿ ñïåöèàëüíûå ñõåìû. Íàïðèìåð, íàïðÿæåíèå íà âûõîäå îäèíî÷íîãî ñîëíå÷íîãî ýëåìåíòà ïðè ïîëíîé îñâåùåííîñòè ñîñòàâëÿåò ëèøü 0.58 Â. Ýòó ïðîáëåìó ðåøàåò ñõåìà, ïîêàçàííàÿ íà Ðèñóíêå 1. Îíà âûïîëíÿåò äâóõäðîññåëüíîå ïîâûøàþùåå ïðåîáðàçîâàíèå ïðè ïóñêîâîì íàïðÿæåíèè âñåãî 260 ìÂ. Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå èíäóêòèâíûõ ïîâûøàþùèõ DC/DC ñõåì âûøå âõîäíîãî. Áàëàíñíàÿ ñõåìà ïîâûøåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà ãåðìàíèåâûõ òðàíçèñòîðàõ ïðîñòà, è õîòÿ â íåé èñïîëüçóþòñÿ âñåãî äâà n-p-n òðàíçèñòîðà, îíà áåçîãîâîðî÷íî çàïóñêàåòñÿ ïðè î÷åíü íèçêîì íàïðÿæåíèè. Äëÿ çàïóñêà ïðåäëàãàâøèõñÿ ðàíåå ïîâûøàþùèõ ñõåì íà êðåìíèåâûõ òðàíçèñòîðàõ òðåáîâàëîñü ïîðÿäêà âîëüòà è íàìíîãî áîëüøå êîìïîíåíòîâ.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

Ñõåìà ðàáîòàåò êàê àâòîêîëåáàòåëüíûé ìóëüòèâèáðàòîð. Óñòîé÷èâàÿ ãåíåðàöèÿ íà÷èíàåòñÿ ñ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ VIN, íåìíîãî ïðåâûøàþùåãî íàïðÿæåíèå áàçà-ýìèòòåð (VBE) òðàíçèñòîðà Q2.  ðåçóëüòàòå ñîçäàåòñÿ ïîëîæèòåëüíûé òîê áàçû Q2

IB =

VIN - VBE , R1

ïðîòåêàþùèé ÷åðåç äðîññåëü L1, è òðàíçèñòîð Q2 âêëþ÷àåòñÿ, ñîåäèíÿÿ L2 ñ çåìëåé. Òðàíçèñòîð Q1 çàêðûò, è òîê äðîññåëÿ L1 î÷åíü ìàë. Äèîäû D1 è D2 çàêðûòû. Ýíåðãèÿ,

L1 68 µH

R1 330

Q1 NTE103

L2 68 µH

R2 330

VOUT D1 1N5819 D2 1N5819

Q2 NTE103

C1 1 µF

R3 (Íàãðóçêà)

Ðèñóíîê 1. Ýòà ïîâûøàþùàÿ ñõåìà áåç îáðàòíîé ñâÿçè çàïóñêàåòñÿ ïðè âõîäíîì íàïðÿæåíèè âñåãî 260 ìÂ.

85

86

æåíèÿ. Äëÿ ïîêàçàííîé íà Ðèñóíêå 1 ñõåìû òèïè÷íàÿ ÷àñòîòà ïåðåêëþ÷åíèÿ ñîñòàâëÿåò 88 êÃö (ïðè VIN = 0.5 Â). Ïðè èíäóêòèâíîñòÿõ 100 ìêÃí ÷àñòîòà óìåíüøàåòñÿ äî 60 êÃö, à ïðè 39 ìêÃí – óâåëè÷èâàåòñÿ äî 152 êÃö. Ïðåèìóùåñòâî ýòîé ñäâîåííîé ïîâûøàþùåé êîíôèãóðàöèè ïî ñðàâíåíèþ ñ íåñèììåòðè÷íîé êîíôèãóðàöèåé çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî óðîâåíü âûõîäíûõ ïóëüñàöèé íèæå, à âõîäíîé èñòî÷íèê íå âûêëþ÷àåòñÿ âî âðåìÿ îáðàòíîãî õîäà. Äëÿ ñîëíå÷íîé áàòàðåè èëè ìèêðîòóðáèíû äëèòåëüíîñòü íåðàáî÷åé ÷àñòè öèêëà íåîïòèìàëüíà. Íà Ðèñóíêå 2 èçîáðàæåíû ïåðåäàòî÷íûå õàðàêòåðèñòèêè ñõåìû äëÿ ðàçíûõ âåëè÷èí íàãðóçêè. Îáðàòèòå âíèìàíèå, ÷òî ýòà ïîâûøàþùàÿ ñõåìà íå èìååò îáðàòíîé ñâÿçè, ïîýòîìó ñòàáèëèçèðîâàòü âåëè÷èíó âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ èëè òîêà îíà íå ìîæåò. Îäíàêî â íåêîòîðûõ ïðèëîæåíèÿõ ñòàáèëèçàöèÿ è íå òðåáóåòñÿ.

12

10 Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå (Â)

çàïàñåííàÿ â ìàãíèòíîì ïîëå äðîññåëÿ L2, óâåëè÷èâàåòñÿ ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ òîêà L2 ñ ïîëîæèòåëüíîé ïðîèçâîäíîé di/dt. Ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ ýòîãî òîêà îí òàêæå ïðîòåêàåò ÷åðåç ñîïðîòèâëåíèå íàñûùåííîãî òðàíçèñòîðà Q2. Íàïðÿæåíèå êîëëåêòîðà Q2 ñòàíîâèòñÿ äîñòàòî÷íî áîëüøèì, ÷òîáû âêëþ÷èòü òðàíçèñòîð Q1. Ðåçèñòîð R2 ñîåäèíÿåò áàçó Q1 ñ êîëëåêòîðîì Q2. Êðîìå òîãî, R2 îãðàíè÷èâàåò áàçîâûé òîê Q1. Ïîñëå âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà Q1 òîê, óïðàâëÿâøèé áàçîé Q2, òåïåðü çàìûêàåòñÿ íà çåìëþ, è Q2 âûêëþ÷àåòñÿ. Âûêëþ÷åíèå Q2 ïîçâîëÿåò ýíåðãèè îáðàòíîãî õîäà äðîññåëÿ L2 îòêðûòü äèîä D2 è òå÷ü â íàãðóçêó (R3) ïî ìåðå òîãî, êàê ìàãíèòíîå ïîëå L1 îñëàáåâàåò. Äèîä D1 îñòàåòñÿ çàêðûòûì. Êîãäà L2 ðàçðÿæàåòñÿ, äèîä D2 ñíîâà âûêëþ÷àåòñÿ. Ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ òîêà äðîññåëÿ L1 åãî ìàãíèòíîå ïîëå íàðàñòàåò ïðè ïîëîæèòåëüíîé ïðîèçâîäíîé di/dt. Ýòîò òîê ïðîòåêàåò ÷åðåç ñîïðîòèâëåíèå íàñûùåíèÿ òðàíçèñòîðà Q1. Íàïðÿæåíèå êîëëåêòîðà Q1 ñòàíîâèòñÿ äîñòàòî÷íî áîëüøèì, ÷òîáû âêëþ÷èòü òðàíçèñòîð Q2. Íàïðÿæåíèå áàçû òðàíçèñòîðà Q2 ñâÿçàíî ñ êîëëåêòîðîì Q1 ÷åðåç ðåçèñòîð R1, êîòîðûé òàêæå îãðàíè÷èâàåò òîê áàçû Q2. Ïîñëå âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà Q2 òîê, óïðàâëÿâøèé áàçîé Q1, çàìûêàåòñÿ íà çåìëþ, è Q1 âûêëþ÷àåòñÿ. Âûêëþ÷åíèå Q1 ïîçâîëÿåò ýíåðãèè îáðàòíîãî õîäà äðîññåëÿ L1 îòêðûòü äèîä D1 è òå÷ü â íàãðóçêó (R3) ïî ìåðå òîãî, êàê ìàãíèòíîå ïîëå L2 îñëàáåâàåò. Äèîä D2 îñòàåòñÿ çàêðûòûì. Êîãäà L1 ðàçðÿæàåòñÿ, äèîä D1 ñíîâà âûêëþ÷àåòñÿ. Ýòî àâòîêîëåáàòåëüíûé ïðîöåññ ïîâòîðÿåòñÿ äî òåõ ïîð, ïîêà íàïðÿæåíèå áàòàðåè íå óïàäåò íèæå íàïðÿæåíèÿ áàçà-ýìèòòåð òðàíçèñòîðîâ Q1 èëè Q2. Ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ óâåëè÷èâàåòñÿ ýíåðãèÿ, íàêîïëåííàÿ â äðîññåëÿõ L1 è L2, è, ñëåäîâàòåëüíî, óâåëè÷èâàåòñÿ ñðåäíåå íàïðÿæåíèå íà R3. Ïåðèîä è ñêâàæíîñòü àâòîêîëåáàíèé îïðåäåëÿþòñÿ èíäóêòèâíîñòüþ äðîññåëåé L1 è L2, ñîïðîòèâëåíèåì íàñûùåíèÿ òðàíçèñòîðîâ Q1 è Q2, à òàêæå õàðàêòåðèñòèêàìè ïåðåêëþ÷åíèÿ Q1 è Q2. Âûáîðîì ñîîòâåòñòâóþùèõ çíà÷åíèé èíäóêòèâíîñòè è ñîïðîòèâëåíèÿ ñõåìà ìîæåò áûòü îïòèìèçèðîâàíà äëÿ êîíêðåòíûõ âåëè÷èí íàãðóçêè è âõîäíîãî íàïðÿ-

8

6 Íàãðóçêà 10 êÎì Íàãðóçêà 100 êÎì Íàãðóçêà 1 ÌÎì

4

2

0 0.25

0.35

0.45 0.55 Âõîäíîå íàïðÿæåíèå (Â)

0.65

0.75

Ðèñóíîê 2. Îæèäàåìàÿ çàâèñèìîñòü ñðåäíåãî âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îò âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Äëÿ ëåãêèõ íàãðóçîê áîëåå 100 êÎì âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ñâûøå 4.0  ïîääåðæèâàåòñÿ ïðè âõîäíûõ íàïðÿæåíèÿõ îò 0.3 Â.

Íàïðèìåð, ýòà ñõåìà ìîæåò íàïðÿìóþ óïðàâëÿòü ñ÷åòâåðåííûì êîìïàðàòîðîì LM2901 è ñ÷åòâåðåííûì îïåðàöèîííûì óñèëèòåëåì LM2902. Äðóãèå ïðèëîæåíèÿ (ëîãè÷åñêèå ñõåìû) òðåáóþò ëèøü îãðàíè÷åíèÿ âåðõíåãî çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ, êîòîðîå ìîæåò áûòü âûïîëíåíî ñ ïîìîùüþ øóíòîâîãî ðåãóëÿòîðà èëè ñòàáèëèòðîíà íà âûõîäå.

ÑÕÅÌÛ

Íî äëÿ äîñòèæåíèÿ ìàêñèìàëüíîãî ÊÏÄ ýòó ïîâûøàþùóþ ñõåìó ñëåäóåò èñïîëüçîâàòü òîëüêî äëÿ âðåìåííîãî ïèòàíèÿ ïîëíîôóíêöèîíàëüíîé âûñîêîýôôåêòèâíîé ìèêðîñõåìû èìïóëüñíîãî èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ, ïîäêëþ÷èâ åå âûõîä ê ñëàáîòî÷íîìó âõîäó VCC ìèêðîñõåìû. Êàê òîëüêî ìèêðîñõåìà çàïóñòèòñÿ, ïîâûøàþùóþ ñõåìó ìîæíî îòêëþ÷èòü. Ñäåëàòü ýòî ìîæíî, íàïðèìåð, çàìåíèâ ðåçèñòîðû R1 è R2 p-êàíàëüíûìè ïîëåâûìè òðàíçèñòîðàìè ñ p-n ïåðåõîäîì (NTE326), à çàòåì ïîäòÿíóâ èõ çàòâîðû âûøå âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ (VIN + 1.2 Â). Êðîìå òîãî, âõîäíîå íàïðÿæåíèå ñõåìû îãðàíè÷åíî çíà÷åíèåì 2.0 Â. Áîëüøåå âõîäíîå íàïðÿæåíèå âûçîâåò ïðîòåêàíèå ÷ðåçìåðíîãî òîêà â áàçàõ òðàíçèñòîðîâ Q1 è Q2, êîòîðûå ÷åðåç R1, R2, L1 è L2 ïîäêëþ÷åíû íåïîñðåäñòâåííî ê VIN. Íåñêîëüêî èíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïåðåäà÷è ïîëó÷àåòñÿ, åñëè ýòà ñõåìà óïðàâëÿåò áåëûì ñâåòîäèîäîì, à íå ðåçèñòèâíîé íàãðóçêîé. Äëÿ íîðìàëüíîé ðàáîòû áåëîãî ñâåòîäèîäà îáû÷íî òðåáóåòñÿ íàïðÿæåíèå 3.6  ïðè òîêå 20 ìÀ; òàêèì îáðàçîì, åñëè èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ ÿâëÿåòñÿ ùåëî÷íàÿ áàòàðåÿ. íåîáõîäèìà

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

ïîâûøàþùàÿ ñõåìà. ßðêîñòü ñâåòîäèîäà íàïðÿìóþ çàâèñèò îò ñðåäíåãî òîêà îáðàòíîãî õîäà, ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç äèîäû D1 è D2. Èçìåðåíèÿ íîìèíàëüíîãî òîêà ñâåòîäèîäà ïðè ïèòàíèè îò ùåëî÷íîé áàòàðåè ïîêàçàëè 3 ìÀ ïðè 0.53 Â, 14 ìÀ ïðè 0.95 Â, 26 ìÀ ïðè 1.19 Â, 31 ìÀ ïðè 1.27  è 50 ìÀ ïðè 1.53 Â. Ýòè ðåçóëüòàòû áûëè ïîëó÷åíû ñ äðîññåëÿìè Coilcraft DO1608C-683 è ñâåòîäèîäîì NSPW500BS êîìïàíèè Nichia. Âî ìíîãèõ ïîðòàòèâíûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâàõ (òàêèõ êàê èãðóøêè, ÊÏÊ è ò. ä.) âû äîëæíû áûëè áû âûêèíóòü êàê «ìåðòâóþ» êàæäóþ áàòàðåéêó, íàïðÿæåíèå íà êîòîðîé ñîñòàâëÿåò îêîëî âîëüòà. Íî ýòà ñõåìà ïîçâîëÿåò ïîääåðæèâàòü ñâåòîäèîäíóþ ïîäñâåòêó äàæå òàêèìè áàòàðåéêàìè, à â ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ àêêóìóëÿòîðîâ – îáåñïå÷èòü èõ áîëåå ïîëíûé ðàçðÿä. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Nichia NSPW500BS 2. Datasheet NTE NTE103 3. Datasheet NTE NTE326 4. Coilcraft DO1608C-683

87

Äðàéâåð áåëûõ ñâåòîäèîäîâ âûñîêîé ìîùíîñòè äëÿ ïîðòàòèâíûõ ïðèëîæåíèé Santosh Bhandarkar Electronic Design

Ì

Ìíîãèå ñ÷èòàþò áåëûå ñâåòîäèîäû áóäóùèì îñâåùåíèÿ. Ñîåäèíåííûå âìåñòå, íåñêîëüêî ñâåòîäèîäîâ ìîãóò çàìåíèòü ëàìïó íàêàëèâàíèÿ èëè êîìïàêòíóþ ëþìè-

íåñöåíòíóþ ëàìïó. Äëÿ äîñòèæåíèÿ ïîëíîé ÿðêîñòè ïîðÿäêà 40 ëþìåí ìîùíûì áåëûì ñâåòîäèîäàì òðåáóåòñÿ ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå ïðèìåðíî 3.6  ïðè òîêå îêîëî 350 ìÀ.

D1 1N5819

VIN

C2 220 µF, 35 V

GND

+

2.5 V

8 R4 5k

D10 1N4007

+

D2 LED

C3 220 µF, 63 V

D4 LED D6 LED D8 LED

C4 0.47 µF

D3 LED

9 10 SG1524B

C5 1 nF

R1 10k

M1 IRFZ44

R3 10

SHUT

R2 5k

COMP

C1 1 nF

L1 200 µH, 1.2 A

U1 16 3 VREF OSC 15 VIN 7 12 CT C_A 6 11 RT E_A 1 ERR– 13 2 C_B ERR+ 14 4 E_B CL+ 5 CL–

R6 33k

D5 LED

R7 50k

D7 LED

GND R16 470k

R9 3k

2 R14 10k

2.5 V

3

–

+ U2a

R11 21k

R10 1k

11 V– 1 OUT V+ LM324 4

LM324 6 –

R13 2.2k

7 R15 2.2k

VO

R12 3.3k

R8 1W, 1W

D9 LED

OUT +

5

U2b

Ðèñóíîê 1. Ýòà ñõåìà äðàéâåðà öåïî÷êè ìîùíûõ áåëûõ ñâåòîäèîäîâ ïîääåðæèâàåò ïîñòîÿííóþ ÿðêîñòü ñâå÷åíèÿ, íåçàâèñÿùóþ îò èçìåíåíèé âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Êðîìå òîãî, îíà îáåñïå÷èâàåò âîçìîæíîñòü äèììèðîâàíèÿ è çàùèòó îò ãëóáîêîãî ðàçðÿäà àêêóìóëÿòîðà.

88

ÑÕÅÌÛ

 ïîðòàòèâíûõ ïðèëîæåíèÿõ áåëûå ñâåòîäèîäû ÷àñòî ïèòàþòñÿ îò ãåðìåòè÷íûõ ñâèíöîâî-êèñëîòíûõ àêêóìóëÿòîðîâ ñ òèïè÷íûì âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì 12 Â. Îò òàêîãî æå 12-âîëüòîâîãî èñòî÷íèêà ïèòàåò öåïî÷êó áåëûõ ñâåòîäèîäîâ ñõåìà, ïîêàçàííàÿ íà Ðèñóíêå 1. Îíà îòëè÷àåòñÿ íèçêîé ñòîèìîñòüþ, âûñîêèì ÊÏÄ, ïîñòîÿííîé èíòåíñèâíîñòüþ ñâåòà, íå çàâèñÿùåé îò èçìåíåíèé íàïðÿæåíèÿ áàòàðåè, âîçìîæíîñòüþ äèììèðîâàíèÿ è íàëè÷èåì çàùèòû áàòàðåè.  ñõåìå äðàéâåðà èñïîëüçîâàíà ìèêðîñõåìà SG1524 (U1) èìïóëüñíîãî ðåãóëÿòîðà ñ øèðîòíî-èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèåé (ØÈÌ), ðàáîòàþùàÿ â ïîâûøàþùåé êîíôèãóðàöèè. Òàêàÿ êîíôèãóðàöèÿ ïîçâîëÿåò ìèêðîñõåìå U1 âûäàâàòü ìàêñèìàëüíîå íàïðÿæåíèå îêîëî 40 Â, êîòîðîãî äîñòàòî÷íî äëÿ óïðàâëåíèÿ öåïî÷êîé, ñîäåðæàùåé äî 11 âêëþ÷åííûõ ïîñëåäîâàòåëüíî îäíîâàòòíûõ áåëûõ ñâåòîäèîäîâ. Èç-çà áîëüøîé ðàññåèâàåìîé ìîùíîñòè ñâåòîäèîäû äîëæíû áûòü óñòàíîâëåíû íà ïîäõîäÿùèé ðàäèàòîð. Èíäóêòèâíîñòü äðîññåëÿ, åìêîñòè âõîäíîãî è âûõîäíîãî êîíäåíñàòîðîâ, ïàðàìåòðû ïåðåêëþ÷àþùåãî òðàíçèñòîðà è âûõîäíîãî äèîäà âûáèðàþòñÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ çàäàííîé ðàáî÷åé ÷àñòîòîé. Ðàáî÷àÿ ÷àñòîòà ðàâíà

FOSC =

1 .

R1× C1

(1)

Äëÿ ýòîãî ïðèìåðà âûáðàíà ÷àñòîòà ïîðÿäêà 100 êÃö. Áîëåå âûñîêèå ÷àñòîòû ïîçâîëÿþò èñïîëüçîâàòü äðîññåëè ìåíüøåãî ðàçìåðà, íî óâåëè÷èâàþò ïîòåðè ïåðåêëþ÷åíèÿ. Íàïðÿæåíèå áàòàðåè ñîñòàâëÿåò 13.2  ïðè ïîëíîì çàðÿäå è ïîðÿäêà 10.8  ïðè ïîëíîì ðàçðÿäå. Íàïðÿæåíèå íà ñâåòîäèîäàõ äîëæíî áûòü äîñòàòî÷íî âûñîêèì, ÷òîáû ñâåòîäèîäû áûëè ñìåùåíû â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè ïðè ðàçëè÷íûõ âõîäíûõ íàïðÿæåíèÿõ. Äëÿ ýòîãî êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ D äîëæåí áûòü ðàâåí

D=

VO + VD - VIN , VO + VD - VDS

(2)

ãäå VO – âûõîäíîå íàïðÿæåíèå íà ñâåòîäèîäíîé öåïî÷êå,

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

VD – ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà äèîäå D1, VIN – ìèíèìàëüíîå íàïðÿæåíèå áàòàðåè, VDS – ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà MOSFET. Äëÿ öåïî÷êè èç âîñüìè ñâåòîäèîäîâ VO = 28.8 Â, VIN = 11  è VD = 0.4  äëÿ äèîäà Øîòòêè. Ïðåíåáðåãàÿ íàïðÿæåíèåì VDS, íàõîäèì, ÷òî òðåáóåìûé êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ ðàâåí 62.3%. Ìèêðîñõåìà U1 èìååò äâà íåçàâèñèìûõ êîììóòàöèîííûõ òðàíçèñòîðà, êàæäûé èç êîòîðûõ ìîæåò ðàáîòàòü ñ òîêàìè ïîðÿäêà 100 ìÀ ïðè ìàêñèìàëüíîì êîýôôèöèåíòå çàïîëíåíèÿ 45%. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ òðåáóåìîãî êîýôôèöèåíòà çàïîëíåíèÿ äâà òðàíçèñòîðà ñîåäèíåíû ïàðàëëåëüíî. Ïîñêîëüêó ñâåòîäèîäàì òðåáóåòñÿ òîê áîëåå 100 ìÀ, íåîáõîäèì âíåøíèé MOSFET. Äëÿ ðàñ÷åòà âåëè÷èíû èíäóêòèâíîñòè L1 íà÷íåì ñî ñðåäíåãî òîêà äðîññåëÿ:

IL _ AVG =

IO .

1- D

(3)

Åñëè ïóëüñàöèè òîêà äðîññåëÿ dIL ñîñòàâëÿþò îïðåäåëåííûé ïðîöåíò îò ñðåäíåãî òîêà, ïèêîâûé òîê äðîññåëÿ ðàâåí:

IL _ PK = IL _ AVG +

dIL .

2

(4)

Ïðèíèìàÿ, ÷òî ïóëüñàöèè ðàâíû 40% îò ñðåäíåãî òîêà, ïîëó÷èì IL_PK = 1.12 À. Òàêèì îáðàçîì, èíäóêòèâíîñòü ðàâíà:

L=

VIN × D .

FOSC × dIL

(5)

 ýòîì ïðèìåðå ôîðìóëà (5) äàåò ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèå èíäóêòèâíîñòè 184.3 ìêÃí, êîãäà âõîäíîå íàïðÿæåíèå VIN ðàâíî 11 Â. Åìêîñòü âûõîäíîãî êîíäåíñàòîðà çàâèñèò îò äîïóñòèìîé âåëè÷èíû ïóëüñàöèé âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. ×òî êàñàåòñÿ åìêîñòè âõîäíîãî êîíäåíñàòîðà, òî îíà çàâèñèò îò ïèêîâîãî òîêà. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ïîñòîÿíñòâà îñâåùåííîñòè íåîáõîäèìî êîíòðîëèðîâàòü è ïîääåðæèâàòü íåèçìåííûì òîê, ïðîõîäÿùèé ÷åðåç ñâåòîäèîäû. Äëÿ ýòîãî ñ ïîìîùüþ ýëåìåíòîâ R8, R11, R12 è U2b òîê ïðåîáðàçóåòñÿ â íàïðÿæåíèå îáðàòíîé ñâÿçè, êîòîðîå ïîäàåòñÿ íà èíâåðòèðóþùèé âõîä óñèëèòåëÿ îøèáêè

89

ìèêðîñõåìû U1. Ýòà îòðèöàòåëüíàÿ îáðàòíàÿ ñâÿçü ðåãóëèðóåò êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ, ñòàáèëèçèðóÿ òîê ÷åðåç ñâåòîäèîäû. Èçìåíåíèå R11 îáåñïå÷èâàåò ðåãóëèðîâêó ÿðêîñòè ñâåòîäèîäîâ. Îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü U2a è ðåçèñòîðû R9, R13, R14, R15 êîíòðîëèðóþò íàïðÿæåíèå áàòàðåè è âûêëþ÷àþò ñâåòîäèîäû, êîãäà

90

íàïðÿæåíèå áàòàðåè ïàäàåò íèæå 11 Â, òåì ñàìûì ïðåäîòâðàùàÿ åå ãëóáîêèé ðàçðÿä. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Microchip SG1524 2. Datasheet Texas Instruments LM324 3. Datasheet Fairchild 1N5819 4. Datasheet Vishay IRFZ44

ÑÕÅÌÛ

Ðàáîòà íåñêîëüêèõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ íà îáùóþ íàãðóçêó Vardan Antonyan EDN

Ä

Äëÿ íåêîòîðûõ ïðîåêòîâ òðåáóåòñÿ áîëüøå ìîùíîñòè, ÷åì ìîæåò îòäàòü îäèí èñòî÷íèê ïèòàíèÿ, è â òàêîé ñèòóàöèè äëÿ áàëàíñèðîâêè íàãðóçêè ìîæíî èñïîëüçîâàòü ïåðåíàïðàâëÿþùèå äèîäû Øîòòêè (Ðèñóíîê 1). ×òîáû ðåàëèçîâàòü ïðîñòîå ðàñïðåäåëåíèå íàãðóçêè, â ýòîé ñõåìå îáúåäèíåíû âûõîäíûå òîêè. Îáðàòèòå âíèìàíèå, ÷òî ýòî îòëè÷àåòñÿ îò ðåçåðâèðîâàíèÿ ïèòàíèÿ; çäåñü äðóãîé ñëó÷àé, êîãäà òðåáóåìàÿ ñèñòåìå ìîùíîñòü íå ìîæåò áûòü îáåñïå÷åíà îäíèì èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ. Ýòà ñõåìà äîñòàòî÷íî ïðîñòà è áóäåò ðàáîòàòü â èäåàëüíûõ óñëîâèÿõ, êîãäà VPS2 = VPS1. Òî, ÷òî ïðîèñõîäèò â ðåàëüíîñòè, ãîðàçäî èíòåðåñíåå è äåëàåò òàêîé ïîäõîä íåñîñòîÿòåëüíûì.

VPS2 VPS1

VIN

D1 D2-PAK 1

4

3

C6 SBG3030CT

22µF 25 V

GND

Ðèñóíîê 1. Äâà èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ñ îäèíàêîâûìè íàïðÿæåíèÿìè ðàáîòàþò íà îáùóþ íàãðóçêó â ðåæèìå ðàçäåëåíèÿ òîêîâ.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

×òîáû îöåíèòü ñõåìó, ìîæíî ïðîàíàëèçèðîâàòü åå ïîâåäåíèå ïðè ðàçëè÷íûõ íàãðóçêàõ è îòêëîíåíèÿõ íàïðÿæåíèÿ èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ, èñïîëüçóÿ ôîðìóëó äëÿ ðàñ÷åòà ïðÿìîãî ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà äèîäå Øîòòêè ïðè ðàçëè÷íûõ òîêàõ.

æ q( V -IRs ) ö I = ISAT çç e nKT - 1÷÷ . è ø Ñëîæíîñòü çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ýòà ôîðìóëà ÿâëÿåòñÿ ëèøü õîðîøèì ïðèáëèæåíèåì, è äëÿ òîãî, ÷òîáû ïîëó÷èòü âîëüòàìïåðíóþ õàðàêòåðèñòèêó àíàëîãè÷íóþ ãðàôèêàì, ïðèâîäèìûì â äîêóìåíòàöèè ïðîèçâîäèòåëåé äèîäîâ, íóæíî èñïîëüçîâàòü ñîîòâåòñòâóþùåå n. ( äàííîì ñëó÷àå n áûëî âûáðàíî ðàâíûì 10). Àíàëèç îêàçàëñÿ íåìíîãî ñëîæíåå, ÷åì îæèäàëîñü, ïîñêîëüêó ïðèøëîñü ðàññìàòðèâàòü äâà ðàçíûõ èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ è âû÷èñëÿòü òîêè èòåðàòèâíî. ×òîáû ðåøèòü ýòó ïðîáëåìó, äëÿ âû÷èñëåíèÿ òîêîâ è íàïðÿæåíèé ñõåìû èñïîëüçîâàëèñü íåñêîëüêî èòåðàöèé, âûïîëíåííûõ ñ ïîìîùüþ íàïèñàííîé íà Ñè ïðîãðàììû (äîñòóïíà â ðàçäåëå Çàãðóçêè). Ðåçóëüòàòû îêàçàëèñü íåóòåøèòåëüíûìè, ïîñêîëüêó îíè ïîêàçûâàëè, ÷òî ïðè îòêëîíåíèè íàïðÿæåíèÿ íà ±1% 90% ìîùíîñòè çàáèðàåòñÿ èç îäíîãî èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ. Îäíèì ñëîâîì, ýòà ñõåìà íå ÿâëÿåòñÿ õîðîøèì ðåøåíèåì äëÿ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ ñ ðàçíèöåé

91

áîëåå ÷åì â íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ìèëëèâîëüò. Ïðîáëåìà â òîì, ÷òî íå âñå ñòàíäàðòíûå áëîêè ïèòàíèÿ èìåþò ðåãóëèðîâêó âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, îñîáåííî ãåðìåòè÷íûå. Äëÿ åå

ðåøåíèÿ áûëà ðàçðàáîòàíà ñõåìà ðàñïðåäåëåíèÿ íàãðóçêè, èñïîëüçóþùàÿ äîñòóïíûå êîìïîíåíòû è ñïîñîáíàÿ ðàáîòàòü ñ ëþáûìè áëîêàìè ïèòàíèÿ (Ðèñóíîê 2).

VPS1

VIN

R1

Q1

0.005 5

3

U1 INA139NA250

4

VCC

R5 10K

J1 2 1

–

+

PWR_IN

VIN

C1

C2

0.1µF

0.1µF

GND 6 GND 2 R11 10K 1%

GND

7

+

R9

U3B LM2904MX

4

10K C4

PS1_CUR

0.1µF

GND

GND

GND

VPS2

VIN

R2

Q2

0.005 5

3

R7 10K

GND

8

–

5

1

FDD6637

R3 10K

PS2_CUR

U2 INA139NA250

4

VCC

PS1_CUR

FDD6637

R4 10K

R6 10K

J2 VIN

2 1

–

+

PWR_IN

C3 R8 10K

0.1µF

GND GND 2

1 R12 10K 1%

2 3

R10

– +

VPS2 VPS1

8 1 4

U3A LM2904MX

VIN D1 D2-PAK

1

4

10K PS2_CUR

3

C5

C6

0.1µF SBG3030CT

GND

GND

GND

GND

22µF/ 25 V

GND

Ðèñóíîê 2. Ìîíèòîðû òîêà ïîëîæèòåëüíîé øèíû èçìåðÿþò òîêè îáîèõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ, à ïåðåêðåñòíî óïðàâëÿåìûå òðàíçèñòîðû Q1 è Q2 âûðàâíèâàþò òîêè, îòäàâàåìûå êàæäûì èñòî÷íèêîì.

92

ÑÕÅÌÛ

Òàáëèöà 1. Òîëüêî ñ äèîäàìè (Ðèñóíîê 1)

Âõîäíîå íàïðÿæåíèå (Â) Âõîäíîé òîê (À) Âõîäíàÿ ìîùíîñòü (Âò) Íàãðóçêà (%)

Òåñò

PS1

PS2

Òîê íàãðóçêè (À)

Íàïðÿæåíèå íàãðóçêè (Â)

Ìîùíîñòü (Âò)

Îáùèå ïîòåðè (Âò)

1

20.5

20.3

1.0

20.1

20.1

3.1

2

20.4

20.3

2.5

20.0

50.0

4.0

3 1

20.4 1.1

20.3 0.1

5.0

19.9

99.3

4.7

2 3

2.4 3.9

0.3 1.2

1

22.1

1.1

2

48.2

5.8

3 1

79.6 95.0

24.3 4.9

2 3

89.3 76.5

10.6 23.4

Òàáëèöà 2. Ñ ðàñïðåäåëåíèåì íàãðóçêè (Ðèñóíîê 2)

Âõîäíîå íàïðÿæåíèå (Â) Âõîäíîé òîê (À) Âõîäíàÿ ìîùíîñòü (Âò) Íàãðóçêà (%)

Òåñò

PS1

PS2

Òîê íàãðóçêè (À)

Íàïðÿæåíèå íàãðóçêè (Â)

Ìîùíîñòü (Âò)

Îáùèå ïîòåðè (Âò)

1

20.5

20.3

1.0

20.2

20.2

3.2

2

20.5

20.3

2.5

20.1

50.2

3.1

3 1

20.4 0.6

20.2 0.6

5.0

20.0

100.2

7.5

2 3

1.3 2.6

1.3 2.7

1

11.6

11.8

2

26.2

27.1

3 1

53.3 49.7

54.3 50.2

2 3

49.1 49.5

50.8 50.4

Êëåììû J1 è J2 ïîäêëþ÷àþòñÿ ê âõîäàì èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ, à íàãðóçêà ïîäêëþ÷àåòñÿ ê VIN. Êàê âèäíî èç ñõåìû, â äîïîëíåíèå ê ïåðâîíà÷àëüíûì ïåðåíàïðàâëÿþùèì äèîäàì òåïåðü ïîÿâèëèñü MOSFET Q1 è Q2, øóíòèðóþùèå ýòè äèîäû äëÿ óïðàâëåíèÿ ðàñïðåäåëåíèåì íàãðóçêè. MOSFET óïðàâëÿþòñÿ îïåðàöèîííûìè óñèëèòåëÿìè U3B è U3A, âêëþ÷åííûìè òàê, ÷òîáû êàæäûé èç íèõ ñðàâíèâàë òîê ñîáñòâåííîãî èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ñ òîêîì äðóãîãî. Ñõåìà íå ïðåäúÿâëÿåò êàêèõ-ëèáî ñòðîãèõ òðåáîâàíèé ê êîìïîíåíòàì, íî R1, R11, R2 è R12 äîëæíû èìåòü äîïóñêè 1%. Ñèãíàëû íà îïåðàöèîííûå óñèëèòåëè ïîäàþòñÿ ÷åðåç ïðîñòûå RC-ôèëüòðû íèæíèõ ÷àñòîò, ÷òîáû ñãëàäèòü ëþáûå ñêà÷êè íàïðÿæåíèÿ. Äëÿ èçìåðåíèÿ òîêà íà âûõîäå êàæäîãî èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ èñïîëüçóþòñÿ òîêîèçìåðèòåëüíûå

óñèëèòåëè U1 è U2, à äëÿ âûðàâíèâàíèÿ òîêîâ èñïîëüçóåòñÿ êîìáèíàöèÿ èç RC-ôèëüòðà, îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ è MOSFET. Ðàáîòîñïîñîáíîñòü ýòîãî ðåøåíèÿ áûëî äîêàçàíà ïðè âõîäíîì íàïðÿæåíèè 12–19  (îáû÷íûå áëîêè ïèòàíèÿ íîóòáóêîâ) è òîêå íàãðóçêè 10 À. Ýôôåêòèâíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ íàãðóçêè äîñòàòî÷íî âûñîêà, ÷òîáû êàñêàäèðîâàòü ýòè ñõåìû äëÿ îáúåäèíåíèÿ ÷åòûðåõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ. Ðåçóëüòàòû èñïûòàíèé ñõåìû ïðèâåäåíû â Òàáëèöàõ 1 è 2. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Texas Instruments INA139 2. Datasheet ON Semiconductor LM2904 3. Datasheet Fairchild FDD6637 4. Datasheet Diodes SBG3030CT

Çàãðóçêè Ðàñ÷åò òîêîâ è íàïðÿæåíèé äëÿ ñõåìû

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

93

Èñïîëüçîâàíèå âûâîäà MCLR ìèêðîêîíòðîëëåðà PIC â êà÷åñòâå âûõîäà Antonio Muñoz, Pilar Molina EDN

ÕÕîòÿ ïðîèçâîäèòåëè ìèêðîêîíòðîëëåðîâ ñòàðàþòñÿ ïðåäëàãàòü ðàçðàáîò÷èêàì ïðîäóêòû, êîòîðûå ïî÷òè òî÷íî ñîîòâåòñòâóþò òðåáîâàíèÿì èõ ïðîåêòîâ, ÷àñòî áûâàåò òàê, ÷òî íå õâàòàåò âñåãî îäíîãî âûõîäíîãî êîíòàêòà. Òàêàÿ ñèòóàöèÿ îñîáåííî òèïè÷íà äëÿ íåáîëüøèõ êîíñòðóêöèé, èñïîëüçóþùèõ ìèêðîêîíòðîëëåðû ñ âîñåìüþ âûâîäàìè èëè ìåíåå.  ýòîé ñòàòüå èñïîëüçóåòñÿ ìèêðîêîíòðîëëåð PIC10F222 êîìïàíèè Microchip.

VCC

VCC

C1 100 nF

R2 1k D1 LED

1 2 3

GP0/AN0 GND

GP3/MCLR

6

IC1 5 PIC10F222 VDD

GP1/AN1

GP2/T0CK1

Q1

4 2N7002 R1 1M

Ðèñóíîê 1. Äîáàâëåíèå MOSFET è ñîîòâåòñòâóþùèõ öåïåé ê âõîäíîìó êîíòàêòó MCLR ìèêðîêîíòðîëëåðà PIC ïðåâðàùàåò ýòîò êîíòàêò â âûõîä.

94

PIC10F222, âûïóñêàåìûé â êîðïóñå SOT23-6, èìååò òðè êîíòàêòà ââîäà-âûâîäà, îäèí âõîäíîé êîíòàêò, ÏÇÓ, ôëåø-ïàìÿòü è ìîäóëü ÀÖÏ. Ïðîãðàììèðîâàòü ýòè êðîøå÷íûå ìèêðîêîíòðîëëåðû íóæíî òî÷íî òàê æå, êàê èõ ñòàðøèõ áðàòüåâ. Äëÿ ýòîãî òðåáóþòñÿ âûâîä MCLR, äâå ëèíèè ââîäà-âûâîäà (äàííûå è òàêòîâûé ñèãíàë) è âûâîäû ïèòàíèÿ (VCC è GND). ×òîáû âîéòè â ðåæèì ïðîãðàììèðîâàíèÿ, ïîíàäîáÿòñÿ âûâîäû MCLR è ïèòàíèÿ. Ïîñêîëüêó ìèêðîêîíòðîëëåð äîëæåí ðàçëè÷àòü íîðìàëüíûé ðåæèì è ðåæèì ïðîãðàììèðîâàíèÿ, â ðåæèìå ïðîãðàììèðîâàíèÿ íàïðÿæåíèå íà âûâîäå MCLR îáû÷íî äîñòèãàåò ïðèìåðíî 12 Â. Ïîñëå ýòîãî ïðè íîðìàëüíîé ðàáîòå âûâîä MCLR ìîæíî íàñòðîèòü ëèáî êàê âõîä âíåøíåãî ñáðîñà, ëèáî êàê âûõîä.  ýòîé êîíñòðóêöèè îäèí êîíòàêò áûë íåîáõîäèì äëÿ àíàëîãîâîãî ââîäà, à îñòàëüíûå òðè äëÿ âûâîäà. Òàêèì îáðàçîì, â ðàññìàòðèâàåìîé ñõåìå ïîòðåáîâàëñÿ äîïîëíèòåëüíûé âûõîä. Ïî ýòîé ïðè÷èíå âûâîä MCLR â ýòîé ñõåìå èñïîëüçóåòñÿ â êà÷åñòâå âûõîäà. Äëÿ ïðîñòîòû íà Ðèñóíêå 1 ïîêàçàíà òîëüêî îäíà âûõîäíàÿ öåïü, ñâÿçàííàÿ ñ âûâîäîì GP3/MCLR. ×òîáû âûâîä GP3/MCLR ìîã ðàáîòàòü êàê âûõîä, â ñõåìå èñïîëüçóþòñÿ êîíôèãóðèðóåìûå ñëàáûå ïîäòÿãèâàþùèå ðåçèñòîðû, èìåþùèåñÿ â ýòîì ìèêðîêîí-

ÑÕÅÌÛ

òðîëëåðå. Êîíòàêò GP3/MCLR äîëæåí ðàáîòàòü íà âûâîä, äëÿ ÷åãî â ñëîâå êîíôèãóðàöèè ìèêðîêîíòðîëëåðà ñëåäóåò óñòàíîâèòü áèò ãëîáàëüíûé ñëàáîé ïîäòÿæêè. Õîòÿ èíäèâèäóàëüíîå êîíôèãóðèðîâàíèå ðåçèñòîðîâ ñëàáîé ïîäòÿæêè íåâîçìîæíî, ýòî íå ÿâëÿåòñÿ ïðîáëåìîé, ïîñêîëüêó âñå îñòàëüíûå êîíòàêòû íàñòðàèâàþòñÿ êàê àíàëîãîâûå âõîäû èëè öèôðîâûå âûõîäû. Ðåçèñòîðû ñëàáîé ïîäòÿæêè, â çàâèñèìîñòè îò íàïðÿæåíèé ïèòàíèÿ, èìåþò ñîïðîòèâëåíèÿ îò 20 äî 150 êÎì, ïîýòîìó äëÿ óïðàâëåíèÿ áîëåå ñèëüíîòî÷íûìè íàãðóçêàìè, òàêèìè êàê èçîáðàæåííûé ñâåòîäèîä. â ýòîé ñõåìå èñïîëüçóåòñÿ òðàíçèñòîð Q1. Ðåçèñòîð R1 çàêðûâàåò òðàíçèñòîð ïðè îòêëþ÷åíèè ïîäòÿæêè. Ïîñêîëüêó çàòâîð òðàíçèñòîðà óïðàâëÿåòñÿ ñîïðîòèâëåíèÿìè, ìàêñèìàëüíàÿ ÷àñòîòà ïåðåêëþ÷åíèÿ çàâèñèò îò âûáðàííîãî òðàíçèñòîðà. Íàèõóäøàÿ ñèòóà-

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

öèÿ âîçíèêàåò, êîãäà òðàíçèñòîð Q1 íóæíî âûêëþ÷èòü. Âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà Q1 îïðåäåëÿåòñÿ åãî åìêîñòüþ çàòâîð-èñòîê è ñîïðîòèâëåíèåì ðåçèñòîðà R1. Íàïðÿæåíèÿ ïðîãðàììèðîâàíèÿ äëÿ âûâîäà MCLR ðàâíû ïðèìåðíî 12 Â. Ñëåäîâàòåëüíî, òðàíçèñòîð Q1 äîëæåí âûäåðæèâàòü íàïðÿæåíèå çàòâîð-èñòîê, ïðåâûøàþùåå ýòî çíà÷åíèå. Äëÿ âûáðàííîãî MOSFET ýòî íàïðÿæåíèå ñîñòàâëÿåò ±18 Â. Ïî ýòîé ïðè÷èíå íå ñëåäóåò èñïîëüçîâàòü â ñõåìå öèôðîâûå MOSFET. Ýòó ñõåìó ìîæíî èñïîëüçîâàòü è ñ äðóãèìè ìèêðîêîíòðîëëåðàìè PIC, à òàêæå ïî÷òè ñî âñåìè ìèêðîêîíòðîëëåðàìè ñåìåéñòâà RS08KA êîìïàíèè Freescale. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Microchip PIC10F222 2. Datasheet Microchip 2N7002

95

LDO ðåãóëÿòîð ñ óëüòðàíèçêèì óðîâíåì øóìîâ Ken Yang EDN

Â

 ýëåêòðîííûõ ñèñòåìàõ èñïîëüçóåòñÿ ìíîæåñòâî ðàçëè÷íûõ ðåãóëÿòîðîâ ñ ìàëûì ïàäåíèåì íàïðÿæåíèÿ (LDO), íî îòíîñèòåëüíî íåìíîãèå èç íèõ ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ ïðèëîæåíèé ñ íèçêèìè óðîâíÿìè øóìîâ. (Íàïðèìåð, MAX8887 êîìïàíèè Maxim îáåñïå÷èâàåò øóìîâîå íàïðÿæåíèå îêîëî 42 ìê ñ. ê. ç.). Îäíàêî äëÿ íåêîòîðûõ ïðèëîæåíèé, òàêèõ êàê ñâåðõìàëîøóìÿùèå èçìåðèòåëüíûå ãåíåðàòîðû, òðåáóåòñÿ åùå áîëåå íèçêèé óðîâåíü øóìà èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ. ×òîáû äîñòè÷ü òàêîãî óðîâíÿ, â ñõåìå íà Ðèñóíêå 1 îáúåäèíåíû ìàëîøóìÿùèå êîìïîíåíòû è ýëåìåíòû äîïîëíèòåëüíîé ôèëüòðàöèè, ïîçâîëÿþùèå ïîëó÷èòü ìèíèìàëüíûé âûõîäíîé øóì âñåãî 6 íÂ/ÖÃö. Ìèêðîñõåìà IC 1 èñòî÷íèêà îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ (ÈÎÍ) MAX6126 îòëè÷àåòñÿ íèçêèì âûõîäíûì øóìîì. Ôèëüòð íèæíèõ ÷àñòîò R1C1 åùå áîëüøå óìåíüøàåò ýòîò øóì, îñëàáëÿÿ øóìîâûå ÷àñòîòû âûøå ÷àñòîòû

ñðåçà IC1, ðàâíîé 0.16 Ãö. Îòôèëüòðîâàííîå îïîðíîå íàïðÿæåíèå ïîäàåòñÿ íà èíâåðòèðóþùèé âõîä óñèëèòåëÿ îøèáêè IC2 (MAX4475), êîòîðûé ðåãóëèðóåò âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ñ ïîìîùüþ èñòîêîâîãî ïîâòîðèòåëÿ íà ìîùíîì p-êàíàëüíîì MOSFET Q1. Ðåçèñòîðû îáðàòíîé ñâÿçè R2 è R3 óñòàíàâëèâàþò âûõîäíîå íàïðÿæåíèå â ñîîòâåòñòâèè ñ ôîðìóëîé:

æ VOUT ö ÷÷ - 1.

R 2 = R 3 çç è 2.048  ø Óïðîùåííàÿ äëÿ øóìîâîãî àíàëèçà äèàãðàììà èëëþñòðèðóåò âêëàä êàæäîãî êîìïîíåíòà â îáùèé øóì (Ðèñóíîê 2). Ôèëüòð íèæíèõ ÷àñòîò R1C1 îñëàáëÿåò âûñîêî÷àñòîòíûå ñîñòàâëÿþùèå âûõîäíîãî øóìà ÈÎÍ. Øóìîâîé òîê îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ, ðàâíûé 0.5 ôÀ/ÖÃö, ïðåíåáðåæèìî ìàë ïî ñðàâíåíèþ ñ øóìîâûì íàïðÿæåíèåì 4.5 íÂ/ÖÃö.

VDD

2

OUTF

IN

C4 0.01 µF

OUTS IC1 MAX6126 1

C5 0.1 µF

3

_

6 C3 1 µF

VDD

C2 1 µF

+

C1 100 µF

Q1 FDN302P

IC2 MAX4475 +

R2 3.9k

NR GND

7

VDD

R1 10k

GNDS 4

VOUT C6 1 µF

R3 2.4k

Ðèñóíîê 1. Âûõîäíîé øóì ýòîãî LDO ðåãóëÿòîðà ñîñòàâëÿåò âñåãî 6 íÂ/Ö Ãö, ÷òî äåëàåò åãî èäåàëüíûì èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ äëÿ ìàëîøóìÿùèõ ãåíåðàòîðîâ.

96

ÑÕÅÌÛ

VN_OPAMP

R1

IC1

C1

VN_REF

_

+

Q1

IC2

IN_OPAMP +

VN_FETs

Ðèñóíîê 2.  ýòîé óïðîùåííîé âåðñèè ñõåìû Ðèñóíîê 1 âûäåëåíû èñòî÷íèêè øóìà äëÿ àíàëèçà.

Øóì èñòî÷íèêà îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ äîáàâëÿåòñÿ ê øóìîâîìó íàïðÿæåíèþ îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ, ïîñêîëüêó ôàêòè÷åñêè îíè ñîåäèíåíû ïîñëåäîâàòåëüíî. Ñîñòàâëÿþùàÿ øóìà, âíîñèìîãî MOSFET, ïîÿâëÿåòñÿ íà âûõîäå òðàíçèñòîðà Q1. Øóì íà èíâåðòèðóþùåì âõîäå ìèêðîñõåìû IC2 ðàâåí øóìó íà åãî íåèíâåðòèðóþùåì âõîäå:

æ R3 ö ÷÷ VN _ REFH( f ) + VN _ OPAMP = VN _ OUT çç è R2 + R3 ø è

æ R + R3 ö ÷÷ , VN _ OUT = ( VN _ REFH( f ) + VN _ OPAMP ) çç 2 è R3 ø 10,000 ÏËÎÒÍÎÑÒÜ ØÓÌÀ (íÂ/ÖÃö)

MAX8887 1000

ÑÕÅÌÀ ÍÀ ÐÈÑ. 1

100

IOUT = 100 ìÀ VDD = 3.4 Â, VOUT = 3.3 Â

10

ÈÇÌÅÐÈÒÅËÜ ØÓÌÀ 1 10

100 ×ÀÑÒÎÒÀ (Ãö)

1000

Ðèñóíîê 3. Ãðàôèê çàâèñèìîñòè ïëîòíîñòè øóìà îò ÷àñòîòû äëÿ ñõåìû LDO íà Ðèñóíêå 1 ïðîõîäèò íà 38 äÁ íèæå, ÷åì ó îáû÷íîãî ìàëîøóìÿùåãî LDO ðåãóëÿòîðà, – â äàííîì ñëó÷àå, MAX8887.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

ãäå VN_OUT – âûõîäíîé øóì LDO ðåãóëÿòîðà, VN_REF – øóì èñòî÷íèêà îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ, VN_OPAMP – ïðèâåäåííûé ê âõîäó øóì ÎÓ, H(f) – ïåðåäàòî÷íàÿ ôóíêöèÿ ôèëüòðà íèæíèõ ÷àñòîò R1C1. Åñëè èíòåðåñóþùàÿ øóìîâàÿ ÷àñòîòà îêàçûâàåòñÿ çíà÷èòåëüíî íèæå ÷àñòîòû ñðåçà ôèëüòðà, øóìîì ÈÎÍ ìîæíî ïðåíåáðå÷ü, è âûõîäíîé øóì ñõåìû LDO ñîñòîèò òîëüêî èç øóìà îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ, óìíîæåííîãî íà êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ñ îáðàòíîé ñâÿçüþ. Ïåòëÿ îáðàòíîé ñâÿçè ïîäàâëÿåò øóì VN_FET, âíîñèìûé MOSFET, ïîýòîìó åãî âêëàä ìîæåò íå ó÷èòûâàòüñÿ. Äëÿ ÷àñòîò â ïðåäåëàõ ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ êîíòóðà îáðàòíîé ñâÿçè ñõåìà LDO òàêæå ïîäàâëÿåò ïóëüñàöèè è øóìîâûå íàïðÿæåíèÿ, ñîçäàâàåìûå èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ. Íà Ðèñóíêå 3 ïîêàçàí ãðàôèê çàâèñèìîñòè ïëîòíîñòè øóìà îò ÷àñòîòû äëÿ ñõåìû íà Ðèñóíêå 1, ìèíèìàëüíûé óðîâåíü êîòîðîé ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 6 íÂ/ÖÃö íà ÷àñòîòå 1 êÃö. Äëÿ ñðàâíåíèÿ íà ãðàôèêå òàêæå ïîêàçàíà øóìîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà èçìåðèòåëÿ øóìà è ãîðàçäî áîëåå âûñîêàÿ ïëîòíîñòü øóìà òèïè÷íîé ñõåìû LDO – íàïðèìåð, 500 íÂ/ÖÃö íà ÷àñòîòå 1 êÃö äëÿ ìàëîøóìÿùåãî LDO ðåãóëÿòîðà MAX8887. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Maxim MAX4475 2. Datasheet Maxim MAX6126 3. Datasheet Maxim MAX8887 4. Datasheet Fairchild FDN302P

97

Îäíîïðîâîäíûé èíòåðôåéñ êëàâèàòóðû äëÿ ìèêðîêîíòðîëëåðà Israel Schleicher EDN

 áîëüøèíñòâå êëàâèàòóð íàæàòèå êëàâèøè çàìûêàåò êîíòàêò, ñîåäèíÿþùèé äâå ëèíèè ìàòðèöû XY. Åñëè äëÿ îáíàðóæåíèÿ çàìûêàíèÿ êîíòàêòà èñïîëüçóåòñÿ ìèêðîêîíòðîëëåð, ïðîâåðêà ñîñòîÿíèÿ (X+Y) ëèíèé òðåáóåò òàêîãî æå êîëè÷åñòâî ïîðòîâ ââîäà/âûâîäà. Ñõåìà íà Ðèñóíêå 1, çàíèìàþùàÿ òîëüêî îäèí ñâîáîäíûé êîíòàêò ââîäà/âûâîäà, âçàèìîäåéñòâóåò ñ ìèêðîêîíòðîëëåðîì, ãåíåðèðóÿ îäèí èìïóëüñ êàæäûé ðàç, êîãäà ïðîèñõîäèò íàæàòèå êëàâèøè. Øèðèíà èìïóëüñà ïðîïîðöèîíàëüíà íîìåðó íàæàòîé êëàâèøè, è ìèêðîêîíòðîëëåð îïðåäåëÿåò íàæàòóþ êëàâèøó, èçìåðÿÿ øèðèíó èìïóëüñà. Ìèêðîñõåìà IC2 òèïà LMC555 – ÊÌÎÏ âåðñèÿ ïîïóëÿðíîãî òàéìåðà 555 – ðàáîòàåò êàê ìîíîñòàáèëüíûé ìóëüòèâèáðàòîð. Êîãäà ñõåìà íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè ïîêîÿ, âíóòðåííèé òðàíçèñòîð íà âûâîäå 7 øóíòèðóåò êîíäåíñàòîð C6, è âûõîä òàéìåðà (âûâîä 3) îñòàåòñÿ â ñîñòîÿíèè «ëîã. 0». Íàæàòèå ëþáîé êëàâèøè íà êëàâèàòóðå ñîåäèíÿåò äâà ðåçèñòîðà èç äâóõ ãðóïï – R1 è R2 â îäíîé ãðóïïå è R3, R4 è R5 â äðóãîé – ïîñëåäîâàòåëüíî ñ R6. Ñóììà ñîïðîòèâëåíèé äâóõ ðåçèñòîðîâ èçìåíÿåòñÿ ñ øàãîì 10 êÎì, à îáùåå ñîïðîòèâëåíèå ïðîïîðöèîíàëüíî íîìåðó íàæàòîé êëàâèøè. Ïðè íàæàòèè ëþáîé êëàâèøè òîê èäåò ÷åðåç ðåçèñòîðû R6, R7 è âûáðàííûå ðåçèñòîðû êëàâèàòóðû è óâåëè÷èâàåò íàïðÿæåíèå íà âûâîäå 7 ìèêðîñõåìû IC2. Ïîñëå òîãî, êàê

98

êîíäåíñàòîð C1 çàðÿäèòñÿ ñ íåáîëüøîé çàäåðæêîé, äîñòàòî÷íîé äëÿ óñòðàíåíèÿ äðåáåçãà êîíòàêòîâ êëàâèàòóðû ïðè çàìûêàíèè, ÊÌÎÏ êîìïàðàòîð IC1 îáíàðóæèâàåò íåáîëüøîå ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà ðåçèñòîðå R7. Óðîâåíü âûõîäíîãî ñèãíàëà ìèêðîñõåìû IC1 (âûâîä 6) èçìåíÿåòñÿ ñ 5  äî 0 Â, è ýòîò ïåðåïàä çàïóñêàåò ìèêðîñõåìó IC2 ïî âõîäó 2. Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå òàéìåðà IC2 (âûâîä 3) ñòàíîâèòñÿ âûñîêèì è íà÷èíàåò çàðÿæàòü êîíäåíñàòîð C6 ñ ïîñòîÿííîé âðåìåíè, çàâèñÿùåé îò âûáðàííîé êëàâèøè. Êîãäà íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå äîñòèãàåò äâóõ òðåòåé VCC, èëè 3.333 Â, óðîâåíü íàïðÿæåíèÿ íà âûâîäå 3 ñòàíîâèòñÿ íèçêèì, è êîíäåíñàòîð C6 ðàçðÿæàåòñÿ. Øèðèíà T âûõîäíîãî èìïóëüñà ìèêðîñõåìû IC2 ðàññ÷èòûâàåòñÿ ïî ôîðìóëå: T = 1.1 × RS × C6, ãäå RS ðàâíî ñóììå ñîïðîòèâëåíèé âûáðàííûõ ðåçèñòîðîâ êëàâèàòóðû è íàõîäèòñÿ â äèàïàçîíå îò 10 äî 120 êÎì. Øèðèíà èìïóëüñà èçìåíÿåòñÿ îò 110 äî 1320 ìêñ ñ øàãîì 110 ìêñ. Íàèìåíüøåå îòíîñèòåëüíîå èçìåíåíèå øèðèíû èìïóëüñà ïðîèñõîäèò ïðè íàèáîëüøåì ñîîòíîøåíèè äëèòåëüíîñòåé èìïóëüñîâ, êîòîðîå ðàâíî 110/1320 èëè 8.33%. Ýòî ñîîòíîøåíèå îáåñïå÷èâàåò äîñòàòî÷íûé çàïàñ, ïîçâîëÿþùèé èñïîëüçîâàòü êîìïîíåíòû ñî ñòàíäàðòíûìè äîïóñêàìè ±1% èëè ëó÷-

ÑÕÅÌÛ

5Â

+ C 1

R7 470

100 µF

R8 220k R9 100k R10 1k

R1 10k 0.5%

1

4

7

*

2 _ 3 +

7 IC1

R12 27k

LMC7211 6

4

2

5

8

0

+ C 4

C2 1 nF

4.7 µF

R11 2M R2 10k 0.5%

C5 100 nF

R15 100k

R13 4.99k 0.5%

4 R

ÍÀ ÂÕÎÄ ÂÍÅØÍÈÕ ÏÐÅÐÛÂÀÍÈÉ ÌÈÊÐÎÊÎÍÒÐÎËËÅÐÀ

3 Q IC2 7 LMC555 DIS 5 CV 6 THR GND R14 10k 1 0.5% 2

C3 10 nF

8 VCC

TR

3

6

9

#

R3 30k 0.5% R4 30k 0.5%

R6 10k 0.5%

C6 10 nF 1%

R5 30k 0.5%

ÊËÀÂÈÀÒÓÐÀ

Ðèñóíîê 1. Äâå ìèêðîñõåìû îáðàçóþò êëàâèàòóðó ñ ØÈÌ-èíòåðôåéñîì, òðåáóþùèì ëèøü îäíîãî âõîäíîãî âûâîäà ìèêðîêîíòðîëëåðà.

øèå (êîìïîíåíòû ñõåìû íà Ðèñóíêå 1 èìåþò äîïóñêè ±0.5% è ±1%). Ðåçèñòîðû R13 è R14 êîìïåíñèðóþò ðàçáðîñ ñîïðîòèâëåíèé âíóòðåííèõ äåëèòåëåé íàïðÿæåíèÿ IC2, óñòàíàâëèâàÿ íàïðÿæåíèå íà âûâîäå 5 ðàâíûì äâóì òðåòÿì íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ VCC. Âûõîäíîé èìïóëüñ ñõåìû êëàâèàòóðû óïðàâëÿåò âõîäîì âíåøíèõ ïðåðûâàíèé (RA2) ìèêðîêîíòðîëëåðà PIC16F630. Ïðîöåäóðà îáðàáîòêè ïðåðûâàíèé ìèêðîêîíòðîëëåðà PIC16F630 èçìåðÿåò øèðèíó èìïóëüñà,

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

ïðîâåðÿåò, íàõîäèòñÿ ëè åãî äîïóñê â ïðåäåëàõ ±40 ìêñ, è âîçâðàùàåò ÷èñëîâîå çíà÷åíèå îò 1 äî 12, ñîîòâåòñòâóþùåå íàæàòîé êëàâèøå.  êà÷åñòâå çàùèòû îò îøèáî÷íûõ äàííûõ ïðîöåäóðà âîçâðàùàåò êîä îøèáêè, åñëè øèðèíà èìïóëüñà âûõîäèò çà óñòàíîâëåííûå ïðåäåëû. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Texas Instruments LMC555 2. Datasheet Texas Instruments LMC7211-N

99

Êàê ÿ ñäåëàë Open Source ìîíèòîð êà÷åñòâà âîçäóõà

icaRUS Ñàâêèí Ñåðãåé

Ç

Çà ñóòêè ÷åëîâåê âäûõàåò 12,000 ëèòðîâ èëè 14 êã âîçäóõà. Äàæå ïðè ìàëåéøåé êîíöåíòðàöèè âðåäíûõ âåùåñòâ ñóììàðíî çà ãîä íàáåãàåò ïðèëè÷íàÿ ìàññà. Òóìàí ìîæåò áûòü íå ïðîñòî êîíäåíñàòîì âîäû, íî åùå è ñìîãîì, ñîñòîÿùèì èç âñåâîçìîæíûõ îïàñíûõ âåùåñòâ. Ïîãîâîðèì òîëüêî î ÷àñòè òàêèõ âåùåñòâ. Ïîìèìî ïûëè ÷åëîâåê âäûõàåò ëåòó÷èå îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ (VOC). Ýòî øèðîêèé êëàññ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, âêëþ÷àþùèé àðîìàòè÷åñêèå óãëåâîäîðîäû, àëüäåãèäû, ñïèðòû, êåòîíû, òåðïåíîèäû è äð. Ê ïðèìåðó, ÷åëîâåê çà îäèí ãîä ñïîêîéíî ìîæåò âäîõíóòü 6.5 ãðàììîâ êåòîíîâ (òîêñè÷íîå âåùåñòâî). Ýòî ïðèìåðíî ïîëîâèíà ñòîëîâîé ëîæêè àöåòîíà. Íàâåðíîå, âäûõàòü àöåòîí íå ïîëåçíî, íî êàê óçíàòü, ÷òî â íàøåì âîçäóõå ìíîãî ëåòó÷èõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäè-

Ðèñóíîê 1. Êîðïóñ è ïëàòà ìîíèòîðà êà÷åñòâà âîçäóõà icaRUS.

100

íåíèé? Íàøå ïðàâèòåëüñòâî òîæå çàäóìûâàåòñÿ îá ýòîì, íî ñåãîäíÿ ìû ïîãîâîðèì îá îòêðûòîì ïðîåêòå icaRUS (Ðèñóíîê 1). Âñå íà÷èíàþùèå àðäóèíùèêè ïåðâûì äåëîì äåëàþò òåìïåðàòóðíûé äàò÷èê, ìû æå ïîéäåì ÷óòü äàëüøå. Áóäåì ìîíèòîðèòü íå òîëüêî òåìïåðàòóðó, íî åùå âëàæíîñòü, àòìîñôåðíîå äàâëåíèå è ñîáñòâåííî êîíöåíòðàöèþ VOC.

Ñâÿçü  ñîâðåìåííîì ìèðå íóæåí èìåííî áåñïðîâîäíîé äàò÷èê, ïîýòîìó ïðîæîðëèâûå âàðèàíòû òèïà 3G/4G/Wi-Fi ïîêà îòìåòàåì. Ëîêàëüíûå ðåøåíèÿ Zigbee/Z-wave/Bluetooth òÿæåëî ìàñøòàáèðóþòñÿ. Öåíà òîæå èãðàåò ðîëü, ïîýòîìó NB-IoT/CAT-M òîæå ïîêà íå áóäåì ðàññìàòðèâàòü. Âîçìîæíî, â ñêîðîì âðåìåíè öåíà íà ìîäóëè ñíèçèòñÿ, íî ñåé÷àñ öåíà êîìïîíåíòîâ òîëüêî ðàñòåò. Ñàìàÿ ïîäõîäÿùàÿ ñâÿçü, îñòàþùàÿñÿ äëÿ ñåíñîðîâ, – ýòî – LPWAN [1].  ìèðå åñòü íåñêîëüêî êîíêóðèðóþùèõ òåõíîëîãèé; ÿ ïîäðîáíî ðàññìîòðåë êàæäóþ èç íèõ è ñòîëêíóëñÿ ñî ñëîæíîñòüþ ïîèñêà ðàáî÷åé ñåòè ñ ïîêðûòèåì â Ìîñêâå. Åñòü ïîïóëÿðíûå LoRaWAN è SigFox, íî âûáîð ïàë íà îòå÷åñòâåííóþ òåõíîëîãèþ. Äëÿ ìåíÿ ñàìîé ïîäõîäÿùåé ñâÿçüþ â Ðîññèè îêàçàëàñü ñåòü íà áàçå ðîññèéñêîãî ïðîòîêîëà

ÑÕÅÌÛ

áàçîâûå ñòàíöèè è ïîñòàâèòü êóäà íàäî). Îäíàêî â Ìîñêâå ó êîìïàíèè îêàçàëîñü ïîêðûòèå, è ìíå äàëè ê íåìó äîñòóï äëÿ ìîåãî óñòðîéñòâà. Ñâÿçü ðåàëèçóåòñÿ ÷åðåç ÷èï WA1470. Ìîæíî áûëî âçÿòü ãîòîâûé ìîäóëü, íî ÿ ðåøèë ïîéòè ïî ñëîæíîìó ïóòè (Ðèñóíîê 2).

Ñåíñîðû Èçíà÷àëüíî ïëàíèðîâàëîñü óñòàíîâèòü ñåíñîð SGP30, êîòîðûé êîñâåííî ìîæåò äàâàòü èíôîðìàöèþ î êîíöåíòðàöèè CO2.  ïåðâîé ðåâèçèè ïëàòû (Ðèñóíîê 3) âñå ðàáîòàëî, íî, âèäèìî, ïðè ïåðåïàéêå íà âòîðóþ ÿ ÷òî-òî íàæàë, è âñå ñëîìàëîñü. Âçÿë SGP40, êàê ðåêîìåíäóåò ïðîèçâîäèòåëü. Ðèñóíîê 2. Ïå÷àòíàÿ ïëàòà ñ àêêóìóëÿòîðîì (âèä ñâåðõó).

èíòåðíåòà âåùåé NB-Fi [2]. Ñêàæó ñðàçó, ÷òî ïîêðûòèå NB-Fi êîìïàíèÿ ñòðîèò äëÿ êîðïîðàòèâíûõ çàêàç÷èêîâ (òî åñòü,. ìîæíî êóïèòü

Ñàìè ñåíñîðû íå ïðîâåðÿëèñü íà ñîîòâåòñòâèå ðåàëüíûì ïîêàçàíèÿì. Ïðè æåëàíèè èõ ìîæíî îòêàëèáðîâàòü è ïîäàòü íà àòòåñòàöèþ. Ñåé÷àñ ïðîâåðÿëàñü ñàìà âîçìîæíîñòü ñäåëàòü äàò÷èêè êà÷åñòâà âîçäóõà áåñïðîâîäíûìè.

ÐàäèîËîöìàí.Öåíû www.rlocman.ru/price Ïîäáåðèòå îïòèìàëüíîãî ïîñòàâùèêà ýëåêòðîííûõ êîìïîíåíòîâ, èçìåðèòåëüíîé è ýëåêòðîííîé òåõíèêè. Öåíû, óñëîâèÿ ïîñòàâêè è äîñòàâêè.

Ïðèãëàøàåì äèñòðèáüþòîðîâ ýëåêòðîííûõ êîìïîíåíòîâ è ïðèáîðîâ

SB1

L1

VBAT Jumper GB1 Solder

C4

3.7V 1000mAh

1µ 16V

VCC C1

C3

C8

120R 1.3A

4.7µ 6.3V

0.1µ 16V

1µ 16V

120R 1.3A

VCCA

VBAT

VCC

VR1

L2

Vin C51

VCC_RADIO

4.7µ H7605-18MR 6.3V

L3 120R 1.3A

Vout GND

VDD

C52 4.7µ 6.3V

C23 4.7µ 6.3V D1

C5

C10

C12

C15

C19

C21

0.1µ 6.3V

0.1µ 16V

0.1µ 16V

0.1µ 16V

0.1µ 16V

0.1µ 16V

20

CHIPVCC

CHIPVCC

SPI1_NSS SPI1_SCK SPI1_MISO SPI1_MOSI

12 9 10 11 6 7 16 24 23 22

CHIP_IRQ CHIPVCC

DA1 1

CHIPVCC C2 1µ 16V

Vin

ZQ1 Vout

5

4

VCC

C17

3 EN 2 GND

N/C

4

1µ 16V

NCP502SQ18T2G

2

TCXO

GND

C24 OUT GND

3 1

1000p 50V

R3 1M 1%

NCS SCLK MISO MOSI BPSK_IN

27 RX_INP 26 RX_INN

DFT_EN NC TMUX2 TMUX3 TMUX4

VDD_IO VDD_PA VDD_BB VDD_PLL VDD_BIAS VDD_LNA VDD_MIX VDDQ

8 TRX_IRQ 1 NC 18

R2 1M 1%

31 TX_OUTP 30 TX_OUTN

CHIP_EN

XTAL_IN

14 GND_IO 29 GND_PA 32 GND_PA 33 PPAD

15 3 4 19 21 25 28 17

CHIPVCC

2 LDO_PA 5 ADC_REF 13 DLDO_1.1V

LDO_PA RX_EN C26 C25

SWS1470-A0QFN32

0.1µ 16V

0.1µ 16V

26MHz 2ppm

C28 0.1µ 16V

R4 HL2

470R 1%

+5V

VBAT

U3

1 3

VBAT C54 4.7µ 6.3V

R5 10k 5%

4

6 5 4

VDD PROG

+5V

U4 ESDA5V3SC6

C53

STAT 4.7µ 6.3V

VBAT VSS

VCC

2

MCP73831T-2ATI/OT

X2 +5V

VCCA

N

Name

1

5V

C7

C9

C13

C16

2

D-

4.7µ 6.3V

1µ 16V

1µ 16V

0.1µ 25V

3

D+

4

ID

C55 4.7µ 6.3V

VCCA

1 2 3

5

5

GND

6

SHIELD

7

SHIELD

8

SHIELD

9

SHIELD

C14

C18

C20

C22

10

SHIELD

4.7µ 6.3V

1µ 16V

1µ 16V

0.1µ 25V

11

VDD

U2 VCCA

SHIELD

VDD VDDH SDA R VSS SCL DIEPAD

R14 10k 1%

VDD

R15 10k 1% I2C_SDA I2C_SCL

SGP30

1981568-1

Ðèñóíîê 4. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà Open Source

102

ÑÕÅÌÛ

LDO_PA

C34

L6 82nH C29

L8

L12

12nH

100p 50V

C32 100p 50V

L7 82nH

12nH C37

L11 12nH C36 3.6p 50V

LDO_PA

L4 82nH

6.2p 50V

C31

2.7p 50V L13 12nH

L9

L5 82nH

RF2

VDD

CTRL

GND

ANT

C30

C33

2.7p 50V

2.7p 50V L10 10nH

C58

100p 50V 4

1.5p 50V

CHIPVCC C47

BGS12WN6E6327XTSA1

0.1µ 16V

C40

10nH

1.2p 50V

RFC

5

2

RX_NEN 6

2.7p 50V

SW

RF1

1

C35

2.7p 50V

C27

C46 DA2 3

C38 100p 50V 1.5p 50V

VT2 PMF170XP

R12

VCC_RADIO

CHIPVCC C48 1R 1%

VBAT

0.1µ 16V R1 2M 1%

DD1

VDD

R9 10k 1%

6 7 USART_RX_TX 8 SPI1_BME_SEL 9 10 SPI1_SCK 11 12 SPI1_MOSI 13 18 I2C_SCL 19 I2C_SDA 20 SPI1_MISO 21 22 SWDIO 23 SWCLK 24 25 NRST

SW1 EVQP7J01P

PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PA8 PA9 PA10 PA11 PA12 PA13 PA14 PA15

4

MCU

PB0 PB1 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7

31

C56 1µ 16V CHIPVCC

C49 ZQ2

OSC32_OUT

5 VDDA 1 VDD 17 VDD

nRST

R7 1M 1%

LED_RED CHIP_NPWR CHIP_IRQ SPI1_NSS

OSC32_IN

PC15-OSC32_OUT 3

R10 1k 1% RX_NEN

20p 50V C50 32.768 kHz 20p 50V

RX_EN

VT1 PDTC143ZE

VDD

32 VSS 16 VSS 33 PPAD

C39 0.1µ 16V

CHIP_NPWR

14 15 26 27 28 29 30

PC14-OSC32_IN 2

R11 1k 1%

BOOT0 STM32L412K8Ux

VBAT

VD1 RB520S30

J1 1

USART_RX_TX

61300111121

8 6

VCCA VDD C41

C42

C43

C44

C45

4.7µ 6.3V

0.1µ 16V

0.1µ 16V

0.1µ 16V

0.1µ 16V

C6

C11

1µ 16V

0.1µ 25V

SCK SDI SDO CSB VDD VDDIO

C57

X1

U1 4 SPI1_SCK 3 SPI1_MOSI 5 SPI1_MISO SPI1_BME_SEL 2

1 GND 7 GND

BME280

Name

N

VCC

1

GND

2

NRST

3

SWDIO

4

SWCLK

5

PLS-5

1µ 16V

VD2

NRST

RB520S30 VD3

VDD

SWCLK

RB520S30 VBAT

LED_RED

R6 470R 1%

HL1 SWDIO

R8 10k 1%

R13 10k 1% VT3 FDV303N

ìîíèòîðà êà÷åñòâà âîçäóõà icaRUS.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

103

íûé ñòàáèëèçàòîð íàïðÿæåíèÿ; ïëàíèðóåòñÿ ïåðåéòè íà áîëåå ýôôåêòèâíîå ðåøåíèå.

Ñõåìà è ïå÷àòíàÿ ïëàòà Âñå èñõîäíèêè icaRUS ìîæíî íàéòè ïî ññûëêå [3]. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà ìîíèòîðà ïîêàçàíà íà Ðèñóíêå 4. Ïëàòà äåëàëàñü â Altium Designer ñ íåáîëüøîé ïîìîùüþ àâòîðàçâîäêè Eremex Topor (Ðèñóíîê 5).

Ðèñóíîê 3. Ïåðâûé ïðîòîòèï, åùå áåç ïîäïàÿííîãî äàò÷èêà SGP30.

Äëÿ ðàñ÷åòà VOC òðåáóåòñÿ ñîîáùèòü ñåíñîðó SGP40 âëàæíîñòü è òåìïåðàòóðó; äëÿ ýòîãî óñòàíîâèë BME280. Ïîïóòíî ýòîò ñåíñîð óìååò ðåãèñòðèðîâàòü àòìîñôåðíîå äàâëåíèå.

Ìèêðîêîíòðîëëåð Âûáðàí ìèêðîêîíòðîëëåð STM32L412KB îò STMicroelectronics. Îí èìååò ìàëîå ýíåðãîïîòðåáëåíèå, áûë â íàëè÷èè è ñîäåðæèò ìíîãî ïàìÿòè.

Ïèòàíèå Äëÿ àâòîíîìíîñòè óñòàíîâèë Li-ion àêêóìóëÿòîð åìêîñòüþ 180 ìÀ·÷.  äàëüíåéøåì ïëàíèðóåòñÿ óâåëè÷èòü åìêîñòü. Çàðÿäêà îñóùåñòâëÿåòñÿ ÷åðåç ðàçúåì Micro-USB. Äëÿ ïèòàíèÿ âñåé ñõåìû èñïîëüçóåòñÿ ëèíåé-

Ðèñóíîê 6. Ìîäåëü äëÿ ðàñ÷åòà àíòåííû.

Àíòåííà Àíòåííà (Ðèñóíîê 6) ðàññ÷èòûâàëàñü ïîä 868 ÌÃö ñ ó÷åòîì ðàñïîëîæåíèÿ äàò÷èêà íà áåòîííîé ñòåíå. Ïî ðàñ÷åòàì ÊÑ = 1.1, ïîñëå ïàéêè è íàñòðîéêè ïîëó÷èëîñü 1.2. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ ìîæíî óâèäåòü íà Ðèñóíêàõ 7 è 8.

Ñáîðêà Ïàÿòü òàêèå êîðïóñà ìèêðîñõåì â êóñòàðíûõ óñëîâèÿõ î÷åíü òÿæåëî, ÿ áû íå ñìîã òàê –5.00 –7.50 –10.00 äÁ(S(1,1))

–12.50 –15.00 –17.50 –20.00 –22.50 –25.00 –27.50 837.50

Ðèñóíîê 5. Ïå÷àòíàÿ ïëàòà.

104

850.00

862.50 875.00 ×àñòîòà [ÌÃö]

887.50

900.00

Ðèñóíîê 7. Êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ âîëíû.

ÑÕÅÌÛ

2.75 2.50

ÊÑÂ(1)

2.25 2.00 1.70 1.50 1.25 1.00 837.50

850.00

862.50 875.00 ×àñòîòà [ÌÃö]

887.50

900.00

Ðèñóíîê 8. Êîýôôèöèåíò ñòîÿ÷åé âîëíû.

Ðèñóíîê 10. Êîðïóñ (âèä ñáîêó).

ñäåëàòü àêêóðàòíî. Ñïàñèáî çà ïîìîùü äðóçüÿì! Ñîáèðàëè ñ ïîìîùüþ ïàñòû, íèæíåãî ïðåäíàãðåâàòåëÿ, ïàÿëüíîãî ôåíà è êåðàìè÷åñêîãî ïàÿëüíèêà. È âñ¸ ïîëó÷èëîñü: ðåçóëüòàòû ìîæåòå ïîñìîòðåòü íà Ðèñóíêå 9.

Ðèñóíîê 9. Ïàéêà òðàíñèâåðà WA1470.

Êîðïóñ Êîðïóñ (Ðèñóíêè 10 è 11) âûáèðàëñÿ äëÿ óñòàíîâêè âíóòðè ïîìåùåíèé, òàê êàê ëþäè ïðîâîäÿò, êàê ìèíèìóì, òðåòü ñâîåé æèçíè â ïîìåùåíèÿõ. Êîðïóñ äèàìåòðîì 90 ìì èìååò ñúåìíîå êðåïëåíèå íà ñòåíó, îòâåðñòèå ïîä Micro-USB è îòâåðñòèå ïîä êíîïêó.

Ñîôò Äàííûå îòïðàâëÿåì êàæäûé ÷àñ ñ ïðîöåíòíûì ðàñõîäîì ïåðåäàâàåìûõ ïîêàçàòåëåé êàæäûå 2.5 ìèíóòû. Òî åñòü, äàííûå ïåðåäàþòñÿ ðàç â ÷àñ, íî ñ äîïîëíèòåëüíîé èíôîðìàöèåé âíóòðè ÷àñà. Îïèñàíèå ñàìîãî ïðîòîêîëà ìîæíî ïîñìîòðåòü â [4]. Ïîêà ÷òî íå ðåàëèçîâàë ôóíêöèîíàë ñâåòîäèîäà è íå ñòàë âïàèâàòü êíîïêó ñáðîñà. Ñàìûì áîëüøèì âîïðîñîì áûëî îáùåíèå ñ WA1470. Äîêóìåíòàöèè íåìíîãî, åñòü òîëü-

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

Ðèñóíîê 11. Ïëàòà â êîðïóñå.

êî áèáëèîòåêà [5], â êîòîðóþ ìîæíî èíòåãðèðîâàòüñÿ. Ñàì ÷èï îáùàåòñÿ ïî SPI è èìååò åùå äâà âûâîäà: îäèí – ýòî âûõîä äëÿ ïîäà÷è ïðåðûâàíèé, à âòîðîé – âõîä äëÿ âêëþ÷åíèÿ èëè âûêëþ÷åíèÿ âñåé ìèêðîñõåìû. Åñòü âîçìîæíîñòü âçÿòü ïðîñòî ìîäóëü è îáùàòüñÿ ÀÒ-êîìàíäàìè.

Ïîòðåáëåíèå ýíåðãèè Èçìåðåíèÿ ñ ïåðèîäîì â 30 ñåêóíä ïîòðåáëÿþò 15.6 ìêÀ. Âìåñòå ñ ïåðåäà÷åé ðàç â ÷àñ ïîëó÷àåòñÿ 405 ìêÀ. Ýòî çíà÷èò, ÷òî íà àêêóìóëÿòîðå äàò÷èê ïðîðàáîòàåò âñåãî 18 äíåé (Ðèñóíîê 12). Íî òóò ñåé÷àñ ïåðåäàåòñÿ ìíîãî èçáûòî÷íîé èíôîðìàöèè, è â ðåàëüíîñòè òàêèå ÷àñòûå èçìåðåíèÿ íå íóæíû. Êðîìå òîãî, ñåé÷àñ ñòîèò àêêóìóëÿòîð íè÷òîæíî ìàëîé åìêîñòè 180 ìÀ·÷. Åñëè ïðîñòî âñòàâèòü áàòàðåéêó òèïîðàçìåðà ÀÀ, òî ïîëó÷àåòñÿ óæå 260 äíåé àâòîíîìíîñòè.

105

Ñåòü è äàííûå Äàëåå äàííûå ïîïàäàþò íà ñåðâåð NB-Fi, ãäå èõ ìîæíî áóäåò ïîëó÷èòü ÷åðåç API.

Òåõíè÷åñêèå îñîáåííîñòè ðàáîòû ñ ñåðâåðàìè Ïîñëå îáùåíèÿ ñî ñëóæáîé òåõíè÷åñêîé ïîääåðæêè íåîáõîäèìî çàðåãèñòðèðîâàòüñÿ íà ñàéòå [6]. Äàëåå ïðè ïîêóïêå ÷èïîâ WA1470 íóæíî çàïðîñèòü ID ñ êëþ÷àìè, êîòîðûå çàøèâàþòñÿ âî Flash ïàìÿòü ìèêðîêîíòðîëëåðà ïî àäðåñó 0x0801FF80. Ñàìè ñîîáùåíèÿ â ãðàôè÷åñêîì èíòåðôåéñå ìîæíî áóäåò ïîñìîòðåòü íà ñàéòå [6].

Ðèñóíîê 12. Ïðîôèëü ýíåðãîïîòðåáëåíèÿ. Âèäíû ïåðåäà÷è êàæäûé ÷àñ.

Àâòîðèçàöèÿ èä¸ò ñîãëàñíî [6]: POST https://auth.waviot.ru/?action=user-login&true_api=1 Content-type: application/json X-requested-with: XMLHttpRequest {"login": "example@example.com","password":"your_password"} è [7]: /api/dl?modem_id=8407701&from=1574780505&to=1574783503&limit=2 Íåîáõîäèìî åùå äîáàâèòü JWT òîêåí, ïîëó÷åííûé ïîñëå àâòîðèçàöèè. Êàê äîáàâëÿòü JWT, ìîæíî ïîñìîòðåòü â ýòèõ ïðèìåðàõ [8].

GET https://lk.waviot.ru/api.modem/full_info/?id=[âàø ID] Authorization: bearer [JWT]

Êóäà âûâîäèòü ïîëó÷åííóþ èíôîðìàöèþ? Ýòîò âîïðîñ ìîæíî ðåøèòü ðàçíûìè ñïîñîáàìè. Íàøåë èíòåðåñíóþ ïëàòôîðìó íàðîäíîãî ìîíèòîðèíãà. Ñþäà ìîæíî äîáàâèòü ïî÷òè ëþáîé ñåíñîð. Ó äàííîé ïëàòôîðìû åñòü îäèí íåäîñòàòîê – äëÿ îáùåäîñòóïíîé ïóáëèêàöèè íåîáõîäèìà óñòàíîâêà äàò÷èêîâ ñíàðóæè çäàíèé. Ôîðìàò ïåðåäà÷è äàííûõ äëÿ ñàéòà íàðîäíîãî ìîíèòîðèíãà [9] îïèñàí íà í¸ì â ðàçäåëå Ñïðàâêà -> API ïåðåäà÷è äàííûõ.

Ðåçóëüòàòû ïåðåäà÷è äàííûõ  äàëüíåéøåì ïëàíèðóåòñÿ ïðîâåñòè âàëèäàöèþ äàííûõ, ïîëó÷åííûõ îò äàò÷èêà VOC. Íà Ðèñóíêå 13 ïðèâåäåí ãðàôèê êîíöåíòðàöèè ëåòó÷èõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé

1=6

Ìàñøòàá 1h

1000

1d

1w

1m

1y

All

1 <= TVOC <= 943

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 13.Íîÿ 03.00 06.00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 14.Íîÿ 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 15.Íîÿ 03:00 06:00 09:00

Ðèñóíîê 13. Ãðàôèê VOC ïîëó÷åííûé ñ íàøåãî äàò÷èêà.

çà 2 äíÿ. Ïèê ïîêàçàíèé áûë â ïîëíî÷ü 13 íîÿáðÿ íà óðîâíå 940 ppm. Ñðàâíåíèå ãðàôèêà èçìåíåíèÿ âëàæíîñòè, ïðåäñòàâëåííîãî íà ñàéòå Ãèäðîìåòöåíòðà (Ðèñóíîê 14), ñ íàøèì äàò÷èêîì âëàæíîñòè (Ðèñóíîê 15), ïîêàçûâàåò õîðîøåå ñîâïàäåíèå.

ÑÕÅÌÛ

Ðèñóíîê 14. Äàííûå âëàæíîñòè ñàéòà Ãèäðîìåòöåíòðà. Ìàñøòàá 1h

1d

1w

1m

1y

All

47.79 <= Âëàæíîñòü <= 77.18

78 74 70 66 62 58

Ðèñóíîê 16. Äàò÷èê â èíòåðüåðå.

54 50 46 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:0015.Íîÿ01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00

Ðèñóíîê 15. Ïîêàçàíèÿ âëàæíîñòè ñ íàøåãî äàò÷èêà.

 ïëàòå åñòü ìíîãî íåäî÷åòîâ. Íàïðèìåð, ïåðåïóòàíû âûâîäû ñòàáèëèçàòîðà 3.3 Â. Ïîýòîìó ïîòðåáóåòñÿ òðåòüÿ ðåâèçèÿ ïëàòû. Âîçìîæíûå àïãðåéäû: 1. Óñòàíîâèòü âñåïîãîäíûå äàò÷èêè, òàê êàê ñåé÷àñ íåïîíÿòíî, êàê áóäåò âåñòè ñåáÿ óñòðîéñòâî íà ìîðîçå.

2. Ñäåëàòü äîïîëíèòåëüíûé êåéñ äëÿ óñòàíîâêè ñíàðóæè çäàíèé äëÿ çàùèòû îò äîæäÿ è ñíåãà. Èíòåðåñíûé ïîõîæèé ïðîåêò [10].

3. Óñòàíîâèòü äîïîëíèòåëüíûå ñåíñîðû îïàñíûõ âåùåñòâ.

4. Óñòàíîâèòü ñáîð ñîëíå÷íîé ýíåðãèè äëÿ ïîëíîé àâòîíîìíîñòè.

5. Ïðîðàáîòàòü ïðèìåíåíèå ýòîé òåõíîëîãèè â äðóãèõ ñôåðàõ, íàïðèìåð, â òåïëèöàõ.

Çàêëþ÷åíèå Ïîëó÷èâøèéñÿ ïðîòîòèï äàò÷èêà ïîäòâåðæäàåò, ÷òî äàííûå î êà÷åñòâå âîçäóõà ìîæíî ñîáèðàòü óäàëåííî. Âîò òàê îí âûãëÿäèò âíóòðè ïîìåùåíèÿ (Ðèñóíîê 16) è ñíàðóæè (Ðèñóíîê 17). ÐË

Ðèñóíîê 17. Äàò÷èê âîçëå îêíà.

5. NBFi stack for STM32 + WA1470 6. IoT ïëàòôîðìà WAVIoT 7. API ìîäóëÿ driver 8. API ëè÷íîãî êàáèíåòà ÆÊÕ 9. Íàðîäíûé ìîíèòîðèíã 10. Çà÷åì íàì îáùåñòâåííûé ìîíèòîðèíã?

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Waviot WA1470 2. Datasheet Sensirion SGP30 3. Datasheet Sensirion SGP40 4. Datasheet Bosch Sensortec BME280 5. Datasheet STMicroelectronics STM32L412KB 6. Datasheet Infineon BGS12WN6

Ññûëêè 1. Sharon Shea. LPWAN (low-power wide area network) 2. ÏÍÑÒ (ïðîåêò, ïåðâàÿ ðåäàêöèÿ). Èíôîðìàöèîííûå òåõíîëîãèè. Èíòåðíåò âåùåé. Ïðîòîêîë îáìåíà äëÿ Èíòåðíåòà âåùåé â óçêîïîëîñíîì ñïåêòðå (NB-FI) 3. Simple air quality monitor 4. Ïðîòîêîë Water7

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

7. Datasheet STMicroelectronics ESDA5V3SC6 8. Datasheet Fairchild FDV303N 9. Datasheet Siproin H7605 10. Datasheet Microchip MCP73831T-2ACI/OT 11. Datasheet onsemi NCP502 12. Datasheet Nexperia PDTC143ZE 13. Datasheet Nexperia PMF170XP 14. Datasheet Nexperia RB520S30

107

Áóòñòðåïíàÿ öåïü óñêîðÿåò àêòèâàöèþ ñîëåíîèäà Ralf Kelz EDN

ÑÑõåìà â ýòîé ñòàòüå ñîäåðæèò áîëüøîé êîíäåíñàòîð, âêëþ÷åííûé ïîñëåäîâàòåëüíî ñ ñîëåíîèäîì, ÷òîáû óâåëè÷èòü íàïðÿæåíèå àêòèâàöèè (Ðèñóíîê 1). Ýòî ïîâûøåííîå íàïðÿæåíèå îáåñïå÷èâàåò çíà÷èòåëüíî áîëüøèé òîê âêëþ÷åíèÿ ñîëåíîèäà, óñêîðÿÿ åãî ñðàáàòûâàíèå. Ìîæíî òàêæå ïîäîáðàòü ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå èëè ïàðàìåòðû ñîëåíîèäà, ÷òîáû óìåíüøèòü åãî ïîñòîÿííûé òîê è ñíèçèòü ðàññåèâàåìóþ èì ìîùíîñòü, òåì ñàìûì, ïîâûñèâ íàäåæíîñòü çà ñ÷åò ñíèæåíèÿ ðàáî÷åé òåìïåðàòóðû. Ïðè 0  íà âõîäå ñõåìû îáà òðàíçèñòîðà çàêðûòû. Òîê ðåçèñòîðà R1 ìåäëåííî çàðÿæàåò ëåâóþ ïî ñõåìå îáêëàäêó êîíäåíñàòîðà C1 äî íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ 24 Â. Äèîä D2 îãðàíè÷èâàåò íàïðÿæåíèå íà ïðàâîé îáêëàäêå C1 äî óðîâíÿ 0.6 Â. Êîãäà óðîâåíü âõîäíîãî ñèãíàëà ñòàíîâèòñÿ âûñîêèì, îáà òðàíçèñòîðà Q1 è Q2 îòêðûâàþòñÿ.  ðåçóëüòàòå ëåâàÿ îáêëàäêà êîíäåíñàòîðà C1 áûñòðî ïîäêëþ÷àåòñÿ ê çåìVB 24V R1 1k

KUHNKE HU32-HS1756

L R

æ tö ç- ÷

(2VIN - VD ) eè t ø sinh( wt ) I( t ) = , wL 2

1 æRö w= ç ÷ è 2L ø LC è

D1 1N4007

t= Q2 BD135

220 µF Q1 VD BD135

2L .

R

 ýòèõ ôîðìóëàõ e – ìàòåìàòè÷åñêàÿ êîíñòàíòà,

C1 + D2 1N4007

Ðèñóíîê 1. Ýòà ñõåìà óñêîðÿåò àêòèâàöèþ ñîëåíîèäà, âðåìåííî óäâàèâàÿ åãî íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ.

108

ëå. Ïîñêîëüêó íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå íå ìîæåò èçìåíèòüñÿ ìãíîâåííî, ïîòåíöèàë ïðàâîé ñòîðîíû C1 îïóñêàåòñÿ äî –23.4 Â.

D2 íàïðàâëÿåò òîê ñîëåíîèäà â êîíäåíñàòîð äî òåõ ïîð, ïîêà îí íå ðàçðÿäèòñÿ, ïîñëå ÷åãî òîê ñîëåíîèäà èäåò ÷åðåç D2 â çåìëþ. D1 îãðàíè÷èâàåò èíäóêòèâíûå áðîñêè íàïðÿæåíèÿ ïðè âûêëþ÷åíèè ñõåìû. Îí ôèêñèðóåò íàïðÿæåíèå íèæíåãî âûâîäà ñîëåíîèäà íà óðîâíå 24.6  äî òåõ ïîð, ïîêà òîê â ñîëåíîèäå íå ñïàäåò. Ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè ñõåìû çàâèñèò îò èíäóêòèâíîñòè ñîëåíîèäà è âûáðàííîãî çíà÷åíèÿ åìêîñòè êîíäåíñàòîðà. Åå ìîæíî ðàññ÷èòàòü ñ ïîìîùüþ ñëåäóþùèõ ôîðìóë:

w – óãëîâàÿ ÷àñòîòà â ðàäèàíàõ, t – âðåìÿ â ñåêóíäàõ, L – èíäóêòèâíîñòü, R – ñîïðîòèâëåíèå. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet ON Semiconductor BD135

ÑÕÅÌÛ

Äðàéâåð ñâåòîäèîäîâ, èíâàðèàíòíûé ê èõ êîëè÷åñòâó è òèïó Mark Pearson EDN

Â

 ïîðòàòèâíûõ ñèñòåìàõ ÷àñòî èñïîëüçóþòñÿ ñâåòîäèîäû ðàçíûõ öâåòîâ è â ðàçíûõ êîëè÷åñòâàõ êàæäîãî öâåòà. Âîò ïðèìåð: áåëûé ñâåòîäèîä äëÿ ïîäñâåòêè äèñïëåÿ, çåëåíûé äëÿ ïîäñâåòêè êëàâèàòóðû è êðàñíûé äëÿ èíäèêàöèè ïèòàíèÿ. Îáû÷íî ñâåòîäèîäû ïîëó÷àþò ïèòàíèå êàê ìèíèìóì îò äâóõ èñòî÷íèêîâ: îäèí äëÿ «ñòàíäàðòíûõ» ñâåòîäèîäîâ (êðàñíûé è çåëåíûé) è îäèí äëÿ áåëûõ ñâåòîäèîäîâ, êîòîðûå èìåþò áîëåå âûñîêîå ïðÿìîå íàïðÿæåíèå. Ñâåòîäèîäû ïîäñâåòêè êëàâèàòóðû è ñâåòîäèîäíûå èíäèêàòîðû ñíàáæåíû òîêîîãðàíè÷èâàþùèìè D1 MBR0540T1

L1 10 µH

VCC 2.7…5.5 Â

Q5 FDN337N C1 10 µF VCC

MAX1698 IC1 EXT

REF R1 500k

ADJ GND SHDN

ðåçèñòîðàìè. ×òîáû èñêëþ÷èòü ýòè ðåçèñòîðû è ïèòàòü ãðóïïû ðàçíîðîäíûõ ñâåòîäèîäîâ îò îäíîãî èñòî÷íèêà, ìîæíî ñòàáèëèçèðîâàòü òîêè íåñêîëüêèõ öåïî÷åê. Íà Ðèñóíêå 1 ÷åòûðå öåïî÷êè ñâåòîäèîäîâ ðàçëè÷íûõ òèïîâ ïîëó÷àþò ïèòàíèå îò åäèíñòâåííîãî èñòî÷íèêà.  ñõåìå ñìåøàíû ñâåòîäèîäû ñ ðàçëè÷íûìè ïðÿìûìè íàïðÿæåíèÿìè, íî ïðè ýòîì çà ñ÷åò èñïîëüçîâàíèÿ òîêîâîãî çåðêàëà, ñîñòîÿùåãî èç òðàíçèñòîðîâ Q1-Q4, îáåñïå÷èâàåòñÿ äîñòàòî÷íî õîðîøàÿ ñáàëàíñèðîâàííîñòü íàãðóçîê. Ýòî òàêæå óñòðàíÿåò íåîáõîäèìîñòü â îòäåëüíîì òîêîîãðàíè÷èâàþ-

CS PGND AGND

ÖÅÏÎ×ÊÀ 1

ÖÅÏÎ×ÊÀ 2

ÖÅÏÎ×ÊÀ 3

ÑÂÅÒÎÄÈÎÄÛ ÑÒÀÍÄÀÐÒÍÛÕ ÖÂÅÒÎÂ

C2 1 µF

D2 ÑÒÀÁÈËÈÒÐÎÍ 24 Â CMPZ5253B

ÖÅÏÎ×ÊÀ 4

D6…D8 NSPW500BS D3…D5 NSPW500BS Q2 MPQ3904

FB

Q3 MPQ3904

Q4 MPQ3904

Q1 MPQ3904

R2

Ðèñóíîê 1.  ýòîé ñõåìå äðàéâåðà ñâåòîäèîäîâ èìïóëüñíûé ïðåîáðàçîâàòåëü IC1 è ñâÿçàííûå ñ íèì êîìïîíåíòû ïîçâîëÿþò ñìåøèâàòü ñâåòîäèîäû ðàçíûõ òèïîâ è â ðàçíûõ êîëè÷åñòâàõ.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

109

D1 MBR0540T1

L1 10 µH

VCC 2.7…5.5 Â

Q5 FDN337N C1 10 µF VCC ADJ GND SHDN

CS PGND AGND

ÖÅÏÎ×ÊÀ 2

ÖÅÏÎ×ÊÀ 3

C2 1 µF

MAX1698 IC1 EXT

REF R1 500k

ÖÅÏÎ×ÊÀ 1

D2 ÑÒÀÁÈËÈÒÐÎÍ 24 Â CMPZ5253B

D3…D5 NSPW500BS R5

FB FB C4 1 nF

D6…D8 NSPW500BS

D9…D11 NSPW500BS

ÁÀËËÀÑÒÍÛÅ ÐÅÇÈÑÒÎÐÛ

R6

VCC R2 MAX4040

ÒÎÊÎÈÇÌÅÐÈÒÅËÜÍÛÉ ÐÅÇÈÑÒÎÐ

R4 65.8k

R3 1M

C3 1 nF

Ðèñóíîê 2. Èçìåíåíèå ñõåìû Ðèñóíîê 1 ñíèæàåò îáùóþ ðàññåèâàåìóþ ìîùíîñòü â ñòàíäàðòíîì ïðèëîæåíèè.

ùåì «áàëëàñòíîì» ðåçèñòîðå äëÿ êàæäîãî ñâåòîäèîäà èëè êàæäîé öåïî÷êè ñâåòîäèîäîâ è ïðåäîñòàâëÿåò îáùóþ òî÷êó óïðàâëåíèÿ (âûâîä ADJ ìèêðîñõåìû IC1) äëÿ ðåãóëèðîâêè ÿðêîñòè ñâåòîäèîäîâ. Òðàíçèñòîðû Q2-Q4 îòðàæàþò òîê âêëþ÷åííîãî äèîäîì òðàíçèñòîðà Q1. Îáðàòèòå âíèìàíèå, ÷òî íàïðÿæåíèå íà ïîäêëþ÷åííîé ê òðàíçèñòîðó Q1 öåïî÷êå (ñâåòîäèîäû D3-D5), çàäàþùåé òîêè îñòàëüíûõ öåïî÷åê, äîëæíî áûòü íå ìåíüøå íàïðÿæåíèé íà ïîñëåäóþùèõ öåïî÷êàõ ñâåòîäèîäîâ. ( ïðîòèâíîì ñëó÷àå çàïàñà ïî íàïðÿæåíèþ ó öåïî÷åê ñ çåðêàëüíûìè òîêàìè ìîæåò áûòü íåäîñòàòî÷íî äëÿ ïðàâèëüíîé ðàáîòû). Ýòî òðåáîâàíèå ìîæíî ëåãêî âûïîëíèòü â ïåðâîé öåïî÷êå, óñòàíîâèâ ñâåòîäèîäû ñ áóëüøèìè ïðÿìûìè íàïðÿæåíèÿìè, òàêèå êàê áåëûå ñâåòîäèîäû ñ íàïðÿæåíèÿìè â äèàïàçîíå ïðèáëèçèòåëüíî îò 2.8 äî 3.7 Â, ëèáî ïðîñòî óâåëè÷èâ êîëè÷åñòâî òàêèõ æå ñâåòîäèîäîâ. Òîãäà ñõåìà ñìîæåò ëåãêî ïîääåðæèâàòü ïîñëåäóþùèå öåïî÷êè ñ áîëåå íèçêèìè íàãðóçêàìè ïî íàïðÿæåíèþ. Òîêîâûå çåðêàëà íà ñîãëàñîâàííûõ òðàíçèñòîðàõ ïîääåðæèâàþò ïîñòîÿííûå è ðàâíûå òîêè âî âñåõ ñâåòîäèîäàõ, íåçàâèñèìî îò èõ êîëè÷åñòâà è òèïà. Òàêàÿ êîíôèãóðàöèÿ

110

ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü îäèí èñòî÷íèê ïèòàíèÿ è îäíó òî÷êó äëÿ ðåãóëèðîâêè ÿðêîñòè ñâåòîäèîäîâ. Ëþáàÿ ðàçíèöà â ìîùíîñòè ìåæäó îïîðíîé öåïî÷êîé è çåðêàëüíîé öåïî÷êîé ðàññåèâàåòñÿ òðàíçèñòîðîì òîêîâîãî çåðêàëà ýòîé öåïî÷êè:

PMAX = ( VOUT - 300 ì - VLEDs ) ´ ILEDMAX . ãäå VOUT – âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ïðåîáðàçîâàòåëÿ, ILEDs – ñóììàðíîå íàïðÿæåíèå íà ñâåòîäèîäàõ öåïî÷êè, ILEDMAX – ìàêñèìàëüíûé òîê öåïî÷êè ñâåòîäèîäîâ. Ñîïðîòèâëåíèå òîêîèçìåðèòåëüíîãî ðåçèñòîðà ðàâíî

R2 =

300 ì , ILEDMAX

ãäå ILEDMAX – ñóììà òîêîâ âñåõ ñâåòîäèîäíûõ öåïî÷åê. Ïðè óïðàâëåíèè òåìè æå ñâåòîäèîäàìè áåç òîêîâîãî çåðêàëà ìîæíî ñíèçèòü ìîùíîñòü,

ÑÕÅÌÛ

ðàññåèâàåìóþ â òîêîèçìåðèòåëüíîì ðåçèñòîðå è áàëëàñòíûõ ðåçèñòîðàõ, çàìåíèâ òîêîèçìåðèòåëüíûé ðåçèñòîð ìèêðîìîùíûì îïåðàöèîííûì óñèëèòåëåì (Ðèñóíîê 2). Ýòà ñõåìà ïîâûøàåò ÊÏÄ çà ñ÷åò óìåíüøåíèÿ ñîïðîòèâëåíèé ðåçèñòîðîâ è ñâÿçàííûõ ñ íèìè ïîòåðü. Óñèëåíèå ñèãíàëà, ñíèìàåìîãî ñ òîêîèçìåðèòåëüíîãî ðåçèñòîðà, ïðèìåðíî â 16 ðàç ïîçâîëÿåò ýêâèâàëåíòíî óìåíüøèòü âåëè÷èíû ñîïðîòèâëåíèé R2 è áàëëàñòíûõ ðåçèñòîðîâ. Ïðè òèïè÷íîì çíà÷åíèè R2 = 15 Îì ïîòåðè 2 ñîñòàâÿò (20 ìÀ) ×15 Îì = 18 ìÂò äëÿ êàæäîãî èç òðåõ ðåçèñòîðîâ. Åñëè æå R2 = R5 = R6 =

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

= 0.931 Îì, òîãäà ïîòåðè ìîùíîñòè â ðåçèñòîðàõ óïàäóò äî 1.12 ìÂò. Ìàêñèìàëüíîå ïîòðåáëåíèå òîêà ñàìèì îïåðàöèîííûì óñèëèòåëåì ñîñòàâëÿåò âñåãî 20 ìêÀ, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ðàññåèâàåìîé ìîùíîñòè 100 ìêÂò. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Maxim MAX1698 2. Datasheet Maxim MAX4040 3. Datasheet Central Semiconductor CMPZ5253B 4. Datasheet Nichia NSPW500BS 5. Datasheet ON Semiconductor MBR0540T1G 6. Datasheet ON Semiconductor FDN337N

111

Íåäîðîãîé ðàçìûêàòåëü öåïè ñ àâòîìàòè÷åñêèì âîññòàíîâëåíèåì Anthony Smith EDN

Á

Áîëüøèíñòâó ÷èòàòåëåé çíàêîìà ñõåìà îãðàíè÷èòåëÿ òîêà íà Ðèñóíêå 1, â êîòîðîé òîê íàãðóçêè IL îãðàíè÷åí çíà÷åíèåì

IL »

VBE , RS

ãäå VBE – íàïðÿæåíèå áàçà-ýìèòòåð, RS – ñîïðîòèâëåíèå òîêîèçìåðèòåëüíîãî ðåçèñòîðà.  íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ, êîãäà íàïðÿæåíèå áàçà-ýìèòòåð ñëèøêîì ìàëî, ÷òîáû îòêðûòü òðàíçèñòîð Q1, ðåçèñòîð RG, âêëþ÷åííûé â öåïü çàòâîðà p-êàíàëüíîãî MOSFET Q2, ïîääåðæèâàåò MOSFET â ïîëíîñòüþ îòêðûòîì ñîñòîÿíèè, è òîê íàãðóçêè îïðåäåëÿåòñÿ òîëüêî ñîïðîòèâëåíèåì íàãðóçêè RL è íàïðÿæåíèåì íàãðóçêè VL. Îäíàêî åñëè òîê íàãðóçêè RS

Q2 IL

VBE ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ ÏÈÒÀÍÈß + VS –

VL

Q1

RL RG

Ðèñóíîê 1. Îáû÷íûé äâóõòðàíçèñòîðíûé îãðàíè÷èòåëü çàùèùàåò íàãðóçêó îò ÷ðåçìåðíîãî òîêà.

112

óâåëè÷èâàåòñÿ äî òî÷êè, â êîòîðîé íàïðÿæåíèå áàçà-ýìèòòåð ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 0.7 Â, òðàíçèñòîð Q1 íà÷èíàåò ïðîâîäèòü òîê è ñíèæàåò íàïðÿæåíèå çàòâîð-èñòîê (VGS) MOSFET Q2 äî óðîâíÿ, ïðè êîòîðîì òîê íàãðóçêè ïîääåðæèâàåòñÿ ïðèìåðíî ïîñòîÿííûì è ðàâíûì âåëè÷èíå, îïðåäåëÿåìîé ôîðìóëîé

ILMAX »

0 .7 Â .

RS

Ýòîò ëèíåéíûé îãðàíè÷èòåëü òîêà ýôôåêòèâåí â ïðèëîæåíèÿõ, ãäå ìàêñèìàëüíûé òîê íàãðóçêè, íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ èëè è òî, è äðóãîå îòíîñèòåëüíî íåâåëèêè. Îäíàêî ìîùíîñòü, êîòîðóþ ðàññåèâàåò ïðîõîäíîé òðàíçèñòîð Q2, îãðàíè÷èâàåò îáëàñòü ïðèìåíåíèÿ ñõåìû. Íàïðèìåð, åñëè ìàêñèìàëüíûé òîê íàãðóçêè ðàâåí 200 ìÀ è íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ VS ðàâíî 24 Â, ìîùíîñòü, ðàññåèâàåìàÿ òðàíçèñòîðîì Q2 ïðè êîðîòêîì çàìûêàíèè, ñîñòàâëÿåò ïî÷òè 5 Âò. Q2 äîëæåí âûäåðæèâàòü ýòó ìîùíîñòü ñ äîñòàòî÷íûì çàïàñîì, è äëÿ ïîääåðæàíèÿ òåìïåðàòóðû åãî ïåðåõîäà íà áåçîïàñíîì óðîâíå, âîçìîæíî, ïîòðåáóåòñÿ äîïîëíèòåëüíûé òåïëîîòâîä. Èñïîëüçîâàíèå áóëüøèõ çíà÷åíèé ìàêñèìàëüíîãî òîêà íàãðóçêè, íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ èëè òîãî, è äðóãîãî óñóãóáëÿåò ýòó ïðîáëåìó. Âî ìíîãèõ ïðèëîæåíèÿõ ñòîèìîñòü, ðàçìåðû è âåñ êîìïîíåíòîâ, íåîáõîäèìûõ äëÿ óïðàâëåíèÿ ìîùíîñòüþ, ðàññåèâàåìîé ïðè êîðîòêîì çàìûêàíèè, ìîãóò áûòü íåïîìåðíî âûñîêèìè.

ÑÕÅÌÛ

RS

Q2

VSENSE R3 10k

RB 1k

VBE

IL

Q1 ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ ÏÈÒÀÍÈß + VS –

R4 10k

RX DX

R1

C1

5Â

VL

IC1

RL

Q3 CX

R2

0Â

C2 100 nF

VIN

2N7002

(à) VTU VIN VTL »VS VL

tON tOFF

(á)

0Â

Ðèñóíîê 2. Äîáàâëåíèå íåñêîëüêèõ êîìïîíåíòîâ ïðåâðàùàåò ñõåìó îãðàíè÷åíèÿ òîêà â ãåíåðàòîð èìïóëüñîâ, óìåíüøàþùèé íàãðåâ ïðîõîäíîãî òðàíçèñòîðà Q2 (à). Îñöèëëîãðàììû ïîêàçûâàþò âçàèìîñâÿçü ìåæäó âõîäíûì íàïðÿæåíèåì ñõåìû è íàïðÿæåíèåì íàãðóçêè (á).

Îäíàêî, äîáàâèâ íåñêîëüêî íåäîðîãèõ êîìïîíåíòîâ, ìîæíî àäàïòèðîâàòü ñõåìó, ÷òîáû îáåñïå÷èòü ýôôåêòèâíîå îãðàíè÷åíèå òîêà áåç ãîëîâíîé áîëè, ñâÿçàííîé ñ ðàññåÿíèåì ìîùíîñòè. Ïîëó÷èâøàÿñÿ ñõåìà ðàáîòàåò êàê àâòîìàòè÷åñêèé ðàçìûêàòåëü öåïè ñ àâòîìàòè÷åñêèì âîññòàíîâëåíèåì (Ðèñóíîê 2à). Îïÿòü æå, Q1 è RS îáåñïå÷èâàþò ôóíêöèþ êîíòðîëÿ òîêà, â êîòîðîé èçìåðÿåìîå íàïðÿæåíèå VSENSE = IL × RS.Îäíàêî â ýòîé ñõåìå MOSFET Q2 ëèáî ïîëíîñòüþ çàêðûò, ëèáî ïîëíîñòüþ îòêðûò, è íèêîãäà íå íàõîäèòñÿ â ëèíåéíîé îáëàñòè. Ïîñêîëüêó òîê áàçû Q1 îáû÷íî íåâåëèê, ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà áàçîâîì ðåçèñòîðå RB òàêæå ìàëî, òàê ÷òî íàïðÿæåíèå ìåæäó áàçîé è ýìèòòåðîì ïðèáëèçèòåëüíî ðàâíî íàïðÿæåíèþ ñ÷èòûâàíèÿ. ×òîáû ïîíÿòü, êàê ðàáîòàåò ñõåìà, ïðåäïîëîæèì, ÷òî òîê íàãðóçêè èçíà÷àëüíî ìàë, à íàïðÿæåíèå áàçà-ýìèòòåð ìåíüøå 0.7 Â.  ýòèõ óñëîâèÿõ Q1 âûêëþ÷åí, à âðåìÿçàäàþùèé êîíäåíñàòîð C1 îñòàåòñÿ íåçàðÿæåííûì, òàê ÷òî íàïðÿæåíèå VIN íà âõîäå èíâåðòîðà Øìèòòà IC1 ðàâíî 0 Â. Òàêèì îáðàçîì, âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ìèêðîñõåìû IC1, ðàâíîå ïðè-

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

ìåðíî 5 Â, îòêðûâàåò òðàíçèñòîð Q3, òîê êîòîðîãî, â ñâîþ î÷åðåäü, ñîçäàåò ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà ðåçèñòîðå R4, êîòîðîå âêëþ÷àåò òðàíçèñòîð Q2, îáåñïå÷èâàÿ ïðîòåêàíèå òîêà îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ê íàãðóçêå ÷åðåç òîêîèçìåðèòåëüíûé ðåçèñòîð è ñîïðîòèâëåíèå îòêðûòîãî òðàíçèñòîðà Q2. Åñëè âñëåäñòâèå íåèñïðàâíîñòè ïðîèçîéäåò óâåëè÷åíèå òîêà íàãðóçêè äî óðîâíÿ, ïðè êîòîðîì íàïðÿæåíèå áàçà-ýìèòòåð ñîñòàâëÿåò ïðèáëèçèòåëüíî 0.7 Â, Q1 îòêðûâàåòñÿ, è òîê åãî êîëëåêòîðà áûñòðî çàðÿæàåò êîíäåíñàòîð C1. Òåïåðü âõîäíîå íàïðÿæåíèå áûñòðî ïîâûøàåòñÿ äî âåðõíåãî ïîðîãà VTU èíâåðòîðà Øìèòòà, âûõîäíîé óðîâåíü êîòîðîãî ñòàíîâèòñÿ íèçêèì, âûêëþ÷àÿ òðàíçèñòîðû Q3 è Q2. Òîê íàãðóçêè ïàäàåò äî 0 À, íàïðÿæåíèå áàçà-ýìèòòåð òðàíçèñòîðà Q1, ñîîòâåòñòâåííî, ïàäàåò äî 0 Â, è òðàíçèñòîð çàêðûâàåòñÿ. Êîíäåíñàòîð C1 íà÷èíàåò ðàçðÿæàòüñÿ ÷åðåç ðåçèñòîðû R1 è R2, è âõîäíîå íàïðÿæåíèå ìåäëåííî ñíèæàåòñÿ äî óðîâíÿ íèæíåãî ïîðîãà VTL èíâåðòîðà Øìèòòà.  ýòîò ìîìåíò âûõîäíîå íàïðÿæåíèå IC1 ñíîâà ñòàíîâèòñÿ âûñîêèì, òðàíçèñòîðû Q3 è Q2 âêëþ÷àþòñÿ,

113

àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü ñðàáàòûâàåò, è ïðîöåññ ïîâòîðÿåòñÿ äî òåõ ïîð, ïîêà íå áóäåò óñòðàíåíà íåèñïðàâíîñòü. Îñöèëëîãðàììû ïîêàçûâàþò âçàèìîñâÿçü ìåæäó âõîäíûì íàïðÿæåíèåì ñõåìû è íàïðÿæåíèåì íàãðóçêè (Ðèñóíîê 2á). Ïîñêîëüêó òîê íàãðóçêè ïðîõîäèò ÷åðåç Q2 òîëüêî âî âðåìÿ âêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ, ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü, ðàññåèâàåìàÿ òðàíçèñòîðîì, ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà êîýôôèöèåíòó çàïîëíåíèÿ:

PAVG µ

t ON , t ON + t OFF

ãäå PAVG – ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü â âàòòàõ, tON – âðåìÿ âêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ, tOFF – âðåìÿ âûêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ. Åñëè ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè, çàäàâàåìàÿ ýëåìåíòàìè C1, R1 è R2, äîñòàòî÷íî âåëèêà, âðåìÿ âûêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ îáû÷íî áóäåò íàìíîãî áîëüøå, ÷åì âêëþ÷åííîãî, è ðåçóëüòèðóþùàÿ ìîùíîñòü, ðàññåèâàåìàÿ òðàíçèñòîðîì Q2, áóäåò íèçêîé. Òàê æå, êàê è â ëèíåéíîì îãðàíè÷èòåëå òîêà, ïîðîãîâûé òîê àâòîìàòè÷åñêîãî ðàçìûêàòåëÿ óñòàíàâëèâàåòñÿ òîêîèçìåðèòåëüíûì ðåçèñòîðîì íà óðîâíå

ILMAX »

0 .7 Â ( À ).

RS

Ðåçèñòîðû R1 è R2 îáðàçóþò äåëèòåëü íàïðÿæåíèÿ, ãàðàíòèðóþùèé, ÷òî ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìîå âõîäíîå íàïðÿæåíèå ìèêðîñõåìû IC1 íèêîãäà íå áóäåò ïðåâûøåíî. Èõ ñîïðîòèâëåíèÿ ñëåäóåò âûáèðàòü òàêèìè, ÷òîáû ïðè ïîëíîñòüþ îòêðûòîì òðàíçèñòîðå Q1 âõîäíîå íàïðÿæåíèå ñîñòàâëÿëî 5 Â èëè ìåíåå, èñõîäÿ èç òîãî, ÷òî íàïðÿæåíèå íà C1 ïðèìåðíî ðàâíî íàïðÿæåíèþ ïèòàíèÿ. Êðîìå

114

òîãî, çíà÷åíèÿ ñîïðîòèâëåíèé äîëæíû áûòü äîñòàòî÷íî âåëèêè, ÷òîáû îáåñïå÷èòü áîëüøóþ ïîñòîÿííóþ âðåìåíè, íå òðåáóÿ ñëèøêîì áîëüøîé åìêîñòè êîíäåíñàòîðà C1. Âûáîð òðàíçèñòîðà Q1 íå êðèòè÷åí, íî ó íåãî äîëæåí áûòü õîðîøèé êîýôôèöèåíòîì ïåðåäà÷è òîêà, à ìàêñèìàëüíîå íàïðÿæåíèå êîëëåêòîð-ýìèòòåð äîëæíî áûòü áîëüøå, ÷åì íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ. Ïðè âûáîðå pêàíàëüíîãî MOSFET äëÿ Q2 íåîáõîäèìî ïîìíèòü, ÷òî â çàêðûòîì ñîñòîÿíèè îí äîëæåí âûäåðæèâàòü ïîëíîå íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ. Ñîïðîòèâëåíèå òîêîèçìåðèòåëüíîãî ðåçèñòîðà íàäî âûáèðàòü òàêèì, ÷òîáû ïðè ìàêñèìàëüíîì íîðìàëüíîì çíà÷åíèè òîêà íàãðóçêè íà íåì ïàäàëî ìåíåå 0.5 Â. Òàêèå ïîòðåáèòåëè, êàê ëàìïû íàêàëèâàíèÿ, åìêîñòíûå íàãðóçêè è äâèãàòåëè ñ áîëüøèì ïóñêîâûì òîêîì, ìîãóò âûçâàòü ñðàáàòûâàíèå àâòîìàòè÷åñêîãî ðàçìûêàòåëÿ ïðè âêëþ÷åíèè ïèòàíèÿ. Ýòèõ ïðîáëåì ìîæíî èçáåæàòü, äîáàâèâ êîíäåíñàòîð CX, äèîä DX è ðåçèñòîð RX. Ïðè âêëþ÷åíèè ïèòàíèÿ êîíäåíñàòîð CX èçíà÷àëüíî ðàçðÿæåí è ïîäòÿãèâàåò âõîäíîå íàïðÿæåíèå ê 0  ÷åðåç äèîä DX. Ýòî ïðåäîòâðàùàåò ñðàáàòûâàíèå àâòîìàòè÷åñêîãî ðàçìûêàòåëÿ äî òåõ ïîð, ïîêà íå ñïàäåò ïóñêîâîé òîê. CX è RX îïðåäåëÿþò çàäåðæêó, ïî èñòå÷åíèè êîòîðîé íàïðÿæåíèå íà CX ïîñòåïåííî âîçðàñòàåò äî íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ, è äèîä DX çàêðûâàåòñÿ, ïîñëå ÷åãî àâòîìàòè÷åñêèé ðàçìûêàòåëü íà÷èíàåò ðåàãèðîâàòü íà ïåðåãðóçêó ïî òîêó. ×òîáû ïîëó÷èòü ïðàâèëüíîå âðåìÿ çàäåðæêè, íàäî áûòü ãîòîâûì ê ýêñïåðèìåíòàì ñ íîìèíàëàìè CX è RX. Õîðîøèìè îòïðàâíûìè òî÷êàìè ÿâëÿþòñÿ çíà÷åíèÿ, ñîîòâåòñòâåííî, 10 ìêÔ è 1 ÌÎì. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Microchip 2N7002

ÑÕÅÌÛ

Ëèíåéíûé ïðåîáðàçîâàòåëü ñîïðîòèâëåíèå-âðåìÿ S Kaliyugavaradan, D Arul Raj EDN

ÏÏðåîáðàçîâàòåëè, îñíîâàííûå íà èçìåíå-

ïðåîáðàçîâûâàòü â ïðîïîðöèîíàëüíóþ ÷àñòîòó èëè âðåìåííîé èíòåðâàë, ÷òîáû âûõîäíûå äàííûå ìîæíî áûëî ëåãêî ïðåäñòàâèòü â öèôðîâîì âèäå ñ ïîìîùüþ ñ÷åò÷èêà/òàéìåðà. Ñõåìà íà Ðèñóíêå 1 ëèíåéíî ïðåîáðàçóåò ñîïðîòèâëåíèå äàò÷èêà RS â ïðîïîðöèîíàëüíûé ïåðèîä âðåìåíè. Ñõåìà ïî ñóùåñòâó ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðåëàêñàöèîííûé ãåíåðàòîð, ñîñòîÿùèé èç èñòî÷íèêà òîêà, óñèëèòåëÿ ñèãíàëà ìîñòà, êîìïàðàòîðà è òðèããåðà. Òîê IS èäåò ïî äâóì ïóòÿì ÷åðåç ðåçèñòîðû R1 è R2,

íèè ñîïðîòèâëåíèÿ, òàêèå êàê òåíçîäàò÷èêè è ïüåçîðåçèñòèâíûå óñòðîéñòâà, íàõîäÿò øèðîêîå ïðèìåíåíèå ïðè èçìåðåíèè ðàäà ôèçè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ.  ïðèëîæåíèÿõ, ãäå äëÿ ñáîðà äàííûõ è îáðàáîòêè ñèãíàëîâ èñïîëüçóþòñÿ öèôðîâûå ïðîöåññîðû èëè ìèêðîêîíòðîëëåðû, âûõîäíîé ñèãíàë ïðåîáðàçîâàòåëÿ äîëæåí ïðèíèìàòü âèä, ïîäõîäÿùèé äëÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ â öèôðîâîé ôîðìàò. Èçìåíåíèå ñîïðîòèâëåíèÿ òàêèõ äàò÷èêîâ æåëàòåëüíî

ÐÅÃÓËÈÐÎÂÊÀ ÑÌÅÙÅÍÈß R3 C

D1 IS

34.3k

ÐÅÃÓËÈÐÎÂÊÀ D2 ×ÓÂÑÒÂÈÒÅËÜÍÎÑÒÈ R2

VCC 15 Â

1N5287 D3

D4

3

FF VCC 15 Â

2

7

2 _ 65.4k R1

1 µF

6

IC1

3

4

2k

2 _

6

IC2

Q

5

LF411

R5

3

CLK

Q

ÂÛÕÎÄ VOUT

7474

7

+

LF411

+

D

6

10k

4 VEE –15 Â

R4 1k RX

VEE –15 Â

ÑÒÀÁÈËÈÒÐÎÍ 5Â

RS (ÄÀÒ×ÈÊ Pt100) ÏÐÈÌÅ×ÀÍÈÅ: D1, D2, D3 È D4 – 1N4002.

Ðèñóíîê 1. Ýòà ïðîñòàÿ ñõåìà ïðåîáðàçóåò çíà÷åíèå ñîïðîòèâëåíèÿ â ïåðèîä âðåìåíè.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

115

ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ ÍÀ ÂÛÕÎÄÅ ÊÎÌÏÀÐÀÒÎÐÀ

VS1

0

T1

T1 + T2

T1

T1 + T2

t

ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ ÍÀ ÂÕÎÄÅ ÊÎÌÏÀÐÀÒÎÐÀ

–VS1

kIS

0

t

–kIS

Ðèñóíîê 2. Ôîðìà ñèãíàëîâ íà âõîäå è âûõîäå êîìïàðàòîðà IC2.

êàê åñëè áû äâà ðåçèñòîðà áûëè ñîåäèíåíû ïàðàëëåëüíî. Ñ÷èòàÿ îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü èäåàëüíûì, óñëîâèå âîçíèêíîâåíèÿ ãåíåðàöèè ìîæíî âûðàçèòü íåðàâåíñòâîì

R 4 + RS >

R1 R 3 , R2

ãäå R4 + RS = RX. Ôîðìû ñèãíàëîâ íà âõîäå è âûõîäå êîìïàðàòîðà IC2 ïîêàçàíû íà Ðèñóíêå 2. T1 è T2 – ýòî âðåìåííûå èíòåðâàëû, â òå÷åíèå êîòîðûõ âûõîäíîé ñèãíàë êîìïàðàòîðà ïðèíèìàåò óðîâíè VS1 è –VS2, ñîîòâåòñòâåííî. Âûõîäíûå èìïóëüñû êîìïàðàòîðà IC2, îãðàíè÷åííûå ñòàáèëèòðîíîì, ñëóæàò òàêòîâûì âõîäíûì ñèãíàëîì D-òðèããåðà. Ñ ïîìîùüþ òðèããåðà 7474 ôîðìèðóåòñÿ ïðÿìîóãîëüíûé âûõîäíîé ñèãíàë, ïîî÷åðåäíî ìåíÿþùèéñÿ ìåæäó âûñîêèì è íèçêèì óðîâíåì ñ ïåðèîäîì

æ R 2R X - R1 R 3 ö ÷÷ .

T = 4C çç R1 è ø Ýòà ôîðìóëà ïîêàçûâàåò, ÷òî ñõåìà ïðåîáðàçóåò èçìåíåíèå ñîïðîòèâëåíèÿ äàò÷èêà â ïðîïîðöèîíàëüíûé ïåðèîä âðåìåíè DT ñ ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ

æR ö DT = 4C çç 2 ÷÷ .

DR S è R1 ø

116

Ñòîèò óïîìÿíóòü ñëåäóþùèå õàðàêòåðíûå îñîáåííîñòè ñõåìû íà Ðèñóíêå 1: ! Äàò÷èê çàçåìëåí, ïîýòîìó ìîæíî ëåãêî èçìåíÿòü ÷óâñòâèòåëüíîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ, èçìåíÿÿ ñîïðîòèâëåíèÿ ðåçèñòîðîâ R1 èëè R2. ! Íå âëèÿÿ íà ÷óâñòâèòåëüíîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ, ìîæíî íàñòðîèòü çíà÷åíèå ñìåùåíèÿ TO (ïðè êîòîðîì èçìåíåíèÿ ïåðèîäà T ïðîèñõîäÿò èç-çà èçìåíåíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ äàò÷èêà), ïîäáèðàÿ ñîïðîòèâëåíèÿ ðåçèñòîðîâ R3 èëè R4. ! Íàïðÿæåíèÿ ñìåùåíèÿ îïåðàöèîííûõ óñèëèòåëåé îêàçûâàþò ïðîòèâîïîëîæíîå âëèÿíèå íà ïåðèîäû T1 è T2, ïîýòîìó èõ âëèÿíèå íà îáùèé ïåðèîä T (T1 +T2) íåîùóòèìî. ! Áëàãîäàðÿ èñòî÷íèêó òîêà âûõîäíîé ñèãíàë ìàëî÷óâñòâèòåëåí ê ïîìåõàì â ëèíèè è ê èçìåíåíèÿì ïîðîãîâûõ óðîâíåé VS1 è VS2. Ðàññìîòðèì ïðèìåð ïðåîáðàçîâàíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ ïëàòèíîâîãî äàò÷èêà Pt100 â äèàïàçîíå îò 119.4 äî 138.51 Îì, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò äèàïàçîíó òåìïåðàòóð îò 50 äî 100 °C, â ïåðèîäû âðåìåíè îò 10 äî 12.5 ìñ. Êîíñòðóêöèÿ ïðîñòà. Ïîñêîëüêó òîê, ïðîõîäÿùèé ÷åðåç äàò÷èê, ÿâëÿåòñÿ ÷àñòüþ òîêà IS, IS äîëæåí áûòü äîñòàòî÷íî íèçêèì, ÷òîáû îøèáêà, îáóñëîâëåííàÿ ñàìîðàçîãðåâîì, îñòàâàëàñü íà ïðèåìëåìî íèçêîì óðîâíå.  ýòîé êîíñòðóêöèè èñïîëüçóåòñÿ äèîäíûé ñòàáèëèçàòîð òîêà 1N5287, îáåñïå÷èâàþùèé òîê IS ïðèìåðíî 0.33 ìÀ è èìåþùèé äèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ëó÷øå 1.35 ÌÎì. Áîëåå õîðîøèé èñòî÷íèê òîêà ìîæíî ñäåëàòü íà îñíîâå ìèêðîñõåìû ðåãóëÿòîðà íàïðÿæåíèÿ. Íà ñëåäóþùåì øàãå, èñïîëüçóÿ ïîäõîäÿùèå è óäîáíûå ôèêñèðîâàííûå íîìèíàëû äëÿ R1 è C, íóæíî ïîäñòðîéêîé ïîòåíöèîìåòðà R2 óñòàíîâèòü íåîáõîäèìóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü 130.82 ìêñ/Îì. Äàëåå ïðè ôèêñèðîâàííîì çíà÷åíèè R4 ñëåäóåò íàñòðîèòü R3, ÷òîáû ïîëó÷èòü ñìåùåíèå, òðåáóåìîå äëÿ âûõîäíîãî ñèãíàëà T. Íîìèíàëû êîìïîíåíòîâ äëÿ ýòîãî ïðèìåðà ïîêàçàíû íà Ðèñóíêå 1. Âñå ðåçèñòîðû èìåþò äîïóñê 1% è ðàññ÷èòàíû íà ðàññåèâàåìóþ ìîùíîñòü 0.25 Âò, à êîíäåíñàòîð C – ïëåíî÷íûé ïîëèêàðáîíàòíûé. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Central Semiconductor 1N5287 2. Datasheet Texas Instruments LF411 3. Datasheet Texas Instruments SN7474N

ÑÕÅÌÛ

Ñòóïåí÷àòî-öèôðîâîå è ïëàâíîå óïðàâëåíèå ÷àñòîòîé LC-ãåíåðàòîðà Ìèõàèë Øóñòîâ, ã. Òîìñê

×àñòîòîé ãåíåðàöèè îïèñûâàåìîãî â ñòàòüå LC-ãåíåðàòîðà ìîæíî óïðàâëÿòü êàê ïëàâíî, òàê è ñòóïåí÷àòî. Ïðåäóñìîòðåíà êàê ðó÷íàÿ óñòàíîâêà ÷àñòîòû (16 ïîçèöèé), òàê è ñòóïåí÷àòî ïåðåêëþ÷àåìàÿ âî âðåìåíè ÷àñòîòà (ñêàíèðîâàíèå) ñî ñêîðîñòüþ, çàäàâàåìîé âñòðîåííûì èëè âíåøíèì ãåíåðàòîðîì èìïóëüñîâ.

Ä

Äëÿ óïðàâëåíèÿ ÷àñòîòîé ãåíåðàöèè LCãåíåðàòîðîâ, â òîì ÷èñëå äèñòàíöèîííîãî, ñ öåëüþ ñíèæåíèÿ ìàññîãàáàðèòíûõ ïîêàçàòåëåé àïïàðàòóðû èñïîëüçóþò óïðàâëÿåìûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå ýëåìåíòû – âàðèêàïû, åìêîñòü êîòîðûõ çàâèñèò îò âåëè÷èíû ïðèëîæåííîãî îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ. Íà Ðèñóíêå 1 ïîêàçàíà ñõåìà óñòðîéñòâà äëÿ ñòóïåí÷àòî-öèôðîâîãî (16 ïîçèöèé) è

ïëàâíîãî óïðàâëåíèÿ ÷àñòîòîé ãåíåðàöèè LC-ãåíåðàòîðà. Ãåíåðàòîð çàäàþùèõ èìïóëüñîâ, îïðåäåëÿþùèé ñêîðîñòü ïåðåêëþ÷åíèÿ ÷àñòîò, âûïîëíåí íà îñíîâå òðèããåðà Øìèòòà íà òðàíçèñòîðàõ VT1 è VT2 BC547C. ×àñòîòà ãåíåðàöèè çàäàåòñÿ ïåðåêëþ÷àòåëåì SA2 – 10, 100, 1000 Ãö.

+15 Â R1 10ê VT1,VT2 BC547C

SB1 Ðó÷í. óñòàí. Âíåøíèé SA1 ãåíåðàòîð 15 Â

C1 10í

1

SA2

C3 2.2í

1Ì 10 Ãö 100 Ãö 1000 Ãö C4 22í

R3 1ê 14.2 Â R5 1ê

R7 10ê

R8 100ê

7

C E R

16

DD1 8

DD1.1 2

R2 200ê R4

C2 150í

DD1 CD4520

R6 200ê

3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4

R13 1Ì

LC ãåíåðàòîð

R9-R12

L

SA3 R9 1.2Ì R10 600ê R11 300ê R12 150ê

L1

C

C

C VD1

C5 220í

Ðèñóíîê 1. Ïëàâíî-ñòóïåí÷àòîå íà 16 ïîçèöèé óïðàâëåíèå ÷àñòîòîé LC-ãåíåðàòîðà.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

117

Ñèãíàë îò çàäàþùåãî ãåíåðàòîðà ïîäàåòñÿ íà âõîä ìèêðîñõåìû DD1.1 CD4520. Ê âûõîäàì ýòîé ìèêðîñõåìû ïîäêëþ÷åíà ðåçèñòèâíàÿ ìàòðèöà R9–R12, ïåðåêëþ÷åíèå ýëåìåíòîâ êîòîðîé ñ êàæäûì ïðèõîäÿùèì íà âõîä ìèêðîñõåìû ñ÷åò÷èêà èìïóëüñà ìåíÿåò íàïðÿæåíèå íà êàòîäå âàðèêàïà VD1. Ïåðåêëþ÷àòåëü SA1 ïîçâîëÿåò ïåðåêëþ÷àòü âõîä ñ÷åò÷èêà èìïóëüñîâ íà âíåøíèé èëè âíóòðåííèé ãåíåðàòîð èìïóëüñîâ, à òàêæå ïîçâîëÿåò âðó÷íóþ ñ èñïîëüçîâàíèåì êíîïêè SB1 óñòàíàâëèâàòü ÷àñòîòó LC-ãåíåðàòîðà.

118

Ïðè ïîìîùè ïåðåêëþ÷àòåëÿ SA3 óïðàâëÿþùåå íàïðÿæåíèå íà êàòîäå âàðèêàïà ìîæíî ïëàâíî ðåãóëèðîâàòü ïîòåíöèîìåòðîì R13. Äðîññåëü L1 ïðåäíàçíà÷åí äëÿ ðàçäåëåíèÿ âûñîêî÷àñòîòíûõ öåïåé è öåïåé ïîñòîÿííîãî òîêà. Âàðèêàï VD1 ÷åðåç ðàçäåëèòåëüíûé êîíäåíñàòîð C1 ïîäêëþ÷àþò ê êîëåáàòåëüíîìó êîíòóðó LC-ãåíåðàòîðà. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Texas Instruments CD4520B 2. Datasheet Fairchild BC547C

ÑÕÅÌÛ

Âèçóàëüíûé òåñòåð íàïðÿæåíèÿ íà îäíîì ÎÓ David Dowe Electronic Design

Ï

Ïðåäñòàâëåííàÿ â ýòîé ñòàòüå ñõåìà îáåñïå÷èâàåò âèçóàëüíóþ èíäèêàöèþ óðîâíÿ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îòíîñèòåëüíî çíà÷åíèé âåðõíåãî è íèæíåãî ïîðîãîâ è ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ áûñòðîé ðàçáðàêîâêè ïî êðèòåðèþ «ãîäåí» - «íà ãðàíèöå äîïóñòèìîãî» - «íåãîäåí». Äëÿ ñîçäàíèÿ îñíîâàííîé íà VCC

VCC VCC = 6 Â R1 5k VSET

VCC10kC2 0.01 µF

R2 10k

R4 20k + –

R7 402

R3

VIN

U1 + – + –

D2 êðàñí.

R6 LT1637

100 D1 çåëåí.

R5

R8 348

10k C1 0.33 µF

Ðèñóíîê 1. Ýòîò ìîäèôèöèðîâàííûé ãåíåðàòîð ñ ìîñòîì Âèíà èìååò òðè âûõîäíûõ ñîñòîÿíèÿ – âûñîêèé óðîâåíü, íèçêèé óðîâåíü è ãåíåðàöèÿ, êîòîðûå çàâèñÿò îò âåëè÷èíû âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Îí óïðàâëÿåò äâóõöâåòíûì ñâåòîäèîäîì, îáåñïå÷èâàþùèì âèçóàëüíóþ èíäèêàöèþ óðîâíÿ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îòíîñèòåëüíî âåðõíåãî è íèæíåãî ïîðîãîâ.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

îïåðàöèîííîì óñèëèòåëå (ÎÓ) ñõåìû ñ èíäèêàöèåé òðåõ ðåæèìîâ çäåñü èñïîëüçóåòñÿ ìîäèôèöèðîâàííûé ãåíåðàòîð ñ ìîñòîì Âèíà (Ðèñóíîê 1). Êîãäà âõîäíîå íàïðÿæåíèå VIN âûøå ïåðâîãî ïîðîãîâîãî çíà÷åíèÿ, íàïðÿæåíèå íà âõîäå ÎÓ èìååò âûñîêèé óðîâåíü. Åñëè âõîäíîå íàïðÿæåíèå íèæå âòîðîãî ïîðîãà, âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ÎÓ áóäåò íèçêèì. Äëÿ âõîäíûõ íàïðÿæåíèé ñ óðîâíÿìè, íàõîäÿùèìèñÿ ìåæäó äâóõ ïîðîãîâ, îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü ãåíåðèðóåò èìïóëüñû ñ ðàçìàõîì, ðàâíûì ïîëíîìó äèàïàçîíó åãî âûõîäíûõ íàïðÿæåíèé. Ãåíåðàöèÿ òàêæå îçíà÷àåò, ÷òî ñõåìà ÎÓ ïîïåðåìåííî áóäåò èñòî÷íèêîì è ïðèåìíèêîì òîêà. Òàêèì îáðàçîì, ïîäêëþ÷åíèå äâóõöâåòíîãî çåëåíîãî/êðàñíîãî ñâåòîäèîäà ê âûõîäó îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ ìîæåò îáåñïå÷èòü âèçóàëüíóþ èíäèêàöèþ äèàïàçîíà âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Äâóõöâåòíûé ñâåòîäèîä ñîñòîèò èç çåëåíîãî è êðàñíîãî ñâåòîäèîäîâ, èìåþùèõ ïðîòèâîïîëîæíûå ïîëÿðíîñòè. Ïîýòîìó, êîãäà òîê âûòåêàåò èç îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ (âûñîêîå íàïðÿæåíèå âûõîäà), áóäåò ãîðåòü çåëåíûé ñâåòîäèîä, à êîãäà òîê âòåêàåò â îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü (íèçêîå íàïðÿæåíèå âûõîäà), áóäåò ãîðåòü êðàñíûé ñâåòîäèîä. Äëÿ âõîäíûõ íàïðÿæåíèé, ìåíüøèõ âåðõíåãî ïîðîãà è áîëüøèõ íèæíåãî ïîðîãà, ãåíå-

119

ðèðóåìûå âûõîäíûå èìïóëüñû áóäóò ïîïåðåìåííî çàæèãàòü êàæäûé ñâåòîäèîä. Îäíàêî ÷àñòîòà êîëåáàíèé äîñòàòî÷íî âåëèêà, ÷òîáû äâóõöâåòíûé ñâåòîäèîä âîñïðèíèìàëñÿ ãëàçîì íå êàê äâà ìèãàþùèõ îãîíüêà, à êàê îäèí èñòî÷íèê ïîñòîÿííîãî æåëòîâàòîãî öâåòà. Ïîñêîëüêó êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ èìïóëüñîâ ãåíåðàòîðà çàâèñèò îò âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, ñîîòíîøåíèå èçëó÷àåìîãî êðàñíîãî è çåëåíîãî ñâåòà è, ñëåäîâàòåëüíî, òî÷íûé âèäèìûé îòòåíîê æåëòîãî, áóäóò çàâèñåòü îò âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Ïðè âõîäíîì íàïðÿæåíèè, áëèçêîì ê âåðõíåé ÷àñòè îêíà ãåíåðàöèè îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ, êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ áóäåò áëèçîê ê 100%, à ñâåò, èçëó÷àåìûé äâóõöâåòíûì ñâåòîäèîäîì, áóäåò æåëòî-çåëåíûì.  íèæíåé ÷àñòè êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ áóäåò áëèçîê ê 0%, è èçëó÷àåìûé ñâåò áóäåò êðàñíî-îðàíæåâûì.  ñåðåäèíå îêíà ãåíåðàöèè ñâåò áóäåò êàçàòüñÿ ÷èñòî æåëòûì. Äâà óñòîé÷èâûõ ñîñòîÿíèÿ ñõåìû âîçíèêàþò, êîãäà íàïðÿæåíèå VIN äîñòàòî÷íî âåëèêî, ÷òîáû âûõîäíîå íàïðÿæåíèå îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ äîñòèãëî ñâîåãî ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ è îñòàâàëîñü íà íåì, èëè êîãäà îíî äîñòàòî÷íî ìàëî, ÷òîáû âûõîäíîå íàïðÿæåíèå îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ äîñòèãëî ñâîåãî ìèíèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ è îñòàâàëîñü íà íåì. Ïîðîãàì ýòèõ óñòîé÷èâûõ óñëîâèé ñîîòâåòñòâóåò òàêîå íàïðÿæåíèå â òî÷êå VSET, êîãäà òîê ÷åðåç èíâåðòèðóþùèé âõîä îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ ðàâåí íóëþ. Òîãäà äëÿ ïîðîãîâîãî óðîâíÿ âûïîëíÿåòñÿ ñîîòíîøåíèå:

 èçîáðàæåííîé ñõåìå èñïîëüçóåòñÿ îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü LT1637 ñ ìàêñèìàëüíûì âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì 5.36  (ïðè VCC = 6 Â) è ìèíèìàëüíûì âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì 0.64 Â. Ïîäñòàíîâêà ýòèõ çíà÷åíèé â ôîðìóëó äàåò âåðõíþþ è íèæíþþ ãðàíèöû îêíà ãåíåðàöèè 4.34  è 3.15 Â, ñîîòâåòñòâåííî. Ýòè ìèíèìàëüíûå è ìàêñèìàëüíûå âûõîäíûå íàïðÿæåíèÿ, êîíå÷íî, áóäóò çàâèñåòü îò VCC è ìîãóò îòëè÷àòüñÿ, åñëè èñïîëüçóþòñÿ äðóãèå îïåðàöèîííûå óñèëèòåëè. ×àñòîòà ãåíåðàöèè çàâèñèò îò ïîñòîÿííîé âðåìåíè RC-öåïè R4, R5 è C1. Öåíòðàëüíàÿ ÷àñòîòà îêíà ãåíåðàöèè âûðàæàåòñÿ ôîðìóëîé

f=

1 , pC1(R4 + R5)

(2)

÷òî ïðè èñïîëüçîâàíèè êîìïîíåíòîâ ñ óêàçàííûìè íà ñõåìå íîìèíàëàìè äàåò 32.15 Ãö. Íà Ðèñóíêå 2à ïîêàçàí îòêëèê ñõåìû íà âõîäíîå íàïðÿæåíèå, ëèíåéíî ñïàäàþùåå îò 4.5  äî 3.0  è ïîî÷åðåäíî âêëþ÷àþùåå òðè ðåæèìà ðàáîòû ñõåìû5. Ãåíåðàöèÿ ÎÓ íà÷èíàåòñÿ, êîãäà âõîäíîå íàïðÿæåíèå VIN ñðàâíÿåòñÿ ñ ìàêñèìàëüíûì çíà÷åíèåì VSET, è ïðåêðàùàåòñÿ, êîãäà VIN è VSET ñíîâà ñòàíîâÿòñÿ ðàâíûìè ïðè ìèíèìàëüíîì çíà÷åíèè VSET. V(VIN)

V(VSET)

V(VIN)

I(D1)

4.5 Â 4.2 Â 3.9 Â 3.6 Â 3.3 Â 3.0 Â

æ VCC - VSET ö æ VOUT - VSET ö VSET , ç ÷+ç ÷= R1 R3 è ø è ø R2

(à)

(1) 4.5 Â

ãäå VOUT – ìèíèìàëüíîå èëè ìàêñèìàëüíîå âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ÎÓ. Ðåçèñòîðû R1 è R2 îáðàçóþò äåëèòåëü íàïðÿæåíèÿ, êîòîðûé ñîâìåñòíî ñ R3 óñòàíàâëèâàåò ïîðîãè íàïðÿæåíèé, â ïðåäåëàõ êîòîðûõ îêíî ãåíåðàöèè àêòèâíî. Îáùåå ïðàâèëî ñîñòîèò â òîì, ÷òî ÷åì áîëüøå ñîïðîòèâëåíèå R3, òåì óæå äèàïàçîí âõîäíûõ íàïðÿæåíèé äëÿ ãåíåðàöèè. Äëÿ èíäèâèäóàëüíîé íàñòðîéêè ñõåìû íà æåëàåìûé ðàáî÷èé äèàïàçîí ðåçèñòîðû R1 è R2 ìîæíî çàìåíèòü ïîòåíöèîìåòðîì.

120

9.6 ìÀ 8.0 ìÀ 6.4 ìÀ 4.8 ìÀ 3.2 ìÀ 1.6 ìÀ 0.0 ìÀ –1.6 ìÀ

4.2 Â 3.9 Â 3.6 Â 3.3 Â 3.0 Â

(á)

Ðèñóíîê 2. Ëèíåéíî ñïàäàþùåå âõîäíîå íàïðÿæåíèå äåìîíñòðèðóåò ïåðåêëþ÷åíèå ñõåìû ìåæäó òðåìÿ ðåæèìàìè ðàáîòû äëÿ ðàññ÷èòàííûõ çíà÷åíèé ïîðîãîâ (à) ïî ìåðå ïàäåíèÿ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ (á) ñ óìåíüøåíèåì êîýôôèöèåíòà çàïîëíåíèÿ èìïóëüñîâ òîêà ÷åðåç çåëåíûé ñâåòîäèîä.

ÑÕÅÌÛ

Íà Ðèñóíêå 2á ïðèâåäåíà çàâèñèìîñòü òîêà çåëåíîãî ñâåòîäèîäà îò âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ VIN. Çåëåíûé ñâåòîäèîä ãîðèò, êîãäà VIN âûøå 4.34 Â, âûêëþ÷àåòñÿ, êîãäà VIN íèæå 3.15 Â, è ìèãàåò, ïåðåêëþ÷àÿñü ìåæäó äâóìÿ óðîâíÿìè íàïðÿæåíèÿ, â ñîîòâåòñòâèè ñ ðàññ÷èòàííûìè çíà÷åíèÿìè ïîðîãîâ. Èçìåðåíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ èìïóëüñîâ ãåíåðàòîðà ðàâåí 78% â íà÷àëå è 18% â êîíöå îêíà ãåíåðàöèè. Íàïðàâëåíèå òîêà, ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç êðàñíûé ñâåòîäèîä, ïðîòèâîïîëîæíî òîêó çåëåíîãî ñâåòîäèîäà, ïîýòîìó, êîãäà êðàñíûé ñâåòîäèîä âêëþ÷åí, çåëåíûé ñâåòîäèîä âûêëþ÷åí. Íîìèíàëû ðåçèñòîðîâ R6, R7 è R8, îãðàíè÷èâàþùèõ òîêè ñâåòîäèîäîâ, âûáðàíû â

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

ñîîòâåòñòâèè ñî ñïåöèôèêàöèåé èñïîëüçîâàííîãî çäåñü ñâåòîäèîäà BRPG1204W êîìïàíèè Stanley Electric. Îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü áûë âûáðàí èç-çà åãî ñïîñîáíîñòè ðàáîòàòü ñ âõîäíûìè è ïèòàþùèìè íàïðÿæåíèÿìè â äèàïàçîíå äî 44 Â, ÷òî äåëàåò ñõåìó ïðèìåíèìîé äëÿ áîëåå âûñîêèõ íàïðÿæåíèé. Îäíàêî òîãäà òîêîîãðàíè÷èâàþùèå ðåçèñòîðû äîëæíû áûòü ñîîòâåòñòâóþùèì îáðàçîì ìàñøòàáèðîâàíû, ÷òîáû íå ïåðåãðóæàòü äâóõöâåòíûé ñâåòîäèîä. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Analog Devices LT1637 2. Datasheet Stanley BRPG1204W

121

Êîìïåíñàöèÿ îøèáîê ïîâûøàåò òî÷íîñòü èñòî÷íèêà âòåêàþùåãî òîêà Christian de Godzinsky EDN

Ò

Òî÷íîñòü èñòî÷íèêà âòåêàþùåãî òîêà ìîæíî ïîâûñèòü, ïî êðàéíåé ìåðå, íà äâà ïîðÿäêà, åñëè äîáàâèòü ê íåìó äâà ñòàíäàðòíûõ ðåçèñòîðà ñ äîïóñêàìè 1%.  êà÷åñòâå áîíóñà òàêæå áóäóò êîìïåíñèðîâàíû îøèáêè, êîòîðûå âíîñèò áàçîâûé òîê ïðîõîäíîãî òðàíçèñòîðà ñ íèçêèì êîýôôèöèåíòîì óñèëåíèÿ ïî òîêó. ×òîáû ñäåëàòü ýòî, íàäî èçìåðèòü áàçîâûé òîê òðàíçèñòîðà è äîáàâèòü ïðîïîðöèîíàëüíî ìàñøòàáèðîâàííóþ ñîñòàâëÿþùóþ îøèáêè ê îïîðíîìó íàïðÿæåíèþ. Ïðè

VC R4 1k

+

ÑÒÀÁÈËÈÇÈÐÎÂÀÍÍÛÉ ÒÎÊ

+

R2 47

IC1

– + VREF

–

–

Q1 CCOMP

2N3020 R3 1k

R1 1

Ðèñóíîê 1. Âûõîäíîé òîê ýòîãî òèïè÷íîãî áûñòðîäåéñòâóþùåãî èñòî÷íèêà âòåêàþùåãî òîêà íà îñíîâå áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà ñîäåðæèò îøèáêó, âûçâàííóþ òîêîì áàçû. Åãî íîðìàëüíûé âûõîäíîé òîê IOUT = (VREF/R1) – IB.

122

ïðîåêòèðîâàíèè èñòî÷íèêà âòåêàþùåãî òîêà â êà÷åñòâå ïðîõîäíîãî òðàíçèñòîðà ìîæíî èñïîëüçîâàòü MOSFET èç-çà åãî ïî÷òè áåñêîíå÷íîãî óñèëåíèÿ ïî ìîùíîñòè è íèçêîãî òîêà çàòâîðà. Îäíàêî ìîùíûå MOSFET èìåþò áîëüøèå âõîäíûå è âûõîäíûå åìêîñòè, êîòîðûå óìåíüøàþò âûñîêî÷àñòîòíûé âûõîäíîé èìïåäàíñ èñòî÷íèêà òîêà.  êà÷åñòâå àëüòåðíàòèâû ìîùíûé áèïîëÿðíûé òðàíçèñòîð ñ íèçêèì êîýôôèöèåíòîì ïåðåäà÷è òîêà èìååò ãîðàçäî ìåíüøóþ âûõîäíóþ åìêîñòü, ÷åì MOSFET ñîïîñòàâèìîé ìîùíîñòè. Íà Ðèñóíêå 1 ïîêàçàíà êîíñòðóêöèÿ èñòî÷íèêà âòåêàþùåãî òîêà íà áèïîëÿðíîì òðàíçèñòîðå, ñåðüåçíûì íåäîñòàòêîì, êîòîðîãî, ê ñîæàëåíèþ, ÿâëÿåòñÿ ñèñòåìàòè÷åñêàÿ îøèáêà, îáóñëîâëåííàÿ ïðîòåêàíèåì áàçîâîãî òîêà òðàíçèñòîðà Q1 ÷åðåç òîêîèçìåðèòåëüíûé ðåçèñòîð R1. Áàçîâûé òîê èçìåíÿåòñÿ ñ èçìåíåíèÿìè êîëëåêòîðíîãî òîêà è êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è òîêà òðàíçèñòîðà Q1, êîòîðûå, â ñâîþ î÷åðåäü, çàâèñÿò îò ïðîèçâîäñòâåííîãî ðàçáðîñà ïàðàìåòðîâ òðàíçèñòîðà, òåìïåðàòóðû ïåðåõîäà è íàïðÿæåíèÿ êîëëåêòîð-ýìèòòåð. Äëÿ óâåëè÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ïî òîêó è óìåíüøåíèÿ îøèáêè íà âûõîäå ìîæíî èñïîëüçîâàòü òðàíçèñòîðû Äàðëèíãòîíà, íî î÷åíü íåìíîãèå èç íèõ îáëàäàþò õîðîøèìè âûñîêî÷àñòîòíûìè ïàðàìåòðàìè. Ìîùíûå ñóïåðáåòà òðàíçèñòîðû âñòðå÷àþòñÿ

ÑÕÅÌÛ

ðåäêî, îíè ñóùåñòâåííî äîðîæå è îáû÷íî èìåþò áîëåå íèçêèå ÷àñòîòû åäèíè÷íîãî óñèëåíèÿ. Îäíèì ñëîâîì, íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî áèïîëÿðíûé òðàíçèñòîð èìååò áîëåå âûñîêèé âûõîäíîé èìïåäàíñ íà âûñîêèõ ÷àñòîòàõ, ïîãðåøíîñòü, ñâÿçàííàÿ ñ åãî áàçîâûì òîêîì, äåëàåò áèïîëÿðíûé òðàíçèñòîð ïëîõèì âûáîðîì äëÿ âûñîêîòî÷íîãî èñòî÷íèêà âòåêàþùåãî òîêà. Îøèáêè, âíîñèìûå òîêîì áàçû, ìîãëè áû áûòü êîìïåíñèðîâàíû ïóòåì èçìåðåíèÿ êîëëåêòîðíîãî òîêà âûõîäíîãî òðàíçèñòîðà è ââåäåíèåì ïîïðàâî÷íîãî êîýôôèöèåíòà, íî òàêîé ïîäõîä óñëîæíÿåò ñõåìó è ñíèæàåò âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå èñòî÷íèêà.

VC

+

R9 47k

+

IC2

–

R6 47k R5 47k

+

–

R8 ÑÒÀÁÈËÈÇÈ47k ÐÎÂÀÍÍÛÉ ÒÎÊ

VCC

R7 47k

+

R2 47

IC1

– R4 1k

+

–

Q1 CCOMP

2N3020

òîêîèçìåðèòåëüíîãî ðåçèñòîðà R1, à íå ê çåìëå, îïîðíîå íàïðÿæåíèå VREF îïðåäåëÿåò íàïðÿæåíèå îøèáêè, ïîäàâàåìîå íà Q1, ñîõðàíÿÿ ìàñøòàáèðîâàíèå âûõîäíîãî ñèãíàëà è ïîçâîëÿÿ âû÷èñëÿòü âûõîäíîé òîê êàê VREF/R1.  ðåçóëüòàòå âåëè÷èíà ñòàáèëèçèðîâàííîãî íàïðÿæåíèÿ íà ðåçèñòîðå R1 îïðåäåëÿåòñÿ ñóììîé òðåáóåìîãî âûõîäíîãî òîêà è òîêà áàçû òðàíçèñòîðà. Áëàãîäàðÿ òîìó, ÷òî òðàíçèñòîð ïî ñâîåé ïðèðîäå «âû÷èòàåò» ñîáñòâåííûé áàçîâûé òîê, åãî êîëëåêòîðíûé òîê è, ñëåäîâàòåëüíî, âûõîäíîé òîê íå èìåþò îøèáêè, ñîçäàâàåìîé áàçîâûì òîêîì. Èñïîëüçóÿ êîìáèíàöèþ èç äâóõ óñèëèòåëåé IC1 è IC2, ìîæíî óïðîñòèòü ñõåìó è ñîõðàíèòü ôóíêöèþ êîìïåíñàöèè îøèáêè, íî òîãî æå ðåçóëüòàòà ìîæíî äîáèòüñÿ, ïðîñòî äîáàâèâ ê ñõåìå íà Ðèñóíêå 1 äâà ðåçèñòîðà. Îêîí÷àòåëüíàÿ ñõåìà ïîêàçàíà íà Ðèñóíêå 3. ×òîáû ïîíÿòü ïðèíöèï åå ðàáîòû, áóäåì ñ÷èòàòü ñõåìó ðåãóëÿòîðîì íàïðÿæåíèÿ, ïîääåðæèâàþùèì íàïðÿæåíèå, ðàâíîå VREF, íà ðåçèñòîðå R1. Îáðàòèòå âíèìàíèå, ÷òî åñëè çàêîðîòèòü áàçîâûé ðåçèñòîð R2, ëþáàÿ ñèíôàçíàÿ îøèáêà, âíîñèìàÿ ðåçèñòîðàìè R5 è R6, áóäåò êîìïåíñèðîâàíà è, òàêèì îáðàçîì, íå áóäåò âëèÿòü íà íàïðÿæåíèå áàçû òðàíçèñòîðà Q1. Åñëè ïîäàòü ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ

R3 1k R5 47k

VREF

–

R1 1

ÑÒÀÁÈËÈÇÈÐÎÂÀÍÍÛÉ ÒÎÊ

VC R4 1k

+

+

R2 47

IC1

Ðèñóíîê 2. Äîáàâëåíèå êîìïåíñàöèè îøèáêè, âíîñèìîé áàçîâûì òîêîì, óëó÷øàåò õàðàêòåðèñòèêè ñõåìû. Ïðè èñïîëüçîâàíèè õîðîøî ñîãëàñîâàííûõ ðåçèñòîðîâ ôîðìóëà äëÿ âûõîäíîãî òîêà óïðîùàåòñÿ äî IOUT = (VREF/R1).

–

–

Q1 CCOMP

2N3020

+ VREF

R6 47k

–

Ëó÷øèé ïîäõîä ðåàëèçîâàí â ñõåìå, ïîêàçàííîé íà Ðèñóíêå 2, â êîòîðóþ äëÿ èçìåðåíèÿ áàçîâîãî òîêà òðàíçèñòîðà Q1 ïî ïàäåíèþ íàïðÿæåíèÿ íà ðåçèñòîðå R2 äîáàâëåíû äèôôåðåíöèàëüíûé óñèëèòåëü IC2 è ðåçèñòîðû R6 - R9. Ðåçèñòîðû R4 è R5 ìàñøòàáèðóþò è ñóììèðóþò íàïðÿæåíèå îøèáêè è îïîðíîå íàïðÿæåíèå, ïîäàâàåìûå íà äèôôåðåíöèàëüíûé óñèëèòåëü IC1. Ïîñêîëüêó èíâåðòèðóþùèé âõîä IC1 ïîäêëþ÷åí ê âåðõíåìó âûâîäó

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

R3 1k

R1 1

Ðèñóíîê 3. Ìîæíî åùå áîëüøå óïðîñòèòü êîíñòðóêöèþ èñòî÷íèêà âòåêàþùåãî òîêà, äîáàâèâ ê ñõåìå Ðèñóíîê 1 ëèøü äâà ðåçèñòîðà R5 è R6. Ôîðìóëà âûõîäíîãî òîêà îñòàåòñÿ òàêîé æå, êàê äëÿ ñõåìû Ðèñóíîê 2: IOUT = = (VREF/R1).

123

îáðàòíî íà âõîä IC1 ÷åðåç ðåçèñòîðû R5 è R4, òî íàïðÿæåíèå, ïàäàþùåå íà ðåçèñòîðå R2 è ñîîòâåòñòâóþùåå âåëè÷èíå áàçîâîãî òîêà Q1, óâåëè÷èò ñòàáèëèçèðóåìîå íà R1 íàïðÿæåíèå â ñîîòíîøåíèè R5/R4. Åñëè îòíîøåíèå R5/R4 ñäåëàòü ðàâíûì îòíîøåíèþ R2/R1, íàïðÿæåíèå íà ðåçèñòîðå R1 áóäåò âêëþ÷àòü ñîñòàâëÿþùóþ îøèáêè, êîòîðàÿ ýôôåêòèâíî êîìïåíñèðóåò áàçîâûé òîê. Åñëè R3 = R4 è R5 = R6, âûõîäíîé òîê IOUT áóäåò îïèñûâàòüñÿ ñëåäóþùåé ôîðìóëîé:

VREF + IB × R 2 × IOUT =

R1

R4 R5

- IB .

VREF .

R1

Äëÿ îïòèìèçàöèè õàðàêòåðèñòèê ñõåìû èñïîëüçóéòå ñëåäóþùèå ñîîòíîøåíèÿ ñîïðîòèâëåíèé ðåçèñòîðîâ:

R2 R5 = , R5 = R6 , R3 = R 4 , R1 R 4 R 5 >> R 4 , R 3 >> R1. Èñïîëüçîâàíèå â ñõåìå íà Ðèñóíêå 3 ñòàíäàðòíûõ ðåçèñòîðîâ ñ äîïóñêîì 1% óìåíüøàåò îøèáêó, âíîñèìóþ òîêîì áàçû òðàíçèñòîðà Q1, ïðèìåðíî äî îäíîé ñîòîé îò åå íåêîìïåíñèðîâàííîãî óðîâíÿ. Áåç êîìïåíñàöèè íèçêèé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òîêà ìîùíîãî òðàíçèñòîðà Q1 ñ òèïè÷íûì çíà÷åíèåì 25 âíåñ áû îøèáêó ïîëíîé øêàëû òîêà â 4%. Ñõåìà óìåíüøàåò îøèáêó äî 0.04% è óâåëè÷èâàåò êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òîêà òðàíçèñòîðà Q1 äî ýôôåêòèâíîãî çíà÷åíèÿ 2500. Èäåàëüíîå ñîãëàñîâàíèå ïîçâîëèëî áû ñíèçèòü îøèáêó áàçîâîãî òîêà äî ïðàêòè÷åñêè íåèçìåðèìîé âåëè÷èíû. Îáðàòèòå âíèìàíèå, ÷òî äèàïàçîí âõîäíûõ ñèíôàçíûõ íàïðÿæåíèé ìèêðîñõåìû IC1 äîëæåí âêëþ÷àòü íàïðÿæåíèå îòðèöàòåëüíîé øèíû ïèòàíèÿ. Ðàâåíñòâî ñîïðîòèâëåíèé ðåçèñòîðîâ íà îáîèõ âõîäàõ IC1 óðàâíîâåøèâàåò âõîäíûå òîêè ñìåùåíèÿ îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ. Ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèå

124

R2 47 Ê ÎÑÒÀËÜÍÎÉ ×ÀÑÒÈ ÑÕÅÌÛ

R6 47k

Q1 2N3020 Q2

R3 1k

RSPEEDUP 470

2N3020

R1 1

Ïîñêîëüêó òîê áàçû IB âõîäèò â âûðàæåíèå äâàæäû ñ ïðîòèâîïîëîæíûìè çíàêàìè è âçàèìíî ñîêðàùàåòñÿ, ôîðìóëà óïðîùàåòñÿ:

IOUT =

ÑÒÀÁÈËÈÇÈÐÎÂÀÍÍÛÉ ÒÎÊ

Ðèñóíîê 4. Äîáàâëåíèå ðåçèñòîðà RSPEEDUP óëó÷øàåò õàðàêòåðèñòèêè äâóõòðàíçèñòîðíîãî âûõîäíîãî êàñêàäà Äàðëèíãòîíà.

íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ çàâèñèò îò äîïóñòèìîé íàãðóçêè ïî òîêó óñèëèòåëÿ IC1 è îò ñóììû íàèõóäøèõ ïàäåíèé íàïðÿæåíèÿ íà ïåðåõîäå áàçà-ýìèòòåð Q1, à òàêæå íà ðåçèñòîðàõ R1 è R2. Ìàêñèìàëüíûé âûõîäíîé òîê ñõåìû çàâèñèò îò ìèíèìàëüíîãî êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è òîêà òðàíçèñòîðà Q1 äëÿ ñëó÷àÿ åãî íàèáîëåå ïåññèìèñòè÷åñêîé îöåíêè, óìíîæåííîãî íà ìèíèìàëüíûé âûõîäíîé òîê IC1, îïÿòü æå, äëÿ íàèõóäøåãî ñëó÷àÿ. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñòàáèëüíîé ðàáîòû â êà÷åñòâå IC1 ñëåäóåò èñïîëüçîâàòü îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü, óñòîé÷èâûé ïðè åäèíè÷íîì óñèëåíèè. Êîãäà ñõåìà ðàáîòàåò â ïðåäåëàõ íîìèíàëüíîãî äèàïàçîíà òîêîâ, îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü, âðåìÿ îòêëèêà êîòîðîãî çíà÷èòåëüíî áîëüøå, ÷åì ó òðàíçèñòîðà Q1, îáû÷íî íå íóæäàåòñÿ â óñòàíîâêå êîìïåíñèðóþùåãî êîíäåíñàòîðà CCOMP. Îäíàêî íåáîëüøîé êîíäåíñàòîð åìêîñòüþ â íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ïèêîôàðàä ãàðàíòèðóåò óñòîé÷èâîñòü ïðè ëþáûõ óñëîâèÿõ – íàïðèìåð, êîãäà âûõîäíîé òîê ñõåìû è íàïðÿæåíèå îáðàòíîé ñâÿçè íà ðåçèñòîðå R1 ïðèáëèæàþòñÿ ê íóëþ. Ñõåìà íà Ðèñóíêå 3 áóäåò ðàáîòàòü òàê æå õîðîøî, åñëè â êà÷åñòâå Q1 èñïîëüçîâàòü òðàíçèñòîð Äàðëèíãòîíà, ïîñêîëüêó åãî áîëåå âûñîêîå óñèëåíèå ïî òîêó äîïîëíèòåëüíî óëó÷øàåò ðàáîòó ñõåìû. Ïðè èñïîëüçîâàíèè äâóõ äèñêðåòíûõ áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ ìîæíî óëó÷øèòü âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ ñîñòàâíîãî òðàíçèñòîðà Äàðëèíãòîíà, ïîäêëþ÷èâ ðåçèñòîð RSPEEDUP ìåæäó áàçîé è

ÑÕÅÌÛ

ýìèòòåðîì âûõîäíîãî òðàíçèñòîðà, ÷òîáû óäàëèòü åãî èçáûòî÷íûé áàçîâûé çàðÿä (Ðèñóíîê 4). Èñòî÷íèê îïîðíîãî íàïðÿæåíèÿ ìîæåò áûòü êàê ôèêñèðîâàííûì, òàê ðåãóëèðóåìûì, íî äëÿ ìèíèìèçàöèè îøèáêè âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå îïîðíîãî èñòî÷íèêà äîëæíî áûòü äîñòàòî÷íî íèçêèì, ÷òîáû ïðèíèìàòü òîê îáðàòíîé ñâÿçè îò ðåçèñòîðà R4. Ìîæíî

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

òàêæå ïðîïîðöèîíàëüíî óâåëè÷èòü íîìèíàëû ðåçèñòîðîâ R3 - R6, ÷òîáû ñíèçèòü âåëè÷èíó òîêà, ïîòðåáëÿåìîãî îïîðíûì èñòî÷íèêîì. Óäèâèòåëüíî, ÷åãî ìîæíî äîáèòüñÿ, äîáàâèâ âñåãî äâà ðåçèñòîðà â è áåç òîãî ïðîñòóþ ñõåìó. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Comset 2N3020

125

Çàðÿäîâûå íàñîñû íà ìèêðîñõåìå TLC555-Q1 Mahmoud Harmouch Texas Instruments

Àííîòàöèÿ  ýòîé ñòàòüå îïèñûâàåòñÿ àëüòåðíàòèâíîå èñïîëüçîâàíèå ìèêðîñõåìû TLC555-Q1 â êà÷åñòâå çàðÿäîâîãî íàñîñà. Ïðÿìîóãîëüíûå âûõîäíûå èìïóëüñû ñ ðàçìàõîì îò íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ äî «çåìëè» ïîçâîëÿþò ñ ïîìîùüþ íåñêîëüêèõ äîïîëíèòåëüíûõ êîíäåíñàòîðîâ è äèîäîâ ñäåëàòü íà îñíîâå ýòîãî óñòðîéñòâà åìêîñòíîé ïðåîáðàçîâàòåëü ñ ïîëîæèòåëüíûì èëè îòðèöàòåëüíûì âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì. Èñïîëüçîâàíèå TLC555Q1 â êà÷åñòâå çàðÿäîâîãî íàñîñà ÿâëÿåòñÿ ïðîñòûì è äåøåâûì ðåøåíèåì äëÿ óäâîåíèÿ, óòðîåíèÿ èëè èíâåðòèðîâàíèÿ íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ. Çàðÿäîâûé íàñîñ ìîæíî èñïîëüçîâàòü â àâòîìîáèëüíûõ ïðèëîæåíèÿõ, òðåáóþùèõ çàùèòû îò ïåðåïîëþñîâêè áàòàðåè. ÇàðÿäîVDD CONT RESET 8 5 4 R THRES

R1

6

R

1

3

OUT

S R

TRIG

2 R 7

DISCH

1 GND

Ðèñóíîê 1. Áëîê-ñõåìà òàéìåðà TLC555-Q1.

126

âûé íàñîñ òàêæå ñïîñîáåí óïðàâëÿòü MOSFET ñ íèçêèì ñîïðîòèâëåíèåì îòêðûòîãî êàíàëà.

Îïèñàíèå ìèêðîñõåìû Ýòî óñòðîéñòâî ñîäåðæèò äâà îêîííûõ êîìïàðàòîðà, RS-òðèããåð, MOSFET ñ îòêðûòûì ñòîêîì è äâóõòàêòíûé âûõîäíîé êàñêàä (Ðèñóíîê 1). Êðîìå òîãî, ìèêðîñõåìà èìååò âûâîä RESET äëÿ ðàçðåøåíèÿ è çàïðåòà âûõîäà. Íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ îò 2 Â äî 15 Â ïîçâîëÿåò óñòðîéñòâó ðàáîòàòü â àâòîìîáèëüíîì îáîðóäîâàíèè ïðè ïîëíîñòüþ çàðÿæåííîé 12-âîëüòîâîé àêêóìóëÿòîðíîé áàòàðåå è ïðè õîëîäíîì çàïóñêå.

Çàðÿäîâûé íàñîñ ñ ïîëîæèòåëüíûì âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì Ìèêðîñõåìà TLC555-Q1 âêëþ÷åíà â òèïîâîé êîíôèãóðàöèè òàéìåðà (Ðèñóíîê 2). ×àñòîòà ïåðåêëþ÷åíèÿ è êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ óñòàíàâëèâàþòñÿ âðåìÿçàäàþùèìè êîìïîíåíòàìè R1, R2 è C5. Äâà äèîäà (D1, D2) è äâà êåðàìè÷åñêèõ êîíäåíñàòîðà (C3, C4) âûðàáàòûâàþò ïîëîæèòåëüíîå âûõîäíîå íàïðÿæåíèå 2VCC – 2VF, ãäå VF – ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà äèîäå. Êîãäà ìèêðîñõåìà TLC555-Q1 âûêëþ÷åíà, âûõîäíîå íàïðÿæåíèå çàðÿäîâîãî íàñîñà ðàâíî VCC – 2VF. ×òîáû ïðè âûêëþ÷åííîì óñòðîéñòâå TLC555Q1 âûõîäíîå íàïðÿæåíèå áûëî ðàâíî 0 Â, íàäî àíîä äèîäà D2 ñîåäèíèòü ñ âûõîäîì OUT (âûâîä 3).

ÑÕÅÌÛ

VCC

D2 R1

C1 1µF U1 GND Âûñîêèé = ðàçðåøåíèå

8 4 6 2

904 D1 Ïîëîæèòåëüíîå íàïðÿæåíèå

C2

VCC

OUT

RESET

DISCH

THRES

CONT

TRIG

GND

3 1µF

7

C3 1µF

5 1

C5 10nF NE555PWR

R2

GND

C4 1nF

GND

904

Ðèñóíîê 2. Ñõåìà çàðÿäîâîãî íàñîñà ñ ïîëîæèòåëüíûì âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì.

Âêëþ÷åíèå è âûêëþ÷åíèå ïèòàíèÿ Âûâîä RESET ìèêðîñõåìû ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ çàðÿäîâîãî íàñîñà â ñîîòâåòñòâèè ñ Òàáëèöåé 1. Òàáëèöà 1. Ðàáîòà çàðÿäîâîãî íàñîñà ñ ïîëîæèòåëüíûì âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì RESET

OUT (âûâ. 3)

Âûñîêèé Ïåðåêëþ÷åíèå Íèçêèé

Ðèñóíîê 3. Âêëþ÷åíèå ïèòàíèÿ – óðîâåíü íà âõîäå RESET ìåíÿåòñÿ ñ íèçêîãî íà âûñîêèé.

Íèçêèé

Çàðÿäîâûé Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå íàñîñ ÂÊË

2VCC – 2VF

ÂÛÊË

VCC – 2VF

Íà Ðèñóíêå 3 ïîêàçàíû îñöèëëîãðàììû, èëëþñòðèðóþùèå ïðîöåññ âêëþ÷åíèÿ ïîñëå èçìåíåíèÿ óðîâíÿ íà âõîäå RESET ñ íèçêîãî

Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå (Â)

25

20

15

VOUT (Â) Ëèíåéíàÿ àïïðîêñèìàöèÿ

10

5

0 0

Ðèñóíîê 4. Âûêëþ÷åíèå ïèòàíèÿ – óðîâåíü íà âõîäå RESET ìåíÿåòñÿ ñ âûñîêîãî íà íèçêèé.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

5

10

15 20 25 Òîê íàãðóçêè (ìÀ)

30

35

Ðèñóíîê 5. Çàâèñèìîñòü âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ çàðÿäîâîãî íàñîñà îò òîêà íàãðóçêè.

127

VCC R1 904

C1 1µF

C2

D1

Îòðèöàòåëüíîå íàïðÿæåíèå

U1 GND Âûñîêèé = ðàçðåøåíèå

8 4 6 2

VCC

OUT

RESET

DISCH

THRES

CONT

TRIG

GND

C5 10nF NE555PWR

3

1µF D2

C3 1µF

7 5 GND

1

C4 1nF

GND R2 904

Ðèñóíîê 6. Ñõåìà çàðÿäîâîãî íàñîñà ñ îòðèöàòåëüíûì âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì.

íà âûñîêèé. Íà Ðèñóíêå 4 ïîêàçàíû îñöèëëîãðàììû, èëëþñòðèðóþùèå ïðîöåññ âûêëþ÷åíèÿ ïîñëå èçìåíåíèÿ óðîâíÿ íà âõîäå RESET ñ âûñîêîãî íà íèçêèé.

Çàðÿäîâûé íàñîñ ñ îòðèöàòåëüíûì âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì

Ðàáîòà óäâîèòåëÿ íàïðÿæåíèÿ íà çàðÿäîâîì íàñîñå ïðîâåðÿëàñü ïðè íàïðÿæåíèè ïèòàíèÿ VCC = 12 Â. Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ðàâíî 2VCC – 2VF, ãäå VF – ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà äèîäå. Íà Ðèñóíêå 5 ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ çàðÿäîâîãî íàñîñà îò òîêà íàãðóçêè.

Ìèêðîñõåìà TLC555-Q1 âêëþ÷åíà â òèïîâîé êîíôèãóðàöèè òàéìåðà (Ðèñóíîê 6). ×àñòîòà ïåðåêëþ÷åíèÿ è êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ óñòàíàâëèâàþòñÿ âðåìÿçàäàþùèìè êîìïîíåíòàìè R1, R2 è C5. Äâà äèîäà (D1, D2) è äâà êåðàìè÷åñêèõ êîíäåíñàòîðà (C3, C4) âûðàáàòûâàþò îòðèöàòåëüíîå âûõîäíîå íàïðÿæåíèå. Êîãäà ìèêðîñõåìà TLC555-Q1 âûêëþ÷åíà, âûõîäíîå íàïðÿæåíèå çàðÿäîâîãî íàñîñà ðàâíî 0 Â.

Ðèñóíîê 7. Âêëþ÷åíèå ïèòàíèÿ – óðîâåíü íà âõîäå RESET ìåíÿåòñÿ ñ íèçêîãî íà âûñîêèé.

Ðèñóíîê 8. Âûêëþ÷åíèå ïèòàíèÿ – óðîâåíü íà âõîäå RESET ìåíÿåòñÿ ñ âûñîêîãî íà íèçêèé.

Õàðàêòåðèñòèêè

128

ÑÕÅÌÛ

Âêëþ÷åíèå è âûêëþ÷åíèå ïèòàíèÿ Âûâîä RESET óñòðîéñòâà ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ çàðÿäîâîãî íàñîñà ñîãëàñíî Òàáëèöå 2. Òàáëèöà 2. Ðàáîòà çàðÿäîâîãî íàñîñà ñ îòðèöàòåëüíûì âûõîäíûì íàïðÿæåíèåì RESET

OUT (âûâ. 3)

Âûñîêèé Ïåðåêëþ÷åíèå Íèçêèé

Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå (Â)

0

Íèçêèé

Çàðÿäîâûé Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå íàñîñ ÂÊË

–VCC + 2VF

ÂÛÊË

0

Õàðàêòåðèñòèêè Ðàáîòà èíâåðòîðà íàïðÿæåíèÿ íà çàðÿäîâîì íàñîñå ïðîâåðÿëàñü ïðè íàïðÿæåíèè ïèòàíèÿ VCC = 12 Â. Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ðàâíî –VCC + 2VF, ãäå VF – ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà äèîäå. Íà Ðèñóíêå 9 ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ èíâåðòîðà îò òîêà íàãðóçêè.

VOUT (Â) Ëèíåéíàÿ àïïðîêñèìàöèÿ

–2

Íà Ðèñóíêå 7 ïîêàçàíû îñöèëëîãðàììû, èëëþñòðèðóþùèå ïðîöåññ âêëþ÷åíèÿ ïîñëå èçìåíåíèÿ óðîâíÿ íà âõîäå RESET ñ íèçêîãî íà âûñîêèé. Íà Ðèñóíêå 8 ïîêàçàíû îñöèëëîãðàììû, èëëþñòðèðóþùèå ïðîöåññ âûêëþ÷åíèÿ ïîñëå èçìåíåíèÿ óðîâíÿ íà âõîäå RESET ñ âûñîêîãî íà íèçêèé.

–4

Êðàòêèé èòîã

–6 –8 –10 –12

0

5

10 15 20 Òîê íàãðóçêè (ìÀ)

25

30

Ðèñóíîê 9. Çàâèñèìîñòü âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ çàðÿäîâîãî íàñîñà îò òîêà íàãðóçêè.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

Ñ ïîìîùüþ íåáîëüøîãî êîëè÷åñòâà âíåøíèõ êîìïîíåíòîâ óñòðîéñòâî TLC555-Q1 ìîæåò áûòü âêëþ÷åíî â íåñêîëüêèõ êîíôèãóðàöèÿõ çàðÿäîâîãî íàñîñà. Åãî ìîæíî èñïîëüçîâàòü â êà÷åñòâå ìåðû ýêîíîìèè âî ìíîãèõ ïðèëîæåíèÿõ. ÐË

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Texas Instruments TLC555-Q1

129

Ôîòîðåçèñòîð â öåïè îáðàòíîé ñâÿçè ÎÓ îáåñïå÷èâàåò ëèíåéíîñòü îòêëèêà Julius Foit, Jan Novák EDN

 óñèëèòåëÿõ ÀÐÓ èñïîëüçóåòñÿ íåëèíåéíîñòü õàðàêòåðèñòèê óïðàâëÿþùèõ óñòðîéñòâ. Âåëè÷èíà àêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé íåêîòîðûõ èç èõ äèôôåðåíöèàëüíûõ ïàðàìåòðîâ èçìåíÿåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò ïîëîæåíèé èõ ðàáî÷èõ òî÷åê ïî ïîñòîÿííîìó òîêó. Òèïè÷íûì ïðèìåðîì ÿâëÿåòñÿ âîëüòàìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà êðåìíèåâîãî p-n ïåðåõîäà, äèôôåðåíöèàëüíàÿ ïðîâîäèìîñòü êîòîðîãî ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíî ïðîõîäÿùåìó ÷åðåç íåãî ïîñòîÿííîìó òîêó [1]. Ïðè òàêîì ñïîñîáå óïðàâëåíèÿ îñíîâíàÿ ïðîáëåìà çàêëþ÷àåòñÿ â íåëèíåéíîñòè ïåðåäàòî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè óïðàâëÿþùåãî ýëåìåíòà, êîòîðàÿ âûçûâàåò îòíîñèòåëüíî áîëüøèå íåëèíåéíûå èñêàæåíèÿ ñèãíàëà, êîãäà àìïëèòóäà îáðàáàòûâàåìîãî íàïðÿæåíèÿ ïðåâûøàåò ìèëëèâîëüòû [2]. Äëÿ ýòîé çàäà÷è ïîäõîäèò ôîòîðåçèñòîð, âîëüòàìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà êîòîðîãî ëèíåéíà â øèðîêîì äèàïàçîíå íàïðÿæåíèé. Îáû÷íûå ôîòîðåçèñòîðû îñòàþòñÿ èäåàëüíî ëèíåéíûìè ïðè àìïëèòóäàõ ñèãíàëà äî 100  è áîëåå. Ñëåäîâàòåëüíî, óñòðîéñòâîì, ðåãóëèðóþùèì óñèëåíèå, ìîæåò áûòü îïòîïàðà, óïðàâëÿåìûì ýëåìåíòîì êîòîðîé ÿâëÿåòñÿ ôîòîðåçèñòîð.  îïèñûâàåìîé íèæå ñõåìå èñïîëüçóåòñÿ èñòî÷íèê èçëó÷åíèÿ, ñïåêòðàëüíàÿ õàðàêòåðèñòèêà êîòîðîãî ñîîòâåòñòâóåò ñïåêòðàëüíîé õàðàêòåðèñòèêå ôîòîðåçèñòîðà, à èçëó÷àåìàÿ èì ìîùíîñòü äîëæíà, ïî âîçìîæíîñòè, áûòü ëèíåéíîé ôóíêöèåé ñèãíàëà âîçáóæäåíèÿ. Ïîäîáíûå îïòîïàðû èìåþòñÿ â ïðîäàæå, íî ëèøü íåìíîãèå èç íèõ îáëàäàþò õàðàêòåðèñòèêà-

130

ìè, äîñòàòî÷íî õîðîøèìè äëÿ ýòîé öåëè. Îáû÷íûå ôîòîðåçèñòîðû èìåþò ñïåêòðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè, áëèçêèå ê ñïåêòðàëüíûì õàðàêòåðèñòèêàì ÷åëîâå÷åñêîãî ãëàçà, ïèê ÷óâñòâèòåëüíîñòü êîòîðîãî ïðèõîäèòñÿ íà äëèíó âîëíû ïðèìåðíî 500 íì. Òàêèì îáðàçîì, áåëûé èëè çåëåíûé ñâåòîäèîä ÿâëÿþòñÿ õîðîøåé àëüòåðíàòèâîé.  ýòîé ñõåìå äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè èñïîëüçóåòñÿ áåëûé ñâåòîäèîä âûñîêîé ÿðêîñòè. Íà Ðèñóíêå 1 ïîêàçàíû îòäåëüíûå êîìïîíåíòû îïòîïàðû è óñòðîéñòâî â ñáîðå. Îïòîèçîëÿòîð ñîñòîèò èç öèëèíäðè÷åñêîãî äåðæàòåëÿ, â êîòîðîì íà îäíîì êîíöå çàêðåïëåí ñòàíäàðòíûé 5-ìì ñâåòîäèîä âûñîêîé ÿðêîñ-

Ðèñóíîê 1. Îïòîèçîëÿòîð (ñëåâà) ñîáðàí èç ÿðêîãî ñâåòîäèîäà è ôîòîðåçèñòîðà, çàêëþ÷åííûõ â ìåòàëëè÷åñêóþ òðóáêó.

ÑÕÅÌÛ

ÑÎÏÐÎÒÈÂËÅÍÈÅ ÔÎÒÎÐÅÇÈÑÒÎÐÀ (Îì)

òè, à íà äðóãîì – ôîòîðåçèñòîð. Íåïðîçðà÷íûé íåïðîâîäÿùèé óïëîòíèòåëü ïðåäîòâðàùàåò ïîïàäàíèå â óñòðîéñòâî âíåøíåãî ñâåòà. Ïîëèðîâàííàÿ âíóòðåííÿÿ ïîâåðõíîñòü ìåòàëëè÷åñêîãî äåðæàòåëÿ ìèíèìèçèðóåò ïîòåðè ñâåòà ìåæäó ñâåòîäèîäîì è ôîòîðåçèñòîðîì. Äëÿ îïòîèçîëÿòîðà áûëè âûáðàíû äîñòóïíûé ôîòîðåçèñòîð NSL-19M51 è ñòàíäàðòíûé áåëûé 5-ìì ñâåòîäèîä âûñîêîé ÿðêîñòè L-53MWC*E ñî ñâåòîâûì ïîòîêîì 2500 ìêä ïðè òîêå âîçáóæäåíèÿ 20 ìÀ. Íà Ðèñóíêå 2 èçîáðàæåíà ïåðåäàòî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà îïòîèçîëÿòîðà, â êîòîðîì èñïîëüçóåòñÿ ôîòîðåçèñòîð òèïà NSL19M51. Âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå óñòðîéñòâà ìîæåò èçìåíÿòüñÿ îò 100 Îì äî 10 ÌÎì ïðè ñîîòâåòñòâóþùåì èçìåíåíèè òîêà ñâåòîäèîäà îò 34 ìÀ äî 0.1 ìêÀ. Âîëüòàìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ôîòîðåçèñòîðà, ëèíåéíàÿ äàæå äëÿ ñèãíàëîâ áîëüøîé àìïëèòóäû, ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü åãî â êà÷åñòâå ýëåìåíòà óïðàâëåíèÿ è òîãäà, êîãäà òðåáóåòñÿ îòíîñèòåëüíî áîëüøîå íàïðÿæåíèå ñèãíàëà, íàïðèìåð, êîãäà ôîòîðåçèñòîð ÿâëÿåòñÿ ÷àñòüþ ïåòëè îáðàòíîé ñâÿçè îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ (ÎÓ). Èç Ðèñóíêà 2 òàêæå âèäíî, ÷òî ìîæíî ïîëó÷èòü äèàïàçîí ëèíåéíîãî èçìåíåíèÿ

10

7

10

6

10

5

10

4

10

3

2

10 –7 10

10

–6

–5

–4

–3

10 10 10 ÒÎÊ ÑÂÅÒÎÄÈÎÄÀ (À)

10

–2

10

–1

Ðèñóíîê 2. Ëîãàðèôìè÷åñêèé îòêëèê îïòîèçîëÿòîðà, âêëþ÷åííîãî â öåïü îáðàòíîé ñâÿçè, îáåñïå÷èâàåò ëèíåéíóþ õàðàêòåðèñòèêó óñèëèòåëÿ.

âûõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ êàê ìèíèìóì â ïÿòü äåêàä ïðè ìàêñèìàëüíîì òîêå óïðàâëåíèÿ ñâåòîäèîäîì, íå ïðåâûøàþùåì äîïóñòèìûõ âûõîäíûõ òîêîâ îáû÷íûõ òâåðäîòåëüíûõ îïåðàöèîííûõ óñèëèòåëåé. Òàêîé óñèëèòåëü ìîæåò óïðàâëÿòü îáùèì óñèëåíèåì ñèñòåìû â òîì æå äèàïàçîíå áåç äîïîëíèòåëüíîãî óñèëåíèÿ òîêà. Áëàãîäàðÿ

+

A1 LF356N

– R1 3.9k

C1 100 µF

C2 + 4.7 µF

C3 22 µF

+

+

R6 47M

A2 LF356N

ÂÛÕÎÄ

–

+ ÂÕÎÄ

D3 BAT46 IC1 R2 1M

R7 10k

D4 BAT46 + D2 BAT46

ßÐÊÈÉ ÑÂÅÒÎÄÈÎÄ

C4 47 µF P1 10k

ÈÑÒÎ×ÍÈÊ ÏÈÒÀÍÈß

+

D5 BAT46

R5 3.9k R4 470

A3 C5 LF356N 47 µF +

15 Â R3 47k

–

+

D1 BAT46 P2 1M

C6 470 µF

+ C7 470 µF –15 Â

Ðèñóíîê 3. Â êîíòóðå îáðàòíîé ñâÿçè ñèñòåìû àäàïòèâíîãî óñèëèòåëÿ èñïîëüçóåòñÿ îïòîïàðà.

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

131

ëèíåéíîñòè ôîòîðåçèñòîðîâ ðåçóëüòèðóþùèé óðîâåíü íåëèíåéíûõ èñêàæåíèé îáðàáàòûâàåìîãî ñèãíàëà ïî÷òè èñêëþ÷èòåëüíî îáóñëîâëåí íåëèíåéíîñòüþ îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ.  ïðåäåëàõ íîðìàëüíîãî ðàáî÷åãî äèàïàçîíà îáùàÿ ëèíåéíîñòü ñèñòåìû óëó÷øàåòñÿ ñ óâåëè÷åíèåì àìïëèòóäû âõîäíîãî ñèãíàëà, ïîñêîëüêó âåëè÷èíà îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè óâåëè÷èâàåòñÿ ñ ðîñòîì àìïëèòóäû ñèãíàëà. Ñõåìà óñèëèòåëÿ ïîêàçàíà íà Ðèñóíêå 3. Îñíîâíûì óñòðîéñòâîì îáðàáîòêè ñèãíàëîâ ÿâëÿåòñÿ èíâåðòèðóþùèé îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü A1. Èíâåðòèðóþùåå âêëþ÷åíèå ïîçâîëÿåò óñòàíàâëèâàòü àáñîëþòíîå çíà÷åíèå îáùåãî óñèëåíèÿ îò âõîäà äî âûõîäà ìåíüøèì åäèíèöû, ÷òî äàåò âîçìîæíîñòü êîððåêòíî îáðàáàòûâàòü äàæå âõîäíûå ñèãíàëû, àìïëèòóäà êîòîðûõ ïðåâûøàåò ðåãóëèðóåìîå âûõîäíîå íàïðÿæåíèå. Îñíîâíûì êîìïîíåíòîì ñèñòåìû ÿâëÿåòñÿ îïòðîí IC1, âûõîäíîé ôîòîðåçèñòîð êîòîðîãî ñëóæèò ðåãóëèðóåìûì ýëåìåíòîì öåïè îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè óñèëèòåëÿ A1.  îòñóòñòâèå ñèãíàëà ôîòîðåçèñòîð íå îñâåùàåòñÿ ñâåòîäèîäîì, ïîýòîìó åãî ñîïðîòèâëåíèå âîçðàñòàåò äî âûñîêîãî çíà÷åíèÿ, ÷òî ìîæåò ïðèâåñòè â íåñòàáèëüíîñòè ðåæèìà ïî ïîñòîÿííîìó òîêó è ñìåùåíèþ ñòàòè÷åñêîé ðàáî÷åé òî÷êè óñèëèòåëÿ A1. Òàêîå ñîñòîÿíèå â ïðèíöèïå íå ÿâëÿåòñÿ âðåäíûì, ïîñêîëüêó ïóòü ïðîõîæäåíèÿ ñèãíàëà îòêðûò òîëüêî äëÿ ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé ñèãíàëà, ÷òî ïðåäîòâðàùàåò äàëüíåéøåå óâåëè÷åíèå îøèáêè ïî ïîñòîÿííîìó òîêó. Íî êàê òîëüêî íà âõîäå ïîÿâèòñÿ íåíóëåâîé ñèãíàë, A1 áåç îáðàòíîé ñâÿçè óñèëèò åãî, è íà÷íåòñÿ áûñòðûé ðîñò òîêà ñâåòîäèîäà, ÷òî ïðèâåäåò ê ïî÷òè ñòóïåí÷àòîìó ñíèæåíèþ âûõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ îïòîïàðû äî çíà÷åíèÿ, äîñòàòî÷íîãî äëÿ âîññòàíîâëåíèÿ ðàáî÷åé òî÷êè óñèëèòåëÿ A1 ïî ïîñòîÿííîìó òîêó. Ýòîò ñêà÷îê, ïðîéäÿ ÷åðåç ðàçäåëèòåëüíûé êîíäåíñàòîð íà âûõîä, ìîæåò âûçâàòü ïðîáëåìû â öåïÿõ îáðàáîòêè ñèãíàëà, ñëåäóþùèõ çà àäàïòèâíûì óñèëèòåëåì. ×òîáû ïðåäîòâðàòèòü ýòîò ýôôåêò, ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ñîïðîòèâëåíèÿ îáðàòíîé ñâÿçè R6 íóæíî îãðàíè÷èòü ïîäõîäÿùèì çíà÷åíèåì, òàêèì, íàïðèìåð, êàê 47 ÌÎì. Âõîäíûå êàñêàäû îïåðàöèîííûõ óñèëèòåëåé íà ïîëåâûõ òðàíçèñòîðàõ ïîçâîëÿþò âûáèðàòü ñîïðîòèâëåíèå R6 äîñ-

132

òàòî÷íî áîëüøèì. Çíà÷åíèå 47 ÌÎì ÿâëÿåòñÿ ðàçóìíûì êîìïðîìèññîì, îãðàíè÷èâàþùèì ìàêñèìàëüíûé àáñîëþòíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ êàñêàäà íà A1 ïðèáëèçèòåëüíî äî 82 äÁ. Îãðàíè÷èâàþùèìè ôàêòîðàìè ïðè âûáîðå ñîïðîòèâëåíèÿ R6 ÿâëÿþòñÿ øóì è êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ A1 áåç îáðàòíîé ñâÿçè. Áóôåð A2 îòäåëÿåò íåëèíåéíóþ íàãðóçêó, êîòîðóþ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé âûïðÿìèòåëüíûå äèîäû, îò âûõîäíîãî ñèãíàëà, ïðåäîòâðàùàÿ åãî èñêàæåíèÿ. Äèîäû D3 è D4 êîìïåíñèðóþò èçìåíåíèÿ ïîðîãîâûõ íàïðÿæåíèé âûïðÿìèòåëüíûõ äèîäîâ D1 è D2, âêëþ÷àÿ èõ òåìïåðàòóðíûé óõîä. Åñëè óñòàíàâëèâàòü ðåãóëèðóåìóþ àìïëèòóäó âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ íèæå ïîðîãîâîãî çíà÷åíèÿ, çàäàâàåìîãî òîêîì ñìåùåíèÿ ðåçèñòîðà R4, íå òðåáóåòñÿ, ìîæíî çàìåíèòü äèîäû D3 è D4 ïåðåìû÷êîé è èñêëþ÷èòü ðåçèñòîð R7. ×òîáû ïîëó÷èòü àìïëèòóäó âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, ðåãóëèðóåìóþ íèæå ïîðîãà, çàäàâàåìîãî òîêîì ñìåùåíèÿ ðåçèñòîðà R4, íóæíî óñòàíîâèòü óñèëåíèå ïî íàïðÿæåíèþ êàñêàäà íà A2 áîëüøèì åäèíèöû. Äëÿ ýòîãî ïðîñòî íóæíî âêëþ÷èòü äîïîëíèòåëüíûå ðåçèñòîðû ïîñëåäîâàòåëüíî ñ äèîäàìè D3 è D4.  âûïðÿìèòåëå èñïîëüçîâàíû äèîäû Øîòòêè, èìåþùèå áîëåå íèçêîå ïîðîãîâîå íàïðÿæåíèå, ÷åì îáû÷íûå äèîäû ñ p-n ïåðåõîäîì. Êðîìå òîãî, áëàãîäàðÿ èõ íåáîëüøîìó âðåìåíè âîññòàíîâëåíèÿ ýôôåêòèâíîñòü âûïðÿìëåíèÿ ñîõðàíÿåòñÿ ïðè âûñîêèõ ÷àñòîòàõ ñèãíàëà. Âûïðÿìèòåëü ðàáîòàåò êàê äâóõïîëóïåðèîäíûé óäâîèòåëü íàïðÿæåíèÿ, îáåñïå÷èâàÿ ïîëíîå ïèêîâîå äåòåêòèðîâàíèå äàæå ñèãíàëîâ íåñèììåòðè÷íîé ôîðìû. Âûõîä âûïðÿìèòåëÿ ïîäêëþ÷åí ê ïðåîáðàçîâàòåëþ íàïðÿæåíèå-òîê, ñäåëàííîìó íà óñèëèòåëå A3, óïðàâëÿþùåì ñâåòîäèîäîì îïòðîíà. Èñòî÷íèê òîêà, ñìåùàþùåãî ïîðîã âûïðÿìëåíèÿ, ïîäêëþ÷åí ê òîêîèçìåðèòåëüíîìó ðåçèñòîðó R4.  ýòîì ñëó÷àå R5 èìèòèðóåò èñòî÷íèê òîêà, óñòàíàâëèâàÿ ðåãóëèðóåìóþ àìïëèòóäó âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Åñëè ñòàáèëüíîñòü íàïðÿæåíèÿ 15  íåäîñòàòî÷íà, äëÿ èñòî÷íèêà òîêà ñëåäóåò èñïîëüçîâàòü îòäåëüíûé ñòàáèëèçèðîâàííûé èñòî÷íèê ïèòàíèÿ. Äèîä, âêëþ÷åííûé âñòðå÷íîïàðàëëåëüíî ñâåòîäèîäó îïòðîíà, çàùèùàåò åãî îò íàïðÿæåíèÿ îáðàòíîé ïîëÿðíîñòè ïðè îòñóòñòâèè ñèãíàëà.

ÑÕÅÌÛ

Ýòà ñõåìà óïðàâëåíèÿ òîêîì ñâåòîäèîäà èìååò âàæíîå ïðåèìóùåñòâî: îíà ïîçâîëÿåò ïðàêòè÷åñêè íåçàâèñèìî ðåãóëèðîâàòü âðåìåíà ñðàáàòûâàíèÿ è îòïóñêàíèÿ. Âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ ìîæíî ðåãóëèðîâàòü ïîäñòðîå÷íûì ðåçèñòîðîì P1, óâåëè÷èâ, ïðè íåîáõîäèìîñòè, åãî ñîïðîòèâëåíèå. Âðåìÿ îòïóñêàíèÿ óñòàíàâëèâàåòñÿ ðåçèñòîðîì P2. Èñïîëüçóåìûé ôîòîðåçèñòîð èìååò äîñòàòî÷íî õîðîøåå áûñòðîäåéñòâèå, è âåëè÷èíà çàäåðæêè, âíîñèìîé èì ïðè ñòóïåí÷àòîì èçìåíåíèè îñâåùåííîñòè, ïðèåìëåìà äëÿ áîëüøèíñòâà ïðàêòè÷åñêèõ òðåáîâàíèé.

600 500

ì ñ.ê.ç.

400 300 200 100 0 –6 10

10

–5

10

–4

–3

–2

10 10 VOUT ñ.ê.ç.

10

–1

0

10

Ðèñóíîê 4. Óñèëèòåëüíàÿ ñèñòåìà èìååò ëèíåéíûé âûõîäíîé îòêëèê â äèàïàçîíå âõîäíûõ íàïðÿæåíèé îò 0.1 ì äî 1 Â.

Íà Ðèñóíêå 4 ïîêàçàíà îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñèñòåìû àäàïòèâíîãî óñèëèòåëÿ. Âûõîäíîé ñèãíàë ñ òî÷íîñòüþ ±1 äÁ îñòàåòñÿ íà ïîñòîÿííîì óðîâíå 350 ì ñ.ê.ç. äëÿ íàïðÿæåíèé âõîäíîãî ñèãíàëà îò ìåíåå 70 ìê äî áîëåå ÷åì 1.2  ñ.ê.ç., òî åñòü â äèàïàçîíå ñâûøå 85 äÁ.  îòñóòñòâèå ñèãíàëà ñðåäíåêâàäðàòè÷íîå çíà÷åíèå âûõîäíîãî øóìà ñîñòàâëÿåò ìåíåå 6 ìÂ, ÷òî äàåò îòíîøåíèå ñèãíàë/øóì îáðàáîòàííîãî ñèãíàëà, ïðåâûøàþùåå 20 äÁ â íàèõóäøåì ñëó÷àå â íà÷àëå ðåãóëèðîâàíèÿ, óëó÷øàþùååñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî ñ óâåëè÷åíèåì óðîâíÿ âõîäíîãî ñèãíàëà. Êëþ÷åâûì ïàðàìåòðîì ýòîé êîíñòðóêöèè ÿâëÿåòñÿ åå ëèíåéíîñòü. Áëàãîäàðÿ ëèíåéíîñòè ôîòîðåçèñòîðà è îòäåëåíèþ íàãðóçêè íåëèíåéíîãî âûïðÿìèòåëÿ îò âûõîäà, âêëàä

ÐàäèîËîöìàí 01,02-2022

öåïè ðåãóëèðîâêè óñèëåíèÿ â íåëèíåéíîñòü ñõåìû íåçíà÷èòåëåí. Òàêèì îáðàçîì, îáùóþ ëèíåéíîñòü ñèñòåìû â ïðèíöèïå îïðåäåëÿåò òîëüêî óñèëèòåëü A1. Ãàðìîíè÷åñêèé àíàëèç âûõîäíîãî ñèãíàëà íà ÷àñòîòå 1 êÃö ïîêàçûâàåò àìïëèòóäû âûñøèõ ãàðìîíèê íèæå óðîâíÿ øóìà óñèëèòåëÿ A1 äëÿ âñåõ âõîäíûõ íàïðÿæåíèé äî 200 ìê ñ.ê.ç. è íèæå –75 äÁ äëÿ âõîäíûõ íàïðÿæåíèé äî 1.5  ñ.ê.ç. Íåëèíåéíûå èñêàæåíèÿ ñòàíîâÿòñÿ çàìåòíûìè òîëüêî ïðè áîëüøèõ àìïëèòóäàõ âõîäíûõ ñèãíàëîâ, ïðåâûøàþùèõ äèàïàçîí ðåãóëèðîâàíèÿ ñèñòåìû; òîãäà ïðè âõîäíîì íàïðÿæåíèè 2.5  ñ.ê.ç. óðîâåíü âòîðîé ãàðìîíèêè óâåëè÷èâàåòñÿ äî –45 äÁ è òðåòüåé ãàðìîíèêè äî –40 äÁ.  ïðåäåëàõ äèàïàçîíà ÀÐÓ îáùàÿ ëèíåéíîñòü ïåðåäàòî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè óëó÷øàåòñÿ ñ ðîñòîì àìïëèòóäû âõîäíîãî ñèãíàëà èççà óâåëè÷åíèÿ ãëóáèíû îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè óñèëèòåëÿ À2 ïðè óâåëè÷åíèè àìïëèòóäû âõîäíîãî ñèãíàëà. Ïðè ñîïðîòèâëåíèÿõ ïîäñòðîå÷íûõ ðåçèñòîðîâ P1 è P2, ðàâíûõ 10 êÎì è 1 ÌÎì, è ñòóïåí÷àòîì èçìåíåíèè âõîäíîãî ñèãíàëà îò 100 ìê äî 50 ì ñ.ê.ç. âðåìåíà ñðàáàòûâàíèÿ è îòïóñêàíèÿ ñîñòàâëÿþò ïðèìåðíî 0.2 è 2 ñåêóíäû, ñîîòâåòñòâåííî. Âðåìÿ îò ïåðåãðóçêè âõîäà ñèãíàëîì 1 êÃö ñ àìïëèòóäîé áîëåå 10  ñ.ê.ç. äî ïîëíîãî âîññòàíîâëåíèÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòè áåç ñèãíàëà ñîñòàâëÿåò ìåíåå 2 ìèíóò. Âñå ýòè âðåìåííûå èíòåðâàëû ìîæíî íàñòðàèâàòü â øèðîêîì äèàïàçîíå, èçìåíÿÿ íîìèíàëû ýëåìåíòîâ C4, C5, P1 è P2. Ïðè ýòîì P1 óñòàíàâëèâàåò âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ, à P2 – âðåìÿ îòïóñêàíèÿ. ÐË

Ññûëêè 1. Julius Foit. Ñõåìà ÀÐÓ ñ äèíàìè÷åñêèì äèàïàçîíîì 60 äÁ. ÐàäèîËîöìàí, 2022, 01-02, ñòð. 74 2. Foit, Julius, “Logarithmic Processing Amplifier,” Proceedings of the Fifth WSEAS International Conference on Microelectronics, Nanoelectronics, Optoelectronics, March 2006, pg 6.

Ìàòåðèàëû ïî òåìå 1. Datasheet Texas Instruments LF356N 2. Datasheet STMicroelectronics BAT46 3. Datasheet Silonex NSL-19M51 4. Datasheet Kingbright L-53MWC

133

Æóðíàë äëÿ òåõ, êòî èíòåðåñóåòñÿ ýëåêòðîíèêîé

Åñëè âàì íåáåçðàçëè÷íû òåìû: ìèêðîêîíòðîëëåðû àâòîìàòèçàöèÿ ñèëîâàÿ ýëåêòðîíèêà ñâåòîòåõíèêà ÑÀÏÐ èçìåðåíèÿ

èëè âû ÿâëÿåòåñü íîñèòåëåì ïåðåäîâûõ çíàíèé â äðóãèõ îáëàñòÿõ ýëåêòðîíèêè è ãîòîâû èõ ïîïóëÿðèçèðîâàòü ïðèãëàøàåì ê ñîòðóäíè÷åñòâó!