Малогабаритные лампочки накаливания
Наиболее простой схемой подключения к цифровым устройствам обладают лампочки накаливания. Эта схема приведена на рисунке 1.1.1
Рисунок 1.1.1 Схема подключения индикаторной лампы накаливания к цифровой ТТЛ микросхеме
В приведенной схеме потребовался транзистор, так как ток, протекающий через лампочку накаливания достаточно велик. Кроме того, такая схема включения позволяет использовать лампочки накаливания с напряжением питания, отличающимся от напряжения питания цифровых микросхем. То есть на транзисторе собран простейший усилитель цифрового сигнала, преобразующий ТТЛ уровни цифрового устройства в наличие или отсутствие тока через индикаторную лампочку накаливания.
Расчет транзисторного ключа
Обычно студенты пугаются слова усилитель. Однако в случае цифрового сигнала усилитель вырождается в схему электронного ключа. Это означает, что не нужно рассчитывать точное значение коэффициента усиления. При слишком большом коэффициенте усиления транзистор переходит в режим ограничения тока и выходной ток будет определяться сопротивлением нагрузки. Поэтому достаточно определить только минимальный коэффициент усиления по току.
Рассчитаем этот коэффициент. Пусть для индикаторной лампы требуется ток 120 мА, а цифровая микросхема может выдать ток единицы около 4 мА (этот ток надо смотреть по справочнику или DATASHEET на выбранную микросхему). Тогда минимальный коэффициент усиления h21э можно определить по формуле (1):
 | (1) |
В нашем случае ток коллектора равен току через лампу, а ток базы - это максимальный допустимый выходной ток цифровой микросхемы (Iвых1). Делим 120 мА на 4 мА. Получаем минимальный коэффициент усиления по току 30. То есть в данном случае подойдёт практически любой маломощный транзистор, например КТ3107.
Теперь следует обратить внимание на то, что транзистор управляется током, а цифровая микросхема является генератором напряжения. В простейшем случае для преобразования напряжения в ток можно использовать резистор. Эквивалентная схема подключения базовой цепи транзистора к цифровой ТТЛ микросхеме приведена на рисунке 1.1.2.
Рисунок 1.1.2. Эквивалентная схема подключения транзисторного ключа к цифровой ТТЛ микросхеме
В приведенной схеме ток базы транзистора задаёт резистор R1. Рассчитаем его сопротивление. Для этого необходимо определить падение напряжения на этом резисторе. Минимальное напряжение высокого уровня на выходе ТТЛ микросхемы при максимальном допустимом токе единицы равно 2,4 В. Падение напряжения на базовом переходе транзистора можно считать постоянным и для кремниевых транзисторов равным 0,7 В. Тогда падение напряжения на сопротивлении R1 можно определить по формуле (2):
| UR1=U1-Uб=2,4В-0,7В=1,7В | (2) |
Так как к цифровому выходу подключен только транзисторный ключ, то зададимся максимально возможным током цифровой микросхемы 4 мА. Тогда по закону Ома можно определить сопротивление резистора R1 как отношение падения напряжения на этом резисторе к току, протекающему через него:
R1 = 1,7В/4мА = 425 Ом
При выборе резистора из 10% шкалы можно взять резистор 510 Ом (больше чем рассчитали чтобы не превысить допустимый ток цифровой микросхемы). При работе транзисторного ключа при комнатной температуре расчет на этом заканчивается. Если же предполагается работа транзисторного ключа при повышенных температурах то транзистор может самопроизвольно открываться обратным током коллектора. Эквивалентная схема цепи протекания этого тока приведена на рисунке 1.1.3.
Рисунок 1.1.3. Эквивалентная схема цепи протекания обратного коллекторного тока.
В этой схеме видно, что на резисторе R1 обратный ток коллектора транзистора VT1 может создать падение напряжения 0,7В и, тем самым, открыть транзистор. Для того, чтобы уменьшить падение напряжения можно параллельно этому резистору подключить еще один резистор (как показано на рисунке 1.1.1) и, тем самым, уменьшить открывающее напряжение на базе транзистора.
Рисунок 1.1.4. Эквивалентная схема шунтирования цепи протекания обратного коллекторного тока транзисторного ключа резистором при формировании цифровой микросхемой нулевого потенциала.
В этой схеме можно задаться током, протекающим через резистор R2 в режиме выдачи цифровой микросхемой единичного уровня. Пусть этот ток будет в три раза меньше базового тока транзистора. Тогда ток через резистор R2 будет равен:
IR2=4 мА/3 =1,3 мА
Определим сопротивление резистора R2. Для этого воспользуемся законом Ома. Напомню, что падение напряжения на базовом переходе транзистора является константой и равно 0,7 В.
R2 = Uб/IR2 = 0,7В/1,3мА = 510 Ом
В режиме выдачи цифровой микросхемой логического нуля сопротивления R1 и R2 соединяются параллельно и в рассчитанном случае падение напряжения уменьшается вдвое. Обратите внимание, что схема на входе транзистора очень похожа на делитель напряжения, однако не является им. Если бы это был делитель напряжения, то напряжение на базе транзистора уменьшалось бы в два раза, однако на самом деле напряжение уменьшается значительно больше!
Глава 2
Газоразрядные индикаторы.
К сожалению малогабаритные лампочки накаливания не отличаются надёжностью, так как при включении питания через них протекает значительный ток, в результате воздействия которого на нить накаливания лампа может выйти из строя. Кроме того они боятся ударов. Все эти причины, а также большой потребляемый ток привели к тому, что в настоящее время эти индикаторы практически не используются.
Эти индикаторы в отличие от ламп накаливания управляются не напряжением, а током. Поэтому в схему приходится вводить токоограничивающий резистор. Напоминаю, что подобные индикаторы применяются для подсвечивания либо надписей, либо символических рисунков (пиктрограмм). Схема включения газоразрядного индикатора приведена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1. Схема подключения индикаторной газоразрядной лампы к цифровой ТТЛ микросхеме
В этой схеме транзистор требуется в основном для согласования по напряжению, так как газоразрядные индикаторы питаются от источника напряжением 180 ... 300 В (напряжение зажигания газоразрядной лампы). Поэтому транзистор должен выдерживать напряжение 300 В. Что касается сопротивления R3, то оно рассчитывается по закону Ома. Необходимо от напряжения питания отнять падение напряжения на зажженной индикаторной лампе, которое можно взять из справочника по индикаторным лампам (обычно 80 В) и поделить на ток этой лампы. Падением напряжения на открытом транзисторе VT1 можно пренебречь. Например:
R3 = (Uп — UHL1)/Iл = (200 В — 80 В)/1 мА = 120 кОм.
Газоразрядные индикаторы используются как для индикации битовой информации, так и для отображения десятичной информации. При построении десятичных индикаторов катод газоразрядных индикаторов выполняется в виде десятичных цифр, как это показано на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2. Внешний вид газоразрядного индикатора ИН-1
Пример индикаторной панели, выполненной на газоразрядных индикаторах, приведен на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3. Внешний вид индикаторной панели на газоразрядных лампах
Для уменьшения габаритов цифрового устройства и упрощения его принципиальной схемы были разработаны специальные микросхемы дешифраторов, выдерживающие напряжение до нескольких сотен вольт, например отечественная микросхема К155ИД1. Принципиальная схема подключения десятичного газоразрядного индикатора к микросхеме К155ИД1 приведена на рисунке 2.3.
Рисунок 2.4. Схема подключения индикаторной газоразрядной лампы к десятичному дешифратору
На вход этой схемы подается двоично-десятичный код. Он преобразуется микросхемой D1 в инверсный линейный десятичный код. Инверсия нужна для того, чтобы ток протекал только через тот вывод, двоично-десятичный код которого подан на вход схемы. В результате светится только тот катод, который подключен к этому выводу, а так как катод выполнен в форме десятичной цифры, то именно эта цифра и отображается на газоразрядном индикаторе.
Резистор R1 требуется для ограничения тока газоразрядного индикатора до допустимой величины. Одним резистором в схеме можно обойтись потому, что ток может протекать только через один из десяти катодов. Расчет ограничивающего ток резистора не отличается от расчета резистора R3 в схеме подключения одиночного газоразрядного индикатора, приведенной на рисунке 2.1.
В настоящее время газоразрядные индикаторы с холодным катодом практически не используются. Обычно применяются более эффективные семисегментные газоразрядные индикаторы с подогревным катодом. Применение катода с подогревом позволяет снизить анодное напряжение подобного газоразрядного индикатора до 20 ... 27 В, а семисегментный анод позволяет увеличить угол обзора индикатора.
Внешний вид одного из газоразрядных индикаторов с подогревным катодом приведен на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5. Внешний вид газоразрядного индикатора с подогревным катодом
В описанных индикаторах газ светится не около катода, а в промежутке между управляющей сеткой и анодом. На рисунке 2.5 аноды четко видны в виде белых сегментов. Управляющая сетка видна как фиолетовая поверхность, а катод выполнен в виде двух тонких проводников, которые почти незаметны на переднем плане индикатора. Если индикатор поместить за зеленым светофильтром, то ни нить накала, ни управляющая сетка видны не будут.
Если на нить накаливания подать постоянное напряжение, то на ней возникнет падение напряжения. Это напряжение будет суммироваться с анодным напряжением, в результате яркость свечения сегментов в индикаторе будет неравномерной. Конструктивно нить проложена так, чтобы этот эффект свести к минимуму, однако на нить накала подогревного катода желательно подавать переменное напряжение. Так как ток в этом случае будет протекать в различном направлении, то средняя яркость свечения сегментов будет равномерной.
Схема подключения газоразрядного индикатора с подогревным катодом к семисегментному дешифратору приведена на рисунке 2.6.
Рисунок 2.6. Схема подключения семисегментного газоразрядного индикатора к дешифратору
На этой схеме в качестве ключей использована микросхема высоковольтных инверторов с открытым коллектором, выдерживающих напряжение на коллекторе до 30 В. Обратите внимание, что общий провод подводится к нити накала через среднюю точку трансформатора накала. Это обеспечивает равномерность свечения индикатора по всей поверхности.
В практических схемах чаще используется схема подключения газоразрядного индикатора с отрицательным напряжением питания. В этом случае дешифратор должен обеспечить вытекающий ток ключей. Подобная схема включения газоразрядного индикатора приведена на рисунке 2.7.
Рисунок 2.6. Схема подключения семисегментного газоразрядного индикатора к дешифратору с вытекающим током
В этой схеме транзистор VT1 и резистор R1 образуют генератор тока с большим входным и выходным сопротивлением. В результате яркость свечения индикатора будет слабо зависеть от напряжения питания 27 В. Зависимость тока, протекающего через сегмент индикатора, в схеме, приведенной на рисунке 7, намного меньше по сравнению со схемой, изображенной на рисунке 6.
Так как задача подключения газоразрядных индикаторов является распространенной, то промышленностью были разработаны и выпускаются до настоящего времени специализированные микросхемы К176ИД3, где показанные на рисунке 3.7 генераторы тока входят в состав микросхемы. В результате данного схемотехнического решения выход дешифратора можно подключать к газоразрядному индикатору непосредственно.
В приведенных схемах подключения семисегментного газоразрядного индикатора управляющая сетка подключена непосредственно к питанию. Однако при создании схемы динамической индикации, которая будет рассмотрена несколько позднее, эта сетка используется для зажигания и гашения отдельных разрядов многоразрядного газоразрядного индикатора.
Глава 3
Светодиодные индикаторы.
Газоразрядные индикаторы — это более экономичные индикаторы по сравнению с лампами накаливания, но использование высокого напряжения питания привело к тому, что они в настоящее время практически не используются.
В настоящее время практически везде для отображения двоичной информации используются светодиоды. Это обусловлено тем, что надёжность светодиодов значительно превосходит надёжность как индикаторных ламп накаливания, так и газоразрядных (неоновых) индикаторных ламп. Светодиоды труднее разбить, так как их корпус обычно состоит из прозрачной пластмассы, а вес значительно меньше индикаторных ламп. Кроме того при включении светодиодов не возникает импульсного тока значительной величины, который разрывает холодную нить накаливания своим магнитным полем.
К.п.д. светодиодов, особенно современных, тоже значительно превосходит к.п.д. индикаторных ламп. Основная причина повышенного к.п.д. - это принципиальное отсутствие теплового излучения. Электрический ток непосредственно преобразуется в световое излучение. Так как светодиод, так же как и газоразрядная лампа, управляется током, то схема его подключения практически совпадает со схемой подключения газоразрядной лампы. Она приведена на рисунке 3.6.
Рисунок 3.6. Схема подключения светодиодного индикатора к цифровой ТТЛ микросхеме.
Расчет токоограничивающего резистора в этой схеме не отличается от расчета подобного резистора газоразрядного индикатора. Отличие только в том, что падение напряжения на светодиодах лежит в пределах от 1,5 до 3 Вольт. Расчет резисторов R1 и R2 точно такой же как и в остальных транзисторных ключах.
Теперь вспомним, что выходной ток современных цифровых микросхем превосходит минимальный ток зажигания светодиода. Это означает, что можно обойтись без дополнительного транзисторного ключа для подключения светодиода. В результате схема значительно упрощается. Теперь достаточно просто ограничить ток через светодиод до допустимой величины. Новая схема приведена на рисунке 3.7.
Рисунок 3.7. Схема подключения светодиодного индикатора к цифровой микросхеме с пятивольтовым питанием.
В схеме, приведенной на рисунке 3.7, используется ток нуля цифровой микросхемы. Этот ток в большинстве цифровых схем больше тока единицы. В этой схеме мы не накладывали никаких ограничений на используемую цифровую микросхему, кроме того, что она должна обеспечивать необходимый выходной ток. Однако при использовании обычного выходного каскада необходимо, чтобы напряжение питания микросхемы было равно напряжению, подаваемому на светодиод. Однако на светодиод нужно подавать напряжение больше пяти вольт. Только в этом случае светодиод надёжно откроется.
В большинстве современных микросхем ток единицы превышает минимальный ток зажигания светодиода. В ряде случаев это может упростить принципиальную схему устройства. Схема с использованием единичного тока цифровой микросхемы приведена на рисунке 8. Однако следует отметить, что если в схеме, приведенной на рисунке 3.7, светодиод зажигается нулевым потенциалом, то в схеме, приведенной на рисунке 8, для зажигания светодиода на выходе микросхемы следует сформировать единичный потенциал. В этой схеме напряжение питания цифровой микросхемы тоже должно превышать пять вольт.
Рисунок 3.8. Использование тока единицы для зажигания светодиодного индикатора.
Как уже говорилось ранее, в современных цифровых микросхемах часто используется напряжение питания 3.3 В, 2.5 В или даже 0.7 В! Как же быть в таком случае? Неужели использовать схему с дополнительным транзисторным ключом? Во всех цифровых схемах присутствуют микросхемы с открытым коллектором. Выходной транзистор этих микросхем способен выдерживать напряжение, превышающее напряжение питания самой микросхемы, поэтому такие микросхемы можно использовать для подключения светодиодных индикаторов. Такая схема приведена на рисунке 3.9.
Рисунок 3.9. Схема подключения светодиодного индикатора к цифровой микросхеме с открытым коллектором.
Глава 4