Чарльз Платт – Электроника для начинающих (2-е издание) (страница 45)

Емкость конденсатора может быть настолько большой, насколько пожелаете, если вы хотите отмерять достаточно долгие интервалы, но точность таймера с ростом емкости будет уменьшаться, потому что величина утечки в конденсаторе становится сопоставимой со скоростью его заряда.

Падение напряжения на таймере больше, чем на транзисторе или диоде. Разность между подаваемым напряжением и напряжением на выходе составляет 1 В и больше.

Выходной так микросхемы достигает 200 мА, однако при токе выше 100 мА напряжение будет снижаться, что может повлиять на точность синхронизации.

Не все таймеры одинаковы

Все, о чем я говорил до сих пор, относится к старой, исходной ТТЛ-версии таймера 555. ТТЛ – это аббревиатура термина транзисторнотранзисторная логика, которая была предшественницей современных КМОП-микросхем, потребляющих намного меньше энергии. ТТЛ-версия таймера называется также биполярной версией, поскольку она содержит биполярные транзисторы.

Преимущества оригинального таймера 555 заключаются в его малой стоимости и надежности. Вам будет сложно вывести его из строя, а его выходной сигнал достаточно мощный, чтобы подключать напрямую катушку реле или небольшой динамик. Тем не менее, таймер 555 потребляет значительную мощность и способен создавать выбросы напряжения, которые иногда влияют на работу других микросхем.

Чтобы устранить эти недостатки, был разработан новый вариант таймера 555 на основе КМОП-транзисторов, которые потребляют меньшую мощность. Усовершенствованная микросхема не создает выбросов напряжения, однако, ее выходной сигнал ограничен. Насколько? Это зависит от конкретного производителя.

К сожалению, для КМОП-версий таймера 555 отсутствует стандартизация. Некоторые производители утверждают, что на выходе обеспечивается ток в 100 мА, в то время как другие ограничивают его величиной 10 мА.

По непонятной причине, КМОП-версии имеют разную маркировку. Микросхема 7555 четко идентифицируется как КМОП-таймер, а у других компонентов перед числом 555 могут быть указаны различные сочетания букв, и только от вас зависит, сможете ли вы разобраться, что они означают.

В этой книге, чтобы избежать путаницы и упростить нашу задачу, я использовал только ТТЛ-версию таймера 555 (биполярную). Если вы покупаете компоненты самостоятельно, загляните в раздел «Другие компоненты» главы 6 и перейдите к подразделу «Компоненты для четвертой главы», где вы найдете рекомендации по приобретению таймера.

Эксперимент 17. Генерируем звук

Теперь, когда вы знакомы с моностабильным и бистабильным режимами работы таймера 555, хочу познакомить вас с автоколебательным режимом (режим мультивибратора). Он называется так потому, что выходной сигнал постоянно колеблется между высоким и низким состояниями и не остается стабильным ни в одном из них.

Выходной сигнал таймера похож на сигнал от транзисторного генератора, который вы собрали в эксперименте 11, однако он более универсален и его параметры легче регулировать. Вместо двух транзисторов, четырех резисторов и двух конденсаторов для создания колебаний вам понадобится только одна микросхема, два резистора и один конденсатор.

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр

• Источник питания на 9 В (батарея или сетевой адаптер)

• Микросхемы таймера 555 (4 шт.)

• Миниатюрный динамик (1 шт.)

• Резисторы с номиналами 47 Ом (1 шт.), 470 Ом (4 шт.), 1 кОм (2 шт.), 10 кОм (12 шт.), 100 кОм (1 шт.)

• Конденсаторы емкостью 0,01 мкФ (8 шт.), 0,022 мкФ (1 шт.), 0,1 мкФ (1 шт.), 1 мкФ (3 шт.), 3,3 мкФ (1 шт.), 10 мкФ (4 шт.), 100 мкФ (2 шт.)

• Диод серии 1N4148 (1 шт.)

• Подстроечный потенциометр на 100 кОм (1 шт.)

• Кнопка (1 шт.)

• Стандартные светодиоды (4 шт.)

Исследование автоколебательного режима

Типичная схема для работы таймера в режиме мультивибратора показана на рис. 4.21. Я подключил к выходу динамик, потому что частота сигнала будет находиться в звуковом диапазоне. Последовательно с динамиком включен резистор, чтобы ограничить силу тока, и разделительный конденсатор, который пропускает звуковые частоты и препятствует прохождению постоянного тока. Номиналы этих компонентов я приведу далее. А сейчас мне хотелось бы, чтобы вы увидели лишь общую схему.

Резисторы R1, R2 и конденсатор С1 определяют частоту мультивибратора. Эти обозначения всегда присутствуют в техпаспортах и других источниках, и я придерживаюсь данной традиции.

Конденсатор С1 выполняет ту же функцию, что и времязадающий конденсатор таймера в моностабильной схеме на рис. 4.11. Необходимость двух резисторов вместо одного будет пояснена ниже.

Сможете ли вы самостоятельно понять, как работает эта схема, используя те знания, которые вы получили в эксперименте 16? Первое, что сразу бросается в глаза, – это отсутствие входа. Контакт 2 (запуск) подключен к контакту 6 (порог). Догадываетесь, как это будет работать? Конденсатор С1 будет накапливать заряд, как и в ждущем режиме, пока напряжение на нем не достигнет 2/3 величины напряжения питания, после чего он разрядится через резистор R2 и вывод 7, и напряжение на нем упадет. Поскольку контакты 2 и 6 соединены друг с другом, это означает, что запускающий вывод отслеживает снижение напряжения на конденсаторе С1.

Рис. 4.21. Обобщенная принципиальная схема цепи для запуска таймера 555 в автоколебательном режиме

Когда напряжение на контакте 2 резко упадет, таймер запустится. Таким образом, в этой схеме таймер будет перезапускать сам себя.

Как быстро это будет происходить? Полагаю, вам стоит собрать макет этой схемы, чтобы все выяснить. На рис. 4.22 я указал номиналы компонентов и перерисовал схему, добавив подстроечный потенциометр, чтобы вы смогли увидеть (или, скорее, услышать) эффект от изменения его сопротивления. Подстроечный потенциометр и соединенный с ним резистор 10 кОм в сумме составляют сопротивление R2. Емкость времязадающего конденсатора С1 равна 0,022 мкФ, а сопротивление R1 – 10 кОм.

Рис. 4.22. Схема для исследования таймера в автоколебательном режиме

Рис. 4.23. Компоновка макетной платы для исследования таймера в автоколебательном режиме

Рис. 4.24. Расположение и номиналы компонентов

На рис. 4.23 приведена компоновка макетной платы, а на рис. 4.24 – размещение и номиналы компонентов.

Что произойдет, когда вы подадите питание? Динамик сразу же начнет издавать звуковой сигнал. Если вы ничего не слышите, значит, почти наверняка сделали ошибку в подключении. Обратите внимание на то, что вам больше не нужно активировать микросхему с помощью кнопки. Таймер 555 запускает себя сам, как и предполагалось.

Перемещайте движок потенциометра, и тональность звука будет меняться. Потенциометр регулирует скорость заряда и разряда конденсатора С1, и это определяет соотношение длительности интервалов включения и выключения звукового сигнала. При указанных номиналах компонентов частота импульсов варьирует между 300 и 1200 Гц. Импульсы поступают на динамик. В результате его диффузор перемещается вверх и вниз, создавая продольные волны в воздухе, а ваше ухо воспринимает их как звук.

Частота выходного сигнала

Частота звука – это число полных периодов в секунду, каждый из которых содержит импульс высокого давления и следующий за ним импульс низкого давления.

Термин герц – это единица измерения частоты, означающая то же самое, что и «период в секунду». Она была введена в употребление в Европе и названа в честь еще одного первопроходца в сфере электричества, Генриха Герца. Аббревиатура герц – Гц; таким образом, сигнал на выходе у вашего таймера 555 в описанной схеме будет варьировать приблизительно между 500 и 1200 Гц.

Как и у большинства стандартных единиц, префикс «к» означает «кило-»; таким образом, значение 1200 Гц можно записать как 1,2 кГц.

Как номиналы времязадающего конденсатора и резисторов определяют частоту сигнала на выходе таймера? Если значения R1 и R2 измеряются в килоомах, а емкость С1 – в микрофарадах, то частота f в герцах определяется как:

f = 1440/(((2 × R2) + R1) × C1)

Выполнять расчеты по формуле скучно, и поэтому я снабжаю вас таблицей (табл. 4.2). Предполагается, что номинал резистора, обозначенного на схеме как R1, является постоянным и равным 10 кОм. Шапка таблицы содержит номиналы резистора R2. В боковике таблицы указана емкость времязадающего конденсатора С1.

Вы, должно быть, помните, что аббревиатура пФ означает «пикофарад», это одна миллионная доля микрофарад. Нанофарад находится посредине между микрофарадами и пикофарадами, но эта единица измерения в США применяется редко, и поэтому ее нет в данной таблице.

Таблица 4.2. Частота выходного сигнала, Гц

Что происходит внутри таймера 555, работающего в режиме мультивибратора

Для лучшего понимания того, что происходит, когда таймер работает в автоколебательном режиме, посмотрите на рис. 4.25. Внутренняя конфигурация точно такая же, как в ждущем режиме, отличаются только внешние цепи.

Как и ранее, сначала триггер заземляет время-задающий конденсатор С1. Но теперь низкое напряжение с этого конденсатора подается от контакта 6 к контакту 2 через внешний провод. Это служит толчком к самозапуску микросхемы. Триггер послушно переключается в положение «включено» и посылает положительный импульс на динамик, убирая в то же время отрицательное напряжение с контакта 6.