Как проектировать электронные схемы
Шрифт:
Если в схеме использован резистор с номинальной мощностью 0,5 Вт, через короткое время он выйдет из строя, а более мощный резистор может не поместиться на печатной плате.
При создании схем с мощными резисторами следует быть особенно внимательным. Необходимо учитывать, что допустимые значения мощности, указанные производителями, обычно гарантируются для рабочей температуры 25 °C. Но при работе мощного устройства эта температура может быть существенно выше. Бывает, что резистор с номинальной рабочей мощностью 10 Вт при 25 °C перегревается при рассеивании всего лишь 2,5 Вт, если температура окружающей среды составляет 70 °C. В подобных случаях следует выбирать резисторы в специальном корпусе, оснащенном пластинами для охлаждения, размещать их на радиаторе и обеспечивать адекватную вентиляцию. Отметим, что выбор заведомо более мощного резистора не всегда позволяет избежать перегрева,
Рабочие напряжения
Резистор, как и конденсатор, имеет максимально допустимое рабочее напряжение. Необходимость учитывать этот параметр ярко проявляется при работе со схемами, непосредственно подключенными к электрической сети. Примерами могут служить RC-цепи, служащие для подавления помех, или источники питания без трансформатора.
Классический резистор с номинальной мощностью 0,5 Вт обычно имеет допустимое рабочее напряжение порядка 200 В. В упомянутых выше устройствах при номинальном эффективном напряжении сети 230 В возможны режимы, при которых пиковое значение напряжения на резисторах может достигать 650 В. Даже если требованию по рассеиваемой мощности удовлетворяет один резистор, в данном случае необходимо использовать по меньшей мере три последовательно соединенных компонента, чтобы напряжение на каждом из них всегда оставалось в допустимых пределах. Из этого можно сделать вывод, что, если в схеме, подключенной к сети, есть несколько последовательных резисторов, их нельзя заменять одним резистором соответствующего номинала (рис. 2.79). В противном случае возникает опасность его разрушения.
Переменные цифровые резисторы
Сопряжение цифровой схемы с аналоговой нередко оказывается весьма сложной задачей, особенно если при разработке эти схемы не предназначались для работы друг с другом. Такая ситуация может возникнуть, например когда микропроцессор управляет регулируемым источником постоянного напряжения или генератором синусоидального сигнала. Обычно в системах автоматического регулирования функция считывания выходной величины выполняется проще, чем функция управления.
Часто регулирующие устройства должны имитировать плавно изменяющееся сопротивление, для чего используется цифровой (наборный) резистор, сопротивление которого варьируется в широких пределах с малым шагом в соответствии с заданным цифровым сигналом. Есть программируемые интегральные цифровые потенциометры, которые помогают в решении данной задачи. Однако такие микросхемы сравнительно дороги и не всегда обладают нужными параметрами, поэтому их часто заменяют дискретными компонентами.
Схема, приведенная на рис. 2.80, позволяет имитировать переменный резистор, характеристики которого можно выбирать, исходя из конкретных требований. Переключения выполняются с помощью контактов реле, что обеспечивает полную изоляцию цифровой части устройства от аналоговой.
Принцип работы схемы очень прост. В ней используется набор последовательно включенных резисторов, сопротивления которых при переходе от одного к другому изменяются путем умножения на 2, что соответствует изменению веса разрядов двоичного управляющего сигнала. Параллельно выводам каждого резистора подключен нормально замкнутый контакт реле, на обмотку которого подается цифровой сигнал соответствующего разряда. В состоянии покоя общее сопротивление равно нулю. Появление управляющего сигнала, соответствующего единице младшего разряда, отключает контакт, замыкающий первый резистор. В рассматриваемом примере на выходе появляется сопротивление 500 Ом. Включение второго реле, соответствующего следующему разряду двоичного сигнала (при отключении первого), дает на выходе сопротивление 1000 Ом.
Дальнейшее увеличение двоичного слова на единицу (переход от 2 к 3 в десятичном коде) обеспечивает увеличение выходного сопротивления до 1500 Ом и т. д. Максимальное значение сопротивления составляет 7,5 кОм (все контакты отключены), оно реализуется при подаче двоичного слова 0FH.
Число разрядов и наименьшее сопротивление в наборе могут задаваться с учетом конкретных требований. Управление реле осуществляется с помощью дискретных транзисторов или от микросхем типа ULN2003, ULN2004. Если в наличии нет реле с нормально
замкнутыми контактами, в схему управления можно включить логические инверторы. В таком случае необходимо проверить общее потребление тока, поскольку в состоянии покоя все реле должны быть включены. Подобный вариант схемы можно использовать в сочетании с двоичным счетчиком, реализующим счет вперед или назад, или с микроконтроллером. Очевидно, что при управлении с помощью механических реле выходное сопротивление будет изменяться сравнительно медленно.СЕРВОДВИГАТЕЛЬ В ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ
Серводвигатель — это миниатюрный двигатель, управляемый электронным устройством. Чаще всего это дешевые двигатели, используемые в радиоуправляемых моделях. Они приводятся в движение от источника постоянного напряжения и обычно соединены с механическим редуктором, который имеет большое передаточное отношение и обеспечивает значительный вращающий момент. Серводвигатель нередко используется для вращения потенциометра системы автоматического регулирования. При повороте оси потенциометра с контактов устройства снимается напряжение, пропорциональное угловому положению движка. Оно сравнивается с опорным напряжением, и сигнал, зависящий от их разности, подается на двигатель, который вращается в нужном направлении, пока не достигнет положения, соответствующего заданному опорному сигналу.
Перечисленные функции выполняются, как правило, специализированными схемами. При таком способе управления двигатели хорошо сочетаются с электронными устройствами. В данном случае применяется последовательность импульсов переменной длительности, посылаемых с постоянной частотой. Период импульсов составляет обычно 20 мс. Среднему (нейтральному) положению двигателя соответствует импульс длительностью 1,5 мс, два крайних положения достигаются при изменении этого параметра в пределах ±0,5 мс (рис. 2.81). Частота следования импульсов в данном случае соответствует частоте сети (50 Гц), однако ее изменение в широких пределах не влияет на работу двигателя.
Данный метод позволяет осуществлять управление с помощью любой цифровой схемы или с использованием микроконтроллера в сочетании с несложной программой. Номинальное напряжение источников питания и управления серводвигателем равно 4,8 В (4 аккумулятора по 1,2 В). Для этого хорошо подходит стандартный источник напряжения 5 В при условии, что он может обеспечить достаточный для вращения двигателя ток (приблизительно 500 мА). Если одновременно используется несколько двигателей, разумно предусмотреть для каждого отдельный источник питания, чтобы исключить возможные помехи.
Для подключения серводвигателя применяется малогабаритный соединительный элемент с тремя выводами, к которым подходят общий провод (черный), а также провода для подачи напряжения +5 В (красный) и управляющих импульсов (обычно оранжевый).
СУММАТОР И ВЫЧИТАТЕЛЬ АНАЛОГОВОГО ТИПА
Сумматор и вычитатель напряжений входят в число базовых аналоговых схем на операционных усилителях (рис. 2.82). Они находят широкое применение, особенно для обработки и усиления сигналов, поступающих от датчиков физических величин, например температуры, механической нагрузки или показателя кислотности (pH) воды. Чтобы достичь нужной точности, следует соблюдать идентичность парных резисторов. Это требование играет более важную роль, чем точный подбор абсолютных значений сопротивлений. Соображения, высказанные по поводу резисторных цепей (см. выше), распространяются также и на данные устройства.
СИНХРОНИЗАЦИЯ ОТ СЕТИ
Напряжение электрической сети часто используется в электронных схемах в качестве опорного сигнала для генераторов тактовых импульсов или для синхронизации автоматизированных измерительных приборов. При измерении напряжений, содержащих остаточные пульсации на сетевой частоте, иногда проще произвести замер в определенный момент, чем выполнять тщательную фильтрацию сигнала (рис. 2.83а). При выполнении дискретных измерений через заданные промежутки времени на вход прерывания микроконтроллера часто подают прямоугольный сигнал, синхронизированный с напряжением сети. В этом случае обычно создаются оптимальные условия для снижения погрешностей измерения, связанных с различными помехами и наводками.