Как проектировать электронные схемы

2. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

В данной главе рассматриваются общие вопросы разработки электронных схем, описываются многие стандартные и специализированные компоненты. Каждый читатель в соответствии со своим уровнем подготовки сможет почерпнуть в данном разделе новые знания о деталях и особенностях существующих схем.

Материал, изложенный ниже, поможет разработать и изготовить различные электронные устройства собственными силами. Речь пойдет о проектировании схем, в которых используются только простые компоненты, доступные каждому любителю. Изложение рассчитано на читателя с техническим складом ума, которому уже приходилось собирать электронные устройства, пользуясь готовыми наборами деталей или схемами средней сложности из специальных журналов. Как правило, для этого необходимо изучить принципиальную схему устройства и иметь некоторые навыки по его настройке. После приобретения определенного опыта можно без большого труда самостоятельно конструировать разные типы схем. При этом любитель (в отличие от профессионала) может выбирать разновидность схемы на свой вкус и по своим возможностям.

ЗАРЯДКА АККУМУЛЯТОРОВ

Как известно, аккумуляторы делятся на два больших семейства: свинцовые и никель-кадмиевые. Первые применяются во всех транспортных средствах со стартерами (и в некоторых других областях).

Вторые, менее тяжелые и громоздкие, используются для питания радиотелефонов, переносных компьютеров, видеокамер и другой аппаратуры. Сегодня различные модели обоих типов представлены в большом ассортименте, и каждый может выбрать то, что ему требуется.

Условия перезарядки для обоих семейств различны, и эти правила необходимо строго соблюдать. Ниже представлены основные рекомендации по зарядке аккумуляторов. Свинцовые аккумуляторы с пробками или без пробок (запаянные) заряжаются при ограниченном токе. Его значение выбирают равным С/10, где С — емкость в ампер-часах. Требуемое напряжение зарядного устройства составляет 2,4 В на каждый элемент. Таким образом, аккумулятор с номинальным напряжением 12 В емкостью 5 А•ч, состоящий из 6 элементов по 2 В, будет заряжаться при напряжении 14,4 В (как у автомобильного генератора) и токе 0,5 А. Избыточная длительность перезарядки не приносит большого вреда. Если аккумулятор находится в нормальном рабочем состоянии, то при достаточном уровне зарядки потребление тока сокращается само по себе.

В процессе зарядки никель-кадмиевых аккумуляторов рекомендуется использовать ток, составляющий десятую часть номинальной емкости (например, 60 мА для батареи емкостью 600 мА•ч),

в течение 16 часов. В любом случае ток следует ограничить с помощью резистора, включенного последовательно с источником напряжения (желательно стабилизированного). Если источник позволяет задать ограничение по току, нужно отрегулировать его на величину, не представляющую угрозы для батареи.

Наконец, не следует забывать о том, что напряжение аккумулятора в процессе зарядки увеличивается и что в конце операции оно может превысить заданное напряжение источника питания. Чтобы ток не протекал через источник в обратном направлении, рекомендуется подключить защитный диод (см. также разделы «Выходной конденсатор» и «Генератор тока»).

Пользователям переносных компьютеров и сотовых телефонов хорошо знаком «эффект запоминания». Если аккумулятор начинают перезаряжать, когда он еще не полностью разрядился, его емкость после отключения зарядного устройства будет равна той, что он имел до перезарядки. Иначе говоря, либо аккумулятор надо постоянно оставлять на зарядке, либо надо дождаться его полной разрядки, а затем зарядить. В противном случае срок службы батарей существенно сокращается. По этой причине «разумные» зарядные устройства полностью разряжают аккумулятор перед его зарядкой. Разработаны новые типы аккумуляторов, например никель-марганцевые или литий-ионные, свободные от такого недостатка. Они значительно дороже, но имеют более широкие возможности применения.

СОГЛАСОВАНИЕ КМОП И ТТЛ СХЕМ

Еще совсем недавно все логические интегральные схемы принадлежали к семейству транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Их маркировка начиналась с цифр 74, за которыми следовали буквы LS или ALS. Затем появились КМОП схемы типа CDXX и, наконец, комбинированные микросхемы, сочетающие преимущества обоих семейств (например, 74НС и 74НСТ).

Элементы ТТЛ типа по быстродействию превосходят КМОП микросхемы, но потребляют значительно больше энергии; напряжение питания для них равно 5 В. Схемы на КМОП транзисторах отличаются исключительно малым потреблением тока, особенно при низкой частоте переключения, и способны работать при напряжении питания от 3 до 15 В. Недостатком таких приборов является их высокая чувствительность к статическому электричеству. Чтобы при соприкосновении с изделиями из синтетических материалов приборы не выходили из строя, необходимо принимать специальные меры защиты.

В настоящее время оба типа микросхем широко распространены, и нередко возникает необходимость сочетания в одном устройстве двух интегральных схем (ИС) различных типов. Это не вызывает трудностей, если их напряжения питания совпадают. В противном случае между выходом одной микросхемы и входом другой нужно добавить согласующий каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 2.1). Следует помнить, что такой каскад инвертирует логические сигналы, и для восстановления полярности выходных импульсов после него потребуется включить дополнительный инвертор.

Напомним также, что неиспользуемый логический вход (ТТЛ или КМОП элементов) никогда не должен оставаться свободным. Его следует подключить через резистор к напряжению Vcc, Vss (в зависимости от типа вентиля) или к точке с подходящим потенциалом, выбрав наиболее простой вариант соединения для данного рисунка печатной платы.

ИСТОЧНИК АВАРИЙНОГО ПИТАНИЯ

Иногда необходимо поддерживать питание устройства в течение некоторого времени, даже если напряжение сети отключается. Это важно, например, для цифровых часов, которые должны вести непрерывный счет времени.

В случае кратковременного прерывания питания можно подключить к источнику напряжения конденсатор большой емкости, соблюдая при этом необходимые меры предосторожности (см. раздел «Выходной конденсатор»). Гораздо надежнее другой вариант, не требующий больших затрат: использование батарейки и диода, предотвращающего протекание тока в обратном направлении (рис. 2.2).

Такое решение не потребует большого дополнительного места. Установка аккумулятора (вместо батарейки) оправдана лишь в редких случаях, например для питания микроконтроллера.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Присоединение неиспользуемых входов

Иногда один из операционных усилителей (ОУ) микросхемы, в корпусе которой размещаются два или четыре ОУ, не применяется. Подчас это делается преднамеренно, как, например, при использовании микросхемы LM324 (счетверенный ОУ), которая обычно дешевле, чем сдвоенный аналог LM358. В этом случае возникают проблемы паразитных колебаний и избыточного потребления. Для их разрешения неиспользуемые входы следует соединить по схеме повторителя напряжения, то есть вход «+» с общей точкой, а вход с выходом (рис. 2.3).

Уровни выходного сигнала

Операционный усилитель может с одинаковым успехом использоваться как в аналоговых приложениях (в усилителях и генераторах гармонических сигналов), так и в цифровых. В технической документации, прилагаемой к этому компоненту, среди прочих характеристик указывают максимальный уровень выходного сигнала по отношению к напряжению питания. Известная микросхема LM324, например, имеет типичный уровень сигнала -1,5 В. Таким образом, при питании 5 В напряжение на ее выходе никогда не превысит 3,5 В. Это может мешать запуску логической схемы, порог переключения которой не адаптирован к такому уровню, или обеспечению питания нагрузки, требующей более высокого напряжения (хотя LM324 может обеспечить достаточный ток). В этом случае включение реле DIP 5 В становится ненадежным.