9 Индикаторы

Индикаторы предназначены для отображения различных видов информации для человека. Простейший вид информации – это двоичная информация. Например: исправен предохранитель или вышел из строя, включено питание или нет, задействован режим передачи или нет.

Особым видом двоичной информации можно считать пиктограммы, то есть небольшие картинки. Примером таких картинок можно назвать батарейку или антенну, вертикальные линии, отображающие уровень заряда этой батарейки или уровень принимаемого сигнала, колокольчик, будильник или замочек. Пример изображения пиктограмм приведён на рисунке 9.1.

Рисунок 9.1 – Пример пиктограмм

Часто требуется отображать информацию в десятичном коде. В этом случае используется десятиразрядный бинарный код. Каждому разряду ставится в соответствие изображение символа десятичной цифры. В этом смысле десятичный код практически не отличается от пиктограммы. Пример такого индикатора приведен на рисунке 9.2. В каждый момент времени может отображаться только один символ.

Рисунок 9.2 – Пример десятичного индикатора

С целью экономии количества разрядов и упрощения конструкции индикаторов были разработаны семисегментные индикаторы. В них информация отображается при помощи семи сегментов. Изображение такого индикатора приведено на рисунке 9.3.

Рисунок 9.3 – Изображение семисегментного индикатора

Использование семисегментных индикаторов позволяет сформировать все десятичные цифры и часть букв алфавита. Однако такие индикаторы отображают не все символы. Для отображения всех букв алфавита в настоящее время используются матричные индикаторы. Наиболее распространены матричные индикаторы 57. Пример изображения на таком индикаторе буквы S приведён на рисунке 9.4.

Рисунок 9.4 – Пример изображения буквы S на матричном индикаторе

Для отображения перечисленных видов информации можно воспользоваться различными индикаторами, такими как малогабаритные лампочки накаливания, газоразрядные индикаторные лампы, жидкокристаллические или светодиодные индикаторы. Рассмотрим подробнее преимущества и недостатки каждого из этих видов индикаторов.

9.1 Малогабаритные лампочки накаливания

Наиболее простой схемой подключения к цифровым устройствам обладают лампочки накаливания. Пример схемы подключения индикаторной лампы накаливания приведён на рисунке 9.5.

Рисунок 9.5 – 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 дискретный сигнал наличия или отсутствия тока через индикаторную лампочку накаливания.

Расчёт 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 определяется по справочнику или DATASHEET на выбранную микросхему). Тогда минимальный коэффициент усиления h21э можно определить по формуле:

.

В нашем случае ток коллектора равен току, протекающему через лампу, а ток базы - это максимальный допустимый выходной ток цифровой микросхемы (I_вых1). Делим 120 мА на 4 мА. Получаем минимальный коэффициент усиления по току, равный 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 9.6.

Рисунок 9.6 – 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:

U_R1=U₁-U_б=2,4В-0,7В=1,7В .

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 9.7.

Рисунок 9.7 – Эквивалентная схема цепи протекания обратного коллекторного тока

В схеме, приведённой на рисунке 9.7, видно, что на резисторе R1 обратный ток коллектора транзистора VT1 может создать падение напряжения 0,7 В и, тем самым, открыть транзистор. Для того чтобы уменьшить падение напряжения можно параллельно этому резистору подключить еще один резистор (как показано на рисунке 9.8) и, тем самым, уменьшить открывающее напряжение на базе транзистора.

Рисунок 9.8 – Эквивалентная схема шунтирования цепи протекания обратного коллекторного тока I_ко транзисторного ключа резистором

В схеме, приведённой на рисунке 9.8, 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:

I_R2=4 мА/3 =1,3 мА .

Определим сопротивление резистора R2. Для этого воспользуемся законом Ома. Учитывая, что падение напряжения на базовом переходе транзистора является константой и равно 0,7 В.

R2 = U_б/I_R2 = 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!