3. Таймеры
3.1. Функциональная схема и принцип работы таймера
Таймер (timer – отсчетчик временных интервалов) – электронное устройство, позволяющее устанавливать желаемый интервал времени, по истечении которого на его выходе формируется определенного уровня и формы сигнал.
В настоящее время таймер как самостоятельный функциональный узел входит в состав разнообразной обширной аппаратуры. Массовое применение таймеров обусловило его разработку в форме интегральной микросхемы. По функциональной структуре интегральный таймер нельзя полностью отнести ни к аналоговым, ни к цифровым микросхемам. Современные таймеры содержат как аналоговые устройства (компараторы), так и цифровые (логические элементы, триггеры, счетчики). И хотя основные функции в таймерах выполняют цифровые устройства, точность формирования отрезка времени определяется компараторами напряжения. По этой причине таймеры часто относят к аналоговым микросхемам. Интегральные таймеры позволяют формировать длительность интервалов от микросекунд до месяцев. Выпускаемые таймеры принято делить на два основных класса: однотактные и многотактные [4]. Первые применяют, когда длительность временных интервалов лежит примерно в диапазоне 1 мкс – 1 час. Многотактные таймеры имеют встроенный счетчик-делитель, позволяющий увеличить длительность интервала до нескольких суток.
Отечественной промышленностью освоен выпуск интегрального однотактного таймера КР1006ВИ1, являющегося полным аналогом (электрические параметры, конструктивное исполнение, нумерация выводов) зарубежной микросхемы серии 555 (NE555).
Функциональная схема таймера КР1006ВИ1 приведена на рис. 3.1., в которой можно выделить пять основных узлов: два компаратора напряжения DА1 и DА2, асинхронный RS-триггер DD1, транзисторный ключ VT1 с открытым коллектором и двухтактный усилитель мощности, выполненный на транзисторах VT2 и VT3.
Высокоточный внутренний резисторный R1 ÷ R3 делитель напряжения обеспечивает опорные напряжения, равные 2Uп /3 на инверсном входе компаратора DА1 и Uп /3 на прямом входе компаратора DА2. Выводы 1,5 и 8 таймера позволяют подключать к делителю внешние резисторы, изменяя таким способом значения
Рис. 3.1
опорных напряжений. Важной особенностью таймера является независимость устанавливаемой длительности импульса от изменения напряжения питания. Это объясняется тем, что с изменением питающего напряжения пропорционально изменяется и величина опорного напряжения, а значит и порог срабатывания компараторов.
Компаратор DА1 служит для сравнения напряжения на пороговом входе (вывод 6) с опорным, равным 2Uп /3 (вывод 5), в результате чего на его выходе появляется либо высокий, либо низкий уровень напряжения.
Другой компаратор DА2 сравнивает напряжение на входе "пуск" (триггерном входе – вывод 2) с опорным, равным Uп /3, результатом которого является возникновение либо высокого, либо низкого уровня напряжения на его выходе.
Выходные сигналы компараторов DА1 и DА2, поступающие соответственно на входы R и S, определяют состояние триггера DD1. До тех пор, пока напряжения на инверсных входах обоих компараторов больше, чем на прямых, на выходах DА1 и DА2 (соответственно на входах R и S триггера) будет низкий уровень напряжения и триггер DD1 не изменит своего состояния.
Когда на пороговом входе DА1 напряжение превысит опорное, на выходе компаратора (входе R триггера) появится высокий уровень, что заставит триггер DD1, а следовательно, и весь таймер вернуться в исходное состояние. На Выходе 1 (вывод 3) таймера напряжение будет равно нулю.
При запуске таймера на инверсный вход компаратора DА2 поступает сигнал низкого уровня. На его выходе (входе S триггера) появляется сигнал высокого уровня, устанавливающий триггер в состояние логической 1. На Выходе 1 таймера устанавливается напряжение, близкое к напряжению питания Uп.
Вывод 4 таймера, являющийся одновременно инверсным R входом триггера, служит для прерывания работы (сброс) таймера независимо от напряжения на выводах 2 (пуск) и 6 (пороговое напряжение). Для изменения состояния триггера достаточно, чтобы на выводе 4 таймера напряжение было не более 0,4 В (уровень логического 0 в ТТЛ). При этом на Выходе 1 таймера устанавливается напряжение примерно (0,1 ÷ 0,2) В. Когда на этом же выводе напряжение не менее 1 В, то оно не влияет на работу триггера и таймера.
Выходной усилитель на транзисторах VT2 и VT3 является двухтактным усилителем мощности, благодаря чему нагрузка может подключаться как к выводам 3 (Выход 1) и 1(Общий), так и между выводами 3 и 8 (Питание). Для любого способа подключения нагрузки допустимый выходной ток не более 100 мА1). Выходное сопротивление Rвых составляет примерно 10 Ом.
Кроме низкоомного Выхода 1 (вывод 3) таймер имеет вспомогательный высокоомный Выход 2 (вывод 7), представляющий собой открытый коллектор транзистора VT1. Транзистор VT1 работает синхронно с транзистором VT3. Выход 2 (вывод 7) обычно используется для создания обратной связи путем его соединения с выводами 2 или 6 таймера. Максимальный ток Выхода 2 (максимальный коллекторный ток транзистора VT1) такой же, как и по Выходу 1, не более 100 мА. Допустимое изменение напряжения на выводах 2,4,6 и 7 лежит в пределах от 0 до напряжения питания.
Микросхема КР1006ВИ1 по сути является пусковым или управляющим устройством, а временные параметры выходного сигнала обеспечиваются величинами сопротивления Rt и емкости конденсатора Сt внешней резистивно-емкостной цепи (рис. 3.1). Как показано на том же рисунке резистор подключается к выводам 8 и 7, а конденсатор – к выводам 7 и 1 таймера. Чтобы параметры времязадающей цепи RtСt не влияли на точность формирования временных интервалов, необходимо ограничить диапазон изменения сопротивления Rt и емкости конденсатора Сt. Максимальное сопротивление Rt max определяется входным током Iвх компараторов, протекающим по выводам 2 и 6 и равным 0,5мкА. Для обеспечения устойчивых временных интервалов рекомендуется максимальное сопротивление выбирать из условия Rt max< Uп / Iвх. Например, при напряжении питания, равном 10 В, сопротивление Rt max cоставит 20 МОм. Минимальное сопротивление Rt min определяется максимально допустимым током порядка 100 мА, протекающим через транзисторVT1 при его насыщении. Не рекомендуется ставить малые сопротивления Rt в сочетании с большими емкостями конденсатора Сt. Объясняется это тем, что при разряде конденсатора большой емкости, происходящем через транзистор VT1, последний может выйти из строя вследствие чрезмерной величины рассеиваемой на нем мощности. Поэтому при формировании малых временных интервалов рекомендуется Rt min брать не менее 1 кОм, а затем, исходя из этого, подсчитывать величину емкости Сt. С другой стороны при формировании точных временных интервалов не рекомендуется использовать Сt < 100 пФ.
Таймер допускает сопряжение с микросхемами ТТЛ и КМОП, а также с мощными транзисторами, реле, сигнальными лампочками, светодиодами и другими нагрузками, потребляемый ток которых не превышает 100 мА. В отсутствие нагрузки таймер потребляет ток 3,5 мА при Uп = 5 В и 10 мА при Uп = 15 В.