За счет чего удалось увеличить амплитуду сигнала в нагрузке? Яснее всего это было бы видно, если бы на схеме рисунка 6.7 мы разделили источник питания на два по 6 В, удалили бы конденсатор C2, а громкоговоритель подключили бы одним концом к эмиттерам транзисторов, а вторым концом к точке соединения источников питания по 6 В. При поочередном полном включении транзисторов наша нагрузка поочередно оказывалась бы подключенной то к одному источнику 6 В, то к другому. Это и давало бы максимально возможную амплитуду сигнала, равную половине питающего напряжения. При мостовом включении попеременное полное включение имеют пары транзисторов: T1 и T4, T2 и T3. Каждый раз при этом нагрузка оказывается подключена полностью к источнику питания. Возможная амплитуда увеличивается до 12 В.

На практике достаточно хороший результат можно получить, используя микросхемы усилителей мощности серии TDA или отечественные. Две микросхемы позволят реализовать мостовое включение и получить большую мощность, чем одна. Что и требовалось доказать! Усилители интересный предмет для разговора, и я хочу отвести этому следующую главу. Там же немного поговорить об усилении звука в целом. А пока пора вернуться к теме первого проекта. И это будет...

Светофор

Если у вас есть младший брат или сын – владелец гаража с несколькими полу-разломанными, но любимыми машинками, ему доставит удовольствие поиграть, день-два (или час-другой), в регулировщика. И даже если этого не произойдет, то вам доставит удовольствие использовать этот проект для модификации в другой, например, для управления новогодними гирляндами. Задачи очень схожи, а, решая их, можно получить «море удовольствия», поскольку решений очень много, и есть в отдельных решениях такие подводные камни, что любой любитель «экстрима» вам позавидует.

Светофор имеет три сигнальные лампы: зеленую, желтую, красную. Мы возьмем три светодиода: зеленый, желтый, красный. Светодиод – разновидность обычного диода, p-n переход которого при протекании через диод тока излучает свет. Собственно, если я не ошибаюсь, то этим занимаются электроны, которые при торможении или при переходе с одного уровня в атоме на другой излучают избыток энергии в виде фотонов (электромагнитную волну в спектре света). Почему они так делают, я не знаю. Уж такова, видимо, их природа, или так им приходится жить, всяк живет, как может.

Многие светодиоды при проверке их с помощью мультиметра, который следует переключить в режим проверки диодов (в режиме измерения сопротивления современные мультиметры могут иметь напряжение на щупах порядка 0.5 В, а это мало для того, чтобы открыть кремниевый, например, диод даже в прямом направлении), светятся. Но не все. Ток через светодиод не может превышать тот, что указан в его паспортных данных. Для многих типов светодиодов этот ток порядка 15-30 мА. Чтобы ограничить ток через диод, последовательно с ним включают резистор. Величину резистора можно подсчитать, зная рабочий ток светодиода, для определенности возьмем 10 мА, и напряжение источника питания. Падение напряжения на светодиоде составляет 1.5-2 вольта, остаток напряжения источника питания будет падать на добавочном резисторе. Разделив его на рабочий ток, великий закон Ома!, мы получим величину добавочного сопротивления.

Схему самого простого светофора я даже не буду рисовать. Три светодиода с тремя добавочными резисторами соединяем катодами (к анодам у нас подпаяны резисторы) и подключаем к батарейке. Три оставшихся конца (резисторов) подпаиваем к переключателю, который в данном случае будет называться переключателем (например, галетным) на четыре положения и одно направление. Токосъемный (подвижной, общий) вывод переключателя мы

подпаиваем к батарейке. Почему четыре положения? В четвертом положении светофор отключается. Все. Щелкаем переключателем, зажигаем огни светофора. Проще не бывает.

Но это не интересно. Хорошо бы, чтобы светофор включал зеленый свет, горел несколько секунд, затем включал бы на секунду желтый, и следом красный на несколько секунд. А потом через желтый свет переходил бы к зеленому. Как реализовать такой светофор с помощью микроконтроллера, я знаю. Но микроконтроллеры мы «еще не проходили». А как еще можно? Не знаю. Нужно подумать.

Есть одно решение. Когда я рассказывал о триггерах, то упоминал D-триггер (рисунок 5.29). Если взять три таких триггера, подключить к ним наши светодиоды с добавочным резисторами, то, переключая эти триггеры, можно получить искомое. Я даже знаю, что можно использовать в качестве источника данных для подачи этих сигналов на входы данных триггеров. Есть такая микросхема, которая называется ПЗУ. Нужные нам данные мы можем запрограммировать в этой микросхеме, добавить ко всему тактовый генератор... но ПЗУ мы тоже «не проходили». Подумаем еще раз.

Поскольку сразу решение я не нахожу, попробую разбить задачу на несколько подзадач. Первая подзадача выглядит так: есть три светодиода с добавочными сопротивлениями, их нужно последовательно переключать. Попробуем решить такую, более простую задачу.

Что-то включать и выключать можно с помощью реле. Используем это.

Рис. 6.9. Первая схема проекта «Светофор»

Но в таком виде обмотки реле нужно подключать к переключателю, а это значит «плодить» лишние сущности – реле явно ничего нового не делает. Такой светофор нам не

нужен. В программе Qucs светодиоды можно найти в разделе «Библиотека компонентов», а реле хотя бы с двумя группами контактов я не нахожу. Поскольку то, как включаются светодиоды уже ясно, можно удалить их из схемы, когда они понадобятся, мы знаем, как их включить, а с реле... Можно на время отказаться от программной проверки схемы и выполнить монтаж на макетной плате. Однако реле мне придется покупать, а реле достаточно дорогостоящий компонент — технология его изготовления требует множества вспомогательных процессов, и, мне кажется, много ручной работы. Реле следует применять там, где без него не обойтись. С другой стороны, реле достаточно интересный компонент электрических схем, о котором хотелось бы рассказать побольше. В первую очередь оно имеет контакты, которые не соединены ни с каким источником тока и напряжения, контакты, которые могут коммутировать и большие токи, и достаточно большие напряжения. При замыкании контактов их сопротивление (переходное сопротивление) очень мало, а при размыкании – ОЧЕНЬ велико. Реле, как и другие компоненты электрических схем, существуют разные, и по конструкции, и по принципу работы, и по параметрам.

Я, пожалуй, немного расскажу о параметрах реле постоянного тока, и постараюсь в программе Qucs показать, как бы можно было подступиться к решению задачи проекта «Светофор», а для самого проекта, все-таки поищу более дешевое решение.

Один из основных параметров реле – рабочее напряжение, то есть, такое напряжение, при подаче которого реле «срабатывает» и может находится во включенном состоянии неограниченно долго. Его контакты, или группы контактов, меняют свое состояние на противоположное, те, что были разомкнуты, замыкаются, а замкнутые, размыкаются. Вместе с тем, любое реле включается при напряжении несколько меньшем, чем рабочее напряжение. Такое напряжение называется напряжением включения. А выключается реле при еще меньшем напряжении, напряжении выключения. Эффект разности между напряжением выключения и включения, отношение тока выключения к току включения, называют коэффициентом возврата. Дополнительно замечу, что после подачи напряжения на обмотку реле, контакты переключаются не сразу, а спустя некоторое время – время срабатывания реле. Обмотка реле имеет определенное сопротивление, по величине которого можно определить токи срабатывания, выключения и рабочий. Я думаю, что этих параметров нам вполне хватит для понимания происходящего.

Итак. Реле в программе Qucs есть, но это, скорее, абстрактная модель, хотя имеющая напряжение отпускания и «гистерезис». Оно имеет одну группу контактов, которую я определил бы как «нормально разомкнутую» по умолчанию. У реле могут быть группы контактов, работающие на размыкание, нормально замкнутые, работающие на замыкание, нормально разомкнутые, и на переключение, когда один из трех контактов в группе общий и с одним из контактов группы образует нормально замкнутую пару, а с другим нормально разомкнутую.

Поскольку полную схему я не планирую проверять в программе, а выбор решения я пока сделал в пользу реле, попробую решить вторую подзадачу. Ее я определю следующим образом: после подачи питающего напряжения на схему включается первое реле, которое нормально разомкнутыми контактами подключает зеленый светодиод с его добавочным резистором к плюсу источника питания; одновременно второй группой нормально разомкнутых контактов это реле подключает второе, которое должно включиться через 1-2 секунды после подачи на него напряжения питания.

Как я хочу реализовать такое решение? Я включу второе реле через дополнительный резистор так, чтобы падение напряжения на нем было равно разности питающего напряжения и напряжения включения второго реле. Это достигается подбором величины дополнительного сопротивления и/или напряжения питания. Зная величину сопротивления

обмотки реле мы можем выполнить расчеты с помощью закона Ома. А вся хитрость в том, что касается «которое должно включиться через 1-2 секунды», что я параллельно обмотке реле включу конденсатор большой емкости. Сейчас я покажу, а затем расскажу, что из этого может получиться.

Рис. 6.10. Включение реле постоянного тока с «задержкой».

Чтобы не включать «рубильник», подключающий батарейку к реле, я использовал, я этим часто пользуюсь, источник импульсного напряжения V1. Он в момент времени t = 0 имеет нулевое напряжение, затем его напряжение становится равно 12 В и остается таким в течение 10 секунд (все эти параметры меняются в свойствах источника). Дополнительное сопротивление (последовательно с обмоткой реле) R1. А конденсатор C1, совместно с резистором R1, образуют время-задающую цепь. При появлении импульса величиной 12 В напряжение на конденсаторе равно нулю, как это видно из верхней диаграммы, затем конденсатор заряжается через резистор R1 (по экспоненте, так называется закон изменения напряжения на конденсаторе), и, спустя какое-то время (около 2 секунд на верхней диаграмме), напряжение на нем достигает 10 В. Именно такое напряжение я выбрал в качестве напряжения срабатывания реле в свойствах второго реле S1. При этом напряжении реле включается, своими контактами включая резистор R2. На второй, нижней диаграмме, показан ток, который сразу возрастает до величины, определяемой (по закону Ома) сопротивлением R2 = 1 кОм. Таким образом, реле включится не сразу после включения питающего напряжения, а спустя 2 секунды.

Если это, второе, реле мы подключим к источнику напряжения 12 В второй парой контактов первого реле, включающего своими нормально разомкнутыми контактами зеленый

светодиод, и, если это второе реле включает желтый светодиод, то он загорится через 1-2 секунды после зажигания зеленого. Используем нормально разомкнутую пару контактов второго реле параллельно включающей паре контактов первого реле, а нормально замкнутую пару контактов второго реле для подключения питания первого реле, и тогда второе реле будет подключено (своими замкнувшимися контактами) к источнику питания, а первое реле будет от этого источника отключено контактами второго реле...

Я уже немного запутался в этих контактах, проще будет нарисовать.

Рис. 6.11. Использование контактов реле для переключения двух реле

На схеме два реле Р1 и Р2. Первое имеет одну группу нормально разомкнутых контактов S1, а второе имеет три группы контактов S2, S3 и S4. Нормально замкнутые контакты S3 реле Р2 подключают первое реле к питающему напряжению. После включения батарейки V1 реле Р1 включается и своими контактами S1 подключает реле Р2 через время-задающую цепочку R1C1. Когда конденсатор зарядится до напряжения 10 В (через 1-2 секунды), реле Р2 включится. Своими контактами S2 оно подключит себя к источнику напряжения и останется включенным. Контактами S3 реле Р2 разорвет цепь питания реле Р1, и реле выключится, размыкая контакты S1 (но реле Р2 остается включенным благодаря своим контактам S2, включенным параллельно). Контактами S3 реле Р2 может включить желтый светодиод через 1-2 секунды после включения зеленого светодиода (контактами реле S1, которые не нарисованы), а зеленый светодиод погаснет. Вот таким образом реле последовательно переключатся.

Можно промоделировать временные соотношения этого процесса, поэкспериментировать с изменением емкости конденсаторов, резисторов. Следует только помнить, что реле в

программе, скорее, абстрактное. Его сопротивление обмотки не определено. Как это скажется при замене абстрактного реле конкретным... а, вот, не скажу! Вы вполне можете сами, добавляя к любой из схем для моделирования, приведенных выше или ниже, параллельно обмотке реле включить резистор, который будет изображать сопротивление обмотки. Попробуйте, это интересно. И постарайтесь не забыть, что переключение контактов реле происходит не мгновенно, а требует некоторого, пусть и небольшого, времени. При коммутации возникает ситуация, когда одна пара контактов еще не включена, а другая уже выключена. Если об этом забыть, то схема может оказаться не работоспособна.

Рис. 6.12. Последовательное включение реле с задержкой

После того, как стало понятно, как можно последовательно включать реле с задержкой, можно продолжить схему, добавляя еще одно реле, которое будет выключать и первое и второе, и подумать, как с помощью дополнительных контактов или дополнительных реле заставить «светофор» переключаться в обратном направлении. Я честно сознаюсь, что не знаю решения. Но не уверен, что его нет. Если у вас нет желания и интереса продолжать построение схемы светофора с помощью реле, то присоединяйтесь ко мне. Я собираюсь поискать более дешевое решение, используя другие компоненты. Цель моего рассказа о поиске решения с помощью реле была в том, чтобы напомнить вам, что реле, выходящее из моды, остается очень хорошим и удобным элементом электрических схем. Иногда применение реле сильно упрощает схему, иногда удешевляет решение, и о реле не следует забывать. Не так давно реле использовалось очень широко, было множество полезных схем, построенных с применением реле, и в частности разновидность реле – шаговое реле – была основой работы всех автоматических телефонных станций.

Кроме того, мне хотелось еще раз напомнить, что, хотя конденсатор не проводит постоянный ток, он довольно часто используется в цепях постоянного тока, благодаря переходному процессу (заряд конденсатора по экспоненциальному закону), совместно с резисторами для формирования временных интервалов. Да и вообще, мне реле нравится.

Но и схему светофора надо придумывать.

Пока я рассказывал о реле, я лихорадочно вспоминал, не приходилось ли мне решать подобную задачу прежде? И раздумывал, как еще можно подступиться к решению, хотя бы в принципе. Ничего не припомнив, ничего не придумав, я, тем не менее, обратил внимание на характер работы светофора. Он, как счетовод, посчитал, перекинул костяшку на счетах, посчитал, перекинул другую. Вначале он складывает, потом вычитает... Что-то в этом роде.

И исходной точкой в задаче становится счет, вернее, отсчет времени или подсчет импульсов тактового генератора. А среди цифровых микросхем есть такая микросхема, которая называется счетчик. Как она работает? Самое простое описание работы счетчика – с приходом каждого импульса от тактового генератора число на выходе микросхемы увеличивается (или уменьшается при обратном счете) на единицу. Число на выходе счетчика задается несколькими выводами, на которых устанавливается либо высокий, либо низкий уровень. Каждый вывод, например, позиция двоичного числа, и по состоянию выходов легко можно записать двоичное число: 1001, если выводов четыре, соответствует десятичному числу 9. Такое позиционирование двоичных чисел еще называют записью в коде 1-2-4-8, хотя правильнее это выглядит в написании 8-4-2-1. В позиции 8 записывается наличие восьмерки, как в примере с числом 1001, а позиции в 1 – наличие единицы. Если есть восемь и один, значит число, несомненно, девять.

Я не знаю из скольких транзисторов сделана микросхема, я не знаю, как эти транзисторы соединяются в электрические цепи в микросхеме, но я знаю, что, подав на ее входы все необходимые сигналы, а это не только сигнал от тактового генератора, я могу считать импульсы тактового генератора. Вот это свойство цифрового счетчика мне кажется подходящим для реализации проекта «Светофор». Может статься, что я ошибаюсь, это покажет время, но я могу попробовать создать схему на основе счетчика.

Прежде, чем сделать первую попытку в реализации схемы, я чуть-чуть расскажу о счетчике. К моему огорчению в программе Qucs нет готового компонента, который называется счетчик. Но я знаю, если ничего не путаю, что работу любой цифровой микросхемы можно описать с помощью математического уравнения. Для сложных микросхем такое уравнение тоже оказывается сложным, но... его можно упростить. Упростить до вида, когда уравнение описывается с помощью достаточно простых функций вида «И», «ИЛИ», «НЕТ», образующих базовый набор функций. А это означает, что любую сложную цифровую микросхему можно построить из более простых. Не буду пугать вас, рисуя подобные схемы, но как это может быть сделано, покажу.

Начнем с простой схемы триггера, который называется RS-триггер. Напомню, что триггер

– это устройство, которое может неограниченно долго (пока включено питающее напряжение) находится в одном из двух устойчивых состояний. В RS-триггере есть два входа, обозначенных как R и S. Если на вход S подать активный уровень, обычно, но не всегда, это уровень логической единицы, то выход триггера принимает активное значение. Часто триггер имеет два выхода. Тогда на первом устанавливается высокий уровень, а второй принимает значение низкого уровня (логического нуля). Если же на вход R триггера подать активный уровень, то все происходит наоборот: основной выход триггера «сбрасывается». Обозначение входов триггера происходит от английских слов Set и Reset (установка и сброс). Входы установки и сброса, или один из таких входов, как правило, имеют многие цифровые микросхемы. В сложных микросхемах бывает необходимость начинать работу с некоторого

определенного состояния. Например, процессор, начиная свою работу, обращается к программе, где записана последовательность всех его дальнейших действий. Если адрес с которого процессор должен начинать считывание программы не определен, то совершенно не определено и поведение процессора, поскольку в памяти могут хранится и команды, и данные. Но и те, и другие – только двоичные числа. Можете себе представить, что будет вытворять ваш компьютер, если начнет с чтения данных, принимая их за команды! Поэтому начальное состояние любой цифровой схемы желательно иметь вполне определенным, устанавливая выходы микросхем в наперед заданное положение. Кстати, я не зря заговорил о процессоре, начиная рассказ о цифровых микросхемах. Почти все популярные цифровые серии микросхем позволяют создать процессор. И когда-то так процессоры и строили. Это теперь появились микропроцессоры, которые прячут в своих глубинах и счетчики, и триггеры и прочую цифровую премудрость. А раньше все было... впрочем, было, да давно прошло.

Итак. RS-триггер.

Рис. 6.13. RS-триггер на элементах И-НЕ

В таблице истинности значения входов и выходов приведены в соответствие с описанием выше. Программа Qucs имеет в своем составе SR-триггер, но при моделировании у меня процессор загружается полностью, и программа молча висит на экране. Проще оказалось использовать другой триггер, имеющий SR-триггер составной частью. А понадобилось мне это, чтобы показать таблицу истинности. Вот что получилось в итоге.

Рис. 6.14. Таблица истинности RS-триггера

Таблицы истинности почти полностью совпадают, то есть, поведение схемы на элементах И-НЕ будет соответствовать поведению SR-триггера. Усложняя схему, можно получить другие виды триггеров, а из триггеров построить другие элементы, в частности счетчики. Очень просто получается счетчик из D-триггеров.

Рис. 6.15. Счетчик на D-триггерах

На рисунке показана не таблица истинности, а временная диаграмма, из которой можно понять еще одно частое применение счетчиков – в качестве делителей частоты. Частота на выходе A счетчика вдвое ниже тактовой (clock), на выходе B вдвое ниже, чем на выходе A, и т.д. И можно посмотреть, как считает счетчик: после прихода тактового импульса в момент времени 3n (3 наносекунды) на выходе A устанавливается единица, в момент времени 5n единица на выходе A сбрасывается, но устанавливается на выходе B, а в момент времени 7n устанавливается и на выходе A, и на выходе B, что соответствует количеству полученных импульсов к этому времени равному 3 (двоичное 11).

Это свойство счетчика отсчитывать время, задаваемое тактовым генератором, я хочу использовать для схемной реализации проекта, конечно, используя микросхемы удобные для такого построения. В первую очередь я хочу использовать счетчик, который может считать в прямом и обратном направлении, использовать дешифратор для преобразования двоичного числа на выходе счетчика в более для меня удобное десятичное число. Далее я рассуждаю так: пока счетчик считает от 1 до 4 я с помощью четырехвходовой схемы ИЛИ буду удерживать включенным зеленый светодиод. При счете от 5 до 6 – желтый, а потом красный. Когда счетчик досчитает до 10 мне нужно будет запустить его на обратный отсчет. Для этой цели я использую D-триггер...

Пока это только соображения и фантазии, но их можно проверить.

Рис. 6.16. Схема проекта «Светофор» на цифровых микросхемах

Здесь U5 – счетчик с прямым и обратным счетом, U1 – дешифратор, а U4A – D-триггер, который устанавливает на входе счетчика направление счета. К сожалению программа Qucs не имеет подходящих готовых цифровых компонент, и чтобы не пугать вас сложными схемами, я нарисовал схему в другой программе. При таком построении схема, с моей точки зрения, должна работать, но проверять ее работу на макетной плате я не вижу смысла, поскольку разумнее, что и не дает мне покоя, реализовать проект на базе микроконтроллера, но если вам захочется познакомиться с работой цифровых счетчиков, можно использовать любой из серий К155 или К561. В качестве тактового генератора можно использовать типовую схему на элементах «И-НЕ» или инверторах. Работая с частотой 1 Гц такой генератор позволит увидеть, если на четыре вывода счетчика включить четыре светодиода с токоограничительными резисторами, последовательность включения. Но это, если интересно. Если нет, то дождемся главы о микроконтроллерах, где и завершим проект. И пока не забыл, очень полезной, если у вас ее нет, будет книга «Популярные цифровые микросхемы», автор Шило В.Л. К сожалению ее нет в моей библиотеке, но я точно помню, что книга мне очень понравилась.

А сейчас, если вы не против, можно затеять еще один проект. До сих пор я предполагал, что вы подключаете к макетной плате батарейку, или используете программу для проведения экспериментов. Но можно использовать программу, чтобы реализовать проект сетевого блока питания. Питание очень важный фактор для работы любой электронной схемы.