Оконечные каскады цифровых и аналоговых устройств

Немаловажным фактором в процессе проектирования управляющих узлов является их сопряжение с внешними (периферийными) устройствами. Ими могут быть, кроме цифровых и аналоговых индикаторов, сигнальные лампы накаливания, электромеханические устройства: электромагнитные реле, печатающие устройства, муфты, соленоиды и т.п. Все эти приборы требуют для своей работы значительных токов и напряжений.

Подобные нагрузки чаще всего имеют характер комплексного (реактивного) сопротивления, из-за чего в момент закрывания транзистора (т.е. обрыва тока через него) на коллекторе (стоке) возникают перенапряжения, как следствие действия законов коммутации. Это может окончиться пробоем транзистора. Поэтому такая нагрузка должна быть зашунтирована демпфирующим диодом VD (рис. 7.1), через который замыкаются токи, порождаемые ЭДС самоиндукции. Одновременно подавляются колебательные переходные процессы, которые обычно возникают при отключении индуктивности. На рис. 6.1 показано изменение коллекторного напряжения при работе транзисторного ключа на индуктивную нагрузку с шунтирующим диодом (сплошная линия) и без диода (пунктирная линия).

Рисунок 7.1 – Схема демпфирования индуктивной нагрузки

В системе элементов ТТЛ-логики предусмотрены специальные микросхемы, которые в состоянии обеспечить работу некоторых внешних устройств, таких, как маломощные реле, лампы накаливания, линии связи и др. В составе серий 133, К155 для этой цели предлагаются ИС с открытым коллектором 133ЛА7 и 133ЛА8 и К155ЛА7 и К155ЛА8. Они предназначены для работы в качестве выходных каскадов и могут коммутировать токи до 40 mА при напряжении 5 V.

Микросхемы К155ЛН3, К155ЛН5 и К155ЛА11 допускают включение на открытый коллектор повышенного напряжения до 30 V.

Микросхемы К155ЛА18, К155ЛИ5, К155ЛП2 имеют выходной транзистор (в схеме с открытым коллектором) повышенной мощности, у которого ток нагрузки может достигать 100 и даже 300 mА, при напряжении питания до 30 V. Такими же данными обладают микросхемы серии К170АА2, …, К170АА6. На их выход также может быть подано напряжение до 30 V, а токи коммутации могут достигать 200 и 500 mА. Остаточное падение напряжения на открытом выходе составляет у них не более 0,8, …, 1,4 V.

Выходные ключи КМОП-логики управляют заметно меньшими токами по сравнению со схемами ТТЛ. Эти токи для микросхем общего назначения не превышают 1 mА. Для инверторов с повышенной нагрузочной способностью (например, 564ЛН2, 564ПУ4) допустимый выходной ток составляет несколько миллиампер.

В тех случаях, когда требуется получить сравнительно большой выходной ток, можно применить параллельное соединение нескольких каскадов. Для этой цели пригодны инверторы либо логические элементы из одного корпуса, поскольку они имеют близкие характеристики. Желательно также, чтобы выходные импульсы имели большую крутизну, во избежание сквозных токов. Для включения выходных устройств пригодна микросхема 564ЛН1, которая содержит в одном корпусе шесть мощных инверторов (причем с тремя состояниями). Ее выходное сопротивление мало, меньше 200 W, а выходные токи могут быть сравнительно большими, порядка 5,3 mА при U_п = 9 V.

Рисунок 7.2 – Инвертор с повышенной выходной мощностью

Микросхема К176ЛП1 также может быть использована в виде инвертора повышенной выходной мощности, при параллельном включении выходов трех инверторов. На рис. 7.2 показано применение К176ЛП1 в роли инвертора с мощным транзисторным выходом. Схема хорошо работает на токовую нагрузку (реле, светодиод) при условии соблюдения норм нагрузки. Допустимая мощность рассеяния для одного транзистора КМОП-схем составляет 100 mW, а всего корпуса – 500 mW.

Для подключения внешней нагрузки могут быть использованы микросхемы двунаправленных ключей 564КТ3. Как показывает их название, ключи проводят ток в обе стороны практически одинаково. Каждый ключ обеспечивает коммутацию токов до 10 mА при напряжении 15 V.

При необходимости получить большие значения токов в нагрузке, чем это допускается микросхемами ТТЛ и КМОП, к выходу ИС должны быть подключены те или иные транзисторные или тиристорные выходные устройства.

Нагрузка значительной мощности (от единиц до тысяч ватт), управляемая устройствами, построенными на интегральных схемах, может работать в основном в следующих режимах:

· ключевое (импульсное) управление нагрузкой, питающейся от сети переменного тока;

· ключевое управление нагрузкой в сети постоянного тока;

· непрерывное управление нагрузками в сетях переменного и постоянного токов.

Характер питающей сети и способ управления накладывают свои требования на выбор мощного регулирующего элемента.

При ключевом управлении нагрузкой в сети переменного тока, когда управление сводится к включению и отключению мощной (а, значит, и инерционной) нагрузки – двигателя, электромагнита, нагревателя, наиболее рационально использовать тиристоры.

Промышленностью выпускаются тиристоры на максимальные токи (0,1…1000) А и на напряжения от 50 V до (2…3) kV. Наиболее распространенные тиристоры проводят ток в одном направлении, теряют управляемость после включения и для своего запирания требуют перемены знака питающего напряжения или уменьшения тока через тиристор до величины, меньшей тока удержания. Наряду с обычными тиристорами выпускаются тиристоры симметричные, т.е. способные проводить ток в обоих направлениях, и запираемые. Однако если они работают на мощную инерционную нагрузку, то использование тех или иных тиристоров не дает существенного преимущества.

На рис. 7.3 показана вольт-амперная характеристика тиристора. Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода.

При достижении напряжения U_G, называемого напряжением включения U_вкл, или тока I, называемого током включения I_вкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.

U_G – напряжение между анодом и катодом; I_у, U_у – минимальный удерживающий ток и напряжение; I_в, U_в – ток и напряжение включения

Рисунок 7.3 – Вольт-амперная характеристика тиристора

На рис. 7.4 а представлена распространенная схема включения тиристора D5 в диагональ диодного моста. Здесь с помощью тиристора осуществляется управление двухфазным асинхронным двигателем.

Рисунок 7.4 – Управление нагрузкой с помощью тиристора

Для отпирания тиристора на его управляющий электрод необходимо подать сигнал, который для большинства мощных тиристоров составляет 5…7 V при токе до 0,5 А (это входной сигнал, при котором гарантируется отпирание тиристора). Для поддержания тиристора в открытом состоянии надо либо с появлением каждой полуволны питающего напряжения подавать на управляющий электрод отпирающий импульс, либо поддерживать на управляющем электроде постоянный уровень напряжения. Формирование импульсов сложнее, чем подача постоянного сигнала, но при этом можно обеспечить гальваническую развязку цепей управления от сети, используя трансформаторную связь или связь через конденсаторы.

Наиболее удобно для подобных схем применение оптронных тиристоров, которые позволяют использовать любые входные сигналы, обеспечивая надежную гальваническую развязку (рис. 7.4 б).

После подачи отпирающего сигнала тиристор в такой схеме остается открытым до конца полупериода сетевого напряжения. Если от схемы требуется большее быстродействие, то следует применить запираемый тиристор (2У204 А, Г) или транзистор.

Сдвигая управляющие импульсы относительно начала полупериода сетевого напряжения, можно получить плавное изменение мощности на нагрузке. Такое управление с помощью временного сдвига носит название фазового управления. Один из способов его реализации состоит в сравнении (с помощью компаратора) двух напряжений: пилообразного, у которого длительность импульсов и их начало совпадают с длительностью и началом полупериодов сетевого напряжения, и регулируемого постоянного напряжения (рис. 7.5) в момент равенства этих напряжений сравнивающее устройство включает формирователь импульсов управления тиристором. Этим формирователем могут быть генератор на однопереходном транзисторе, блокинг-генератор, мультивибратор и другие подобные схемы.

Рисунок 7.5 – Фазовое управление тиристором

Для ключевого управления исполнительными устройствами в сети постоянного тока применение незапираемых по входу тиристоров нецелесообразно из-за сложности и ненадежности схем их выключения по питанию. Номенклатура запираемых тиристоров весьма ограничена (2У204 А, Г и 2У206 А, Г), поэтому схемы ключевого и тем более непрерывного управления для цепей постоянного тока строятся, в основном, на транзисторах.

Современные транзисторы позволяют переключать напряжения до 1500 V и токи до десятков ампер, однако необходимо помнить, что в ключевых схемах транзисторы имеют конечное время переключения, в течение которого, если не принимать специальных мер, на них может рассеиваться недопустимо большая мощность. Такими мерами могут быть положительная обратная связь при включении и выключении транзистора (конечно, не приводящая к самовозбуждению схемы), запирающее напряжение смещения и т.п. Кроме того, используется режим безопасного переключения транзистора, который заключается в задержке нарастания тока коллектора во время включения, когда напряжение на нем уменьшается, или в задержке нарастания напряжения на коллекторе во время выключения, когда ток коллектора уменьшается от максимального значения до нуля. Т.е. рабочая точка транзистора при переключении проходит не по динамической характеристике, соответствующей сопротивлению нагрузки, а по траектории, максимально приближенной к осям координат выходных характеристик транзистора (рис. 7.6).

Рисунок 7.6 – Траектория безопасного переключения транзистора

Если режим работы транзистора далек от предельного, то ключевую схему, управляемую от элементов ТТЛ, можно рассматривать как преобразователь уровня. На рис. 7.7 представлена одна из таких схем. Это ключевая схема с комбинацией транзисторов npn (VT₁) и pnp (VT₂) типов. При уровне «0» на выходе управляющего элемента ТТЛ-типа транзисторы закрыты, и ток через исполнительное устройство отсутствует. При уровне «1» на выходе элемента оба транзистора насыщены и на входном сопротивлении исполнительного устройства R₅ будет напряжение E₀. Подобная схема позволяет преобразовать уровень входного напряжения, поэтому дальнейшее увеличение мощности легко получить, подключая к выходу второго каскада эмиттерный повторитель на одиночном или сдвоенном транзисторе VT₃, VT₄.

Рисунок 7.7 – Преобразователь уровня для мощной нагрузки

Если нагрузочное устройство, подключаемое к выходу, рассчитано на аналоговый сигнал, то оконечный каскад возбуждается, как правило, с помощью ОУ, и поэтому чаще всего возникает задача усиления сигнала по току. Для получения токов порядка 0,4 …1 А в нагрузке 4 W применяют усилители типа К157УД1, обеспечивающие при напряжении питания +15 V мощность порядка 7 W. Верхняя рабочая частота усилителя относительно невысока. Она, как обычно, зависит от коэффициента масштабирования, но не превосходит 10…30 kHz.

Чтобы получить усиление мощности в более высоком диапазоне, ОУ дополняют эмиттерными повторителями на комплиментарной паре транзисторов, работающих в режиме класса В. Однако в таком усилителе при переходе входного сигнала через нуль в выходном сигнале образуется «ступенька» порядка 1000 mV. Для некоторых типов нагрузок подобные нелинейные искажения сигнала допустимы, а для других, например для прецизионных систем автоматического управления, искажения сигнала крайне нежелательны. Поэтому в базовую цепь транзисторов повторителей (рис. 7.8 а) включают диоды D₁ и D₂, переводящие транзисторы в режим, близкий к классу АВ. Тогда при отсутствии входного сигнала через транзисторы протекает начальный ток, смещающий рабочую точку. Резисторы R₃ и R₄ обеспечивают протекание через диоды прямого тока около 15 mА, и, значит, такой же ток может поступать от ОУ в базы транзисторов. Включив резисторы R₅ и R₆, выравнивают параметры транзисторов и одновременно несколько ограничивают максимальный ток через них. Максимальный ток, отдаваемый в нагрузку, здесь не превышает 0,2 А.

Рисунок 7.8 – Схемы непрерывного управления нагрузкой

Когда требуется увеличить отдаваемую в нагрузку мощность, то рассмотренный усилитель используют в качестве предварительного перед более мощными составными эмиттерными повторителями.

Достаточно экономичными получаются усилители, у которых сигнал на вход оконечного каскада поступает из цепи питания ОУ (рис. 7.8 б). Здесь транзисторы VT₁ и VT₂ входят в выходной каскад ОУ, в основном и определяющий ток через выводы 7 и 4 усилителя (имеется в виду ОУ типа 140УД7). Поэтому, включив сопротивления R_см, образуют узлы для подачи сигнала в оконечный каскад. Одновременно постоянный ток, потребляемый ОУ, создает на сопротивлениях R_см напряжение, обеспечивающее смещение на переходе база – эмиттер транзисторов VT₃ и VT₄. Обычно образуют смещение порядка 400…450 mV, оставляя транзисторы еще запертыми (тем самым повышая КПД усилителя), но существенно уменьшая «ступеньку» в выходном сигнале, так как в этот же момент ток в нагрузку поступает непосредственно с ОУ. Таким образом,

.

Например, для упомянутого ОУ, имеющего ток I_оу = 2,8 mА, находим . Округляя до ближайшего нормального значения сопротивления, получим R_см = 160 W.

Сигналы, поступающие на оконечный каскад с ЦАП, содержат высокочастотные составляющие из-за ступенчатого изменения его выходного напряжения. В некоторых случаях наличие такой помехи может ухудшить условия работы нагрузки, а отсюда возникает необходимость в фильтрации выработанного сигнала. Поскольку требуется фильтр нижних частот, то достаточно простой реализацией его может служить оконечный каскад, в цепи обратной связи которого параллельно R₂ включен конденсатор С (на рис. 7.8 а не показан). Разумеется, функция фильтрации для усилителя является дополнительной.

Из передаточной функции такого усилителя

и значения верхней граничной частоты сигнала f_r находим считая допустимым уменьшение К_м на частоте f_r до уровня 0,707 К_м.

Вопросы для самопроверки

1. Какой тип загрузки требует применения шунтирующих диодов.

2. Охарактеризуйте преимущества и недостатки тиристорних элементов как коммутаторов загрузки.

3. Перечислите способы управления тиристором.

8 Вторичные источники питания

Вторичные источники питания (ВИП) необходимы для преобразования энергии первичного источника электропитания в напряжения, требуемые для разрабатываемых устройств. Требования к источникам напряжения формулируются на основании условий на электропитание для применяемых аналоговых и цифровых микросхем.

Эти требования должны содержать:

· количество источников, величины их напряжений;

· величину максимально допустимой нестабильности каждого источника, при которой можно гарантировать надежную работу применяемых микросхем;

· величины максимальных и минимальных токов, потребляемых от каждого источника, а также диапазон и характер изменений этих токов;

· параметры первичного источника электропитания.

Источники вторичного питания в ряде случаев могут быть взяты типовые или серийные от разных, выпускаемых промышленностью приборов.

Требования к источникам питания должны учитывать возможность возникновения паразитных обратных связей и помех, вызываемых внутренним сопротивлением, как самого источника, так и шин (соединительных проводов), по которым разветвляются токи питания.

Предположим, например, что срабатывание ИС вызывает переключение тока в 50 mА за время 10 ns. Такие броски тока могут вызвать на шине питания длиной 10 sm и сечением 0,5 mm помеху амплитудой 0,2…0,3 V. Этой помехи, как правило, достаточно, чтобы вызвать ложное срабатывание аналогичной микросхемы.

Обычно ВИП содержит три функциональных блока: выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения, который особенно необходим для исключения помех вызываемых коммутацией токов нагрузки.

Каждый достаточно сложный узел устройства, содержащий 10…40 корпусов ИС, снабжается одним или группой стабилизаторов, работающих от общего выпрямителя и около каждой ИС на шины питания устанавливается конденсатор емкостью 0,1…1,0 μF.

Для более крупных блоков устанавливаются отдельные выпрямители и фильтры.

В качестве простейших стабилизаторов широкое распространение получили параметрические стабилизаторы на стабилитронах. Применение таких стабилизаторов ограничивается их сравнительно малой мощностью, невозможностью регулировать выходное напряжение и достаточно высоким уровнем нестабильности – 2…5 %.

Рисунок 8.1 – Параметрический стабилизатор напряжения

Балластный резистор R_б рассчитывается из соотношений

Более совершенными являются компенсационные стабилизаторы напряжения. С их помощью возможна установка различных значений выходного напряжения и его регулировка, нестабильность напряжения не превышает 0,5…1,5 %.

Простейшая схема компенсационного стабилизатора приведена на рис. 8.2. Параметрический стабилизатор в этой схеме используется как источник опорного напряжения, а транзистор, включенный по схеме эмиттерного повторителя, служит для повышения выходного тока.

Рисунок 8.2 – Простейший компенсационный стабилизатор

Среди интегральных схем стабилизаторов напряжения получили распространение трехвыводные стабилизаторы. Они имеют всего три внешних вывода (вход, выход и земля) и настраиваются изготовителем на нужное фиксированное напряжение. Типичные представители стабилизаторов такого рода – серия 7800. Их напряжение указывается в последних двух цифрах (вместо нулей) и может иметь одно из следующих значений: 05, 06, 08, 10,12, 15, 18, 24.

На рис. 8.3 показан стабилизатор на 5 V. Конденсатор, поставленный параллельно выходу, улучшает переходные процессы. Если стабилизатор расположен на значительном расстоянии от конденсатора фильтра, следует ставить дополнительный входной конденсатор.

Рисунок 8.3 – Стабилизатор напряжения на основе трехвыводной МС LM7800

Серия 7900 используется для получения отрицательных напряжений и работает аналогично серии 7800.

Рассмотренные серии обеспечивают ток в нагрузке до 1 А и снабжены внутренней защитой от перегрева или чрезмерного тока. Кроме того, предусмотрена защита микросхем при выходе из области безопасной работы. Такие стабилизаторы дешевы и просты в применении. Это делает реальным проектирование схем с большим количеством печатных плат, к которым подводится нестабилизированное постоянное напряжение, а отдельный стабилизатор устанавливается на каждой плате.

На рис. 8.4 показано включение стабилизатора с использованием внешнего проходного транзистора.

Рисунок 8.4 – Трехвыводной стабилизатор с внешним транзистором для увеличения тока

При токах менее 100 mА схема работает обычным образом. При больших токах нагрузки падение на R₁ открывает транзистор VТ1 и реальный ток через трехвыводной стабилизатор ограничивается величиной 100 mА. В этой схеме входное напряжение должно превышать выходное на величину перепада 7800 (2 V) плюс U_бэ.

Более подробные сведения о микросхемах интегральных стабилизаторов напряжения приведены в [ , ].

Вопросы для самопроверки

1. Какую помеху на проводе питания вызовет переключение тока интегральной схемы величиной 20 mА за время 15 ns, если провод имеет длину 20 sm и сечение 0,25 mm?

2. Перечислите меры, используемые при конструировании и позволяющие уменьшить взаимное влияние устройств по цепям питания.

3. Определите величину баластного резистора R_б (рис. 8.1) при работе параметрического стабилизатора на резистивную матрицу R-2R (R = 10 kW) при использовании стабилитрона Д818Е.

Датчики

Управление и контроль различных технологических процессов требуют широкого использования разнообразных датчиков.

Огромное количество существующих датчиков и их постоянное совершенствование определяется как большим количеством параметров надлежащих контролю, так и особенностями технологического использования датчиков и метрологическими требованиями, предъявляемыми к ним.

Рассмотрим наиболее распространенные типы датчиков, классифицируя их по виду контролируемого параметра.