Очень простые таймеры для мощной нагрузки (к561тл1)

Особенности и недостатки

Особенностью таймера является внутренний делитель напряжения, который задаёт фиксированный верхний и нижний порог срабатывания для двух компараторов. Ввиду того что делитель напряжения нельзя исключить, а пороговым напряжением нельзя управлять, область применения NE555 сужается.

Таймер на биполярных транзисторах имеет один существенный недостаток, связанный с переходом выходного каскада из одного состояния в противоположное. Каждое переключение сопровождается паразитным сквозным током, который в пике может достигать 400 мА, увеличивая тепловые потери. Решение проблемы заключается в установке полярного конденсатора ёмкостью до 0,1 мкФ между выводом управления (5) и общим проводом. Благодаря ему, повышается стабильность при запуске и надёжность всего устройства. Кроме того, для повышения помехоустойчивости цепь питания дополняют неполярным конденсатором 1 мкФ.

Транзистор Дарлингтона

Если нагрузка очень мощная, то ток через неё может достигать
нескольких ампер. Для мощных транзисторов коэффициент \(\beta\) может
быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных
транзисторов он и так невелик.)

В этом случае можно применять каскад из двух транзисторов. Первый
транзистор управляет током, который открывает второй транзистор. Такая
схема включения называется схемой Дарлингтона.

В этой схеме коэффициенты \(\beta\) двух транзисторов умножаются, что
позволяет получить очень большой коэффициент передачи тока.

Для повышения скорости выключения транзисторов можно у каждого соединить
эмиттер и базу резистором.

Сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на ток
база — эмиттер. Типичные значения — 5…10 кОм для напряжений 5…12 В.

Выпускаются транзисторы Дарлингтона в виде отдельного прибора. Примеры
таких транзисторов приведены в таблице.

Модель	\(\beta\)	\(\max\ I_{к}\)	\(\max\ V_{кэ}\)
КТ829В	750	8 А	60 В
BDX54C	750	8 А	100 В

В остальном работа ключа остаётся такой же.

Ответы на часто задаваемые вопросы

В конце статьи ответим на несколько наиболее часто задаваемых вопросов.

Вопрос.

Какой вариант предпочтительнее реле на 12 В и промежуточное на 220 или сразу рассчитанное на высокое напряжение?

Ответ.

Первый вариантболее безопасен при настройке, второй проще в монтаже.

Вопрос.

Какое реле предпочтительнее механическое или электронное?

Ответ.

Механические дешевле, электронные понадежности и функциональности их превосходят.

Вопрос.

Импортные устройства более надежны?

Ответ.

Российские стандарты жестче зарубежных, поэтому предпочтительнее выбирать отечественные устройства.

Драйвер полевого транзистора

Если всё же требуется подключать нагрузку к n-канальному транзистору
между стоком и землёй, то решение есть. Можно использовать готовую
микросхему — драйвер верхнего плеча. Верхнего — потому что транзистор
сверху.

Выпускаются и драйверы сразу верхнего и нижнего плеч (например,
IR2151) для построения двухтактной схемы, но для простого включения
нагрузки это не требуется. Это нужно, если нагрузку нельзя оставлять
«висеть в воздухе», а требуется обязательно подтягивать к земле.

Рассмотрим схему драйвера верхнего плеча на примере IR2117.

Схема не сильно сложная, а использование драйвера позволяет наиболее
эффективно использовать транзистор.

Программирование микропроцессорных устройств

Как уже было описано ранее, вехой развития реле времени стали микропроцессорные устройства. Суть того, для чего они нужны, заключается в универсальности прибора. Его можно запрограммировать на выполнение функций отключения, включения, поддержки активности линии в установленный период, причем все названое выполнить без изменения самой конструкции прибора. Любая сложность операций будет выполнена силами всего лишь одной микросхемы, расположенной на плате устройства.

Кроме указанных возможностей, хорошим бонусом идет расширение функциональности за счет интерфейсов связи с системами «умного» дома. Последние могут не только контролировать состояние реле времени, но и задавать его параметры или непосредственно воздействовать на механизмы отключения.

К примеру, универсальное двухканальное программируемое реле времени УТ24 от производственного объединения «Овен» показано на картинке ниже:

Чтобы запрограммировать его таймеры требуется обратиться к блок-схеме и следовать по пунктам, узнать назначение настраиваемого пункта можно в руководстве пользователя, которая прилагается к каждому устройству:

Как можно заметить микропроцессорные устройства кажутся только на первый взгляд сложными, но стоит немного разобраться, и вы сможете с легкостью применять их для своих целей и настраивать.

Первое включение блока

Если БП собран на микросхеме, перед первым включением желательно проверить исправность обвязки. Для этого надо подать на микросхему напряжение питания от стороннего источника и осциллографом проверить наличие импульсов.

Подача напряжения питания от стороннего источника.

Если все нормально, можно подавать напряжение 220 вольт и приступать к наладке устройства. Первое включение в сеть (да и последующие после переделок или при наладке) надо делать через лампу накаливания на 220 вольт, включив ее в разрыв провода питания.

Если в схеме что-то не так, лампа вспыхнет, сигнализируя о неисправности. Если все в порядке, лампа гореть не будет или будет светиться в полнакала. На выходе надо нагрузить БП хотя бы одной автомобильной лампой на 12 вольт – без этого некоторые источники не запустятся.

Схема пробного включения БП.

Импульсный блок питания – не самое простое электронное устройство. Успех сборки и эксплуатации зависит от разных факторов, в том числе от конструктива устройства. На работоспособность влияют, например, тщательность изготовления намоточных деталей или топология разводки печатной платы. Рекомендуется сначала повторить уже опробованную конструкцию, и, по мере наработки опыта, творить что-то свое.

В завершении для наглядности рекомендуем к просмотру серию тематических видеороликов.

Режимы работы NE555

Таймер 555 серии работает в одном из трёх режимов, рассмотрим их более детально на примере микросхемы NE555.

Одновибратор

t=1,1*R*C.

По истечении заданного времени (t) на выходе формируется сигнал низкого уровня (исходное состояние). По умолчанию вывод 4 объединен с выводом 8, то есть имеет высокий потенциал.

Во время разработки схем нужно учесть 2 нюанса:

1. Напряжение источника питания не влияет на длительность импульсов. Чем больше напряжение питания, тем выше скорость заряда времязадающего конденсатора и тем больше амплитуда выходного сигнала.
2. Дополнительный импульс, который можно подать на вход после основного, не повлияет на работу таймера, пока не истечет время t.

На работу генератора одиночных импульсов можно влиять извне двумя способами:

• подать на Reset сигнал низкого уровня, который переведёт таймер в исходное состояние;
• пока на вход 2 поступает сигнал низкого уровня, на выходе будет оставаться высокий потенциал.

Таким образом, с помощью одиночных сигналов на входе и параметров времязадающей цепочки можно получать на выходе импульсы прямоугольной формы с чётко заданной длительностью.

Мультивибратор

В формировании повторяющихся импульсов участвуют резисторы R₁, R₂ и конденсатор С₁. Время импульса (t₁), время паузы(t₂), период (T) и частоту (f) рассчитывают по нижеприведенным формулам:

₁

Схема работает следующим образом. В момент подачи питания конденсатор С₁ разряжен, что переводит выход таймера в состояние высокого уровня. Затем С₁ начинает заряжаться, набирая ёмкость до верхнего порогового значения 2/3 U_ПИТ. Достигнув порога ИМС переключается, и на выходе появляется низкий уровень сигнала. Начинается процесс разряда конденсатора (t₁), который продолжается до нижнего порогового значения 1/3 U_ПИТ. По его достижении происходит обратное переключение, и на выходе таймера устанавливается высокий уровень сигнала. В результате схема переходит в автоколебательный режим.

Прецизионный триггер Шмитта с RS-триггером

Внутри таймера NE555 встроен двухпопроговый компаратор и RS-триггер, что позволяет реализовывать прецизионный триггер Шмитта с RS-триггером на аппаратном уровне. Входное напряжение делится компаратором на три части, при достижении каждой из которых происходит очередное переключение. При этом величина гистерезиса (обратного переключения) равна 1/3 U_ПИТ. Возможность применения NE555 в качестве прецизионного триггера востребована в построении систем автоматического регулирования.

Разновидности блоков питания

Применение нашли несколько типов инверторов, которые отличаются схемой построения:

• бестрансформаторные;
• трансформаторные.

Первые отличаются тем, что импульсная последовательность поступает непосредственно на выходной выпрямитель и сглаживающий фильтр устройства. Такая схема имеет минимум комплектующих. Простой инвертор включает в себя специализированную интегральную микросхему — широтно-импульсный генератор.

Из недостатков бестрансформаторных устройств главным является то, что они не имеют гальванической развязки с питающей сетью и могут представлять опасность удара электрическим током. Также они обычно имеют небольшую мощность и выдают только 1 значение выходного напряжения.

Более распространены трансформаторные устройства, в которых высокочастотная последовательность импульсов поступает на первичную обмотку трансформатора. Вторичных обмоток может быть сколько угодно много, что позволяет формировать несколько выходных напряжений. Каждая вторичная обмотка нагружена на собственный выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Мощный импульсный блок питания любого компьютера построен по такой схеме, которая имеет высокую надежность и безопасность. Для сигнала обратной связи здесь используется напряжение 5 или 12 Вольт, поскольку эти значения требуют максимально точной стабилизации.

Использование трансформаторов для преобразования напряжения высокой частоты (десятки килогерц вместо 50 Гц) позволило многократно снизить их габариты и массу и использовать в качестве материала сердечника (магнитопровода) не электротехническое железо, а ферромагнитные материалы с высокой коэрцитивной силой.

На основе широтно-импульсной модуляции построены также преобразователи постоянного тока. Без использования инверторных схем преобразование было связано с большими трудностями.

Какие бывают виды и где применяются

Разделить импульсники можно по разным признакам. По выходному напряжению они делятся на:

• однополярные с одним уровнем напряжения;
• ондополярные с несколькими уровнями напряжения;
• двухполярные.

Эти типы можно комбинировать как угодно – принципиальных ограничений нет. Можно создать блок питания, например, с несколькими однополярными напряжениями (+5 В, +24 В) и с двуполярным (±12 В), или с двумя двуполярными выходами (±12 В, ±5 В). Все зависит от области применения.

Более интересной является информация о типе стабилизации. Здесь ИИП можно разделить на категории:

1. Нестабилизированные источники. У них выходное напряжение зависит от нагрузки. Могут быть применены для питания оконечных устройств аудиоаппаратуры (усилители и т.п.).
2. Стабилизированные источники. У таких устройств от нагрузки могут не зависеть напряжение, ток или и то, и другое. Источники со стабилизированным напряжением используются, например, в качестве БП для компьютеров и серверов, или для заряжания кислотно-свинцовых аккумуляторов. Стабилизированный ток подойдет для зарядных устройств для других типов АКБ.
3. Регулируемые источники. У них уровень выходного напряжения и тока можно выставлять в определенных пределах в зависимости от потребности. Такие устройства используются в качестве лабораторных источников питания.Схема и сборка самодельного блока питания с регулировкой напряжения и тока

Описать все области использования импульсников невозможно. Они применяются там, где надо получить большой ток от легкого и компактного источника.

Также можно разделить ИИП по схемотехнике:

• с импульсным трансформатором;
• с накопительной индуктивностью.

В схемотехнику можно углубляться и дальше и классифицировать БП по другим критериям, но это принципиального значения не имеет.

Варианты схем регулятора

Приведем несколько примеров схем, позволяющих управлять мощностью нагрузки при помощи симистора, начнем с самой простой.

Рисунок 2. Схема простого регулятора мощности на симисторе с питанием от 220 В

Обозначения:

• Резисторы: R1- 470 кОм , R2 – 10 кОм,
• Конденсатор С1 – 0,1 мкФ х 400 В.
• Диоды: D1 – 1N4007, D2 – любой индикаторный светодиод 2,10-2,40 V 20 мА.
• Динистор DN1 – DB3.
• Симистор DN2 – КУ208Г, можно установить более мощный аналог BTA16 600.

При помощи динистора DN1 происходит замыкание цепи D1-C1-DN1, что переводит DN2 в «открытое» положение, в котором он остается до точки нуля (завершение полупериода). Момент открытия определяется временем накопления на конденсаторе порогового заряда, необходимого для переключения DN1 и DN2. Управляет скоростью заряда С1 цепочка R1-R2, от суммарного сопротивления которой зависит момент «открытия» симистора. Соответственно, управление мощностью нагрузки происходит посредством переменного резистора R1.

Несмотря на простоту схемы, она довольно эффективна и может быть использована в качестве диммера для осветительных приборов с нитью накала или регулятора мощности паяльника.

К сожалению, приведенная схема не имеет обратной связи, следовательно, она не подходит в качестве стабилизированного регулятора оборотов коллекторного электродвигателя.

Схема таймера для нагрузки с питанием от 220В

На рисунке 2 приводится схема аналогичного таймера, работающего с нагрузкой питающейся переменным током напряжением 220V. Разница в выходном каскаде и в схеме источника питания микросхемы. Выходной каскад сделан на двух транзисторах VТ1 и VТ2, каждый из которых работает на одной из полуволн переменного тока.

Питание на микросхему поступает через выпрямитель на диоде VD4 и параметрический стабилизатор на резисторе R4 и стабилитроне VD1. Пульсации сглаживает конденсатор С3.

Рис. 2. Принципиальная схема таймера для мощной нагрузки с сетевым питанием 220В.

Максимальная мощность нагрузки в схеме на рис.2 до 3000W. При мощности нагрузки менее 200W радиатор транзисторам не нужен. При мощности в 3000W нужен радиатор площадью охлаждающей поверхности 100-150см2.

Лабораторный блок питания с регулировкой напряжения и ограничением по току

Ну а теперь попробуем из вышеприведенных узлов собрать блок питания, при помощи которого можно регулировать выходное напряжение и устанавливать ограничение по току. При этом и напряжение, и установленный ток будут стабилизированными.

Сетевое напряжение понижается до 25 В силовым трансформатором Тr1, выпрямляется диодным мостом VD1-VD4, сглаживается конденсатором С1 и поступает на регулируемый стабилизатор, собранный на микросхеме DD1 и транзисторе Т1. Регулировка производится переменным резистором P1.

Далее напряжение установленной нами величины подается на регулятор-стабилизатор тока (микросхема DD2, транзистор Т2). Регулировка величины тока производится переменным резистором P2. Более подробно оба эти узла описаны выше.  Поскольку микросхема LM358 не может работать при напряжении питания ниже 7 В, она и генератор опорной частоты (стабилитрон D1) подключены непосредственно к выходу выпрямителя.

В конструкции можно использовать любой сетевой трансформатор соответствующей мощности со вторичной обмоткой на  25-28 В. Диоды VD1-VD4 можно заменить на любые выпрямительные, рассчитанные на ток не менее 10 А и выдерживающие обратное напряжение не менее 40 В. Их, как и силовые транзисторы T1, T2, необходимо установить на радиаторы.

Схема на транзисторах

Несмотря на богатый выбор микросхем самого различного назначения блоки питания на транзисторах не теряют популярности. Попробуем и мы построить лабораторный БП на этих полупроводниковых приборах.

В этой схеме регулятор-стабилизатор напряжения собран на транзисторах T1, T2. В качестве генератора опорного напряжения используется регулируемый стабилитрон D1. Регулировать напряжение в диапазоне 2.5…20 В можно переменным резистором P1.

Регулятор тока собран на транзисторах Т3, Т4 и стабилитроне D2, исполняющем роль источника опорного напряжения. В качестве токоизмерительного элемента используется сам полевой транзистор T4. Если падение напряжения на нем превысит определенный порог, транзистор Т3 начнет открываться и шунтировать Т4, заставляя его закрываться и ограничивать ток через нагрузку. Регулировка порога ограничения производится переменным резистором P2.

В схеме вместо диодной сборки KBPC2510 можно использовать отдельные диоды, выдерживающие ток 10 А и обратное напряжение не менее 30 В. Подойдут, к примеру, Д245, Д242. На месте Т1 может работать КТ805 или КТ819, Т2 заменяем на КТ867А. КТ315 можно заменить на КТ315Б-Д, КТ3102А, КТ312Б,  КТ503В-Г, П307. Отечественный аналог TL431 — КР142ЕН19А. Диодный мост, Т1, Т2 и Т4 нужно установить на радиаторы.

Защита от помех DC

Раздельное питание

Один из лучших способов защититься от помех по питанию – питать силовую и логическую части от отдельных источников питания: хороший малошумящий источник питания на микроконтроллер и модули/сенсоры, и отдельный на силовую часть. В автономных устройствах иногда ставят отдельный аккумулятор на питание логики, и отдельный мощный – на силовую часть, потому что стабильность и надёжность работы очень важна.

Искрогасящие цепи DC

При размыкании контактов в цепи питания индуктивной нагрузки происходит так называемый индуктивный выброс, который резко подбрасывает напряжение в цепи вплоть до того, что между контактами реле или выключателя может проскочить электрическая дуга (искра). В дуге нет ничего хорошего – она выжигает частички металла контактов, из за чего они изнашиваются и со временем приходят в негодность. Также такой скачок в цепи провоцирует электромагнитный выброс, который может навести в электронном устройстве сильные помехи и привести к сбоям или даже поломке! Самое опасное, что индуктивной нагрузкой может являться сам провод: вы наверняка видели, как искрит обычный выключатель света в комнате. Лампочка – не индуктивная нагрузка, но идущий к ней провод имеет индуктивность. Для защиты от выбросов ЭДС самоиндукции в цепи постоянного тока используют обыкновенный диод, установленный встречно-параллельно нагрузке и максимально близко к ней. Диод просто закоротит на себя выброс, и все дела:

Где VD – защитный диод, U1 – выключатель (транзистор, реле), а R и L схематично олицетворяют индуктивную нагрузку. Диод нужно ОБЯЗАТЕЛЬНО ставить при управлении индуктивной нагрузкой (электромотор, соленоид, клапан, электромагнит, катушка реле) при помощи транзистора, то есть вот так:

При управлении ШИМ сигналом рекомендуется ставить быстродействующие диоды (например серии 1N49xx) или диоды Шоттки (например серии 1N58xx), максимальный ток диода должен быть больше или равен максимальному току нагрузки.

Фильтры

Если силовая часть питается от одного источника с микроконтроллером, то помехи по питанию неизбежны. Простейший способ защитить МК от таких помех – конденсаторы по питанию как можно ближе к МК: электролит 6.3V 470 uF (мкФ) и керамический на 0.1-1 мкФ, они сгладят короткие просадки напряжения. Кстати, электролит с низким ESR справится с такой задачей максимально качественно.

Ещё лучше с фильтрацией помех справится LC фильтр, состоящий из индуктивности и конденсатора. Индуктивность нужно брать с номиналом в районе 100-300 мкГн и с током насыщения больше, чем ток нагрузки после фильтра. Конденсатор – электролит с ёмкостью 100-1000 uF в зависимости опять же от тока потребления нагрузки после фильтра. Подключается вот так, чем ближе к нагрузке – тем лучше:

Подробнее о расчёте фильтров можно почитать здесь.

Сборка и тестирование

Соберите схему на печатной плате (PCB), чтобы минимизировать время и ошибки сборки. Односторонняя печатная плата для частотомера показана на рис. 3 (просмотр в формате PDF), а компоновка ее компонентов на рис. 4 (просмотр в формате PDF).

Загрузите PDF-файлы печатных плат и компонентов (Рис. 3, 4): нажмите здесь

Тщательно соберите компоненты и перепроверьте на любую пропущенную ошибку. Используйте кабель с низкой емкостью для подачи сигнала от источника генератора на частотомер. Подключите источник известной частоты (например, сигнал калибровки осциллографа) ко входу счетчика и отрегулируйте триммер VR1 для отображения частоты на 7-сегментных дисплеях.

electronicsforu.com

Технические характеристики

TDA2822M не требует для работы больших напряжений и обладает высоким коэффициентом усиления (до 41 дБ). Выходная мощность (P_O) зависит он конфигурации системы и её электронной обвязки. Чаще всего для включения схемы используют номинальные для неё 9 В (иногда обычную крону). При таком питании можно получить заявленные производителем 1,0-1,4 Вт на стандартные 8-ми омные колонки, но с достаточно большими уровнями гармонических искажений в 10 % (TDA), не приемлемыми для прослушивания музыки.

При питании от 6 В на 8-ми омных динамиках можно получить до 300-380 мВт, но тоже с высокими TDA до 10 %. Некоторые радиолюбители заявляют о получении выходной мощностью в 2 Вт при питания в 12 В, но не учитывают работу устройства на предельных своих возможностей. В техническом описании (datasheet) данные о таких экстремальных режимах эксплуатации (с напряжением более 9 В), производителями не представлены. Приведем максимально возможные значения параметров.

Максимальные параметры

Абсолютные (предельно допустимые) значения параметров для TDA2822M:

• напряжение питания (V_S) до 15 В;
• выходной ток (I_O) до 1 А;
• рассеиваемая мощность (P_tot) до 1.4 Вт (при T_CASE до 50 °C);
• диапазон рабочих температур (T_A) от -20 до 70 °C;
• температура хранения (T_stg) от -40 до +150 °C.

Не стоит превышать предельно допустимые значения параметров. Это приведёт к появлению высоких искажений, сильному нагреву микросхемы и вероятности скорого выхода её строя. Для охлаждения можно использовать небольшой радиатор, хотя в большинстве случаев он не нужен.

Слушать музыку с искажениями — не самое приятное занятие. Для получения приемлемого качества звучания и уменьшение уровня TDA чаще всего уменьшают выходную мощность (P_O). Например при работе усилителя в мостовом режиме, для уменьшения TDA до 0,2% в 8-ми омной нагрузке, необходимо снизить P_O до 0,5 Вт.

Cхемы включения

Многие параметры зависят не только от напряжения питания но и от того, какая схема включения у TDA2822M. На рисунке представлены её два основных варианта применения. Слева для работы двух каналов (стерео), а справа в одноканальном (режим моста). Последний можно использовать, например, для подключения сабвуфера.

Электрические характеристики

Рассмотрим электрические характеристики TDA2822M из datasheet (на русском языке). Производители приводя их в отдельных таблицах для разных схем включения. Номинальное напряжение питания (V_S) 6 В, если не указано иного. Температура устройства не должна превышать +25°C. Дополнительные режимы измерений указаны в отдельном столбце. Вот параметры при работе в режиме стерео.

Ниже представлены электрические параметры при работе устройства в мостовой схеме. Рабочая температура и номинальное напряжение такие же, как и при включении в стерео режиме.

Аналоги

У TDA2822M есть современный аналог от южнокорейской компании Samsung — микросхема КА2209. Чаще всего именно её предлагают как альтернативу. Из импортных устройств также можно рекомендовать NJM2073. Из отечественных, идентичной по параметрам считается 174УН22, и более старые 174УН34 и 174УН31, но они уже давно не выпускаются.