Как проектировать электронные схемы - Галле Клод (читать книги TXT) 📗
ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
Для определения уровня жидкости часто используются свойства проводимости этой жидкости. Во избежание появления коррозии измерение ограничивают во времени, включая схему только на промежуток считывания или используя импульсный сигнал. Собственно датчик уровня может иметь металлические контактные пластины различной формы, закрепленные на стенке сосуда или просто погружаемые в жидкость. Базовая точка измерений всегда должна находиться на дне сосуда в постоянном контакте с жидкостью независимо от ее уровня. Датчик в виде отрезка многожильного ленточного кабеля, провода которого обрезаны до различной длины, а затем оголены и облужены, представляет собой оригинальное и не лишенное изящества решение (рис. 2.13).
Электрическое подключение к схеме существенно упрощается за счет применения одного из многочисленных соединительных элементов, разработанных для кабелей такого типа. Одна жила ленточного кабеля (самая длинная) резервируется для фиксации базового уровня и при необходимости снабжается кабельным наконечником.
Для механической сборки датчика можно применять специальные хомутики или отрезки клейкой ленты. По мере увеличения уровня жидкости все большее количество проводов датчика соединяется с заземленной базовой точкой через сопротивление жидкости, что легко зафиксировать по изменению потенциалов на выходах.
Следует учитывать, что жидкость (в частности, вода) может иметь высокое удельное сопротивление, поэтому иногда приходится обрабатывать выходные сигналы с помощью операционных усилителей.
ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ
Существует большое количество датчиков температуры: к ним относится и широко распространенный прибор типа CTN, обладающий скромными возможностями, и калиброванные приборы, например SAX1000, и высококачественная микросхема типа DS1620. Последняя принадлежит к новому поколению специализированных схем, выполняющих широкий диапазон функций. Она размещена в простом корпусе типа DIP8. Для работы с микросхемой требуется микроконтроллер. При этом на базе DS1620 можно создать термостат с двумя заданными порогами регулировки температуры (верхним и нижним). Микросхема может работать в режиме термометра в интервале температур от -55 до +125 °C. Результат измерения представляется в виде девятибитного сигнала с точностью 0,5°С.
Для связи с микроконтроллером требуется три линии. Одна из них должна быть двунаправленной. Последнее требование выполняется редко. Чтобы его обойти, можно использовать простой каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 2.14).
Эго позволяет заменить одну двунаправленную линию двумя обычными линиями, соединенными со входом и выходом каскада. Следует напомнить, что такая схема инвертирует сигналы, поступающие от микроконтроллера. Поэтому необходимо либо добавить инвертор, либо соответствующим образом изменить программу. Достаточно простой вариант программы обычно приводится в технической документации, которую рекомендуется приобрести вместе с микросхемой.
НАГРЕВ ЖИДКОСТИ
Как правило, разработчик электронной схемы принимает меры для отвода тепла, выделяемого компонентами. Однако в некоторых случаях это тепло можно использовать для нагревания жидкости, например раствора хлорного железа или других реактивов.
Простой способ нагревания состоит в применении мощных резисторов в специальном корпусе, который крепится с помощью винтов (серия WH). В большинстве случаев достаточно мощности около 50 Вт. Последовательное или параллельное соединение резисторов позволит наилучшим образом использовать характеристики мощного трансформатора для питания нагревателя.
Механический монтаж состоит в закреплении резисторов на металлическом листе (при помощи винтов с потайными головками).
На лист устанавливают нагреваемую емкость (рис. 2.15). Сюда же можно прикрепить диодный мост и другие детали устройства, которые существенно нагреваются при работе. Для завершения разработки иногда нужно изготовить терморегулятор (или подогнать готовую модель) и использовать мощное реле, включенное в цепь питания резисторов.
КАСКАДЫ С ОТКРЫТЫМ КОЛЛЕКТОРОМ
В литературе по электронике и технической документации часто встречается термин «открытый коллектор». Он связан с транзисторными каскадами и интегральными схемами. Примерами могут служить логические ИС семейства ТТЛ или другие схемы, предназначенные для обеспечения питания, стабилизации или усиления. В такой конфигурации транзистор n-р-n или р-n-р типа включен по схеме с общим эмиттером, а его коллектор остается свободным для использования разработчиком устройства (рис. 2.16а).
Выше уже описывалось одно из преимуществ этой концепции — возможность параллельного соединения нескольких идентичных схем (см. раздел «Объединение выходов операционных усилителей»). Выходы элементов с открытым коллектором соединяются, на этом основано построение логических устройств с тремя состояниями.
Другой классический пример применения таких элементов — это согласование по уровню двух схем, работающих при разных напряжениях питания. В любом случае на выходе каскада с открытым коллектором должен быть включен резистор, соединенный с источником напряжения Vcc или Vss (для транзисторов типа n-р-n или р-n-р). Он фактически выполняет функцию нагрузочного резистора в цепи коллектора. При параллельном включении двух или более каскадов достаточно будет одного общего резистора (рис. 2.16б). Его номинал определяется в зависимости от токов, которые должны протекать по коллекторным цепям транзисторов. Напомним, что транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, функционирует как инвертор.
КОМПАРАТОРЫ
Для сравнения двух напряжений не обязательно обращаться к операционному усилителю. С подобной задачей вполне может справиться простая и дешевая схема компаратора на транзисторе, которая представлена на рис. 2.17.
Транзистор р-n-р типа сравнивает опорное напряжение на эмиттере с частью контролируемого напряжения, поданной на базу через резистивный делитель. Когда напряжение на базе падает ниже опорного, транзистор открывается, и выход компаратора (коллектор транзистора) переходит в состояние с высоким потенциалом. Такая схема может использоваться, например, для контроля напряжения батареи.
ДВОИЧНЫЕ СЧЕТЧИКИ
Блокировка счетчика микросхемы CD4060
Микросхема CD4060 вызывает большой интерес у разработчиков цифровых устройств. На ее основе построены многие простые и довольно сложные устройства. Микросхема содержит генератор импульсов, для задания параметров которого потребуется два внешних резистора и один конденсатор или кварцевый резонатор), а также 14-каскадный двоичный счетчик (рис. 2.18). Число выводов корпуса (типа DIP 16) не позволяет целиком использовать все 14 выходов счетчика. Когда генератор не связан со счетчиком, он может играть роль тактового генератора. При соединении этих двух элементов схема выполняет функцию таймера.
