Искусство схемотехники. Том 3 (Изд.4-е)

Хоровиц Пауль

Пример микромощного проектирования: интегрирующий метроном. На рис. 14.33 показана микромощная схема, которая формирует внятное тикание со скоростью, пропорциональной интенсивности светового потока от лампы фотоувеличителя. Таким образом, если вы зададите время экспозиции вашего фотоувеличителя, то отпечатки будут экспонированы одинаково, даже если яркость лампы меняется (возможно, вследствие изменений напряжений в сети питания, прогрева флуоресцентной лампы и т. д.).

Рис. 14.33. Микромощный светоинтегрирующий таймер для фотолаборатории.

Целью

проектирования была также возможность функционирования при батарейном питании с напряжением 9 В (простая, дешевая) и отсутствие выключателя сети (пользователи забывают выключать его). Так же должна быть сигнализация (на светодиоде) хорошего состояния батареи. Поскольку ток питания от батареи должен поддерживаться на уровне ниже 20 мкА с тем, чтобы 9-вольтовая батарея имела срок службы 2 г. (500 мА·ч, см. табл. 14.2), и поскольку светодиод и пьезоэлектрический звуковой индикатор потребляют ток по несколько миллиампер каждый, то единственным способом исключить выключатель питания состоит в том, чтобы использовать методы отключения источника питания (см. разд. 14.17), включая мощные схемы только на время, когда обнаруживается свет от лампы. Это прекрасная возможность использовать программируемые ОУ, которые можно отключать через их контакт программирования. Давайте рассмотрим саму схему.

Нам необходимо биполярное питание, но нет желания использовать две батареи, и тогда мы начали с применения микромощного повторителя U₂ для формирования потенциала «земли» на уровне +6 В (обозначение "REF6"). Через делитель (пока пренебрегаем резистором R₆) протекает ток 1 мкА, а сам ОУ 3440 имеет такое смещение через резистор R₈, что его рабочий ток составляет 2,5 мкА (U_п = 10/I_уст). ОУ 3440 представляет для этой задачи хороший выбор, поскольку он сделан по КМОП-технологии, которая обеспечивает пренебрежимо малый входной ток (50 пА, макс.) и обладает производительностью по выходному току в несколько миллиампер (как втекающему, так и вытекающему), даже при микроамперных токах покоя. В действительности мы могли бы его запустить и при меньшем токе; мы выбрали номинал резистора 22 МОм, поскольку это максимально возможный номинал стандартного резистора, а результирующий ток лежит в пределах нашего бюджета! Следует отметить шунтирование цепи делителя с целью подавления «мусора» из-за емкостной связи (с мегаомными полными сопротивлениями следует обращаться осторожно). Подключенный к выходу конденсатор с номиналом 2,2 мкФ поддерживает низким полное сопротивление этой шины даже на высоких частотах, где у ОУ U₂ нет усиления (f_T = 0,01 МГц при токе I_п = 2,5 мкА), резистор развязки R₉ предотвращает возбуждение усилителя U₂ при емкостной нагрузке (см. разд. 7.07). На усилитель U₂ всегда подается питание.

Детектор освещенности представляет собой фотодиод, который вырабатывает ток (номинальное значение 100 мкА, но пропорциональное интенсивности света от излучателя) в короткозамкнутой нагрузке, а именно, в виртуальную землю (точку кажущейся земли) усилителя U_1а. Нам требуется сформировать частоту колебаний в точности пропорционально этому току, что подразумевает наличие конденсатора и релаксационного генератора. Эта схема не будет работать, поскольку фотодиод, действующий как источник тока, имеет очень маленькую податливость (0,1 В или меньше). Кроме того, необходимо выбрать способ откалибровать сам прибор, т. е. провести регулировку, которая обеспечит тикание метронома через интервалы в 1 с, когда конкретная лампа имеет нормальную яркость (что может соответствовать току 50 мкА или 200 мкА, а не номинальному 100 мкА). Наконец, необходимо выбрать способ включения источника питания при обнаружении света.

Вследствие этих причин мы начали с разработки каскада с транссопротивлением (преобразование тока в напряжение), коэффициент усиления которого регулируется с помощью резистора R₃ в диапазоне, большем, чем 15:1. Конденсатор С₁ добавлен в схему с целью некоторого сглаживания пульсаций флуоресцентных источников света, которые мерцают с частотой 120 Гц. Фотодиод подключен к точке REF6, с тем чтобы поддерживать его в рабочем диапазоне усилителя U₁ по синфазному сигналу. Это приводит к тому, что напряжение на выходе усилителя U_1а ниже потенциала точки REF6 на величину, пропорциональную световому потоку, в номинальном режиме она составляет 0,66 В (для тикания с интервалом 1 с), когда уже проведена калибровка. Выходной сигнал с усилителя U_1а поступает на две схемы: компаратор (U_1c),

который управляет выключением источника питания, и источник тока (U_1В), который обеспечивает возбуждение релаксационного генератора, поделенная частота которого и будет выходным параметром метронома.

Компаратор (U_1c) представляет собой одно из трех звеньев усилителя U₁ (а, b и с), которые функционируют постоянно, его смещение проводится через резистор R₁₀ при общем токе приблизительно 9 мкА. Мы хотим включать источник питания, когда напряжение выходного сигнала усилителя U_1a становится чуть ниже потенциала шины RFE6, при этом мы снимаем эталонное напряжение с резистора R₆ делителя на входе усилителя U₂, которое на 0,1 В ниже потенциала шины REF6. Выходной сигнал компаратора U_1c переводит транзистор T₁ в насыщение, что приводит к подключению источника питания +9 В, который обозначен как "+ 9SW" и который, следовательно, появляется всякий раз, когда включается лампа фотоувеличителя.

Источник тока (U_1b) работает постоянно. Он реализован в виде стандартной структуры (см. разд. 4.07), состоящей из ОУ и p-n-p– транзистора, и выдает в конденсатор С₅ ток 3,2 мкА, когда на его вход подается номинальное напряжение, которое на 0,66 В ниже потенциала шины REF6. Следует отметить, что одна из выгод от того, что сам фототок не используется непосредственно, связана с возможностью его масштабирования к удобному значению; в нашем случае при токе 3,2 мкА в конденсаторе с номиналом 0,1 мкФ (т. е. dU/dt = I/C = 32 В/с) в микросхеме 332 (в которой используется прецизионный источник эталонного напряжения для установки напряжения его точки запуска в 2 В) вырабатывается сигнал с частотой 16 Гц. «Шведский» стол из резисторов, конденсаторов и диодов, которые окружают схему 332, является неудачным, но «он» требуется для образования релаксационного генератора из этого не совсем удачного кристалла.

Состоящая из резистора 3,3 кОм и конденсатора 100 пФ цепь, подключенная к выходу схемы 332, это то, что мы посчитали необходимым сделать для лечения его генетических предрасположенностей, связанных с удвоением частоты переключений (сама схема 555 часто предлагает ту же самую проблему, с тем же методом лечения). Его выходной сигнал поступает на КМОП-делитель на 16, выходной сигнал которого — тикание с длительностью 1/16 с через 1-секундные интервалы — вызывает насыщение транзистора Т₃  возбуждения пьезоэлектрической звуковой головки А₁. Цепь R₁₉– C₈ обнуляет сам делитель в начале каждой экспозиции, так что первый сигнал появляется в конце первой «псевдосекунды».

Последняя секция (U_1d) счетверенной схемы 346 используется в режиме компаратора как комбинированный индикатор «включения лампы» и «исправности батареи». Его ток покоя программируется отдельным резистором R₂₄, следовательно, его напряжение питания появляется только после включения напряжения +9SW. Д₄– это высококачественный светодиод, который работает при токе 2 мА, и, таким образом светится, когда включается световая головка, при условии, что напряжение с делителя R₂₂– R₂₃ по крайней мере на 3,15 В (стабильное эталонное напряжение, обычно выдаваемое схемой 322) превышает отрицательный перепад напряжения питания. Это условие будет выполняться, если напряжение батареи составляет по крайней мере 7 В, т. е. она работоспособна.

Вследствие того, что производится выключение источника питания, только U_1a-с и U₂ работают постоянно, обеспечивая комбинированный ток потребления около 12 мкА. Когда элемент U_1c ощущает фототок от световой головки, он включает напряжение +9SW, обеспечивая питанием схему 322 (2,5 мА), светодиод (2 мА) и пьезоэлектрическую звуковую головку (1/16 x 8 мА, т. е. средний ток 0,5 мА). Вычисленное время службы самой батареи составляет приблизительно 5 лет (или «долговечность») в состоянии покоя и 100 ч при функционировании. При среднем времени экспозиции 15 с — это обеспечит получение 24000 снимков.