Εξηγούνται 2 καλύτερα κυκλώματα χρονομετρητή μεγάλης διάρκειας

Σε αυτήν την ανάρτηση μαθαίνουμε πώς να φτιάχνουμε 2 ακριβή κυκλώματα χρονοδιακόπτη μεγάλης διάρκειας που κυμαίνονται από 4 ώρες έως 40 ώρες, τα οποία μπορούν να αναβαθμιστούν περαιτέρω για ακόμη μεγαλύτερες καθυστερήσεις. Οι έννοιες είναι πλήρως ρυθμιζόμενο .

Ο χρονοδιακόπτης στα ηλεκτρονικά είναι ουσιαστικά μια συσκευή που χρησιμοποιείται για την παραγωγή διαστημάτων καθυστέρησης για την εναλλαγή ενός συνδεδεμένου φορτίου. Η χρονική καθυστέρηση ορίζεται εξωτερικά από το χρήστη σύμφωνα με την απαίτηση.

Εισαγωγή

Μην ξεχνάτε ότι δεν μπορείτε ποτέ να παράγετε μεγάλες ακριβείς καθυστερήσεις χρησιμοποιώντας μόνο ένα IC 4060 ή οποιοδήποτε IC CMOS.

Έχω επιβεβαιώσει πρακτικά ότι μετά από 4 ώρες το IC 4060 αρχίζει να αποκλίνει από το εύρος ακρίβειας του.

Το IC 555 ως χρονοδιακόπτης καθυστέρησης είναι ακόμη χειρότερο, είναι σχεδόν αδύνατο να λάβετε ακριβείς καθυστερήσεις ακόμη και για μια ώρα από αυτό το IC.

Αυτή η ανακρίβεια οφείλεται κυρίως στο ρεύμα διαρροής πυκνωτή και στην αναποτελεσματική εκφόρτιση του πυκνωτή.

Τα IC όπως το 4060, το IC 555, κ.λπ. δημιουργούν βασικά ταλαντώσεις που είναι ρυθμιζόμενες απευθείας από μερικά Hz έως πολλά Hz.

Εκτός αν αυτά τα IC είναι ενσωματωμένα σε μια άλλη συσκευή διαχωριστή όπως IC 4017 , η λήψη πολύ υψηλών ακριβών χρονικών διαστημάτων ενδέχεται να μην είναι εφικτή. Για να λάβετε 24 ώρες ή ακόμα και ημέρες και εβδομάδα διαστήματα θα έχετε ενσωματώσει ένα στάδιο διαχωριστή / μετρητή όπως φαίνεται παρακάτω.

Στο πρώτο κύκλωμα βλέπουμε πώς μπορούν να συνδυαστούν δύο διαφορετικοί τρόποι IC για να σχηματίσουν ένα αποτελεσματικό κύκλωμα χρονοδιακόπτη μεγάλης διάρκειας.

1) Περιγραφή κυκλώματος

Αναφερόμενοι στο διάγραμμα κυκλώματος.

1. Το IC1 είναι ένας μετρητής IC ταλαντωτών που αποτελείται από ένα ενσωματωμένο στάδιο ταλαντωτών και παράγει παλμούς ρολογιού με ποικίλες περιόδους στις ακίδες του 1,2,3,4,5,6,7,9,13,14,15.
2. Η έξοδος από τον πείρο 3 παράγει το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα και επομένως επιλέγουμε αυτήν την έξοδο για τροφοδοσία στο επόμενο στάδιο.
3. Το δοχείο P1 και ο πυκνωτής C1 του IC1 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη ρύθμιση του χρονικού διαστήματος στον ακροδέκτη 3.
4. Όσο υψηλότερη είναι η ρύθμιση των παραπάνω στοιχείων τόσο μεγαλύτερη είναι η περίοδος στον πείρο # 3.
5. Το επόμενο στάδιο αποτελείται από τον μετρητή δεκαετίας IC 4017 που δεν κάνει τίποτα άλλο παρά να αυξήσει το χρονικό διάστημα που λαμβάνεται από το IC1 σε δέκα φορές. Αυτό σημαίνει ότι εάν το χρονικό διάστημα που δημιουργείται από τον πείρο # 3 IC1 είναι 10 ώρες, ο χρόνος που δημιουργείται στον πείρο # 11 του IC2 θα είναι 10 * 10 = 100 ώρες.
6. Ομοίως, εάν ο χρόνος που δημιουργείται στον ακροδέκτη # 3 του IC1 είναι 6 λεπτά, θα σήμαινε υψηλή έξοδο από τον πείρο # 11 του IC1 μετά από 60 λεπτά ή 1 ώρα.
7. Όταν η τροφοδοσία είναι ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΗ, ο πυκνωτής C2 διασφαλίζει ότι οι ακίδες επαναφοράς και των δύο IC επαναφέρονται σωστά, έτσι ώστε τα IC να αρχίζουν να μετράνε από το μηδέν και όχι από κάποια άσχετη ενδιάμεση εικόνα.
8. Όσο προχωρά η μέτρηση, ο πείρος # 11 του IC2 παραμένει στο λογικό χαμηλό, έτσι ώστε το πρόγραμμα οδήγησης ρελέ να κρατηθεί απενεργοποιημένο.
9. Μετά τη λήξη του καθορισμένου χρονισμού, ο πείρος # 11 του IC2 ανεβαίνει ψηλά ενεργοποιώντας το στάδιο τρανζίστορ / ρελέ και το επακόλουθο φορτίο συνδέεται με τις επαφές του ρελέ.
10. Η δίοδος D1 διασφαλίζει ότι η έξοδος από τον πείρο # 11 του IC2 κλειδώνει την καταμέτρηση του IC1 παρέχοντας ένα σήμα μανδάλωσης τροφοδοσίας στον πείρο # 11.
    Έτσι, ολόκληρος ο χρονοδιακόπτης ασφαλίζει μέχρι να κλείσει ο χρονοδιακόπτης και να επανεκκινηθεί ξανά για να επαναληφθεί ολόκληρη η διαδικασία.

Λίστα ανταλλακτικών

R1, R3 = 1Μ
R2, R4 = 12K,
C1, C2 = 1uF / 25V,
D1, D2 = 1N4007,
IC1 = 4060,
IC2 = 4017,
T1 = BC547,
POT = 1Μ γραμμικό
RELAY = 12V SPDT

Διάταξη PCB

Τύπος για τον υπολογισμό της εξόδου καθυστέρησης για IC 4060

Περίοδος καθυστέρησης = 2.2 Rt.Ct.2 (N -1)

Συχνότητα = 1 / 2.2 Rt.Ct

Rt = P1 + R2

Ct = C1

R1 = 10 (P1 + R2)

Προσθήκη διακόπτη επιλογής και LED

Η παραπάνω σχεδίαση θα μπορούσε να βελτιωθεί περαιτέρω με διακόπτη επιλογής και διαδοχικές λυχνίες LED, όπως φαίνεται στο ακόλουθο διάγραμμα:

Πως δουλεύει

Το κύριο στοιχείο του κυκλώματος χρονισμού είναι μια συσκευή 4060 CMOS, η οποία αποτελείται από έναν ταλαντωτή μαζί με ένα διαχωριστικό 14 σταδίων.

Η συχνότητα του ταλαντωτή θα μπορούσε να τροποποιηθεί μέσω του ποτενσιόμετρου Ρ1 έτσι ώστε η έξοδος στο Q13 να είναι περίπου ένας παλμός κάθε ώρα.

Η περίοδος αυτού του ρυθμού ρολογιού θα μπορούσε να είναι εξαιρετικά γρήγορη (περίπου 100 ns), καθώς επαναφέρει επιπλέον ολόκληρο το IC 4060 μέσω της δίοδος D8.

Ο παλμός ρολογιού «μία φορά κάθε ώρα» δίνεται στον 2ο μετρητή (διαίρεση με δέκα), το IC 4017. Μία από τις πολλές εξόδους αυτού του μετρητή θα είναι υψηλή λογική (λογική) σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή.

Όταν γίνεται επαναφορά του 4017, η έξοδος Q0 αυξάνεται. Αμέσως μετά από μία ώρα, η έξοδος Q0 θα γίνει χαμηλή και η έξοδος Q1 μπορεί να γίνει υψηλή, κ.λπ. Ο διακόπτης S1 ως αποτέλεσμα επιτρέπει στον χρήστη να επιλέξει ένα χρονικό διάστημα έως μία έως έξι ώρες.

Όταν η επιλεγμένη έξοδος γίνει υψηλή, το τρανζίστορ απενεργοποιείται και το ρελέ απενεργοποιείται (απενεργοποιώντας έτσι το συνδεδεμένο φορτίο).

Μόλις η είσοδος ενεργοποίησης του 4017 προσαρτηθεί επιπλέον στο υαλοκαθαριστήρα του S1, τυχόν διαδοχικοί παλμοί ρολογιού αποδεικνύουν ότι δεν έχουν αντίκτυπο στον μετρητή. Κατά συνέπεια, η συσκευή θα συνεχίσει να βρίσκεται σε κατάσταση απενεργοποίησης έως ότου παρουσιαστεί από το χρήστη ο διακόπτης επαναφοράς.

Το 4050 CMOS buffer IC μαζί με τα 7 LED ενσωματώνονται για να προσφέρουν ένδειξη του εύρους των ωρών που μπορεί να έχουν περάσει ουσιαστικά. Αυτά τα εξαρτήματα θα μπορούσαν, προφανώς, να αφαιρεθούν σε περίπτωση που δεν απαιτείται ένδειξη χρόνου που έχει παρέλθει.

Η τάση πηγής για αυτό το κύκλωμα δεν είναι πραγματικά κρίσιμη και μπορεί να καλύπτει οτιδήποτε από 5 και 15 V. Η τρέχουσα χρήση του κυκλώματος, εκτός από το ρελέ, θα είναι στην περιοχή των 15 mA.

Συνιστάται να επιλέξετε μια τάση πηγής που μπορεί να ταιριάζει με τις προδιαγραφές του ρελέ, για να διασφαλίσετε ότι αποφεύγονται τυχόν προβλήματα. Το τρανζίστορ BC 557 μπορεί να χειριστεί ρεύμα 70 mA, οπότε βεβαιωθείτε ότι η τάση πηνίου ρελέ έχει βαθμολογηθεί με αυτό το εύρος ρεύματος

2) Χρήση μόνο BJT

Η επόμενη σχεδίαση εξηγεί ένα κύκλωμα χρονοδιακόπτη πολύ μεγάλης διάρκειας που χρησιμοποιεί μόνο δύο τρανζίστορ για τις προβλεπόμενες λειτουργίες.

Τα κυκλώματα χρονομετρητή μεγάλης διάρκειας συνήθως περιλαμβάνουν IC για την επεξεργασία επειδή η εκτέλεση καθυστερήσεων μεγάλης διάρκειας απαιτεί υψηλή ακρίβεια και ακρίβεια που είναι δυνατή μόνο με χρήση IC.

Επίτευξη καθυστερήσεων υψηλής ακρίβειας

Ακόμα και το δικό μας IC 555 γίνεται αβοήθητο και ανακριβές όταν αναμένονται καθυστερήσεις μεγάλης διάρκειας από αυτό.

Η συνάντηση δυσκολία στη διατήρηση υψηλής ακρίβειας με μακρά διάρκεια είναι βασικά το ζήτημα της τάσης διαρροής και η ασυνεπής εκφόρτιση των πυκνωτών που οδηγεί σε λανθασμένα όρια εκκίνησης για το χρονοδιακόπτη που προκαλεί σφάλματα στο χρονισμό για κάθε κύκλο.

Οι διαρροές και τα ασυνεπή ζητήματα εκφόρτισης γίνονται αναλογικά μεγαλύτερα καθώς οι τιμές του πυκνωτή αυξάνονται, κάτι που καθίσταται επιτακτικό για τη λήψη μεγάλων διαστημάτων.

Επομένως, η κατασκευή χρονομετρητών μεγάλης διάρκειας με συνηθισμένα BJTs θα ήταν σχεδόν αδύνατη, καθώς αυτές οι συσκευές από μόνες τους θα μπορούσαν να είναι πολύ βασικές και δεν μπορούν να αναμένονται για τόσο περίπλοκες υλοποιήσεις.

Πώς μπορεί ένα κύκλωμα τρανζίστορ να παράγει μεγάλα χρονικά διαστήματα ακριβείας;

Το παρακάτω κύκλωμα τρανζίστορ χειρίζεται τα παραπάνω ζητήματα με αξιοπιστία και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για απόκτηση χρονισμού μεγάλης διάρκειας με αρκετά υψηλή ακρίβεια (+/- 2%).

Απλώς οφείλεται στην αποτελεσματική εκφόρτιση του πυκνωτή σε κάθε νέο κύκλο, αυτό διασφαλίζει ότι το κύκλωμα ξεκινά από το μηδέν και επιτρέπει ακριβείς ίδιες χρονικές περιόδους για το επιλεγμένο δίκτυο RC.

Διάγραμμα κυκλώματος

Το κύκλωμα μπορεί να γίνει κατανοητό με τη βοήθεια της ακόλουθης συζήτησης:

Πως δουλεύει

Ένα στιγμιαίο πάτημα του κουμπιού φορτίζει πλήρως τον πυκνωτή 1000uF και ενεργοποιεί το τρανζίστορ NPN BC547, διατηρώντας τη θέση ακόμα και μετά την απελευθέρωση του διακόπτη λόγω της αργής εκφόρτισης του 1000uF μέσω της αντίστασης 2M2 και του εκπομπού του NPN.

Η ενεργοποίηση του BC547 ενεργοποιεί επίσης το PNP BC557 το οποίο με τη σειρά του ενεργοποιεί το ρελέ και το συνδεδεμένο φορτίο.

Η παραπάνω κατάσταση ισχύει όσο το 1000uF δεν αποφορτίζεται κάτω από τα επίπεδα αποκοπής των δύο τρανζίστορ.

Οι παραπάνω συζητούμενες λειτουργίες είναι αρκετά βασικές και κάνουν μια συνηθισμένη διαμόρφωση χρονοδιακόπτη που μπορεί να είναι πολύ ανακριβής με την απόδοσή του.

Πώς λειτουργούν τα 1Κ και 1N4148

Ωστόσο, η προσθήκη του δικτύου 1K / 1N4148 μετατρέπει αμέσως το κύκλωμα σε ένα εξαιρετικά ακριβές χρονόμετρο μεγάλης διάρκειας για τους ακόλουθους λόγους.

Ο σύνδεσμος 1Κ και 1N4148 διασφαλίζει ότι κάθε φορά που τα τρανζίστορ διαλύουν το μάνδαλο λόγω ανεπαρκούς φόρτισης στον πυκνωτή, το εναπομένον φορτίο μέσα στον πυκνωτή αναγκάζεται να εκφορτιστεί πλήρως μέσω του παραπάνω συνδέσμου αντίστασης / δίοδος μέσω του πηνίου ρελέ.

Το παραπάνω χαρακτηριστικό διασφαλίζει ότι ο πυκνωτής έχει αποστραγγιστεί πλήρως και αδειάσει για τον επόμενο κύκλο και έτσι μπορεί να παράγει καθαρή εκκίνηση από το μηδέν.

Χωρίς το παραπάνω χαρακτηριστικό, ο πυκνωτής δεν θα μπορούσε να αποφορτιστεί πλήρως και το υπολειπόμενο φορτίο στο εσωτερικό θα προκαλούσε απροσδιόριστα σημεία εκκίνησης καθιστώντας τις διαδικασίες ανακριβείς και ασυνεπείς.

Το κύκλωμα θα μπορούσε να βελτιωθεί ακόμη περισσότερο χρησιμοποιώντας ένα ζεύγος Darlington για το NPN επιτρέποντας τη χρήση αντιστάσεων πολύ υψηλότερης τιμής στη βάση του και πυκνωτών αναλογικά χαμηλής τιμής. Οι πυκνωτές χαμηλότερης τιμής θα προκαλούσαν χαμηλότερες διαρροές και θα συμβάλουν στη βελτίωση της ακρίβειας χρονισμού κατά τη διάρκεια των περιόδων μέτρησης μεγάλης διάρκειας.

Τρόπος υπολογισμού των τιμών των συστατικών για τις επιθυμητές μεγάλες καθυστερήσεις:

Vc = Vs (1 - ε^{-t / RC})

Που:

1. Εείναι η τάση στον πυκνωτή
2. Εναντίονείναι η τάση τροφοδοσίας
3. τείναι ο χρόνος που έχει παρέλθει από την εφαρμογή της τάσης τροφοδοσίας
4. RCείναι το σταθερά χρόνου του κυκλώματος φόρτισης RC

Σχεδιασμός PCB

Χρονόμετρο μεγάλης διάρκειας χρησιμοποιώντας Op Amps

Το μειονέκτημα όλων των αναλογικών χρονομετρητών (μονοστατικά κυκλώματα) είναι ότι, σε μια προσπάθεια επίτευξης αρκετά μεγάλων χρονικών περιόδων, η σταθερά χρόνου RC πρέπει να είναι αντίστοιχα σημαντική.

Αυτό συνεπάγεται αναπόφευκτα τιμές αντίστασης μεγαλύτερες από 1 M, που μπορεί να οδηγήσουν σε σφάλματα χρονισμού που προκαλούνται από αντίσταση διαρροής αδέσποτου κυκλώματος ή σημαντικούς ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, που μπορούν επίσης να δημιουργήσουν προβλήματα χρονισμού λόγω της αντίστασης διαρροής τους.

Το κύκλωμα χρονοδιακόπτη που φαίνεται παραπάνω ολοκληρώνει περιόδους χρονισμού έως και 100 φορές περισσότερο χρόνο σε σύγκριση με εκείνες που είναι προσβάσιμες χρησιμοποιώντας κανονικά κυκλώματα.

Αυτό το επιτυγχάνει μειώνοντας το ρεύμα φόρτισης του πυκνωτή με συντελεστή 100, βελτιώνοντας κατά συνέπεια τον χρόνο φόρτισης δραστικά, χωρίς να απαιτούν πυκνωτές φόρτισης υψηλής αξίας. Το κύκλωμα λειτουργεί με τον ακόλουθο τρόπο:

Όταν κάνετε κλικ στο κουμπί εκκίνησης / επαναφοράς, το C1 αποφορτίζεται και αυτό προκαλεί την έξοδο του op amp IC1, το οποίο έχει διαμορφωθεί ως ακόλουθος τάσης, να μηδενιστεί. Η αντίστροφη είσοδος του συγκριτή IC2 είναι σε επίπεδο μειωμένης τάσης από τη μη μετατροπή, εξ ου και η έξοδος του IC2 κινείται υψηλή.

Η τάση γύρω από το R4 είναι περίπου 120 mV, πράγμα που σημαίνει ότι το C1 φορτίζει μέσω R2 με ρεύμα περίπου 120 nA, το οποίο εκτιμάται ότι είναι 100 φορές μικρότερο από αυτό που θα μπορούσε να επιτευχθεί σε περίπτωση που το R2 είχε συνδεθεί απευθείας στη θετική παροχή.

Περιττό να πούμε, εάν το C1 είχε φορτιστεί μέσω ενός σταθερού 120 mV, θα μπορούσε γρήγορα να επιτύχει αυτήν την τάση και να σταματήσει να φορτίζει περαιτέρω.

Ωστόσο, ο κατώτερος ακροδέκτης του R4 που τροφοδοτείται πίσω στην έξοδο του IC1 διασφαλίζει ότι καθώς αυξάνεται η τάση στο C1, έτσι και η τάση εξόδου και συνεπώς η τάση φόρτισης που δίνεται στο R2.

Μόλις η τάση εξόδου ανέλθει στα περίπου 7,5 βολτ ξεπερνά την τάση που αναφέρεται στη μη αναστρέψιμη είσοδο του IC2 από τα R6 και R7 και η έξοδος του IC2 γίνεται χαμηλή.

Μια μικρή ποσότητα θετικών ανατροφοδοτήσεων που παρέχονται από το R8 εμποδίζει κάθε θόρυβο που υπάρχει στην έξοδο του IC1 να ενισχυθεί από το IC2 καθώς κινείται από το σημείο ενεργοποίησης, επειδή αυτό συνήθως παράγει ψευδείς παλμούς εξόδου. Το μήκος χρονισμού μπορεί να υπολογιστεί με την εξίσωση:

T = R2 C1 (1 + R5 / R4 + R5 / R2) x C2 x (1 + R7 / R6)

Αυτό μπορεί να φαίνεται κάπως περίπλοκο, αλλά με τους αριθμούς ανταλλακτικών που υποδεικνύονται, το χρονικό διάστημα μπορεί να ρυθμιστεί έως και 100 C1. Εδώ το C1 βρίσκεται σε μικροφρορά, ας πούμε αν το C1 έχει επιλεγεί ως 1 μ, τότε το χρονικό διάστημα εξόδου θα είναι 100 δευτερόλεπτα.

Είναι πολύ σαφές από την εξίσωση ότι είναι δυνατόν να μεταβάλλεται γραμμικά το χρονικό διάστημα αντικαθιστώντας το R2 με ποτενσιόμετρο 1 Μ, ή λογαριθμικά χρησιμοποιώντας δοχείο 10 k αντί των R6 και R7.