Проектирование автоколебательных схем с использованием стандартного таймера 555 – это простой процесс, когда коэффициенты заполнения составляют 50% или больше. Однако чтобы достичь желаемого результата при малом коэффициенте заполнения, необходимо преодолеть множество подводных камней. Использование только идеальных компонентов упростило бы разработку, но найти такие компоненты сложно. Неидеальность компонентов не позволяет пользоваться простыми стандартными формулами и значительно увеличивает погрешности. В описываемой ниже схеме используется КМОП таймер TLC555. Можно использовать и другие версии популярного таймера 555 при условии учета различий в их заданных параметрах. Для стандартной низкочастотной схемы с коэффициентом заполнения свыше 50% (Рисунок 1) применимы следующие расчетные формулы:
где
tH – длительность импульса,
tL – длительность паузы между импульсами,
DC – коэффициент заполнения.
 |
||
| Рисунок 1. | Классическая схема на таймере 555 может работать только при коэффициентах заполнения, превышающих 50%. |
|
Зарядный ток времязадающего конденсатора течет через резисторы RA и RB до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не достигнет верхнего порога, равного 0.667VCC. Затем конденсатор разряжается через RB и внутренний транзистор до напряжения нижнего порога 0.333VCC. Поскольку сопротивление RB участвует как в циклах заряда, так и разряда, получить коэффициенты заполнения меньше 50% в такой конфигурации невозможно. Кроме того, эти идеализированные формулы не учитывают ряд факторов, которые незначительно искажают результаты при более высоких значениях коэффициентов заполнения, но сильно влияют на результаты при расчете схем с низкими коэффициентами заполнения. К таким факторам относятся задержки распространения и сопротивление внутреннего разрядного транзистора. Все эти факторы зависят от напряжения питания. Еще одним фактором, который относится только к схемам с низким коэффициентом заполнения, является влияние шунтирующего диода RB (D1 на Рисунке 2), необходимого для реализации этой конструкции.
 |
||
| Рисунок 2. | Простое добавление шунтирующего диода позволяет этой схеме работать с низкими коэффициентами заполнения. |
|
Добавление шунтирующего диода, параллельного RB, позволяет создавать схемы с коэффициентом заполнения менее 50%. В цикле заряда ток течет через резистор RA и обходит RB через диод. Во время разряда ток течет через RB и, как обычно, через внутренний разрядный транзистор. Поскольку теперь RB участвует только в цикле разряда, появляется возможность установить любой требуемый коэффициент заполнения. Опять же, при использовании идеальных компонентов формулы для параметров импульсов получаются простыми:
Факторы, которые необходимо учитывать при расчете параметров проекта, включают:
- прямое напряжение диода,
- задержки распространения,
- сопротивление открытого разрядного транзистора,
- отношение RA к сопротивлению открытого транзистора,
- сопротивление утечки конденсатора, подключенного к управляющему входу CTL.
Прямое напряжение VF диода зависит от величины протекающего через него тока. Этот ток может составлять от нескольких сотен микроампер до десятков миллиампер. Для конкретной схемы это напряжение можно получить либо из кривых, приведенных в документации производителей, либо на основании фактических измерений, когда через диод пропускается желаемый ток. Можно также использовать уравнение Шокли для тока I, протекающего через идеальный диод:
где IS – ток насыщения диода.
Или в терминах напряжения:
Это напряжение вычитается из зарядного напряжения во время цикла зарядки и влияет на скорость нарастания заряда. Времена задержек распространения от входов THRES и TRIG до вывода DISCH (TPHL и TPLH, соответственно) непосредственно добавляются к периоду импульсов. Эти задержки зависят от напряжения питания. Вычислить задержки распространения (в наносекундах) можно с помощью следующих формул:
Сопротивление открытого разрядного транзистора также зависит от напряжения питания. Это сопротивление влияет на ток разряда. Кроме того, при использовании в качестве RA низковольтных резисторов (для небольших коэффициентов заполнения) комбинация RA и сопротивления открытого транзистора образует делитель напряжения, влияющий на напряжение разряда. Формула для сопротивления открытого разрядного транзистора (в омах) имеет следующий вид:
Как правило, к выводу CTL, который фактически является верхним узлом внутреннего делителя, подключается небольшой конденсатор. Влияние этого конденсатора на пороговые напряжения выводов THRES и TRIG незначительно. Сопротивление утечки керамического конденсатора составляет примерно 9 МОм. Это значение велико, но все же изменяет пороговые напряжения примерно на 1.5%, поскольку в схеме оконного компаратора используются 80-килоомные резисторы. Если учесть все перечисленные параметры, расчетные формулы значительно усложняются:
Эти формулы содержат все известные параметры, требуемые для расчета схемы на таймере TLC555. Необходимо учитывать дополнительные вариации, вызываемые разбросом параметров компонентов. Кроме того, нужно учитывать влияние температуры. После того, как все необходимые для расчетов данные будут получены, этот простой таймер 555 поставит перед вами серьезную математическую задачу. Однако благодаря компьютерам можно избавиться от большей части этой утомительной математики с помощью электронной таблицы Excel. В ней, с учетом отклонений номиналов компонентов, показаны результаты расчетов как для схемы с шунтирующим диодом, так и без него. Загрузить электронную таблицу можно кликом по ссылке в разделе Загрузки.
