Схемы-гибриды

Микросхемы серии К155 имеют свыше восьмидесяти разновидностей. Тем не менее такие импульсные устройства, как триггеры, формирователи, мультивибраторы и др., в практических конструкциях часто реализуются на логических элементах И-НЕ, позволяя тем самым сократить количество или вовсе обойтись без более дорогих и дефицитных микросхем.

Особый интерес представляют так называемые «гибридные» устройства, в которых элемент И-НЕ используется в сочетании с так называемой ключевой схемой на биполярном либо полевом транзисторе. Такое техническое решение оправдано следующими соображениями.

Во-первых, применение транзисторного ключа для управления состоянием логического элемента часто дает возможность улучшить эксплуатационные характеристики импульсных устройств, в частности, повысить стабильность их параметров при изменениях температуры окружающей среды и напряжения источника питания.

Во-вторых, подобные гибридные сочетания в ряде случаев приобретают качественно новые свойства, позволяющие расширить область их применения либо совместить несколько функций в одном устройстве, упростив схему в целом (например, исключить согласующие буферные каскады и т. п.).

В-третьих, в процессе разработки какой-либо конструкции вместо установки дополнительной микросхемы иногда бывает выгоднее использовать оставшийся незадействованным один из элементов И-НЕ, добавив к нему транзистор с несколькими «навесными» деталями. При этом, имея в своем распоряжении несколько проверенных и отработанных на макете схем импульсных устройств, можно создавать на их базе, как из «кирпичиков», новые варианты уже знакомых конструкций с улучшенными характеристиками.

Наконец, на основе гибридных схем нередко удается построить несложные, но весьма надежно работающие конструкции, имея в своем распоряжении всего лишь одну микросхему К155ЛАЗ.

В качестве примеров практического применения ИМС К155ЛАЗ в сочетании с транзисторами предлагаем собрать несколько самоделок.

Выключатель-автомат, схема которого представлена на рис. 1, предназначен для совместного использования с различной аппаратурой воспроизведения звука. Его вход подключается параллельно динамической головке либо акустической системе. Выдержка времени с момента прекращения звучания программы до отключения аппаратуры от сетки может быть установлена в пределах 1 — 10 мин.

В автомате применены следующие импульсные устройства в «гибридном» исполнении: триггер Шмитта (DD1.1+VT1), генератор минутных импульсов (DD1.2+VT2), а также RS-триггер (DD1.3+VT3). Четвертый элемент микросхемы использован по своему прямому назначению, то есть выполняет логическую операцию 2И-НЕ.

Работает такой выключатель следующим образом. При кратковременном нажатии на кнопку SB1 напряжение сети поступает на источник питания автомата, а также на коммутируемую им нагрузку. Во время зарядки конденсатора C3 происходит начальная установка генератора и триггера, в результате чего на выводе 9 микросхемы появляется уровень логического 0, а на выводе 10 — единичный уровень. Нетрудно проследить, что в этом случае логический элемент DD1.4 переходит в состояние 1, после чего открывается транзистор VT4 и срабатывает реле К1, через контакт которого замыкается цепь подачи сетевого напряжения помимо кнопки SB1.

С момента включения питания начинается рабочий цикл генератора DD1.2+VT2. Зарядный ток конденсатора С4 вначале создает на резисторе R7 напряжение положительной полярности по отношению к общему проводу, когда полевой транзистор VT2 открыт. Примерно в течение двух минут на выходе DD1.2 сохраняется уровень логической 1. Как только зарядка конденсатора С4 заканчивается, элемент И-НЕ переходит в активную область. Снижение напряжения на его выходе за счет положительной обратной связи понижает напряжение на затворе VT2, вызывая лавинообразный процесс переключения DD1.2 в состояние 0. Теперь все напряжение конденсатора С4 оказывается приложенным к затвору в отрицательной полярности, создавая режим отсечки VT2.

Появление нулевого уровня на выходе DD1.2 вызывает переключение RS-триггера. Таким образом, на выводах 9 и 10 микросхемы логические уровни 0 и 1 меняются местами, так что состояние элемента DD1.4 и транзистора VT4 не изменяется.

Конденсатор С4 в течение второй половины цикла разряжается через резистор R7. Если за это время на вход устройства сигнал звуковой частоты не поступит, полевой транзистор откроется, элемент DD1.2 снова перейдет в активную область, а действие обратной связи вызовет скачкообразное переключение его в исходное состояние «1». В этот момент на обоих входах 9 и 10 элемента И-НЕ установится уровень логической 1 и на его выходе 8 появится низкий уровень. Поэтому транзистор VT4 закрывается, реле К1 отпускает, а коммутируемая им нагрузка и сам автомат отключаются от сети переменного тока.

Если же до окончания разрядки С4 на триггер Шмитта поступит входной сигнал, то на выходе инвертора DD1.1 появится серия импульсов, под действием которых конденсатор С3 разрядится до уровня логического 0. В результате как генератор, так и триггер (DD1.3+VT3) возвращаются в исходное состояние. Новый отсчет выдержки времени начинается после пропадания сигнала на входе устройства. При номиналах С4 и R7, указанных на схеме (рис. 1), эта часть цикла составляет примерно 3 мин. Общая же выдержка времени с момента включения сети равна длительности полного цикла работы генератора, что составляет около пяти минут.

Триггер Шмитта преобразует входной сигнал звуковой частоты в импульсы прямоугольной формы. Для нормальной работы последующих узлов необходимо подобрать сопротивление одного из резисторов цепи смещения — R1 или R4 — такой величины, чтобы при отсутствии сигнала на входе на выводе 3 микросхемы установилось напряжение 2,5—3 В. Порог срабатывания триггера Шмитта составляет 0,1 В при входном сопротивлении порядка 3,3 кОм (вместе с резистором R2). При уменьшении же R2 до 1 кОм чувствительность повышается до 20 мВ. При необходимости входное сопротивление устройства можно повысить, дополнив его эмиттерным повторителем.

Настройка генератора импульсов столь же проста: при отсутствии сигнала на входе автомата подбирают номинал резистора R6 такой величины, чтобы на выводе 11 микросхемы установилось напряжение в пределах 3,2—3,6 В. Полевые транзисторы КП303 можно применять с индексами А, Б, В, Г, И, то есть с начальным током стока не ниже 1 мА и небольшим напряжением отсечки. Период следования импульсов можно изменять в широких пределах — вплоть до 15— 20 мин, подбирая номиналы деталей R7 и С4.

RS-триггер на элементах DD1.3 и VT3 в данном случае успешно заменяет широкоизвестную симметричную схему на двух элементах И-НЕ.

Искрогасящая цепочка R3С2 увеличивает срок службы контактов в реле К1, тип которого выбирают в зависимости от мощности нагрузки. Если рабочий ток этого реле превышает 30 — 40 мА, то вместо КТ315 в качестве VT4 лучше применить КТ503А или КТ603А. Конденсатор С2 должен быть бумажным с рабочим напряжением не ниже 400 В, например КБГМ, либо пленочным (К73-15).

Печатная плата, на которой размещены все детали выключателя-автомата, за исключением реле К1, диода VD3 и элементов R3, С2, выполнена из одностороннего фольгированного гетинакса толщиной 1,2 мм и имеет размеры 57X40 мм (рис. 2).

Автомат «бегущие огни» (рис. 3) содержит тактовый генератор (DD1.1+VT1) и кольцевой коммутатор, представляющий собой цепочку из трех RS-триггеров в «гибридном» исполнении.

Генератор прямоугольных импульсов выполнен по известной схеме, причем с помощью переменного резистора R2 можно в широких пределах изменять скорость перемещения «единицы» по кольцу.

Кольцевой коммутатор выгодно отличается от устройств того же назначения высокой помехоустойчивостью. В нем обеспечивается автоматическое стирание лишней «единицы», которая может быть случайно записана в момент включения питания. Чтобы изменить направление перемещения «единицы» в кольце на обратное, достаточно подобрать емкость конденсатора С2, увеличив ее в 5—10 раз. Исполнительные устройства, например, реле или лампы накаливания, подключаются к каждой ячейке через усилители мощности так, как это сделано в предыдущей конструкции (VT4 на рис. 1). Лампы небольшой мощности напряжением 2,5—13,5 В можно включать непосредственно в цепь коллектора выходного транзистора, а для коммутации нагрузок до 2 кВт в каждом канале применяют тиристоры.

Автомат «бегущие огни» практически не требует настройки и отличается небольшими габаритами: размеры печатной платы (без усилителей мощности) составляют всего 50X50 мм (рис. 4).

Акустический выключатель, несмотря на простоту схемы (рис. 5), отличается высокой надежностью. Он реагирует на хлопки в ладоши с расстояния до 5 м. Основу конструкции составляют два симметричных RS-триггера на логических элементах И-НЕ. Один из них путем добавления цепочек С4R7 и С5R8 превращен в триггер со счетным входом, другой же совместно с каскадом задержки сигнала (VT3, С3, R5 и R6) выполняет функцию одновибратора.

Микрофонный усилитель на транзисторах VT1 и VT2 имеет коэффициент усиления 1250 на частоте 1 кГц. При указанных на схеме (рис. 5) номиналах С1 и С2 его частотная характеристика имеет спад в области низких частот, достигающий 20 дБ на частоте 60 Гц. Этим снижается чувствительность устройства к низкочастотным помехам и шумам. Подбором номиналов резисторов R1 или R4 устанавливают режим транзисторов, при котором напряжение на коллекторе VT2 находится в пределах +2,6…3В.

Одновибратор (DD1.1+DD1,2+VT3) служит для преобразования серии импульсов разной амплитуды и длительности, возникающих после каждого хлопка, в одиночный импульс отрицательной полярности, длительность которого зависит от постоянной времени C3R6. Передним фронтом этого импульса запускается триггер со счетным входом (DD1.3+DD1.4). Для коммутации нагрузки используется реле К1, подключаемое к одному из выходов триггера через усилитель мощности VT4. Аналогично можно задействовать и второй выход триггера, превратив данную конструкцию в переключатель для двух нагрузок.

На рисунке 6 печатной платы показано подключение дополнительного усилителя мощности VT5 с соответствующим резистором R10 в цепи базы. Плата выполнена из одностороннего фольгированного гетинакса толщиной 1,2 мм и имеет размеры 65X40 мм.

Все рассмотренные самоделки, не считая усилителей мощности, потребляют ток не более 20—30 мА. Поэтому в источнике питания можно использовать общий выпрямитель с напряжением около 10—20 В (в зависимости от типа применяемых реле). Простейший стабилизатор напряжения на 5 В ±5% может быть выполнен по любой схеме. При выборе типа регулирующего транзистора для такого стабилизатора важно не забывать, что на нем может рассеиваться мощность около 0,2—0,3 Вт.

Вывод 14 микросхемы DD1 соединяется во всех случаях с шиной «+5 В», а вывод 7 — с общим проводом (шина «Земля»).

Описанные в статье импульсные устройства на логических элементах во время испытаний сохраняли работоспособность при снижении питающего напряжения до величины 4 В. В различных сочетаниях их можно использовать при разработке новых и модернизации уже существующих конструкций.

А. ПОПОВ, г. Одесса