Объяснение 2 лучших схем таймера большой продолжительности

В этом посте мы узнаем, как сделать 2 точные схемы таймера большой продолжительности от 4 часов до 40 часов, которые можно дополнительно модернизировать для получения еще более длительных задержек. Концепции полностью регулируемый .

Таймер в электронике - это, по сути, устройство, которое используется для создания интервалов задержки для переключения подключенной нагрузки. Время задержки устанавливается пользователем извне в соответствии с требованиями.

Вступление

Помните, что вы никогда не сможете добиться длительных точных задержек, используя только одну микросхему 4060 или любую КМОП-микросхему.

Я практически подтвердил, что через 4 часа IC 4060 начинает отклоняться от диапазона точности.

IC 555 как таймер задержки еще хуже, получить точные задержки даже на час с этой микросхемы практически невозможно.

Эта неточность в основном связана с током утечки конденсатора и неэффективной разрядкой конденсатора.

Такие микросхемы, как 4060, IC 555 и т. Д., В основном генерируют колебания, которые можно регулировать от нескольких до многих Гц.

Если эти ИС не интегрированы с другим устройством счетчика делителя, таким как IC 4017 , получение очень точных временных интервалов может оказаться невозможным. Чтобы получить 24 часа или даже дни и неделя Интервалы вам придется интегрировать каскад делителя / счетчика, как показано ниже.

В первой схеме мы видим, как два разных режима ИС могут быть соединены вместе, чтобы сформировать эффективную схему таймера большой продолжительности.

1) Описание схемы

Обратимся к принципиальной схеме.

1. IC1 - это микросхема счетчика генератора, состоящая из встроенного каскада генератора, которая генерирует тактовые импульсы с различными периодами на своих выводах 1,2,3,4,5,6,7,9,13,14,15.
2. Выход из вывода 3 дает самый длинный временной интервал, поэтому мы выбираем этот выход для питания следующего каскада.
3. Потенциал P1 и конденсатор C1 микросхемы IC1 могут использоваться для регулировки временного интервала на его выводе 3.
4. Чем выше значение вышеуказанных компонентов, тем больше период на выводе №3.
5. Следующий этап состоит из декадного счетчика IC 4017, который не делает ничего, кроме увеличения временного интервала, полученного от IC1, до десяти раз. Это означает, что если временной интервал, генерируемый выводом №3 IC1, составляет 10 часов, то время, генерируемое выводом №11 IC2, будет 10 * 10 = 100 часов.
6. Точно так же, если время, генерируемое на выводе №3 IC1, составляет 6 минут, это будет означать высокий выходной сигнал с вывода №11 IC1 через 60 минут или 1 час.
7. При включении питания конденсатор C2 обеспечивает надлежащий сброс контактов сброса обеих ИС, так что ИС начинают отсчет с нуля, а не с какой-то несущественной промежуточной цифры.
8. Пока идет подсчет, на выводе № 11 IC2 остается низкий логический уровень, так что драйвер реле остается выключенным.
9. По истечении установленного времени на контакте № 11 IC2 появляется высокий уровень, активируя ступень транзистора / реле и последующую нагрузку, подключенную к контактам реле.
10. Диод D1 гарантирует, что выход с вывода № 11 IC2 блокирует счет IC1, обеспечивая сигнал защелки обратной связи на его выводе № 11.
    Таким образом, весь таймер блокируется до тех пор, пока таймер не будет выключен и снова не запущен для повторения всего процесса.

Список деталей

R1, R3 = 1 м
R2, R4 = 12К,
C1, C2 = 1 мкФ / 25 В,
D1, D2 = 1N4007,
IC1 = 4060,
IC2 = 4017,
Т1 = BC547,
POT = 1M линейный
РЕЛЕ = 12В SPDT

Схема печатной платы

Формула для расчета выхода задержки для IC 4060

Период задержки = 2.2 Rt.Ct.2 (N -1)

Частота = 1 / 2.2 Rt.Ct

Rt = P1 + R2

Ct = C1

R1 = 10 (P1 + R2)

Добавление селекторного переключателя и светодиодов

Вышеупомянутая конструкция может быть дополнительно улучшена с помощью селекторного переключателя и последовательных светодиодов, как показано на следующей схеме:

Как это устроено

Основным элементом схемы синхронизации является КМОП-устройство 4060, которое состоит из генератора и 14-ступенчатого делителя.

Частоту генератора можно настроить с помощью потенциометра P1, чтобы выходной сигнал Q13 составлял примерно один импульс каждый час.

Период этого тактового импульса может быть очень быстрым (около 100 нс), так как он дополнительно сбрасывает всю микросхему 4060 через диод D8.

Тактовый импульс «один раз в час» подается на второй счетчик (деленный на десять), 4017 IC. Один из нескольких выходов этого счетчика будет иметь высокий логический уровень (логическую единицу) в любой момент времени.

Когда 4017 сбрасывается, выход Q0 становится высоким. Сразу через час выход Q0 станет низким, а выход Q1 может стать высоким и т. Д. В результате переключатель S1 позволяет пользователю выбирать временной интервал от одного до шести часов.

Когда выбранный выход становится высоким, транзистор выключается, а реле выключается (отключая подключенную нагрузку).

Как только разрешающий вход 4017, к тому же, присоединен к дворнику S1, любые последующие тактовые импульсы не влияют на счетчик. Следовательно, устройство будет продолжать находиться в выключенном состоянии до тех пор, пока пользователь не нажмет кнопку сброса.

ИС 4050 CMOS-буфера вместе с 7 светодиодами встроены, чтобы предложить индикацию диапазона часов, которые, возможно, фактически истекли. Эти части, очевидно, могут быть удалены, если отображение истекшего времени не требуется.

Напряжение источника для этой схемы не имеет особого значения и может охватывать от 5 до 15 В. Текущее использование схемы, исключая реле, будет в диапазоне 15 мА.

Рекомендуется выбирать напряжение источника, которое может соответствовать характеристикам реле, чтобы избежать любых проблем. Транзистор BC 557 может выдерживать ток 70 мА, поэтому убедитесь, что напряжение обмотки реле соответствует этому диапазону тока.

2) Использование только BJT

Следующая конструкция объясняет схему таймера очень большой продолжительности, которая использует только пару транзисторов для предполагаемых операций.

В схемах таймера большой продолжительности обычно используются микросхемы для обработки, поскольку выполнение длительных задержек требует высокой точности и точности, которые возможны только при использовании микросхем.

Достижение задержек с высокой точностью

Даже наша собственная микросхема IC 555 становится беспомощной и неточной, когда от нее ожидаются длительные задержки.

Встречающиеся трудность поддержания высокой точности при длительном продолжительность Это в основном проблема напряжения утечки и непостоянная разрядка конденсаторов, которая приводит к неправильным порогам запуска для таймера, вызывая ошибки во времени для каждого цикла.

Утечки и проблемы непостоянного разряда становятся пропорционально больше по мере увеличения емкости конденсаторов, что становится необходимым для получения больших интервалов.

Поэтому создание таймеров большой продолжительности с помощью обычных BJT может быть почти невозможно, поскольку сами по себе эти устройства могут быть слишком простыми, и их нельзя ожидать для таких сложных реализаций.

Итак, как же транзисторная схема может обеспечивать длительные и точные временные интервалы?

Следующая транзисторная схема надежно решает вышеупомянутые проблемы и может использоваться для получения длительной синхронизации с достаточно высокой точностью (+/- 2%).

Это просто из-за эффективной разрядки конденсатора в каждом новом цикле, это гарантирует, что схема начинается с нуля, и обеспечивает точные идентичные периоды времени для выбранной RC-цепи.

Принципиальная электрическая схема

Схема может быть понята с помощью следующего обсуждения:

Как это устроено

Кратковременное нажатие кнопки полностью заряжает конденсатор 1000 мкФ и запускает транзистор NPN BC547, сохраняя положение даже после отпускания переключателя из-за медленной разрядки 1000 мкФ через резистор 2M2 и эмиттер NPN.

Срабатывание BC547 также включает PNP BC557, который, в свою очередь, включает реле и подключенную нагрузку.

Вышеупомянутая ситуация сохраняется до тех пор, пока 1000 мкФ не разряжается ниже уровней отсечки двух транзисторов.

Вышеупомянутые операции являются довольно простыми и образуют обычную конфигурацию таймера, которая может быть слишком неточной с точки зрения ее производительности.

Как работают 1K и 1N4148

Однако добавление сети 1K / 1N4148 мгновенно преобразует схему в чрезвычайно точный таймер большой продолжительности по следующим причинам.

Линия 1K и 1N4148 гарантирует, что каждый раз, когда транзисторы размыкают защелку из-за недостаточного заряда конденсатора, остаточный заряд внутри конденсатора принудительно полностью разряжается через указанную выше перемычку резистора / диода через катушку реле.

Вышеупомянутая функция гарантирует, что конденсатор полностью разряжен и опустошен для следующего цикла и, таким образом, может произвести чистый старт с нуля.

Без вышеупомянутой функции конденсатор не смог бы полностью разрядиться, а остаточный заряд внутри вызвал бы неопределенные начальные точки, что сделало бы процедуры неточными и непоследовательными.

Схема может быть еще больше улучшена за счет использования пары Дарлингтона для NPN, позволяющей использовать резисторы гораздо более высокого номинала в его основании и пропорционально более низкие конденсаторы. Конденсаторы меньшего номинала будут вызывать меньшие утечки и помогают повысить точность синхронизации в течение длительных периодов счета.

Как рассчитать значения компонентов для желаемых длительных задержек:

Vc = Vs (1 - e^{-t / RC})

Где:

1. Uнапряжение на конденсаторе
2. Противнапряжение питания
3. твремя, прошедшее с момента подачи напряжения питания
4. RCэто постоянная времени цепи зарядки RC

Дизайн печатной платы

Таймер с длительным сроком службы с использованием операционных усилителей

Недостатком всех аналоговых таймеров (моностабильных схем) является то, что для достижения достаточно больших периодов времени постоянная времени RC должна быть соответственно значительной.

Это неизбежно подразумевает сопротивление резистора более 1 МОм, что может привести к ошибкам синхронизации, вызванным паразитным сопротивлением утечки в цепи, или значительными электролитическими конденсаторами, которые аналогичным образом могут создавать проблемы синхронизации из-за их сопротивления утечке.

Схема таймера операционного усилителя, показанная выше, обеспечивает периоды синхронизации в 100 раз больше времени по сравнению с теми, которые доступны при использовании обычных схем.

Это достигается за счет снижения зарядного тока конденсатора в 100 раз, что приводит к значительному увеличению времени зарядки без необходимости использования дорогостоящих зарядных конденсаторов. Схема работает следующим образом:

При нажатии кнопки пуска / сброса C1 разряжается, и это приводит к тому, что выход операционного усилителя IC1, который сконфигурирован как повторитель напряжения, становится нулевым вольт. Инвертирующий вход компаратора IC2 находится на пониженном уровне напряжения, чем неинвертирующий вход, поэтому выход IC2 имеет высокий уровень.

Напряжение вокруг R4 составляет около 120 мВ, что означает, что C1 заряжается через R2 током примерно 120 нА, что примерно в 100 раз меньше, чем то, что могло бы быть достигнуто, если бы R2 был подключен непосредственно к положительному источнику питания.

Излишне говорить, что если бы C1 был заряжен постоянным напряжением 120 мВ, он мог бы быстро достичь этого напряжения и прекратить зарядку в дальнейшем.

Однако нижняя клемма R4, возвращаемая на выход IC1, гарантирует, что по мере увеличения напряжения на C1 повышается выходное напряжение и, следовательно, напряжение зарядки, подаваемое на R2.

Как только выходное напряжение поднимается примерно до 7,5 вольт, оно превышает напряжение, указанное на неинвертирующем входе IC2 через R6 и R7, и выход IC2 становится низким.

Небольшое количество положительной обратной связи, обеспечиваемой R8, препятствует усилению любого вида шума, существующего на выходе IC1, IC2 по мере его движения от точки запуска, поскольку это обычно создает ложные выходные импульсы. Продолжительность отсчета времени может быть рассчитана по формуле:

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

Это может показаться несколько сложным, но с указанием номеров деталей временной интервал может быть установлен до 100 C1. Здесь C1 в микрофарадах, скажем, если C1 выбран как 1 мк, то временной интервал вывода будет 100 секунд.

Из уравнения очень ясно, что можно изменять временной интервал линейно, заменяя R2 потенциометром 1 M, или логарифмически, используя потенциометр 10 кОм вместо R6 и R7.