Малогабаритные лампочки накаливания

Наиболее простой схемой подключения к цифровым устройствам обладают лампочки накаливания. Пример схемы подключения индикаторной лампы накаливания приведен на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Схема подключения индикаторной лампы накаливания к цифровой ТТЛ микросхеме

В приведенной схеме потребовался транзистор, так как ток, протекающий через лампочку накаливания достаточно велик. Кроме того, такая схема включения позволяет использовать лампочки накаливания с напряжением питания, отличающимся от напряжения питания цифровых микросхем. Иными словами говоря, на транзисторе собран простейший усилитель цифрового сигнала, преобразующий ТТЛ уровни цифрового устройства в дискретный сигнал наличия или отсутствия тока через индикаторную лампочку накаливания.

Расчет транзисторного ключа

Обычно студенты пугаются слова — усилитель. Однако в случае цифрового сигнала усилитель вырождается в схему электронного ключа. Это означает, что не нужно рассчитывать точное значение коэффициента усиления. При слишком большом коэффициенте усиления транзистор переходит в режим ограничения тока и выходной ток будет определяться сопротивлением нагрузки. Поэтому достаточно определить только минимальный коэффициент усиления по току.

Рассчитаем этот коэффициент. Пусть для индикаторной лампы требуется ток 120 мА, а цифровая микросхема может выдать ток единицы около 4 мА (этот ток определяется по справочнику или DATASHEET на выбранную микросхему). Тогда минимальный коэффициент усиления h_21э можно определить по формуле:

В нашем случае ток коллектора равен току, протекающему через индикаторную лампу, а ток базы — это максимальный допустимый выходной ток цифровой микросхемы (I_вых1). Делим 120 мА на 4 мА. Получаем минимальный коэффициент усиления по току, равный 30, т.е. в данном случае подойдет практически любой маломощный транзистор, например КТ3107.

Теперь следует обратить внимание на то, что транзистор управляется током, а цифровая микросхема является генератором напряжения. В простейшем случае для преобразования напряжения в ток можно использовать резистор. Эквивалентная схема подключения базовой цепи транзистора к цифровой ТТЛ микросхеме приведена на рис. 9.6.

Рис. 9.6. Эквивалентная схема подключения транзисторного ключа к цифровой ТТЛ микросхеме

В приведенной схеме ток базы транзистора задает резистор R1. Рассчитаем его сопротивление. Для этого необходимо определить падение напряжения на этом резисторе. Минимальное напряжение высокого уровня на выходе ТТЛ микросхемы при максимальном допустимом токе единицы равно 2,4 В. Падение напряжения на базовом переходе транзистора можно считать постоянным и для кремниевых транзисторов равным 0,7 В. Тогда падение напряжения на сопротивлении R1 можно определить по формуле:

U_R1 = U ₁ – U_б = 2,4В – 0,7В = 1,7В

Так как к цифровому выходу подключен только транзисторный ключ, то зададимся максимально возможным током цифровой микросхемы 4 мА. Тогда по закону Ома можно определить сопротивление резистора R1 как отношение падения напряжения на этом резисторе к току, протекающему через него:

R1 = 1,7В/4мА = 425 Ом.

При выборе резистора из 10% шкалы можно взять резистор 510 Ом (больше чем рассчитали, чтобы не превысить допустимый ток цифровой микросхемы). При работе транзисторного ключа при комнатной температуре расчет на этом заканчивается. Если же предполагается работа транзисторного ключа при повышенных температурах, то транзистор может самопроизвольно открываться обратным током коллектора. Эквивалентная схема цепи протекания этого тока приведена на рис. 9.7.

Рис. 9.7. Эквивалентная схема цепи протекания обратного коллекторного тока

В схеме, приведенной на рис. 9.7, видно, что на резисторе R1 обратный ток коллектора транзистора VT1 может создать падение напряжения 0,7 В и, тем самым, открыть транзистор. Для того чтобы уменьшить падение напряжения можно параллельно этому резистору подключить еще один резистор (как показано на рис. 9.8) и, тем самым, уменьшить открывающее напряжение на базе транзистора.

Рис. 9.8. Эквивалентная схема шунтирования цепи протекания обратного коллекторного тока I_ко транзисторного ключа резистором

В схеме, приведенной на рис. 9.8, можно задаться током, протекающим через резистор R2 в режиме выдачи цифровой микросхемой единичного уровня. Пусть этот ток будет в три раза меньше базового тока транзистора. Тогда ток через резистор R2 будет равен:

I_R2 = 4 мА/3 = 1,3 мА.

Определим сопротивление резистора R2. Для этого воспользуемся законом Ома. Учитывая, что падение напряжения на базовом переходе транзистора является константой и равно 0,7 В.

R2 = U_б / I_R2 = 0,7В/1,3мА = 510 Ом

В режиме выдачи цифровой микросхемой логического нуля сопротивления R1 и R2 соединяются параллельно, и в рассчитанном случае падение напряжения уменьшается вдвое. Обратите внимание, что схема на входе транзистора очень похожа на делитель напряжения, однако не является им. Если бы это был делитель напряжения, то напряжение на базе транзистора уменьшалось бы в два раза, однако на самом деле напряжение уменьшается значительно больше!

Газоразрядные лампы

К сожалению, малогабаритные лампочки накаливания не отличаются надежностью, так как при включении питания через них протекает значительный ток, в результате воздействия которого на нить накаливания лампа может выйти из строя. Кроме того, они боятся механических ударов. Эти причины, а также большой потребляемый ток привели к тому, что в настоящее время такие индикаторы практически не используются. Большее распространение получили газоразрядные индикаторы. Эти индикаторы, в отличие от ламп накаливания, управляются не напряжением, а током. Поэтому в принципиальную схему устройства приходится вводить токоограничивающий резистор. Схема включения газоразрядного индикатора приведена на рис. 9.9.

Рис. 9.9. Схема подключения индикаторной газоразрядной лампы к цифровой ТТЛ микросхеме

В этой схеме транзистор необходим в основном для согласования по напряжению, так как газоразрядные индикаторы питаются от источника напряжением 180... 300 В (напряжение зажигания газоразрядной лампы). Поэтому транзистор должен выдерживать напряжение до 300 В. Что касается сопротивления резистора R3, то оно рассчитывается по закону Ома. Необходимо от напряжения питания отнять падение напряжения на зажженной индикаторной лампе, которое можно взять из справочника по индикаторным лампам (обычно 80 В) и поделить на ток этой лампы. Падением напряжения на открытом транзисторе VT1 можно пренебречь. Например.

R3 = (U_п – U_HL1)/ I_л = (200 В – 80 В)/1 мА = 120 кОм.

Газоразрядные индикаторы используются как для индикации битовой информации, так и для отображения десятичной информации. При построении десятичных индикаторов катод газоразрядных индикаторов выполняется в виде десятичных цифр, как это показано на рис. 9.2. Пример индикаторной панели, выполненной на газоразрядных индикаторах, приведен на рис. 9.10.

Рис. 9.10. Внешний вид индикаторной панели на газоразрядных лампах

Для уменьшения габаритов цифрового устройства и упрощения его принципиальной схемы были разработаны специальные микросхемы дешифраторов, выдерживающие напряжение до нескольких сотен вольт, например отечественная микросхема К155ИД1. Принципиальная схема подключения десятичного газоразрядного индикатора к микросхеме К155ИД1 приведена на рис. 9.11.

Рис. 9.11. Схема подключения индикаторной газоразрядной лампы к десятичному дешифратору

На вход этой схемы подается двоично-десятичный код. Этот код преобразуется микросхемой D1 в инверсный линейный десятичный код. Инверсия нужна для того, чтобы ток протекал только через тот вывод, номер которого подан на вход схемы. В результате светится только тот катод, который подключен к этому выводу, а так как катод выполнен в форме десятичной цифры, то именно эта цифра и отображается на газоразрядном индикаторе.

Резистор R1 требуется для ограничения тока газоразрядного индикатора до допустимой величины. Одним резистором в схеме можно обойтись только потому, что ток может протекать только через один из десяти катодов. Расчет ограничивающего резистора не отличается от расчета резистора R3 в схеме подключения одиночного газоразрядного индикатора, приведенной на рис. 9.9.

В настоящее время газоразрядные индикаторы с холодным катодом практически не используются. Обычно применяются более эффективные семисегментные газоразрядные индикаторы с подогревным катодом. Использование катода с подогревом позволяет снизить анодное напряжение подобного газоразрядного индикатора до 20 … 27 В, а семисегментный анод позволяет увеличить угол обзора индикатора.

Внешний вид одного из газоразрядных индикаторов с подогревным катодом приведен на рис. 9.12.

Рис.9.12. Внешний вид газоразрядного индикатора с подогревным катодом

В описанных индикаторах газ светится не около катода, а в промежутке между управляющей сеткой и анодом. На рис. 9.12 аноды четко видны в виде белых сегментов. Управляющая сетка видна как фиолетовая поверхность, а катод выполнен в виде двух тонких проводников, которые почти незаметны на переднем плане индикатора. Если индикатор поместить за зеленым светофильтром, то ни нить накала, ни управляющая сетка видны не будут.

Если на нить накаливания подать постоянное напряжение, то на ней возникнет падение напряжения. Это напряжение будет суммироваться с анодным напряжением, в результате яркость свечения сегментов в индикаторе будет неравномерной. Конструктивно нить проложена так, чтобы этот эффект свести к минимуму, однако на нить накала подогревного катода желательно подавать переменное напряжение. Так как ток в этом случае будет протекать в различном направлении, то средняя яркость свечения сегментов будет равномерной.

Схема подключения газоразрядного индикатора с подогревным катодом к семисегментному дешифратору приведена на рис. 9.13.

Рис. 9.13. Схема подключения семисегментного газоразрядного индикатора к дешифратору

На этой схеме в качестве ключей использованы высоковольтные инверторы с открытым коллектором, выдерживающие напряжение на коллекторе до 30 В. Обратите внимание, что общий провод подводится к нити накала через среднюю точку трансформатора накала. Это обеспечивает равномерность свечения индикатора.

В практических схемах чаще используется схема подключения газоразрядного индикатора с отрицательным напряжением питания. В этом случае дешифратор должен обеспечить вытекающий ток ключей. Подобная схема включения газоразрядного индикатора приведена на рис. 9.14.

Рис. 9.14. Схема подключения семисегментного газоразрядного индикатора к дешифратору

В этой схеме транзистор VT1 и резистор R1 образуют генератор тока с большим входным и выходным сопротивлением. В результате яркость свечения индикатора будет слабо зависеть от напряжения питания 27 В.

Так как задача подключения газоразрядных индикаторов является распространенной задачей, то промышленностью были разработаны и выпускаются специализированные микросхемы К176ИД3, где показанные на рис. 9.14 генераторы тока входят в состав этой микросхемы. В результате выход дешифратора можно подключать к газоразрядному индикатору непосредственно.

В приведенных схемах управляющая сетка подключена непосредственно к питанию, но при создании схемы динамической индикации, которая будет рассмотрена несколько позднее, эта сетка используется для коммутации отдельных разрядов многоразрядного индикатора.

Светодиодные индикаторы

Газоразрядные индикаторы — это более экономичные индикаторы по сравнению с лампами накаливания, но требование высокого напряжения питания для них привело к тому, что они в настоящее время практически не используются.

В настоящее время практически в любых схемах для отображения двоичной информации используются светодиоды. Это обусловлено тем, что надежность светодиодов значительно превосходит надежность, как индикаторных ламп накаливания, так и газоразрядных (неоновых) индикаторных ламп. Светодиоды труднее разбить, так как их корпус обычно выполнен из прозрачной пластмассы, а их вес значительно меньше веса индикаторных ламп. Кроме того, при включении светодиодов не возникает импульсного тока значительной величины, который разрывает холодную нить накаливания ламп своим магнитным полем. К.п.д. светодиодов, особенно современных, значительно превосходит к.п.д. индикаторных ламп. Основная причина повышенного к.п.д. светодиодов — это принципиальное отсутствие теплового излучения. Электрический ток непосредственно преобразуется в световое излучение.