2 วงจรจับเวลาระยะยาวที่ดีที่สุดอธิบาย

ในโพสต์นี้เราเรียนรู้วิธีสร้างวงจรจับเวลาระยะยาวที่แม่นยำ 2 วงจรตั้งแต่ 4 ชั่วโมงถึง 40 ชั่วโมงซึ่งสามารถอัปเกรดเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ความล่าช้าที่นานขึ้น แนวคิดคือ ปรับได้เต็มที่ .

ตัวจับเวลาในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับสร้างช่วงเวลาหน่วงเวลาสำหรับการเปลี่ยนโหลดที่เชื่อมต่อ การหน่วงเวลาถูกกำหนดโดยภายนอกโดยผู้ใช้ตามความต้องการ

บทนำ

โปรดจำไว้ว่าคุณไม่สามารถสร้างความล่าช้าที่แม่นยำเป็นเวลานานได้โดยใช้ IC 4060 IC หรือ CMOS IC ใด ๆ

ฉันยืนยันในทางปฏิบัติว่าเกิน 4 ชั่วโมง IC 4060 เริ่มเบี่ยงเบนไปจากช่วงความแม่นยำ

IC 555 เป็นตัวตั้งเวลาหน่วงยิ่งแย่กว่านั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะได้รับความล่าช้าอย่างแม่นยำแม้จะเป็นชั่วโมงจาก IC นี้

ความไม่ถูกต้องนี้ส่วนใหญ่เกิดจากกระแสไฟฟ้ารั่วของตัวเก็บประจุและการคายประจุที่ไม่มีประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุ

ICs เช่น 4060, IC 555 เป็นต้นโดยทั่วไปจะสร้างการสั่นซึ่งสามารถปรับได้ตั้งแต่ไม่กี่ Hz ถึงหลาย Hz

เว้นแต่ IC เหล่านี้จะรวมเข้ากับอุปกรณ์ตัวนับตัวแบ่งอื่นเช่น IC 4017 การหาช่วงเวลาที่แม่นยำสูงมากอาจไม่สามารถทำได้ สำหรับการรับ 24 ชั่วโมงหรือแม้กระทั่ง วันและสัปดาห์ ช่วงเวลาที่คุณจะรวมสเตจตัวแบ่ง / ตัวนับตามที่แสดงด้านล่าง

ในวงจรแรกเราจะเห็นว่า IC สองโหมดที่แตกต่างกันสามารถรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างวงจรจับเวลาระยะยาวที่มีประสิทธิภาพได้อย่างไร

1) คำอธิบายวงจร

อ้างถึงแผนภาพวงจร

1. IC1 เป็นไอซีตัวนับออสซิลเลเตอร์ซึ่งประกอบด้วยสเตจออสซิลเลเตอร์ในตัวและสร้างพัลส์นาฬิกาที่มีช่วงเวลาที่แตกต่างกันไปในพิน 1,2,3,4,5,6,7,9,13,14,15
2. เอาต์พุตจากพิน 3 สร้างช่วงเวลาที่ยาวที่สุดดังนั้นเราจึงเลือกเอาต์พุตนี้สำหรับป้อนขั้นตอนต่อไป
3. หม้อ P1 และตัวเก็บประจุ C1 ของ IC1 สามารถใช้สำหรับปรับช่วงเวลาที่ขา 3
4. ยิ่งการตั้งค่าส่วนประกอบข้างต้นสูงขึ้นก็จะทำให้ช่วงเวลาที่พิน # 3 นานขึ้น
5. ขั้นตอนต่อไปประกอบด้วย IC ตัวนับทศวรรษที่ 4017 ซึ่งไม่ได้ทำอะไรเลยนอกจากเพิ่มช่วงเวลาที่ได้รับจาก IC1 เป็นสิบเท่า หมายความว่าถ้าช่วงเวลาที่สร้างโดย IC1s พิน # 3 คือ 10 ชั่วโมงเวลาที่สร้างที่พิน # 11 ของ IC2 จะเป็น 10 * 10 = 100 ชั่วโมง
6. ในทำนองเดียวกันถ้าเวลาที่สร้างขึ้นที่พิน # 3 ของ IC1 คือ 6 นาทีจะหมายถึงเอาต์พุตสูงจากพิน # 11 ของ IC1 หลังจาก 60 นาทีหรือ 1 ชั่วโมง
7. เมื่อเปิดเครื่องตัวเก็บประจุ C2 จะตรวจสอบให้แน่ใจว่าหมุดรีเซ็ตของ IC ทั้งสองได้รับการรีเซ็ตอย่างเหมาะสมเพื่อให้ IC เริ่มนับจากศูนย์แทนที่จะนับจากตัวเลขกลางที่ไม่เกี่ยวข้อง
8. ตราบใดที่การนับดำเนินไปพิน # 11 ของ IC2 ยังคงอยู่ที่ลอจิกต่ำซึ่งทำให้ไดรเวอร์รีเลย์ปิดค้างไว้
9. หลังจากหมดเวลาที่ตั้งไว้พิน # 11 ของ IC2 จะเปิดใช้งานขั้นสูงของทรานซิสเตอร์ / รีเลย์และโหลดที่ตามมาที่เชื่อมต่อกับหน้าสัมผัสรีเลย์
10. ไดโอด D1 ช่วยให้แน่ใจว่าเอาต์พุตจากพิน # 11 ของ IC2 ล็อคการนับ IC1 โดยให้สัญญาณสลักป้อนกลับที่ขา # 11
    ดังนั้นตัวจับเวลาทั้งหมดจะล็อกจนกว่าตัวจับเวลาจะปิดและเริ่มใหม่อีกครั้งเพื่อทำซ้ำกระบวนการทั้งหมด

ส่วนรายการ

R1, R3 = 1 ล
R2, R4 = 12K,
C1, C2 = 1 ยูเอฟ / 25 โวลต์,
D1, D2 = 1N4007,
IC1 = 4060,
IC2 = 4017,
T1 = BC547,
POT = 1M เชิงเส้น
รีเลย์ = 12V SPDT

เค้าโครง PCB

สูตรสำหรับการคำนวณผลลัพธ์การหน่วงเวลาสำหรับ IC 4060

ระยะเวลาล่าช้า = 2.2 Rt.Ct.2 (N -1)

ความถี่ = 1 / 2.2 Rt.Ct

Rt = P1 + R2

กะรัต = C1

R1 = 10 (P1 + R2)

การเพิ่มสวิตช์เลือกและไฟ LED

การออกแบบข้างต้นสามารถปรับปรุงเพิ่มเติมได้ด้วยสวิตช์เลือกและไฟ LED ตามลำดับดังที่ระบุไว้ในแผนภาพต่อไปนี้:

มันทำงานอย่างไร

องค์ประกอบหลักของวงจรจับเวลาคืออุปกรณ์ 4060 CMOS ซึ่งประกอบด้วยออสซิลเลเตอร์พร้อมกับตัวแบ่ง 14 ขั้นตอน

ความถี่ของออสซิลเลเตอร์สามารถปรับแต่งผ่านโพเทนชิออมิเตอร์ P1 เพื่อให้เอาต์พุตที่ Q13 อยู่ที่รอบพัลส์เดียวในแต่ละชั่วโมง

ช่วงเวลาของจังหวะนาฬิกานี้อาจเร็วมาก (ประมาณ 100 ns) เนื่องจากจะรีเซ็ต IC 4060 ทั้งหมดโดยใช้ไดโอด D8

ชีพจรนาฬิกา 'หนึ่งครั้งในแต่ละชั่วโมง' จะถูกกำหนดให้กับตัวนับที่ 2 (หารด้วยสิบ) คือ 4017 IC หนึ่งในหลาย ๆ เอาต์พุตของตัวนับนี้จะมีลอจิกสูง (ลอจิกหนึ่ง) ในทันทีที่กำหนด

เมื่อรีเซ็ต 4017 เอาต์พุต Q0 จะสูง หลังจากผ่านไปหนึ่งชั่วโมงเอาต์พุต Q0 จะลดต่ำลงและเอาต์พุต Q1 อาจสูงขึ้นเป็นต้นการเปลี่ยน S1 ทำให้ผู้ใช้สามารถเลือกช่วงเวลาได้ตั้งแต่หนึ่งถึงหกชั่วโมง

เมื่อเอาต์พุตที่เลือกมีค่าสูงทรานซิสเตอร์จะดับลงและรีเลย์จะปิด (จึงเป็นการปิดโหลดที่เชื่อมต่อ)

เมื่ออินพุตเปิดใช้งานของ 4017 ถูกต่อเข้ากับที่ปัดน้ำฝนของ S1 พัลส์นาฬิกาใด ๆ ที่ประสบความสำเร็จปรากฎว่าไม่มีผลกระทบต่อตัวนับ ดังนั้นอุปกรณ์จะยังคงอยู่ในสภาพปิดเครื่องจนกว่าผู้ใช้จะกำหนดสวิตช์รีเซ็ต

IC บัฟเฟอร์ 4050 CMOS พร้อมกับ LED 7 ดวงถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อแสดงช่วงของชั่วโมงที่อาจผ่านไปโดยพื้นฐานแล้ว เห็นได้ชัดว่าชิ้นส่วนเหล่านี้สามารถถอดออกได้ในกรณีที่ไม่จำเป็นต้องแสดงเวลาที่ล่วงเลยไป

แรงดันต้นทางสำหรับวงจรนี้ไม่สำคัญจริงๆและสามารถครอบคลุมอะไรก็ได้ตั้งแต่ 5 และ 15 V การใช้งานวงจรปัจจุบันไม่รวมรีเลย์จะอยู่ในช่วง 15 mA

ขอแนะนำให้เลือกแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่อาจตรงกับข้อกำหนดของรีเลย์เพื่อให้แน่ใจว่าหลีกเลี่ยงปัญหาใด ๆ ทรานซิสเตอร์ BC 557 สามารถรองรับกระแสได้ 70 mA ดังนั้นตรวจสอบให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าของขดลวดรีเลย์ได้รับการจัดอันดับด้วยช่วงปัจจุบันนี้

2) ใช้เฉพาะ BJT

การออกแบบครั้งต่อไปจะอธิบายถึงวงจรจับเวลาระยะเวลาที่ยาวนานมากซึ่งใช้ทรานซิสเตอร์เพียงไม่กี่ตัวสำหรับการทำงานที่ต้องการ

วงจรตัวจับเวลาระยะยาวโดยปกติจะเกี่ยวข้องกับ IC สำหรับการประมวลผลเนื่องจากการดำเนินการหน่วงเวลาที่ยาวนานต้องการความแม่นยำและความแม่นยำสูงซึ่งทำได้โดยใช้ IC เท่านั้น

บรรลุความล่าช้าที่มีความแม่นยำสูง

แม้แต่ IC 555 ของเราเองก็ยังทำอะไรไม่ถูกและไม่แม่นยำเมื่อคาดว่าจะเกิดความล่าช้าเป็นเวลานาน

พบ ความยากในการรักษาความแม่นยำสูงด้วยระยะยาว ระยะเวลา โดยพื้นฐานแล้วคือปัญหาแรงดันไฟฟ้ารั่วและการคายประจุที่ไม่สอดคล้องกันของตัวเก็บประจุซึ่งนำไปสู่เกณฑ์การเริ่มต้นที่ไม่ถูกต้องสำหรับตัวจับเวลาที่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในเวลาสำหรับแต่ละรอบ

การรั่วไหลและปัญหาการคายประจุที่ไม่สอดคล้องกันจะมีขนาดใหญ่ขึ้นตามสัดส่วนเนื่องจากค่าตัวเก็บประจุมีขนาดใหญ่ขึ้นซึ่งจำเป็นสำหรับการได้รับช่วงเวลาที่ยาวนาน

ดังนั้นการสร้างตัวจับเวลาระยะยาวด้วย BJT ธรรมดาจึงแทบจะเป็นไปไม่ได้เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้เพียงอย่างเดียวอาจเป็นพื้นฐานเกินไปและไม่สามารถคาดหวังได้สำหรับการใช้งานที่ซับซ้อนเช่นนี้

แล้ววงจรทรานซิสเตอร์จะสร้างช่วงเวลาที่ยาวนานแม่นยำได้อย่างไร?

วงจรทรานซิสเตอร์ต่อไปนี้จัดการกับปัญหาที่กล่าวถึงข้างต้นได้อย่างน่าเชื่อถือและสามารถใช้สำหรับการหาระยะเวลาที่ยาวนานด้วยความแม่นยำสูงพอสมควร (+/- 2%)

เป็นเพียงเพราะการคายประจุอย่างมีประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุในทุก ๆ รอบใหม่สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าวงจรเริ่มต้นจากศูนย์และเปิดใช้งานช่วงเวลาที่แม่นยำเหมือนกันสำหรับเครือข่าย RC ที่เลือก

แผนภูมิวงจรรวม

อาจเข้าใจวงจรด้วยความช่วยเหลือของการสนทนาต่อไปนี้:

มันทำงานอย่างไร

การกดปุ่มกดชั่วขณะจะชาร์จตัวเก็บประจุ 1000uF จนเต็มและทริกเกอร์ทรานซิสเตอร์ NPN BC547 โดยยังคงตำแหน่งไว้แม้จะปล่อยสวิตช์เนื่องจากการปล่อย 1000uF ช้าผ่านตัวต้านทาน 2M2 และตัวปล่อยของ NPN

การทริกเกอร์ของ BC547 จะเปิด PNP BC557 ซึ่งจะเปิดสวิตช์รีเลย์และโหลดที่เชื่อมต่อ

สถานการณ์ข้างต้นยังคงดำเนินต่อไปตราบเท่าที่ 1000uF ไม่ได้ถูกปล่อยออกมาต่ำกว่าระดับการตัดของทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัว

การดำเนินการที่กล่าวถึงข้างต้นค่อนข้างพื้นฐานและสร้างการกำหนดค่าตัวจับเวลาแบบธรรมดาซึ่งอาจไม่แม่นยำเกินไปกับประสิทธิภาพของมัน

1K และ 1N4148 ทำงานอย่างไร

อย่างไรก็ตามการเพิ่มเครือข่าย 1K / 1N4148 จะเปลี่ยนวงจรเป็นตัวจับเวลาระยะยาวที่แม่นยำอย่างมากด้วยเหตุผลดังต่อไปนี้

ลิงค์ 1K และ 1N4148 ช่วยให้มั่นใจได้ว่าทุกครั้งที่ทรานซิสเตอร์แตกสลักเนื่องจากประจุในตัวเก็บประจุไม่เพียงพอประจุที่เหลืออยู่ภายในตัวเก็บประจุจะถูกบังคับให้ระบายออกอย่างเต็มที่ผ่านลิงค์ตัวต้านทาน / ไดโอดด้านบนผ่านขดลวดรีเลย์

คุณสมบัติข้างต้นทำให้แน่ใจว่าตัวเก็บประจุถูกระบายออกจนหมดและว่างเปล่าสำหรับรอบถัดไปดังนั้นจึงสามารถเริ่มต้นใหม่ทั้งหมดจากศูนย์ได้

หากไม่มีคุณสมบัติข้างต้นตัวเก็บประจุจะไม่สามารถระบายออกได้อย่างสมบูรณ์และประจุที่ตกค้างภายในจะทำให้เกิดจุดเริ่มต้นที่ไม่ได้กำหนดทำให้ขั้นตอนไม่ถูกต้องและไม่สอดคล้องกัน

วงจรสามารถปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นไปอีกโดยใช้คู่ดาร์ลิงตันสำหรับ NPN ทำให้สามารถใช้ตัวต้านทานที่มีค่าสูงกว่ามากที่ฐานและตัวเก็บประจุที่มีค่าต่ำตามสัดส่วน ตัวเก็บประจุที่มีค่าต่ำกว่าจะทำให้เกิดการรั่วไหลที่น้อยลงและช่วยปรับปรุงความแม่นยำของเวลาในช่วงระยะเวลาการนับที่ยาวนาน

วิธีการคำนวณค่าส่วนประกอบสำหรับความล่าช้าที่ต้องการ:

Vc = Vs (1 - จ^{-t / RC})

ที่ไหน:

1. ยูคือแรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวเก็บประจุ
2. เทียบกับคือแรงดันไฟฟ้า
3. tคือเวลาที่ผ่านไปนับตั้งแต่การใช้แรงดันไฟฟ้า
4. RCคือ เวลาคงที่ ของวงจรชาร์จ RC

การออกแบบ PCB

Long Duration Timer โดยใช้ Op Amps

ข้อเสียของตัวจับเวลาแบบอะนาล็อกทั้งหมด (วงจรโมโนสเตเบิล) คือในความพยายามที่จะบรรลุช่วงเวลาที่ยาวนานพอสมควรค่าคงที่ของเวลา RC จะต้องมีความสำคัญอย่างมาก

สิ่งนี้แสดงถึงค่าตัวต้านทานที่มากกว่า 1 M อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดความผิดพลาดของเวลาที่เกิดจากความต้านทานการรั่วไหลภายในวงจรหรือตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าที่มีนัยสำคัญซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาเรื่องเวลาเนื่องจากความต้านทานการรั่วไหล

วงจรตัวตั้งเวลาแอมป์ที่แสดงไว้ด้านบนสามารถใช้ระยะเวลาได้นานกว่า 100 เท่าเมื่อเทียบกับวงจรที่สามารถเข้าถึงได้โดยใช้วงจรปกติ

ทำได้โดยการลดกระแสการชาร์จของตัวเก็บประจุให้ต่ำลงผ่านปัจจัย 100 ทำให้เวลาในการชาร์จดีขึ้นอย่างมากโดยไม่ต้องใช้ตัวเก็บประจุในการชาร์จที่มีมูลค่าสูง วงจรทำงานในลักษณะต่อไปนี้:

เมื่อคลิกปุ่มเริ่มต้น / รีเซ็ต C1 จะถูกปล่อยออกและทำให้เอาต์พุตของ op amp IC1 ซึ่งกำหนดค่าเป็นตัวติดตามแรงดันไฟฟ้าให้กลายเป็นศูนย์โวลต์ อินพุทกลับด้านของ IC2 ตัวเปรียบเทียบอยู่ที่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงกว่าอินพุทที่ไม่เปลี่ยนทิศทางดังนั้นเอาต์พุตของ IC2 จึงเคลื่อนที่สูง

แรงดันไฟฟ้ารอบ R4 อยู่ที่ประมาณ 120 mV ซึ่งหมายความว่า C1 ชาร์จผ่าน R2 ด้วยกระแสไฟฟ้าประมาณ 120 nA ซึ่งถือว่าน้อยกว่าที่สามารถทำได้ 100 เท่าในกรณีที่ R2 ติดโดยตรงกับอุปทานบวก

ไม่จำเป็นต้องพูดว่าถ้า C1 ถูกชาร์จผ่าน 120 mV ที่สม่ำเสมอมันจะสามารถบรรลุแรงดันไฟฟ้านี้ได้อย่างรวดเร็วและหยุดชาร์จต่อไป

อย่างไรก็ตามเทอร์มินัลด้านล่างของ R4 ถูกป้อนกลับไปที่เอาต์พุตของ IC1 ทำให้มั่นใจได้ว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าข้าม C1 สูงขึ้นแรงดันขาออกจะส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าที่ชาร์จให้กับ R2

เมื่อแรงดันไฟฟ้าขาออกสูงถึงประมาณ 7.5 โวลต์จะเกินแรงดันไฟฟ้าที่อ้างอิงที่อินพุตแบบไม่กลับด้านของ IC2 โดย R6 และ R7 และเอาต์พุตของ IC2 จะต่ำ

การตอบรับเชิงบวกในปริมาณเล็กน้อยที่จัดทำโดย R8 จะยับยั้งสัญญาณรบกวนใด ๆ ที่มีอยู่ในเอาต์พุตของ IC1 จากการได้รับการกระตุ้นโดย IC2 ขณะที่มันเคลื่อนที่จากจุดทริกเกอร์เนื่องจากโดยปกติจะสร้างพัลส์เอาต์พุตที่ผิด ความยาวของเวลาสามารถคำนวณได้โดยสมการ:

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

สิ่งนี้อาจดูซับซ้อน แต่ด้วยหมายเลขชิ้นส่วนที่ระบุช่วงเวลาสามารถตั้งได้นานถึง 100 C1 ในที่นี้ C1 อยู่ในหน่วยย่อยสมมติว่าหากเลือก C1 เป็น 1 µ ช่วงเวลาเอาต์พุตจะเป็น 100 วินาที

เป็นที่ชัดเจนมากจากสมการว่าเป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนช่วงเวลาในเชิงเส้นโดยการแทนที่ R2 ด้วยโพเทนชิออมิเตอร์ 1 M หรือลอการิทึมโดยใช้หม้อ 10 k แทน R6 และ R7