Таймер NE555 появился почти 50 лет назад, но он до сих пор очень популярен и выпускается многими производителями. Разумеется, за это время появились различные его модификации, зачастую с лучшими параметрами. Зачастую, так как модификацией может быть и просто размещение двух таймеров в одном корпусе.
Это НЕ рекламная статья! Это описание микросхем MIC841 и их применения.
NE555
Основой NE555 является двухпороговый компаратор, который управляет RS-триггером. Давайте вспомним схему этого популярного таймера.
Если убрать транзисторный ключ, коллектор которого является выводом DISCH, то останется собственно двухпороговый компаратор. А можно и вывод DISCH использовать не как разрядный ключ, а как выход с открытым коллектором. И во многих конструкциях таймер используют именно в таком виде, как двухпороговый компаратор.
Пороги компаратора устанавливаются, в одном случае, внутренним делителем напряжения. При этом входной сигнал подается на выводы THRES и TRIG, которые можно и объединить. Но в этом случае пороги зависят от напряжения питания. При использовании таймера по прямому назначению это позволяет повысить стабильность формируемых временных интервалов. Но становится неудобным при использовании NE555 как двухпорогового компаратора.
В другом случае, можно задать пороги с помощью выводов THRES и TRIG, а входным сигналом считать напряжение питания микросхемы. Это тоже неудобно, так как напряжение питания должно лежать в определенных пределах.
Эти неудобства не мешают энтузиастам создавать прекрасно работающие схемы. Но иногда хочется обойтись без преодоления лишних трудностей. Разумеется, производители микросхем не могли обойти этот вопрос стороной.
Кроме того, NE555 потребляет довольно большой ток от источника питания, порядка 10 мА при питании 15 В и 3 мА при питании 5 В. Разумеется, есть модификации с малым током потребления. Например,TS555 выпускаемая STMicroelectronics потребляет 170 мкА при питании от 12 В и 110 мкА при питании от 5 В (типовое значение).
MIC841
Фирма Micrel, впоследствии поглощенная Microchip, оценила потребности разработчиков и выпустила немного измененный вариант NE555 предназначенный именно для использования в качестве двухпорогового компаратора - MIC841. А точнее, как компаратор с встроенным источником опорного напряжения и независимо настраиваемыми порогами гистерезиса.
По сути, это тот же таймер, но без разрядного ключа. А вот вход, можно сказать, вывернут наизнанку. Выводы THRES и TRIG таймера теперь объединены внутри микросхемы и подключены к источнику опорного напряжения 1.24 В. Производитель заявляет, что точность опорного напряжения 1.25%. Внутренний делитель напряжения теперь вынесен за пределы микросхемы и подключается к выводам LTH и HTH, что позволяет изменять пороговые значения входного напряжения.
Устранив таким образом основные неудобства использования NE555 как двухпорогового компаратора Micrel добавила "вишенку на торт" - ток потребления MIC841 всего 1.5 мкА (в статическом режиме). Зато диапазон питающих напряжений существенно сузился, MIC841 работает при напряжении питания от 1.5 В до 5.5 В. Ток выходного каскада не должен превышать 20 мА.
В наш век повсеместного распространения носимых портативных устройств и тотальной миниатюризации не удивительно, что MIC841 выпускают в двух миниатюрных корпусах - SC70-5 (1.2х2 мм, без учета выводов) и TDFM (1.6х1.6 мм). В любительских конструкциях используется именно вариант в корпусе SC70-5.
На приведенной выше функциональной схеме MIC841 показан вариант MIC841H, выходной сигнал которого имеет высокий уровень, отсюда и H. Кроме него существует вариант MIC841L, выходной сигнал которого имеет низкий уровень. Разница между этими варианта заключается лишь в выходе триггера (прямой или инверсный), к которому подключается выходной каскад. Есть еще вариант MIC41N, у которого выходной каскад не двухтактный, а с открытым стоком.
Как именно работает этот компаратор хорошо видно на этой иллюстрации
Видно, что это в общем то не двухпороговый компаратор, а компаратор с независимо устанавливаемыми порогами гистерезиса. Так же, как и в случае NE555.
Расчет входного делителя (программирование порогов)
Пороговые напряжения рассчитываются по вполне очевидным формулам.
Входной ток микросхемы можно не учитывать, так как его типовое значение 5 пА (пикоАмпер), а максимальное, при максимальной рабочей температуре, 10 нА.
Производитель рекомендует начинать расчет делителя с определения полного сопротивления делителя (R1+R2+R3). Дело в том, что полное сопротивление делителя определяет ток, который будет потребляться от измеряемой цепи. Максимальное сопротивление делителя не должно превышать 3 МОм. После чего рассчитывают R3 исходя из верхнего порога. И в завершении рассчитывают R2.
Быстродействие
Данный компаратор не является быстродействующим. Что вполне естественно учитывает его микропотребление от источника питания. Типовое время задержки распространения сигнала составляет 12 мкс, максимальное 50 мкс. Поэтому основная область применения компаратора это отслеживание относительно медленных процессов.
Полезные особенности
Компаратор допускает наличие входного напряжения при отсутствии питающего напряжения. И это не только полезная особенность, это во многом показывает, что основной областью применения компаратора является контроль источников автономного питания (батареи, аккумуляторы) и управление из зарядом.
Примеры применения MIC841
Контроль напряжения автономного источника питания
Одним из наиболее типовых применений этого компаратора, как я уже сказал выше, являются схемы контроля напряжения питания.
Однако, для простого контроля напряжения батареи компаратор использовать не совсем удобно. Дело в том, что если автономный источник питания может отключаться от питаемого устройства, так, что питание компаратора тоже отключается, то сигнал о нахождении напряжения питания в допустимых границах, при включении питания, будет выдаваться лишь в случае, когда напряжение выше верхнего порога.
Поэтому MIC841 должен входить не в портативное устройство, а в состав его источника питания. То есть, примерно так
Таким образом, компаратор будет включен постоянно. Выходной сигнал, в данном случае низкого уровня, PWR_GOOD будет установлен при смене батареи или во время заряда аккумулятора, когда напряжение превысит верхний пороговый уровень. А вот сброшен сигнал будет только при снижении напряжения нижу нижнего порогового уровня.
Насколько такое постоянное подключение компаратора к батарее влияет на ее разряд? Примем, что сопротивление входного делителя равно 1 МОм. Это даст ток через делитель примерно 3 мкА (в среднем) для LiIon аккумулятора. Ток потребления микросхемы возьмем чуть больше указываемого в документации. Таким образом, получим ток разряда аккумулятора при выключенном устройстве порядка 5 мкА. Насколько это критично для вашего источника автономного питания решать вам.
Таким образом устройство может сообщить пользователю о разряде батареи не измеряя напряжение питания самостоятельно. При этом устройство может продолжить работать или принять решение о выключении.
Такой аккумуляторный источник питания может упростить и зарядное устройство. Разумеется, тут многое будет зависеть от типа используемого аккумулятора, но сам принцип будет примерно такой:
- Если при подключении аккумулятора к зарядному устройству сигнал PWR_GOOD имеет высокий уровень (для данного примера схемы на MIC841L), то заряд не выполняется
- Если при подключении аккумулятора к зарядному устройству сигнал PWR_GOOD имеет низкий уровень, то начинается заряд аккумулятора.
- При переходе сигнала PWR_GOOD из высокого уровня к низкому заряд выключается
Точно такой же метод может использоваться для поддержания заряда аккумулятора работающего в буферном режиме.
В данном случае сигнал ACC_CHRG (высокий уровень) включает заряд аккумулятора при снижении его напряжения ниже заданного предела и выключает заряд при достижении заданного верхнего предела.
Было бы привлекательным использовать MIC841 для оперативного переключения питания устройства с сетевого на автономное. Однако, низкое быстродействие компаратора может помешать этому. Однако, если переключение в течении порядка 150 мкс является допустимым для устройства, то и такое использование MIC841 возможно. Я не буду иллюстрировать это отдельной схемой.
Управление инкубатором (поддержание температуры в заданных пределах)
В данном примере значимым является то, что пределы температуры должны быть выше температуры окружающей среды. Это не общее требование, это условие лишь для приведенной схемы. Сама, схема управления нагревателем очень простая, практически тривиальная
Выходное напряжение с датчика температуры должно быть прямо пропорционально температуре. Но не обязательно линейно.
При включении питания температура нагревателя равна температуре окружающей среды, что ниже и верхнего, и нижнего пределов. Поэтому на выходе OUT будет напряжение высокого уровня и нагрев включится. При достижении верхнего предела температуры на выходе OUT установится низкий уровень и нагрев выключится. Нагреватель начнет остывать и при снижении температуры до нижнего предела нагрев снова включится. В дальнейшем температура будет поддерживаться в заданном диапазоне.
Если питание по какой либо причине пропадет и восстановится через некоторое время, то нагреватель снова включится, если температура ниже верхнего порога.
Управление уровнем жидкости в емкости
Если для измерения уровня жидкости используется реостатный датчик, например, такой как в бензобаке, то можно использовать MIC841 для автоматического отслеживания уровня и своевременного восполнения емкости.
Я не буду приводить схему, так как она практически не отличается от приведенной выше. Только вместо термодатчика будет датчик уровня, а вместо нагревателя насос.
Заключение
Разумеется, вышеприведенными примерами не ограничивается возможность использования MIC841. Это именно примеры. К тому же, довольно простые.
У MIC841, как у всего в этом мире, есть и плюсы и минусы. К минусам можно отнести необходимость постоянного подключения к батарее при использовании компаратора в качестве ее монитора. Малые размеры корпуса можно отнести и к плюсам и к минусам. Это позволяет создать очень компактное устройство, но вызовет трудности при пайке такого устройства новичками.
Небольшой диапазон питающих напряжений ориентирован на использование в типичных условиях портативных устройств. При этом малый ток потребления является однозначным плюсом. Но это же снижает быстродействие компаратора.
В целом, микросхема получилась не уникальная, но безусловно интересная. И мне она нравится. Именно для использования в качестве монитора аккумуляторов. Использую ее уже несколько лет.
Нужна ли она вам? Подойдет ли? Это можете сказать только вы сами.
Кстати, есть еще один вариант этого компаратора MIC842. Он отличается от MIC841 тем, что пороги гистерезиса нельзя задать. У этой микросхемы гистерезис равен 20 мВ.
