В этой статье я решил продолжить тему использования логических элементов в радиолюбительских устройствах. Ведь с появлением этих замечательных микросхем, у нас появилось так много новых возможностей реализации своих или чужих задумок и конструкций, которые осуществить по старинке очень трудно, а в большинстве случаев и невозможно. Речь пойдёт о нескольких разновидностях генераторов на простой цифровой логике типа И-НЕ и ИЛИ-НЕ, как самых распространённых в нашей среде того времени. Потом появится несметное количество самых разных микросхем, которые заменят целые устройства, на которые мы тратили много сил, времени и микросхем. Их постоянно появлялось всё больше и больше, но тогда самыми доступными были именно указанные выше И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Например, схема генератора прямоугольных импульсов
Микросхемы содержащие эти элементы были выполнены в удобных для монтажа корпусах с 14-ю ножками, 7-я и 14-я для питания (минус и плюс соответственно), остальные для самих элементов. В зависимости от количества входов на отдельных элементах, их помещалось от 1 до 6. На схемах они обозначались например так: D1, D2, D3... если в корпусе только один элемент, и DD1, DD2, DD3..., если несколько. Например: D1 8И-НЕ это один восьмивходовой И-НЕ (8И-НЕ); DD1, DD2, DD3, DD4 это четыре двухвходовых И-НЕ ( 4x2И-НЕ); DD1-DD6 это шесть инверторов И... и так далее.
Схему генератора на логике легко можно превратить в устройство, которое называется Ждущий генератор импульсов. Смысл этого устройства состоит в том, чтобы Генератор работал только тогда, когда на его вход подан сигнал разрешения от включателя или другого устройства управления. А ещё его легко превратить в Одновибратор, который преобразует один или несколько беспорядочных импульсов в один или несколько, очень правильной, нужной полярности, формы и длительности. Например, - нажатие кнопки с одной парой контактов. Она затёрлась или окислилась, вместо замыкания получается множество коротких замыканий и размыканий (дребезг контактов), или один слишком короткий или длинный... А нам нужен только один с заданными параметрами. К тому же, эта кнопка должна работать сразу на несколько функций — поочерёдно на включение и выключение, длительное нажатие на увеличение (громкости или яркости), повторное - на уменьшение... и так далее. Так работает, например, регулятор лампы накаливания. Всё это и делает ждущий генератор. Вернее, он стоит в самом начале всех этих действий. А уже после него в работу вступают различные устройства, производящие следующие действия по реализации задуманного...
Итак, Одновибратор. Для его работы достаточно отключить один из входов на первом или втором элементе в нашем генераторе (мультивибраторе) и подать на него напряжение логического "0"через сопротивление Rу, а сигнал включения подать от кнопки через входной конденсатор Cу, соединённой с плюсовой шиной питания или от другого устройства, положительный сигнал от которого "проскочит" через конденсатор Су.
При этом элемент DD1 мультивибратора, "запертый" логическим "0" открывается и на выходе (DD2) происходит генерация импульса, длительность которого задана параметрами R и C. Такие же генератор и одновибратор можно собрать на элементах ИЛИ-НЕ. Только работать они будут с обратными уровнями сигналов. Если необходимо изменить полярность выходного сигнала ставится дополнительный инвертор, или сигнал генератора снимается с выхода предыдущего элемента (DD1).
Немного отвлекусь, чтобы объяснить, как работают логические элементы. У них может быть на входе только два состояния - Ноль, Единица Ещё может быть Неопределённость - это, когда при подключении питания на них может установиться любое из двух других состояний, но это касается уже готовых устройств (например переключателя или триггера).
К примеру, у элемента 2И-НЕ на выходе будет "0" только тогда, когда на обоих входах "1", а 2ИЛИ-НЕ — наоборот.
Для распространённых микросхем серии К561
напряжение низкого уровня — не более 2,9 В
напряжение высокого уровня — не менее 7,2 В
Это при напряжении питания — 10 В при возможных 3 - 15 В. При другом напряжении питания эти уровни другие.
Ниже приведена таблица истинности, в которой приведены параметры основных элементов логики.
Если изменить схему генератора так, как показано ниже, можно изменять его скважность. При изменении положения движка переменного сопротивления R, изменяется время импульса по отношению к времени его отсутствию в одном периоде. Попросту - это разница между шириной впадин и выпуклостей прямоугольных импульсов при неизменной частоте сигнала.
Часто бывает необходимо изменять скважность импульсов какой-либо стабильной частоты для дальнейших действий, не изменяя его форму в самом генераторе. Для этих целей применяется другое устройство - Широтно-Импульсный Модулятор (ШИМ). Он сделан на основе того же ждущего генератора (одновибратора), но он меняет только скважность импульсов приходящих на его вход. Ниже Вы видите импульсы с разной скважностью в % от полного заполнения. Обычно в технической литературе скважность S измеряют не в %, а в единицах от 1 до 10 или, как коэффициент заполнения D (от 0 до 1). Например D = 0,4, это 40% (0,4 от 1) напряжение высокого уровня присутствует во времени всего сигнала, а в 60% сигнал был нулевого уровня. Скважность S при этом будет равна 4 (4 из 10). То есть S = 4 и D = 0,4 — одно и то же. Для наглядности на графике ниже скважность показана в процентах.
Это даёт массу возможностей для самых разных систем управления, которые могут регулироваться очень точными параметрами мощности исполнительных устройств, что и происходит в нашей современной технике. Допустим, есть механизм, который должен приложить определённое калиброванное усилие (повернуть, поднять, сдвинуть, ударить и так далее...). Сделать это можно, установив определённую силу тока, подаваемую на этот механизм. Как её ограничить? Легко! За счёт преобразования подаваемого напряжения в импульсы с определённой скважностью. Для этого из сигнала генератора выделяются короткие импульсы по началу или концу импульса,которые подаются на вход ШИМ. На выходе будут те же импульсы с изменённой скважностью. Она может изменяться в очень большом диапазоне, практически от единиц почти до 100%. То есть могут быть только всплески импульсов, а могут быть почти непрерывные линии.
Для внешнего электронного управления скважностью можно использовать n-p-n транзистор подключённый к входу элемента логики 2И-НЕ или 2ИЛИ-НЕ, а выход соединить через конденсатор, задающий период импульса с базой транзистора и переменным сопротивлением. Если на второй вывод сопротивления подать плюс от источника питания, это сопротивление будет изменять скважность, если же подать на базу внешнее изменяемое напряжение, период импульса (скважность) на выходе будет изменяться в широких пределах. Это видно на схеме в галерее ниже. Это модулятор, преобразующий короткие входные импульсы от генератора в импульсы со скважностью, заданной положением движка сопротивления R1 или внешним управляющим напряжением, подаваемым на базу транзистора.
Это и есть широтноимпульсный модулятор (ШИМ). Практических схем его много, но смысл его работы именно таков. Это даёт массу возможностей для самых разных систем управления, которые могут регулироваться очень точными параметрами мощности исполнительных устройств, что и происходит в нашей современной технике.
После преобразования постоянного напряжения в импульсное с нужной скважностью, оно подаётся на сглаживающий фильтр, который убирает пульсации, а прерывистость становится ограничителем напряжения по току. Осуществляется это довольно просто - импульсы вырабатываемые генератором с регулируемой скважностью, подаются на мощный усилительный каскад на транзисторах, которые управляют нагрузкой в виде исполнительного устройства (нагревательный элемент, лампа накаливания, электродвигатель...). А управление скважностью может быть автоматическим с помощью обратной связи с устройством, ручным регулятором или автоматикой с заданными параметрами, например, нарастающий или убывающий накал, усилие, обороты...
Очень широко этот метод применяется сейчас в импульсных регуляторах напряжения и стабилизаторах. Имеется опорный источник напряжения, с которым сравнивается выходное напряжение на выходе описанного выше устройства с мощным выходным каскадом. Как только увеличивается нагрузка, это напряжение падает, а разница между ним и опорным подаётся на управление скважностью ШИМ. Его скважность увеличивается и напряжение повышается до опорного. И наоборот.
А главной особенностью мощного выходного каскада является его работа в "ключевом режиме". А в нём выходной транзистор работает только в двух состояниях - полностью открыт и полностью закрыт. Относительно большой ток в этом режиме проходит через p-n или n-p переход (в зависимости от используемых в схеме) только в момент переключения из одного состояния в другое. Оно настолько мало, что транзистор не успевает нагреться. Поэтому мы видим в современных выпрямителях совсем небольшие радиаторы охлаждения.
Как-то само собой получилось начать рассказ об импульсных источниках питания, мы их сейчас называем Адаптерами. В них даже понижение напряжения от сетевого из розетки до нужного происходит без тяжёлых и дорогих трансформаторов, как раньше, а простым конденсатором и выпрямителем на одном диоде или мостике из четырёх диодов нужной мощности. Полученное напряжение поступает на генератор, который работает на большой частоте (не 50 Гц, как в сети, а несколько десятков или даже сотен КГц). Это вторичное переменное напряжение трансформируется в постоянное совсем небольшим трансформатором на ферритовом сердечнике (на такой частоте не нужен трансформатор на железном) с катушками с небольшим количеством витков (даже на первичной обмотке), снова выпрямляется и поступает на источник опорного напряжения (совсем небольшой мощности), затем на ШИМ и выходной каскад на транзисторе и сглаживающий фильтр. Эти адаптеры тоже греются, иногда довольно сильно, но это нормальный температурный режим для мощных транзисторов.
Чуть не забыл... Во всех адаптерах обязательно разделяют высоковольтную часть от низковольтной, которая начинается сразу после вторичной обмотки (катушки) ВЧ трансформатора. Они полностью изолированы друг от друга и напряжение из розетки не попадает на выход адаптера.
Это описание немного упрощено. Всё то же может происходить не в низковольтной, а высоковольтной части выпрямителя, в его генераторе. А в низковольтной части - только выпрямление и сглаживание выходного напряжения. И даже нескольких разных напряжений. Но смысл работы ШИМ остаётся тем же. Принципиальных схем очень много. В них применяются современные микросхемы. Для управления и развязки между высоким и низким напряжение применяют оптопары (связь между входом и выходом с помощью пары светодиод-фотодиод) и много чего ещё. Пока, для данного рассказа достаточно и этого. В сети можно найти более подробное описание.
Мне вспомнилось другое. Ещё в далёкой середине 90-х годов я задумался об усилении звука цифровыми методами. В принципе, мысль такая: сделать это с помощью логических элементов - использовать ШИМ для усиления звука. То есть промодулировать сигналом НЧ относительно небольшую несущую частоту ВЧ порядка 100 кГц и подать её на ключевой каскад на мощном транзисторе. При этом уровень сигнала изменять ШИМ. То есть частоту генератора модулировать изменением скважности НЧ, подавая её на вход регулятора скважности ШИМ. Вместо переменного сопротивления изменения скважности поставить транзистор, который будет менять скважность импульсов ВЧ и на выходе мы получим импульсы разной величины по току. Наш транзистор работая в ключевом режиме будет изменять ток на катушке динамика в коллекторной цепи как нагрузка. Это значит к нему будет поступать всё напряжение питания этого каскада, а оно может быть любым (в разумных пределах). Такая вот возникла идея. При этом отпадает необходимость в громоздких радиаторах, а качество звучания будет зависеть от частоты ВЧ генератора - чем она выше, тем меньше искажений окажется в конечном сигнале. Идея простая, наверняка она приходила в голову и другим, но тогда мне казалось, что это будет прорыв в усилении звука и все в этой области электроники пойдёт другим путём... 😊 Сказано - сделано! Я собрал генератор на 2И-НЕ на 100 кГц и с помощью одновибратора сформировал короткие импульсы, оставил только всплески по фронту этих импульсов для запуска модулятора, а к его времязадающей цепи подключил полевой транзистор. На его вход подал НЧ сигнал от генератора и по осциллографу стал наблюдать выходной сигнал. Здесь я пропустил процесс подбора номиналов сопротивлений и конденсаторов в схемах блоков схемы, но это несложно. Я ставил переменные резисторы и подбирал конденсаторы... Получилась такая схема, чертил по памяти, некоторые изменения могут быть, но принцип тот же... Смотрите в галерее ниже
На первых двух элементах 2И-НЕ (DD1.1-DD1.2) сделан генератор прямоугольных импульсов, на двух других формирователь коротких импульсов (DD1.3) и повторитель-инвертор (DD1.4), на выходе которого образуются короткие ровные импульсы для запуска модулятора (DD2.1 - DD2.2), который формирует из них импульсы со скважностью, зависящей от уровня входного НЧ сигнала, приходящего от усилительного каскада на полевом транзисторе. В данном случае он работает, как переменное сопротивление в ШИМе. Всё получилось довольно складно. На экране осциллографа при растяжении меандра импульса было хорошо видно, как меняется скважность при изменении уровня звука на входе (начальный всплеск чёткий, а остальная часть размытая и колеблющаяся в такт сигнала НЧ). Оконечный каскад выполнен на простом мощном кремниевом транзисторе и не имеет каких-то особенностей. Вначале я использовал наушники, подключённые прямо на выход последнего элемента модулятора через буферный каскад из включённых последовательно двух инверторов на тех же 2И-НЕ (DD2.3-DD2.4).
Но. От генератора НЧ звук был неплохим, на слух. А вот с музыкой пошло не так гладко. Стоило повысить громкость до уровня скважности больше 50%, как появлялись хрипы. Подключил на выход транзистор и динамик, та же история... Что только не делал, всё равно что-то мешало. Звук был нормальным только на небольшой громкости. Выигрыша от ключевого режима на выходе не получалось.
Сейчас, я думаю, дело было в используемых деталях. У меня была только обычная логика 155-й серии. А её возможностей не хватало для этой задумки. Для неё требовался очень стабильный и мощный блок питания. Так же, возможно, нужно было заняться фильтрацией НЧ сигнала...
Потом появились удобные микросхемы оконечных аналоговых усилителей и я больше к этой схеме не возвращался. Было много других задач и дел. Но, согласитесь, идея была неплохая. Может быть её можно успешнее реализовать на современной элементной базе, даже на контроллерах, ОЗУ и ПЗУ... Столько придумано нового, что и знать не знаю. Но проштудировав информацию в сети, ничего похожего не нашёл. Подумайте, у кого есть более свежие знания... (В комментариях этот вопрос разобран и разъяснён.)
Вообще-то хорошее было тогда время. Было много идей и задумок. Не хватало только времени и компонентов для их реализации. Кое-что сделано другими, а кое-что так и осталось в голове и старых записях, большинство из которых уже утеряно...
Статья получилась длинной, поэтому я сделаю её продолжение для рассказа о практическом применении устройств на логических элементах и, как можно задумать какое-либо устройство, создать алгоритм его работы и на бумаге воплотить это в конкретную электрическую схему, которая почти наверняка будет работать "в металле" так, как Вы бы хотели.
Подписывайтесь, комментируйте и оценивайте. Специфика этой темы не предполагает большого количества читателей, поэтому не ленитесь в откликах. На подобную статью уходит много времени, а наградой за труд является только Ваш интерес. Если заметите какие-либо неточности или ошибки, пишите и я их исправлю. Сейчас создано много такого, о чём в то время мы и не мечтали. Но знать истоки тоже нужно.
Спасибо за потраченное время.
С. Андрианов.
