Не сомневаюсь, что все помнят оригинал "Да гранаты у них не той системы" из "Белого солнца пустыни". Но сегодня мы поговорим именно о полярности и том, что делать, если полярность питания электронного устройства и полярность входного сигнала разные.
Статья рассчитана на начинающих, которые уже пытаются перейти от простого повторения готовых схем к разработке собственных. При этом у них возникает много вопросов, которые специалисты считают простейшими. Но новички, не найдя прямого ответа на свои вопросы в книгах и учебниках, испытывают затруднения.
Поэтому пусть специалисты не обижаются, что тема статьи "проста до тривиальности", с их точки зрения. Для новичков это совсем не так. Более того, нам сегодня даже электроника почти не понадобится, достаточно простой электротехники. Или физики в объеме средней школы, раздел "Электричество".
Представим, что вы разрабатываете какое то устройство, питающееся от однополярного источника. И это устройство должно работать с входным сигналом прямо противоположной полярности. При этом полярность входного сигнала изменить невозможно. Такая ситуация возникает не так часто, но все таки встречается
Мы не можем просто так подать сигнал отрицательной полярности на вход устройства. Я показал на иллюстрации два диода, которые очень часто используются внутри микросхем для защиты входов, просто для наглядности. При этом не важно, что за сигнал подается на вход устройства. Как мы можем решить эту проблему?
Очень просто! Для этого нам достаточно использовать всего два резистора - делитель напряжения
Резистор R1 обеспечивает на входе дополнительное положительное смещение, что и позволяет сместить диапазон отрицательных напряжений входного сигнала вверх. Напряжение на входе устройства будет суммой напряжения питания и напряжения сигнала, с учетом сопротивлений резисторов, естественно.
Давайте посмотрим, как рассчитать сопротивления резисторов и как это работает на простом примере. Пусть напряжение питания устройства равно 5 В, полярность положительная. На вход подаются импульсы треугольной формы отрицательной полярности. "Нулевой уровень" входного сигнала -0.5 В, амплитуда импульсов 3 В. То есть, максимальное отрицательное напряжение на входе устройства будет равно -3.5 В.
Расчет нужно начинать именно с максимального (пикового) напряжения на входе устройства
Почему ток через резисторы делителя является одним из исходных параметров? Если входное сопротивление устройства бесконечно велико, как мы пока считаем, максимальный ток через делитель определяется выходным сопротивлением (и возможностями) источника сигнала. С точки зрения источника сигнала этот ток будет втекающим (вытекающим, с точки зрения устройства). И этот ток не должен вызывать проблем в работе источника сигнала. Я принял, в данном примере, что допустимым является ток 0.1 мА.
В случае конечного и, возможно, не самого большого входного сопротивления устройства, ток через делитель должен быть много больше тока через вход устройства (что бы могли не учитывать его влияние) . Разумеется, при этом сохраняется требование допустимости тока через делитель для источника сигнала.
Максимальное (пиковое) значение напряжения сигнала должно соответствовать 0 на входе устройства. Именно исходя из этого условия и следует, что ток через делитель должен создавать на R1 падение напряжения равное напряжению источника питания, а на R2 падение напряжения равное максимальному (отрицательному) уровню напряжения сигнала. Так -3.5 В, из нашего примера, превращаются в 0 В на входе устройства.
Как видите, здесь нет ничего сложного. Но какое напряжение будет на входе устройства при "нулевом уровне" сигнала? Здесь тоже нет ничего сложного
Как видите, амплитуда сигнала на входе устройства уменьшилась, что неизбежно при использовании делителя напряжения. Наш результат получается таким
Да, такое решение не является идеальным, так как уменьшает амплитуду сигнала на входе устройства. Зато оно очень простое, поэтому и довольно распространенное. А снижение амплитуды можно или учесть при разработке устройства, или компенсировать дополнительным каскадом усиления. Например, так
Я сохранил обозначения резисторов, чтобы было видно, что это тот же самый метод, который мы рассматривали ранее. Да, схема усложнилась, но такое усложнение требуется далеко не всегда. Если не нужна линейность, то можно убрать резистор в цепи эмиттера транзистора и подключить эмиттер напрямую к +Uп. Например, если требуется просто фиксировать факт появления входного импульса, без учета его амплитуды.
Я уже говорил в начале статьи, что нам неважно, что за сигнал. Например, таким способом можно контролировать состояние дополнительного источника отрицательного напряжения, которое используется для питания ОУ аналоговой части устройства, с помощью микроконтроллера, управляющего работой устройства в целом. При этом входной сигнал будет не импульсом, а постоянным уровнем.
Этот же способ можно использовать для двухполярного входного сигнала. Например, в блоке управления зажиганием мотоцикла, о котором я рассказывал в статье
его разработчиками использовался именно такой метод работы с импульсами отрицательной полярности. Как разделялись импульсы положительной и отрицательной полярности мы сегодня не будем рассматривать, это не является темой статьи.
Заключение
Сегодня мы рассматривали очень простой вопрос, поэтому и статья получилась простая и короткая. Основной целью было не столько показать, как с помощью банального делителя можно изменить не только диапазон напряжений сигнала, но и его полярность, сколько показать, что кажущиеся очень сложными (для новичков) вопросы зачастую решаются самыми простыми способами.
И показать, что знать нужно не только электронику, но и электротехнику, причем даже не ТОЭ. А иногда бывает достаточно простого курса школьной физики. Ведь мы сегодня использовали только закон Ома (и правила Кирхгофа, но совсем чуть чуть и косвенно).