Giải thích 2 mạch hẹn giờ thời lượng dài tốt nhất

Trong bài đăng này, chúng ta tìm hiểu cách tạo 2 mạch hẹn giờ thời lượng dài chính xác từ 4 giờ đến 40 giờ, có thể được nâng cấp thêm để có độ trễ lâu hơn nữa. Các khái niệm là hoàn toàn có thể điều chỉnh .

Bộ đếm thời gian trong điện tử về cơ bản là một thiết bị được sử dụng để tạo ra khoảng thời gian trễ để chuyển đổi tải được kết nối. Thời gian trễ do người dùng đặt bên ngoài theo yêu cầu.

Giới thiệu

Hãy nhớ rằng bạn không bao giờ có thể tạo ra độ trễ chính xác kéo dài nếu chỉ sử dụng một IC 4060 hoặc bất kỳ IC CMOS nào.

Tôi đã xác nhận thực tế rằng sau 4 giờ IC 4060 bắt đầu lệch khỏi phạm vi chính xác của nó.

IC 555 như một bộ định thời gian trễ thậm chí còn tệ hơn, gần như không thể có được độ trễ chính xác dù chỉ một giờ từ IC này.

Sự không chính xác này chủ yếu là do dòng điện rò rỉ của tụ điện và quá trình phóng điện của tụ điện không hiệu quả.

Các IC như 4060, IC 555, v.v. về cơ bản tạo ra các dao động có thể điều chỉnh ngay từ vài Hz đến nhiều Hz.

Trừ khi những IC này được tích hợp với một thiết bị đếm bộ chia khác như IC 4017 , việc nhận được khoảng thời gian chính xác rất cao có thể không khả thi. Để nhận được 24 giờ, hoặc thậm chí ngày và tuần khoảng thời gian, bạn sẽ có một giai đoạn tích hợp bộ chia / bộ đếm như được hiển thị bên dưới.

Trong mạch đầu tiên, chúng ta thấy cách hai chế độ khác nhau của IC có thể được kết hợp với nhau để tạo thành một mạch hẹn giờ thời gian dài hiệu quả.

1) Mô tả mạch

Đề cập đến sơ đồ mạch.

1. IC1 là một IC đếm dao động bao gồm một giai đoạn dao động tích hợp và tạo ra các xung đồng hồ với các chu kỳ khác nhau trên các chân của nó 1,2,3,4,5,6,7,9,13,14,15.
2. Đầu ra từ chân 3 tạo ra khoảng thời gian dài nhất và do đó chúng tôi chọn đầu ra này để cấp cho giai đoạn tiếp theo.
3. Nồi P1 và tụ điện C1 của IC1 có thể được sử dụng để điều chỉnh khoảng thời gian tại chân 3 của nó.
4. Cài đặt của các thành phần trên càng cao thì khoảng thời gian ở chân số 3 càng dài.
5. Giai đoạn tiếp theo bao gồm bộ đếm thập kỷ IC 4017 không làm gì khác ngoài việc tăng khoảng thời gian thu được từ IC1 lên mười lần. Có nghĩa là nếu khoảng thời gian được tạo ra bởi chân số 3 của IC1 là 10 giờ, thì thời gian được tạo ra ở chân số 11 của IC2 sẽ là 10 * 10 = 100 giờ.
6. Tương tự nếu thời gian được tạo ra ở chân số 3 của IC1 là 6 phút, có nghĩa là đầu ra cao từ chân số 11 của IC1 sau 60 phút hoặc 1 giờ.
7. Khi nguồn được bật ON, tụ điện C2 đảm bảo rằng các chân đặt lại của cả hai IC được đặt lại một cách thích hợp, để các IC bắt đầu đếm từ 0 thay vì từ một số hình trung gian không liên quan.
8. Miễn là quá trình đếm tiến triển, chân số 11 của IC2 vẫn ở mức logic thấp, do đó trình điều khiển rơle được giữ ở trạng thái TẮT.
9. Sau khi thời gian cài đặt hết hiệu lực, chân số 11 của IC2 đi lên cao kích hoạt giai đoạn bóng bán dẫn / rơle và tải tiếp theo được kết nối với các tiếp điểm rơle.
10. Diode D1 đảm bảo rằng đầu ra từ chân số 11 của IC2 khóa đếm IC1 bằng cách cung cấp tín hiệu chốt nguồn cấp dữ liệu trở lại tại chân số 11 của nó.
    Do đó, toàn bộ bộ hẹn giờ sẽ chốt cho đến khi bộ hẹn giờ TẮT và khởi động lại lần nữa để lặp lại toàn bộ quá trình.

Danh sách các bộ phận

R1, R3 = 1M
R2, R4 = 12K,
C1, C2 = 1uF / 25V,
D1, D2 = 1N4007,
IC1 = 4060,
IC2 = 4017,
T1 = BC547,
POT = 1M tuyến tính
RELAY = 12V SPDT

Bố cục PCB

Công thức tính toán độ trễ đầu ra cho IC 4060

Khoảng thời gian trễ = 2,2 Rt.Ct.2 (N -1)

Tần số = 1 / 2,2 Rt.Ct

Rt = P1 + R2

Ct = C1

R1 = 10 (P1 + R2)

Thêm công tắc bộ chọn và đèn LED

Thiết kế trên có thể được cải tiến hơn nữa với một công tắc bộ chọn và các đèn LED tuần tự, như được chỉ ra trong sơ đồ sau:

Làm thế nào nó hoạt động

Phần tử chính của mạch thời gian là một thiết bị 4060 CMOS, được tạo thành từ một bộ dao động cùng với một bộ chia 14 giai đoạn.

Tần số của bộ dao động có thể được điều chỉnh thông qua chiết áp P1 để đầu ra tại Q13 là xung quanh một xung đơn mỗi giờ.

Khoảng thời gian của nhịp đồng hồ này có thể cực kỳ nhanh chóng (khoảng 100 ns), vì nó cũng đặt lại toàn bộ IC 4060 bằng cách diode D8.

Xung đồng hồ 'một lần mỗi giờ' được cấp cho bộ đếm thứ 2 (chia cho 10), IC 4017. Một trong số các đầu ra của bộ đếm này sẽ ở mức logic cao (logic một) tại bất kỳ thời điểm nào cho trước.

Khi 4017 được đặt lại, đầu ra Q0 tăng cao. Ngay sau một giờ, đầu ra Q0 sẽ chuyển sang mức thấp và đầu ra Q1 có thể trở nên cao, v.v. Kết quả là chuyển S1 cho phép người dùng chọn khoảng thời gian từ một đến sáu giờ.

Khi đầu ra đã chọn trở nên cao, bóng bán dẫn sẽ tắt và rơle được TẮT (do đó tắt tải được kết nối).

Sau khi đầu vào kích hoạt của 4017 được gắn thêm vào thanh gạt của S1, bất kỳ xung đồng hồ tiếp theo nào sẽ không có tác động đến bộ đếm ihe. Do đó, thiết bị sẽ tiếp tục ở trạng thái TẮT chuyển đổi cho đến khi công tắc đặt lại được người dùng đặt trước.

IC đệm CMOS 4050 cùng với 7 đèn LED được kết hợp để cung cấp chỉ báo về phạm vi giờ về cơ bản có thể đã trôi qua. Rõ ràng, những bộ phận này có thể bị loại bỏ trong trường hợp không cần thiết phải hiển thị thời gian đã trôi qua.

Điện áp nguồn cho mạch này không thực sự quan trọng và có thể bao phủ bất cứ thứ gì từ 5 đến 15 V, Dòng điện sử dụng của mạch, không bao gồm rơ le, sẽ nằm trong khoảng 15 mA.

Nên chọn điện áp nguồn có thể phù hợp với thông số kỹ thuật của rơ le, để đảm bảo tránh được bất kỳ sự cố nào. Bóng bán dẫn BC 557 có thể xử lý dòng điện 70 mA, vì vậy hãy đảm bảo điện áp cuộn dây rơle được đánh giá trong phạm vi dòng điện này

2) Chỉ sử dụng BJT

Thiết kế tiếp theo giải thích một mạch hẹn giờ thời lượng rất dài chỉ sử dụng một vài bóng bán dẫn cho các hoạt động dự định.

Các mạch hẹn giờ thời gian dài thường liên quan đến các IC để xử lý vì việc thực hiện các độ trễ trong thời gian dài đòi hỏi độ chính xác và độ chính xác cao mà chỉ có thể sử dụng IC.

Đạt được độ trễ chính xác cao

Ngay cả IC 555 của chính chúng ta cũng trở nên bất lực và không chính xác khi có sự chậm trễ trong thời gian dài.

Gặp phải khó duy trì độ chính xác cao với thời gian dài thời hạn về cơ bản là vấn đề điện áp rò rỉ và sự phóng điện không nhất quán của các tụ điện dẫn đến ngưỡng khởi động sai cho bộ hẹn giờ tạo ra lỗi trong thời gian cho mỗi chu kỳ.

Các sự cố rò rỉ và phóng điện không nhất quán trở nên lớn hơn một cách tương ứng khi các giá trị của tụ điện lớn hơn, điều này trở nên bắt buộc để có được khoảng thời gian dài.

Do đó, việc tạo ra bộ hẹn giờ thời lượng dài với các BJT thông thường gần như là không thể vì chỉ riêng các thiết bị này đã có thể quá cơ bản và không thể được mong đợi cho các triển khai phức tạp như vậy.

Vì vậy, làm thế nào một mạch Transistor có thể tạo ra các khoảng thời gian chính xác dài?

Mạch bóng bán dẫn sau đây xử lý các vấn đề đã thảo luận ở trên một cách đáng tin cậy và có thể được sử dụng để thu được thời gian dài với độ chính xác cao hợp lý (+/- 2%).

Đơn giản là do tụ điện xả hiệu quả trên mỗi chu kỳ mới, điều này đảm bảo rằng mạch bắt đầu từ 0 và cho phép các khoảng thời gian giống hệt nhau chính xác cho mạng RC đã chọn.

Sơ đồ mạch

Có thể hiểu mạch này với sự trợ giúp của thảo luận sau:

Làm thế nào nó hoạt động

Nhấn nút nhấn trong giây lát sẽ sạc đầy tụ điện 1000uF và kích hoạt bóng bán dẫn NPN BC547, duy trì vị trí ngay cả sau khi công tắc được nhả ra do sự phóng điện chậm của 1000uF qua điện trở 2M2 và bộ phát NPN.

Việc kích hoạt BC547 cũng sẽ BẬT PNP BC557, lần lượt chuyển đổi BẬT rơ le và tải được kết nối.

Tình trạng trên vẫn tiếp diễn miễn là 1000uF không được phóng ra dưới mức cắt của hai bóng bán dẫn.

Các thao tác đã thảo luận ở trên là khá cơ bản và tạo ra một cấu hình hẹn giờ thông thường có thể quá không chính xác với hiệu suất của nó.

Cách hoạt động của 1K và 1N4148

Tuy nhiên, việc bổ sung mạng 1K / 1N4148 ngay lập tức biến mạch thành một bộ đếm thời gian dài cực kỳ chính xác vì những lý do sau.

Liên kết 1K và liên kết 1N4148 đảm bảo rằng mỗi khi các bóng bán dẫn phá vỡ chốt do điện tích không đủ trong tụ điện, điện tích dư bên trong tụ điện buộc phải phóng hết qua liên kết điện trở / diode nói trên thông qua cuộn dây rơle.

Tính năng trên đảm bảo rằng tụ điện được xả hoàn toàn và trống rỗng trong chu kỳ tiếp theo và do đó có thể tạo ra một khởi đầu sạch từ số không.

Nếu không có tính năng trên, tụ điện sẽ không thể phóng điện hoàn toàn và điện tích dư bên trong sẽ tạo ra các điểm bắt đầu không xác định làm cho các quy trình không chính xác và không nhất quán.

Mạch có thể được nâng cao hơn nữa bằng cách sử dụng một cặp Darlington cho NPN, cho phép sử dụng các điện trở có giá trị cao hơn nhiều ở cơ sở của nó và các tụ điện có giá trị thấp tương ứng. Các tụ điện có giá trị thấp hơn sẽ tạo ra rò rỉ thấp hơn và giúp cải thiện độ chính xác về thời gian trong khoảng thời gian đếm dài.

Cách tính giá trị thành phần cho thời gian trễ dài mong muốn:

Vc = Vs (1 - e^{-t / RC})

Ở đâu:

1. Ulà điện áp trên tụ điện
2. Vslà điện áp cung cấp
3. tlà thời gian trôi qua kể từ khi áp dụng điện áp nguồn
4. RClà thời gian cố định của mạch sạc RC

Thiết kế PCB

Bộ hẹn giờ thời lượng dài sử dụng Op Amps

Nhược điểm của tất cả các bộ định thời tương tự (mạch đơn ổn) là, trong nỗ lực đạt được khoảng thời gian khá dài, hằng số thời gian RC cần phải tương ứng đáng kể.

Điều này chắc chắn ngụ ý các giá trị điện trở lớn hơn 1 M, điều này có thể dẫn đến sai lầm về thời gian do điện trở rò rỉ đi lạc trong mạch, hoặc tụ điện đáng kể, tương tự có thể tạo ra các vấn đề về thời gian vì điện trở rò rỉ của chúng.

Mạch hẹn giờ op amp được hiển thị ở trên đạt được khoảng thời gian gấp 100 lần so với những mạch có thể truy cập bằng mạch thông thường.

Nó đạt được điều này bằng cách giảm dòng điện sạc tụ điện xuống hệ số 100, do đó cải thiện đáng kể thời gian sạc mà không yêu cầu tụ điện sạc giá trị cao. Mạch hoạt động theo cách sau:

Khi nhấp vào nút khởi động / đặt lại, C1 bị phóng điện và điều này khiến đầu ra của IC1 op amp, được cấu hình như một bộ theo điện áp, trở thành 0 volt. Đầu vào đảo ngược của IC2 so sánh ở mức điện áp giảm hơn so với đầu vào không đảo, do đó đầu ra của IC2 di chuyển cao.

Điện áp xung quanh R4 là khoảng 120 mV, có nghĩa là C1 sạc qua R2 với dòng điện xấp xỉ 120 nA, thấp hơn 100 lần so với mức có thể đạt được trong trường hợp R2 được gắn trực tiếp vào nguồn dương.

Không cần phải nói, nếu C1 đã được sạc qua 120 mV nhất quán, nó có thể nhanh chóng đạt được điện áp này và ngừng sạc thêm nữa.

Tuy nhiên, cực dưới của R4 được đưa trở lại đầu ra của IC1 đảm bảo rằng khi điện áp trên C1 tăng lên thì điện áp đầu ra và do đó điện áp sạc được cấp cho R2.

Khi điện áp đầu ra tăng lên xấp xỉ 7,5 vôn, nó sẽ vượt qua điện áp được quy chiếu tại đầu vào không đảo của IC2 bởi R6 và R7, và đầu ra của IC2 trở nên thấp.

Một lượng nhỏ phản hồi tích cực do R8 cung cấp ngăn chặn bất kỳ loại nhiễu nào tồn tại trên đầu ra của IC1 không được IC2 thúc đẩy khi nó di chuyển từ điểm kích hoạt, bởi vì điều này thường tạo ra xung đầu ra sai. Độ dài thời gian có thể được tính theo phương trình:

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

Điều này có vẻ hơi phức tạp, nhưng với số bộ phận được chỉ ra, khoảng thời gian có thể được đặt miễn là 100 C1. Ở đây C1 nằm trong microfarads, giả sử nếu C1 được chọn là 1 µ thì khoảng thời gian đầu ra sẽ là 100 giây.

Từ phương trình, rất rõ ràng rằng có thể thay đổi tuyến tính khoảng thời gian bằng cách thay R2 bằng chiết áp 1 M hoặc theo phương pháp logarit bằng cách sử dụng nồi 10 k thay cho R6 và R7.