Zbuduj generator zadanej liczby impulsów - opis działania, schematy i montaż

Do czego to służy generator impulsów?

Opisywany układ zadaną liczbę razy zwiera i rozwiera styki przekaźnika. Użytkownik może wybrać, ile takich impulsów ma powstać – od jednego do ośmiu. Po wykonaniu swojego zadania zatrzymuje się, aż do ponownego włączenia zasilania lub wciśnięcia przycisku zerującego. Czas trwania impulsu oraz przerwy między nimi można regulować potencjometrami.

Przykładowo, można załączać przekaźnik na 1 minutę, po czym wyłączać go na 3 minuty. Układ wykona zadaną liczbę takich cykli (np. 4 lub 7), po czym układ przejdzie do stanu spoczynku. Inaczej niż w przypadku układów astabilnych (np. na popularnym NE555), które „kłapią” przekaźnikiem tak długo, jak długo mają dostarczane zasilanie.

Układ jest przystosowany do zasilania napięciem 12V prądu stałego.

Generator impulsów - Jak to działa?

Schemat układu można zobaczyć na rysunku 1. Składa się wyłącznie z prostych układów cyfrowych oraz niewielkiej liczby elementów dyskretnych.

Sygnał prostokątny, który cyklicznie przełącza cewkę przekaźnika, jest generowany przez dobrze znany układ typu NE555. Jedyną modyfikacją, w porównaniu z typową aplikacją, jest sterowanie wejściem zerującym (nóżka 4) przez zewnętrzny obwód, o czym dalej.

Rys.1 Generator zadanej liczby impulsów - schemat

Potencjometry P1 i P2 służą do regulacji czasu trwania stanu niskiego i wysokiego w wyjściowym sygnale. Minimalne czasy trwania stanu niskiego i wysokiego to odpowiednio 3,3s oraz 6,5s. Z kolei wartości maksymalne tych czasów to 5,5min oraz 7min. W tej aplikacji wypełnienie zawsze będzie większe od 50%, tj. czas trwania stanu wysokiego będzie dłuższy od czasu trwania stanu niskiego.

Do zliczania impulsów służy licznik dziesiętny Johnsona w postaci układu CD4017. Jego wejście zegarowe jest sterowane z układu 555 poprzez negator – po to, aby przeskok wartości o 1 nastąpił po wygenerowaniu jednego, pełnego okresu. W przypadku CD4017 następuje to na zboczu narastającym sygnału zegarowego.

Wyjścia układu US3 załączają diody LED, sygnalizujące aktualną liczbę w pełni odliczonych impulsów. Domyślnie świeci się LED1, która potem przełącza się na LED2 itd. Rezystory ograniczają prąd przez nie płynący do ok. 4,5mA, co w zupełności wystarcza do wyraźnego świecenia. Każda dioda ma indywidualny rezystor: gdyby połączyć wszystkie katody razem, na wygaszonych diodach odkładałoby się napięcie zaporowe o wartości ok. 10V. To mogłoby doprowadzić do przebicia ich złączy i niepotrzebnego obciążania wyjścia układu CD4017.

Z wyjściami Q1…Q8 układu US2 sprzęgnięty jest przełącznik typu dip- -switch, który umożliwia wybór liczby pełnych impulsów do wytworzenia przez układ. Zwarta ma być tylko jedna sekcja – w przeciwnym razie zwarte byłyby ze sobą wyjścia o odmiennych stanach logicznych, co jest niedopuszczalne. Rezystor R4 wstępnie polaryzuje „wyjście” tego selektora potencjałem masy, co zapobiega losowemu działaniu układu podczas manewrowania suwakami przełącznika.

Dopóki na wybranym wyjściu panuje stan niski, układ pracuje normalnie, tj. reaguje na impulsy z układu US1. Kiedy jednak „doliczy” do tego wyjścia, stan logiczny wejścia ENA (nóżka 13) zmienia się na wysoki, co blokuje dalsze impulsy z układu czasowego.

Kondensator C4 ma na celu „zakolejkowanie” tych sygnałów, czyli wprowadza niewielkie opóźnienie w nadejściu impulsu blokującego (zmiana stanu wejścia ENA z 0 na 1) po odliczeniu ostatniego impulsu (zmiana stanu wejścia CLK z 0 na 1). Bez niego układ potrafi działać losowo, ponieważ blokuje wejście ENA w momencie, kiedy napięcie na wejściu CLK jeszcze narasta, co niekiedy doprowadza do błędnych zliczeń. Jego dodanie daje pewność, że najpierw ustali się stan logiczny na wejściu CLK oraz stany logiczne na wyjściach Q0…Q9, a dopiero potem układ zablokuje dalsze liczenie.

Jak niewielka jest to zwłoka, można przekonać się, patrząc na rysunek 2. Zawiera przebieg czasowy napięcia, które narasta na wejściu ENA. Czas narastania wynosi zaledwie kilka mikrosekund (skala 2μs/działkę), ale to w pełni wystarcza, aby układ działał prawidłowo. Ponieważ układ 555 generuje przebiegi o czasie trwania rzędu sekund lub minut, nie istnieje ryzyko nadejścia w tym czasie kolejnego impulsu.

Rys.2 Przebieg czasowy napięcia narastającego na wejściu ENA

Bramki US2C i US2D tworzą prosty układ kombinacyjny, który steruje załączaniem przekaźnika. Jeżeli stan logiczny linii ENA jest niski, a linii INPUT wysoki, to potencjał wyjścia US2D staje się niski, co załącza cewkę przekaźnika. Jeżeli którykolwiek z tych warunków nie jest spełniony (np. układ zablokował się, dając na linii ENA stan wysoki), przekaźnik zostaje wyłączony.

Zworka JP1 służy do tego, aby wybrać, przy jakim stanie wyjścia układu 555 ma się odbyć zwarcie styków przekaźnika. Jeżeli zostaną zwarte wyprowadzenia 2 i 3, wtedy wystąpi reakcja na stan wysoki, czyli dłuższy odcinek czasu generowany przez 555. Spowoduje to też, że najpierw przekaźnik załączy się, potem wyłączy i przy kolejnym załączeniu układ odnotuje odliczenie impulsu. Jeżeli zaś zewrzemy wyprowadzenia 1 i 2, oznacza to reakcję na stan niski, czyli ten „krótszy”. Wtedy też przekaźnik będzie najpierw wyłączony, potem załączy się, a impuls zostanie zaliczony przy rozwieraniu się jego styków.

Obwód R6+C5 jest odpowiedzialny za wyzerowanie układu czasowego 555 oraz licznika 4017 tuż po włączeniu zasilania. Ten drugi układ zeruje się przy niskim stanie logicznym, toteż konieczne było dodanie inwertera w postaci bramki NAND ze zwartymi wejściami. Zwiększa ona również szybkość narastania napięcia na wejściu układu scalonego, które nie jest wyposażone w przerzutnik Schmitta.

Przycisk SW2 może rozładować kondensator C5, co umożliwia ręczne wyzerowanie całego układu w dowolnej chwili. Wartość rezystora R5 nie jest kluczowa – on jedynie ogranicza prąd płynący przez styki mikroprzycisku, aby energia pochodząca z rozładowywanego kondensatora nie uszkodziła ich. Dioda D1 szybko rozładowuje kondensator po wyłączeniu zasilania, odprowadzając zgromadzony w nim ładunek do linii zasilającej.

Przekaźnik zostaje załączony po nasyceniu tranzystora T1, które jest możliwe przy niskim stanie logicznym wyjścia bramki US2D. Dioda D2 zabezpiecza tranzystor przed uszkodzeniem, które mogłoby nastąpić w momencie rozłączania się styków przekaźnika: kiedy przepływ prądu przez cewkę zostaje nagle przerwany, odpowiada ona wysokim napięciem na swoich zaciskach. Dioda otwiera się, przez co prąd płynący przez cewkę znajduje dla siebie drogę, a energia w niej zgromadzona zostaje prawidłowo rozproszona.

Użyty przekaźnik ma jeden styk przełączny. Jeżeli cewka jest wyłączona, zwarte są COM z NC. Jeżeli zaś przekaźnik został załączony, to zwarte są COM z NO.

Rys.3 Schemat płytki montażowej generatora zadanej liczby impulsów

Montaż i uruchomienie generatora impulsów 

Układ prototypowy został zmontowany na dwustronnej płytce drukowanej o wymiarach 70×70mm, której wzór ścieżek i schemat montażowy przedstawia rysunek 3. W odległości 3mm od krawędzi płytki znalazły się otwory montażowe. Wszystkie użyte elementy są w obudowach do montażu przewlekanego. Ponieważ odległości między nimi są niewielkie, proponuję rozpocząć montaż od najniższych (rezystory, diody D1, D2) aż do coraz wyższych. Pod układy scalone polecam zastosować podstawki. Ścieżki łączące przekaźnik z listwą zaciskową J1 zostały odsłonięte spod soldermaski, aby można je było pogrubić np. przy użyciu cyny i drucika.

Prawidłowo zmontowany układ zaczyna działać od razu po podłączeniu zasilania do zacisków złącza J2. Układ został przewidziany do pracy z napięciem zasilającym o wartości 12V. Pobór prądu zależy od stanu przekaźnika: 10mA przy wyłączonej cewce i 40mA przy załączonej.

Potencjometrem P1 ustala się czas trwania stanu wysokiego na wyjściu układu 555, zaś P2 (razem z P1) ustala czas trwania całego okresu. Skręcając ślizgacz w prawo, można uzyskać wartość minimalną, a w lewo maksymalną. Należy przy tym pamiętać, że pierwszy impuls stanu wysokiego jest dłuższy od poprzednich ze względu na konieczność naładowania kondensatora C1 od zera.

Rys.4 Zobrazowanie działania układu–funkcjonowanie potencjometrów oraz wskazań diod LED

Przed włączeniem zasilania należy nałożyć zworkę JP1 i zewrzeć dokładnie jedną sekcję przełącznika SW1, gdzie numerek na jego obudowie oznacza liczbę impulsów do wygenerowania. Po włączeniu zasilania powinna świecić się dioda LED1, oznaczająca zerową liczbę zakończonych impulsów – układ jest wyzerowany. W zależności od położenia zworki JP1, przekaźnik będzie zwarty lub nie. Kiedy układ „doliczy” do wybranej wartości, zatrzyma się.

Zobrazowanie działania układu – funkcjonowanie potencjometrów oraz wskazań diod LED – znajduje się na rysunku 4. Zawiera dwa różne wykresy, zależnie od stanu zworki JP1. Na osiach pionowych wykresów został umieszczony stan przekaźnika.

Modyfikując pojemność kondensatora C1 oraz rezystancję gałęzi R1+P1 i R2+P2 można uzyskać inne długości czasu wytwarzane przez układ 555.