Типовой входной ток микросхемы CD4011 – КМОП логического элемента «И-НЕ» – при комнатной температуре равен 10 пА. Конденсатор, подключенный к входу логического элемента, можно заряжать токами порядка сотен пикоампер и пренебречь влиянием входного тока на время зарядки конденсатора. Для ограничения тока до такого низкого уровня обычно требуются резисторы с большим сопротивлением. Такие резисторы труднодоступны. Вместо этого в качестве аттенюатора тока можно использовать транзистор, несмотря на его более привычное усилительное назначение.
В схеме на Рисунке 1 используется микросхема CD4011, содержащая четыре логических элемента «И-НЕ», которые можно использовать для создания четырех независимых таймеров большой длительности. Однако следует отметить, что на временные характеристики влияют колебания температуры и параметры компонентов, что может быть приемлемым, если точность выдержки не имеет значения, и нужна только простая схема без электролитических конденсаторов и резисторов большой емкости.
 |
|
| Рисунок 1. | Источник постоянного тока и делитель тока позволяют уменьшить ток времязадающего конденсатора до низкого уровня, чтобы увеличить время зарядки. |
Падения напряжения на последовательно соединенных диодах D1 и D2 смещают транзистор источника тока Q1. При этом напряжение на резисторе R1 меньше напряжения на диодах на величину напряжения перехода база-эмиттер транзистора Q1 и задает ток коллектора Q1, который также является током эмиттера Q2. Результирующий ток базы транзистора Q2, равный току эмиттера, деленному на коэффициент передачи тока, заряжает времязадающий конденсатор C1.
Перед началом отсчета времени выходной сигнал логического элемента имеет высокий уровень, который смещает транзисторы Q3 и Q1, позволяя конденсатору C1 заряжаться через база-эмиттерный переход Q2. Благодаря этому входное напряжение логического элемента удерживается на уровне ниже порога переключения, и его выходное напряжение остается высоким. Кратковременное замыкание и последующее отпускание кнопки S1 начинает разрядку C1, запуская отсчет времени. Уровень выхода логического элемента становится низким, обеспечивая выключение транзистора Q3, что позволяет транзисторам Q1 и Q2 медленно заряжать конденсатор C1 постоянным током. Ток, потребляемый логическим элементом от источника питания, несколько возрастает по мере удаления входного напряжения от 5 В.
Когда напряжение на разряжающемся конденсаторе C1 достигает порога переключения логического элемента, равного примерно 2.5 В, выходное напряжение логического элемента начинает расти, включая транзистор Q3. В результате ток через Q1 и Q2 увеличивается, что приводит к насыщению Q2 и ускорению зарядки C1. Эта положительная обратная связь обеспечивает гистерезис, необходимый для завершения зарядки C1 и восстановления высокого уровня на выходе логического элемента.
Линейная регулировка времени резистором R1 невозможна из-за изменений коэффициента передачи тока транзистора. Построенная и протестированная схема продемонстрировала линейную зависимость от емкости времязадающего конденсатора C1, значение которой для требуемого времени можно подобрать экспериментально. Определив время для короткого интервала, например, для конденсатора емкостью 10 или 100 нФ, вы можете использовать эту информацию для масштабирования до более длительных интервалов. В тестируемой схеме сопротивление потенциометра R1, установленное на 1 МОм, и емкость C1, равная 10 нФ, дают время 10 с; значение C1, равное 100 нФ, увеличивает время до 100 с.
Примечания редактора EDN
Создание слаботочной схемы – непростая задача. Некоторые типы флюсов для пайки печатных плат могут становиться проводящими, разрушая ожидания того, что должно быть ничтожным током. Рассмотрите возможность соединения выводов коллектора и эмиттера транзистора Q1, а также базы и эмиттера транзистора Q2 «на весу», чтобы не устанавливать их на плату.
Токи утечки транзисторов и коэффициенты передачи тока сильно различаются от устройства к устройству и зависят от температуры. Эти различия могут привести к тому, что ток и время зарядки конденсатора будут существенно отличаться от ожидаемых значений. Хотя типовой входной ток CD4011 при комнатной температуре составляет 10 пА, он может достигать 100 нА и увеличиваться до 1 мкА при высокой температуре. Аналогично, максимум тока утечки коллектор-база транзистора может составлять 15 нА при комнатной температуре и 125 мкА при высокой температуре, причем он примерно удваивается при повышении температуры на каждые 10 °C. Для решения этой проблемы может потребоваться ручной подбор транзисторов и входных токов CD4011 или других устройств. Кроме того, не забудьте привязать любые другие неиспользуемые входы логических элементов CD4011 к земле или 5 В, чтобы избежать проблем с плавающими входами.
Не устанавливайте сопротивление R1 настолько низким, чтобы транзисторы Q1 или Q2 насыщались в течение выдержки времени; они должны оставаться в линейной области, определяемой сопротивлением резистора в коллекторе Q2. Времязадающий конденсатор C1 должен иметь высококачественный диэлектрик с низкой утечкой, например, полиэстер; проверьте характеристики утечки для конденсаторов того размера и типа, которые вы собираетесь использовать, на предмет пригодности для работы при низких уровнях тока.
