Тахометр на микросхеме lm3914
Микросхемы LM3914, LM3915 и LM3916 фирмы National Semiconductors позволяют строить светодиодные индикаторы с различными характеристиками — линейной, растянутой линейной, логарифмической, специальной для контроля аудиосигнала.
Микросхема LM3914 предназначена для построения индикаторов с линейной шкалой, и все резисторы ее делителя имеют одинаковое сопротивление. У микросхемы LM3915 делитель рассчитан так, что включение каждого последующего светодиода происходит при увеличении напряжения входного сигнала в√2 раз (на 3 дБ), что удобно для контроля мощности УМЗЧ. Микросхема LM3916 специально предназначена для контроля уровня аудиосигнала. Шаг индикации у нее составляет 1 дБ в верхней части шкалы и увеличивается до 3 и 10 дБ в нижней части. В табл. 1 приведены уровни входного сигнала, включающего соответствующий светоди-од, при нормировании на максимальное напряжение 10 В.
Уровни в последней колонке приведены для случая использования микросхемы LM3916 для диапазона индикации -20…+3 дБ.
Микросхемы содержат источник опорного напряжения с номинальным значением 1,25 В. Путем подключения двух внешних резисторов напряжение может быть установлено любой большей величины, не превышающей на 2 В ниже напряжения питания, но не более 12 В. Подключение резисторов и расчет опорного напряжения осуществляется так же, как для микросхемы LM317 (КР142ЕН12):
Uоп = (R2/R1+1)x1,25В + I8R2,
где R1 — сопротивление резистора, подключенного между выводами 7 и 8, R2 — сопротивление резистора, подключенного между выводом 8 и общим проводом, I8 — вытекающий ток вывода 8, составляющий около 100 мкА.
Переключение между режимами «точка» и «столбик» производится управлением по выводу 9. При подключении этого вывода к плюсу источника питания микросхемы (вывод 3) реализуется режим «столбик», если же вывод оставить свободным или подключить к общему проводу — «точка». Порог переключения между режимами примерно на 100 мВ ниже напряжения на выводе питания 3.
Параметры микросхемы LM3914 приведены в табл. 2.
Типовая схема подачи входного сигнала на микросхему показана на рис. 2. Сопротивление резистора R1 выбирают в соответствии с уровнем входного сигнала UMAX, при котором должен включаться верхний светодиод шкалы, по формуле:
R1 = R2(UMAX/1.25-1).
Установка необходимого напряжения внутреннего источника проиллюстрирована на рис. 5. Как уже указывалось выше, напряжение питания микросхемы должно по крайней мере на 2 В превышать напряжение опорного источника. Если напряжение на выводе 4 микросхемы (UH) установить отличным от нуля, можно получить растянутую линейную шкалу — от UH до UB. Такая схема включения проиллюстрирована на рис. 6. Напряжение на входе UB составляет около 1,2 В, а на входе UH подстроечным резистором R3 это может быть установлено в пределах O…UB. Если его выбрать равным 2/3 от UB, т. е. 0,8 В, а коэффициент передачи делителя R1R2 подстроенным резистором R2 установить 0,08, то диапазон индицируемых уровней составит 10,5… 15 В, точнее первому включившемуся светодиоду соответствует напряжение 10,5 В. последнему — 15 В.
Вариант получения аналогичной шкалы в вольтметре для измерения напряжения бортовой сети автомобиля приведен на рис. 7. В этом случае напряжения верхнего UB = 3,6 В и нижнего уровня UH= 2,4 В устанавливаются подстроенным резистором R4, а коэффициент передачи входного сигнала на вход UBX микросхемы, равный 0,24, — резистором R2.
Во всех рассмотренных выше вариантах индикаторов вход 9 управления «столбик/точка» был никуда не подключен, что обеспечивало индикацию в режиме «точка». Если желательна индикация «столбиком», как уже указывалось выше, вход 9 следует подключить к входу для подачи напряжения питания на микросхему (вывод 3). Однако при включении всех десяти светодиодов существенно увеличивается мощность, рассеиваемая на микросхеме, поэтому следует произвести ее контрольный расчет. Тепловое сопротивление корпуса составляет 55 °С/Вт, максимальная температура кристалла — 100 °С, что допускает максимальную мощность 1365 мВт при температуре окружающей среды 25 °С, 1100 мВт — при 40 °С, 730 мВт — при 60 °С. Если задаться током 10 мА через каждый светодиод, то суммарный ток через 10 включенных светодиодов будет 100 мА и при температуре 40 °С напряжение на выходах микросхемы не должно превышать 11 В, а напряжение питания цепей светодиодов — 12,5 В.
Если нужен больший ток через светодиоды, можно уменьшить напряжение питания светодиодов вплоть до 3 В, при этом питание микросхемы можно осуществлять от источника с большим напряжением. В случае, когда применение двух источников по каким-либо причинам неприемлемо, можно последовательно с каждым светодиодом включить ограничительный резистор, как это показано на рис. 8. Для формирования «столбика» можно все све-тодиоды соединить последовательно, а микросхему перевести в режим «точка» (рис. 9). Напряжение питания в этом случае должно определяться исходя из того, что падение напряжения на каждом светодиоде около 2 В, почти столько же должно быть на выходе 10 микросхемы, когда включены все светодиоды.
Последовательное включение свето-диодов в режиме «точка» позволяет получить интересный вариант построения индикатора. В качестве примера на рис. 10 приведена возможная схема устройства. Если светодиоды HL1—HL4 установить желтого цвета свечения (мало), HL5—HL8 — зеленого (норма), HL9, HL10— красного (перегрузка), одного взгляда на индикатор будет достаточно для оценки измеряемого параметра. Число светодиодов в каждой цепочке, число цепочек и цвета светодиодов могут быть и другими, соответствующими поставленной задаче. Такой вариант с использованием микросхемы К1003ПП1 описан автором в статье [1].
Напряжение питания микросхемы должно находиться в пределах 3…25 В. Напряжение питания светодиодов должно быть не менее 3 В и не более напряжения питания микросхемы. Источник питания микросхемы в непосредственной близости от нее должен быть зашунти-рован оксидным танталовым конденсатором емкостью не менее 2,2 мкФ или алюминиевым 10 мкФ. Возможно питание цепи светодиодов выпрямленным неотфильтрованным напряжением частотой 50 Гц, однако необходимо подключение к этой цепи такого же блокировочного конденсатора, как и к микросхеме.
При необходимости индикации числа уровней, большего 10, можно использовать несколько микросхем, соединив их каскадно, допустимо соединение до пяти микросхем. Возможный вариант соединения двух микросхем LM3914 приведен на рис. 11, следует обратить внимание на следующее. Источник опорного напряжения микросхемы DA1 работает в обычном режиме и нагружен на резистор R3, что обеспечивает ток 10 мА через подключенные к этой микросхеме светодиоды. Минусовый вывод источника микросхемы DA2 подключен к плюсовому выводу первого источника и обеспечивает между входами UB и UH микросхемы DA2 напряжение 1,2 В, «поднятое» вверх на 1,2 В. Источник микросхемы DA2 нагружен на резистор R4, что задает ток через светодиоды, подключенные к этой микросхеме, той же величины, что и через светодиоды DA1.
Для обеспечения режима «столбик» достаточно выводы 9 каждой микросхемы соединить с выводами 3. Сложнее с режимом «точка», для него необходимо гашение светодиода HL10 при включении любого из светодиодов HL11— HL20. Сигнал о необходимости гашения HL10 поступает с выхода 1 DA2 на вход 9 DA1. Если включен любой из светодиодов HL11—HL20, падение напряжения на HL1 составляет не менее 1 В, поскольку через него проходит или рабочий ток светодиода, или специально формируемый микросхемой DA2 ток порядка 150 мкА (допуск— 60…450мкА), не вызывающий заметного свечения обычных (не супе-рярких) светодиодов. Это падение сравнивается специальным компаратором микросхемы DA1 с напряжением питания светодиодов. Для подачи этого напряжения на второй вход компаратора, соединенный с выводом 11 (выход 9) DA1, служит резистор R5.
Делитель напряжения микросхемы имеет очень хорошую точность, однако для реализации потенциальных возможностей микросхемы следует тщательно подойти к разводке цепей общего провода. Ток вывода 2, который в режиме «столбик» может доходить до 300 мА, не должен протекать по проводникам, через которые подключаются нижний вывод резистивного делителя микросхемы (вывод UH)f источник входного сигнала и минус источника опорного напряжения. В режиме «столбик» по проводнику, соединяющему выводы 9 и 3, не должны протекать токи светодиодов.
Для четкой работы индикатора рекомендуется «цену деления» устанавливать не менее 20 мВ в режиме «столбик» и 50 мВ в режиме «точка».
Схема интересного варианта индикатора двуполярного напряжения приведена на рис. 12. Микросхема DA1 работает практически в стандартном режиме и формирует светящийся «столбик», высота которого пропорциональна положительному входному напряжению.
Микросхема DA2 также работает в режиме «столбик», но включена необычно. Все светодиоды, подключенные к ее выходам, получают питание через резисторы R6—R15 и гаснут при включении соответствующих выходов микросхемы. На нижний вывод UH встроенного делителя подано напряжение -1,32 В со стабилизатора на микросхеме DA3. В результате на верхнем выводе делителя UB микросхемы DA2 формируется уровень около -0,12 В, и при нулевом или положительном напряжении на входе этой микросхемы все выходы микросхемы включены и свето-диоды, подключенные к ее выходам, погашены.
При подаче на вход индикатора отрицательного напряжения, увеличивающегося по абсолютной величине, вначале выключается выход 10 и зажигается светодиод HL11, затем поочередно еще и HL12—HL20, что формирует «столбик», высота которого пропорциональна модулю отрицательного напряжения на входе.
Для обеспечения функционирования микросхем при отрицательных входных сигналах на выводы микросхем 0В для подачи минуса питания подано то же напряжение -1,32 В. Точная подстройка этого напряжения производится резистором R5.
Ток через светодиоды HL1—HL10 определяется резистором R1 и составляет около 10 мА, примерно такой же ток течет через резисторы R6—R15 и обеспечивает необходимую яркость свето-диодов HL11—HL20. Поскольку при включении выходов микросхемы DA2 напряжение на ее выходах составляет около -1 В, ток через резисторы R6— R15 увеличивается почти до 14 мА, что и определяет выбор сопротивления резистора R2.
Схема на рис. 13 иллюстрирует вариант построения вольтметра с растянутой шкалой для измерения отклонения напряжения на входе от номинального +5 В. Цена деления вольтметра — 120 мВ, полный диапазон — 4,46…5,54 В. Выходное напряжение опорного источника 1,2 В делителем R1R2 уменьшается до необходимого 1,08 В, подстроенным резистором R1 устанавливается его точное значение, а резистором R4 — начальное напряжение шкалы Uн.
Индикатор может работать как в режиме «точка», так и в режиме «столбик». Выбор режима осуществляется переключателем SA1. Светодиоды шкалы целесообразно установить разного цвета свечения, например, HL4—HL7 — зеленого; HL3, HL8 — желтого; HL1, HL2, HL9, HL10 — красного, что обеспечит эффективную индикацию отклонения напряжения от +5 В.
На рис. 16 приведена схема индикатора, работающего в режиме «столбик». Его особенностью является то, что при зажигании светодиода HL10 отрицательный перепад напряжения с выхода 10 микросхемы через конденсатор С2 и резистор R2 проходит на выход источника опорного напряжения +UREF и нагружает его. В результате яркость свечения светодиодов резко увеличивается и, как и в предыдущем варианте включения, привлекает внимание. Длительность вспышки определяется постоянной времени C2R2 и составляет около 50 мс. Так же, как и в варианте по схеме на рис. 15, элементы R2—R4, С2 могут быть подключены к любому из светодиодов индикатора.
Как указывалось выше, гашение светодиодов и их зажигание происходят относительно плавно. При необходимости можно обеспечить резкое переключение светодиодов, схема возможного варианта индикатора с резким переключением, работающего в режиме «столбик», приведена на рис. 17— Дополнительные по сравнению со стандартным включением элементы DA2, R2—R5, С2 вводят положительную обратную связь в компараторы микросхемы. Рассмотрим работу индикатора подробнее.
Если на входе UBX микросхемы нулевое напряжение, все светодиоды погашены, микросхема DA2, являющаяся стабилизатором отрицательного напряжения 1,2 В (отечественный аналог — КР142ЕН18А), обеспечивает на резисторе R5 напряжение 1,2 В, а ее потребляемый по входному выводу ток составляет около 110 мА. Этот ток создает падение напряжения на резисторе R2 около 300 мВ, и, поделенное делителем R3R4 до уровня 25 мВ, оно подается на вход UH микросхемы DA1. Это поднимает пороги переключения компараторов, управляющих светодиодами HL1— HL10, на такую же величину.
При повышении входного напряжения включается светодиод HL1. В процессе его включения ток через светодиод HL1 начинает протекать через резистор R5, и потребляемый микросхемой DA2 ток уменьшается. Это уменьшает падение напряжения на R2 и R4 и снижает порог переключения компаратора, замыкая цепь положительной обратной связи, светодиод HL1 включается скачком. При дальнейшем увеличении входного напряжения также скачком поочередно включаются остальные светодиоды. При уменьшении входного напряжения также резко светодиоды будут выключаться, гистерезис каждого порога составит 0,5… 1 мВ.
Индикатор работает в режиме «точка» с током через каждый светодиод около 30 мА. Поскольку на входе индикатора напряжение переменное, светящиеся светодиоды образуют столбик с неравномерной яркостью, по которому можно оценить как среднюю мощность на АС, так и ее амплитудное значение.
Более точный индикатор среднего или амплитудного значения можно построить с использованием выпрямителя входного сигнала. Если микросхема используется при напряжении опорного источника 10 В, пороговое напряжение для уровня -27 дБ составляет 0,447 В (см. табл. 1) и простейший выпрямитель на кремниевом диоде с «пяткой» 0,6 В даст слишком большую погрешность. Схема простого пикового детектора, обеспечивающего удовлетворительную точность в диапазоне до -30 дБ при полной шкале 10 В, приведена на рис. 19. «Пятку» диода компенсирует напряжение UБЭ транзистора VT1.
Для получения большей точности в широком диапазоне входных напряжений необходимо применять активные выпрямители с использованием ОУ. Схема несложного однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 20. Конденсатор фильтра С2 заряжается через резистор R3 и разряжается через R2 и R3, поэтому в зависимости от соотношения номиналов этих резисторов устройство может выполнять роль как выпрямителя пикового значения (номиналы указаны на рис. 20), так и среднего (номиналы резисторов R2 и R3 надо поменять местами). Этот выпрямитель вполне работоспособен в диапазоне уровней входного сигнала 60 дБ.
Для точного двухполупериодного выпрямления и сглаживания можно использовать выпрямитель среднего значения, схема которого приведена на рис. 21. При установке резисторов R1—R4 с допуском 1 % усиление положительной и отрицательной полуволн различается не более чем на 0,5 дБ. Постоянная времени усреднения определяется произведением R5C2. Небольшая модификация выпрямителя (рис. 22) обеспечивает выделение информации о пиковом значении входного сигнала. Поскольку сглаживающий конденсатор не буферизирован, этот выпрямитель, так же, как и выпрямители по схемам на рис. 19 и 20, можно нагружать только на нагрузку с большим входным сопротивлением. Микросхема LM3915 вполне соответствует необходимому требованию.
Для выпрямления входного сигнала можно применять специализированные микросхемы.
Интересная схема нуль-индикатора на микросхемах LM3915 приведена на рис. 28. Его особенностью является повышение чувствительности по мере приближения к нулевому уровню. Микросхема DA2 работает в обычном режиме при опорном напряжении 1,25 В. При входном сигнале, близком к верхнему уровню шкалы, шаг индикации примерно равен 360 мВ, а при приближении к нулю — около 20 мВ. Для подачи на вход микросхемы DA1 входное напряжение инвертируется каскадом на ОУ DA3, в результате чего и образуется нуль-индикатор. За счет подачи на вход UH обеих микросхем небольшого отрицательного напряжения можно регулировать чувствительность индикатора вблизи нуля и даже менять характер индикации, например, при нулевом напряжении на входе можно добиться или гашения свето-диодов, подключенных к выводам 1 микросхем, или их зажигания.
Аналогичные схемы с применением LM3914 уже публиковались ранее в различных источниках и данная схема (рис.1) не содержит принципиальных отличий от схем в предыдущих публикациях за исключением наличия пары входов для использования с различными типами датчиков вращения. Один из входов предназначен для работы с датчиком Холла, другой - для работы с индуктивным датчиком.
Рис.1 Принципиальная схема светодиодной шкалы-тахометра на микросхемах LM3914
Одновибратор на микросхеме U1 формирует импульсы определенной длительности (около 3мс), обеспечивая четкую работу шкалы в широком диапазоне частот (оборотов). Интегрирующая цепь (R10, PR2, C6) является простейшей реализацией преобразования частоты в напряжение, уровень которого измеряется микросхемами U2, U3, включенными параллельно по входу, но отслеживающими разные диапазоны входного напряжения за счет различных схем включения. Диапазон свечения "нижней" половины шкалы (U2, HL3-HL7, HL13-HL17) устанавливается с помощью подстроечного резистора PR3; для регулировки диапазона "верхней" половины шкалы (U4, HL8-HL12,HL18-HL22) используется подстроечный резистор PR4. Потенциометр PR2 так же может быть использован для грубой настройки диапазона шкалы. При настройке шкалы может быть использован генератор прямоугольных импульсов TTL-, KMOP-формата с диапазоном частот 10-300Гц, соответствующий диапазону вращения 300-9000об/м вала 4-цилиндрового 4-тактного ДВС. По нижнему значению частоты генератора следует добиваться начала свечения светодиода HL14 с помощью потенциометра PR3 (PR2 - при необходимости. Выбрав частоту генератора, определяющую максимальное значение рабочего диапазона шкалы, с помощью PR4 следует добиться полного свечения шкалы. Для более радикального смещения диапазона следует подобрать емкость конденсатора С6 и сопротивление резистора R14. Генератор при настройке следует подключать к входу DH. Работу входа IND можно проверить с помощью обычного понижающего трансформатора с выходным напряжением 10-60В, подключенного к осветительной сети (
Схема была собрана и опробована в работе на макетной плате в связке с цифровыми тахометрами, схемы которых были собраны так же - в макете (рис.2).
Рис.2 Шкала-тахометр в макете
Для светодиодной шкалы-тахометра была разработана печатная плата (рис.3) размером 66Х53мм. Предусмотрена установка на плату микросхемы таймера, как в DIP, так и SO-корпусе.
Рис.3 Печатная плата шкалы-тахометра
Для равномерного свечения светодиодов следует использовать параллельное светодиодам включение резисторов.
Что собой представляет микросхема LM3914 и где ее можно использовать? В этой статье мы решим этот вопрос и построим на ее базе вольтметр и измеритель уровня звука - так называемый волюметр (VU-meter).
LM3914 является десятиразрядным аналогово-цифровой преобразователем (АЦП) и предназначена для построения многоразрядных светодиодных индикаторов с линейной шкалой, визуально отображающей величину аналогового сигнала.
Состав и принцип работы
Микросхема имеет в своем составе 10 компараторов. Прямые входы этих компараторов подключаются к источнику опорного напряжения через резистивный делитель (выводы 6 и 4), на инверсные входы через буферный операционный усилитель подается измеряемый сигнал (вывод 5). Поскольку все резисторы делителя имеют один номинал, шкала получается линейной. К выходам компараторов (выводы 1, 10-18) подключаются светодиоды, индицирующие уровень входного сигнала.
Важно! Поскольку выходы компараторов представляют собой генераторы втекающего тока, ограничительные резисторы светодиодам не нужны.
В качестве источника опорного напряжения в микросхеме используется встроенный генератор опорного напряжения (ГОН) с номинальным значением 1.25 В. При необходимости это значение можно увеличить до Uпит. - 2 В при помощи внешних резисторов. Вывод 9 служит для изменения режима работы индикатора – «точка»/»столбик». В первом режиме уровень сигнала отображается одним светодиодом соответствующего разряда, во втором уровень определяется высотой светящегося столбика.
Рассмотри принцип работы микросхемы. На вывод 6 подается напряжение верхнего предела измерения (Uв), на вывод 4 - нижнего (Uн). Они могут лежать в диапазоне от 0 до Uпит. – 1.5 В. Для получения обоих напряжений используется ГОН с соответствующими цепями коррекции. На вход 5 подается аналоговый сигнал, величину которого необходимо измерить.
Пока напряжение на инверсных входах компараторов ниже Uн, все светодиоды погашены. Как только напряжения сравняются, сработает нижний по вышеприведенной схеме компаратор и зажжет светодиод HL1. При дальнейшем увеличении уровня входного сигнала сработает следующий компаратор. Зажжется HL2. Если активирован режим «точка», то HL1 при этом погаснет. Если «столбик» - останется светиться. Последующее увеличение входного сигнала приведет к срабатыванию следующего компаратора и т.д.
Трехдиапазонный вольтметр
При помощи этого несложного прибора можно измерять постоянные напряжения в трех диапазонах:
- 0 – 1.2 В;
- 0 – 12 В;
- 0 – 120 В.
Диапазоны не совсем удобные, но такой выбор обусловлен наглядностью. При желании вы можете изменить эти диапазоны и их количество на свое усмотрение. А сейчас наша задача понять принцип работы этого измерительного прибора. Взглянем на его принципиальную схему.
Поскольку верхний предел самого низкого диапазона выбран 1.25 В, а нижний – 0 В, на выводы 6 и 4 нам нужно подать 1.25 и 0 В соответственно. Для этого достаточно соединить выводы 7и 6, а выводы 4 и 8 соединить с общим проводом, включив внутренний стабилизатор микросхемы по типовой схеме. Пока переключатель S1 стоит в указанном на схеме положении, измеряемый сигнал напрямую проходит на вход микросхемы. Его величина отображается светодиодами LED1 – LED10. Поскольку индикатор десятиразрядный, точность измерения будет составлять 1.25 / 10 = 0.125 В.
Переведя переключатель в среднее положение, мы подключаем к входной цепи делитель R1-R3, причем в одном плече окажется R1, во тором – R2 и R3. Номиналы элементов подобраны так, чтобы входной сигнал ослаблялся в 10 раз. Теперь у нас включен диапазон 0-12 В. Шаг измерения – 1.2 В. Обратите внимание - переключая диапазон, мы не изменяем величины опорных напряжений Uв и Uн (выводы 6,4), а благодаря делителю на вход микросхемы (вывод 5) подается сигнал той же величины, что и в первом диапазоне.
Если мы переведем переключатель S1 в нижнее по схеме положение, то в нижнем плече делителя останется только R3, а входной сигнал будет ослаблен в 100 раз. Включился диапазон 0-120 В с шагом измерения 12 В.
Полезно! Поскольку вывод 9 подключен к плюсу источника питания, микросхема будет работать в режиме «столбик». Для того, чтобы активировать режим «точка», необходимо соединить вывод 9 с минусом источника питания или оставить свободным.
Как изменить опорное напряжение?
Если мы хотим изменить предел измерения нашего прибора, то придется соответственно изменить величину опорного напряжения, прикладываемую к выводу 6 (Uв). Сделать это можно, как было сказано выше, при помощи внешнего резистивного делителя, подключенного между выводами 7, 8 и общим проводом. Выглядеть это будет примерно так:
Ну а рассчитать номиналы элементов делителя можно по формуле:
Uоп = (R2/R1+1)*1,25 + Iref*R2
- Uоп - необходимое опорное напряжение;
- R1 — резистор между выводами 7 и 8;
- R2 — резистор между выводом 8 и минусом питания;
- Iref – сила тока на выводе 8 (около 0.1 мА).
Индикатор уровня звукового сигнала (VU-метр)
Эта конструкция позволит нам оценить уровень звукового сигнала. Мы включим ее после УМЗЧ параллельно акустической системе, а значит, индикатор будет отображать выходную мощность усилителя.
Но прежде чем начать, необходимо отметить, что микросхема LM3914 не совсем подходит для поставленной задачи. дело в том, что уровень звукового сигнала измеряется в децибелах (дБ), Это логарифмическая единица, хорошо отражающая свойства нашего слуха. Значит нам нужен АЦП с логарифмической зависимостью, а в LM3914 она линейная, поскольку номиналы резисторов делителя выбраны одинаковыми (см. раздел «Состав и принцип работы»).
В принципе, схема работать будет, но показания индикатора не будут соответствовать нашим слуховым ощущениям. Вроде добавили мощности на пару светодиодов, а сила звука увеличилась втрое. В верхнем диапазоне будут противоположные ощущения – зажгли два глазка, а громкость едва увеличилась.
Можно ли как-нибудь решить эту проблему? К сожалению, изменить номиналы резисторов делителя внутри микросхемы нам не удастся. Но вариант есть. Можно использовать собрата LM3914 – микросхему LM3915, в которой номиналы резисторов делителя подобраны по логарифмическому закону. В остальном же принцип работы, цоколевка и назначение выводов у обеих микросхем одинаковы.
Взглянем на принципиальную схему индикатора выходной мощности УМЗЧ на LM3915. Схема на LM3914 будет выглядеть аналогичным образом.
Резисторы R7, R8 образуют делитель, создающий необходимое опорное напряжение, прикладываемое к выв. 6. Это верхний порог измерения, который составляет порядка 9 В. Нижний порог выбран нулевым (выв. 4).
Сигнал, снимаемый с выхода УНЧ, поступает не эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе T1, выпрямляется диодом D1 и через делитель, образованный резисторами R5, R6 поступает на вход микросхемы. Конденсатор С1 служит для некоторой задержки срабатывания компаратора, как бы замедляя его реакцию. В противном случае он будет резко менять показания и больше утомлять зрение, чем помогать оценить уровень сигнала. Переключатель SO1 служит для переключения режимов «точка»/»столбик». Градуировка «шкалы» индикатора, собранного на LM3915, будет выглядеть следующим образом:
- LED1 – 0.2 Вт;
- LED2 – 0.4 Вт;
- LED3 – 0.8 Вт;
- LED4 – 1.6 Вт;
- LED5 – 3 Вт;
- LED6 – 6 Вт;
- LED7 – 13 Вт;
- LED8 – 25 Вт;
- LED9 – 50 Вт;
- LED10 – 100 Вт;
Важно! Номинал резистора R5 указан для нагрузки 4 Ом. Если у вас восьмиомные акустические системы, то номинал нужно увеличить до 18 кОм.
Вот мы и выяснили, что собой представляет микросхема LM3914. а заодно и познакомились с ее логарифмическим собратом. Теперь собрать измеритель звукового сигнала или простенький вольтметр сможет, пожалуй, каждый, умеющий держать в руках паяльник.
Тахометр - очень полезный прибор на приборной панели автомобиля. К сожалению, далеко не все автомобили оснащаются им серийно. Если вы задумали доработать свою машину установкой тахометра, вы можете приобрести электронный тахометр в магазине, либо сделать его самостоятельно по одной из публикаций. Но. практически все электронные тахометры, которые мне довелось видеть в продаже или изучать по публикациям а литературе, в той или иной степени недостаточно хороши для повседневной оперативной эксплуатации в автомобиле.
Все электронные тахометры, которые можно купить в магазине, цифровые. Такие тахометры хороши при регулировке карбюратора потому что дают точную информацию о частоте вращения двигателя, но для оперативной эксплуатации они менее удобны, так как дают информацию в цифровом виде, а для человеческого сознания, при управлении автомобилем, более удобна форма представления в виде диаграммы или положения стрелки.
Кроме того, цифровые тахометры, имеющиеся в продаже, практически все рассчитаны на работу с четырехцилиндровыми моторами. А сейчас в страну поступает много иномарок с двух, трех или шестицилиндровыми моторами. Выходит, что на такие машины тахометров вообще нет в продаже. Поэтому, в литературе часто встречаются схемы аналоговых тахометров, показывающих частоту вращения в виде линейной диаграммы из светодиодов.
Но и здесь не все хорошо поскольку светодиодов (контрольных точек) в такой диаграмме обычно не более 12-ти. Если же вы посмотрите на шкалу обычного стрелочного тахометра, серийно установленного на автомобиле, - поймете, что контрольных точек должно быть не менее 20-ти. При меньшем числе точек диаграммой пользоваться даже менее удобно, чем цифровым табло.
На рисунке в тексте приводится хорошо проверенная схема тахометра, в которой учтены изложенные выше замечания. Это схема аналогового тахометра, отображающего частоту вращения мотора в виде линейной диаграммы. представляющей собой растущий светящийся столбик из 20 светодиодных сегментов.
Схема состоит из преобразователя частота - напряжение на транзисторе VT1 и измерителя напряжения на поликомпараторных миросхемахА1 иА2
Импульсы от прерывателя или коммутатора системы зажигания поступают через ограничивающую их амплитуду цепочку R7-VD2 на формирователь коротких импульсов С3 R3. Постоянная времени цепи C3-R3 выбрана значительно меньше самого малого периода импульсов на катушке зажигания (то есть, самой большой частоты вращения допустимой для двигателя), поэтому длительность импульсов, формирующихся на базе VT1 будет практически одинаковой, как на холостом ходу, так и при максимальной частоте вращения.
Изменяться будет только частота их повторения. Соответствующим образом будут возникать импульсы тока эмиттера транзистора VT1, которые интегрируются цепью R4-C4 в постоянное напряжение, по величине которого определяется частота вращения мотора.
Одно важное свойство такого аналогового преобразования частоты в напряжение в том. что коэффициент преобразования задается параметрически, и зависит от постоянной времени интегрирующей цепи. Поэтому, в процессе налаживания данную схему очень легко настроить на работу с практически любым числом цилиндров двигателя (то есть, с любым количеством импульсов на катушке зажигвния за один оборот коленчатого вала двигателя).
Теперь о схеме индикации. Здесь используются две микросхемы LM3914, представляющие собой десятипороговые индикаторы. Важное свойство данных микросхем в возможности их каскадирования для получения теоретически неограниченного числа порогов индикации.
Это возможно из-за того, что цепь резистивного делителя опорного напряжения. которая имеется в каждой микросхеме, имеет отдельные выходы - верхний на вывод 6 и нижний на вывод 4. Соединив вывод 4 одной микросхемы с выводом 6 другой (то есть, конец одного резистивного делителя с началом другого) можно сделать так, что оба резистивных делителя будут работать как единый делитель распределяющий опорное напряжение между компараторами обеих микросхем.
В схеме, показанной на рисунке, на верхнюю точку делителя подается напряжение 1,25 V со стабилизатора опорного напряжения, имеющегося в микросхеме А1 (соединены выводы 6 и 7 А1). Нижняя точка делителя (вывод 4 А2) соединена с общим минусом. Выводы 5 (входы) обоих микросхем соединены вместв Таким образом, измеритель измеряет постоянное напряжение от нуля до 1,25V с 20-ступенчатой индикацией.
Тахометр смонтирован нв отрезке макетной печатной платы. Светодиоды - импортные пластинчатой формы. Марка их не известна (продавались в магазине как светодиоды прямоугольные, импортные). Все 20 светодиодов плотно собраны в одну линию. Цвета три, - желтые для обознвчения сектора холостого хода (до 1000 об/мин), зеленые для обозначения рабочего сектора (1000-4500 об/мин.) и красные для обозначения опасного сектора (более 4500 об/мин).
Вдоль шкалы желательно нанести цифровые обозначения частоты вращения (например, «500», «1500», «2000», «2500», «3000», «3500», «4000», «4500», «5000», «5500», «6000»). Микросхемы LM3914 можно заменить на LM3915. LM3916
Належивать прибор можно непосредственно на автомобиле (сравнивая показания с рабочим цифровым тахометром) или в лабораторных условиях, подавая на вход импульсы размахом 12V различной частоты.
При налаживании в лаборатории нужно пересчитать частоту контрольных импульсов в герцах в частоту вращения в оборотах в минуту. Для этого нужно узнать сколько раз за один полный оборот коленчатого вала вашего автомобиля формируется импульс на низковольтной обмотке катушки зажигания (если в машине несколько катушек, - то на любой из них).
Формула такая: W = (F / N) • 60, где W - частота вращения коленвала (об /мин), F - частота импульсов с контрольного генератора (Гц), N - число импульсов в катушке зажигания за один полный оборот.
Таким образом для обычного двигателя жигулей: W = (F /2) • 60 = F • 30.
Нужных результатов добиваются регулировкой резисторов R4 и R5 методом последовательных приближений. В некоторых случаях может потребоваться подбор емкости С3.
Подключение в машине, - «GND» - к корпусу (минусу аккумулятора). «+АКК» - к положительному выводу вккумулятора, «ПР» - к прерывателю или выходу коммутвтора нв катушку системы зажигания.
Микросхемы LM3914, LM3915 и LM3916 производства компании National Semiconductors позволяют проектировать светодиодные индикаторы уровней постоянного и переменного напряжений с различными характеристиками – соответственно: линейной, логарифмической и специальной для контроля уровня аудиосигнала.
Области применения ИМС достаточно широки: от индикаторов уровня зарядки аккумуляторов и батарей, до контроля выходной мощности усилителей звука, а по большому счёту – любые задачи, где использование стрелочных индикаторов по каким-то причинам является нежелательным.
Микросхемы имеют абсолютно одинаковую внутреннюю начинку, идентичную цоколёвку и отличаются лишь номиналами резисторов внутреннего делителя.
Рассмотрим блок-схему LM3914 (Рис.1).
Назначение выводов LM3914:
1, 10…18 – выходы;
2 – минус питания;
3 – плюс источника питания (3. 18В);
4 – напряжение на этом выводе опре- деляет нижний уровень индикации;
5 – вывод для входного сигнала;
6 – напряжение на этом выводе опре- деляет верхний уровень индикации;
7, 8 – выводы для регулировки тока светодиодов;
9 – управление режимом индикации («точка» или «столбик»).
Особенностью ИМС LM3914. LM3916 является то, что значение выходных токов задаётся при помощи внешнего резистора и является одинаковым для всех выходов формирователя, независимо от уровней прямых падений напряжений на светодиодах.
Основу микросхем LM3914. LM3916 составляют десять компараторов, на инверсные входы которых через буферный ОУ подаётся входной сигнал, а прямые входы подключены к отводам резистивного делителя напряжения. Выходы компараторов являются генераторами тока, что позволяет подключать светодиоды без ограничительных резисторов.
Индикация может производиться как одним светодиодом (режим «точка»), так и линейкой из светящихся светодиодов, высота которой пропорциональна уровню входного сигнала (режим «столбик»).
«Цена деления» индикатора, т. е. величина прироста входного напряжения, вызывающая включение очередного светодиода, составляет 1/10 от разности напряжений Uв (6 вывод) – Uн (4 вывод).
Некоторые наиболее существенные характеристики ИМС:
На Рис.2 приведена более привычная для восприятия электрическая схема LM3914.
Переключение между режимами «точка» и «столбик» производится управлением по выводу 9. При подключении этого вывода к плюсу источника питания реализуется режим «столбик», если же вывод оставить свободным или подключить к общему проводу – «точка».
Номинал резистора R1 согласно datasheet-ам рассчитывается исходя из формул:
R1(кОм) = 12,5/ Iled(мА) – для LM3914 и
R1(кОм) = 27,5/[2,2*Iled(мА) – + Uref]
– для LM3915 и LM3916.
Номинал резистора R2 – по формуле:
R2 ≈ R1*(+Uref/1,25 - 1) .
Из этой формулы следует, что минимальное значение, которое может принимать +Uref , составляет величину 1,25 В. В этом случае R2 равно 0, т. е. 8 вывод ИМС следует заземлить.
Рис.2 Типовая схема включения LM3914, LM3915 и LM3916
Поскольку вывод +Uref у нас подключён к Uв (т. е. к верхней части резистивного делителя), то уровень постоянного напряжения на нём определяет напряжение включения последнего компаратора, а соответственно и входное напряжение, при котором начинает светиться верхний по шкале светодиод.
Момент же включения нижнего светодиода зависит от величины напряжения на выводе Uн. Если этот вывод заземлить, то порог его зажигания будет соответствовать уровню входного сигнала +Uref / 10.
В общем случае эта величина для LM3914 составляет: Uпор = Uн + (+Uref - Uн) / 10 .
Напряжение на вывод Uн можно подавать от внешнего источника, но проще это сделать посредством включения резистора R3. Номинал этого резистора для LM3914 и LM3916 (исходя из заданной величины Uн) можно рассчитать по формуле: R3(кОм) ≈ 10*Uн / (+Uref - Uн) ,
для LM3915 – по формуле: R3(кОм) ≈ 22,6*Uн / (+Uref - Uн) .
Поскольку компараторы, входящие в состав LM3914. 3916, обладают не самым высоким параметром крутизны преобразования, то для минимизации эффекта плавного переключения светодиодов из одного состояния в другое не следует выбирать величину верхнего уровня индицируемого напряжения Uв менее минимального выходного напряжения встроенного стабилизатора – 1,25 В. Хотя это и можно сделать, включением между выводами 6 и 7 микросхемы резистора соответствующего номинала.
Сдобрим пройденный материал онлайн калькулятором. Uв ≥ 1.25В, Uн < Uв.
РАСЧЁТ ВНЕШНИХ ЭЛЕМЕНТОВ LM3914, LM3915 и LM3916
А на следующей странице рассмотрим примеры применения микросхем LM3914. LM3916 в виде нескольких схем: индикатора уровня заряда аккумуляторов или батарей питания, индикатора уровня аудиосигнала, а также универсального экономичного индикатора, позволяющего оценивать уровни напряжений как постоянного, так и переменного токов для широкого перечня практических задач.
Читайте также: