Светодиодные индикаторы уровня

Автор: Integrator
Опубликовано 19.09.2013
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2013!"

 Поздравляю кота с днем рождения, желаю долголетия и творческих успехов.

Сейчас существует много специальных микросхем для построения различных вариантов измерителей напряжения( LM3914, LM3915 и т. п.). Но они бывают не во всех магазинах, да и цены иногда кусаются. В сети бродит большое количество схем индикаторов, различного исполнения и уровня сложности. Но практически все имеют некоторые недостатки. В этой статье я хотел бы предложить ещё 3 варианта несложных измерителей уровня, сделанных без применения микроконтроллеров из доступных электронных компонентов.

Вариант 1 — линейный.

Итак, устройство представляет собой вариант АЦП последовательного счёта, и состоит из следующих частей: тактовый генератор, счетчик, резистивный ЦАП, компаратор, регистр сдвига с защелкой.

Импульсы от генератора на DD1.1 DD1.2 тактируют двоичный счетчик DD2 и регистры DD3. DD4. Микросхемы DD3, DD4 соединены последовательно и образуют 16-ти битный сдвиговый регистр, к его выходу подключены пары светодиодов, составленные в 2 линейки. На них выводиться значение измеренного входного напряжения в виде светящегося столба.

Сигналы счетчика поступают на ЦАП, он формирует ступенчатое образцовое напряжение, которое через делитель R16 идет на инвертирующие входы компараторов. Если входное напряжение оказывается выше образцового, то в регистр заталкивается 1, если ниже, то 0. К регистру компараторы подключены через коммутатор на диодах, которым управляет вторая половина счетчика DD2. Цикл измерения напряжения одного канала длится 16 тактовых импульсов, по его окончанию регистр защелкиваются, а к его информационному входу подключается другой компаратор. И далее повторяется цикл измерения для второго канала.

Для экономии регистров сделана динамическая индикация. То есть пока измеряется напряжение второго канала, на первую светодиодную линейку выводится результат измерения первого канала. И наоборот, пока измеряется напряжение первого канала, светиться вторая линейка с результатами предыдущего измерения. Из-за высокой скорости переключения кажется, что обе линейки светятся одновременно.

Цепочки R3 – C4 и R4 – C5 определяют постоянную времени, то есть время реакции индикатора на изменение входного напряжения. При уменьшении номиналов в этой цепи скорость реакции увеличивается, но не стоит их слишком сильно занижать, так как возможно мерцание индикатора.

При указанных номиналах R1, C1 частота тактового генератора примерно 1кГц.

Резистором R15 регулируется уровень опорного напряжение, подаваемого на компараторы. Тем самым можно изменять чувствительность устройства.

Так как опорное напряжение завязано на уровни лог 1 и лог 0 микросхемы — счетчика., то питаться индикатор должен от стабильного источника напряжением 5в( стабилизатора на кр142ен5, 7805 и т. п.).

Для этой схемы печатная плата не разрабатывалась.

Вариант 2 - логарифмический.

Для использования в качестве индикатора в аудио технике первый вариант устройства не очень подходит, поэтому был сделан ещё один индикатор с логарифмической шкалой. От первого варианта он отличается только узлом формирования опорного напряжения. Но логарифмический резистивный ЦАП имеет более сложную структуру чем линейный, поэтому схема получилась несколько сложней и пришлось добавить ещё одну микросхему.

Характеристики:

напряжение питания - 5в;

входное напряжение 0 ... 5в;

максимальный потребляемый ток ~150мА;

цена деления шкалы 3дб;

диапазон 48дб.

Принцип работы ничем не отличается от первого варианта, поэтому я не буду повторно его описывать, приведу только диаграмму работы. На ней хорошо видно отличие формы опорного напряжения.

Подстроечным резистором настраивается уровень 0дб.

Сборка.

Плата разведена под smd компоненты. Изготавливается из одностороннего стеклотекстолита, к статье прикреплен файл 01.lay

Вид в сборе.

На плате есть некоторые моменты, которые не отображены в схеме:

во-первых 6 смд перемычек 0805, их можно заменить на низкоомные резисторы;

во-вторых у меня не было подстроечного резистора на 240к, поэтому установлен на 220к к которому последовательно подключен постоянный на 20к.

Светодиодные линейки монтируются следующим образом.

Детали.

Микросхема — возможная замена

cd4520 — к561ие10, кр1561ие10

cd4069 — 74HC04, 74AC04, к561лн2, кр1561лн2

cd4053 — 74HC4053, кр1561кп5

lm393 - lm193, lm293, lm2903

Вариант 3 — ретро.

Ну и в завершении хотелось бы показать ещё одну схему линейного индикатора, из-за которой появились первые две. Идея этого индикатора стара, различные схемные реализации в литературе ходят очень давно, я лишь подправил её под себя.

Принцип работы. Импульсы от генератора на DD1.1 DD1.2 тактируют двоичный счетчик DD2, котрый подключен к резистивному ЦАП и десятичному дешифратору DD3. На выходе дешифратора последовательно появляются сигналы лог 0. А подключенные к ним пары светодиодов соответственно последовательно загораются, получается такой бегущий огонек. ЦАП формирует опорное ступенчатое напряжение, которое поступает на входы компараторов. К выходам компараторов, через транзисторные ключи, подключены аноды светодиодных линеек. Пока входное напряжение выше образцового светодиоды светятся, как только уровень опорного напряжения оказывается выше линейка отключается. Из-за высокой скорости переключения бегущий огонек сливается в линию, длина которой эквивалентна входному напряжению.

Микросхема к155ид10 является и плюсом и минусом данной схемы. Плюс в том, что у неё мощный выходы, держат ток до 80мА(по справочнику), это позволяет получит хорошую яркость шкалы несмотря на динамическую индикацию. А минус в энергопотреблении — микросхема старая, ток потребления без нагрузки почти 50мА, при этом она сильно нагревается. И что самое печальное у неё нет аналогов в более новых сериях микросхем.

Детали:

К155ЛА3 -К555ЛА3, КР1533ЛА3 и т. д. или 74HC00, 74HCT00, 74AC00 и т. д.

К155ИД10 -К555ИД10, 74LS145, также должна подойти К555ИД6 но яркость возможно будет хуже.

К155ИЕ5 -К555ИЕ5, КР1533ИЕ5 или 74LS93, 74HCT93, 74HC93 также на эту печатную плату можно установить К155ИЕ2, К555ИЕ2, КР1533ИЕ2, 74LS90и т. д.

КТ3107 с любым индексом или любой подходящий pnp транзистор, например BC556, BC557, 2N3906 и т. п.

Диоды КД521, КД522, 1N4148 и им подобные.

Сборка.

Файл печатной платы 02.lay приложен к статье.

Отверстия в площадках под светодиоды на краю платы должны быть диаметром не менее 1,2мм, так как в них впаивается сразу по 2 вывода.

На выводы питания микросхемы счетчика нужно припаять керамический конденсатор емкостью 0.1мкФ.

Светодиодные линейки собираются следующим образом:

Заключение.

Все схемы можно применить и для измерения постоянного тока. Например в зарядном устройстве, для контроля напряжения и тока зарядки. Для этого нужно убрать входной конденсатор и диоды выпрямителя, и добавить резистор делителя.

Всем удачи, берегите хвосты!

Литература.

1. Ю.А.Быстров, А.П.Гапунов, Г.М.Персианов. Сто схем с индикаторами. «Массовая радиобиблиотека». Выпуск 1134.
2. Цифровой шкальный индикатор напряжения - Радиоконструктор №3 2001г стр. 21
3. Светодиодные измерители уровня сигнала - Радио 1987, № 10
4. Logarithmic Attenuator Calculator https://www.eijndhoven.net/jos/attenuator-calculator/index.html

Файлы:
Печатная плата 3
Печатная плата 2

Все вопросы в Форум.