APLIKACJE układów LM cz1.pdf

PłYTKI WIELOFUNKCYJNE

APLIKACJE

UKłADÓW

LM 3914/5/6

część 1

Przedstawiamy wielofunkcyjną płytkę drukowaną PW02, na której można zmontować wiele ciekawych układów,

takich jak: monitor stanu akumulatora samochodowego, miernik wysterowania (VU−metr), prosty woltomierz,

amperomierz, miernik siły wiatru, monitor napięcia sieci energetycznej, miernik refleksu, miernik mocy, prosty

sonometr, oryginalną iluminofonię, sterowanie reklamy świetlnej, obrotomierz samochodowy, termometr. W tym

artykule przedstawiamy dwa poży−

teczne urządzenia:

− monitor stanu akumulatora samo−

chodowego,

− wskaźnik wysterowania (VU−

metr).

Oczywiście, płytka PW−02, jak też

układy scalone są dostępne w

ofercie handlowej AVT.

Wspólną cechą wszystkich urządzeń

montowanych na tej płytce jest obecność

kostki sterującej LM3914, 3915 lub 3916

oraz linijki świetlnej zbudowanej z dziesię−

ciu diod LED.

Ponieważ płytka jest przeznaczona do

różnych układów, przewidziano na niej

miejsce dla licznych elementów, z których

tylko niektóre będą montowane w danym

przypadku. Rysunek 1 przedstawia wy−

gląd naszej płytki. Natomiast układ połą−

czeń i wszystkie elementy, jakie mogą być

Rys. 2. Pełny schemat elektryczny dla płytki PW−02.

zamontowane pokazane są na schemacie

na rysunku 2 . Jak widać ze schematu,

zmontowanie wszystkich pokazanych ele−

mentów nie miałoby sensu, dlatego przy

poszczególnych urządzeniach będziemy

zamieszczać dodatkowe rysunki i fotogra−

fie płytki ułatwiające montaż, pokazujące

tylko użyte aktualnie podzespoły.

Przed zapoznaniem się z treścią arykułu

proponujemy zajrzeć do ramki zawierającej

zwięzły opis podstawowych właści−

wości układów LM3914−3916. Spo−

śród różnych układów scalonych

przeznaczonych do sterowania linijką

diod LED te są najbardziej uniwersal−

ne. Materiał zawarty w ramce nie

przedstawia wszystkich właściwości

kostek i możliwości ich stosowania,

na przykład do sterowania wskaźni−

ków fluorescencyjnych, LCD, lub do

budowy wskaźników o większej licz−

bie diod. Zainteresowanych odsyła−

my do katalogu, ponadto w jednym z

najbliższych numerów siostrzanej

Elektroniki Praktycznej podamy sze−

reg dalszych informacji na temat tych

kostek. Jesteśmy pewni, że nasi Czy−

telnicy będą ich często używać i zna−

jdą dla nich wiele ciekawych zastoso−

wań.

Przystępujemy teraz do opisu

wykonanych urządzeń.

Rys. 1. Wygląd płytki.

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/96

PłYTKI WIELOFUNKCYJNE

1. Monitor stanu akumulatora samochodowego

W literaturze pojawiło się wiele roz−

wiązań wskaźników napięcia akumula−

tora. Duża część z nich to układy zawie−

rające dwie lub trzy diody LED infor−

mujące, czy napięcie jest właściwe, za

małe, czy może za wysokie. Niestety,

takie informacje mają małą przydat−

ność praktyczną, ponieważ akumulator

akumulatorowi nie równy, a i różne

źródła podają odmienne napięcia pro−

gowe.

Akumulatory samochodowe mają

stosunkowo niewielką żywotność, nie−

kiedy tylko dwa, trzy lata. W tym czasie

zmieniają się ich parametry, nie tylko

napięcie, ale przede wszystkim rezys−

tancja wewnętrzna. Informacji o rzeczy−

wistym stanie akumulatora dostarczy

więc nie tyle napięcie, co raczej obser−

wacja przez dłuższy okres czasu zmian

napięcia w różnych warunkach pracy.

Nasz wskaźnik dostarczy nader istotnej

informacji, mianowicie o ile spada na−

pięcie podczas rozruchu. Jego wskaza−

nie będzie też informować o pracy alter−

natora i regulatora ładowania.

Systematyczne niedoładowanie, po−

dobnie jak przeładowanie, nie jest zdrowe

dla akumulatora. Nasz prosty przyrząd

okaże się rzeczywiście pożyteczny, trzeba

jednak zapoznać się z nim przez pewien

Fot. 1. Gotowy monitor.

okres czasu, żeby dobrze zinterpretować

jego wskazania.

Nasz monitor ma rozdzielczość dużo

lepszą niż większość popularnych wskaź−

ników − pokazuje napięcie akumulatora w

zakresie 10...15V z dokładnością 0,5V. W

modelu zastosowano różnobarwne diody

wskazujące swoim kolorem stan akumula−

tora. Kolorami diod modelu nie należy się

nadmiernie przejmować, ponieważ w róż−

nych samochodach i akumulatorach progi

“dobry”, “zły” mogą się nieco różnić. Jed−

nak ogólne zasady są takie same: nie na−

leży przekraczać napięcia ładowania

14,4V, natomiast napięcie poniżej 11V nie−

chybnie wskazuje na rozładowanie akumu−

latora.

Schemat ideowy monitora pokazano na

rysunku 3 , sposób montażu elementów

na rysunku 4 , a na fotografii 1 można zo−

baczyć gotowy model.

Na schemacie zastosowano taką samą

numerację elementów jak na rysunku 2 , a

to dla ułatwienia montażu. Choć numeracja

użytych elementów nie jest ciągła, nie bę−

dzie wątpliwości, w kórym miejscu należy

wlutować dany element.

Dla uzyskania liniowej skali zastosowa−

no kostkę LM3914.

Zdecydowano się na wyświetlanie pun−

ktowe, nóżka 9 pozostaje więc niepodłą−

czona.

Jak widać na rysunku 3 , wewnętrzną

drabinkę rezystorową (nóżki 4,6) dołączo−

no do napięcia 1,28V występującego za−

wsze między nóżkami 7 i 8. Zgodnie z za−

sadami podanymi w ramce, przy zmianie

napięcia akumulatora od 10,5V do 15V

zmiany napięcia na wejściu (nóżka 5) mają

wynosić 1,28V. Przy napięciu poniżej

10,5V nie będzie więc świecić żadna dio−

da, w zakresie 10,5...14,5 będzie świecić

jedna z dziewięciu diod D1 − D9, dla napięć

powyżej 15V − ostatnia dioda D10 świad−

cząca o zbyt dużym prądzie ładowania

albo o nadmiernym wzroście rezystan−

cji wewnętrznej akumulatora.

Dla uzyskania takich wskazań zasto−

sowano dzielnik napięcia (R8, R17) o

takim stopniu podziału, żeby przy na−

pięciu akumulatora równym 10V napię−

cie na wejściu układu scalonego (nóżka

5) wynosiło 2,56V, a przy 15V − 3,84V,

takie bowiem napięcia występują na

nóżkach 7 i 8. Zastosowano rezystory

R8 = 2k W i R17 = 680 W . Nie ma tu po−

trzeby stosowania rezystorów o wąskiej

tolerancji, wystarczą standardowe re−

zystory 5−procentowe, ponieważ więk−

szość błędów zostanie wyeliminowana

przy kalibracji. Równoległe połączenie

rezystancji R1 z rezystancją wewnętr−

znej “drabinki” decyduje o prądzie diod

świecących − w naszym układzie około

7mA. Wystarczy to dla współczesnych

wysokosprawnych LEDów. W przypad−

Rys. 3. Schemat elektryczny monitora.

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/96

PłYTKI WIELOFUNKCYJNE

Układy LM3914, LM3915, LM3916

Przeznaczone są do sterowania linijką dziesięciu diod LED. Ich podstawowymi zaletami są:

bardzo prosta aplikacja, obecność wbudowanego źródła napięcia wzorcowego (odniesienia),

znikomo mały prąd wejściowy, łatwość łączenia kilku układów dla uzyskania linijki 20 i 30−

diodowej, wyświetlanie linijki lub biegającego punktu oraz szeroki zakres napięć zasilania

wynoszący 3...25V.

Wszystkie trzy kostki mają jednakową budowę wewnętrzną, różnią się tylko wartościami

rezystorów wewnętrznego dzielnika − drabinki.

LM3914 ma rezystory o jednakowej wartości − jest to więc wskaźnik liniowy. LM3915 to

wskaźnik logarytmiczny o zakresie −27dB...0dB co 3dB − następna dioda zapala się gdy napięcie

wejściowe wzrośnie o 3dB czyli 1,41 razy.

Kostka LM3916 przeznaczona jest do typowych wskaźników wysterowania, VU−metrów; progi

zapalania poszczególnych diod wynoszą: −20dB, −10dB, −7dB, −5dB, −3dB, −1dB, 0dB, +1dB,

+2dB, +3dB.

Rysunek A pokazuje uproszczony wewnętrzny schemat blokowy, a rysunek C numerację

wyprowadzeń − widok z góry.

Końcówka 9 decyduje o rodzaju pracy:

gdy jest zwarta do plusa zasilania następuje wyświetlanie linijki świetlnej, gdy jest niepodłączo−

na − wyświetlanie biegającego punktu.

Układ posiada wbudowane źródło napięcia wzorcowego, które działa podobnie jak popularny

stabilizator LM317. Układ utrzymuje napięcie równe 1,28V między końcówkami 7 i 8 − nóżka 7

jest wyjściem, a nóżka 8 pozwala dobierać wartość napięcia wzorcowego w zakresie 1,28...12V

przez zmianę wartości dwóch dołączonych rezystorów. Rysunek B pokazuje kilka możliwości

połączenia obwodów napięcia odniesienia. Przy zwarciu nóżki 8 do masy napięcie wzorcowe

wynosi właśnie 1,28V. Ale uwaga! Nawet przy dołączeniu nóżki 8 do masy konieczne jest

zastosowanie rezystora obciążenia, ponieważ układ jest tak pomysłowo zbudowany, że prąd

diody LED zależy od prądu wypływającego z końcówki 7 (I LED jest dziesięciokrotnie większy od

prądu wypływającego z końcówki 7)! Dla uzyskania prądu diod LED około 10mA należy między

końcówkami 7 i 8 włączyć rezystancję równą 1,2...1,3k W (uwaga! przy małych prądach trzeba

Rys. A

Rys. B.

też uwzględnić rezystancję wewnętrznego dzielnika wynoszącą w zależności

od typu kostki kilka do kilkudziesięciu kiloomów, która też jest dołączana do

źródła napięcia wzorcowego). Z kolei przy większych prądach oraz w trybie

“linijki” należy zapobiec przekroczeniu mocy strat kostki (1,36W) przez

zasilanie diod LED z oddzielnego

niższego napięcia lub przez

zastosowanie rezystora lub diody

Zenera włączonych w obwód zasilania

diod.

Wejście sygnałowe (nóżka 5) dzięki

wbudowanym zabezpieczeniom nie

ulegnie uszkodzeniu nawet przy napięciu ±35V.

Jeśli napięcie wejściowe jest mniejsze (lub równe) od napięcia na “dolnym” punkcie dzielnika (czyli na nóżce 4) to nie świeci żadna dioda,

gdy jest większe niż napięcie na “górnym” końcu dzielnika (na nóżce 6), świeci ostatnia dioda (w “linijkowym” trybie pracy − wszystkie).

Dla poprawnej pracy układu, napięcia podawane na końcówkę 6 oraz napięcie wejściowe powinno być co najmniej o 1,5V mniejsze od dodatniego

napięcia zasilającego. Napięcie na “dolnym” końcu dzielnika wcale nie musi być przy tym równe 0. W praktyce napięcia robocze na końcówkach 4, 6

mogą być dowolnie dobierane według potrzeb w zakresie 0...12V. Katalog nie podaje jednak jakie może być najniższe napięcie na dzielniku (między

nóżkami 6 i 4). Z podanej wartości wzmocnienia ( I LED / V IN − typ 8mA/mV, min 3mA/mV) wynika jednak, że może ono być małe, rzędu kilkuset, a nawet

kilkudziesięciu mV.

Najważniejsze parametry rodziny 391X:

Napięcie zasilające: 3...25V

Prąd zasilania (bez diod LED): 2...6mA

Prąd diody LED: około 10 x I 7 − 1...30mA

Prąd wejściowy (końcówka 5): typ 25nA, max 0,1µA

Napięcie odniesienia (U 7−8 ): typ 1,28V (1,2...1,34V)

Stabilność temperaturowa (0...+70oC): typ 1%

Prąd końcówki 8: typ 75µA, max 120µA

Rys. C.

Kostki posiadają też szereg innych cech pozwalających uzyskać wskaźniki o dodatkowych, cennych właściwościach. Omówienie tego tematu wykracza jednak

poza ramy niniejszego artykułu. Zainteresowanych odsyłamy do katalogu; wspomniane cechy zostaną też w najbliższym czasie omówione w siostrzanym

czasopiśmie Elektronika Praktyczna.

ku zastosowania mało wydajnych diod

należy zwiększyć prąd dodając między

nóżkę 7 a masę rezystor o wartości rzę−

du 1,5...3k W .

Jeśli natomiast ktoś chciałby regulo−

wać jasność diod w szerokim zakresie,

na przykład żeby dostosować ich jas−

ność do oświetlenia zewnętrznego, mo−

że zwiększyć wartości R1 do 20k W i

PR1 do 100k W oraz włączyć między

nóżkę 7 a masę połączone szeregowo

rezystor ograniczający 1,5k W i poten−

cjometr o rezystancji 47...100k W . Za−

miast potencjometru można spróbować

włączyć na przykład fotorezystor lub fo−

todiodę, wtedy jasność świecenia diod

będzie automatycznie zmieniana zależnie

od oświetlenia zewnętrznego. Choć byłoby

to pożyteczne na przykład w nocy, nie pro−

ponujemy tego w standardowej wersji, po−

nieważ płytka jest przeznaczona do

umieszczenia w typowej plastikowej obu−

dowie od cartridge’a i nie ma tam dobrego

miejsca na umieszczenie fotorezystora.

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/96

PłYTKI WIELOFUNKCYJNE

ny i prosty rządek.

Przewody doprowadzające zasila−

nie można wlutować w otwory niewy−

korzystanej diody D14, które specjal−

nie dla tego celu mają większą śred−

nicę.

Po zmontowaniu wszystkich

elementów należy dokładnie

sprawdzić, czy przy lutowaniu nie

powstały jakieś zwarcia, szczegól−

nie między nóżkami podstawki pod

układ scalony. Jeśli wszystko wy−

gląda dobrze można włożyć układ

scalony w podstawkę (wycięciem−

kluczem w stronę kondensatora

C1) i podłączyć napięcie zasilają−

ce.

Układ trzeba wykalibrować za

pomocą potencjometru montażo−

wego PR1. Potrzebny jest do tego

woltomierz i zasilacz o napięciu

regulowanym w zakresie 10...15V.

Kalibracja jest bardzo prosta: na−

leży ustawić napięcie zasilacza

równe 15V i kręcąc potencjometrem

PR1 uzyskać świecenie diody D9 i D10

(czyli ustawić wskazanie “na pograni−

czu”). Można też obyć się bez zasilacza

− wystarczy jakiekolwiek źródło napię−

cia 11...15V, choćby właśnie akumula−

tor samochodowy. Należy zmierzyć na−

pięcie akumulatora jakimś woltomie−

rzem, a następnie pokręcając PR1

uzyskać świecenie odpowiedniej diody:

D1 dla napięcia zasilającego równego

10,5...11V, D2 dla napięcia 11...11,5V

itd co 0,5V.

Po tej prostej kalibracji układ jest goto−

wy do pracy i można go włożyć w obudowę.

W jednej z połówek obudowy cartrid−

ge’a należy nożem wyciąć trzy istniejące

wypusty, tak aby płytka oparła się o jej dno.

W drugiej połówce należy przewiercić na

wylot i powiększyć otwór w centralnym

słupku. Ponadto trzeba jeszcze zrobić wy−

cięcie − przepust na przewód zasilający.

Dla unieruchomienia płytki wewnątrz

obudowy można do środka włożyć kawa−

łek gąbki.

Ponieważ przy wzroście napięcia będą

się kolejno zapalać diody D1 − D10, więc

gotowy monitor trzeba tak zamocować,

aby dioda D1 była umieszczona z lewej

strony (albo na dole), a D10 z prawej (na

Rys. 5. Sposób krępowania diod LED.

Rys. 4. Schemat montażowy monitora.

Rys. 6. Sposób sprawdzenia diod świecą−

cych.

Montaż i uruchomienie

górze). Do mocowania urządzenia w sa−

mochodzie można wykorzystać kawałek

dwustronnej taśmy samoprzylepnej, jaką

można kupić w wielu sklepach z artykułami

motoryzacyjnymi.

W jednym z kolejnych numerów planu−

jemy przedstawić termometr mierzący

temperaturę silnika i obrotomierz, wykona−

ne z użyciem tej samej płytki drukowanej.

Montaż układu jest bardzo prosty. Naj−

pierw należy wlutować rezystory, konden−

sator i podstawkę pod układ scalony.

Konieczne jest też wykonanie kawał−

kiem drutu jednej zwory między dwoma

punktami: otworami na nóżkę 7 układu U2 i

katodą diody D11. Chodzi o doprowadze−

nie plusa zasilania do rezystora R8.

Następnie należy równo wlutować

diody świecące. Wymaga to nieco sta−

ranności. Wyprowadzenia powinny być

zagięte w odległości 7mm od korpusu

diody i później obcięte w odległości

6mm od miejsca zagięcia, tak jak poka−

zuje to rysunek 5 . Przy gięciu koniecz−

nie trzeba zważać na biegunowość dio−

dy − jeśli wyprowadzenia zagięte będą

w niewłaściwą stronę, po wlutowaniu

dioda nie będzie świecić. Dlatego po

wykrępowaniu i obcięciu diod należy

sprawdzić czy wszystkie diody świecą

przy połączeniu jak na rysunku 6 .

Przy krępowaniu i obcinaniu diod moż−

na wykorzystać “specjalizowane narzę−

dzia” w postaci choćby pasków laminatu o

szerokości 7mm i 6mm − pozwoli to jedna−

kowo uformować wyprowadzenia wszyst−

kich diod, aby po wlutowaniu tworzyły rów−

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1,R8: 2k W

R17: 680 W

PR1: 10k W helitrim

Kondensatory

C1: 22...47µF/25V

Półprzewodniki

D1−D10: diody LED prostokątne

2x5mm

U1: LM3914

Inne

* płytka drukowana PW−02

* obudowa cartridge’a

* przewód dwużyłowy 1mb

2. Wskaźnik wysterowania (VU−metr)

Wskaźnik wysterowania jest niezbędnym

wyposażeniem każdego miksera, magnetofo−

nu, często występuje we wzmacniaczach. W

elektroakustyce bieżąca kontrola poziomu

przetwarzanego sygnału jest bardzo ważna dla

uniknięcia przesterowania i wiążących się z

tym zniekształceń.

W literaturze opisano wiele wskaźników

wysterowania; proponowany dziś układ ma

wiele istotnych zalet, bardzo łatwo go

zmontować i swoimi parametrami przewy−

ższa większość amatorskich opracowań.

Znajdzie on szereg zastosowań w kon−

struowanej aparaturze audio, może też słu−

żyć jako uzupełnienie posiadanych urzą−

dzeń.

Temat wskaźników wysterowania wca−

le nie jest tak prosty jak mogłoby się wyda−

wać na pierwszy rzut oka. Nie sztuka zro−

bić układ z mrugającymi kolorowymi dioda−

mi. Niestety, często zapomina się o trzech

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/96

PłYTKI WIELOFUNKCYJNE

istotnych zagadnieniach:

− dokładności prostownika przy małych

poziomach sygnału

− charakterystyce wskazań (liniowa, loga−

rytmiczna lub jeszcze inna)

− właściwościach dynamicznych (stałych

czasowych narastania i opadania).

Podstawowymi cechami wyróżniającymi

opisany dalej układ jest zastosowanie precy−

zyjnego prostownika liniowego oraz duża do−

kładność wskazań w najbardziej krytycznym

zakresie poziomu sygnału − “w okolicach”

0dB. We wskaźniku zastosowano bowiem

układ LM3916, który przeznaczony jest spe−

cjalnie do takich celów.

Zastosowanie prostownika liniowego po−

zwala zachowć dużą dokładność także przy

Fot. 2. kompletny VU−metr.

przy sinusoidalnym napięciu wejściowym o

wartości skutecznej około 0,775V, a uży−

teczny zakres częstotliwości pracy sięga

Montaż i uruchomienie

Schemat montażowy zawierający

wszystkie użyte elementy pokazany jest na

rysunku 8 . Podczas montażu należy naj−

pierw wlutować rezystory i wszystkie diody,

następnie kondensatory i podstawki pod

układy scalone. Przygotowanie, sprawdze−

nie i montaż diod świecących należy prze−

prowadzić według rysunków 5 i 6 oraz

wskazówek podanych w pierwszej części

artykułu.

Po zmontowaniu wszystkich elementów

i włożeniu układów w podstawki należy do−

kładnie sprawdzić poprawność montażu, w

szczególności czy podczas lutowania nie

powstały jakieś zwarcia.

Układ bezbłędnie zmontowany ze

sprawnych elementów nie wymaga żadne−

go uruchamiania, od razu pracuje popra−

wnie.

Układ może być zasilany napięciem w gra−

nicach 9...25V. Pobór prądu przy wyświetlaniu

punktowym wynosi około 10...12mA.

W zastosowaniach audio ładniej pre−

zentuje się wskazanie w postaci linijki, a

nie punktu − aby to uzyskać wystarczy wlu−

tować zworę Z1 przewidzianą obok układu U1.

Przy wyświetlaniu linijkowym zwięk−

sza się znacznie pobór prądu i moc

Rys. 7. Schemat elektryczny wskaźnika wysterowania.

sygnałach wejściowych rzędu kilkudziesię−

ciu...kilkuset mV, przy których najprostsze

prostowniki okazują się nieprzydatne z uwagi

na spadki napięcia na diodach.

Rysunek 7 pokazuje schemat ideowy

przyrządu.

Wartości rezystorów R1 i R2 nie są kry−

tyczne. Od rezystancji R1 zależy jasność

świecenia diod, natomiast dzięki obecnoś−

ci R2, na nóżkach 4 i 8 układu U1 wystę−

puje napięcie rzędu 2,5...3V, które pełni

funkcję “sztucznej masy” dla wzmacniacza

operacyjnego U2. Analiza działania prostow−

nika liniowego i praktyczne wskazówki dla

konstruktorów zawarte są w ramce.

Charakterystyka dynamiczna wskaźni−

ka została dostosowana do wskazówek

podanych w tejże ramce − wskaźnik jest

szybki, reaguje nawet na krótkie impulsy.

Stała czasowa narastania wynosi tylko

5ms, a opadania około 250ms. Rezystan−

cja wejściowa jest duża, równa rezystan−

cji R13.

Przy wartościach elementów jak na

schemacie uzyskuje się wskazanie 0dB

do 22kHz.

Wartości elementów R13, R9, R8,

C2 można zmieniać w szerokich grani−

cach według indywidualnych potrzeb.

Pasmo przenoszenia zależy od

typu zastosowanego wzmacniacza,

jego wzmocnienia, a także od war−

tości rezystorów R13 i R9 − czym

większe są te rezystancje, tym węż−

sze pasmo. Jeśli wskaźnik miałby

mieć dużo większą czułość (czyli

wzmocnienie wynikające ze stosun−

ku R9/R13), rzędu kilkudziesięciu

miliwoltów, należałoby zastosować

szybszy wzmacniacz, na przykład

LF356 i dobrze byłoby zastosować

mniejsze wartości rezystorów (R9 <

100k W ). Z konieczności należy wte−

dy zmniejszyć także R8 i odpowied−

nio zwiększyć C2 (C2 może być kon−

densatorem elektrolitycznym). Nale−

ży wtedy zwrócić uwagę, żeby po−

jemność C5 nie była zbyt mała i nie

ograniczała od dołu przenoszonego

pasma częstotliwości.

Rys. 8. Schemat montażowy wskaźnika.

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/96

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: