Для индикации значения какого-либо параметра, например напряжения, зачастую удобно использовать светодиодный индикатор, работающий по принципу "Меньше", "Норма", "Больше", т. е. он имеет три устойчивых состояния. При этом каждому состоянию соответствует свой светодиод. Для реализации такого индикатора часто применяют двухпороговый компаратор, который можно реализовать на ОУ [1], логических элементах [2-4], транзисторах [5], ОУ, транзисторах и реле [6]. В этих случаях дополнительным элементом должен быть источник образцового напряжения, а при его отсутствии необходимо обеспечить стабильность напряжения питания индикатора, иначе пороги переключения будут "плавать".
Собрать такой индикатор можно на основе широко известной микросхеме параллельного стабилизатора напряжения серии КР142ЕН19 или её зарубежного аналога - микросхемы серии TL431 и её клонов. Это обеспечит стабильность порогов переключения, так как в этой микросхеме есть встроенный источник образцового напряжения. А использование в индикаторе светодиодов различного цвета свечения, а значит, с разными номинальными напряжениями, позволит обеспечить включение только одного из них.
Рис. 1. Схема индикатора
Схема индикатора показана на рис. 1. Он содержит три микросхемы TL431A, одна из которых - DA3 - включена как стабилизатор напряжения, а две остальные DA1 и DA2 работают как компараторы и управляют светодиодами HL1 и HL2. Контроли-руемое напряжение поступает на управляющие входы этих микросхем с резистивных делителей R1R2 и R1R3. Работает индикатор следующим образом. Пороговое напряжение на входе микросхемы TL431A - 2,5 В. При меньшем напряжении ток через микросхему мал, а при большем резко увеличивается, благодаря этому микросхему можно использовать как пороговое устройство, т. е. компаратор [6]. Микросхема DA3 включена как стабилизатор напряжения 2,5 В, а номинальное напряжение светодиода HL3 синего свечения - 2,9...3,3 В. Поскольку они включены последовательно, минимальное напряжение, при котором светодиод будет светить, - около 5,5 В. При меньшем напряжении питания светодиод HL3 погаснет. Поэтому при напряжении питания более 5,5 В и отсутствии входного напряжения будет светить именно светодиод HL3 "Меньше", сигнализируя о том, что входное напряжение меньше нижнего порога. Резистор R7 ограничивает ток через этот и другие светодиоды.
Напряжение нижнего порога переключения устанавливают подстроечным резистором R2. Когда при увеличении входного напряжения его значение на входе микросхемы DA2 превысит 2,5 В, она откроется и ток через неё резко увеличится - станет светить светодиод зелёного свечения HL2 "Норма". Номинальное напряжение этого светодиода, как правило, меньше напряжения светодиода синего свечения, а минимальное напряжение на микросхеме TL431A - не более 2 В. Поэтому суммарное напряжение на микросхеме DA2 и светодиоде HL2 не превысит 4,5 В. В результате светодиод HL3 погаснет.
Напряжение верхнего порога переключения устанавливают подстроечным резистором R3. Когда напряжение на его движке превысит 2,5 В, откроется микросхема DA1 и ток через неё резко увеличится, поэтому включится светодиод HL1 "Меньше" красного свечения. Номинальное напряжение этого светодиода - 1...1,8 В, поэтому суммарное напряжение на микросхеме DA1 и светодиоде HL1 не превысит 4 В. В результате светодиод HL2 погаснет. Резисторы R4-R6 необходимы для того, чтобы исключить слабое свечение светодиодов в выключенном состоянии микросхем DA1-DA3. Дело в том, что в таком состоянии через каждую микросхему протекает небольшой ток, и чтобы он протекал не через светодиоды, установлены эти резисторы.
Устанавливая нижний и верхний пороги переключения резисторами R2 и R3 соответственно, индикатор можно настроить на любой интервал входного напряжения. Минимальное значение нижнего предела - 2,5 В, оно задано напряжением переключения микросхемы TL431A. Максимальное значение верхнего предела, в принципе, неограничено, поскольку оно зависит от делителя напряжения R1R2, и его можно увеличить за счёт увеличения сопротивления резистора Rl. Но следует учесть, что если напряжения нижнего и верхнего порогов отличаются в несколько раз, для каждой микросхемы надо сделать отдельный резистивный делитель.
Рис. 2. Чертёж печатной платы индикатора
Рис. 3. Внешний вид смонтированной платы
Индикатор собран на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1...2 мм, чертёж которой показан на рис. 2. Применены постоянные ре зисторы МЛТ, С2-23, подстроечные - серий 3362Н, PV32H или отечест венные СП3-19. Светодиоды - сверхъяркие соответствующего све чения, можно применить трёхцветный светодиод EL-501TCC07E, его цоколёвка показана на рис. 1. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 3. Налаживание сводится к установке порогов переключения резисторами R2, R3 и подборке резисторов R4-R6, чтобы не было подсветки светодиодов. Резистором R7 можно установить яркость свечения светодиодов.
Недостатком устройства является сравнительно большой минимальный порог переключения - 2,5 В. Чтобы его уменьшить, на входы микросхем надо подать постоянное напряжение смещения. Это напряжение должно быть сравнительно стабильным, а получить его можно, применив на входе индикатора истоковый повторитель на полевом транзисторе с управляющем p-n переходом. Вариант схемы индикатора с повышенной чувствительностью показан на рис. 4.
Рис. 4. Вариант схемы индикатора с повышенной чувствительностью
Здесь в истоковом повторителе применён транзистор с большим начальным током и большим напряжением отсечки. Благодаря этому на резисторах, включённых в цепь истока, будет напряжение, близкое к 2,5 В, что и обеспечит необходимое смещение. Это напряжение зависит от параметров транзистора и общего сопротивления этих резисторов.
Коэффициент передачи истокового повторителя по напряжению немногим менее единицы, поэтому практически всё приращение входного напряжения поступает на исток и далее через резисторы R2 и R3 на входы микросхем. Благодаря применению полевого транзистора входное сопротивление индикатора будет более 1 МОм. При этом режим по постоянному току будет вблизи от термостабильной точки. Между затвором и общим проводом нет смысла устанавливать резистор, поскольку вход индикатора будет подключён к источнику контролируемого напряжения. Если контролируемое напряжение может изменяться в большом интервале, для защиты полевого транзистора в цепь затвора следует установить резистор R' сопротивлением несколько десятков килоом.
Рис. 5. Чертёж платы доработанного варианта индикатора
Чертёж платы доработанного варианта индикатора показан на рис. 5. Здесь можно применить такие же элементы, как и в предыдущем случае. Подойдут транзисторы серий КП302, КП307. Поскольку у транзисторов большой разброс параметров, предварительно надо провести подборку требуемого экземпляра или подборку резистора R1. Для этого вход индикатора соединяют с общим проводом, подают питающее напряжение и измеряют напряжение на истоке транзистора VT1. Если оно меньше 2,5 В, например 2,2 В, минимальное напряжение переключения будет около 0,3 В. Если этого достаточно, можно приступать к налаживанию индикатора, т. е. установке порогов переключения. При этом следует учесть, что входное напряжение не должно превышать 80...90 % от напряжения питания.
Для повышения чувствительности следует применить транзистор с большим напряжением отсечки. В этом случае напряжение на истоке может превысить 2,5 В, тогда его уменьшают до этого значения подборкой резистора R1. Добиваться чувствительности менее 0,1 В нецелесообразно, поскольку при этом может ухудшиться стабильность порога.
При напряжении питания менее 5 В не будет светить ни один из светодиодов. Так получается ещё один дополнительный уровень индикации - низкое значение напряжения питания или его отсутствие.
Литература
1. Двухпороговый компаратор. - Радио, 1985, №7, с. 58.
2. Нечаев И. Светодиодный индикатор уровня напряжения. - Радио, 1994, № 6, с. 31.
3. Световые индикаторы напряжения. - Радио, 1984, № 12, с. 25, 26.
4. Староверов А. Двухпороговые компараторы на логических элементах. - Радио, 2021, № 1, с. 14, 15.
5. Челебаев М. Трёхуровневый индикатор напряжения. - Радио, 1977, № 2, с. 29.
6. Гричко В. Двухпороговый компаратор. - Радио, 2003, № 4, с. 32.
Автор: И. Нечаев, г. Москва