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同一项目的两种方案:555 vs 施密特触发器

2020-10-09 Robert Heider 阅读:
我们需要一个电路,能够在大约30秒的时间内产生几秒钟的紫外线LED光脉冲。这个设备要沉浸在紫外线下,这样在不使用时就会重新生成荧光。这个设备建议用555定时器来设计。

“我们需要一个电路,能够在大约30秒的时间内产生几秒钟的紫外线LED光脉冲。”某款具有荧光元件的便携式售后市场产品的制造商说。这个设备要沉浸在紫外线下,这样在不使用时就会重新生成荧光。接下来,他们给我看了一本翻旧了的555规格书,并建议我使用它。q7Fednc

我想起已故的模拟设计专家Bob Pease曾经说过,他最喜欢的使用555的电路是一张白纸。有些人甚至认为555是玩具。q7Fednc

后来,我与另一位电子工程师讨论了这个应用,他告诉我使用555没问题。对于这个应用,不需要高精度,因此我开始了设计。q7Fednc

设计规范要求低占空比,也就是说,通电时间除以总时间应小于50%。我回想起了EDN设计实例文章“Design low-duty-cycle timer circuits”,这篇文章展示了如何设计低占空比的555电路。此文假设输出在小于50%的短时间内为“高”电平。但是,它的无源元件计算很复杂,并且它使用附加的二极管来缩小占空比。q7Fednc

使用555实现低占空比的另一种方法,是从电源通过负载连接到输出引脚,而不是尝试驱动负载。这种方法对这个设计可行。因为目的是提供紫外线脉冲,所以电信号电平可以处于任何电平。q7Fednc

对于本文的无稳定设计,使用了1µF的电容值和10MΩ的最大电阻(图1)。这似乎在设备的设计能力之内,因此可以合理地预期拟定的设计应该可以工作。q7Fednc

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图1:555定时器测试电路配置为低占空比。q7Fednc

这个电路是在面包板上搭建和测试的。它运行良好,客户对此也感到满意,但是作为一名大学老师,以及为了向Bob Pease致敬,我都想要使用Schmitt触发器来提供替代设计。q7Fednc

施密特触发器

我想起了另一个设计实例“Solenoid-protection circuit limits duty cycle”,这篇文章使用运算放大器和RC网络作为施密特触发器来实现时间延迟,从而防止仪器过热。我关注的应用需要一个无稳定的设计,如图2所示。q7Fednc

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图2:将施密特触发器配置为无稳定工作状态。q7Fednc

RC网络的电容器电压在负(-)端,与运算放大器正(+)输入端的偏置项一起,产生锯齿波形(图3)。q7Fednc

定时可以通过自然对数计算。开关点Vbh和Vbl基于反馈电阻R10和运算放大器正(+)端的两个串联电阻R1和R8。运算放大器输出将在4.1V的高电平与0.7V的低电平之间切换。Vbh和Vbl分别计算为3.0和1.66V。q7Fednc

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图3:电容器的锯齿波电压将施密特触发器变成低占空比的振荡器。q7Fednc

假设运算放大器输出为高电平,负极侧为较低值。在这种情况下,电容器C1将通过R15和二极管D10向4.1V高电平值充电。R3也会有小电流流过。一旦电容器达到Vbh值,运算放大器就会切换,电容器就会通过R3放电至接近0.7V,于是,二极管就反向偏置了。q7Fednc

对于充电部分,R=165k(两个330k并联),C=15µF,有:q7Fednc

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对于放电部分,R=2.2M,有:q7Fednc

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图4:用面包板制作的施密特触发器按预期工作。q7Fednc

这个电路也使用面包板制作并经过了测试(图4)。两种设计均已提交给那家公司,并且效果很好。两者均使用5V电源,可以通过USB连接器供电。有趣的是,还可注意到两种设计的相似之处:555使用了置位复位触发器和两个比较器,它们可能形成施密特触发器。q7Fednc

那么,是要使用555还是施密特触发器?我提醒那家公司,虽然两种设计已可以在面包板上工作,但是距离实现商业产品还有很长的路要走。另一个建议是,让他们把这两个设计展示给专门从事商业产品开发的公司。q7Fednc

我进一步建议他们考虑元器件的可靠性。他们的最终设计是要把这个电路和电池电源安装在便携式设备中,并且要能在广泛的环境中工作。因此,实际选择应根据环境和可靠性规范。q7Fednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Schmitt trigger provides alternative to 555 timerq7Fednc

本文为《电子技术设计》2020年10月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里q7Fednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
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