Линейный генератор рампы на таймере 555 — практическое лабораторное руководство

Детали и материалы

• Две батареи 6 В (или источник 12 В)
• Электролитический конденсатор 470 мкФ, 35 В (Radio Shack #272‑1030 или аналогичный)
• Конденсатор 0.1 мкФ неполярный (Radio Shack #272‑135)
• Таймер 555 (Radio Shack #276‑1723)
• Два PNP-транзистора (рекомендуются 2N2907 или 2N3906; Radio Shack #276‑1604 — набор из 15 шт.)
• Два светодиода (Radio Shack #276‑026 или аналогичные)
• Резистор 100 кОм
• Резистор 47 кОм
• Два резистора 510 Ом
• Аудиодетектор с наушниками

Напряжение конденсатора 470 мкФ должно лишь с запасом превышать напряжение питания — 12 В в этом примере. Обязательно соблюдайте полярность при установке.

Перекрёстные ссылки

• Lessons In Electric Circuits, Т. 1, Гл. 13: «Конденсаторы»
• Lessons In Electric Circuits, Т. 4, Гл. 10: «Мультивибраторы»

Цели обучения

• Продемонстрировать таймер 555 как астабильный мультивибратор.
• Показать практическое применение схемы зеркала тока.
• Иллюстрировать связь между током конденсатора и скоростью изменения напряжения.

Схема

Иллюстрация

Процедура

Мы используем таймер 555 в астабильном режиме для генерации осциллятора, заряжающего конденсатор. Эксперимент сравнивает два пути заряда: классическую RC-цепочку и источник постоянного тока, реализованный с помощью зеркала тока из двух PNP-транзисторов.

Соедините точку TP1 с TP3 перемычкой. Конденсатор 470 мкФ теперь заряжается через резистор 47 кОм. Когда его напряжение достигает двух третей питания, 555 переключается на разряд, почти мгновенно опуская напряжение до одной трети питания. Цикл повторяется, создавая пилообразную форму волны.

Измерьте напряжение на конденсаторе цифровым мультиметром. Кривая сначала поднимется круто, а затем выпрямится при приближении к 2/3 V_cc, что характерно для RC-заряда.

Далее, снимите перемычку с TP3 и поставьте на TP2. Конденсатор теперь получает управляемый ток от зеркала тока, образованного двумя PNP-транзисторами. Измерьте напряжение снова. Зарядная кривая должна стать линейной — настоящей рампой — потому что ток остаётся практически постоянным, удовлетворяя i = C·dV/dt.

Для проверки поведения тока замените перемычку амперметром на микроамперном диапазоне. При соединении между TP1 и TP3 ток начнёт высоким и будет затухать. При соединении между TP1 и TP2 ток должен быть гораздо более стабильным, с минимальной переменной составляющей.

Для наглядности попробуйте нагреть один из транзисторов. Нагрев управляющего транзистора (подключенного к резистору 100 кОм) уменьшает зеркалируемый ток, а нагрев управляемого — увеличивает его. В точной установке два транзистора термически соединены для совпадения температур.

Схема также работает на звуковых частотах. Замените конденсатор 470 мкФ на 0.1 мкФ и подайте выход 555 на аудиодетектор. Детектор выдаст чистый тон. Хотя вольтметр постоянного тока не может разрешить быстрые колебания напряжения, вы всё ещё можете использовать амперметр для сравнения переменных и постоянных токов в обоих режимах RC и постоянного тока.

Если бы зеркало тока было идеальным, переменная составляющая измеренного тока была бы нулевой, указывая на идеально постоянный зарядной ток.