Микросхемы LM3914, LM3915 и LM3916 фирмы National Semiconductors позволяют строить светодиодные индикаторы с различными характеристиками — линейной, растянутой линейной, логарифмической, специальной для контроля аудиосигнала.
Структура базовой микросхемы LM3914 семейства представлена на рис. 1. Ее основу составляют десять компараторов, на инверсные входы которых через буферный ОУ подается входной сигнал, а прямые входы подключены к отводам резистивного делителя напряжения. Выходы компараторов являются генераторами втекающего тока, что позволяет подключать светодиоды без ограничительных резисторов. Индикация может производиться или одним светодиодом (режим «точка»), или линейкой из светящихся светодиодов, высота которой пропорциональна уровню входного сигнала (режим «столбик»).
Входной сигнал UBX подают на вывод 5, а напряжения, определяющие диапазон индицируемых уровней, — на выводы 4 (нижний уровень UH) и 6 (верхний уровень UB). Эти напряжения должны быть в пределах от 0 до уровня, на 1,5 В меньше напряжения источника питания, подключаемого к выводу 3.
«Цена деления» индикатора, т. е. увеличение входного напряжения, вызывающее включение очередного светодиода, составляет 0.1 от разности UB-UH.
Индикатор на микросхеме LM3914 работает следующим образом. Пока напряжение на входе UBX меньше, чем на входе UH плюс «цена деления», ни один светодиод не светится. Как только эти напряжения сравняются, включается светодиод HL1, подключенный к выходу 1. В режиме «точка» при увеличении входного напряжения ток по выходу 1 прекращается и появляется ток выхода 2, при этом гашение первого светодиода и включение второго происходит одновременно, свечение как бы «перетекает» из одного светодиода в другой, и не возникает ситуации, когда оба светодиода погашены. В режиме «столбик» включение очередного светодиода, естественно, не вызывает гашения предыдущего. 
Микросхема LM3914 предназначена для построения индикаторов с линейной шкалой, и все резисторы ее делителя имеют одинаковое сопротивление. У микросхемы LM3915 делитель рассчитан так, что включение каждого последующего светодиода происходит при увеличении напряжения входного сигнала в√2 раз (на 3 дБ), что удобно для контроля мощности УМЗЧ. Микросхема LM3916 специально предназначена для контроля уровня аудиосигнала. Шаг индикации у нее составляет 1 дБ в верхней части шкалы и увеличивается до 3 и 10 дБ в нижней части. В табл. 1 приведены уровни входного сигнала, включающего соответствующий светоди-од, при нормировании на максимальное напряжение 10 В.
Уровни в последней колонке приведены для случая использования микросхемы LM3916 для диапазона индикации -20…+3 дБ.
Микросхемы содержат источник опорного напряжения с номинальным значением 1,25 В. Путем подключения двух внешних резисторов напряжение может быть установлено любой большей величины, не превышающей на 2 В ниже напряжения питания, но не более 12 В. Подключение резисторов и расчет опорного напряжения осуществляется так же, как для микросхемы LM317 (КР142ЕН12):
Uоп = (R2/R1+1)x1,25В + I8R2,
где R1 — сопротивление резистора, подключенного между выводами 7 и 8, R2 — сопротивление резистора, подключенного между выводом 8 и общим проводом, I8 — вытекающий ток вывода 8, составляющий около 100 мкА.
Переключение между режимами «точка» и «столбик» производится управлением по выводу 9. При подключении этого вывода к плюсу источника питания микросхемы (вывод 3) реализуется режим «столбик», если же вывод оставить свободным или подключить к общему проводу — «точка». Порог переключения между режимами примерно на 100 мВ ниже напряжения на выводе питания 3.
Параметры микросхемы LM3914 приведены в табл. 2.
Типовая схема подачи входного сигнала на микросхему показана на рис. 2. Сопротивление резистора R1 выбирают в соответствии с уровнем входного сигнала UMAX, при котором должен включаться верхний светодиод шкалы, по формуле:
R1 = R2(UMAX/1.25-1).
Входное сопротивление микросхемы весьма велико, поэтому в большинстве случаев при расчете номинала резистора R1 его можно не учитывать.
Интересна роль резистора R3, его сопротивление определяет ток через светодиоды. На </b>рис. 3</b> представлены начальные участки выходных характеристик генераторов тока, включающих светодиоды, при различных значениях тока нагрузки источника опорного напряжения lL(REF) (ток вывода 7). Как видно из </b>рис. 3</b>, ток через каждый свето-диод примерно в 10 раз больше тока нагрузки источника опорного напряжения.
Возможна подача опорного напряжения, например, 10 В от внешнего источника (рис. 4). В этом случае диапазон входного напряжения составляет 0… 10 В, а при указанном на схеме сопротивлении резистора R3, так же, как и для варианта по схеме на рис. 2, номинальный ток через светодиоды равен 10 мА.
Установка необходимого напряжения внутреннего источника проиллюстрирована на рис. 5. Как уже указывалось выше, напряжение питания микросхемы должно по крайней мере на 2 В превышать напряжение опорного источника. Если напряжение на выводе 4 микросхемы (UH) установить отличным от нуля, можно получить растянутую линейную шкалу — от UH до UB. Такая схема включения проиллюстрирована на рис. 6. Напряжение на входе UB составляет около 1,2 В, а на входе UH подстроечным резистором R3 это может быть установлено в пределах O…UB. Если его выбрать равным 2/3 от UB, т. е. 0,8 В, а коэффициент передачи делителя R1R2 подстроенным резистором R2 установить 0,08, то диапазон индицируемых уровней составит 10,5… 15 В, точнее первому включившемуся светодиоду соответствует напряжение 10,5 В. последнему — 15 В.
Вариант получения аналогичной шкалы в вольтметре для измерения напряжения бортовой сети автомобиля приведен на рис. 7. В этом случае напряжения верхнего UB = 3,6 В и нижнего уровня UH= 2,4 В устанавливаются подстроенным резистором R4, а коэффициент передачи входного сигнала на вход UBX микросхемы, равный 0,24, — резистором R2.
Во всех рассмотренных выше вариантах индикаторов вход 9 управления «столбик/точка» был никуда не подключен, что обеспечивало индикацию в режиме «точка». Если желательна индикация «столбиком», как уже указывалось выше, вход 9 следует подключить к входу для подачи напряжения питания на микросхему (вывод 3). Однако при включении всех десяти светодиодов существенно увеличивается мощность, рассеиваемая на микросхеме, поэтому следует произвести ее контрольный расчет. Тепловое сопротивление корпуса составляет 55 °С/Вт, максимальная температура кристалла — 100 °С, что допускает максимальную мощность 1365 мВт при температуре окружающей среды 25 °С, 1100 мВт — при 40 °С, 730 мВт — при 60 °С. Если задаться током 10 мА через каждый светодиод, то суммарный ток через 10 включенных светодиодов будет 100 мА и при температуре 40 °С напряжение на выходах микросхемы не должно превышать 11 В, а напряжение питания цепей светодиодов — 12,5 В.
Если нужен больший ток через светодиоды, можно уменьшить напряжение питания светодиодов вплоть до 3 В, при этом питание микросхемы можно осуществлять от источника с большим напряжением. В случае, когда применение двух источников по каким-либо причинам неприемлемо, можно последовательно с каждым светодиодом включить ограничительный резистор, как это показано на рис. 8. Для формирования «столбика» можно все све-тодиоды соединить последовательно, а микросхему перевести в режим «точка» (рис. 9). Напряжение питания в этом случае должно определяться исходя из того, что падение напряжения на каждом светодиоде около 2 В, почти столько же должно быть на выходе 10 микросхемы, когда включены все светодиоды.
Последовательное включение свето-диодов в режиме «точка» позволяет получить интересный вариант построения индикатора. В качестве примера на рис. 10 приведена возможная схема устройства. Если светодиоды HL1—HL4 установить желтого цвета свечения (мало), HL5—HL8 — зеленого (норма), HL9, HL10— красного (перегрузка), одного взгляда на индикатор будет достаточно для оценки измеряемого параметра. Число светодиодов в каждой цепочке, число цепочек и цвета светодиодов могут быть и другими, соответствующими поставленной задаче. Такой вариант с использованием микросхемы К1003ПП1 описан автором в статье [1].
Напряжение питания микросхемы должно находиться в пределах 3…25 В. Напряжение питания светодиодов должно быть не менее 3 В и не более напряжения питания микросхемы. Источник питания микросхемы в непосредственной близости от нее должен быть зашунти-рован оксидным танталовым конденсатором емкостью не менее 2,2 мкФ или алюминиевым 10 мкФ. Возможно питание цепи светодиодов выпрямленным неотфильтрованным напряжением частотой 50 Гц, однако необходимо подключение к этой цепи такого же блокировочного конденсатора, как и к микросхеме.
При необходимости индикации числа уровней, большего 10, можно использовать несколько микросхем, соединив их каскадно, допустимо соединение до пяти микросхем. Возможный вариант соединения двух микросхем LM3914 приведен на рис. 11, следует обратить внимание на следующее. Источник опорного напряжения микросхемы DA1 работает в обычном режиме и нагружен на резистор R3, что обеспечивает ток 10 мА через подключенные к этой микросхеме светодиоды. Минусовый вывод источника микросхемы DA2 подключен к плюсовому выводу первого источника и обеспечивает между входами UB и UH микросхемы DA2 напряжение 1,2 В, «поднятое» вверх на 1,2 В. Источник микросхемы DA2 нагружен на резистор R4, что задает ток через светодиоды, подключенные к этой микросхеме, той же величины, что и через светодиоды DA1.
Для обеспечения режима «столбик» достаточно выводы 9 каждой микросхемы соединить с выводами 3. Сложнее с режимом «точка», для него необходимо гашение светодиода HL10 при включении любого из светодиодов HL11— HL20. Сигнал о необходимости гашения HL10 поступает с выхода 1 DA2 на вход 9 DA1. Если включен любой из светодиодов HL11—HL20, падение напряжения на HL1 составляет не менее 1 В, поскольку через него проходит или рабочий ток светодиода, или специально формируемый микросхемой DA2 ток порядка 150 мкА (допуск— 60…450мкА), не вызывающий заметного свечения обычных (не супе-рярких) светодиодов. Это падение сравнивается специальным компаратором микросхемы DA1 с напряжением питания светодиодов. Для подачи этого напряжения на второй вход компаратора, соединенный с выводом 11 (выход 9) DA1, служит резистор R5.
Делитель напряжения микросхемы имеет очень хорошую точность, однако для реализации потенциальных возможностей микросхемы следует тщательно подойти к разводке цепей общего провода. Ток вывода 2, который в режиме «столбик» может доходить до 300 мА, не должен протекать по проводникам, через которые подключаются нижний вывод резистивного делителя микросхемы (вывод UH)f источник входного сигнала и минус источника опорного напряжения. В режиме «столбик» по проводнику, соединяющему выводы 9 и 3, не должны протекать токи светодиодов.
Для четкой работы индикатора рекомендуется «цену деления» устанавливать не менее 20 мВ в режиме «столбик» и 50 мВ в режиме «точка».
Схема интересного варианта индикатора двуполярного напряжения приведена на рис. 12. Микросхема DA1 работает практически в стандартном режиме и формирует светящийся «столбик», высота которого пропорциональна положительному входному напряжению.
Микросхема DA2 также работает в режиме «столбик», но включена необычно. Все светодиоды, подключенные к ее выходам, получают питание через резисторы R6—R15 и гаснут при включении соответствующих выходов микросхемы. На нижний вывод UH встроенного делителя подано напряжение -1,32 В со стабилизатора на микросхеме DA3. В результате на верхнем выводе делителя UB микросхемы DA2 формируется уровень около -0,12 В, и при нулевом или положительном напряжении на входе этой микросхемы все выходы микросхемы включены и свето-диоды, подключенные к ее выходам, погашены.
При подаче на вход индикатора отрицательного напряжения, увеличивающегося по абсолютной величине, вначале выключается выход 10 и зажигается светодиод HL11, затем поочередно еще и HL12—HL20, что формирует «столбик», высота которого пропорциональна модулю отрицательного напряжения на входе.
Для обеспечения функционирования микросхем при отрицательных входных сигналах на выводы микросхем 0В для подачи минуса питания подано то же напряжение -1,32 В. Точная подстройка этого напряжения производится резистором R5.
Ток через светодиоды HL1—HL10 определяется резистором R1 и составляет около 10 мА, примерно такой же ток течет через резисторы R6—R15 и обеспечивает необходимую яркость свето-диодов HL11—HL20. Поскольку при включении выходов микросхемы DA2 напряжение на ее выходах составляет около -1 В, ток через резисторы R6— R15 увеличивается почти до 14 мА, что и определяет выбор сопротивления резистора R2.
Схема на рис. 13 иллюстрирует вариант построения вольтметра с растянутой шкалой для измерения отклонения напряжения на входе от номинального +5 В. Цена деления вольтметра — 120 мВ, полный диапазон — 4,46…5,54 В. Выходное напряжение опорного источника 1,2 В делителем R1R2 уменьшается до необходимого 1,08 В, подстроенным резистором R1 устанавливается его точное значение, а резистором R4 — начальное напряжение шкалы Uн.
Индикатор может работать как в режиме «точка», так и в режиме «столбик». Выбор режима осуществляется переключателем SA1. Светодиоды шкалы целесообразно установить разного цвета свечения, например, HL4—HL7 — зеленого; HL3, HL8 — желтого; HL1, HL2, HL9, HL10 — красного, что обеспечит эффективную индикацию отклонения напряжения от +5 В. 
Схема на рис. 13 также иллюстрирует упоминавшуюся ранее возможность питания светодиодов от нестабилизиро-ванного и нефильтрованного источника питания. Конденсатор С2 служит для обеспечения устойчивой работы микросхемы.
Индикатор по схеме на рис. 14 обеспечивает интересный эффект, который можно назвать «восклицательный знак». Микросхема работает в режиме «точка» и при нулевом напряжении на входе UBX все светодиоды погашены. Входной сигнал в диапазоне 0…1.2 В подается на этот вход микросхемы через резистор R2, вход зашунтирован конденсатором С2. Конденсатор периодически разряжается транзистором VT1, на базу которого подаются импульсы с частотой 1 кГц и длительностью 100 мкс. Напряжение на входе имеет вид импульсов длительностью 900 мкс по основанию с экспоненциально затянутым фронтом с постоянной времени R2C2 = 200 мкс. В результате ярко светится светодиод HL1 (он должен быть установлен ниже HL2) и светодиод, соответствующий входному напряжению. Во время прохождения фронта импульса светятся и промежуточные светодиоды, причем с тем большей яркостью, чем выше по рис. 14 светодиод расположен, и возникает упомянутый выше эффект.
Индикатор, схема которого приведена на рис. 15, при малых уровнях входного сигнала работает в режиме «точка», поскольку транзистор VT1 закрыт и на управляющий вход CfT через делитель R3VD1R4 подается напряжение, примерно на 0,7 В ниже напряжения питания. Когда включается светодиод HL10, открывается транзистор VT1, и напряжение на входе СЯ становится близким к напряжению на выводе +ипит. Микросхема переходит в режим «столбик» и вспыхивает вся шкала, привлекая к себе внимание. Резистор R2 позволяет регулировать яркость свечения светодиодов.
Очевидно, что точку соединения резисторов R5 и R6 можно подключить к любому из выходов микросхемы и переход в режим «столбик» будет происходить при включении соответствующего светодиода. 
На рис. 16 приведена схема индикатора, работающего в режиме «столбик». Его особенностью является то, что при зажигании светодиода HL10 отрицательный перепад напряжения с выхода 10 микросхемы через конденсатор С2 и резистор R2 проходит на выход источника опорного напряжения +UREF и нагружает его. В результате яркость свечения светодиодов резко увеличивается и, как и в предыдущем варианте включения, привлекает внимание. Длительность вспышки определяется постоянной времени C2R2 и составляет около 50 мс. Так же, как и в варианте по схеме на рис. 15, элементы R2—R4, С2 могут быть подключены к любому из светодиодов индикатора.
Как указывалось выше, гашение светодиодов и их зажигание происходят относительно плавно. При необходимости можно обеспечить резкое переключение светодиодов, схема возможного варианта индикатора с резким переключением, работающего в режиме «столбик», приведена на рис. 17— Дополнительные по сравнению со стандартным включением элементы DA2, R2—R5, С2 вводят положительную обратную связь в компараторы микросхемы. Рассмотрим работу индикатора подробнее.
Если на входе UBX микросхемы нулевое напряжение, все светодиоды погашены, микросхема DA2, являющаяся стабилизатором отрицательного напряжения 1,2 В (отечественный аналог — КР142ЕН18А), обеспечивает на резисторе R5 напряжение 1,2 В, а ее потребляемый по входному выводу ток составляет около 110 мА. Этот ток создает падение напряжения на резисторе R2 около 300 мВ, и, поделенное делителем R3R4 до уровня 25 мВ, оно подается на вход UH микросхемы DA1. Это поднимает пороги переключения компараторов, управляющих светодиодами HL1— HL10, на такую же величину.
При повышении входного напряжения включается светодиод HL1. В процессе его включения ток через светодиод HL1 начинает протекать через резистор R5, и потребляемый микросхемой DA2 ток уменьшается. Это уменьшает падение напряжения на R2 и R4 и снижает порог переключения компаратора, замыкая цепь положительной обратной связи, светодиод HL1 включается скачком. При дальнейшем увеличении входного напряжения также скачком поочередно включаются остальные светодиоды. При уменьшении входного напряжения также резко светодиоды будут выключаться, гистерезис каждого порога составит 0,5… 1 мВ. 
Основное отличие микросхемы LM3915 от ранее рассмотренной LM3914 заключается в номиналах встроенного делителя напряжения, что обеспечивает логарифмическую шкалу индикатора (см. табл. 1 ). Суммарное сопротивление резисторов делителя и точность порогов микросхемы приведены в табл. 3, остальные параметры указанных микросхем совпадают.
Простейший вариант построения логарифмического индикатора мощности, подаваемой на акустическую систему (АС), проиллюстрирован на рис. 18. Входной сигнал с контролируемой АС через делитель напряжения R1R2 подается непосредственно на сигнальный вход UBX микросхемы. Опорное напряжение выбором резисторов R3 и R4 установлено равным 8,65 В, что обеспечивает индикацию указанных на рис. 18 уровней при установке резистора R1 необходимого номинала в соответствии с сопротивлением АС.
Индикатор работает в режиме «точка» с током через каждый светодиод около 30 мА. Поскольку на входе индикатора напряжение переменное, светящиеся светодиоды образуют столбик с неравномерной яркостью, по которому можно оценить как среднюю мощность на АС, так и ее амплитудное значение.
Более точный индикатор среднего или амплитудного значения можно построить с использованием выпрямителя входного сигнала. Если микросхема используется при напряжении опорного источника 10 В, пороговое напряжение для уровня -27 дБ составляет 0,447 В (см. табл. 1) и простейший выпрямитель на кремниевом диоде с «пяткой» 0,6 В даст слишком большую погрешность. Схема простого пикового детектора, обеспечивающего удовлетворительную точность в диапазоне до -30 дБ при полной шкале 10 В, приведена на рис. 19. «Пятку» диода компенсирует напряжение UБЭ транзистора VT1.
Для получения большей точности в широком диапазоне входных напряжений необходимо применять активные выпрямители с использованием ОУ. Схема несложного однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 20. Конденсатор фильтра С2 заряжается через резистор R3 и разряжается через R2 и R3, поэтому в зависимости от соотношения номиналов этих резисторов устройство может выполнять роль как выпрямителя пикового значения (номиналы указаны на рис. 20), так и среднего (номиналы резисторов R2 и R3 надо поменять местами). Этот выпрямитель вполне работоспособен в диапазоне уровней входного сигнала 60 дБ.
Для точного двухполупериодного выпрямления и сглаживания можно использовать выпрямитель среднего значения, схема которого приведена на рис. 21. При установке резисторов R1—R4 с допуском 1 % усиление положительной и отрицательной полуволн различается не более чем на 0,5 дБ. Постоянная времени усреднения определяется произведением R5C2. Небольшая модификация выпрямителя (рис. 22) обеспечивает выделение информации о пиковом значении входного сигнала. Поскольку сглаживающий конденсатор не буферизирован, этот выпрямитель, так же, как и выпрямители по схемам на рис. 19 и 20, можно нагружать только на нагрузку с большим входным сопротивлением. Микросхема LM3915 вполне соответствует необходимому требованию.
Для выпрямления входного сигнала можно применять специализированные микросхемы. 
Для построения индикаторов с более широким диапазоном, чем 27 дБ, можно применять каскадирование микросхем. Простейший вариант соединения двух микросхем показан на рис. 23. Опорное напряжение микросхемы DA2 устанавливается подстроечным резистором R4 и составляет 10 В, микросхема работает в стандартном режиме. Для микросхемы DA1 опорное напряжение — 316 мВ, оно подстраивается резистором R1. Входной сигнал подается параллельно на входы обеих микросхем DA1 и DA2. Недостатком такого метода соединения микросхем является то, что порог для уровня включения светодиода -57 дБ составляет 14 мВ и может иметь приводящее к значительной ошибке смещение ±10 мВ.
Схема более точного варианта каскадирования микросхем приведена на рис. 24. Опорное напряжение обеих микросхем одинаково и составляет 10 В. Входной сигнал находится в диапазоне 0…10 В и на микросхему DA2 подается непосредственно, а на DA1 — после предварительного усиления в 31,6 раза операционным усилителем DA3. Естественно, что он ограничивается в ОУ DA3 и не может существенно превышать 10 В. Если резисторы R4 и R5 использовать с допуском ±1 %, подстройки коэффициента усиления не потребуется. Однако, смещение нуля ОУ DA3 может внести значительную погрешность, и его коррекция, как правило, необходима. Подстройка нуля может быть единой для ОУ усилителя DA3 и ОУ, входящих в состав выпрямителя входного сигнала.
Принципиально можно соединить три микросхемы LM3915 аналогично рис. 24 и расширить диапазон индикации до 90 дБ, однако при этом придется проявить особую тщательность при усилении сигнала 0,5 мВ. Может потребоваться подстройка нуля в различных каскадах и разделение общего провода цепей питания и сигнала.
Некоторые замечания по установке тока светодиодов. В приведенном на рис. 25 стандартном варианте формирования опорного напряжения выходной ток по выводу 7 складывается из тока делителя R1R2 и тока через внутренний делитель микросхемы, номинальное сопротивление которого составляет 22 кОм. При опорном напряжении 10 В ток через внутренний делитель составляет около 450 мкА, это увеличивает ток через каждый включенный светодиод на 4,5 мА, что следует обязательно учитывать.
На рис. 26 представлена схема раздельной подстройки опорного напряжения (подстроечный резистор R3) и тока через светодиоды (резистор R5). Диапазон регулировки тока через светодиоды для указанных номиналов резисторов составляет 9…28 мА. Аналогичная схема раздельной регулировки для случая соединения двух микросхем приведена на рис. 27.
Интересная схема нуль-индикатора на микросхемах LM3915 приведена на рис. 28. Его особенностью является повышение чувствительности по мере приближения к нулевому уровню. Микросхема DA2 работает в обычном режиме при опорном напряжении 1,25 В. При входном сигнале, близком к верхнему уровню шкалы, шаг индикации примерно равен 360 мВ, а при приближении к нулю — около 20 мВ. Для подачи на вход микросхемы DA1 входное напряжение инвертируется каскадом на ОУ DA3, в результате чего и образуется нуль-индикатор. За счет подачи на вход UH обеих микросхем небольшого отрицательного напряжения можно регулировать чувствительность индикатора вблизи нуля и даже менять характер индикации, например, при нулевом напряжении на входе можно добиться или гашения свето-диодов, подключенных к выводам 1 микросхем, или их зажигания.
6 лет Метки: светодиодный индикатор уровня, lm3914
109
Sorry, the comment form is closed at this time.