Электронные схемы для управления внешними устройствами: Устройства на микроконтроллерах

Содержание

Разработка электроники. О микроконтроллерах на пальцах / Хабр

Задумывая технологический стартап, вы совсем не обязаны быть асом в электронике, гораздо больше шансов на хорошую идею имеет узкий специалист со знанием основ маркетинга, но, даже заказывая кому-то разработку, ориентироваться в возможностях современной элементной базы и представлять цену решения необходимо обязательно. Иначе можно потребовать невозможного, либо получить устройство с завышенной себестоимостью на устаревшей элементной базе.
Под катом попытка кратко и просто рассказать о возможностях современных микроконтроллеров людям от них далёким. Для тех, у кого есть идея нового электронного устройства, но отсутствует представление о том, что такое микроконтроллер. Те, кто хочет сделать первый шаг от занимательных экспериментов с платформой ардуино к проектированию собственных устройств, также могут найти в ней простые, но полезные советы. Я старался, не останавливаясь на технических подробностях, для этого и книги не достаточно изложить суть и дать несколько простейших, но полезных советов по схемотехнике, чтобы предостеречь от элементарных ошибок начинающих.



Краткое содержание статьи:


Как микроконтроллеры завоевали мир
Архитектура ARM — сегодняшний лидер рынка микроконтроллеров
Конкуренция с младшими братьями
Об укладке асфальта, пользе сна и его разновидностях
Совсем коротко о технологии изготовления и о том, как появляются серии микроконтроллеров
Периферия простейшего ARM микроконтроллера за пол бакса
Самый дешёвый способ получить дополнительные функции
А что добавит переход на Cortex-M4, кроме возросшей в пару раз цены?
Cortex-M7 — когда хочется большего…

Защита кода, возможность его обновления и многообразие помогли микроконтроллерам завоевать мир

Любой умный прибор требует управления. В большинстве случаев сегодня этим занимаются микроконтроллеры — чипы, которые совмещают в себе микропроцессорное ядро, память и периферийные модули, отвечающие за связь с остальными компонентами устройства и внешним миром.

Микроконтроллеры — мастера на все руки. Один микроконтроллер способен заменить десятки специализированных микросхем, которые были бы необходимы для выполнения требуемых функций в случае, если бы роль вычислителя занимал микропроцессор.

Одно из неоспоримых преимуществ микроконтроллера — программа, под управлением которой он работает, скрыта внутри его корпуса (в секции под названием “память программ”) и очень хорошо защищена от взлома, конечно, в случае, если разработчик микрокода об этом позаботился, активизировав встроенные механизмы защиты. Таким образом, вы получаете защиту интеллектуальной собственности настолько большую, насколько это возможно в наши дни.

Что нельзя взломать — то можно скопировать. Зачем пытаться считать код, встроенной в микроконтроллер программы, с помощью дорогостоящих хитроумных приспособлений, если проще и дешевле найти профессионала, который может написать его заново? Возможно результат будет даже лучше, а функционал богаче чем у прототипа. Да это стоит денег, но содержание FLASH памяти сегодняшних микроконтроллеров настолько хорошо защищено, что попытки грубого “взлома” обойдутся ещё дороже. Кроме того, решается проблема интеллектуальной собственности, а вы, вместе с исходными кодами программы, получаете возможность развивать и совершенствовать своё устройство.

Память программ, в современных универсальных микроконтроллерах, является перезаписываемой, причём процесс перезаписи можно повторять не один десяток тысяч раз. Напрашивается использование этого факта для обновления программного обеспечения с целью устранения найденных в нём ошибок или расширения функций уже работающего устройства. Это достаточно просто реализовать — добавив в программу специальный участок кода под названием “бутлоадер”, вы получаете возможность обновлять программное обеспечение вашего прибора различными способами: в пункте сервисного обслуживания (если устройство имеет специальный, скрытый внутри корпуса от посторонних глаз, разъём), подключив к компьютеру по USB, через сетевой или даже беспроводной интерфейс. Главное, предусмотреть в приборе необходимую для этого периферию. Предоставляя возможность обновления ПО, всегда следует думать о безопасности, если этот процесс недостаточно защищён, мало того, что злоумышленники могут похитить ваш код, они могут модифицировать его и использовать в своих

не исключено, что коварных целях. Например, взять под контроль вещи вашего “умного дома” или шпионить с помощью, установленной вами же у себя дома, WEB камеры.

Архитектура ARM — сегодняшний лидер рынка микроконтроллеров

Со времён Царя Гороха микроконтроллеры принято разделять по разрядности данных, над которыми они проводят операции. В подавляющем большинстве случаев, сегодня, в новых разработках, стоит останавливать свой выбор на 32 битных микроконтроллерах с ядром АRM. Существует огромное количество их модификаций и всегда можно подобрать экземпляр, наилучшим образом подходящий для решения вашей задачи. В зависимости от набора функций и производительности, цена чипа может составлять от десятков центов до десятков долларов.
Микроконтроллеры(MCU), в зависимости от архитектуры вычислительного ядра, принято разделять на крупные семейства. На сегодняшний день, для разработок устройств малой и средней сложности, наиболее популярны микроконтроллеры c ядрами от Cortex-M0 до Cortex-M7. Чем больше цифра, тем больше вычислительные (и не только) возможности, цена и максимальное энергопотребление. Не последнюю роль в популярности ARM сыграла преемственность архитектуры. Разработчик может с минимальными издержками модифицировать программный код своих предыдущих наработок, переходя от микроконтроллеров одного производителя к чипам другого и мигрируя между ядрами с разной производительностью.
Конкуренция с младшими братьями

Однако ARMы «рулили» не всегда. Я хорошо помню времена, когда абсолютными лидерами рынка были 8 битные микроконтроллеры и, с занятых позиций, их безуспешно пытались оттеснить 16 битные коллеги, но, по иронии судьбы, удалось сделать это только 32 битным старшим братьям. Так сложилось, что к моменту их появления, технологии изготовления чипов сильно удешевили интеграцию в них больших объёмов FLASH памяти. Воспользовавшись удобным случаем, программисты стали переходить с ассемблера на язык более высокого уровня — Си, структура которого отлично ложилась на 32 битную архитектуру. В результате 32 битные микроконтроллеры выполняли вычисления гораздо быстрее своих 8 и 16 битных коллег, но была одна проблема — у них был выше ток потребления.

Поэтому, поначалу, они использовались в случаях, когда требовалась большая вычислительная производительность.

Известно, что средний ток потребления вычислительного ядра микроконтроллера существенно увеличивается с поднятием его тактовой частоты. Поначалу 8 битные модели микроконтроллеров отличались заметно меньшим потреблением при сходной частоте и, кроме того, были способны работать от низкой тактовой частоты, вплоть до 32 кГц.

Энергопотребление микроконтроллеров сильно зависит от тактовой частоты ядра и периферии, чтобы её регулировать, для генерации стали использовать, широко применявшийся в радиопередающих устройствах, узел формирования тактовой частоты на основе ФАПЧ. Это позволило в широких пределах изменять тактовую частоту, не меняя задающий кварцевый резонатор. Периферийным модулям совсем не обязательно иметь такую же тактовую частоту, что и вычислительному ядру. Чтобы снизить их энергопотребление, частоту на них стали подавать через делители с программно-регулируемым коэффициентом деления.

Ввели возможность отключать неиспользуемые модули. Эти меры сильно уменьшили энергопотребление, но оно по прежнему оставалось существенно больше, чем у 8 битных.

На короткое время сложился паритет — 32 битные MCU захватили нишу топовых приложений, а 8 битные уверенно удерживали позиции в устройствах, для которых было важно низкое энергопотребление. Он сохранялся до тех пор, пока 32 битные MCU не освоили в совершенстве «импульсный» режим работы.

8-битники, к тому времени, тоже научились это делать, но, из-за низкой производительности, бодрствовать им приходилось гораздо больше и, как результат, они начали проигрывать по энергопотреблению, особенно в задачах, требующих расчётов, что иллюстрирует картинка ниже.

Об укладке асфальта, пользе сна и его разновидностях

Итак, микроконтроллеры настолько хорошо научились считать, что стали выполнять свою работу очень быстро и большинство времени были вынуждены “бить баклуши”, пожирая энергию для выполнения холостых циклов. В устройствах с автономным питанием это сильно сокращает ресурс батарей или время работы от одной зарядки аккумуляторов.

Понаблюдайте за строительными рабочими которые кладут асфальт. Они резко активизируют свою работу, когда пришёл грузовик с новой порцией асфальта, а после его укладки снижают темп. Так и микроконтроллеры умеют повышать и снижать частоту тактирования ядра. Однако, им это даётся не так просто, как рабочим — одновременно изменится и частота работы всей внутренней периферии, поэтому, чувствительные к этому её части придётся перенастраивать.

Не проще ли, выполнив быстро всю работу, немного поспать. Зачастую, да. Причём виды сна микроконтроллеров отличаются ещё более драматично, чем у человека.

Можно просто вздремнуть. В этом случае наш чип всегда наготове и как только зазвенел будильник таймера или его потревожило внешнее прерывание, он просыпается практически мгновенно. Как человек во время дремоты может снять напряжение, но не выспаться толком, когда тебя постоянно дёргают, так и микроконтроллер может снизить своё энергопотребление в этом режиме “всего” раз в 10, называют этот режим SLEEP.

Лучший способ хорошо выспаться — раздеться, лечь в постель, задёрнуть шторы на окне и включить будильник. Однако, после такого сна, уже моментально в работу не включишься. Придётся, как минимум, предварительно ополоснуться холодной водой и одеться. Есть такой режим и у микроконтроллера, когда он ограничивает количество внешних раздражителей и выключает основной тактовый генератор. Это режим STOP. В нём можно уменьшить потребление в 1000 раз, но и на выход из него уже потребуется существенное время.

Теперь, представьте себе, что вы перед сном выпили изрядную дозу снотворного, отключили будильник и телефон, закрыли все окна и двери. Это будет режим STAND BY. Вывести из такого режима микроконтроллер можно только с помощью особых выводов и большая часть памяти о том, чем он занимался перед таким сном будет потеряна навсегда, придётся начинать работу заново. Зато находясь в таком режиме MCU потребляет ещё в два раза меньше.

Последний, весьма экзотический режим, напоминает уже кому, из которой нельзя выйти без специального оборудования. В этом случае работает только специальный генератор тем не менее, являющийся частью микроконтроллера на отдельном часовом кварце, который может функционировать от собственного источника питания и иметь буквально несколько байт оперативной памяти, предназначение которой напомнить микроконтроллеру о том, из какого состояния он в эту кому впал. Если остальные части микроконтроллера, при этом, отключить от питания, то энергопотребление может составить уже одну десятитысячную часть от активного режима.

Выбирая режим экономии энергопотребления необходимо помнить о последствиях применения:

  • чем глубже сон, тем дольше пробуждение
  • чем глубже сон, тем меньше способов вывести из него микроконтроллер
  • чем глубже сон, тем меньше остаётся информации о предыдущем состоянии микроконтроллера
  • для достижения минимальных заявленных значений, во многих режимах необходимо принимать дополнительные меры, например — отключения периферии
  • для минимизации энергопотребления устройства в целом необходимо грамотно спроектировать схемотехнику всего устройства
  • для минимизации энергопотребления устройства в целом, нужно позаботиться о том, чтобы остальные компоненты и цепи также имели микропотребление в неактивном режиме. Глупо предпринимать огромные усилия для того, чтобы опустить потребление микроконтроллера ниже одного микроампера и, при этом, применять в устройстве дешёвый стабилизатор с током собственного потребления в 100 микроампер но встречается такое сплошь и рядом
  • для успешного использования режимов глубокого сна не только программа, но и схемотехника, должны быть тщательно продуманы, иначе, вместо экономии, можно получить весьма серьёзные проблемы — редко случающееся, зато “мёртвое” зависание устройства по необъяснимой причине, либо слишком частое пробуждение и, как результат, потребление на порядки выше ожидаемого


Если ваши программист со схемотехником не первый день винят друг друга в криворукости и, вместе, производителя в публикации нереальных цифр в даташитах на микроконтроллер, а ваше устройство сажает батарейки на порядок быстрее, чем вы рассчитывали, это повод, по крайней мере, обратиться к независимым высококвалифицированным экспертам.
Совсем коротко о технологии изготовления и о том, как появляются серии микроконтроллеров

Физически активная часть микроконтроллера, как и подавляющее количество других микросхем, обычно сформирована на пластине монокремния (назовём его, в данном контексте, ЧИП). Чипы занимают очень маленькую площадь, технологически же выгодно производить пластины большого диаметра, поэтому, обычно большое количество чипов, как соты, размещают на одной большой пластине и формируют, в ходе одного технологического процесса. В последствии пластины нарезают на кусочки, получая уже отдельные чипы, которые и помещают в корпуса. Разработка топологии и отладка технологических процессов нового чипа стоит очень дорого, а занимаемое на пластине одним чипом место, как правило, не велико. Производителям выгодно выпускать чипы крупными партиями, но пользователям требуются микроконтроллеры в разных корпусах — кому то важно получить корпус поменьше и подешевле, другому наоборот требуется побольше выводов, чтобы управлять LCD или внешней памятью с параллельным интерфейсом. Производителям выгодно перекрывать все ниши, чтобы клиенты не перебегали к конкурентам, не найдя оптимальной для себя модели.

Очень часто бывает выгодней выпустить крупной партией один универсальный чип и помещать его в разные корпуса, чем запускать десяток различных. У чипов, помещённых в корпуса с малым количеством выводов, часть портов (в данном контексте, под портами будем понимать контактные площадки на поверхности чипа, служащие для общения с внешним миром) просто останутся неподсоединёнными. Часто производители идут дальше — чтобы поднять спрос и цену на микроконтроллеры с большим количеством ножек, они искусственно обрезают функциональность тех, у которых их меньше — отключают некоторые функции, ограничивают объём доступной памяти и т. п.

Так на основе одного чипа формируют серии микроконтроллеров, существенно отличающиеся по объёму памяти и набору периферийных модулей, иной раз и в разы по цене. При этом чипы, в них установлен

§7. Основополагающие принципы устройства ЭВМ






7. 2. Архитектура персонального компьютера
7.1. Принципы Неймана-Лебедева (продолжение) 7.3. Перспективные направления развития компьютеров

7.2. Архитектура персонального компьютера

Современные персональные компьютеры различаются по своим размерам, конструкции, разновидностям используемых микросхем и модулей памяти, другим характеристикам. В то же время все они имеют единое функциональное устройство, единую архитектуру — основные узлы и способы взаимодействия между ними (рис. 2.7).

Архитектура — это наиболее общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействием его основных функциональных узлов.

На рисунке 2.7 изображены хорошо известные вам узлы современного компьютера:


процессор,
внутренняя память,
устройства ввода,
устройства вывода и внешняя память.

Рис. 2.7. Функциональная схема компьютера (К — контроллер)

Обмен данными между устройствами компьютера осуществляется с помощью магистрали.

Магистраль (шина) — устройство для обмена данными между устройствами компьютера.

Магистраль состоит из трёх линий связи:

шины адреса, используемой для указания физического адреса, к которому устройство может обратиться для проведения операции чтения или записи;
шины данных, предназначенной для передачи данных между узлами компьютера;
шины управления, по которой передаются сигналы, управляющие обменом информацией между устройствами и синхронизирующие этот обмен.

В компьютерах, имевших классическую фон-неймановскую архитектуру, процессор контролировал все процессы ввода/вывода. При этом быстродействующий процессор затрачивал много времени на ожидание результатов работы от значительно более медленных внешних устройств. Для повышения эффективности работы процессора были созданы специальные электронные схемы, предназначенные для обслуживания устройств ввода/вывода или внешней памяти.

Контроллер — это специальный микропроцессор, предназначенный для управления внешними устройствами: накопителями, мониторами, принтерами и т. д.

Благодаря контроллерам данные по магистрали могут передаваться между внешними устройствами и внутренней памятью напрямую, минуя процессор. Это приводит к существенному снижению нагрузки на центральный процессор и повышает эффективность работы всей вычислительной системы.

Современные компьютеры обладают магистрально-модульной архитектурой, главное достоинство которой заключается в возможности легко изменить конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых или замены старых внешних устройств.

Если спецификация на шину (детальное описание всех её параметров) является открытой (опубликованной), то производители могут разработать и предложить пользователям разнообразные дополнительные устройства для компьютеров с такой шиной. Подобный подход называют принципом открытой архитектуры. Благодаря ему пользователь может собрать именно такую компьютерную систему, которая ему нужна.

Cкачать материалы урока


Применение микроконтроллеров. Управление разными устройствами.

Здравствуйте, уважаемые читатели и гости сайта Power Coup Electric. В сегодняшней статье мы поговорим про применение микроконтроллеров.

Что такое микроконтроллер

Микроконтроллер — это специальная микросхема, предназначенная для управления различными электронными устройствами. Микроконтроллеры впервые появились в том же году, что и микропроцессоры общего назначения (1971). Разработчики микроконтроллеров придумали – объединить процессор, память, ПЗУ и периферию внутри одного корпуса, внешне похожего на обычную микросхему. С тех пор производство микроконтроллеров ежегодно во много раз превышает производство процессоров, а потребность в них не снижается.

Микроконтроллеры выпускают десятки компаний, причем производятся не только современные 32-битные микроконтроллеры, но и 16, и даже 8-битные. Внутри каждого семейства часто можно встретить почти одинаковые модели, различающиеся скоростью работы ЦПУ и объемом памяти.

Применение микроконтроллеров

В силу того, что нынешние микроконтроллеры обладают достаточно высокими вычислительными мощностями, позволяющими лишь на одной маленькой микросхеме реализовать полнофункциональное устройство небольшого размера, притом с низким энергопотреблением, стоимость непосредственно готовых устройств становится все ниже.

По этой причине микроконтроллеры можно встретить всюду в электронных блоках совершенно разных устройств: на материнских платах компьютеров, в контроллерах DVD-приводов, жестких и твердотельных накопителей, в калькуляторах, на платах управления стиральных машин, микроволновок, телефонов, пылесосов, посудомоечных машин, внутри домашних роботов, программируемых реле, в модулях управления станками и т.д.

   Применение микроконтроллеров в программируемых реле

Так или иначе, практически ни одно современное электронное устройство не может обойтись сегодня без хотя бы одного микроконтроллера внутри себя.

Несмотря на то, что 8-разрядные микропроцессоры давно ушли в прошлое, 8-разрядные микроконтроллеры до сих пор весьма широко применяются. Есть множество применений, где высокая производительность вовсе не нужна, однако критическим фактором выступает низкая стоимость конечного продукта. Существуют, разумеется, и более мощные микроконтроллеры, способные обрабатывать в реальном времени большие потоки данных (видео и аудио, например).

Вот краткий список периферии микроконтроллеров, из которого вы можете сделать выводы о возможных сферах и доступных областях применимости этих крохотных микросхем:

  • универсальные цифровые порты, настраиваемые либо на ввод, либо на вывод
  • разнообразные интерфейсы ввода-вывода: UART, SPI, I²C, CAN, IEEE 1394, USB, Ethernet
  • цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи
  • компараторы
  • широтно-импульсные модуляторы (ШИМ-контроллер)
  • таймеры
  • контроллеры бесколлекторных (и шаговых) двигателей
  • контроллеры клавиатур и дисплеев
  • радиочастотные передатчики и приемники
  • массивы интегрированной флеш-памяти
  • встроенные сторожевой таймер и тактовый генератор

Как вы уже поняли, микроконтроллером называется небольшого размера микросхема, на кристалле которой смонтирован крохотный компьютер. Это значит, что внутри небольшого чипа есть и процессор, и ПЗУ, и ОЗУ, и периферийные устройства, которые способны взаимодействовать как между собой, так и со внешними компонентами, достаточно лишь загрузить в микросхему программу.

   Применение микроконтроллеров

Программа обеспечит работу микроконтроллера по назначению — он сможет по правильному алгоритму управлять окружающей его электроникой (в частности: бытовой техникой, автомобилем, ядерной электростанцией, роботом, солнечным трекером и т. д.).

Тактовая частота микроконтроллера (или скорость шины) отражает то, сколько вычислений сможет выполнить микроконтроллер за единицу времени. Так, производительность микроконтроллера и потребляемая им мощность с повышением скорости шины увеличиваются.

Измеряется производительность микроконтроллера в миллионах инструкций в секунду — MIPS (Million Instruсtions per Second). Так, популярный контроллер Atmega8, выполняя одну полноценную инструкцию за один такт, достигает производительности 1 MIPS на МГц.

   Микроконтроллер Atmega8

При этом современные микроконтроллеры разных семейств настолько универсальны, что один и тот же контроллер способен, будучи перепрограммирован, управлять совершенно разнородными устройствами. Невозможно ограничиться одной областью.

Пример такого универсального контроллера — тот же Atmega8, на котором собирают: таймеры, часы, мультиметры, индикаторы домашней автоматики, драйверы шагового двигателя и т.д.

Среди популярных производителей микроконтроллеров отметим: Atmel, Hitachi, Intel, Infineon Technologies, Microchip, Motorola, Philips, Texas Instruments.

Классифицируются микроконтроллеры в основном по разрядности данных, которые обрабатывает арифметико-логическое устройство контроллера: 4, 8, 16, 32, 64 — разрядные. И 8-разрядные, как отмечалось выше, занимают существенную долю рынка. Следом идут 16-разрядные микроконтроллеры, затем DSP-контроллеры, применяемые для обработки сигналов.

Советы по выбору микроконтроллеров

При разработке цифровой системы требуется сделать правильную модель микроконтроллера. Главной целью является подбор недорого контроллера для уменьшения общей стоимости всей системы. Однако, необходимо, чтобы он соответствовал специфике системы, требованиям надежности, производительности и условиям использования.

Основными факторами подбора микроконтроллера являются:
  1. Способность работы с прикладной системой. Возможность реализации этой системы на однокристальном микроконтроллере, или на специализированной микросхеме.
  2. Наличие в микроконтроллере необходимого количества портов, контактов, так как при их нехватке он не будет способен выполнить задачу, а если будут лишние порты, то стоимость будет завышена.
  3. Наличие необходимых устройств периферии: различных преобразователей, интерфейсов связи.
  4. Наличие других вспомогательных устройств, ненужных для работы, из-за которых повышается стоимость.
  5. Обеспечение требуемой производительности: мощность вычислений, дающую возможность обработки запросов системы на определенном прикладном языке программирования.
  6. Имеется ли в проекте бюджета достаточно финансов, чтобы применять дорогостоящий микроконтроллер. Если он не подходит по цене, то остальные вопросы не имеют смысла, и разработчик должен искать другой микроконтроллер.
  7. Надежность завода изготовителя.
  8. Информационная поддержка.
  9. Доступность. В этот фактор входят следующие пункты:
  • Выпускается ли в настоящее время.
  • Наличие поддержки разработчика.
  • Наличие языков программирования, внутрисхемных эмуляторов, средств отладки и компиляторов.

Микроконтроллеры, введение

Смотрите также по этой теме:

   Dc Dc преобразователь. Устройство и принцип работы основных схем.

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Как проектировать электронные схемы (fb2) | КулЛиб

Как проектировать электронные схемы (fb2) | КулЛиб — Классная библиотека! Скачать книги бесплатно — Как проектировать электронные схемы (пер. Н. О. Сомова) 3.03 Мб, 158с.  (читать) (читать постранично) (скачать fb2) (скачать исправленную) — Клод Галле

Настройки текста:

Цвет фоначерныйсветло-черныйбежевыйбежевый 2персиковыйзеленыйсеро-зеленыйжелтыйсинийсерыйкрасныйбелыйЦвет шрифтабелыйзеленыйжелтыйсинийтемно-синийсерыйсветло-серыйтёмно-серыйкрасныйРазмер шрифта14px16px18px20px22px24pxШрифтArial, Helvetica, sans-serif»Arial Black», Gadget, sans-serif»Bookman Old Style», serif»Comic Sans MS», cursiveCourier, monospace»Courier New», Courier, monospaceGaramond, serifGeorgia, serifImpact, Charcoal, sans-serif»Lucida Console», Monaco, monospace»Lucida Sans Unicode», «Lucida Grande», sans-serif»MS Sans Serif», Geneva, sans-serif»MS Serif», «New York», sans-serif»Palatino Linotype», «Book Antiqua», Palatino, serifSymbol, sans-serifTahoma, Geneva, sans-serif»Times New Roman», Times, serif»Trebuchet MS», Helvetica, sans-serifVerdana, Geneva, sans-serifWebdings, sans-serifWingdings, «Zapf Dingbats», sans-serif

Насыщенность шрифтажирныйОбычный стилькурсивШирина текста400px500px600px700px800px900px1000px1100px1200pxПоказывать менюУбрать менюАбзац0px4px12px16px20px24px28px32px36px40pxМежстрочный интервал18px20px22px24px26px28px30px32px

Клод Галле «КАК ПРОЕКТИРОВАТЬ ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ»


Практическая реализация радиоэлектронных устройств не менее важна, чем этап их проектирования. Функционирование устройства зависит от самых разных факторов, таких как эффективное экранирование и охлаждение, рациональное размещение компонентов и т.д.

По этим вопросам в книге дан ряд полезных советов.

Следует иметь в виду, что потребность в ремонте или совершенствовании устройства может возникнуть через несколько лет после начала его эксплуатации, когда разработчик уже многое забыл. Возможно также, что ремонтом будут заниматься другие люди. Поэтому после завершения наладки устройства необходимо составить его полную схему. В будущем это окажет неоценимую помощь.

Материал первой главы знакомит читателей с некоторыми принципами конструирования и приемами сборки радиоэлектронных устройств. Эти сведения могут пригодиться как любителям, так и профессионалам.

1. КОНСТРУИРОВАНИЕ И СБОРКА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

ФОРМИРОВАНИЕ БАТАРЕИ АККУМУЛЯТОРОВ

Радиоуправляемые модели и другие электронные устройства часто получают питание от аккумуляторной батареи напряжением 7,2 или 9,6 В. Такой блок состоит из 6 или 8 элементов по 1,2 В, соединенных последовательно и помещенных в специальный корпус. При отсутствии подходящего корпуса его упрощенный вариант легко изготовить из отрезка велосипедной камеры, в который плотно вставлены спаянные друг с другом элементы (рис. 1.1). Хотя внешний вид такой конструкции оставляет желать лучшего, она не требует практически никаких расходов.


ЭКРАНИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ

Иногда нужно обеспечить качественное экранирование устройства или его узла, чувствительного к наводкам (например, предусилителя приемника ИК излучения). Проблема решается довольно просто, если корпус устройства выполнен из металла и его можно заземлить (следует помнить о возможности появления ненулевого потенциала на гнездах соединителей и др.). В противном случае можно спаять экранирующий корпус из фольгированного стеклотекстолита или гетинакса (рис. 1.2а).


Вскрывать такой корпус довольно сложно, поэтому размещаемый в нем узел следует заранее тщательно проверить.

Для небольшой сборки корпус можно изготовить из отрезка медненой водопроводной трубы, которая с одного конца запаивается обрезком фольгированного стеклотекстолита, а с другой закрывается стандартной заглушкой (рис. 1.2б).

БАЙОНЕТНЫЕ КОАКСИАЛЬНЫЕ СОЕДИНИТЕЛИ

Сборка кабеля, снабженного миниатюрным байонетным соединителем штыревого типа, является весьма трудоемкой операцией. В зависимости от модели эти соединители крепятся к проводникам путем пайки или обжима. Для сборки необходимо оголить кабель на точно заданную длину и смонтировать большое количество деталей. Если не предполагается работа с устройствами ВЧ диапазона, значительно проще припаять к кабелю штыревую часть обычного коаксиального разъема и использовать переходник на байонетный соединитель (рис. 1.3). Такой комплект обойдется дешевле, чем сам байонетный соединитель, а изготовленный кабель можно будет подключать к разъемам двух типов.


КЛАВИШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Во многих устройствах для управления применяются клавиши с четырьмя выводами, соединенными попарно для облегчения операции матрицирования. Корпус клавишного выключателя неквадратной формы имеет два варианта размещения выводов (рис. 1.4). Поэтому перед разработкой печатной платы нужно приобрести клавиши определенного типа или предусмотреть различные варианты соединений.


РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МОНТАЖУ СХЕМ

Использование разноцветных проводов

Для подключения к схеме некоторых компонентов, в частности поворотных переключателей и многоконтактных соединителей, потребуется большое число проводов. Провода, припаянные к подобному компоненту, обычно сплетаются или соединяются в жгут с использованием стяжных хомутиков, колец и т. п. В этом случае для проводов, присоединяемых к определенным контактам, удобно применять стандартный ««цветовой код». Например, к первому выводу можно всегда подводить коричневый провод, ко второму — красный и т. д. Если компонент имеет более десяти выводов, для второго десятка удобно использовать те же цвета, что и для соответствующих выводов первого. Подобная методика существенно облегчает проверку соединений на стадиях монтажа и наладки устройства, а также при его ремонте.

Порядок монтажа компонентов

Начинающим радиолюбителям полезно помнить о том, что монтаж печатной платы следует начинать с самых — «низких» компонентов, переходя затем к более крупным и заканчивая деталями, которые монтируются вертикально. При такой последовательности монтажа крупные компоненты не помешают нужным образом установить для пайки более мелкие (рис. 1.5а). Например, можно начать с размещения на плате всех перемычек, затем прижать к плате лист пенопласта и перевернуть ее для выполнения пайки (рис. 1.5б). Вслед за этим можно приступать к монтажу небольших резисторов, диодов и т. д.

С целью временного закрепления компонентов перед пайкой можно слегка отогнуть их выводы в разные стороны, не допуская при этом закорачивания близко расположенных контактных площадок (рис. 1.5в).


Размещение компонентов для облегчения проверки схемы

Большинство электронных устройств в процессе их создания и эксплуатации подвергаются наладке, тестированию или ремонту. Такие операции требуют подключения измерительных приборов к различным точкам схемы. Поэтому желательно монтировать компоненты так, чтобы контрольные точки были легко доступны.

Рассмотрим, например, наладку многокаскадного усилителя, когда анализ сигнала на его выходе, обычно расположенном на краю платы и доступном для контактирования, не дает достаточной информации о состоянии каскадов. Для успешного тестирования необходимо последовательно подключать щуп осциллографа ко входам или выходам различных каскадов. В серийных устройствах для этой цели специально предусматривают участки металлизации с удобным доступом, которые обозначаются на плате и в схеме как TP1, ТР2 и т.д., где ТР означает Test Point («контрольная точка», англ.). Такие точки полезно предусмотреть и в любительской аппаратуре.

При проектировании и монтаже устройства необходимо учитывать, что вертикально расположенные компоненты (например, резисторы) затрудняют доступ сверху к некоторым точкам схемы. На рис. 1.6 показан пример неудачного размещения резистора, когда нужная контрольная точка недоступна, и дан вариант более удобного монтажа того же элемента.


Ориентация компонентов печатной платы

В процессе наладки и ремонта устройства приходится неоднократно проверять маркировку компонентов, размещенных на печатной плате. К сожалению, даже в аппаратуре промышленного производства компоненты не всегда располагают самым удобным образом.

Необходимо взять за правило размещать элементы схемы таким образом, чтобы было удобно считывать их номиналы и маркировку при одном положении платы, которое реализуется при вскрытии корпуса устройства (рис. 1.7).

В идеальном варианте маркировка всех элементов должна соответствовать ориентации маркировки интегральных схем, но, увы, это не всегда возможно.


МОНТАЖНЫЕ ПРОВОДА

Выпрямление одножильного провода

Жесткий одножильный провод используется в электронных схемах сравнительно редко. Его применяют для создания перемычек на односторонних печатных платах. Одножильный провод будет гораздо легче использовать, если после снятия изоляции выпрямить его.

Кроме того, изготовленные из него перемычки будут лучше выглядеть. Для этого провод длиной приблизительно 40 см зачищают, один его конец зажимают в тисках, а другой наматывают на плоскогубцы и натягивают до получения идеально прямой линии. Остается отрезать кусок провода нужной длины и при необходимости согнуть (см. также раздел «Перемычки на печатной плате»).

Протягивание проводов через отверстие

Нередко провода необходимо протянуть через довольно узкое отверстие в крышке розетки или соединителя. Задача станет намного легче, если предварительно слегка натереть провода мылом или жидкостью для мытья посуды. Это следует сделать до зачистки проводов, чтобы смазка не проникла внутрь кабеля. После завершения операции смазку надо сразу удалить, даже если придется еще раз протягивать провода при повторном вскрытии розетки.

Изготовление жгута

При прокладывании монтажных проводов, соединяющих различные элементы схемы, отдельные провода удобно скрепить в жгуты. С этой целью используются специальные стяжные хомутики или кольца. Иногда провода связывают вощеной нитью. Можно просто сплести провода между собой по три. Полученные «косички» удобно, в свою очередь, переплести между собой, чтобы собрать все нужные провода в один жгут.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Камера для экспонирования

Можно самостоятельно сделать камеру для экспонирования платы, изготавливаемой методом фотолитографии. При этом рекомендуется разместить в камере одну или две люминесцентные лампы (помимо ламп ультрафиолетового излучения). Люминесцентные лампы удобно использовать для визуальной проверки непрозрачности и качества выполнения фотошаблона перед экспонированием. Их можно смонтировать в глубине камеры, чтобы не создавать лишних теней. Следует поставить специальный выключатель, позволяющий включать лампы независимо. При выполнении различных операций можно также заменять лампы, но это менее удобно.

Заметим, что нельзя рассматривать фотошаблон при свете ультрафиолетовых ламп, поскольку это вредно для глаз.

Создание рисунка печатной платы

Ниже представлены некоторые приемы, с помощью которых удобно создавать рисунок печатной платы:

• при проектировании рисунка печатной платы удобно использовать стандартную макетную плату с отверстиями, расположенными в узлах сетки с фиксированным шагом. Временное размещение компонентов на такой плате позволяет точно проверить занимаемое ими место и зрительно представить окончательный результат. Это снижает риск появления ошибок и улучшает внешний вид будущей схемы;

• если изготавливается небольшое количество схем, можно удалить неиспользуемые выводы компонентов. Хотя подобную операцию выполняют нечасто, она позволяет уменьшить количество отверстий и при необходимости проложить большее число дорожек. Для обрезания выводов удобно применять небольшие кусачки;

• при проектировании кварцевого генератора, служащего тактовым генератором микропроцессора, желательно принять меры для защиты устройства от электромагнитных помех. С этой целью рекомендуется сохранить вокруг генератора значительные участки металлизации и соединить их с общей точкой схемы.

Соединения между компонентами генератора должны быть максимально расширены для снижения наводок и паразитных индуктивностей дорожек. Как правило, производители кварцевых резонаторов указывают способ рационального размещения компонентов на плате в соответствующей документации.

Нейтрализация хлорного железа

Создание печатных плат своими собственными силами — сравнительно простая задача, доступная радиолюбителям. Однако при ее выполнении приходится иметь дело с вредными химическими веществами, поэтому необходимо принять специальные меры экологической безопасности. В частности, ни в коем случае нельзя выбрасывать с обычным мусором хлорное железо, применяемое для травления медной фольги. Его следует нейтрализовать специальными реактивами, которые недорого стоят и пригодны для многократного использования.

Необходимо также внимательно относиться к надписям на упаковке других применяемых химикатов (в частности, п

Схемы на микроконтроллерах


     Создание цветовых светодиодных композиций освещения и управление ими при помощи микроконтроллера AT90S8535.

19.10.2014 Читали: 7924


     Оригинальный индикатор звука, собранный на базе микроконтроллера ATMEGA624 и специальных люминисцентных радиоламп.

18.10.2014 Читали: 7306


     Делаем программируемый таймер на микроконтроллере PIC16F628A, с цифровым жидкокристаллическим индикатором для отображения времени и настроек.

16.10.2014 Читали: 18819


     Схема интересного устройства — веб радио плеер на Ардуино. Предназначен для прослушивания музыки из интернета без компьютера.

14.10.2014 Читали: 34031


   Делаем самодельный термоконтроллер на МК ATMEL90S2313.

10.11.2013 Читали: 17083


     Принципиальная схема и видео дискотечного светового светодиодного прибора, работающего по принципу вращающейся головы.

26.08.2013 Читали: 23629


     Устройство, представленное в этом проекте, содержит в себе функции сразу 3-х измерителей: вольтметр, термометр и часы.

31.07.2013 Читали: 29259


     Схема, печатная плата и демонстрационнй аудиофайл сирены на контроллере Pic12F629, с усилителем мощности.

23.06.2013 Читали: 28457



Лабораторный БП 0-30 вольт

Драгметаллы в микросхемах

Металлоискатель с дискримом

Ремонт фонарика с АКБ

Восстановление БП ПК ATX

Кодировка SMD деталей

Персональный сайт Лаптевой З.А. — Принципы Джона фон Неймана. Магистрально-модульый принцип построения ЭВМ

Принципы Джона фон Неймана. Магистрально-модульный принцип построения ЭВМ.

Компьютер — это универсальное программно управляемое устройство для хранения, обработки и передачи информации.

Аппаратное обеспечение (Hardware) — это технические средства, обеспечивающие работу компьютера.

Архитектура ПК — это концептуальная структура компьютера, определяющая принципы его функционирования.

Принципы Джона фон Неймана (1946 г.)

Принцип двоичного кодирования

Вся информация, обрабатываемая ЭВМ, кодируется в двоичной системе счисления.

Принцип однородности памяти

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда.

Принцип адресуемости памяти

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Принцип программного управления

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип жесткости архитектуры

Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Магистрально-модульный принцип построения ПК

*Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по магистрали, соединяющей все устройства (модули).

*Модульный принцип (принцип открытой архитектуры) позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить по необходимости ее модернизацию.

*Все устройства ПК соединены с помощью магистрали, состоящей из шин адреса, управления и данных. 

Магистраль — это совокупность электрических (токопроводящих) линий, по которым происходит передача данных и сигналов между устройствами.

Шина — это многожильная линия связи. Разрядность шины — это количество разрядов (битов), одновременно обрабатываемых этой шиной. Физически магистраль расположена на материнской плате.

Шина данных передает информацию между различными устройствами ПК. Разрядность шины определяет количество двоичных разрядов, которые может передавать шина. Разрядность шины данных зависит от разрядности процессора. Шина двунаправленная, т. е. информация передается от процессора к оперативной памяти и периферийным устройствам, и обратно.

  • Шина адреса передает адреса ячеек памяти. Разрядность шины определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), т. е. количество ячеек оперативной памяти, которые имеют уникальные адреса. Шина однонаправленная, т. е. информация передается в одном направлении: от процессора к оперативной памяти и периферийным устройствам.

  • Шина управления передает сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию (чтение или запись) нужно произвести, синхронизируют обмен информацией между устройствами. Шина не имеет такой же четкой структуры, как шина данных или шина адреса. В шину управления условно объединяют набор линий, передающих различные управляющие сигналы. Шина двунаправленная.

Контроллер — это электронная схема для управления внешним устройством и простейшей предварительной обработки данных. Слот расширения — это щелевой разъем, соединенный с магистралью и предназначенный для установки дополнительных контроллеров.

Материнская плата (Mather Board) — это сложная многослойная печатная плата, основой которой является набор ключевых микросхем, называемый набором системной логики или чипсетом. Он определяет тип и быстродействие процессора, скорость, тип и объем оперативной памяти, а так же возможности копьютерной системы в целом.

Северный мост (Northbridge) — это контроллер, расположенный на материнской плате и обеспечивающий обмен информацией между процессором и оперативной памятью и видеокартой (быстрый).

Южный мост (Southbridge) — это контроллер, расположенный на материнской плате и обеспечивающий работу периферийных устройств (медленный).

Аппаратный порт — это специализированный разъем в компьютере, предназначенный для подключения оборудования определенного типа.

Рассмотрим основные порты материнской платы.

USB. Этот последовательный интерфейс служит для подключения различных внешних устройств. В настоящее время с интерфейсом I.JSB выпускаются мыши, клавиатуры, принтеры, сканеры, флеш-накопители, жесткие диски (с помощью специального кабеля), модемы, джойстики.

LPT-порт (устаревший). Практически единственным широко распространенным внешним устройством с параллельным интерфейсом LPT является принтер.

СОМ-порт (устаревший) — последовательный порт, используемый ранее для подключения различных манипуляторов (мышь, трекбол), а также внешних модемов.

PS/2 — интерфейсы для подключения мыши и клавиатуры.

RJ-45 — порт для подключения сетевого кабеля.

AUDIO — разъемы для подключения звуковых устройств.

Электронные устройства и схемы — Что такое электроника

слово «электроника» происходит от слова «электронная механика», средства для изучения поведения электрона при различных условия применяемых электрических поле.

Электроника определение

Филиал техника, в которой поток и контроль электронов в вакуум или полупроводник называется электроникой.Электронику также можно определить как отрасль техники. в котором электронные устройства и их использование учился.

движение электронов через проводник дает нам электрический текущий. Этот электрический ток можно получить с помощью аккумуляторов и генераторов.

устройство, управляющее потоком электронов, называется электрическое устройство.Эти устройства являются основным корпусом блоки электронных схем.

Электроника имеют различные отрасли, включая цифровую электронику, аналоговую электроника, микроэлектроника, наноэлектроника, оптоэлектроника, интегральные схемы и полупроводники устройство.

История электроники

Диод вакуумная лампа была первым электронным компонентом, изобретенным Дж.А. Флеминг. Позже Ли Де Форест разработал триод, трехэлементная вакуумная лампа с возможностью усиления напряжения. Вакуумные лампы сыграли важную роль в области микроволнового излучения. и передачи высокой мощности, а также телевизионные приемники.

В 1947 г. — лаборатории Bell разработали первый транзистор на основе об исследованиях Шокли, Бардина и Браттейна.Однако, транзисторные радиоприемники не разрабатывались до конца 1950-х гг. из-за существующего огромного запаса электронных ламп.

В В 1959 году Джек Килби из Texas Instruments разработал первый Интегральная схема. Интегральные схемы содержат большое количество полупроводниковых устройств, таких как диоды и транзисторы в очень маленькая территория.

Преимущества электроники

Электронные устройства воспроизводят главная роль в повседневной жизни.Различные электронные устройства, которые мы используем в повседневной жизни, включают

Сегодня, компьютеры используют везде. Дома используются компьютеры за игры, просмотр фильмов, исследования, оплату счета и бронирование билетов на ж / д и авиалинии. В школе учащиеся используют компьютеры для выполнения своих задания.

мобильный телефоны используются для различных целей, например для отправки текстовые сообщения, голосовые вызовы, серфинг в Интернете, игры игры и песни для прослушивания.

банкомат электронное телекоммуникационное устройство, которое используется для вывода денег в любое время из любого места. Стойки для банкоматов для банкомата. Клиент может снять деньги до определенного лимита в любое время дня или ночь.

Ручка диск особенно используется для хранения большого количества данных а также используется для передачи данных с одного устройства на еще один.Например, данные, хранящиеся в компьютере, могут быть перенесен на флешку. Данные, хранящиеся в этой ручке диск можно получить в любое время.

Телевидение электронное устройство, в основном используемое для развлечений и знания. Он используется для просмотра фильмов в развлекательных целях, новости для знаний, мультики для детей.

Цифровой камера — это камера, используемая для съемки фото и видео.Этот изображения и видео сохраняются для последующего воспроизведения.



Электронные устройства и схемы MCQ — Контрольные вопросы и ответы

«Электронные устройства и схемы» Вопросы с множественным выбором (MCQ), ответы на викторину по электронным устройствам и схемам в формате PDF для изучения электронного курса по электронным устройствам.Изучите применение диодов с множественным выбором вопросов и ответов (MCQ), вопросы викторины по электронным устройствам и схемам и ответы для получения степени младшего инженера онлайн. Изучите двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением, электронные устройства и теорию схем, электронные устройства и схемы, подготовку к тестам умножителей напряжения для глобальной викторины.

«Линейные регуляторы — это устройства с« вопросами с множественным выбором »(MCQ) для электронных устройств и схем с выбором два терминала, три терминала, четыре терминала и пять терминалов для получения степени специалиста по инженерному делу в Интернете.Практикуйте оценочный тест на получение стипендии, электронные устройства для онлайн-обучения и вопросы викторины по схемам для конкурсных экзаменов по инженерным специальностям для теста на трудоустройство.

MCQ по электронным устройствам и схемам Скачать PDF онлайн

MCQ: линейные регуляторы — это устройства с

  1. два терминала
  2. три терминала
  3. четыре терминала
  4. пять терминалов

MCQ: LM317IC может работать как

  1. модулятор
  2. усилитель
  3. индуктор регулятор
  4. плавающий регулятор

MCQ: Часть выходного счетчика Negati Ve LM317 —

  1. LM224
  2. LM337
  3. 79XX
  4. 40XX

MCQ: В интегральных схемах фильтр снижает пульсации на входе регулятора до приемлемого уровня. Vel называется

.
  1. резистор входной фильтр
  2. резистор выходной фильтр
  3. конденсаторный выходной фильтр
  4. конденсаторный входной фильтр

MCQ: 7905.2IC — фиксированный регулятор

  1. −5 В
  2. −5,2 В
  3. 5 В
  4. 5,2 В

Защита от обратного тока / полярности батареи • Цепи

В устройствах с батарейным питанием и съемными батареями обычно необходимо предотвратить неправильное подключение батарей, чтобы предотвратить повреждение электроники, случайное короткое замыкание или другие несоответствующие операции. Если это невозможно физически, вам необходимо включить электронную защиту от обратного тока.Физическая защита может означать просто поляризованный разъем или батарею со смещенными соединениями (как в большинстве литиевых батарей мобильных телефонов) в сочетании с инструкционными символами и изображениями. Для батареек размера AAA или AA есть держатели, которые сконструированы таким образом, что при неправильной установке батареи один конец не соприкасается. По-прежнему существуют обстоятельства, когда физические средства невозможны, например, с большинством монетных батарей или если пользователь может подключить питание с помощью проводов к винтовым клеммным колодкам.Следовательно, это может относиться и к устройствам, не работающим от батарей, и, вероятно, применимо к автомобильной электронике.
Следовательно, разработчики и производители электронных продуктов должны обеспечить, чтобы обратный ток, обратный ток, протекающий в обратном направлении, и обратное напряжение смещения были достаточно низкими, чтобы предотвратить повреждение либо самой батареи, либо внутренней электроники продукта.

Почему бы не использовать простой диод?

Использование диода в качестве защиты от обратной полярности мощности, как показано на схеме , схема 1 — очень простое и надежное решение, если вы можете позволить себе потерять энергию.Скорее всего, с устройством с батарейным питанием вы не захотите тратить энергию, особенно если ваше напряжение питания уже достаточно низкое, и поэтому падение напряжения на 0,3 В или 0,4 В на диоде Шоттки будет значительным и неприемлемым. Для более высоких напряжений питания в диапазоне 9–48 В и автомобильных приложений небольшое падение напряжения может не иметь значения, особенно при низком токе. При высоких токах, превышающих 5 А, может возникнуть проблема с повышением температуры из-за больших потерь мощности. Вы не хотите, чтобы диод становился слишком горячим, поэтому, скорее всего, потребуется добавить радиатор.

Цена диода Шоттки выше обычного диода, но потери значительно ниже. Имейте в виду, что многие диоды Шоттки имеют довольно высокую утечку обратного тока, поэтому убедитесь, что вы выбираете диоды с низким обратным током (около 100 мкА) в схеме защиты батареи.
При 5 амперах потери мощности в диоде Шоттки обычно будут: 5 x 0,4 В = 2 Вт по сравнению с обычным диодом: 5 x 0,7 В = 3,5 Вт.

Хорошим кандидатом для использования в системе защиты от обратного тока является диод нового типа под названием Super Barrier Rectifier (SBR), запатентованный компанией Diodes Inc.технология, которая использует процесс производства МОП (традиционный Шоттки использует биполярный процесс) для создания превосходного двухполюсного устройства, которое имеет более низкое прямое напряжение (VF), чем сопоставимые диоды Шоттки, обладая термостабильностью и высокими характеристиками надежности эпитаксиальных диодов PN. Диод
Super Barrier Rectifier (SBR) разработан для приложений с высокой мощностью, низкими потерями и быстрым переключением. Наличие МОП-канала в его структуре формирует низкий потенциальный барьер для большинства носителей, поэтому прямое смещение SBR при низком напряжении аналогично работе диода Шоттки.Однако ток утечки ниже, чем у диода Шоттки при обратном смещении из-за перекрытия слоев обеднения P-N и отсутствия снижения потенциального барьера из-за заряда изображения.
TRENCH SUPER BARRIER RECTIFIERS (SBRT).
Trench SBR — это следующая эволюция, которая дает нам высокопроизводительного члена семейства SBR. Благодаря использованию передовой траншейной технологии SBRT предлагает еще меньший VF для приложений, где очень важно сверхнизкое прямое напряжение. В то время как дальнейшие технологические усовершенствования постоянно применяются к SBRT, эти усилия приводят к еще более продвинутому и экономичному члену — SBRTF.Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт Diodes Inc.

Обратная защита с использованием N-канального MOS-FET

Самые последние N-MOSFET ОЧЕНЬ имеют низкое сопротивление, гораздо меньшее, чем у P-Channel, и поэтому идеально подходят для обеспечения защиты от обратного тока с минимальными потерями. Схема 3 показывает полевой транзистор NMOS нижнего плеча в обратном пути заземления. Корпусный диод полевого транзистора ориентирован в направлении нормального тока. Когда аккумулятор установлен неправильно, напряжение затвора NMOS FET низкое, что не позволяет ему включиться.

Когда аккумулятор установлен правильно и переносное оборудование запитано, напряжение затвора NMOS FET повышается, а его канал закорачивает диод. Падение напряжения RdsOn × ILOAD наблюдается в обратном пути заземления при использовании NMOS FET. Некоторые из последних пороговых напряжений N-FET и RdsOn, используемых для защиты от обратного тока, перечислены в , таблица 1, и более высокие типы тока в , таблица 3, далее на этой странице.

Производитель Тип Пакет RdsOn
IRF (OnSemi) ILRML2502 СОТ – 23 80 мОм при 2.Пороговое напряжение 7 В
Вишай Si2312 СОТ – 23 51 мОм при пороговом напряжении 1,8 В

Таблица 1.
Обратная сторона:
Установка N-MOSFET в цепь заземления приведет к сдвигу заземления, который может быть неприемлемым для всех приложений. Это может вызвать проблемы для чувствительных приложений (например, автомобильных систем) с одним или несколькими подключениями, возможно, к датчикам, шинам связи и исполнительным механизмам, внешним по отношению к цепи.

Чтобы использовать полевой МОП-транзистор в качестве предохранителя от обратного тока в цепи питания высокого напряжения, для включения полевого МОП-транзистора требуется напряжение затвора, превышающее напряжение батареи. Для этого требуется схема подкачки заряда, которая увеличивает сложность схемы и стоимость компонентов, а также может создавать проблемы с электромагнитными помехами. МОП-транзистор с P-каналом сопоставимого размера будет иметь более высокое значение RdsOn и, следовательно, более высокие потери мощности, но может быть реализован с помощью более простой схемы управления, содержащей стабилитрон и резистор.

Обратная защита с использованием P-канального MOS-FET транзистора

Самые последние полевые МОП-транзисторы имеют очень низкое сопротивление и поэтому идеально подходят для обеспечения защиты от обратного тока с минимальными потерями. Схема 2 показывает полевой PMOS-транзистор верхнего плеча в цепи питания. Корпусный диод полевого транзистора ориентирован в направлении нормального тока. Когда батарея установлена ​​неправильно, напряжение на затворе PMOS FET высокое, что не позволяет ему включиться.

Стабилитрон защищает от превышения рекомендуемого напряжения затвор-исток и может не требоваться в зависимости от диапазона входного напряжения и используемого полевого МОП-транзистора.Для защиты от возможных скачков напряжения и переходных процессов от разрушения полевого МОП-транзистора на входе можно добавить пару транзорбционных диодов, как показано на рис. 3. Конденсатор между затвором и истоком добавлен, чтобы гарантировать хорошую работу схемы при быстром изменении. полярности входного напряжения.
Когда батарея установлена ​​правильно и переносное оборудование запитано, напряжение затвора PMOS FET становится низким, а его канал закорачивает диод.
Падение напряжения RdsOn × ILOAD наблюдается в цепи питания.В прошлом основным недостатком этих схем была высокая стоимость полевых транзисторов с низким значением RdsOn и низким пороговым напряжением. Однако достижения в области обработки полупроводников привели к созданию полевых транзисторов, которые обеспечивают минимальное падение напряжения в небольших корпусах. Некоторые из последних пороговых напряжений P-FET и RdsOn показаны в таблице 2.

Производитель Тип Пакет RdsOn
IRF (OnSemi) ILRML6401 СОТ – 23 85 мОм @ 2.Пороговое напряжение 7В
Вишай Si2323 СОТ – 23 68 МОм при пороговом напряжении 1,8 В

Таблица 2.

Защита от обратного тока батареи с использованием интегральной схемы LM74610

LM74610-Q1 — это контроллер, который можно использовать с N-канальным MOSFET в схеме защиты от обратной полярности.Он предназначен для управления внешним полевым МОП-транзистором для имитации идеального диодного выпрямителя при последовательном подключении к источнику питания. Уникальное преимущество этой схемы состоит в том, что она не привязана к земле и, следовательно, имеет нулевой Iq. Контроллер LM74610-Q1 обеспечивает управление затвором для внешнего N-канального полевого МОП-транзистора и внутренний компаратор с быстрым откликом для разрядки затвора МОП-транзистора в случае обратной полярности. Эта функция быстрого понижения ограничивает количество и продолжительность обратного тока, если обнаруживается противоположная полярность.Конструкция устройства также соответствует спецификациям CISPR25 Class 5 EMI и автомобильным требованиям ISO7637 к переходным процессам с подходящим TVS-диодом.

LM74610 представляет собой контроллер с нулевым Iq, который объединен с внешним N-канальным MOSFET для замены диода или P-MOSFET решения обратной полярности в энергосистемах. Напряжение на истоке и стоке MOSFET постоянно контролируется выводами ANODE и CATHODE LM74610-Q1. Внутренний зарядный насос используется для обеспечения привода GATE для внешнего MOSFET.. Эта накопленная энергия используется для управления затвором полевого МОП-транзистора. Падение напряжения зависит от RDSON конкретного используемого полевого МОП-транзистора, который значительно меньше, чем у полевого транзистора. LM74610-Q1 не имеет заземления, что делает его идентичным диоду. TZ1 и TZ2 не требуются для LM74610-Q1. Однако они обычно используются для ограничения выбросов положительного и отрицательного напряжения соответственно. Выходной конденсатор Cout рекомендуется для защиты от немедленного падения выходного напряжения в результате сбоев в линии.C1 и C2 подавляют высокочастотный шум в дополнение к функции фиксаторов ESD.

Выбор MOSFET:

LM74610-Q1 может обеспечить напряжение затвор-исток до 5 В (VGS). Важными электрическими параметрами полевого МОП-транзистора являются максимальный непрерывный ток стока, максимальное напряжение сток-исток VDS (MAX) и сопротивление сток-исток RDSON. Максимальный непрерывный ток стока, ID, рейтинг должен превышать максимальный непрерывный ток нагрузки. Максимальный ток, проходящий через основной диод, IS, обычно равен или немного выше, чем ток стока, но ток основного диода протекает только в течение небольшого периода времени, когда заряжается конденсатор накачки заряда.Напряжение на внутреннем диоде полевого МОП-транзистора должно быть выше 0,48 В при низком токе. Напряжение на внутреннем диоде полевого транзистора обычно уменьшается с повышением температуры окружающей среды. Это увеличит требования к току истока для достижения минимального напряжения сток-исток на внутреннем диоде для инициирования подкачки заряда. Максимальное напряжение сток-исток, VDS (MAX), должно быть достаточно высоким, чтобы выдерживать самое высокое дифференциальное напряжение, наблюдаемое в приложении. Это может включать любые ожидаемые неисправности.LM74610-Q1 не имеет ограничения по положительному напряжению, однако для автомобильных приложений рекомендуется использовать полевые МОП-транзисторы с номинальным напряжением около 45 В.

Таблица 3 показывает примеры рекомендуемых полевых МОП-транзисторов для использования с LM74610:

Деталь № Напряжение
(В)
Ток утечки
при 25 ° C
Rdson мОм
при 4,5 В
Vgs Порог
(В)
Напряжение диода
@ 2A при
125 * C / 175 * C
Корпус,
Площадь основания
Qual
CSD17313Q2 30 5 26 1.8 0,65 SON, 2 x 2 мм Авто
SQJ886EP 40 60 5,5 2,5 0,5 PowerPAK SO-8L, 5 x 6 мм Авто
SQ4184EY 40 29 5,6 2,5 0,5 SO-8, 5 x 6 мм Авто
Si4122DY 40 23,5 6 2.5 0,5 SO-8, 5 x 6 мм Авто
RS1G120MN 40 12 20,7 2,5 0,6 HSOP8, 5 x 6 мм Авто
RS1G300GN 40 30 2,5 2,5 0,5 HSOP8, 5 x 6 мм Авто
CSD18501Q5A 40 22 3.3 2,3 0,53 SON, 5 x 6 мм Промышленное
SQD40N06-14L 60 40 17 2,5 0,5 TO-252, 6 x 10 мм Авто
SQ4850EY 60 12 31 2,5 0,55 SO8, 5 x 6 мм Авто
CSD18532Q5B 60 23 3.3 2,2 0,53 SON, 5 x 6 мм Промышленное
IPG20N04S4L-07A 40 20 7,2 2,2 0,48 PG-TDSON-8-10, 5 x 6 мм Авто
IPB057N06N 60 45 5,7 3,3 0,55 PG-TO263-3, 10 x 15 мм Авто
IPD50N04S4L 40 50 7.3 2,2 0,5 PG-TO252-3-313, 3 x 6 мм Авто
BUK9Y3R5-40E 40 100 3,8 2,1 0,48 LFPAK56, Power-SO8 5×6 мм Авто
IRF7478PBF-1 60 7 30 3 0,55 SO8, 5 x 6 мм Промышленное
SQJ422EP 40 75 4.3 2,5 0,5 PowerPAK SO-8L, 5 x 6 мм Авто
IRL1004 40 130 6,5 1 0,6 К-220АБ Авто
AUIRL7736 40 112 2,2 3 0,65 DirectFET, 5 x 6 мм Авто

ТАБЛИЦА 3

Защита от обратного тока батареи с использованием интегральной схемы LTC4359

LTC®4359 — это положительный высоковольтный, идеальный диодный контроллер, который управляет внешним N-канальным MOSFET вместо диода Шоттки.Он контролирует падение прямого напряжения на MOSFET, чтобы обеспечить плавную подачу тока без колебаний даже при небольших нагрузках. Если источник питания выходит из строя или закорочен, быстрое отключение минимизирует переходные процессы обратного тока. Доступен режим отключения для снижения тока покоя до 9 мкА для переключателя нагрузки и 14 мкА для идеальных диодных приложений. При использовании в сильноточных диодах LTC4359 снижает потребление энергии, тепловыделение, потери напряжения и площадь печатной платы. Благодаря широкому диапазону рабочего напряжения, способности выдерживать обратное входное напряжение и высокой температуре, LTC4359 удовлетворяет строгим требованиям как автомобильных, так и телекоммуникационных приложений.LTC4359 также легко подключает источники питания в системах с резервными источниками питания.
Operation:
LTC4359 управляет внешним N-канальным MOSFET, чтобы сформировать идеальный диод. Усилитель GATE (см. Блок-схему) распознает входы и выходы и управляет затвором полевого МОП-транзистора, чтобы регулировать прямое напряжение до 30 мВ. По мере увеличения тока нагрузки GATE поднимается выше, пока не будет достигнута точка, в которой MOSFET будет полностью включен. Дальнейшее увеличение тока нагрузки приводит к прямому падению RdsOn x ILOAD.Если ток нагрузки уменьшается, усилитель GATE опускает затвор полевого МОП-транзистора ниже, чтобы поддерживать падение на 30 мВ. Если входное напряжение снижается до точки, при которой прямое падение 30 мВ не может поддерживаться, усилитель GATE отключает MOSFET.
В случае быстрого падения входного напряжения, такого как короткое замыкание на входе или скачок отрицательного напряжения, через полевой МОП-транзистор временно протекает обратный ток. Этот ток обеспечивается любой емкостью нагрузки и другими источниками питания или батареями, которые питают выход в диодных схемах ИЛИ.FPD COMP (Fast Pull-Down Comparator) быстро реагирует на это условие, выключая MOSFET через 300 нс, тем самым сводя к минимуму помехи выходной шине. Контакты IN, SOURCE, GATE и SHDN защищены от обратных входов до –40 В. Внутренний компаратор определяет отрицательные входные потенциалы на выводе SOURCE и быстро переводит GATE в положение SOURCE, отключая MOSFET и изолируя нагрузку от отрицательного входа. При низком уровне на выводе SHDN отключается большая часть внутренней схемы, снижая ток покоя до 9 мкА и удерживая MOSFET выключенным.На выводе SHDN можно установить высокий уровень или оставить открытым, чтобы включить LTC4359. Если оставить его открытым, внутренний источник тока 2,6 мкА поднимает SHDN на высокий уровень.
Информация о приложениях:
Блокирующие диоды обычно устанавливаются последовательно с входами питания с целью объединения резервных источников питания и защиты от реверсирования питания. LTC4359 заменяет диоды в этих приложениях на полевые МОП-транзисторы, чтобы уменьшить как падение напряжения, так и потери мощности, связанные с пассивным решением. Кривая, показанная на странице 1, иллюстрирует резкое снижение потерь мощности, достигаемое на практике.Это дает значительную экономию площади платы за счет значительного снижения рассеиваемой мощности в проходном устройстве. При низких входных напряжениях улучшение потерь напряжения в прямом направлении становится очевидным там, где запасы ограничены, как показано на рисунке 2.
LTC4359 работает в диапазоне от 4 до 80 В и выдерживает абсолютный максимальный диапазон от –40 до 100 В без повреждений. В автомобильных приложениях LTC4359 работает через сброс нагрузки, холодный запуск и скачки двух батарей, и он выдерживает обратное подключение батарей, а также защищает нагрузку.
Применение идеального диода на 12 В / 20 А показано в Цепи 5 .

В дополнение к MOSFET Q1 включено несколько внешних компонентов. Идеальные диоды, как и их неидеальные аналоги, демонстрируют поведение, известное как обратное восстановление. В сочетании с паразитными или преднамеренно введенными индуктивностями пики обратного восстановления могут генерироваться идеальным диодом во время коммутации. D1, D2 и R1 защищают от этих всплесков, которые в противном случае могли бы превысить рейтинг выживаемости LTC4359 от –40 до 100 В.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *