Добрый день, уважаемые радиолюбители.

Продолжая разговор о конструкциях для начинающих, сегодня мы поговорим с вами о восемнадцатой конструкции – индикаторе уровня на ВЛИ. Индикатор может работать с любым современным источником сигнала, способным развивать на выходе напряжение до 1 вольта действующего значения. Данная конструкция относится к конструкциям средней сложности. Схема электрическая принципиальная индикатора представлена на схеме ниже. Рассмотрим кратко принцип её работы.

Итак, сигнал с выхода вашего аудиоустройства через разделительный конденсатор С9 поступает на вход прецизионного выпрямителя напряжения, выполненного на микросхеме DA1. Первый каскад выпрямителя представляет из себя практически классический инвертирующий усилитель с включёнными в цепь отрицательной обратной связи диодами VD1.1 и VD1.2.

При поступлении на вход положительной полуволны сигнала на выходе операционного усилителя DA1.1 (выводе 1) появляется отрицательная полуволна, открывается диод VD1.1 и сигнал через резистор отрицательной обратной связи (ООС) R2 поступает на инвертирующий вход усилителя (вывод 2).

При поступлении на вход отрицательной полуволны сигнала на выходе операционного усилителя DA1.1 (выводе 1) появляется положительная полуволна, открывается диод VD1.2 и сигнал через резистор ООС R3 поступает на инвертирующий вход усилителя (вывод 2).

Коэффициенты усиления положительной и отрицательной полуволн равны отношению сопротивлений резисторов R2 и R3 к R1 и могут быть настроены независимо. При приведённых на схеме номиналах коэффициенты усиления равны между собой и равны трём.

Но что же мы получим на аноде диода VD1.1 и катоде диода VD1.2? В данных точках мы получим выпрямленный двумя однополупериодными выпрямителями выходной сигнал операционного усилителя DA1.1. На аноде диода VD1.1 – только отрицательные полуволны выходного сигнала, а на катоде диода VD1.2 – только положительные полуволны выходного сигнала.

Далее полученные сигналы с однополупериодных выпрямителей поступают на вход дифференциального усилителя с единичным коэффициентом усиления, выполненным на операционном усилителе DA1.2. Основная особенность дифференциального усилителя – он усиливает разность сигналов между своими входами.

Таким образом, когда на неинвертирующем входе усилителя (выводе 5) появляется положительная полуволна, а на инвертирующем (выводе 6) сигнал отсутствует – на выходе появляется положительная полуволна такой же амплитуды, как и на входе.

Когда же на инвертирующем входе (выводе 6) появляется отрицательная полуволна, а на неинвертирующем (выводе 5) сигнал отсутствует – на выходе снова появляется положительная полуволна с амплитудой, равной отрицательной полуволне на входе.

Таким образом на выходе дифференциального усилителя (выводе 7) мы получаем последовательность положительных полуволн с частотой, равной удвоенной частоте изначального входного сигнала. Такое поведение прецизионного выпрямителя соответствует работе двухполупериодного выпрямителя, которым он фактически и является [7,8].

На осциллограмме ниже представлен сигнал на выходе выпрямителя при подаче на его вход синусоидального сигнала частотой 100 Гц. Хорошо видно, что на выходе присутствует только последовательность положительных полуволн с удвоенной частотой т.е. с частотой 200 Гц.

Благодаря применению операционного усилителя появляется возможность выпрямлять сигналы с амплитудой намного меньше, чем прямое падение напряжение на диоде. Кроме того, мы одновременно с выпрямлением можем усиливать сигнал в необходимое число раз.

С выхода прецизионного выпрямителя сигнал поступает на вход эмиттерного повторителя (каскада с общим коллектором), выполненного на транзисторе VT1. Эмиттерная цепочка, состоящая из резистора R6 и конденсатора С11, представляет из себя фильтр нижних частот. Постоянная времени данного фильтра зависит от сопротивления резистора R6, ёмкости конденсатора С11 и выходного сопротивления транзистора VT1 со стороны эмиттера. При этом выходное сопротивление транзистора со стороны эмиттера включено параллельно резистору R6 и конденсатору С11.

Фактически прецизионный выпрямитель, эмиттерный повторитель и фильтр нижних частот образуют двухполупериодный пиковый детектор без фиксации уровня. Чувствительность детектора к пикам входного сигнала (время усреднения) определяется постоянной времени фильтра нижних частот.

Форма сигнала на выходе детектора (на эмиттере транзистора VT1) при подаче на вход синусоидального сигнала частотой 100 Гц представлена на осциллограмме далее. По представленной осциллограмме хорошо видно, что на выходе присутствует постоянная составляющая и напряжение пульсаций.

Чем выше постоянная времени фильтра – тем выше будет постоянная составляющая выходного напряжения и ниже напряжение пульсаций – детектор будет менее чувствителен к пикам входного сигнала. И наоборот, чем ниже постоянная времени фильтра – тем ниже будет постоянная составляющая выходного напряжения и выше напряжение пульсаций – детектор будет более чувствителен к пикам входного сигнала.

Так же следует отметить, что соотношение постоянной составляющей и напряжения пульсаций зависит от частоты входного сигнала. Чем выше частота входного сигнала – тем выше постоянная составляющая и ниже напряжение пульсаций при тех же номиналах элементов фильтра. И наоборот, чем ниже частота входного сигнала – тем ниже постоянная составляющая и выше напряжение пульсаций. Эти 2 фактора необходимо учитывать при выборе оптимальной постоянной времени фильтра для конкретного применения [7,8].

В заключении описания принципа работы пикового детектора зададим небольшой вопрос: а чем тогда принципиально отличается двухполупериодный выпрямитель с емкостным фильтром, применяющийся в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры от рассматриваемого нами двухполупериодного пикового детектора и вообще подобных двухполупериодных пиковых детекторов без фиксации уровня (амплитудных детекторов, детекторов огибающей)?

Ответ достаточно прост: принципиальное отличие заключается только в постоянной времени фильтра. Для питания аппаратуры чем ниже напряжение пульсаций – тем лучше. Поэтому постоянная времени фильтра выбирается достаточно большой. А для пикового детектора (амплитудного детектора, детектора огибающей) постоянную времени фильтра необходимо выбрать оптимальной из соображения достоверного выделения пиков (амплитуды, огибающей) входного сигнала – она получается достаточно низкой. Всё остальное – вторично…

Итак, сигнал с выхода детектора поступает на вход блока управления светодиодной шкалой (вывод 5), выполненный на микросхеме DD1. Подробно принцип работы данной микросхемы мы уже описывали в статье Логарифмический индикатор уровня (шестая конструкция для начинающих). При рассмотрении принципа работы блока управления в данной статье затронем только моменты, не рассмотренные ранее [1].

Одним из таких моментов является устройство и режимы работы выходного каскада микросхемы. Упрощенная схема электрическая принципиальная выходного каскада микросхемы LM3915 представлена на рисунке ниже.

Для обеспечения гарантированного насыщения транзистора выходного каскада в ключевом режиме необходимо задать его ток коллектора в 2-3 раза выше тока нагрузки. В таком режиме работы ток через нагрузку определяется уже не параметрами самого транзистора, а суммарным сопротивлением нагрузки и напряжением питания. Именно так мы и поступали в предыдущих статьях при использовании микросхем серии LM3914-LM3916. Такой режим работы предусмотрен технической документацией на данные микросхемы и предназначен для прямого управления логическими микросхемами [9-11].

Работа транзисторов выходного каскада в ключевом режиме позволяет снизить до минимума рассеиваемую на микросхеме мощность. При этом включение и выключение нагрузки становится быстрым и чётким. Это хорошо видно по переключению светодиодов в описанном ранее Логарифмическом индикаторе уровня.

Самое интересное заключается в том, что разработчики специально не стали вводить в компараторы микросхем гистерезис для увеличения скорости переключения. Объясняется это тем, что изначально микросхемы предназначены для управления светодиодами, а при быстром изменении сигнала на входе такой подход уменьшает раздражающее мерцание – пока предыдущий светодиод ещё тухнет следующий уже начинает загораться. Как видите, применение ключевого режима работы транзисторов выходного каскада позволяет отчасти компенсировать данную особенность работы микросхем.

Для обеспечения же режима работы транзистора выходного каскада в качестве приёмника стабильного тока необходимо ток коллектора транзистора выходного каскада задать равным току нагрузки, а сопротивление нагрузки выбрать таким, что бы падение напряжения на ней было хотя бы на 2-3 вольта ниже, чем напряжение питания.

В таком режиме работы в совокупности с отсутствующим в компараторах гистерезисом на характеристиках переключения появляется ощутимый линейный участок. Это приводит к более медленному и плавному переключению по сравнению с ключевым режимом. Такой режим работы транзистора выходного каскада является наиболее используемым при построении различных устройств на базе данных микросхем. А в совокупности с применением вакуумных-люминесцентных индикаторов (ВЛИ) это позволяет добиться интересных визуальных результатов.

Но вернёмся к схеме электрической принципиальной нашего индикатора. Транзисторы выходных каскадов микросхемы DD1 в совокупности с внешними резисторами R20-R33 и транзисторами VT2-VT8 образуют транзисторные ключи для управления анодами ВЛИ Ла1. Подробно о принципе работы таких ключей можно почитать в статье Простой датчик освещённости (третья конструкция для начинающих) [2].

Но использованный ВЛИ имеет только 7 разрядов для индикации из 10 необходимых… Последние 3 разряда выполнены на светодиодах HL1-HL3 и используются в качестве индикатора перегрузки [12].

Физически ВЛИ Ла1 представляет из себя набор вакуумных прямонакальных диодов с общим катодом. При этом аноды (сегменты) покрыты специальным люминофором, светящимся под действием пучка электронов, летящих с катода.

ВЛИ типа ИВ-26 тип 1 способен работать при достаточно низком напряжении между анодом и катодом, но номинальная яркость свечения в статическом режиме достигается при напряжении около 25-30 вольт.

Но что же делать, если в качестве источника питания используется однополярный источник питания напряжением 12 вольт? Выход достаточно прост: анодные цепи необходимо запитать от общего источника питания с напряжением плюс 12 вольт, а катод – от дополнительного инвертирующего преобразователя с выходным напряжением минус 12 вольт. Таким образом между анодом и катодом будет приложено напряжение 24 вольта, а относительно общего провода мы получим двухполярный источник питания с выходным напряжением плюс/минус 12 вольт.  При этом это же двухполярное питание используется для питания операционных усилителей микросхемы DA1 в прецизионном выпрямителе, что упрощает его конструкцию.

Инвертирующий преобразователь выполнен на микросхеме DD2 типа MC34063. Принцип работы инвертирующего преобразователя достаточно сильно похож на принцип работы повышающего DC-DC преобразователя, рассмотренного нами ранее в соответствующей статье (вторая конструкция для начинающих), но при этом имеет ряд отличий.

Так, например, дроссель L1 включён не в коллектор выходного транзистора микросхемы DD2 относительно плюса источника питания, а в эмиттер относительно общего провода. Это приводит к тому, что при закрытии транзистора выходного каскада микросхемы ЭДС самоиндукции оказывается отрицательной полярности относительно общего провода – открывается диод VD3 и подзаряжает конденсаторы фильтра C21-C23.

Кроме того, незначительно отличается подключение общего провода логической части микросхемы DD2 (вывод 4) и делителя напряжения R44-R46, предназначенного для стабилизации выходного напряжения.

В общем-то на этом отличия в работе инвертирующего преобразователя от повышающего неинвертирующего преобразователя заканчиваются [3].

Если обратиться к осциллограмме ниже, то можно отследить все основные фазы работы преобразователя. На верхнем графике показана форма сигнала на выводе 2 микросхемы DD2 относительно общего провода схемы. А на нижнем графике – форма сигнала на выводе 3 микросхемы DD2.

Первые 2.5 клетки слева – напряжение на эмиттере выходного транзистора равно нулю, транзистор закрыт т.к. напряжение на выходе преобразователя выше порога, заданного делителем R44-R46 – наблюдаются пропуски циклов работы преобразователя.

Далее транзистор открывается – практически всё напряжение питания падает на дросселе L1 – напряжение на эмиттере выходного транзистора приблизительно равно плюс 12 вольт. В этот момент в дросселе L1 накапливается энергия. Затем выходной транзистор закрывается, на концах дросселя L1 возникает ЭДС самоиндукции противоположной полярности – напряжение на эмиттере выходного транзистора становится равным минус 12 вольт. Открывается диод VD3 и подзаряжает конденсаторы фильтра C21-C23. А далее полный цикл работы преобразователя повторяется.

На осциллограмме далее представлена форма сигнала на выводе 2 микросхемы DD2 в увеличенном масштабе.

Пользуясь материалами, приведенными в данной статье и приведёнными ранее, вы теперь самостоятельно можете подробно сопоставить принцип работы обоих типов преобразователей.

А что же насчёт пульсаций выходного напряжения таких преобразователей?

На следующей осциллограмме представлена переменная составляющая выходного напряжения преобразователя минус 12 вольт относительно общего провода. По представленной осциллограмме хорошо видно, что амплитуда пульсаций не превышает 50 мВ.

А на следующей осциллограмме представлена переменная составляющая общего напряжения питания плюс 12 вольт относительно общего провода. По представленной осциллограмме хорошо видно, что амплитуда пульсаций также не превышает 50 мВ.

Ну что же, описание принципа работы индикатора уровня подходит к концу и нам осталось рассмотреть только 1 небольшой вопрос: способ питания накала прямонакального индикатора Ла1. Суть в том, что в прямонакальных индикаторах (и вообще прямонакальных радиолампах) катод и нить накала – это один и тот же электрод.

В случае ВЛИ питать нить накала рекомендуется переменным напряжением. Это объясняется двумя факторами:

1. При питании накала постоянным напряжением вдоль накала (катода) существует градиент падения напряжения, равный номинальному напряжению питания накала. Вследствие этого разные участки катода изнашиваются неравномерно т.к. разность потенциалов между анодом и катодом на разных участках катода оказывается разной. Данная проблема больше актуальна для мощных прямонакальных генераторных и модуляторных радиоламп, но не индикаторов т.к. основная причина потери яркости свечения индикаторов – это вовсе не износ катода (потеря эмиссии), а износ люминофора (выгорание). Поэтому данная проблема для них не актуальна.

2. Но наличие градиента падения напряжения вдоль накала (катода) и отличающаяся разность потенциалов между анодом и катодом может приводить к разной яркости свечения отдельных сегментов индикатора. Но существует ли этот эффект в реальности? А если существует, то насколько он сильно выражен? Ну что же, давайте проверим экспериментально!

Для питания ВЛИ необходимо 2 источника питания: анодный (А) и накальный (Н). Накал при этом подключается к выводам 4 и 7 индикатора. Таким образом возможно 4 варианта подключения питания: I (4: Н+/А-; 7: Н-), II (4: Н+; 7: Н-/А-), III (4: Н-/А-; 7: Н+), IV (4: Н-; 7: Н+/А-) [12].

Повторим последовательно все 4 варианта подключения, подав на накал постоянное напряжение 3 вольта, а на соединённые вместе аноды 9 вольт. Результаты данного эксперимента представлены на фото ниже. При этом I вариант подключения – верхний, а IV – нижний. Все фото были выполнены с одними и теми же настройками фотоаппарата.

По представленному фото хорошо видно, что описанный выше эффект неравномерного свечения сегментов индикатора вдоль катода на самом деле существует. Кроме того, выраженность эффекта зависит напрямую от способа подключения индикатора. Это интересный результат! И его необходимо учитывать при питании анодов индикаторов пониженным напряжением. Но в данном эксперименте напряжение накала составляет ощутимую треть от напряжения анодов. А что же будет при номинальном напряжении питания анодов в 24 вольта? Результаты такого эксперимента представлены на следующем фото.

По представленному фото хорошо видно, что в независимости от способа подключения все сегменты всех индикаторов светятся совершенно идентично. В данном случае напряжение накала составляет всего 12.5% от напряжения анодов. Таким образом ещё раз подтвердился хорошо известный факт: при напряжении питания накала прямонакального ВЛИ менее 10% от напряжения анодов в большинстве случаев его можно питать постоянным напряжением. Именно это и было сделано в рассматриваемом индикаторе уровня.

Все использованные детали индикатора указаны на схеме электрической принципиальной.

Конденсаторы С1-С4, С12, С13, С16-С18 – дополнительный емкостной фильтр общего напряжения питания плюс 12 вольт для разных участков схемы.

Конденсаторы С14, С15, С21-С23 – емкостной фильтр питания напряжения питания минус 12 вольт для разных участков схемы.

Конденсаторы С5, С6 – дополнительный фильтр опорного источника питания для верхнего порога микросхемы DD1.

Конденсаторы С7, С8 – дополнительный фильтр питания схемы сдвига нуля двухполупериодного пикового детектора.

Резисторы R51-R56 – перемычки. Сборка печатной платы индикатора уровня упрощается при использовании резисторов с сопротивлением 0 Ом в качестве перемычек.

Резисторы R41, R42 – дополнительные гасящие резисторы напряжения накала ВЛИ.

Конденсатор С10 – конденсатор частотной коррекции прецизионного выпрямителя [7,8].

Настройка индикатора уровня не представляет сложности. После сборки, тщательной отмывки печатного узла от остатков флюса, а также сушки необходимо замкнуть накоротко разъем X1. После этого подключается общее напряжение питания плюс 12 вольт и контролируется напряжение минус 12 вольт на выходе инвертирующего преобразователя. При необходимости напряжение корректируется изменением сопротивления резисторов делителя R44-R46.

Далее необходимо проконтролировать напряжение питания накала ВЛИ Ла1 между выводами 4 и 7 – оно должно лежать в диапазоне от 2.8 до 3 Вольт. При необходимости напряжение корректируется изменением сопротивления гасящих резисторов R41, R42.

Следующий этап – проверка напряжения опорного источника питания для верхнего порога микросхемы DD1. Оно должно лежать в интервале от 3.9 до 4.1 вольта. При необходимости напряжение корректируется изменением сопротивления резисторов R13, R14.

Далее необходимо переменным резистором R16 установить напряжение нижнего порога микросхемы DD1 на выводе 4 равное плюс 0.25 вольта.

И в заключение настройки необходимо переменным резистором R11 выставить на эмиттере транзистора VT1 напряжение равное плюс 0.2 вольта.

На этом настройку индикатора уровня можно считать оконченной. Правильно собранный и настроенный индикатор начинает работать сразу после подачи на вход напряжения аудиосигнала.

При указанных на схеме номиналах и режимах работы индикатор перекрывает диапазон входных напряжений от 0.1 до 1 вольта действующего значения. Таким образом полная шкала составляет 20 дБ по напряжению т.е. 10 раз. При этом шкала является логарифмической т.к. используется микросхема LM3915. При использовании микросхемы LM3914 шкала будет линейной, а при использовании микросхемы LM3916 – растянутой логарифмической [9-11].

Перед доработкой и испытанием конечного варианта индикатора уровня был собран и испытан прототип с микросхемой LM3914 т.е. линейной шкалой.  Внешний вид прототипа индикатора уровня и результаты его испытаний представлены в подборке фото и видео ниже [4, 5].

Вживую это выглядит вот так: 

По представленным фото и видео хорошо видно, что индикатор уровня работает исправно, а изменение яркости при переключении происходит достаточно плавно.

После испытаний прототипа была произведена его доработка: практически все перемычки были заменены на резисторы сопротивлением 0 Ом, ВЛИ Ла1 был перенесен на противоположную сторону печатной платы, изменилась ориентация визуализации уровня сигнала с вертикальной на горизонтальную. Так же были устранены мелкие недочеты, обнаруженные в прототипе, а микросхема LM3914 была заменена на микросхему LM3915. Так появился конечный вариант печатного узла и электрической принципиальной схемы, представленный на фото ниже и исходной электрической принципиальной схеме. Испытания конечного варианта индикатора уровня также представлены на видео ниже [6].

Вживую это выглядит вот так: 

В подборке фото ниже представлен сборочный чертеж печатного узла с проводящим рисунком (дорожками) с двух сторон. При этом расположение компонентов и печатных проводников указано так, как мы бы их видели, держа печатную плату соответствующей стороной к себе.

В файле vli-1_1-1.zip представлен сборочный чертеж печатного узла в формате Sprint Layout 6, а также схема электрическая принципиальная в формате SPlan для возможности самостоятельного изготовления печатной платы устройства.

Следует заметить, что индикатор уровня собирается на двухсторонней печатной плате. Выводные компоненты, имеющие контактные площадки с двух сторон печатной платы необходимо припаивать с обеих сторон т.к. ряд выводов компонентов параллельно служит для соединения частей схемы на противоположных сторонах печатной платы. Кроме того, необходимо установить несколько дополнительных перемычек между двумя сторонами печатной платы – под них предусмотрены соответствующие сквозные отверстия.

А на этом на сегодня всё. С уважением, Андрей.

Список использованной литературы:

1. Логарифмический индикатор уровня

2. Простой датчик освещённости

3. Повышающий DC-DC преобразователь

4. Индикатор уровня на ВЛИ

5. Индикатор уровня на ВЛИ 2

6. Индикатор уровня на ВЛИ 3

7. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах/ Пер. с англ.: Б. Н. Бронина, И. И. Короткевич, А. И. Коротова и др. — Изд. 4-е, переработанное и дополненное. — М.: Мир, 1993

8. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Перевод с нем. под ред. д-ра техн. наук А. Г. Алексенко. — М.: Мир, 1982. — 512 с.

9. LM3914

10. LM3915

11. LM3916

12. ИВ-26 тип 1