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  • 怎么用三极管电路表示延时开关-延时开关设计方案
    • 发布时间:2020-10-19 17:25:16
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    怎么用三极管电路表示延时开关-延时开关设计方案
    先来设计延时开关。
    延时开关是利用电容器充电时,电容器两端的电压逐渐上升的特点来实现的。
    看一下RC电路:
    三极管电路表示延时开关
    接通电源后,电容器开始充电,开始时,充电电流最大,电容器可以看作是一个较小的电阻,根据欧姆定律分压定理,C两端的电压较小,
    当C充电完成后,C相当于一个断路,电阻无穷大,根据分压定理,C两端的电压等于电源电压。
    R越大、C越大,充电时间越长,R越小、C越小,充电时间越短。
    在RC电路里接入一个继电器,就可以组成延时开关。
    三极管电路表示延时开关
    设R=10欧,J1的控制端电阻为R1,R1=10欧,电源电压为2伏,J1控制端的工作电压是1伏,即当控制端电压为1伏时,J1导通。
    开关K闭合后,RC电路接通电源,C开始充电,C充电过程中,C可以看作是一个电阻和J1控制端并联,设并联电阻为R2,可知R2<R1=R,
    即J1控制端两端的电压小于1伏,J1处于断开状态。
    当C充电充满时,C为断路,电阻无穷大,此时,电路就变成了R、R1的串联电路,R1两端的电压为1伏,达到J1控制端工作电压,J1导通。
    J1导通就是延时开关导通。从K闭合到J1导通,中间会经历C的充电时间,这就是延迟时间。
    当R和R1的阻值确定时,C越大,充电时间越长,C越小,充电时间越短。
    也可以把R、R1和C一起纳入参数计算,计算出符合要求的充电时间的R、R1、C。就是说,不单可以调节C的大小来获得要求的充电时间,也可以调整R、R1的阻值来调节充电时间。
    实际上,这里R1和C并联,对充电时间的影响可能有点复杂。
    但实际上,也不需要精确计算,根据经验和一些调试,可以获得适当的R、R1、C,满足要求的充电时间。
    用三极管电路表示延时开关:
    三极管电路表示延时开关
    在电路中,延时开关的示意图:
    三极管电路表示延时开关
    输入端接通电源正极后,延迟一段时间后,输出端输出1,也就是高电位,也可以说是正极电压。
    注意,输入端接通电源正极后要一直接通电源正极,延时开关才能正常工作。
    再来看脉冲延时开关,《设计逻辑电路的开关元件》里介绍了双稳态开关,
    双稳态开关的示意图:
    三极管电路表示延时开关
    因为一般只用得到一个输出端,所以只画出out1。
    延时脉冲开关的电路图:
    三极管电路表示延时开关
    输入端输入一个1脉冲时,双1的out1变为1,触发延1,延1开始充电,到延迟时间后,延1输出1,输出端输出1,双2的out1变为1,触发延2,延2开始充电,到延迟时间后,延2输出1,双1、双2的out1都变为0,本次工作过程结束。
    在本次工作过程中,输入端输入1脉冲后,经过延1的延迟时间,输出端输出1,从此时又经过延2的延迟时间,输出端输出0,双1、双2的out1变为0,延1、延2放电,放电到一定程度后断开,断开后仍然放没放完的电,放电完成后整个电路恢复为初始状态。
    在本次工作过程中,输出端输出了一个1脉冲,脉冲宽度是延2的充电时间,也就是延2的延迟时间。
    其实这个设计是存在问题的,延2输出1是双2out1=1支持的,若双2out1=0,则延2输出0,而延2输出1使双2out1变为0,双2out1变为0则延2输出0,这就形成了一个循环依赖,这可能会导致不稳定的问题。
    总的来说,这是一种直接反馈,这种直接反馈可能导致不稳定,或者说预期外的结果。
    但这似乎又和实际的元件和电路的品质表现有关,对于理想的元件和电路,这样的设计似乎没问题。
    理想的元件和电路,对信号的响应是即时的,大概可以说是只需要“很短的时间”,且各元件对响应保证完成和保证按顺序完成,这样就不存在问题。
    实际中,延2输出1,使得双2out1变为0,需要确保一小段时间,在这段时间内,即使双2out1变为0,但延2仍然可以输出1,确保双2out1变为0,这段时间后,延2才输出0。
    如果这个问题存在,要怎么改进设计?留给大家思考,我懒得画了,哈。
    我们假设这个问题不存在,接着分析。
    电容器的充电放电是一个挺麻烦的事情,以延1为例,电容器充电充满,则延1接通。双1输出0时,相当于延1和电源断开,电容器放电,而放电必须在下一次充电之前完成,也就是必须在延时开关下一次被触发前完成。
    最快的情况,本次操作后执行下一次操作,下一次操作完成后又返回调用本次操作,这类似于程序里的循环和goto。
    这就要求本次操作的放电时间要小于下一次操作的充电时间-对下一次操作输出1的时间(1脉冲的脉冲宽度),且越小越好。
    如果本次操作的时间很长,就意味着本次操作的充电时间很长,如果下一次操作的时间很短,就意味着下一次操作的充电时间很短,这要求本次操作的放电时间更短,
    于是,这就要求本次操作的充电时间很长而放电时间很短,这在技术上做到比较有难度。
    因为这要权衡充电电阻和放电电阻,从上文电路图可以看到,充电电阻是R,放电电阻是继电器控制端线圈电阻。
    对于NPN型三极管电路,放电电阻是基极电阻+基极和发射极之间的电阻+发射极电阻。
    基极电阻是连在基极上的电阻,发射极电阻是连在发射极上的电阻,
    基极和发射极之间的电阻=三极管内部基区电阻+发射区电阻+基区和发射区之间PN结的电阻
    当然,事实上,还有一部分放电电流是通过充电电阻R,流到集电极,又流到发射极,又通过发射极电阻来到电容器负端。
    所以,要权衡设计这些电阻,而发射极电阻还关系到输出电压,这跟连在发射极上的外部电路的电阻(阻抗)又有关系。这是不是“输出阻抗”问题?
    电容器放电刚开始的一段时间内,延1可能仍然是导通的,这段时间要不要算到延时开关的导通时间里,也就是输出的1脉冲的脉冲宽度里?
    而延1的输出端一方面作为延时脉冲开关的输出端,一边和双2的in1相连,双2的in1在out1为0时,in1会输出一定的低电压,这会通过输出端和外部电路产生耦合,要不要在延1和输出端之间加一个继电器或者三极管开关解耦?
    又或是在延1和双2之间加一个继电器或者三极管开关解耦?
    或者把输出端设在双2的out1,以双2的out1作为延时脉冲开关的输出端,但这样延2的输入端会和外部电路产生耦合,延2放电的时候,放电电流会流向外部电路。
    这似乎引出了“输入阻抗”和“输出阻抗”的问题,两个元件要连在一起用,输入阻抗和输出阻抗要匹配,或者说符合彼此给出的规格,大概就是输入阻抗和输出阻抗问题吧。
    规格是指阻抗的范围,两个元件要连在一起用,自己的输出端阻抗要在对方给出的输入阻抗范围内。以及,对方的输入端阻抗要在自己给出的输出阻抗范围内。
    耦合是普遍存在的,但,通过制定统一的输入输出接口,可以进行管理和调节。
    输入输出接口可以减小耦合,统一输入输出接口可以对输入输出的耦合统一计算,可以计算很多元件连在一起用时的耦合积累,可以计算得到并联的最大情况的耦合和串联的最大情况的耦合,并将它们控制在一个比较小的范围内,在这个范围内,耦合对电路的影响不大,电路可以正常工作。
    通过对电路参数的设计,以及晶体管的技术品质的提升,可以在元件数量很多时,耦合的累积量仍然很小,不会超过某个范围,就像数学上的极限。
    这是一种比较理想的情况。
    晶体管的技术品质,比如开关特性,开时,电阻很小,关时,电阻很大,开关的反差越大,则电路的误差耦合越小,电路越稳定,电路的规模可以做的越大。电路规模指元件数量。比如大规模集成电路,超大规模集成电路。
    误差耦合就是上面说的不需要但是又存在的耦合,这些耦合会造成电路的误差,误差在一定范围内,电路可以正常运行,表达预期的逻辑,误差积累超过一定范围,电路会出错,表达出错误逻辑,比如开变成关,关变成开,或者,该开不开,该关不关。
    数字电路的误差耦合可以分为2大类:
    1基本开关电路的误差耦合
    2特定电路的误差耦合
    先说说基本开关电路的误差耦合,理论上,继电器,是一个理想的开关元件,可以说不存在误差耦合。因为继电器的控制端和输入输出端是独立的2条线路,所以,继电器没有基本开关电路的误差耦合。
    三极管的基极、发射极、集电极共用一条线路,相当于控制端和输入输出端共用一条线路,所以,三极管开关电路存在基本开关电路的误差耦合。
    特定电路的误差耦合比如上文说到的双稳态电路的in1和延时脉冲开关的输出端直接连接时,可能通过延时脉冲开关的输出端向外部电路输出低电压。又比如上文说到的延2的输入端和延时脉冲开关的输出端相连时,可能通过延时脉冲开关的输出端向外部电路输出放电电流。
    假设本次操作和下一次操作的延时脉冲开关的延迟时间一样,下一次操作完成后又返回执行本次操作,那么,简单的,理想的,这两个操作的延时脉冲开关交替输出的脉冲可以用一个方波来表示:
    三极管电路表示延时开关
    简单的,理想的,延1的充电时间可以认为是方波的一个周期,放电时间应在0半周以内,且越小越好。上文说了,技术上,要让放电时间远小于充电时间实现起来可能比较困难,在这里,因为充电时间=一个周期=1半周+0半周=1半周+最大放电时间,可以让0半周比1半周长比较多,这样,充电时间仍然大于放电时间,但是放电时间的范围变大了,或者说,0半周比1半周越长,最大放电时间越接近充电时间,技术上比较容易实现。
    三极管电路表示延时开关
    对于延2,充电时间是1半周,放电时间是这个周期的0半周+下个周期,所以,延2允许的放电时间远大于充电时间,这个技术上容易实现。
    注意,是允许的放电时间远大于充电时间,允许的放电时间最大可以达到这个周期的0半周+下个周期这么长,但不是说要做到这么长,事实上,应该比这个小,越小越好。
    三极管电路表示延时开关
    上面说的这些问题,早期的电子计算机工程师应该都碰到过,或者说,经历过。
    再来看一次性开关,这里会用到开关元件,开关元件的示意图:
    三极管电路表示延时开关
    控制端是1时,输入端输出端导通,控制端是0时,输入端输出端断开。
    开关元件可以是一个继电器,也可以是三极管开关电路,等等。
    三极管开关电路图:
    三极管电路表示延时开关
    一次性开关电路图:
    三极管电路表示延时开关
    控制端输入1脉冲,双1的out1变成1,使开关1导通,之后,输入端输入1就可以通过开关1,使双2的out1变成1,使开关2导通,
    之后,当输入端的1结束后,就变成了0,0使非门输出1,通过开关2输出到双1的in2,使双1out1变成0,开关1断开。
    开关1断开后,输入端无论输入什么,输出端都是0,这就是一次性开关的效果:当控制端输入1脉冲后,一次性开关开始工作,输入端和输出端导通,当输入端输入1脉冲时,输出端输出1脉冲,1脉冲结束后,一次性开关停止工作,输入端无论输入什么,输出端都是0。
    还有,当控制端输入1时,双1out1会输出1到双2的in2,使双2out1变成0,开关2断开。这样就切断了非门和双1in2的通路,不然,非门输出的1会阻止双1out1变成1。在上一次使用后,双2out1一直是1,开关2一直导通。
    还要说明一点,双稳态开关在第一次使用前要设置初始状态,因为,接通电源后,双稳态电路的状态是随机的。如果要求初始状态是out1=1,可以让in1=1来设置这个初始状态。
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