LM3914 (LM3914)

Перейти к навигации Перейти к поиску
LM3914,LM3915,LM3916
Аналоговые интегральные схемы
LM3915N-1 производства National Semiconductor
упрощённая блок-схема
Тип Контроллеры шкальных индикаторов
Начало выпуска 1979[2]
Разработчик National Semiconductor

LM3914, LM3915, LM3916 (далее LM3914/5/6) — семейство интегральных схем контроллеров линейных десятисегментных шкальных индикаторов на светодиодах, жидкокристаллических или вакуумно-люминесцентных индикаторах. Размах шкалы входного напряжения и предельные выходные токи устанавливаются независимо с использованием встроенного или внешнего источника опорного напряжения. Выходные светодиоды могут коммутироваться параллельно или последовательно[3], в режимах одиночной точки или непрерывной линейки[4]. Динамический диапазон может быть расширен каскадным включением нескольких микросхем.

Три модели семейства функционально идентичны и различаются лишь разбивкой шкал встроенных делителей напряжения[5][6]:

модель тип шкалы сопротивление
делителя		 динамический
диапазон[7]		 назначение
LM3914 линейная с шагом 10 % от полной шкалы
10 кОм
20 дБ
 вольтметры[8]
LM3915 логарифмическая с шагом 3 дБ
22 кОм
27 дБ
 индикаторы выходной мощности[8]
LM3916 полулогарифмическая c шагом от 10 до 1 дБ
10 кОм
23 дБ
 индикаторы типа VU[8]

Устройство

[править | править код]
Топология кристалла. Сверху — десять мощных выходных транзисторов

LM3914/5/6 рассчитаны на однополярное питание, напряжение которого не должно превышать +25 В как на входе питания управляющей схемы (вывод 3), так и на открытых коллекторах выходных ключей (выводы 1, 10—18). Предельно допустимая мощность рассеяния микросхем в пластиковом корпусе DIP-18 в документации 1980 года устанавливалась на уровне 625 мВт[9], в документации 2000-х годов — 1,365 Вт[10]. Разница обусловлена уменьшением термического сопротивления пластикового корпуса со 120 К/Вт в 1980 году[9] до 55 К/Вт в 2000-е годы[11].

В основе LM3914/5/6 — параллельный аналого-цифровой преобразователь на десяти идентичных компараторах. Каждый из компараторов сравнивает напряжение на выходе входного буферного усилителя с напряжением на соответствующем отводе делителя напряжения[12]. Верхний и нижний выводы делителя подключаются к внутреннему источнику образцового напряжения (ИОН) или к внешним источникам напряжения[13]. Каждый компаратор управляет выходным ключом с открытым коллектором и программируемым ограничением предельного тока[14]. Компараторы не имеют гистерезиса: в режиме одиночной точки, при переходе сигнала через очередной порог, отключение одного и включение другого компаратора происходят плавно, с перекрытием в несколько мВ. Ситуация, при которой в режиме одиночной точки гасли бы оба смежных светодиода, с неизбежным «морганием» индикатора и выбросом помехи в цепь питания, тем самым исключена конструктивно[15]. Длительное одновременное включение смежных светодиодов, а также аномально медленное их включение указывают на самовозбуждение из-за неудачной разводки цепей питания[16].

Подключение светодиодов, ЖКИ и ВЛИ

[править | править код]

Выходные ключи LM3914/5/6 работают либо в режиме непрерывной линейки, либо в режиме одиночной точки. Жидкокристаллические (ЖКИ) и вакуумно-люминесцентные (ВЛИ) индикаторы коммутируются только параллельно[17]. ВЛИ подключаются к выходам LM3914 непосредственно; дополнительно, между выходами ключей и шиной питания (+12…15В) подключаются сопротивления-шунты величиной 10 кОм[18]. ЖКИ подключаются через разделительные ёмкости величиной 0,1 мкФ[17]. Светодиоды подключаются к выводам LM3914/5/6 либо параллельно в режиме линейки, либо параллельно в режиме одиночной точки, либо последовательно в режиме одиночной точки; в последнем случае фактически отображается непрерывная линейка[19].

Три варианта коммутации светодиодов: параллельная в режиме линейки, параллельная в режиме одиночной точки, последовательная в режиме одиночной точки

Параллельное подключение в режиме линейки предпочтительно в схемах с низковольтным питанием. Оно допускает применение дежурной засветки светодиодов — для этого катод каждого из них соединяют с общим проводом высокоомным резистором[20]. Недостаток параллельной линейки — высокое и непостоянное, изменяющееся в такт с входным сигналом, потребление тока. При включении всех десяти выходных ключей их суммарный ток может достигать 300 мА, а общее выделение тепла микросхемой может превышать предельно допустимое значение. Во избежание катастрофического перегрева в выходные цепи включают балластные сопротивления, либо применяют общий балластный резистор в цепи питания светодиодов, либо запитывают выходные цепи от отдельного источника напряжения величиной 3…5 В[21][16].

Последовательная коммутация предполагает питание цепочки из десяти светодиодов напряжением, близким к предельному (22…25 В), желательно — от стабилизатора на 24 В[19][23]. Ток, потребляемый таким индикатором от источника питания, практически неизменен. Существуют способы разбиения последовательной цепочки на несколько частей, что позволяет кратно уменьшить необходимое напряжения питания[3]. Например, разбиение одной цепочки на две по пять светодиодов в каждой позволяет использовать напряжение питания 12…18 В[3].

Встроенные ограничители тока выходных ключей управляются током, вытекающий из вывода 7: порог ограничения ровно в 10 раз превосходит ток вывода 7. В типовых схемах его величину определяет внешнее сопротивление, подключаемое между выводами 7 и 8. Встроенный ИОН стабилизирует напряжение между этими выводами на уровне от 1,2 до 1,32 В (типичное значение — 1,25 В)[24], таким образом внешнее сопротивление в 2 кОм ограничивает выходной ток величиной примерно 6 мА, 1 кОм — 12 мА и так далее, но не более 30 мА[14][24]. Независимые испытания показали, что встроенные ограничители тока достаточно надёжны и стабильны, и совместимы с нестабилизированными источниками питания[25].

Установка шкалы отсчёта и подготовка входного сигнала

[править | править код]
Простейший индикатор на LM3914

Компараторы LM3914/5/6 корректно работают в диапазоне входных напряжений от 0 до +12 В (но не более напряжения питания, уменьшенного на 1,2 В), при этом вход сигнала 5 допускает подключение как сигнала положительной полярности, так и биполярного сигнала с амплитудой в пределах −35…+35 В[26][27][28]. При подаче сигнала отрицательной полярности входной ток направляется в общий провод через защитный диод и балластное сопротивление величиной 20 кОм, все выходные ключи находятся в закрытом состоянии[26]. Напряжения на выводах делителя напряжения 4 и 6, устанавливающие шкалу отсчёта, могут перекрывать весь диапазон напряжений питания[10], но, как и в случае входного сигнала, корректная работа компараторов гарантируется лишь в диапазон напряжений от 0 до +12 В[27][28].

В простейшей схеме включения вывод ИОН 8 заземлён, начало шкалы отсчёта привязано к общему проводу, а размах шкалы — к потенциалу на выходе ИОН 7 (около 1,25 В)[12]. С точки зрения точности индикатора, размах шкалы желательно увеличить до 10 В[29]. Для этого между выводом 8 и общим проводом включается дополнительный резистор, «приподнимающий» потенциалы выводов 7 и 8, при этом пропорции передачи токов и напряжений незначительно изменяются из-за протекания тока покоя ИОН из вывода 8 в общий провод[30]. Нижнюю и верхнюю границы шкалы отсчёта можно устанавливать и независимо от работы встроенного ИОН, подачей внешних напряжений на нижний (4) и верхний (6) выводы делителя напряжений[28].

Микросхемы допускают индикацию уровня переменного напряжения непосредственно, без предварительного выпрямления[26][31]. Производитель рекомендует применять при этом режим одиночной точки и устанавливать максимально возможный ток светодиодов в 30 мА[26][31]. В этом режиме человек способен уверенно различать уровни излучения светодиодов, соответствующие пиковой амплитуде и средним уровням типичных переменных сигналов[26]. Индикация либо только пиковых, либо только средних значения требует применения внешних выпрямителей соответствующего типа[26]. Выбор схемы выпрямителя определяется назначением устройства и уровнем отображаемых напряжений. Например, при размахе шкалы в 10 В ошибка простого выпрямителя, связанная с падением напряжения на кремниевом диоде, составляет примерно 600 мВ — меньше, чем порог включения первого светодиода в LM3914, но больше чем тот же порог в LM3915[26]. В типичных применениях LM3915 достаточно скомпенсировать падение напряжение на диоде с помощью эмиттерного повторителя на pnp-транзисторе. Ошибка такого выпрямителя составляет примерно 100 мВ, что более чем достаточно для индикатора на одиночной микросхеме[26]. Прецизионные выпрямители на операционных усилителях оправданы лишь в индикаторах с каскадным включением нескольких микросхем[26].

Каскадное включение

[править | править код]

Логика управления LM3914/5/6 допускает каскадное включение нескольких микросхем как в режиме непрерывной линейки, так и в режиме одиночной точки[32]. Например, каскадное включение двух и трёх LM3915 расширяет динамический диапазон индикатора до 60 и 90 дБ соответственно[33]. Возможно и каскадирование различных микросхем: LM3915 в нижнем плече индикатора и LM3914 в верхнем плече образуют совместно логарифмически-линейный индикатор с динамическим диапазоном 50 дБ; каскадирование LM3915 и LM3916 образует индикатор типа VU с расширенным динамическим диапазоном[33].

Установка шкал отсчёта для каскадируемых микросхем производится двумя способами. В простейшем из них на сигнальные входы 5 всех микросхем подаётся один и тот же сигнал, а напряжения на выводах установки шкал (4 и 6) масштабируются. Например, при стыковке двух LM3915 верхняя шкала устанавливается на диапазон 0—10 В, а нижняя — на диапазон 0—316 мВ[33]. Точность индикации младших уровней при этом невелика, так как расчётное напряжение срабатывания первого ключа нижней микросхемы (14 мВ) сопоставимо с напряжением ошибки компаратора (10 мВ)[33]. Если это оказывается неприемлемым, то используется иной подход: раздельное усиление входного сигнала при одинаковых шкалах отсчёта. Например, для двух LM3915 коэффициенты усиления сигналов, подаваемого на выводы 5 двух микросхем, должны различаться на 30 дБ или в 31,62 раза[33].

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ National Semiconductor, 1980, pp. 9—107.
  2. ↑ Первое упоминание в популярных журналах — лето 1979 (Wright H. Space-Age Electronic Projects for Boats // Popular Electronics. — 1979. — № July. — P. 39—40.), первое включение в печатный свод документации National Semiconductor — 1980[1]
  3. ↑ 1 2 3 Marston, 1996, pp. 60—61.
  4. ↑ Marston, 1996, p. 54.
  5. ↑ Marston, 1996, p. 52.
  6. ↑ Marston, 1992, p. 65.
  7. ↑ Разница между пороговыми напряжениями верхнего и нижнего компараторов
  8. ↑ 1 2 3 Marston, 1996, pp. 52—55.
  9. ↑ 1 2 National Semiconductor, 1980, pp. 9—108, 9-121.
  10. ↑ 1 2 National Semiconductor, 2003, p. 3.
  11. ↑ National Semiconductor, 2003, p. 4.
  12. ↑ 1 2 Marston, 1996, p. 53.
  13. ↑ Marston, 1996, p. 55.
  14. ↑ 1 2 Marston, 1996, pp. 54—55.
  15. ↑ National Semiconductor, 2003, p. 9.
  16. ↑ 1 2 National Semiconductor, 2003, p. 15.
  17. ↑ 1 2 National Semiconductor, 2003, p. 25.
  18. ↑ National Semiconductor, 2003, p. 19.
  19. ↑ 1 2 Marston, 1996, p. 60.
  20. ↑ National Semiconductor, 2003, p. 17.
  21. ↑ Marston, 1996, pp. 59—60.
  22. ↑ Marston, 1996, p. 19.
  23. ↑ Документация не оговаривает типы применяемых светодиодов, но на практике в напряжение питания 24В можно вписать десятку светодиодов красного, оранжевого или жёлтого свечения (падение напряжение на каждом не более 2,2 В) и некоторые типы зелёных светодиодов[22]. Светодиоды белого и синего свечения с падением напряжения 3В и выше, вышедшие на рынок намного позже LM3914, а также зелёные светодиоды с падением напряжения 2,3-2,5 В потребуют особых схемотехнических решений.
  24. ↑ 1 2 Marston, 1992, p. 66.
  25. ↑ Koch, 2019, «All of this is rather unsettling. So, with no firm answers, we set about a bench test…».
  26. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 National Semiconductor, 2001, p. 10.
  27. ↑ 1 2 National Semiconductor, 2003, pp. 3, 8.
  28. ↑ 1 2 3 Koch, 1999, «Manipulating the voltage divider».
  29. ↑ National Semiconductor, 2001, p. 12.
  30. ↑ National Semiconductor, 2001, pp. 8, 12, 13.
  31. ↑ 1 2 Marston, 1996, p. 63.
  32. ↑ National Semiconductor, 2001, p. 9.
  33. ↑ 1 2 3 4 5 National Semiconductor, 2001, p. 11.

Литература

[править | править код]
  • Koch, Daniel. The LM3914 IC Driving LED Bargraph Displays // Diyode. — 2019. — № 26 (September).
  • Marston R. M. Working with LEDs // Radio-Electronics. — 1992. — № 2. — P. 69—75.
  • Marston R. M. Working with LED Display Drivers // Radio-Electronics. — 1992. — № 3. — P. 65—72.
  • Marston R. M. Optoelectronics Circuits Manual. — Newnes, 1996. — P. 52—65. — ISBN 0750601574.
  • National Semiconductor. Linear Data Book. — 1980.
  • National Semiconductor. LM3916 Dot/Bar Display Driver. — 2000.
  • National Semiconductor. LM3915 Dot/Bar Display Driver. — 2001.
  • National Semiconductor. LM3914 Dot/Bar Display Driver. — 2003.
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=LM3914&oldid=142570452