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根據(jù)經(jīng)典式555時基電路的結(jié)構(gòu)特點可知:用經(jīng)典式555時基電路設(shè)計單穩(wěn)態(tài)電路、雙穩(wěn)態(tài)電路、無穩(wěn)態(tài)電路、定時電路以及各種電子開關(guān)電路等基本典型應(yīng)用電路是較為方便易行的，[1－7]但如果用經(jīng)典式555時基電路設(shè)計如溫度控制可調(diào)節(jié)之類(超上下限位控制功能)電路時，外圍電路復(fù)雜難調(diào)，成本較高，性價比不能滿足用戶要求。然而，我們依賴555時基電路這個核心模塊或平臺為時太久[5－10]!應(yīng)該自己創(chuàng)新設(shè)計一種兼容度更高、通用性更強、用途更廣泛的功能模塊，作為新時期電子應(yīng)用設(shè)計領(lǐng)域所需的核心器件或基礎(chǔ)性新平臺，作為555時基電路的升級換代產(chǎn)品。因此，越底安控時基電路(或簡稱:666時基電路)應(yīng)需而生。
1電路設(shè)計方案
針對555時基電路的缺陷和應(yīng)用設(shè)計新需求，本文筆者特從自己已獲得的兩件專利(專利號為200810048942.1和201020211450.2)中優(yōu)選一個實例，再進(jìn)一步優(yōu)化，創(chuàng)新設(shè)計了一種越底安控時基電路，虛線框內(nèi)5個模擬集成電壓比較器B1~B5(也可用集成運算放大器等效替換)和電阻Rtc(或用正溫度系數(shù)熱敏電阻Ptc替換)、電阻R1~R13簡單構(gòu)成ꎻ所述的電壓比較器B1作為底限比較器，電壓比較器B2作為上限比較器，電壓比較器B3作為下限比較器，電壓比較器B4、B5作為電位觸發(fā)型互補式施密特觸發(fā)器。
2電路原理功能
2.1越底安控時基電路(666時基電路)工作原理
電路上電后，當(dāng)信號輸入端(VI)電位低于下限VL電位而高于底限Vd電位，即Vd<VI<VL，下限比較器B3輸出高電平H(高阻態(tài))，而此時，底限比較器B1輸出端BER和上限比較器B2輸出端(Vm)早已處于高電位H(高阻態(tài))，讓電壓比較器B4的反相(－)入端電位高于其正相(＋)入端電位，使電壓比較器B4輸出端(VZO)輸出低電位L，隨之電阻R4將回差設(shè)置端(FK)電位降為13V＋左右，電壓比較器B5輸出端(放電端DIS)相反輸出高電平H，電壓比較器B4輸出端VZO＝L，可吸流導(dǎo)通驅(qū)動外圍小功率負(fù)載通電工作ꎻ當(dāng)信號輸入端(VI)電位上升，VL<VI<VH，電壓比較器B3輸出低電平L，使Vm點電位略低于保顯復(fù)位端口BER電位的12處，但仍然大于回差設(shè)置端(FK)電位(約13V＋)，使電壓比較器B4輸出端(VZO)繼續(xù)保持在低電位L狀態(tài)，可吸流導(dǎo)通驅(qū)動外圍小功率負(fù)載通電工作ꎻ當(dāng)信號輸入端VI電位高于上限VH電位時，即VI>VH，電壓比較器B2輸出低電平L(小于FK約13V＋電位)，直接觸發(fā)電壓比較器B4、B5工作狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，同相輸出端(VZO)輸出高電平H，可使外圍驅(qū)動電路截止，停止工作。同時，同相輸出端VZO的高電平H也使回差設(shè)置端(FK)電位躍升到(約23V＋)，還使電壓比較器B5輸出端(放電端DIS)輸出低電平L，可讓外電路電容放電。
當(dāng)信號輸入端VI電位由高降低，低于上限VH電位時，即VI<VH，電壓比較器B2輸出端Vm又恢復(fù)原有電位(12V＋左右處)，但比電壓比較器B4的正相(＋)輸入端FK電位(約23V＋)要低，使電壓比較器B4輸出端(VZO)繼續(xù)維持高電平H狀態(tài)，可使外圍驅(qū)動電路保持截止，停止工作ꎻ當(dāng)信號輸入端VI電位繼續(xù)下降，即VI<VL時，電壓比較器B3輸出高電平H，將電壓比較器B4反相(－)輸入端Vm點電位抬升到接近保顯/復(fù)位端口BER電位(因電壓比較器B4輸入阻抗非常大，電阻R6上的壓降非常小)，Vm點電位大于電壓比較器B4正相(＋)入端的回差設(shè)置端(FK)電位(23V＋)，觸發(fā)電壓比較器B4輸出端(VZO)翻轉(zhuǎn)為低電平L狀態(tài)，由于電阻R4的反饋作用將回差設(shè)置端(FK)電位降為13V＋，同相輸出端(VZO)輸出的低電平L，可吸流導(dǎo)通驅(qū)動外圍小功率負(fù)載通電工作。當(dāng)信號輸入端VI發(fā)生故障時，使輸入電位VI極低，即VI<Vd，底限比較器B1輸出端BER輸出低電位L，通過串聯(lián)電阻R6使電壓比較器B4的反相(－)輸入端(Vm點)電位降低(因為電壓比較器B4輸入阻抗極高，所以電阻R6上的壓降極小，Vm點低電位接近于電壓比較器B1輸出端BER的低電位L)，Vm點低電位觸發(fā)施密特電路B4翻轉(zhuǎn)為復(fù)位狀態(tài)(同相輸出端VZO輸出高電平H)，可使外圍驅(qū)動電路截止，停止工作，從而實現(xiàn)越底安控，防止失控，保證安全。同時，同相輸出端VZO的高電平H也使回差設(shè)置端(FK)電位躍升到(約23V＋)，還使電壓比較器B5輸出端(放電端DIS)輸出低電平L，可讓外電路電容放電。同時，電壓比較器B1輸出的低電位L，可直接由保顯復(fù)位端口BER驅(qū)動外圍發(fā)光二極管LED發(fā)光顯示故障。
2.2越底安控時基電路(666時基電路)基本功能的真值表
3用于溫度控制
3.1應(yīng)用666時基電路作為核心模塊(IC)設(shè)計的溫度控制電路原理圖
3.2溫度控制電路工作原理
在電路上電之初，電熱負(fù)載WR和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC都處在低溫時，由于熱敏電阻NTC阻值較大，使核心模塊(IC)的信號輸入端(VI)電位低于下限電位VL而高于底限Vd電位，即Vd<VI<VL，核心模塊(IC)的反相放電端DIS輸出高電平H，由電阻R9、R10推動三極管T2導(dǎo)通，同時，核心模塊(IC)的同相輸出端VZO輸出低電位L，可直接驅(qū)動小功率負(fù)載R7，VZO＝L，經(jīng)電阻R8拉動三極管T1導(dǎo)通，繼電器J線圈得電吸合，繼電器J的常開觸點給大功率電熱負(fù)載WR通電加熱升溫，升溫后，熱敏電阻NTC阻值變少，信號輸入端VI電位上升，當(dāng)VI>VL時，使核心模塊(IC)的輸出端VZO繼續(xù)維持在低電位L狀態(tài)，反相放電端DIS繼續(xù)保持高電平H，三極管T1、T2同時繼續(xù)導(dǎo)通，繼電器J繼續(xù)給電熱負(fù)載WR通電加熱升溫。當(dāng)溫度上升使信號輸入端VI電位高于上限VH電位時，即VI>VH，核心模塊(IC)的工作狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，其同相輸出端VZO輸出高電平H，反相放電端DIS輸出低電位L，使三極管T1、T2同時截止，繼電器J釋放(反向電勢由D消除)，關(guān)斷電熱負(fù)載WR的交流電源，停止加熱。
待電熱負(fù)載WR溫度略降低后，VI<VH，核心模塊(IC)繼續(xù)保持原有工作狀態(tài)，其同相輸出端VZO繼續(xù)維持高電平H狀態(tài)，反相放電端DIS繼續(xù)保持低電位L，電熱負(fù)載WR繼續(xù)停電降溫，熱敏電阻NTC阻值繼續(xù)增大，信號輸入端VI電位繼續(xù)下降，當(dāng)VI<VL時，核心模塊(IC)工作狀態(tài)被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，其同相輸出端VZO由高電平H狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為低電平L狀態(tài)，反相放電端DIS由低電位L狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為高電平H狀態(tài)，使三極管T1、T2同時導(dǎo)通，繼電器J吸合，電熱負(fù)載WR又通電加熱，進(jìn)入下一個工作循環(huán)，使加熱的溫度穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。核心模塊(IC)的這種主控循環(huán)工作的正常狀態(tài)，隨時受到其內(nèi)部底限比較器的監(jiān)控。當(dāng)信號輸入端VI電路發(fā)生故障(如熱敏電阻NTC斷線、或電阻R1短路)時，輸入電位VI極低，即VI<Vd，核心模塊(IC)內(nèi)部底限比較器B1輸出低電位L，直接由其保顯/復(fù)位端口BER驅(qū)動發(fā)光二極管LED發(fā)光顯示故障(電阻R6是限制發(fā)光電流的)ꎻ同時，核心模塊(IC)的同相輸出端VZO輸出高電平H，反相放電端DIS輸出低電位L，使三極管T1、T2同時截止，繼電器J釋放(反向電勢由D消除)，關(guān)斷電熱負(fù)載WR的交流電源，停止加熱，防止失控，保證安全。
由核心模塊(IC)的同相輸出端VZO和反相放電端DIS分別控制三極管T1、T2，再由兩只三極管串控繼電器J線圈，這種互補方式進(jìn)一步增強了電路系統(tǒng)的防失控能力?？勺冸娮鑂3，用于調(diào)節(jié)上限和下限電位及其回差，因而可以調(diào)節(jié)熱敏電阻NTC的控溫點的高低以及溫差的大小。電阻R2是用于微調(diào)熱敏電阻NTC的參數(shù)離散偏差。電阻R1與熱敏電阻NTC串聯(lián)配匹，用于設(shè)定電路控溫點的高低。電阻R5是正反饋電阻，在核心模塊(IC)的保顯復(fù)位端口BER輸出高電平時，可改善熱敏電阻NTC低溫高阻不良特性，在保顯復(fù)位端口BER輸出低電平L時，能消除核心模塊(IC)在保護(hù)動作時的臨界振蕩現(xiàn)象。當(dāng)核心模塊(IC)的反相放電端DIS處于高電平H狀態(tài)時，電阻R10對電容C1進(jìn)行充電ꎻ反相放電端DIS輸出低電位L時對電容C1直接放電，因而，電容C1可防止繼電器J吸合或釋放動作時的抖動現(xiàn)象。
4電路設(shè)計總結(jié)
根據(jù)上述設(shè)計的越底安控時基電路(或簡稱:666時基電路)的結(jié)構(gòu)、原理、功能及其在控溫電路中的應(yīng)用實例可知，越底安控時基電路(或簡稱:666時基電路)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強，用途廣泛，性能優(yōu)異，其具體技術(shù)優(yōu)勢在于:
(1)在完全兼容經(jīng)典式555時基電路所有功能之外，還擴(kuò)展了越底安控功能，使應(yīng)用電路具有防失控能力，在溫度、壓力、水位、定時及安全防護(hù)等安全控制領(lǐng)域中，具有重要的實用價值和社會效益。而555電路完全沒有故障保護(hù)控制功能，因而存在失控的缺陷。
(2)由于上限設(shè)置端(VH)和下限設(shè)置端(VL)都對外開放，因此，即可作為信號輸入端口，又可從外部靈活設(shè)置或改變其內(nèi)部固定的上下限電位和回差，方便應(yīng)用設(shè)計，更加擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。而555電路的下限內(nèi)置固定，不便外調(diào)，不利于調(diào)節(jié)回差，作控溫應(yīng)用時外電路復(fù)雜。
(3)只用1個端口(VI)輸入傳感信號，高低電位觸發(fā)都有效，因而，可靈活適應(yīng)不同特性的傳感器，并使所接傳感電路簡化，應(yīng)用簡便。而555時基電路設(shè)高、低電平輸入2個端口就不方便。
(4)提高了電路復(fù)位性能，復(fù)位端口(BER)在輸入電位小于13V＋就可使電路復(fù)位，與數(shù)字電路對接方便，還兼有故障保護(hù)顯示功能。而555電路的復(fù)位電平在0.4V~1.0V之間，離散性大，與數(shù)字電路的低電平L電位相近，區(qū)別不大，不利于對接ꎻ又不能與輸入電位作比較ꎻ更無保護(hù)顯示功能，因而作用不大。
(5)由于電路輸出級采用互補式施密特觸發(fā)器，不用輸入脈沖觸發(fā)，而是用輸入電位觸發(fā)，因而抗脈沖干擾能力更強。而555電路是采用脈沖觸發(fā)的R－S觸發(fā)器，抗干擾能力不強。
(6)可使應(yīng)用設(shè)計成本低，性價比高。可見，越底安控時基電路(或簡稱:666時基電路)不僅彌補了555時基電路的缺陷、保留了555時基電路的優(yōu)點，而且擴(kuò)展了功能，增加了用途，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了性能，超越了555時基電路，是555時基電路的升級換代產(chǎn)品，通用性更強的越底安控時基電路(或簡稱:666時基電路)替代經(jīng)典式555時基電路是技術(shù)向高標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的必然趨勢。
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作者：劉圣平；鄒陽；鄧紹金 單位：長江大學(xué)電子信息學(xué)院