praktyczny_kurs_elektroniki_cz19.pdf

Na warsztacie

PRAKTYCZNY

KURS

ELEKTRONIKI

cz. 19

Oto dziewiętnasta część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w MT 2/2013 i bę-

dziemy kontynuować w kolejnych wydaniach. Zainteresowanie kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydowaliśmy się

umożliwić Czytelnikom dołączenie do niego w dowolnym momencie. Wszystkie poprzednie części są dla wszystkich

dostępne w formacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Można z nich korzystać w komputerze lub sobie je wydrukować.

Można też kupić wszystkie archiwalne numery MT na www.ulubionykiosk.pl. Publikacja każdej kolejnej części jest

zawsze poprzedzona jedną stroną wstępnych informacji (jest to właśnie ta strona), żeby nowi Czytelnicy mogli zapo-

znać się z zasadami KURSU i dołączyć do kursantów. ZAPRASZAMY!

Jeśli nie masz bladego pojęcia o elektronice, ale chętnie

byś poznał jej podstawy, to nadarza Ci się niepowtarzalna

okazja. We współpracy z bratnią redakcją miesięcznika

„Elektronika dla Wszystkich” publikujemy w „Młodym

Techniku” cykl fascynujących lekcji dla zupełnie początku-

jących. Jest to Praktyczny Kurs Elektroniki (PKE) z akcen-

tem na Praktyczny , gdyż każda lekcja składa się z projektu

i wykładu z ćwiczeniami , przy czym projekt to konkretny

układ elektroniczny samodzielnie montowany i urucha-

miany przez „kursanta”. Pewnie myślisz sobie – pięknie,

ale jak ja mam montować układy, nie mając lutownicy

ani żadnych części elektronicznych. Otóż jest rozwiązanie!

Lutownicy nie będziesz w ogóle używać, gdyż wszystkie

układy będą montowane na płytce stykowej , do której

wkłada się „nóżki” elementów na wcisk.

I rzecz najważniejsza! Wydawnictwo AVT przy-

gotowało zestaw EdW09 , zawierający płytkę stykową

i wszystkie elementy, jakie będą potrzebne do wykonania

kilkunastu projektów zaplanowanych w PKE. Zestaw

EdW09 można kupić w sklepie internetowym

www.sklep.avt.pl lub w sklepie irmowym AVT

(Warszawa, ul. Leszczynowa 11) – cena brutto 47 zł.

Ale Ty nie musisz kupować! Dostaniesz ten zestaw

za darmo , jeśli jesteś prenumeratorem MT lub wykupisz

wkrótce prenumeratę. Wystarczy wysłać na adres:

prenumerata@avt.pl dwa zdania:

„Jestem prenumeratorem MT i zamawiam bezpłatny

zestaw EdW09. Mój numer prenumeraty: ......................”

Jeśli otrzymamy to zamówienie przed 28 sierpnia

2014 r., to zestaw EdW09 wyślemy Ci w połowie wrześ-

nia 2014 r., wraz z październikowym numerem MT.

Uwaga uczniowie!

Szkoły prenumerujące MT otrzymują Pakiety Szkolne

PS EdW09 , zawierające po 10 zestawów EdW09 (każdy

z nich zawiera komplet elementów z płytką stykową),

skalkulowane na zasadach non proit w promocyjnej

cenie 280 zł brutto za jeden pakiet PS EdW09 (tj. z ra-

batem 40% – 28 zł brutto za pojedynczy zestaw EdW09,

którego cena handlowa wynosi 47 zł). Upewnij się, czy

Twoja szkoła prenumeruje MT (niemal wszystkie szkoły

ponadpodstawowe i wiele podstawowych otrzymują

MT w prenumeracie sponsorowanej przez Ministerstwo

Nauki i Szkolnictwa Wyższego) i przekaż nauczycielom

informację o Praktycznym Kursie Elektroniki z promo-

cyjnymi dostawami Pakietów Szkolnych PS EdW09

do ćwiczeń praktycznych.

Zestaw EdW09 zawiera następujące

elementy (specyikacja rodzajowa):

Diody prostownicze

4 szt.

2. Układyscalone

4szt.

3. Tranzystory

8szt.

Fotorezystor

1 szt.

5. Przekaźnik

1szt.

6. Kondensatory

22szt.

Mikrofon

1 szt.

8. DiodyLED

11szt.

Przewód

1 m

10. Mikroswitch

2 szt.

11.Piezoz generatorem

1szt.

12. Rezystory

64 szt.

13.Srebrzanka

1odcinek

14.Zatrzaskdo baterii9V

1szt.

15.Płytkastykowaprototypowa

840pólstykowych

1szt.

CenazestawuEdW09– 47złbrutto

(www.sklep.avt.pl)

Uwaga Szkoły

Tylkodlaszkółprenumerujących

„MłodegoTechnika”

przygotowanoPakiety Szkolne

zawierające

10zestawówEdW09

(PS EdW09)w promocyjnej

cenie280złbrutto,

tj.z rabatem40%.

Autorem Praktycznego Kursu Elektroniki jest Piotr

Górecki , redaktor naczelny kultowego w świecie

hobbystów – elektroników miesięcznika „Elektronika

dla Wszystkich”, autor legendarnych cykli artykułów

i książek uczących elektroniki od podstaw.

m . technik - www.mt.com.pl

PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI

Projekt19

Inteligentna bariera świetlna

Działanie bariery świetlnej polega na tym, że jej przecięcie, czyli zasłonięcie odbiornika, wy-

wołuje alarm. W najprostszym przypadku bariera mogłaby składać się z żarówki, fotorezystora

i jednego tranzystora według rysunku A , ale jej przydatność byłaby wątpliwa, ponieważ reagowa-

łaby na wszelkie oświetlenie tła.

W naszej inteligentnej barierze, pokazanej na fotografii tytułowej,

mamy nadajnik krótkich impulsów świetlnych oraz odbiornik, który

reaguje tylko na takie krótkie impulsy świetlne, a zmiany oświetlenia

tła mają niewielki wpływ na działanie układu. Wzmocnione impulsy

świetlne są przetwarzane. Biała dioda LED jest kontrolką, potwierdza-

jącą prawidłową pracę odbiornika. Układ reaguje, gdy odbiornik nie

odbierze kilku impulsów. Dodatkowe obwody zwiększają odporność

na „oszukiwanie”. Jeżeli układ stwierdzi, że częstotliwość impulsów

jest albo za mała, albo za duża, wtedy też włącza się alarm.

Schemat inteligentnej bariery świetlnej pokazany jest na rysunku B .

Zwróć uwagę, że nóżka 14, czyli plus zasilania kostki U2 4093, jest

dołączona do głównego obwodu zasilania, natomiast nóżka 14 kostki

+U ZAS

żaró-

wka

piezo

z gen.

npn

foto-

rezystor

R5 1k

główny obwód zasilania 9-12V

2,2M

C11

1000 µ F

C10

100nF

R10

biała R12

10k

odbiornik

LED2

LED1

10nF

detektor

R7 220k

100n

R11

10M

R15

2,2k

LED3

47 Ω

1 µ F

10nF

10k

2,2k

U2 = CMOS4093

układy

logiki i sterowania

D5 (BC558)

B E

zredukowane napięcie zasilania

1000 µ F

47k

generator

krótkich impulsów

R13

1 0 k

R14

10M

C12

100 µ F

R16

4,7k

100nF

C2 10n

1 µ F

100k

D1...D4 = 1N4148

T1, T2, T3 = BC548B

U1 = CMOS40106

Na warsztacie

U1 40106 dołączona jest do obwodu zredukowanego obwodu zasilania, za rezystorem ograniczają-

cym R5. Ponieważ w zestawie EdW09 mamy tylko cztery diody, w roli D5 pracuje złącze kolektor-

-baza tranzystora (w moim modelu jest to BC558, gdzie baza i emiter są zwarte).

Gdy zbudujesz model podobny do tego z fotografii tytułowej, wygnij wyprowadzenia niebieskiej

LED1 i fotorezystora FR, żeby były naprzeciw siebie. Jednoczesne migotanie niebieskiej LED1

i białej LED2 wskazuje, że odbiornik pracuje prawidłowo. Brzęczyk Y1 powinien milczeć, a czer-

wona dioda LED3 być wygaszona.

Gdy przerwiesz barierę (zasłonisz fotorezystor), zaświeci się LED3 i odezwie brzęczyk Y1. Dzięki

elementom D5, C12 dźwięk brzęczyka jest przedłużony.

Zwróć uwagę, na jak długo trzeba przerwać barierę, żeby alarm zadziałał – ten czas wyznaczony

jest przez elementy C7 i R11. Możesz trochę skrócić ten czas, zmniejszając R11 do 4,7 MΩ, ale dal-

sze zmniejszanie uniemożliwi pracę. Możesz też wydłużyć ten czas, dołączając równolegle do C7

jeden lub dwa kondensatory 100 nF.

Układ reaguje tylko na impulsy z pewnego zakresu częstotliwości. Przekonaj się, że zwiększe-

nie częstotliwości pracy wywoła alarm – w tym celu zmniejsz wartość rezystora R2 ze 100 kΩ

do 10 kΩ. Częstotliwość zwiększy się ok. 10-krotnie, co pokażą diody LED1 i LED2. Odezwie się

też brzęczyk alarmowy Y1.

Podobnie będzie, gdy zmniejszysz częstotliwość, stosując R2 = 1 MΩ. Wtedy oprócz dźwięku

brzęczyka, zaświeci się czerwona lampka LED3.

Pracę mojego modelu możesz zobaczyć na filmie, dostępnym w Elportalu ( www.elportal.pl/pke ).

Bariera w moim modelu, zmontowana na płytce stykowej, ma tylko kilka centymetrów długości.

Jednak z uwagi na impulsowe sterowanie niebieskiej diody LED1 znacznym prądem, odległość

LED1 – fotorezystor może wynosić ponad 10 cm. Jest to dobry wynik, biorąc pod uwagę średni

prąd diody LED1 poniżej 1 mA. W praktycznych barierach świetlnych stosuje się podobnie pracu-

jące, nawet z prądem ponad 1 A w impulsie, diody podczerwone (IRED) o wąskim kącie świecenia

lub z soczewkami oraz czułe fotoelementy odbiorcze, a uzyskiwany zasięg wynosi nawet ponad

100 metrów.

Opis układu dla „zaawansowanych”

Klasyczny dwubramkowy generator (U1A, U1B) wytwarza przebieg prostokątny o okresie około

280 ms (0,28 s), czyli o częstotliwości około 3,5 Hz. Obwód różniczkujący C2 R3 powoduje, że im-

pulsy sterujące niebieską diodą LED są bardzo wąskie – trwają tylko około 600 mikrosekund, czyli

0,6 ms. Mała wartość rezystora R4 (47 Ω) powoduje, że prąd diody jest dość duży i sięga 50 mA,

ale dzięki znikomemu wypełnieniu impulsów, całkowity pobór prądu nadajnika jest zaskakująco

mały, około 0,4 mA.

Impulsy są odbierane przez fotorezystor FR. Tranzystor T1 jest wtórnikiem. Na jego emiterze,

w punkcie C, występują odebrane impulsy świetlne. Natomiast tranzystor T2 jest źródłem prą-

dowym, współpracującym z fotorezystorem. Występuje tu silne ujemne sprzężenie zwrotne, ale

wskutek obecności obwodu R7 C4 tylko dla sygnałów stałych i wolnozmiennych – dlatego dla ta-

kich sygnałów czułość jest bardzo mała. Natomiast dla szybkich przebiegów impulsowych czułość

jest dużo większa. Dodatnie impulsy z punktu C, o czasie trwania około 0,6 ms, są podawane przez

obwód różniczkujący C5 R9 na bazę tranzystora T3 i na jego kolektorze otrzymujemy impulsy

ujemne. Dodanie kondensatora „pamiętającego” C6 powoduje, że impulsy są wydłużane i ich czas

trwania jest wyznaczony przez R10 C6. W punkcie D uzyskujemy dodatnie impulsy o czasie trwa-

nia prawie 10 ms (i okresie powtarzania około 280 ms). Na rysunku C pokazane są zrzuty z ekranu

oscyloskopu przebiegów z punktów A...D (zwróć uwagę na różną skalę czasu).

Dodatnie impulsy z punktu D przez diody D2, D3 ładują kondensatory C7 i C8, oba o pojemności

100 nF. Ładowanie trwa niecałe 10 ms, a rozładowanie około 280 ms. Ponieważ kondensator C7

m . technik - www.mt.com.pl

PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI

rozładowuje się przez dużą rezystancję R11 (10 MΩ), napięcie

na nim spadnie niewiele. Podczas normalnej pracy bariery,

napięcie na C1 jest na tyle wysokie, że bramki U2B i U2C

traktują je cały czas jako stan logiczny wysoki. Dioda LED3 jest

wygaszona. Gdy bariera na chwilę zostanie przerwana i „zgubi”

jeden impuls, napięcie na C1 spadnie, ale bramki U2B, U2C

nie zmienią stanu. Jeżeli jednak zabraknie kilku impulsów,

wtedy napięcie na C7 spadnie znacznie, bramki zmienią stan.

Zaświeci się czerwona dioda LED3 i odezwie brzęczyk Y.

Dioda LED3 zaświeca się przy braku impulsów oraz gdy ich

częstotliwość jest za mała. Natomiast bramka U2A pracuje w obwodzie detektora o zbyt dużej czę-

stotliwości impulsów (gdyby ktoś chciał „oszukać” barierę impulsami o zbyt dużej częstotliwości).

Podczas normalnej pracy bariery każdy odebrany impuls powoduje naładowanie kondensatora

C8, ale z uwagi na wartość współpracującego rezystora R13 (1 MΩ) napięcie na C8 zmniejszy się

do poziomu logicznego niskiego. Dlatego po każdym odebranym impulsie, w punkcie E pojawia się

stan niski, ale tylko na około 100 ms, co wyznacza stała czasowa R13 C8 (1 MΩ*100 nF=100 ms).

Potem, przez około 180 ms w punkcie E panuje stan wysoki i kondensator C9 ładuje się przez

diodę D4. Ilustruje to rysunek D . A więc C9 rozładowuje się pomału przez R14 przez czas

około 100 ms (wyznaczony przez R13 C8). Podczas normalnej pracy, gdy impulsy pojawiają się

co 280 ms, czyli z częstotliwością ok. 3,5 Hz, na C9 panuje stan wysoki, a na wyjściu bramki U2B

utrzymuje się stan niski i brzęczyk nie działa.

Gdyby jednak częstotliwość odbieranych impulsów była zbyt duża, większa niż 10 Hz, czyli ich

czas powtarzania krótszy niż 100 ms, to napięcie na C8 nie zdąży opaść do poziomu logicznego

niskiego. Na wyjściu bramki U2A cały czas będzie panował stan niski, nie będzie ładowany C9,

co zostanie potraktowane jako stan niski i na wyjściu bramki U2B wystąpi stan wysoki. Odezwie

się brzęczyk.

Dźwięk brzęczyka zawsze oznacza alarm. Gdy jednocześnie świeci LED3, to nastąpiła przerwa

w odbiorze impulsów lub ich częstotliwość jest za mała. Gdy pracuje brzęczyk Y1, a dioda LED nie

świeci, częstotliwość impulsów jest za duża.

Poznajemy elementy i układy elektroniczne

W poprzednim wykładzie nauczyliśmy się budować generatory

przebiegu prostokątnego o różnym współczynniku wypełnienia

impulsów. W wykładzie 19 poznamy obwody skracające i wydłu-

żające impulsy. Ale najpierw musimy dobrze zbadać pewne bardzo

ważne zagadnienia.

W poprzednim wykładzie poznaliśmy tak zwany generator

dwubramkowy według rysunku 1a . Wiadomo, że z dwóch stron

inwertera U1B zawsze występują przeciwne stany logiczne. Przez

to kondensator C1 jest na przemian ładowany przez rezystor R1

w jednym kierunku, rozładowywany, ładowany w przeciwnym

kierunku, rozładowywany, i tak dalej. Dlatego musi to być kon-

densator niebiegunowy, w praktyce stały, foliowy, a nie zwykły

pojedynczy „elektrolit”. Jeżeli

chcielibyśmy wykorzystać

„elektrolity”, musielibyśmy

połączyć dwa jednakowe sze-

regowo przeciwsobnie według

rysunku 1b , ale wtedy oczywi-

ście stabilność częstotliwości

będzie słaba.

Przekonajmy się teraz,

że przetwornice pojemnoś-

ciowe można w bardzo prosty

sposób zrealizować za pomocą

układów cyfrowych. Ja wyko-

rzystałem generator dwubram-

kowy do realizacji prostego

potrajacza napięcia według

U1A

U1B

U1A

U1B

R2 R1

C1A=C1B

100 µ F

10 µ F

U1B

I L

U1A

U1F

U1C

VDD

1 3

1000 µ F

R L

U1E

22k

100k

VSS

D 3

C1 100nF

U1D

100 µ F

10 µ F

D1-D4 = 1N4148

Na warsztacie

rysunku 2 i fotografii 3 , by przy okazji omówić bardzo ważne

zagadnienie, dotyczące wszystkich układów cyfrowych

CMOS. Zasadę działania przetwornicy znasz z wykładu 6.

Dołączając naładowany kondensator do wyjścia generatora,

możemy go „wypchnąć” poza napięcie zasilania. Nasz potra-

jacz wykorzystuje cykliczne ładowanie i rozładowywanie kon-

densatorów C2, C3. Przykładowo, gdy w punkcie E występuje

stan niski (masa), wtedy kondensator C2 jest ładowany. Prąd

płynie od dodatniej szyny zasilania (V DD ) przez diodę D2, C2

i wyjścia bramek do masy (V SS ). Gdy potem w punkcie E poja-

wi się stan wysoki (plus zasilania), naładowany kondensator

C2 zostanie „podrzucony do góry” i przez diodę D1 podładu-

U1A

U1F

U1A

U1F

U1A

U1F

V DD

1 3

2,2k

R1 2,2k

22k

10k

C1A C1B

LED1

LED2

LED1

2 x 100 µ F

je C4. W punkcie H otrzymamy napięcie wyższe od potencjału dodatniej szyny zasilania o wartość

napięcia baterii (minus spadki napięć na diodach D1, D2 i na rezystancji wyjściowej bramek).

Analogicznie w punkcie J otrzymamy napięcie ujemne względem masy. W moim modelu zasila-

nym napięciem 9,3 V napięcie na obciążeniu R L = 22 kΩ wynosiło 24,0 V, czyli prąd I L wynosił

około 1,1 mA. Bez obciążenia R L napięcie między punktami H, J wynosiło 25,9 V. Nie jest to nic

nowego – przetwornice pojemnościowe realizowaliśmy już w wykładzie 6 (rysunki 2...4), a teraz

możemy realizować je dużo prościej. Dla nas ważniejsza jest teraz inna kwestia:

Czy w układzie generatora dwubramkowego kondensator C1 nie jest „wyrzucany” poza napięcia

zasilania?

Otóż jak najbardziej jest! Możesz się także o tym przekonać bez oscyloskopu. Zbuduj lub

zmodyfikuj generator według rysunku 4a . Obwody powielaczy możesz zdemontować, a inwertery

U1B, U1C, U1D, U1E pozostaw bez zmian. Zwiększamy pojemność C1, stosując dwa „elektrolity”

100 MF, zmniejszamy R1 do 22 kΩ. Rysunek 5a pokazuje przebiegi w punktach C (przebieg niebie-

ski), D (przebieg czerwony) przy zasilaniu napięciem 7,0 V. By prądy pracy były większe, zmniej-

szamy jeszcze wartość R1 do 2,2 kΩ. Przebiegi w punktach C, D przy zasilaniu napięciem 8,0 V

pokazane są na rysunku 5b . Zakrzywienie „grzbietów” przebiegu prostokątnego wynika z prze-

pływu znacznego prądu ładowania i rozładowania pojemności C1 – na wewnętrznej rezystancji

wyjścia bramki U1F występuje spadek napięcia. Przy okazji widzisz, że zmniejszanie rezystancji

R1 nie jest korzystne – nie tylko zwiększa pobór prądu, ale też deformuje przebieg prostokątny.

Nadmierne zmniejszenie R1 uniemożliwiłoby prawidłową pracę generatora.

A teraz kwestia jeszcze ważniejsza: gdy do punktu D dołączysz „wstecznie” dwie czerwone dio-

dy LED1, LED2 według rysunku 4b , będą one na przemian błyskać, a przebiegi w punktach C, D

będą wyglądać jak na rysunku 5c . To akurat wcale nie dziwi – potwierdza tylko, że kondensator C1

jest „wyrzucany” poza napięcie zasilania, jak to było w przetwornicy. Dodatkowe zdeformowanie

przebiegów wynika z przepływu prądu przez diody LED. Ale gdy R2 zastąpimy zworą (R2 = 0),

wtedy czerwone diody LED zgasną, a przebiegi w punktach C oraz B, D będą wyglądać jak na ry-

sunku 5d – są jeszcze bardziej zdeformowane, co wskazuje na przepływ jeszcze większych prądów.

Dlaczego zwarcie R2 powoduje gaśnięcie diod LED? Gdzie płyną prądy? Przecież mówiliśmy,

że wejścia układów CMOS nie pobierają prądu i że występuje tam tylko niewielka pojemność

5...10 pF?

To ważna sprawa. Aby ją zbadać, zamiast rezystora R2 włącz przeciwsobnie równolegle dwie

czerwone diody LED według rysunku 4c . Czerwone diody będą na przemian błyskać, co dowodzi,

że w obwodzie wejściowym bramki U1A płynie znaczący prąd. I nie jest to prąd ładowania i rozła-

dowania znikomej pojemności wejściowej 5...10 pF.

Przyczyną tak dziwnego zachowania wejścia bramki CMOS są niezaznaczane na schematach

obwody ochronne wejść. Otóż tranzystory wejściowe MOSFET są bardzo delikatne, a ich obwody

m . technik - www.mt.com.pl

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: