praktyczny_kurs_elektroniki_cz20.pdf

(7830 KB) Pobierz

Na warsztacie

PRAKTYCZNY

KURS

cz. 20

ELEKTRONIKI

Oto dwudziesta część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w MT 2/2013 i będzie-

my 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 firmowym 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 września

2014 r., to zestaw

EdW09

wyślemy Ci w połowie paź-

dziernika 2014 r., wraz z listopadowym numerem MT.

Poziom tekstu: średnio trudny

SZKOŁA

Zestaw EdW09 zawiera następujące

elementy (specyfikacja rodzajowa):

1. Diody prostownicze

4 szt.

2. Układy scalone

4 szt.

3. Tranzystory

8 szt.

4. Fotorezystor

1 szt.

5. Przekaźnik

1 szt.

6. Kondensatory

22 szt.

7. Mikrofon

1 szt.

8. Diody LED

11 szt.

9. Przewód

10. Mikroswitch

2 szt.

11. Piezo z generatorem

1 szt.

12. Rezystory

64 szt.

13. Srebrzanka

1 odcinek

14. Zatrzask do baterii 9V

1 szt.

15. Płytka stykowa prototypowa

840 pól stykowych

1 szt.

Cena zestawu EdW09 – 47 zł brutto

(www.sklep.avt.pl)

Uwaga Szkoły

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 profit 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.

Tylko dla szkół prenumerujących

„Młodego Technika”

przygotowano Pakiety

Szkolne

zawierające

10 zestawów EdW09

(PS

EdW09) w promocyjnej

cenie 280 zł brutto,

tj. z rabatem 40%.

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

Projekt 20

Cyfrowy dręczyciel,

suchomonitor i akumonitor

Fotografia tytułowa

pokazu-

je dwa modele, a trzeci za-

mieszczony jest na

fotogra-

fii A.

Dwa ostatnie działają

na podobnej zasadzie: zawie-

rają ultraoszczędny genera-

tor pracujący z bardzo małą

częstotliwością. Co pewien

czas generator na chwilę „bu-

dzi do życia” pozostałą część

układu, która szybko wykonu-

je swoje zadania, a następnie

układ znów wraca do stanu

uśpienia. Dzięki takiej prze-

rywanej pracy średni pobór

prądu jest znikomy i baterie

wystarczą na bardzo długo.

Układy te mają podobne sche-

maty, pokazane na

rysunkach B, C, D.

Na rysunku C

ten ultraoszczędny generator wyróżniony jest kolorową

podkładką.

Cyfrowy dręczyciel

to wersja

Nocnego dręczyciela

z wykładu 4. Aby zrobić komuś dowcip, należy podrzu-

cić urządzonko do jego sypialni w miejsce niewidoczne

i trudno dostępne, na przykład na szafę (regał). Układ

rozpoczyna działanie, gdy ofiara dowcipu zgasi światło.

Wtedy co kilkadziesiąt sekund wytwarza krótki, niezbyt

głośny, ale irytujący pisk. Gdy zaniepokojona tym ofiara

zaświeci światło, żeby poszukać dokuczliwego „owa-

da”, fotorezystor wyłączy dźwięk. Układ będzie milczał

do czasu, gdy nieszczęśnik znów zgasi światło...

UWAGA! Na takie żarty można sobie pozwolić wy-

łącznie względem zaprzyjaźnionych osób, mających

duże poczucie humoru.

U1D

U1C

20M

piezo

z gen.

U1A

100nF

47k

2,2M

U1B

220k

10µF

100nF

Na warsztacie

SZKOŁA

U1E

1000µ

U1D

220k

R1 10M

U1F

BC558

R8 100k

piezo

z gen.

R10

* 1k

10n

10M

10µF

U2C

U1A

47k

U2D

U2=4093

100µF

U2B

1µF

U1B

U1C

ultraoszczędny generator

Poziom tekstu: średnio trudny

470k

czujnik

wilgoci

U2A

100nF

4,7M

W przeciwnym wypadku układ może zostać zniszczony,

a autor dowcipu naraża się na poważną awanturę, a być może

stanie się nawet ofiarą rękoczynów.

Drugi układ,

suchomonitor,

co jakieś trzy godziny spraw-

dza, czy między elektrodami jest sucho, czy wilgotno – gdy

stwierdzi nieprawidłowy stan, włączy brzęczyk ostrzegaw-

czy. W wersji podstawowej może służyć jako monitor suchego

kwiatka – elektrody A, B w postaci metalowych drutów należy

wbić w ziemię w doniczce. Gdy ziemia wyschnie, co trzy go-

dziny brzęczyk odezwie się na około jedną sekundę, przypomi-

nając o podlaniu.

Akumonitor

to monitor akumulatora 12 V, który podobnie

okresowo sprawdza napięcie na nieużywanym akumulatorze. Gdy

napięcie zanadto się obniży – włącza alarm dźwiękowy, by nie do-

puścić do całkowitego rozładowania i uszkodzenia akumulatora.

220k

100k

BC558

dioda

Zenera

100k

R11

4,7k

U2D

BC548

U2A

R12

10k

R13

10k

Opis układu dla „zaawansowanych”

W układzie

cyfrowego dręczyciela

z rysunku

bramka U1A to generator taktujący. Odstęp pomiędzy kolej-

nymi sygnałami można zmieniać za pomocą R1 (1 MΩ...10 MΩ). Stała czasowa R2C2 wyznacza czas trwania

sygnału, a R2 może mieć wartość 100 kΩ...470 kΩ. Rezystancja R3 wyznacza poziom oświetlenia, przy którym

sygnał zostanie wyłączony. Czym większa wartość R3, tym w większym mroku sygnał zostanie włączony. Rezy-

stor R4 ogranicza głośność brzęczyka Y1. Sygnały nie powinny być ani za długie, ani za głośne, żeby nie można

było zlokalizować urządzenia w ciemności.

W układzie

suchomonitora,

czyli w monitorze suchego kwiatka z rysunku

mamy energooszczędny ge-

nerator taktujący U1F o okresie około 10000 sekund, czyli prawie 3 godziny (1000

mF*10

MΩ) oraz układ

różniczkujący R2C2. Nóżka 7 kostki U1 nie jest dołączona do masy, tylko do punktu połączenia R3, C3, R2.

Dzięki rezystorowi R3 średni pobór prądu w stanie czuwania wynosi tylko około 15 mikroamperów, więc 9-wol-

towa bateria alkaliczna wystarczyłaby na ponad 3 lata pracy takiego monitora. W punkcie A występują ujemne

impulsy o czasie trwania około 0,1 ms, powtarzane co mniej więcej 3 godziny. Taki ujemny impuls otwiera

tranzystor T1 i umożliwia pracę czujnika wilgoci (W1, R5) i czujnika światła (FR, R6). Czujnik W1 to dwie

elektrody (igły) wbite w ziemię doniczki. Gdy ziemia wyschnie, rezystancja między elektrodami wzrośnie. R5

trzeba dobrać według potrzeb.

Gdy ziemia w doniczce jest sucha i gdy jest jasno, na obu wejściach bramki U2A pojawi się stan wysoki.

Stan wysoki pojawia się też w punkcie C i D, co uruchomi generator U2C i brzęczyk Y1. Stan niski w punkcie

D gwarantuje przewodzenie T1 przez czas wyznaczony przez R7C4, czyli dłużej niż impuls w punkcie A. Fo-

torezystor FR wyłącza sygnalizator w nocy, gdy domownicy śpią. Rezystor R6 powinien mieć dobraną na tyle

niedużą wartość, żeby nie budził domowników nad ranem, tylko dopiero po odsłonięciu zasłon w pokoju.

Podczas budowy i testów warto wstępnie zastosować C1 = 100 nF co ułatwi korektę podanych na schema-

cie wartości R5 i R6 (nie należy włączać T1 na stałe, bo uniemożliwi to pracę obwodu z R7C4).

Uwaga! Aby uzyskać dużą stałą czasową, w tym i następnym układzie kondensator elektrolityczny C1

o pojemności 1000

współpracuje z rezystorem R1 = 10 MΩ. Aby zmniejszyć prąd upływu tego dużego

kondensatora elektrolitycznego i umożliwić tym pracę generatora, przed uruchomieniem układu należy C1

dołączyć na kilka godzin do napięcia 7...12 V.

m.technik

- www.mt.com.pl

PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI

Akumonitor

przeznaczony do kwasowych (także żelowych) akumulatorów 12 V działa bardzo podobnie.

Zmieniony jest tylko obwód czujników w kolektorze tranzystora T1, współpracujący z bramką U2A według

rysunku D.

Obwód z tranzystorem T2 i trzecim tranzystorem BC558 pracującym w funkcji diody Zenera spraw-

dza, czy napięcie akumulatora zanadto nie spadło. W moim modelu z R11 = 4,7 kΩ próg zadziałania wyniósł

10,9 V. W praktyce należy zastosować prawdziwą diodę Zenera (5,1 V...7,5 V) i tak dobrać wartość R11, żeby

próg zadziałania sygnalizatora nie był niższy niż 10,8 V, lepiej 11...11,5 V. Na czas testów warto zastosować C1

= 100 nF

W wykładzie 20 zajmiemy się głównie poborem prądu. Niedoświadczeni hobbyści cieszą się podręcznikową

informacją, że układy CMOS nie pobierają prądu. Przekonamy się, iż w rzeczywistości aż tak dobrze nie jest.

Pobór prądu wynika z kilku zjawisk, które powinieneś dobrze zrozumieć.

W tym celu na początek zbuduj układ z „pomiarową diodą LED” w ukła-

µA

dzie z rysunku 1. Mikroamperomierz (multimetr) nie jest niezbędny. Napię-

cie zasilania powinno być możliwie duże, co najmniej 9 V, lepiej 12...18 V.

LED1

Na bramce U1A zrealizowaliśmy generator.

Nie zapomnij o dołączeniu

wszystkich niewykorzystanych wejść albo do nóżki 14, albo 7 – nie mogą

one „wisieć w powietrzu”.

Niebieska dioda LED włączona w obwodzie zasi-

lania pokaże wizualnie, jaki jest pobór prądu. Dzięki włączonemu „od dołu”

rezystorowi R2 możemy też zmierzyć pobór prądu oscyloskopem. Przy po-

2,2k

danych wartościach elementów (R1 = 2,2 kΩ, C1 = 1000 mF stała czasowa

2,2 s) niebieska dioda LED powoli pulsuje – pobór prądu znacznie się zmienia.

1000µF

Dioda świeci dość jasno, co wskazuje, że pobór prądu jest znaczny.

Fotogra-

fia 2a

pokazuje mój model, gdzie przy R1 = 2,2 kΩ, C1 = 10 mF i zasilaniu

oscyloskopu

12 V multimetr pokazuje średni pobór prądu 1108 mA (1,108 mA). Pobór prądu

100Ω

można znacząco zmniejszyć, zwiększając rezystancję R1.

Fotografia 2b

pokazuje pobór prądu (228 mA) z elemen-

tami R1 = 20 MΩ, C1 = 1 nF

Rysunek 3,

zrzut z ekranu

oscyloskopu, pokazuje przebiegi napięcia w punkcie X

(kolor czerwony) oraz przebieg prądu (spadek napięcia

na rezystorze R2 = 100

Ω

– kolor niebieski) przy ta-

kich wartościach elementów. Jest oczywiste, że układ

pobiera prąd ze źródła zasilania podczas ładowania

kondensatora C1 przez rezystor R1, gdy w punkcie X

jest stan wysoki. Przy napięciu zasilania 9 V przez re-

zystor R1=2,2 kΩ może popłynąć maksymalnie 4,1 mA

(9 V/2,2 kΩ). Jednak przy R1=20 MΩ popłynie nie wię-

cej niż 0,45 mA (9 V/20 MΩ). A prąd według rysunku 3b

sięga w szczytach 400 mA! Dlaczego?

Zbadajmy układ według

rysunku 4.

Monitor w po-

staci LED2 pokaże stan wyjścia, nie zwiększając prądu

płynącego przez końcówkę 14. Znów wejścia wszyst-

kich niewykorzystanych inwerterów trzeba połączyć

albo do nóżki 14, albo do nóżki 7. Dwa przyciski i re-

zystory o dużej wartości pozwalają powoli ładować

i rozładowywać kondensator C1. Naciśnij i przytrzy-

maj S1 przez kilka sekund – rozładujesz kondensator

do zera. Obie diody zgasną. Następnie przyciśnij S2,

by naładować C1 przez R2:

po chwili niebieska dioda

LED1 płynnie się rozjaśni,

nagle zaświeci biała dioda

LED2, a potem LED1 płynnie

zgaśnie. Następnie naciśnij

na kilka sekund oba przyciski

– na kondensatorze ustali się

napięcie około połowy na-

pięcia zasilania i dioda LED1

będzie zapewne świecić. Na-

9...12V

Poznajemy elementy i układy elektroniczne

Na warsztacie

µA

ciskając krótko na przemian S1, S2, spróbuj uzyskać najjaśniejsze świecenie

LED1 (zamiast przycisków S1, S2 możesz też wykorzystać czujniki dotykowe

– rezystancję palca).

Fotografia 5

pokazuje, że mój egzemplarz kostki 40106

LED2

LED1

biała

w układzie z rysunku 4 pobierał około 750 mA prądu. Przy zabawie z krótkim

naciskaniem przycisków S1, S2 zauważysz, że zmiana stanu wyjścia powo-

10M

duje też mignięcie LED1, co wynika z faktu, że nasz inwerter z kostki 40106

ma na wejściu obwody zapewniające histerezę. Gdybyś zastosował „zwykłe”

U1A R3

inwertery z kostki 4069 lub „zwykłe bramki”, zmiany jasności diody LED1

47k

byłyby płynne, bez takiego mignięcia.

Przy okazji warto nadmienić, że kondensator C1, a nawet maleńka po-

10M

jemność wejściowa, jest elementem pamiętającym. Można usunąć konden-

S1 1µF

sator C1 i naciskając przyciski S1, S2, „zapamiętywać” na pojemności wej-

ściowej stan niski i wysoki (to zjawisko wykorzystuje się w tzw. pamięciach

nieulotnych EEPROM i FLASH, do czego wrócimy w wykładzie 24).

Mamy też odpowiedź na pytanie, dlaczego nie należy pozostawiać

wejść układów CMOS „wiszących w powietrzu”. Otóż może wystąpić

niekontrolowane ładowanie czy rozładowanie pojemności wejściowej

przez maleńkie prądy stałe, płynące albo przez niedoskonałe struktury

wewnętrzne, albo, co bardziej prawdopodobne, płynące na zewnątrz

układu przez zanieczyszczenia, wilgoć i kurz. Zmianę napięć mogą

też powodować przychodzące z zewnątrz zakłócenia zmienne. W każ-

dym razie niekontrolowane zmiany napięć wejściowych w najlepszym

przypadku zwiększą pobór prądu, a w najgorszym mogą spowodować

błędne działanie urządzenia.

Wszystkie niewykorzystane wejścia układów CMOS należy

podłączyć, najlepiej do którejś z szyn zasilania.

I oto naocznie przekonaliśmy się, że układy CMOS nawet w spo-

czynku pobierają prąd, gdy napięcie wejściowe nie jest „czystym” sta-

nem logicznym.

Aby wyjaśnić, dlaczego układ CMOS pobiera prąd, gdy napięcie

wejściowe ma wartość w pobliżu progu przełączania, musimy wrócić

do podstawowej „cegiełki” układów CMOS – komplementarnych tran-

zystorów MOSFET – rysunek 6.

W wykładzie 18 słusznie stwierdziliśmy, że gdy na wejściu A występuje „czysty” stan

VDD

ZAS

wysoki lub niski, wtedy jeden z tranzystorów jest otwarty, ale drugi jest całkowicie zatkany,

więc pobór prądu jest równy zeru. Inaczej jest, gdy na wejście A podamy napięcie około

PMOS

połowy napięcia zasilania – wtedy częściowo otwarte będą oba tranzystory i popłynie przez

nie prąd! Czerwone linie na rysunku 7 pokazują zależność tego prądu dla napięcia zasilania

10 V i 15 V.

Zapamiętaj, że układy

CMOS pobierają pewien (nieduży) prąd, gdy napięcia na wej-

NMOS

ściach nie są czystymi stanami logicznymi, tylko są zbliżone do połowy napięcia zasila-

nia.

Czym wyższe napięcie zasilania, tym większy jest ten prąd.

A teraz kolejny aspekt sprawy: w generato-

AMBIENT TEMPERATURE (T

) = +25

rach napięcia wejściowe zmieniają się w pobli-

SUPPLY VOLTAGE (VDD) = 15V

żu progów przełączania, więc pobór prądu nie

15.0

1.5

dziwi. Ale przecież w większości układów cy-

CURRENT

40106

VDD

frowych podczas pracy występują „czyste stany

PEAK

12.5

logiczne”, a mimo wszystko układy te pobierają

prąd.

10V

VIN

1.0

10.0

Wynika to z dwóch powiązanych ze sobą

powodów. Po pierwsze, prąd jest potrzebny

CURRENT

ALL

ID OTHER

7.5

PEAK

do przeładowania pojemności. Aby to zbadać,

INPUTS TO

do wyjścia Y generatora z rysunku 8 i fotogra-

VDD OR VSS

5.0

0.5

fii 9

dołączaj kondensator C2. Czym większa

pojemność C2 jest przeładowywana, tym jaś-

2.5

niej świeci niebieska dioda, czyli układ po-

biera więcej prądu. U mnie pobór prądu był

następujący:

2.5

5.0

7.5

10.0 12.5

15.0

INPUT VOLTAGE (VI) (V)

przy C2=0, I

= 0,25 mA

9...15V

stan wysoki

Poziom tekstu: średnio trudny

SZKOŁA

ZAS

zatk

prze

OUTPUT VOLTAGE (VO) (V)

m.technik

- www.mt.com.pl

DRAIN CURRENT (ID) (mA)

Plik z chomika:

stahurski

Inne pliki z tego folderu:

A1.pdf (892 KB)
praktyczny_kurs_elektroniki_cz10.pdf (7599 KB)
praktyczny_kurs_elektroniki_cz11.pdf (7219 KB)
praktyczny_kurs_elektroniki_cz12.pdf (10696 KB)
praktyczny_kurs_elektroniki_cz13.pdf (1768 KB)

praktyczny_kurs_elektroniki_cz20.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: