praktyczny_kurs_elektroniki_cz21.pdf

(3870 KB) Pobierz
Na warsztacie
PRAKTYCZNY
KURS
cz. 21
ELEKTRONIKI
Oto dwudziesta pierwsza część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w MT 2/2013
i będziemy kontynuować w kolejnych wydaniach. Zainteresowanie kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydowaliśmy
się umożliwić Czytelnikom dołączenie do niego w dowolnym momencie. Wszystkie poprzednie części są dla wszyst-
kich dostępne w formacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Można z nich korzystać w komputerze lub sobie je wy-
drukować. 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 zapoznać 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 października
2014 r., to zestaw
EdW09
wyślemy Ci w połowie listopa-
da 2014 r., wraz z grudniowym 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
1m
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.
92
m.technik
- www.mt.com.pl
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
Projekt 21
Centralka alarmowa
Prostą, ale w pełni użyteczną centralkę alarmową możesz zrealizować według
rysunku A i fotografii
tytułowej.
Uwaga!
Jak podane jest u góry schematu, diody D5, D6, D7 to złącza kolektor-baza tranzystorów PNP
typu BC558, o czym przypominają niebieskie literki C, B.
Centralki alarmowe standardowo zasilane są z akumulatora napięciem 12 V, które cały czas poda-
ne jest na punkty P, M. Użytkownik obsługuje centralkę za pomocą przełącznika S2,
dobrze ukrytego
wewnątrz chronionego pomieszczenia.
Gdy punkt S jest dołączony do plusa zasilania, centralka jest
wyłączona i nie pobiera prądu. Zwarcie punktu S do masy rozpoczyna pracę. Stan centralki sygnalizuje
trzykolorowa dioda LED.
Centralka ma dwie linie dozorowe L1 i L2. W liniach tych w stanie czuwania płynie niewielki prąd
(ok. 1,2 mA). Natychmiast wywoła alarm przerwanie linii L1, w której są szeregowo połączone np.
czujniki otwarcia okien, czujniki zbicia szyby, pasywne czujki podczerwieni (PIR) lub tzw. czujki dualne.
Włącza się wtedy przekaźnik uruchamiający syrenę i ewentualne zdalne powiadomienie.
Natomiast linia zwłoczna L2 chroni tylko drzwi wejściowe. Jej przerwanie włączy brzęczyk, ale
właściwy alarm wywoła dopiero po czasie opóźnienia (około 10 sekund). Po otwarciu drzwi właściciel
ZAS.
masa
V
DD
P
M
V
DD
D1 - D4 = 1N4148
T1 - T4 = BC548
T5, D5, D6, D7 = BC558
R18 4,7k
R19 4,7k
V
DD
V
DD
V
DD
+
R12 47k
A
12
V
DD
T3
10
U1E
11
+
D4
R10
1M
C7
10µF
+
5
6
U2B
4
R11 1M
C5 100k
F
LED
RGB
SPOCZYNEK
S2
S
M1
U1F
13
R13 10k
B
R20
100k
D1
C
C8
1µF
R7
100k
9
D2
C
C10
1000µF
T5
T4
R17 4,7k
R15 22k
U1D
8
G
R16
22Ω
STEROW.
U2D
11
R6 1k
R6
PRACA
masa
L1
R1
C1
U1A
470k 100n
1
R14
10k
3
R2 470k
C2
100n
13
12
2
D
2
L1
masa
M2
L2
1
2,2k
...
10k
3
U2A
B
E
Y1
+
D6
B
H
10
U2C
9
8
S1
C9
100n
4
U1B
C3
10µF
D5
C
D3
T1
R8 1M
+
V
DD
V
DD
L2
masa
B
D7
C
T2
R9 10k
REL
M3
R3
1M
C4
10n
R5 47k
R4
47k
5
C6
6
100µ
+
A
U1C
93
Na warsztacie
ma więc tyle czasu, by wyłączyć alarm wyłącznikiem S2 ukrytym
100k
w sobie wiadomym miejscu. Przypomina mu o tym dźwięk brzęczyka.
U1B
U2D
Linia zwłoczna L2 jest też zupełnie nieaktywna przez około 10 sekund
4
3
13
po włączeniu centralki przełącznikiem S1, co umożliwi właścicielowi
11
wyjście i zamknięcie drzwi. W tym czasie świeci zielona struktura
12
10n
diody LED, a gdy centralka czuwa, niebieska struktura sygnalizuje
to migotaniem.
Centralka ma dodatkowo układ pamięciowy, który zapamiętuje fakt wystąpienia alarmu i sygnalizuje
to świeceniem czerwonej struktury. Przycisk S1 służy do kasowania pamięci alarmu.
Alarm działa więc w powszechnie przyjęty sposób: nawet krótkie naruszenie głównej linii L1 powodu-
je wywołanie alarmu na czas około dwóch minut; na taki sam czas włączy alarm trwałe przerwanie linii
(by w razie jakiejś awarii alarm nie wył długo ku utrapieniu sąsiadów).
SZKOŁA
B
Poziom tekstu: średnio trudny
Opis układu dla „zaawansowanych”
Centralka ma być cały czas pod napięciem. Gdy punkt S jest dołączony do plusa zasilania
(SPOCZYNEK), wtedy wszystkie kondensatory elektrolityczne są naładowane, co zapewnia ich nieza-
wodną pracę. W punktach A, B napięcie jest równe zeru i obie linie L1, L2 są nieczynne. W punktach C,
D, E, F jest stan wysoki, a w punkcie G – niski.
Po zwarciu punktu S do masy (PRACA) od razu pojawia się napięcie zasilające w punkcie A i linia L1
jest gotowa do pracy i może natychmiast wywołać alarm.
Zaświeca się zielona kontrolka sterowana przez T3. Kondensator C7 zaczyna się pomału rozładowy-
wać przez R10, przez co stan wysoki w punkcie B pojawi się około 10 sekund po włączeniu alarmu.
Zgaśnie zielona lampka i zacznie pulsować kontrolka niebieska, sterowana przez generator U2B, sygnali-
zująca czuwanie centralki.
Nawet krótkie (ale powyżej 50 ms) przerwanie linii L1 spowoduje pojawienie się stanu niskiego
w punkcie C, a dzięki kondensatorowi C5 na chwilę także w punkcie F. Zmieni to stan przerzutnika RS
na bramkach U1D, U2C, który wraz z R8, C6 jest głównym układem czasowym alarmu – w punkcie G
pojawi się stan wysoki, co włączy przekaźnik REL. Włączy też strukturę tyrystorową T4, T5, zaświecając
trwale czerwoną kontrolkę pamięci alarmu (którą można zgasić, naciskając S1).
Kondensator C6 będzie się pomału rozładowywał przez R8, co po około 100 sekundach wyłączy alarm.
Natomiast przerwanie linii zwłocznej L2 wywoła stan niski w punkcie D, co przełączy przerzutnik
zbudowany z U2A, U2D. Odezwie się brzęczyk Y1 i w punkcie E pojawi się stan niski, przez co C3 za-
cznie się rozładowywać przez R3. Po około 10 sekundach przerzutnik powróci do stanu spoczynkowego,
czyli w punkcie E pojawi się znów stan wysoki. Dzięki obwodowi C4, R4 na chwilę otworzy to tranzystor
T1, który włączy układ czasowy alarmu (U1D, U2C).
W takiej konfiguracji trwałe przerwanie linii zwłocznej L2, chroniącej zazwyczaj tylko drzwi wejścio-
we, spowoduje pracę bramki U2A jako generatora i syrena alarmowa będzie włączona niemal bez prze-
rwy. Aby trwałe przerwanie linii L2, na przykład wskutek jakiejś awarii, spowodowało tylko jednokrotny
alarm, wystarczy pomiędzy bramki U1B, U2D włączyć obwód RC według
rysunku B.
Oczywiście można według potrzeb modyfikować czasy alarmu (R8, C6), czasu na wejście (R3,
C3) oraz czasu na wyjście (R10, C7), stosując kondensatory w zakresie 100 mF...1000 mF i rezystory
100 kΩ...1 MΩ.
Zachowanie mojego modelu z fotografii tytułowej pokazane jest na filmiku, dostępnym w Elportalu
pod adresem
www.elportal.pl/pke.
Poznajemy elementy i układy
elektroniczne
W tym wykładzie zajmiemy się bliżej prze-
rzutnikami. Już wcześniej, w wykładzie 3,
realizowaliśmy najprostsze dwustanowe
przerzutniki RS (reset/set – wyłącz/załącz).
Choć w podręcznikach działanie przerzut-
ników opisuje się w różny sposób, m.in. za
pomocą tabeli i grafów, my chcemy podejść
do zagadnienia jak najprościej i od strony
jak najbardziej praktycznej. Dlatego możemy
rozumieć, że wejścia takich przerzutników
RS mają stany spoczynkowe i stany ak-
tywne. Dla przerzutnika RS z bramek NOR
a)
reset
V
DD
V
DD
b)
NOR
Q
V
DD
V
DD
R
S
NAND
Q
set
S
Q
set
R
reset
Q
1
94
m.technik
- www.mt.com.pl
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
a)
R
b)
A
Q
S
c)
C
A
Q
D
d)
C
A
Q
S
C
A
Q
CL
CL
CL
S
B
Q
R
D
B
Q
D
B
Q
R
D
B
Q
2
z rysunku 1a stanem spoczynkowym wejść jest stan niski L, czyli zero logiczne (0). Stan wyjść możemy
zmieniać, podając na wejścia stan aktywny – w tym przypadku wysoki (H), czyli jedynkę logiczną. Dla
przerzutnika z bramek NAND z rysunku 1b stanem spoczynkowym wejść jest stan wysoki, a stan wyjść
możemy zmieniać, podając na wejścia stan niski.
Przerzutniki zwykle mają dwa wyjścia: proste
Q
i zanegowane (Q\).
Takie przerzutniki RS nazywamy
asynchronicznymi,
ponieważ stan ich wyjść może zmienić się w do-
wolnej chwili, tuż po pojawieniu się stanu aktywnego na wejściach. W praktyce okazało się, że jeszcze
bardziej pożyteczne są tzw.
przerzutniki synchroniczne,
w których stany wyjść mogą zmieniać się tylko
w ściśle określonych momentach, wyznaczonych przez tak zwany sygnał zegarowy (przebieg taktujący).
Na rysunku 2 pokazany jest bodaj najprostszy asynchroniczny przerzutnik RS. Dodanie dwóch bramek
na wejściach według
rysunku 2b
daje przerzutnik RS z dodatkowym wejściem zegarowym oznaczanym
CL (albo CP), gdzie zmiany stanów mogą następować tylko w obecności (dodatniego) impulsu zegaro-
wego. Literki CL (CP) na wejściu zegarowym pochodzą od angielskiego
clock
– zegar. Tylko w obecności
poziomu (stanu) wysokiego na wejściu zegarowym CL, bramki przepuszczą dalej dodatnie impulsy
z wejść S, R. Dodanie inwertera według
rysunku 2c
daje przerzutnik z pojedynczym wejściem, ozna-
czonym D (ang.
Data
– dane). Także i tutaj stan wyjść może zmieniać się wyłącznie podczas trwania
(dodatniego) impulsu zegarowego. Natomiast gdy na wejściu CL panuje stan niski, stan wyjść przerzutni-
ka nie może się zmienić – uzyskaliśmy
przerzutnik D-latch
(zatrzask), który czasem znajduje praktyczne
zastosowanie.
Interesująca jest też konfiguracja z rysunku 2d, gdzie mamy dodatkowe sprzężenie z wyjść na wej-
ścia. Jest to bardzo prymitywna wersja tak zwanego
przerzutnika toggle
(przeskakujący, przełączający),
V
CC
przerzutnik T
R5 100k
D
9
8
12
13
11
R
8
V
CC
V
CC
+
LED2
B
12 11
R3
10k
U1E
C
D1 1N4148
10
U2C
10
Q
generator
R1 2,2,k
1
2
13
R2 10k
G
LED2
R7 10k
C3
100nF
C2
1000µF
3
4
5
6
CL
1
2
U2A
5
3
S
6
4
3
C1
0,5nF
U1A
U1B
A
R4 4,7k
E
U1C
F
układ kształtowania impulsów
R6 100k
U2B
Q
4
zwanego
dwójką liczącą,
gdzie każdy impuls
na wejściu zegarowym CL (Clock) powoduje
zmianę stanu wyjścia na przeciwny.
Zbadajmy teraz taki przerzutnik w układzie
z rysunku 3 i fotografii 4. Oprócz przerzutnika
zbudowanego na układzie U2 według rysun-
ku 2d mamy prosty generator z inwerterem
U1A, obwód formowania impulsów z inwer-
terami U1C...U1F oraz monitor impulsów
z rezystorami R3, R7 i dwiema niebieskimi
diodami LED. Aby uzyskać możliwie dużą
częstotliwość pracy, rezystancja R1 jest mała
(2,2 kΩ), a pojemność C1 wynosi 0,5 nF i jest
uzyskana przez szeregowe połączenie dwóch
kondensatorów 1 nF. Dziwny obwód z rezysto-
rem R4 i diodą D1 jest rodzajem bramki OR,
95
9-12V
_
U1F
U1D
U2D
9
+
Na warsztacie
R
jak pokazuje
rysunek 5a.
Układ kształtowania impul-
A
A
sów jest więc odpowiednikiem układu z rysunku
5b.
X
B
Rezystor R2 wraz z pojemnością wejściową inwertera
B
U1D tworzy układ opóźniający RC i dodatkowo wydłuża
D
czas impulsu.
Rysunek 6,
zrzut z ekranu oscyloskopu,
D
b)
B
C
pokazuje przebiegi w punktach F, G układu z rysunku 3,
gdzie częstotliwość pracy generatora wynosi ponad
400 kHz, a impulsy zegarowe w punkcie F (CL) mają
D - opóźniony
F
długość nieco ponad 200 ns. Każdy impuls na wejściu
D
zegarowym CL powoduje zmianę stanu przerzutnika,
A
A
a więc przerzutnik ten dzieli częstotliwość przez dwa
(jest tzw. dwójką liczącą), co zresztą jest wprost podane
F
na ekranie oscyloskopu. W Elportalu (www.elportal.
pl/pke)
można znaleźć film pokazujący pracę mojego
modelu z elementami R1=dd1 MΩ i C1=1 mF. Diody
LED1, LED2 pokazują tam, że każdy impuls z genera-
tora G zmienia stan przerzutnika na przeciwny.
Nawet bez głębszej analizy łatwo zauważyć,
że dwójka licząca z rysunku 3 zawiera w sobie
przerzutnik RS (U2B, U2C) i że każdy krótki impuls
podawany na wejście zegarowe (CL) przerzutnika
T przejdzie tylko przez jedną z bramek U2A, U2D:
albo na wejście R, albo S przez tę bramkę, na której
drugim wejściu panuje stan wysoki. Połączenia są tak
dobrane, że zmienia to stan przerzutnika na przeciw-
ny. Otrzymaliśmy działający dzielnik częstotliwości
przez 2, ale o tyle niedoskonały, że musi być on stero-
wany krótkimi dodatnimi impulsami zegarowymi o ściśle dobranym czasie trwania. Gdyby czas trwania
impulsów zegarowych był krótszy lub dłuższy, przerzutnik ten nie będzie prawidłowo pracował.
Aby prawidłowo pracowały egzemplarze układu U2 o różnych czasach propagacji, dodany jest nie
tylko rezystor R2, wydłużający impulsy zegarowe, ale też dwa rezystory R5, R6 (100 kΩ), które z pojem-
nościami współpracujących wejść tworzą układy opóźniające. Opóźnienie wprowadzane przez R5, R6
pozwala przerzutnikowi pracować przy nieco dłuższych impulsach zegarowych.
Szczegółowa analiza problemu opóźnień i długości impulsów byłaby zbyt zawiła i zdecydowanie wy-
kraczałaby poza ramy kursu PKE. Najbardziej dociekliwi Czytelnicy mogą przeanalizować zagadnienie
samodzielnie lub poszukać informacji w literaturze, a jeśli posiadają oscyloskop – obejrzeć występujące
przebiegi. W każdym razie kluczowe znaczenie w pracy tego i innych przerzutników mają maleńkie
opóźnienia, wprowadzane przez tworzące go
bramki.
wy
we
Problem jest o tyle ważny, że bardzo
X
A
często te maleńkie opóźnienia decydują
o prawidłowej bądź nieprawidłowej pracy
układów cyfrowych. Dlatego musimy po-
znać choć zarys tego ważnego
zagadnienia.
W zasadzie tranzystory
MOSFET, tworzące układy
CMOS, mogłyby być niemal
nieskończenie szybkie, bo-
wiem tranzystory te (w przeci-
wieństwie do bipolarnych) bez
opóźnienia reagują na zmiany
napięcia bramki. Teoretycznie
tranzystor MOSFET mógłby
mieć czas włączenia i wy-
łączenia rzędu 0,1...0,3 na-
nosekundy, czyli poniżej
miliardowej części sekundy.
Tak, tylko w praktyce problem
SZKOŁA
a)
=
Poziom tekstu: średnio trudny
5
6
7
8
96
m.technik
- www.mt.com.pl

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin