pke10.pdf

(2653 KB) Pobierz
Na warsztacie
PRAKTYCZNY
KURS
cz. 10
ELEKTRONIKI
Oto dziesiąta część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w numerze lutowym MT
i będziemy kontynuować przez kilkanaście miesięcy. Zainteresowanie tym kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydo-
waliśmy się umożliwić czytelnikom dołączenie do kursu w dowolnym momencie. Po prostu, wszystkie poprzednie
części są dla wszystkich dostępne w formacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Można z nich korzystać w komputerze
lub wydrukować sobie.
Można też kupić wszystkie archiwalne numery MT na www.ulubionykiosk.pl.
Publikacja każ-
dej 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 jedyna, niepowta-
rzalna okazja. We współpracy z bratnią redakcją miesięcz-
nika Elektronika dla Wszystkich publikujemy w Młodym
Techniku cykl kilkunastu fascynujących lekcji dla zupełnie
początkujących. Jest to
Praktyczny Kurs Elektroniki
(PKE)
z akcentem na
Praktyczny,
gdyż każda lekcja składa się
z projektu i wykładu
z ćwiczeniami,
przy czym
projekt
to konkretny układ elektroniczny samodzielnie monto-
wany i uruchamiany 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 zastaw
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 30 listopada
2013 roku, to zestaw
EdW09
wyślemy Ci w połowie
grudnia wraz ze styczniowym numerem MT.
Szkoły prenumerujące MT otrzymują
Pakiety Szkolne
PS EdW09,
zawierające po
10 zestawów EdW09
(każdy
zestaw EdW09 zawiera komplet elementów z płytką sty-
kową) skalkulowane na zasadach non profit w promocyj-
nej 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.
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 uczniowie!
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 zaplanowanego na ponad rok
Praktycznego
Kursu Elektroniki
jest
Piotr Górecki,
redaktor naczelny
kultowego w świecie hobbystów elektroników miesięcz-
nika Elektronika dla Wszystkich i autor legendarnych cy-
kli artykułów i książek uczących elektroniki od podstaw.
Uwaga Szkoły
76
m.technik
- www.mt.com.pl
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
Projekt 10
Iluminofonia
Na powyższej fotografii pokazany jest układ
Iluminofonii.
Dwie pracujące równolegle diody LED za-
świecają się, gdy do mikrofonu dotrą głośniejsze dźwięki o średnich częstotliwościach. Fotografia wstęp-
na pokazuje wersję jednokanałową z filtrem średnich częstotliwości. W układzie można zastosować filtr
o innych parametrach. Z uwagi na ograniczenia wynikające z zestawu elementów EdW09, trudno byłoby
wykonać układ kilkukanałowy.
Opis układu dla „zaawansowanych”
Schemat ideowy
Iluminofonii
z fotografii tytułowej pokazany jest na
rysunku A.
Na schemacie żółtymi
podkładkami wyróżnione są dwa wzmacniacze przebiegów zmiennych (W1, W2). Taką konfigurację
wykorzystywaliśmy w ostatnim układzie poprzedniego wykładu. Wzmocnienie tych wzmacnia-
czy wyznaczone jest przez wartość rezystorów R6 i R17 (a właściwie stosunki R5/R6 oraz R16/R17).
Różową podkładką wyróżniony jest obwód filtru F, a właściwie dwóch kaskadowo połączonych filtrów:
wzmacniacz W1
C14 100µF
R24
4,7k
R2
47k
T1
BC548
+
+
filtry F
R23 1k
wzmacniacz W2
R15
10k T6
BC558
detektor D
R5 22k
C1
1µF
X
R8 47k
R9
100k
C3
10nF
C2
10µF
R3
100k
C6
1nF
C7
1nF
T5
BC548
R16 10k
+
5nF
R7
4,7k
C4
10nF
T4
BC558
R10
22k
C8
100µF
C12
1000µF
BC548
T7
C9
100nF
R20
T2
BC558
T3
BC548
R11
220k
Y
R19
100k
2x
470Ω
T8
BC558
+
ME
R6
1k
C5
1nF
R13
2,2M
R17
*
1k
R18
2,2k
C11
C10
1µF
1000µF
A
mikrofon
elektretowy
R21
R1
4,7k
R4
22k
C13
100µF
R12
2,2M
R14
47k
R22
220Ω
+
+
77
Na warsztacie
dolnoprzepustowego z tranzystorem T3 i górnoprze-
T3
pustowego (T4). Podkładka niebieska wyróżnia obwód
R9 BC548
R8
R12
100k
47k
detektora aktywnego i sterownika diod LED.
2,2M
X
Zasada działania jest bardzo prosta – silniejsze
R14
C3
dźwięki powodują zaświecanie diod LED. Sygnał
Y
47k
10nF
C6
5nF
z właściwie spolaryzowanego mikrofonu elektretowego
100nF
C4
ME jest wstępnie wzmacniany we wzmacniaczu W1,
10nF
T4
potem filtr F przepuszcza tylko sygnały z określonego
pasma częstotliwości – w tym przypadku przepuszcza
C5
R10
1nF
średnie tony, natomiast tłumi i tony niskie, i tony wy-
22k
sokie. Przepuszczone sygnały są dodatkowo wzmacnia-
ne we wzmacniaczu W2. Sygnały o amplitudzie powy-
żej 0,6 V przechodzą przez C9 i powodują otwieranie
R12
tranzystora T7, który pracuje tu w roli detektora. Otwarcie tranzystora
R14
220k
10k
T7 nawet na krótki czas rozładowuje C10, który potem pomału ładuje
się przez R19, zapobiegając zbyt szybkiemu migotaniu diod. Obniżenie
R11 22k
napięcia na kolektorze T7 i na C10 powoduje przewodzenie T8 i zaświe-
Y
cenie diod LED.
C7
1nF
Zwróć uwagę na wyróżnione zielonymi podkładami obwody filtracji
T4
X
zasilania, niezbędne w układach o dużym wzmocnieniu.
BC558
Montując układ, nie zapominaj o prawidłowym umieszczeniu elemen-
C6
tów biegunowych, w tym też mikrofonu elektretowego ME, którego wy-
1nF R13
220k
prowadzenie ujemne połączone jest z obudową – szczegóły podane były
w poprzednim wykładzie.
Wersja z rysunku A i fotografii
D1
tytułowej reaguje na tony średnie.
filtr
niskich
Układ można łatwo zmodyfikować, by
częstotliwości
reagował na tony niskie.
Rysunek B
W2D
pokazuje zmodyfikowany obwód fil-
D2
filtr
tru F, gdzie filtr dolnoprzepustowy ma
niskich
częstotliwości
częstotliwość graniczną około 130 Hz.
W1
W2D
Moglibyśmy całkowicie zrezygnować
D3
filtr
z filtru górnoprzepustowego, ale po-
niskich
zostawiamy tranzystor T4 tylko dlate-
częstotliwości
W2D
go, by zachować optymalne napięcia
stałe w obwodzie wzmacniacza W2.
Obwód C6+R12+R13 wprawdzie jest filtrem górnoprzepustowym, ale o częstotliwości granicznej około
1,6 Hz, więc na pewno nie ogranicza pasma akustycznego, które zaczyna się od 16...20 Hz.
Aby iluminofonia reagowała na tony wysokie, wystarczy zmodyfikować filtr według
rysunku C.
Tu
mamy wyłącznie filtr górnoprzepustowy (o częstotliwości granicznej około 2,5 kHz). W takich wersjach
zapewne warto zmienić też kolor diod LED.
W każdej wersji trzeba będzie prawdopodobnie dobrać wzmocnienie W2 za pomocą rezystora R17
(100
V...10
kV), by uzyskać zbliżoną czułość dla wszystkich pasm częstotliwości. Z kolei dynamikę świe-
cenia diody można zmienić według upodobania, zmieniając pojemność C10 (0 nF, 10 nF 100 nF, 1
mF)
i rezystancję R19 (22 kV...220 kV). Jasność diod LED można zmieniać za pomocą rezystorów R20 i R21
(220
V...1
kV) pamiętając, że czym jaśniej świecą diody, tym szybciej rozładuje się mała bateria 9-wolto-
wa. Taki układ lepiej byłoby zasilać z akumulatora lub z zasilacza stabilizowanego.
Kto ma więcej elementów, może zbudować iluminofonię trzykanałową według idei z rysunku
D.
Mikrofon i wzmacniacz W1 pozostanie wspólny. Trzeba tylko zwielokrotnić zespoły filtrów F według
rysunków B i C, wzmacniacza W2 i detektora D.
R13 2,2M
SZKOŁA
BC558
Poziom tekstu: średnio trudny
B
C
D
Wykład z ćwiczeniami 10
Poznajemy elementy i układy elektroniczne
Filtry.
Wcześniej mówiliśmy, że
dla częstotliwości wysokich kondensator stanowi zwarcie, a dla często-
tliwości bardzo niskich i dla prądu stałego – przerwę.
To ogromne uproszczenie! W poprzednim wykła-
dzie nieco uściśliliśmy to zagadnienie. Wiemy, że reaktancja kondensatora i cewki liniowo zmienia się
78
m.technik
- www.mt.com.pl
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
z częstotliwością, a w skali podwójnie logarytmicznej
C
wykresem jest linia prosta. Wiemy też już, że dzielnik
wy
we
R
zawierający rezystor i kondensator jest filtrem RC, prze-
R
wy
we
C
puszczającym i tłumiącym sygnały o różnych częstotli-
wościach. Poznaliśmy prosty filtr RC dolnoprzepustowy
i górnoprzepustowy – zobacz rysunek 10 w poprzednim
wykładzie. Analogicznie można byłoby zrealizować fil-
L
R
try dolno- i górnoprzepustowe RL z użyciem cewek, jak
we
wy
L
we
wy
R
pokazuje
rysunek 1.
W praktyce tego nie robimy z uwagi
na liczne wady cewek. Wykorzystujemy natomiast po-
wszechnie obwody RC, nie zawsze traktując je zresztą
jako filtry. Rozszerzmy informacje z poprzedniego wy-
filtry dolnoprzepustowe
filtry górnoprzepustowe
kładu: w takich obwodach (filtrach) przy jakiejś często-
tliwości f, liczbowa wartość
U
we
przesunięcie fazy
reaktancji X staje się równa
a)
1/8 okresu
c)
rezystancji R. W przypadku
= 45 stopni
R
U
R
filtrów RC mamy X
C
=1/2pfC,
U
we
więc umowna częstotli-
wość graniczna ma wartość
U
C
=U
wy
f
g
=1/2pRC.
Przy tej właśnie
X
C
częstotliwości X
C
=R, jak dla
R = |X
C
|
filtru dolnoprzepustowego
pokazuje
rysunek 2a.
Pomimo
b)
45
o
U
we
U
wy
=0,707 U
we
równości X
C
= R, z uwagi na
U
C
=U
wy
przesunięcie fazy w konden-
45
o
satorze, napięcie wyjściowe
U
R
nie jest dwa razy mniejsze od
napięcia wyjściowego, tylko
stanowi około 0,707 napięcia wyjściowego (dokładnie jest to
razy mniejsze). Ilustruje to graficznie
rysunek 2b.
Te 0,707 wartości napięcia wyjściowego to w mierze logarytmicznej –3 dB (dokładniej biorąc
–3,103 dB). Co ważne, wyjściowy przebieg sinusoidalny o częstotliwości fg jest przesunięty względem
wejściowego dokładnie o 45 stopni, co jest zilustrowane na
rysunku 2c.
A tak przy okazji: zapamiętaj, że we wszystkich filtrach jako częstotliwość graniczną przyjmujemy
taką, przy której sygnał jest tłumiony o 3 dB. Znormalizowaną charakterystykę amplitudową omawia-
nych prostych filtrów RC (oraz RL) poznałeś w poprzed-
nim wykładzie na rysunku 10d.
tłumienie
Ideałem byłby filtr o dokładnie prostokątnej charakte-
dekada dekada
0dB
filtr RC
rystyce, narysowanej kolorem czerwonym na
rysunku 3.
pierwszego
Taki filtr w paśmie przepustowym miałby tłumienie
rzędu
-20dB
równe zeru – przepuszczałby pożądane sygnały, a w pa-
(0,1)
śmie zaporowym miałby tłumienie nieskończenie wiel-
-40dB
kie. Idealnych filtrów nawet nie próbujemy realizować.
(0,01)
Poznane proste filtry RC, choć bywają bardzo często
-60dB
wykorzystywane, nie są zbyt skuteczne, czyli mają małą
(0,001)
charakterystyka
stromość zbocza charakterystyki. Ich tłumienie wzrasta
filtru idealnego
f
dwukrotnie przy dwukrotnej zmianie częstotliwości,
0,1f
g
f
g
10f
g
100f
g
1000f
g
10000f
g
czyli 6 decybeli na oktawę (6 dB/okt), a dziesięciokrotnie
częstotliwość
przy dziewięciokrotnej zmianie częstotliwości, czyli
20 decybeli na dekadę (20 dB/dek). Ilustruje to zielona
charakterystyka na rysunku 3. Są to tak zwane filtry
pierwszego rzędu.
Często potrzebne są skuteczniejsze
filtry o ostrzejszych, bardziej stromych zboczach. W praktyce skutecznych filtrów nie realizujemy przez
kaskadowe połączenie kilku jednakowych sekcji według
rysunku 4,
ponieważ przy takim połączeniu
poszczególne sekcje wpływają na siebie i efekt byłby daleki od oczekiwanego. Problem między innymi
w tym, że każda następna sekcja stanowi obciążenie dla poprzedniej.
Zagadnienia związane z bardziej złożonymi, „ostrzejszymi” filtrami są bardzo trudne, a zrozumienie
ich właściwości wymaga znajomości
wyższej matematyki. Nie sposób tego
R
R
R
R
wy
we
krótko wytłumaczyć. Przyjmij tylko
C
C
C
C
do wiadomości, że istnieje mnóstwo
pasmo przepustowe
20dB
(10x)
R
C
1
2
20dB
3
4
(10x)
79
Na warsztacie
odmian najróżniejszych filtrów, w których częstotli-
wość wyznaczają odpowiednio dobrane elementy RC,
a właściwości są znakomicie poprawione przez zasto-
sowanie wzmacniaczy. Takie filtry RC ze wzmacniacza-
mi nazywamy
filtrami aktywnymi.
Można w uproszczeniu powiedzieć, że filtr aktywny
to filtr RC „wspomagany” wzmacniaczem, co dla filtru
dolnoprzepustowego można zobrazować na
rysunku 5a.
Ale tu od razu trzeba przestrzec przed błędnym wyob-
rażeniem. Otóż początkujący często wyobrażają sobie,
że czym większe, silniejsze jest to „wspomaganie”, tym
bardziej strome jest zbocze charakterystyki amplitu-
dowej filtru. Takie błędne wyobrażenie zobrazowane
jest na (przekreślonym)
rysunku 5b.
W rzeczywistości
silniejsze „wspomaganie” praktycznie nie zmienia
nachylenia zbocza charakterystyki, a za to ma silny
Tłumienie
A
silne
“wspomaganie”
SZKOŁA
a)
we
obwody RC
wzmacniacz
wy
R
C
„wspomaganie”
b)
tłumienie
bez „wspomagania”
coraz silniejsze
„wspomaganie”
f
częstotliwość
[dB]
Poziom tekstu: średnio trudny
5
b)
U
we
a)
małe
“wspomaganie”
U
wy
c)
U
we
silne
“wspomaganie”
U
wy
0dB
średnie
“wspomaganie”
f
g
t
f
g
t
małe
“wspomaganie”
f
f
g
częstotliwość
czas
t
czas
t
czas
czas
6
wpływ na inne ważne właściwości. Po pierwsze przy silnym „wspomaganiu”, na skraju charakterystyki
amplitudowej, w okolicy częstotliwości granicznej f
g
pojawia się tzw. podbicie – niepożądany garb, jak
pokazuje w uproszczeniu
rysunek 6a.
Po drugie mówimy, że filtr zaczyna „dzwonić”, to znaczy drgania
o częstotliwościach zbliżonych do granicznej f
g
utrzymują się w nim po zaniku sygnału wejściowego, co
z kolei ilustrują
rysunki 6b
oraz
6c.
Najczęściej silne „wspomaganie” nie jest więc pożądane, a jest wręcz
wadą.
Aby uzyskać filtr o większej stromości zboczy, łączymy kaskadowo kilka odpowiednio dobranych „sek-
cji RC”. W najprostszym przypadku można poprawić stromość, stosując
jednakowe
sekcje RC i bufory
(wtórniki) pośredniczące
bufor
bufor
bufor
RC
RC
RC
według
rysunku 7.
W ten
sposób moglibyśmy po-
wy
prawić stromość zbocza
filtru, uzyskując nachy-
lenie n*20 dB/dekadę,
ale w większości zastosowań nie jest to optymalny sposób, choćby z uwagi na nieoptymalny przebieg
charakterystyki w pobliżu częstotliwości granicznej f
g
. Filtry o dużej stromości zboczy realizujemy nieco
inaczej. W praktyce powszechnie wykorzystuje się liczne odmiany filtrów aktywnych, gdzie podstawowa
„sekcja – cegiełka” to tak zwany filtr
drugiego rzędu,
który daje stromość charakterystyki 40 dB/dek, czyli
12 dB/oktawę, co odpowiada złożeniu dwóch ogniw RC. Łączymy kaskadowo kilka takich „cegiełek”
drugiego rzędu według
rysunku 8,
przy czym zależnie od pożądanych parametrów całości, dotyczących
podstawowa “cegiełka”
filtr
II
rzędu
we
7
podstawowa “cegiełka”
filtr
II
rzędu
podstawowa “cegiełka”
filtr
II
rzędu
wy
R
C
R
C
“wspomaganie”
R
C
R
C
“wspomaganie”
R
C
R
C
“wspomaganie”
1
2
N
8
80
m.technik
- www.mt.com.pl

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin