praktyczny_kurs_elektroniki_cz23.pdf

(9226 KB) Pobierz
Na warsztacie
PRAKTYCZNY
KURS
cz. 23
ELEKTRONIKI
Oto dwudziesta trzecia 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 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 grudnia
2014 r., to zestaw
EdW09
wyślemy Ci w połowie stycznia
2015 r., wraz z lutowym 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.
98
m.technik
- www.mt.com.pl
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
Projekt 23
Uniwersalny timer
oraz theremin
Fotografia wstępna pokazuje uniwersalny układ czasowy. Może się wydawać, że taki uniwersalny timer
to temat banalny i niepraktyczny. W rzeczywistości każdy elektronik wcześniej czy później potrzebuje
układu czasowego, za pomocą którego albo uruchomi jakieś inne urządzenie na pewien czas, albo też
o pewien czas opóźni jego włączenie. Nasz uniwersalny układ czasowy ma nieskomplikowaną budo-
wę, a realizuje dodatkowe pożyteczne funkcje. Zawiera linijkę diod LED, która pokazuje upływ czasu,
co w wielu zastosowaniach jest bardzo pożądane.
Po pierwsze, do wyboru mamy dwa główne tryby pracy:
1 – po naciśnięciu przycisku lub po włączeniu napięcia zasilania układ wytwarza impuls, który włącza
przekaźnik na określony czas,
2 – po włączeniu zasilania przekaźnik zostanie włączony z określonym opóźnieniem.
Po drugie mamy do wyboru wersje:
A – z możliwością dowolnego przedłużania czasu za pomocą przycisku.
B – bez możliwości przedłużania czasu.
W wersji podstawowej czasy opóźnienia mogą sięgać do kilku minut, natomiast w wersji z dodatko-
wym licznikiem czasy mogą sięgać wielu godzin.
generator
3
1 11
12
X
14
15
13
CL
Q0
Q1
MR
EN
A
2
R1
1M
D
13
1
VCC
R9 2,2k
VCC
+
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Q9
U1=
=4093
R2 100k
A
T1
BC
558
R5
100k
B
U2=4017
licznik
2
8
9
R8 10k
R7
1k
lub 2,2k
10
1
6
9 11
BC558 T2
LED10
C1
1µF
VCC
VCC
R3
47k
C4
10µF
3
LED1
2
LED2
4
LED3
7
LED4
10
LED5
5
C2
100n
R11
10k
R4
47k
4
5
6
+
X
C3
R10
2,2k
B
A
S1
R6 47k
10µF
1N4148
VCC
C
U1=
=4093
D1
REL
99
Na warsztacie
SZKOŁA
Poziom tekstu: średnio trudny
Opis układu dla
„zaawansowanych”
Schemat uniwersalnego timera pokazany jest
na rysunku A. Elementy R5, C2 zerują licznik
po włączeniu zasilania, co jest bardzo ważne,
żeby układ zaczynał pracę zawsze od „punk-
tu zerowego”.
Gdy licznik zostaje wyzerowany, zaświe-
ca się zielona dioda LED1. Na wyjściu Q9
(nóżka 11) panuje stan niski, a w punkcie X
stan wysoki, co otwiera T2 i uruchamia prze-
kaźnik i diodę LED10 oraz umożliwia pracę
generatora na bramce U1B i pulsowanie
diody LED1, a potem następnych diod. Stan
wysoki w punkcie X umożliwia też pracę
głównego generatora z bramkami U1A, U1D,
przez co licznik U2 zlicza kolejne impulsy
i zaświeca kolejne diody.
Gdy stan wysoki pojawi się na wyjściu Q9 (n. 11), generatory przestają pracować, a przekaźnik REL
zostaje wyłączony – jest to stan spoczynku i układ nie pobiera prądu. Naciśnięcie przycisku S1 rozpo-
cznie kolejny cykl pracy.
Dołączenie emitera T1 do punktu A powoduje, że podczas odliczania czasu każde naciśnięcie przy-
cisku S1 zeruje licznik U2 i przedłuża zliczanie. Dołączenie do punktu B daje układ bez możliwości
przedłużania czasu, jak w modelu z fotografii tytułowej.
W spoczynku układ nie pobiera prądu i kondensator filtrujący C4 nie może się rozładować.
Gdy układ ma być uruchamiany przez podanie napięcia zasilania, równolegle do kondensatora C4
należy dołączyć zaznaczony szarym kolorem rezystor R11, który zapewni jego rozładowanie do zera,
co po ponownym włączeniu zasilania pozwoli obwodowi R5, C2 prawidłowo wyzerować układ.
W Elportalu (elportal.pl/pke) można znaleźć dwa filmiki, pokazujące pracę wersji wytwarzającej
impuls z możliwością przedłużania czasu i bez tej możliwości.
1
Poznajemy elementy i układy elektroniczne
W układzie tytułowym wykorzystaliśmy popularny generator dwubramkowy. Trzeba też wiedzieć,
że istnieją specjalizowane układy scalone generatorów i przerzutników monostabilnych, w tym
najpopularniejszy 555. W rodzinie cyfrowych układów CMOS 4000 mamy uniwersalny timer 4047
oraz kilka podwójnych uniwibratorów: 4098, 4528, 4538, 4548 o bardzo podobnej konstrukcji. We
wszystkich odmierzany czas (częstotliwość) wyznacza obwód RC, więc dla uzyskania sensownej
dokładności oraz stabilności długoczasowej i termicznej należy użyć kondensatora stałego (folio-
wego lub ceramicznego C0G), a nie elektrolitycznego. Z uwagi na ograniczoną pojemność konden-
satorów stałych, praktycznie nie jest możliwe odmierzanie w ten sposób długich czasów (powyżej
minuty). Odmierzany czas można dowolnie zwiększyć, stosując liczniki (dzielniki). W rodzinie
CMOS 4000 mamy do dziś popularny układ 4541 – specjalizowany uniwersalny timer z licznikiem
do odmierzania nawet bardzo długich czasów. W wielu przypadkach można wykorzystać popular-
ne liczniki dwójkowe: 4020, 4040, a najchętniej stosowany jest 4060, który
ma dodatkowy obwód oscylatora. Jeden z tych liczników można byłoby
zwykły inwerter
wykorzystać w układzie tytułowego timera, by uzyskać dowolnie długie
czasy, nawet dni.
Gdy potrzebna jest większa dokładność, wykorzystuje się rezonato-
X1
ry kwarcowe, zwane potocznie kwarcami – fotografia
1.
Bardzo często
C2
C1
stosowany generator kwarcowy na bramce lub inwerterze pokazany jest
rezonator
kwarcowy
na rysunku
2.
Bramki złożone.
Oprócz absolutnie
podstawowych NOT, AND, OR, NAND,
EX - OR
EX - OR
EX - OR
A
NOR, pożyteczna bywa też bramka
X A
AB X
B
4 x NAND
realizująca funkcję XOR, inaczej EXOR
(EXclusive OR). Łatwo zapamiętać,
X
0 0 0
EX - NOR
0 1 1
A
że dwuwejściowa bramka EXOR jest
1 0 1
X
podobna do bramki OR, tylko przy stanie
1 1 0
B
B
wysokim na obu wejściach, wyjście ma
2
3
100
m.technik
- www.mt.com.pl
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
VSS=8
VDD=16
A
B
C
D
IN E
F
G
H
EXPAND
14
13
12
11
6
5
4
3
15
FUNCTION
Ka
10
Kb Kc Kd
7
9
2
3 STATE
CONTROL
CMOS
Multifunction
Expandable
8 Input Gate
1
4
A
CD4048
4028
10
13
B
12
C
11
D
5
dekoder
7447
wejście - liczba dwójkowa
A
B
C
D
a
b
c
d
e
f
LT
RBI
g
6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
stan zero (w wielowejściowych bramkach EXOR stan
wysoki na wyjściu występuje wtedy, gdy na nieparzystej
liczbie wejść panuje stan wysoki). Dostępne są też bramki
EXNOR (XNOR) z dodatkowym negatorem na wyjściu.
Rysunek 3
pokazuje symbole bramek EXOR i EXNOR oraz
sposób realizacji EXOR z czterech bramek NAND. W ro-
dzinach CMOS 4000 i 74HC dostępne są liczne bramki,
J
w tym XOR (XNOR). Ciekawostką jest układ CMOS 4048,
OUTPUT
zawierający 8-wejściową bramkę, której funkcję logicz-
ną można zmieniać za pomocą trzech wyprowadzeń
– rysunek 4.
W rodzinach 4000 i 74 mamy też wiele różnego rodzaju
dekoderów i enkoderów.
Rysunek 5
pokazuje budowę
0
dekodera kodu dwójkowego (BCD) na kod 1 z 10 z kostki
3
CMOS 4028. Na rysunku
6
masz schemat wewnętrzny
1
bardzo popularnego niegdyś dekodera 7447 kodu BCD
14
na kod sterowania wyświetlaczy 7-segmentowych. Na fo-
2
tografii 7
pokazane są 7-segmentowe wyświetlacze LED
2
i LCD.
3
Bardzo pożyteczne okazują się multipleksery i de-
15
multipleksery, czyli swego rodzaju przełączniki. Proste
4
przykłady pokazuje
rysunek 8.
Mamy tu dwa wejścia
1
adresowe A1...A0, na które podawana jest liczba dwójko-
5
wa z zakresu 0...3 uruchamiająca jedno z wejść/wyjść.
6
Dużo bardziej uniwersalne są tego rodzaju układy z tak
6
zwanymi bramkami transmisyjnymi według
rysunku 9.
7
Bramka transmisyjna jest odpowiednikiem sterowanego
7
wyłącznika, elektronicznego przekaźnika. W technologii
4
CMOS można je zrealizować bardzo łatwo, uzyskując
8
przy okazji klucz analogowy załącz/wyłącz, mogący prze-
9
kazywać sygnały w obu kierunkach. Podstawą budowy
9
prostego klucza analogowego są dwa komplementarne
5
tranzystory MOS połączone „równolegle”.
Rysunek 10
pokazuje schemat budowy klucza analogowego z kost-
ki 4016 (zastąpionej przez znacznie ulepszony układ
4066). Gdy na wejściu sterującym CONTROL jest stan niski, oba
tranzystory klucza (n i p) są zatkane i bramka nie przewodzi
– rezystancja między punktami IM/OUT jest ogromna, rzędu
wielu megaomów. Stan wysoki na wejściu CONTROL otwiera
oba tranzystory – prądy mogą płynąć między punktami IN/OUT
w obu kierunkach. Jednak taki otwarty klucz nie jest doskonały
– ma pewną rezystancję szeregową, rzędu kilkudziesięciu do kil-
kuset omów.
Kostki CMOS 4016 i 4066 zawierają cztery niezależne klucze
analogowe. Dostępne są też (de)multipleksery z kluczami ana-
logowymi: szesnastokanałowy 4067, ośmiokanałowy 4051, dwa
czterokanałowe 4052 i trzy dwukanałowe w kostce 4053. Te klu-
cze i multipleksery analogowe zasadniczo należą do układów
cyfrowych, ale przewidziane są do pracy z sygnałami analogowy-
mi (np. audio). Dlatego kostki 4051, 4052, 4053, oprócz końcó-
wek plusa zasilania (VDD, nóżka 16) i masy (VSS, nóżka 8), mają
jeszcze dodatkową końcówkę ujemnego napięcia zasilania (VEE,
nóżka 7), którą można albo podłączyć do masy (VSS), albo podać
na nią ujemne napięcie zasilania, by multiplekser mógł pracować
z sygnałami zmiennymi, także ujemnymi względem masy.
Opracowano wiele innych interesujących układów scalonych.
Ponieważ mamy do czynienia z liczbami przedstawionymi w syste-
mie dwójkowym, przydatne są układy, które przeprowadzą na licz-
bach operacje czysto matematyczne. I tak istnieją komparatory,
BI/RBO
101
Na warsztacie
czyli układy porównujące
dwie liczby dwójkowe.
Rysunek 11
pokazuje
przykładowy schemat
prościutkiego kompa-
ratora, sprawdzającego,
czy dwie czterobitowe
liczby są jednakowe.
Scalone komparatory, np.
CMOS 4585, dodatkowo
określają, która liczba
jest większa. Istnieją też
układy scalone, które
są najprawdziwszymi
sumatorami. Ale nie
Q wyjście
a)
multiplekser
b)
demultiplekser
sumatorami logicznymi OR,
OR
tylko prawdziwymi układami
4x
wyjścia
dodającymi dwie liczby dwój-
NAND
Q0
Q1
Q2
Q3
kowe. W rodzinie CMOS4000
mamy 4-bitowy sumator
liczb BCD (dziesiętny) 4560
I
0
oraz 4-bitowy sumator
I
1
I
2
binarny 4008 o schemacie
I
I
3
z rysunku 12.
0”
1”
2”
3”
Jeżeli wewnętrzny układ
“0”
“1”
“2”
“3”
“
“
“
“
byłby jeszcze bardziej skom-
plikowany, możemy uzyskać
uniwersalny układ arytme-
tyczny (ALU – Arithmetic
A1
A1
Logic Unit) według idei
z rysunku 13. Zależnie
od stanu wejść sterujących,
A0
A0
układ może przeprowadzać
dekoder 1 z 4
dekoder 1 z 4
na liczbach wejściowych
dodawanie, odejmowanie,
mnożenie, funkcje logiczne AND, OR, XOR, NOT, a także je porównywać. Schemat wewnętrzny ALU
z kostki CMOS40181 jest pokazany na rysunku
14.
W każdym razie bardziej złożone układy mogą realizować operacje na liczbach. I oto masz też odpo-
wiedź, dlaczego używamy określenia: układy cyfrowe. Do tej
pory mówiliśmy o kodzie dwójkowym, który zasadniczo
I0(0)
I0(0)
może reprezentować tylko liczby naturalne (0, 1, 2, 3, 4, …).
Można też przedstawiać liczby ujemne, np. traktując jeden
bit jako znak (minus), co dałoby kod zwany znak-moduł.
I0(1)
I0(1)
Jednak w praktyce liczby ujemne lepiej jest przedstawić
nieco inaczej, w tak zwanym kodzie uzupełnienia do jedynki
I0(2)
I0(2)
albo uzupełnienia do dwóch. Ciąg bitów może też reprezen-
tować liczby ułamkowe. Oprócz różnych kodów liczbowych,
I0(3)
I0(3)
często wykorzystywane są też inne kody.
W praktyce prawie nigdy nie interesuje nas, jaką we-
wnętrzną budowę mają układy scalone – ważna jest tylko
“0”
“1”
“2”
“3”
pełniona funkcja i wymagania dotyczące wejść i wyjść.
Dlaczego więc przedstawiałem Ci liczne schematy
wewnętrzne?
Otóż chcę pokazać, że z prostych bramek można zbudo-
A1
wać układy cyfrowe, pełniące dowolnie skomplikowane
funkcje.
Naprawdę popularne układy logiczne w postaci układów
A0
scalonych z rodziny 74 pojawiły się w roku 1964 – pierwsza
dekoder 1 z 4
była kostka 7400, zawierająca cztery dwuwejściowe bramki
wejścia
wejścia adresowe
wejścia adresowe
wejście
wejścia adresowe
Poziom tekstu: średnio trudny
SZKOŁA
7
8
9
102
m.technik
- www.mt.com.pl

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin