48

Czerwiec 2010

Czerwiec 2010

Szkoła Konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich

Na rysunku A pokazany jest schemat, nade-
słany przez jednego ze starszych Czytelników
EdW. Według opisu, ma to być prosty wzmac-
niacz. m.cz. o mocy do 2W (...) można go
zrealizować na byle jakich tranzystorach, np.
starych ruskich.

Jak zwykle pytanie brzmi:

Co tu nie gra?

Bardzo proszę o

możliwie krótkie odpo-
wiedzi. Kartki, listy
i e-maile oznaczcie
dopiskiem NieGra172
i nadeślijcie w terminie
60 dni od ukazania się
tego numeru EdW. W
e-mailach podawajcie
też od razu swój adres
pocztowy, żebym nie
musiał pisać, gdy przy-
dzielę upominek. Można też jeszcze przysyłać
rozwiązania poprzedniego zadania 171. Autorzy
najlepszych odpowiedzi otrzymają upominki, a
najaktywniejsi uczestnicy są okresowo nagra-
dzani bezpłatnymi prenumeratami EdW lub
innego wybranego czasopisma AVT.

Rozwiązanie zadania 167

W EdW 1/2010 pokazany był rysunek B,
schemat nadesłany jako fragment rozwiązania
zadania głównego 162. Jest to wzorowany na
schemacie z literatury schemat stabilizatora,
który ma współpracować z mikroprocesorem.
Zaznaczone na czerwono punkty, oznaczone JP,
mają być podłączone do portów mikrokontrole-
ra: dwa (JP1, JP3) do wejść przetwornika A/D,
jedno (JP2) do wyjścia przetwornika D/A.

Ja na początek przytoczę pracę jednego z

uczestników: (...) Przymierzając się do budo-
wy własnego zasilacza sterowanego cyfrowo,
początkowo myślałem o podobnym schemacie.
Z mojej analizy wynika, że włączenie rezystora
pomiarowego R8 jest nieprawidłowe, gdyż sta-

bilizator nie będzie mógł „uwzględnić” spad-
ku napięcia na tym rezystorze. W związku z
powyższym, rezystor pomiarowy powinien być
umieszczony w obwodzie dodatnim i to przed
dzielnikiem R7/R6.

W tym miejscu pojawia się problem pomiaru

spadku napięcia na „gorącej” szynie zasilania.

Z informacji, które
udało mi się zna-
leźć w Internecie,
pomiar tego napię-
cia wcale nie nale-
ży do prostych:
należy wziąć pod
uwagę, że rezy-
stor pomiarowy
musi mieć małą
wartość, przez co
spadki napięć na
nim będą małe,
co pociąga za
sobą duże kłopoty

przy budowie wzmacniacza pomiarowego. (...)
Inną sprawą jest sposób stabilizacji napięcia
(niekoniecznie musi to być błąd). Jakiś czas
temu w „Elektronice Praktycznej” zamieszczo-
ny był schemat podobnego zasilacza sterowa-
nego cyfrowo, w którym zastosowano LM317
do sterowania tranzystorem mocy, a nie do
stabilizacji, która zrealizowana była programo-
wo. Moim zdaniem jest to droga jakby naokoło,
poza tym napisanie programu, który będzie
dobrze stabilizował (tj. co najmniej tak dobrze
jak LM317) napięcie nie wydaje mi się rze-
czą błahą, ale mogę być w błędzie, gdyż nie
próbowałem. W każdym razie, wydaje mi się,
że nie warto (pomijając walory edukacyjne)
zastępować stabilizacji analogowej, stabilizacją
cyfrową.

Przyjrzyjmy się układowi dokładniej. Warto

było przerysować schemat do postaci, uła-
twiającej analizę – rysunek C. Załóżmy, że
IC1 to popularna kostka LM317, bo nie ma
powodu, żeby było inaczej. Wejście JP2 służy
do ustawiania napięcia wyjściowego, natomiast
punkty JP1 i JP3 służą do pomiaru odpowiednio
napięcia i prądu wyjścio-
wego. W zadaniu było
powiedziane, że te trzy
punkty są dołączone do
portów mikrokontrole-
ra. Niewątpliwie stero-
wany za pomocą kla-
wiatury mikrokontroler
wytwarza na wyjściu
PWM napięcie stałe,
które jest podawane
na JP2 i w ten sposób
ustawia napięcie wyj-
ściowe. Jednak nie było

powiedziane, czy na to napięcie podawane na
punkt JP2 wpływają prąd i napięcie wyjściowe.
A od tego wiele zależy. Dlatego musimy rozpa-
trzyć dwie możliwości.

Wersja pierwsza. Może to być wersja zasi-

lacza, gdzie mikrokontroler tylko ustawia na
JP2 napięcie zadane przez użytkownika i „nie
interesuje się” dalszymi losami tego napięcia.
Wtedy napięcie i prąd wyjściowy, reprezento-
wane przez sygnały z punktów JP1 i JP3, są
mierzone w przetworniku A/D i wyświetlane na
wyświetlaczu lub obrazowane w inny sposób,
np. przez linijkę świetlną. Podkreślam, że w
tej pierwszej, prostszej wersji, napięcie i prąd
wyjściowy mierzone za pomocą punktów JP1,
JP3 są jedynie wyświetlane jako informacja
dla użytkownika, a nie wpływają na napięcie w
punkcie JP2.

Wersja druga. W drugiej wersji mikro-

kontroler i jego oprogramowanie pełnią rolę
regulatora i stabilizatora. Przetwornik A/D pro-
cesora mierzy napięcie na wyjściu, porównuje
z napięciem zadanym z klawiatury i tak steruje
punkt JP2, żeby na wyjściu uzyskać zadane
przez użytkownika napięcie. Ta druga wersja
wydaje się zdecydowanie lepsza, ponieważ
oferuje dodatkowe możliwości. Program może
mierzyć prąd i nie tylko wskazywać jego war-
tość, ale też pracować w roli ogranicznika prądu
– po wzroście prądu do nastawionej granicy
będzie zmniejszał napięcie na JP2 i na wyjściu,
żeby prąd nie przekroczył nastawionej wartości.
Jednak w praktyce ta druga wersja „ze stabiliza-
cją cyfrową” wcale nie jest wiele lepsza, i to z
kilku względów.

Wspominam o tym, ponieważ takim sche-

matem, umieszczonym w Internecie, i opisanym
wśród „Projektów Czytelników” w siostrzanym
czasopiśmie, zainteresowało się wielu uczest-
ników Szkoły Konstruktorów EdW. I właśnie
niektórzy chcieli wykorzystać taki układ w
zasilaczu w prostszej wersji pierwszej, a inni w
wersji drugiej „ze stabilizacją cyfrową”. W obu
przypadkach byłaby to zła decyzja. Przyjrzyjmy
się szczegółom.

Wersja prosta wbrew pozorom byłaby bar-

dzo sensowna i atrakcyjna w praktyce, ponie-

Druga klasa Szkoły Konstruktorów

Co tu nie gra?

Co tu nie gra?

– Szkoła Konstruktorów klasa II

Rys. B

Rys. A

IN

OUT

ADJ

+

+

+

+

+

OUT+

JP1

VCC

GND

JP3

JP2

OUT_

OUT_

R5

C3

R2

R1

C1

C4

IC1

Q1

R3

R4

R6

R7

R8

R9

R10

C2

C5

Rys. C

worldmags & avaxhome

worldmags & avaxhome

49

Szkoła Konstruktorów

Czerwiec 2010

Czerwiec 2010

Elektronika dla Wszystkich

waż budzi też nadzieję na zrealizowanie jeszcze
prostszej wersji, z modnymi dziś wskaźnikami
analogowymi i potencjometrem, zadającym
napięcie wyjściowe, według koncepcji z rysun-
ku D. Tak przynajmniej chcieli go wykorzystać
niektórzy uczestnicy naszej Szkoły w zadaniu
głównym, dotyczącym zasilaczy.

Taki pomysł jest z gruntu błędny, i to z kilku

powodów. Tylko na pozór jest to stabilizator z
dodatkowym tranzystorem, zwiększającym prąd
wyjściowy. Otóż wśród licznych przykładów
zastosowań stabilizatora LM317 można znaleźć
propozycję z jednym tranzystorem, a w niektó-
rych kartach katalogowych jest zamieszczony
schemat stabilizatora dużej mocy z dodatkowymi
dwoma tranzystorami, w tym z nieprodukowa-
nym już 15-amperowym TIP73 – patrz rysunek
E. Takie stabilizatory „wzmocnione” tranzysto-
rami dają wprawdzie większy prąd, jednak tracą
dwa kluczowe zabezpieczenia: termiczne i zwar-
ciowe. Dlatego też większość kart katalogowych
stabilizatora LM317 i pokrewnych nie zawiera
takich propozycji.

Niemniej można byłoby spróbować zreali-

zować prosty zasilacz regulowany, na przykład
według rysunku F. Pozwalałby on uzyskać
napięcie wyjściowe U

OUT

w zakresie od mniej

więcej 2V wzwyż.

Jednak propozycja z rysunków B i C nie

jest takim „wzmocnionym stabilizatorem”! Tu
trzeba przypomnieć, że podstawową zasadą
działania stabilizatorów trzykońcówkowych jest
utrzymywanie stałego napięcia o wartości
około 1,25V między wyjściem OUT a końców-
ką ADJ(ust). Gdy układ z rysunku F nie jest
obciążony, przez stabilizator i przez rezystory
R

S

, i dalej przez R1 do wyjścia wzmacnia-

cza operacyjnego, płynie tylko mały prąd ok.
10mA, niezbędny do prawidłowej pracy stabi-
lizatora. Także przy małych prądach obciążenia
cały prąd płynie przez stabilizator U1, ponieważ
spadek napięcia na rezystorze R

S

jest mały.

Wtedy obecność R

S

i tranzystora T1 można

pominąć. Dopiero przy prądzie wyjściowym
około 1A, spadek napięcia na rezystorze R

S

zbliża się do 0,7V i otwiera tranzystor T1. Przy
prądach obciążenia większych od 1A, przez sta-
bilizator płynie prąd około 1A, natomiast reszta
przez tranzystor T1. Przez cały czas stabilizator
pilnuje, by napięcie U

Y

wynosiło 1,25V. W

układzie z rysunku F napięcie wyjściowe U

OUT

jest sumą napięcia na wyjściu wzmacniacza
operacyjnego U

X

i napięcia charakterystycz-

nego stabilizatora U

Y

=1,25V. Napięcie U

X

ma

wartość wyznaczoną przez napięcie na suwaku
potencjometru (Uster) i przez wzmocnienie
wzmacniacza (R

B

/R

A

+1). Minimalna wartość

napięcia U

X

w przypadku kostki LM358 wynie-

sie około 0,7...0,8V – będzie to „ujemne napię-
cie nasycenia” wzmacniacza LM358 przy dość
dużym prądzie wpływającym około 10mA.

Taki zasilacz miałby rację bytu, choć nie

miałby obwodu pomiaru i ograniczania prądu
ani żadnych zabezpieczeń przeciwzwarcio-
wych. Warto też zauważyć, że podczas pracy,

wahania napięcia z poten-
cjometru (Uster) będą
zmieniać napięcie U

X

i

napięcie wyjściowe. Dla
uzyskania dobrej stabili-
zacji, napięcie sterujące
Uster powinno być dobrze
stabilizowane i filtrowa-
ne. Obecność
stabilizatora
LM317 nic tu
nie pomoże, bo
on pilnuje tylko
p r e c y z y j n i e
napięcia U

Y

, a

nie U

X

. Nie ma

tu sprzężenia
zwrotnego z
wyjścia zasila-
cza. Dlatego też
dodanie obwo-
du pomiaru prądu według pomysłu
z rysunków B, C popsułoby dobry
współczynnik stabilizacji napięcia.
Rezystor pomiarowy (R8 na rysun-
kach B i C) należałoby umieścić
inaczej. Okazuje się, że można to
zrobić bardzo prosto i to co najmniej
na dwa sposoby. W szczegóły nie
będziemy wchodzić, a zajmiemy się
tym w kolejnych odcinkach cyklu
Kuchnia Konstruktora.

Natomiast zupełnie inne jest

działanie układu
z rysunków B i
C, ponieważ tam
tranzystor jest
włączony ina-
czej, co pokazane
jest na rysunku
G. Owszem, sta-
bilizator nadal
pilnuje swojego
własnego napięcia
U

Y

=1,25V, doda-

jąc je do napięcia
U

X

, jednak przy

wzroście prądu obciążenia, napięcie wyjściowe
U

OUT

na obciążeniu jest niższe o U

S

– o spadek

napięcia na rezystorze R

S

. Gdy wzrastający prąd

obciążenia zwiększy spadek napięcia U

S

do

około 0,6...0,7V, to zacznie się otwierać tranzy-
stor T1 i płynący przezeń prąd zahamuje dalsze
obniżanie się napięcia wyjściowego. Przy dal-
szym zwiększaniu prądu obciążenia, napięcie
wyjściowe U

OUT

nadal będzie jednak trochę

malało, z uwagi na wzrost napięcia baza-emiter
tranzystora T1 lub mówiąc inaczej, z uwagi na
obecność dynamicznej rezystancji emiterowej
tranzystora. Na charakterystyce na rysunku G
przebieg napięcia wyjściowego w funkcji pobo-
ru prądu I

L

pokazuje czerwona linia. Jak z tego

widać, układ z rysunku G w ogóle nie zasługuje
na miano stabilizatora. Jeszcze gorzej byłoby w
oryginalnym układzie z rysunków B, C z rezy-

storem pomiarowym R8, który jeszcze bardziej
zwiększałby zmiany napięcia wyjściowego pod
wpływem prądu obciążenia.

Nasuwa się pytanie – jaką funkcję w ana-

lizowanym układzie pełni wtedy stabilizator
LM317?

W praktyce – żadną. Jest jedynie pomocni-

czym układem sterującym dla tranzystora mocy
T1, który przy prądzie maksymalnym wymaga
prądu bazy większego, niż może dostarczyć
wyjście wzmacniacza operacyjnego LM358.
Ale zamiast stosować LM317 w roli drivera,
można układ uprościć i uzyskać takie same
właściwości. Wystarczy w roli T1 wykorzystać
układ Darlingtona, a jeśliby komuś nie podobał
się podwójny spadek napięcia U

BE

, to może

wykorzystać układ Szikla’ego – rysunek H.
Właśnie układ Szikla’ego pozwoli nieco zmniej-

I

O

GND

OUT+

+

JP1

VCC

GND

I

U

JP3

JP2

OUT_

OUT_

_

+

STABILI-

ZATOR

Wy

We

+

_

LM 317

LM 317

R1

+

+

Pot

C2

C1

0,7W

0,7W

R

S

R

S

IN

OUT

ADJ

LM 317

LM 317

+

+

22W

22W

5kW

5kW

120kW

120kW

10 F

m

10 F

m

10 F

m

10 F

m

47

F

m

47

F

m

IN

OUT

ADJ

+

V

I

V

I

V

I

V

I

V

O

V

O

V

O

V

O

2N2905

TIP73

500W

500W

1N4002

*

+

_

U1

R1

+

0,7W

0,7W

120W

120W

R

S

R

S

R

B

R

B

R

A

R

A

IN

OUT

ADJ

+

U

Y

U

Y

=1

,2

5V

U

X

U

X

U

ster

U

st

er

U

OUT

U

OUT

+

VCC

Pot

T1

10mA

LM358

I

A

I

A

I

A

I

A

=I

A

+

=I

A

+

I

L

I

L

I

L

I

L

I

T

I

T

LM 317

LM 317

120kW

120kW

IN

OUT

ADJ

R

S

R

S

T1

R

L

R

L

U

Y

U

Y

U

S

U

S

U

X

U

X

U

OUT

U

O

U

T

+

I

T

I

T

I

T

I

T

tu nachylenie charakterystyki wynika

ze spadku napęecia

na rezystancji emiterowej T1

tu nachylenie charakterystyki wynika

ze spadku napęecia

na rezystancji emiterowej T1

U

Y=

1,25V

U

Y

=

1,

25

V

U

X

U

X

U

S

U

S

U

OUT

U

O

U

T

spadek

napięcia

na R

S

na R

S

I

T

I

T

I

L

I

L

I

A

I

A

I

T

I

T

I

A

I

A

I

L

I

L

I

L

I

L

U

Rys. D

Rys. E

Rys. F

Rys. G

worldmags & avaxhome

worldmags & avaxhome

50

Szkoła Konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich

Czerwiec 2010

Czerwiec 2010

szyć straty napięcia na elementach sterujących.
Nietrudno znaleźć w katalogu kostki LM317
informację, że nawet przy dużej wartości R

S

,

czyli przy małych prądach stabilizatora, mini-
malny spadek napięcia między końcówkami IN,
OUT wynosi ponad 1,5V, jak pokazuje rysunek
J. A przecież problem dotyczy dużych prądów,
gdy prąd wyjściowy jest rzędu kilku amperów, a
prąd bazy T1, pobierany z wyjścia stabilizatora,
może wynosić 100...500mA – wtedy zgodnie z
rysunkiem J, spadek napięcia na stabilizatorze
będzie większy niż 1,6V. Jak pokazuje rysunek
K, taka sama lub nawet odrobinę lepsza sytua-
cja jest w zasilaczu z obwodem Sziklai’ego.

Przeanalizuj jeszcze raz podane wiadomo-

ści, bo wniosek jest zaskakujący – stabilizator
LM317 absolutnie nie jest potrzebny, bo nie
poprawia w niczym działania układu. Napięcie
wyjściowe w układzie z rysunku G i tak zależy
od napięcia U

X

i jego ewentualnych wahań, a

także zależy od prądu wyjściowego I

L

. Jest to

więc zupełnie niepotrzebna komplikacja, nie
mająca żadnego uzasadnienia, a wprowadza-
jąca w błąd nieuważnych i początkujących,
którym wydaje się, że kostka LM317 pełni tu
swą kanoniczną funkcję stabilizatora i polepsza
właściwości. W rzeczywistości jest odwrotnie.

Można się nawet pokusić o stwierdzenie, że

lepszy byłby układ z dodatkowym rezystorem
R

Z

według rysunku L, ponieważ rezystor ten

może stanowić prymitywny ogranicznik prądu
podczas ewentualnego zwarcia wyjścia. A zde-
cydowanie lepsza byłaby wersja z tranzystorem
PNP z rysunku M, ale to już zupełnie inna
historia.

Tutaj zwolennicy techniki cyfrowej zaprote-

stują i stwierdzą, że wszystko to nieprawda, bo
wszystko można skorygować cyfrowo, odpo-
wiednio pisząc program dla procesora.

Owszem, można programowo odjąć spadek

napięcia na R8 od napięcia występującego
na R6, R7, jednak wbrew pozorom nie da się
zmniejszyć dynamicznej oporności wyjścio-
wej, która jest równa sumie R8 i rezystancji
dynamicznej złącza emiterowego tranzystora.
Dotyczy to zarówno pierwszej, prostszej wersji,
jak i wersji, gdzie stabilizację ma zapewnić
program w mikrokontrolerze.

To może być zaskoczenie dla „mikroproce-

sorowców”, którzy mają nieuzasadnione prze-
konanie o wyższości rozwiązań cyfrowych nad
analogowymi. Także tym wypadku wydaje im
się, że programowo można nie tylko uwzględnić
spadek napięcia na R8, by napięcie wyjściowe
Uwy było dokładnie równe nastawionej i wska-
zywanej na wyświetlaczu wartości. Wydaje
im się też, że można programowo zrealizować
funkcję skutecznego ogranicznika prądowego i
zabezpieczenia przeciwzwarciowego i skutecz-
nie wyeliminować negatywny wpływ obecności
rezystora pomiarowego R8.

Teoretycznie tak, a w praktyce nie. Zacznijmy

od tego, że sygnał wyjściowy z mikroprocesora,
podawany na punkt JP2 to przebieg PWM, czyli
przebieg prostokątny, o międzyszytowej ampli-
tudzie zapewne 5V. Taki przebieg trzeba uśred-

nić, czyli zamienić na napięcie stałe za
pomocą filtru dolnoprzepustowego, w
tym wypadku obwodu R5C3. Zaproponowane
elementy dają dużą stałą czasową 10ms. I to
jest istotny problem w wersji drugiej z mikro-
procesorem w roli „cyfrowego” stabilizatora.
Mianowicie z uwagi na obecność R5C3, układ
będzie reagował na gwałtowne zmiany prądu
obciążenia ze znacznym opóźnieniem, absolut-
nie niedopuszczalnym dla porządnych stabili-
zatorów. Teoretycznie można byłoby próbować
to poprawić, stosując bardzo dużą wartość C5,
rzędu tysięcy mikrofaradów, ale z innych wzglę-
dów nie jest to dobry pomysł. Jeszcze gorzej
będzie w przypadku przeciążenia lub zwarcia
– może się okazać, że zanim zareaguje proce-
sor i obwód R5,C3, duży prąd przeciążeniowy
uszkodzi albo zasilacz (tranzystor szeregowy
i mostek prostowniczy), albo układ/element,
który jest obciążeniem.

Przecież oryginalna wersja z rysunków B, C

nie ma żadnego szybkiego zabezpieczenia prze-
ciwzwarciowego, co jest bardzo poważną wadą.
Owszem, takim zabezpieczeniem przeciwzwar-
ciowym może być rezystor pomiaru prądu (R8
na rysunkach B, C), ponieważ przy zwarciu to
on określi prąd maksymalny, o ile oczywiście
transformator i prostownik dostarczą takiego
prądu. Ponieważ z innych względów wartość
rezystora R8 powinna być jak najmniejsza,
więc wartość prądu ograniczania przy zwarciu
będzie niepraktycznie wysoka, jak pokazuje
przykład z rezystorem R8=0,05

Ω z rysunku

N. Warto przy tym zauważyć, że minimalne
napięcie wyjściowe U

OUT

przy bardzo małych

prądach obciążenia, i bez obciążenia, wyniesie
około 2V z uwagi na napięcie U

Y

stabilizatora

oraz na ujemne napięcie nasycenia wzmacnia-
cza LM358 (Usat), wynoszące około 0,75V
przy prądzie 10mA wpływającym do wyjścia.
Natomiast przy dużych prądach wyjściowych I

L

rzędu amperów, minimalne napięcie wyjściowe
U

OUT

będzie mniejsze, około 1V, jak pokazuje

rysunek N.

Problem braku zabezpieczenia zwarciowego

oraz znaczne opóźnienie, wnoszone przez pro-
cesor, a zwłaszcza jeszcze większe opóźnienie
obwodu R5C3 powodują, że wersja druga z
procesorem w roli regulatora jest co najmniej
niebezpieczna. Co gorsza, bez świadomości
problemu nawet przeprowadzone pomiary
mogą dać optymistyczne wyniki. Mianowicie
jeśli pomiary nie będą obejmować stanu zwar-

U

OUT

U

O

U

T

U

OUT

U

O

U

T

+

+

U

ster

U

st

er

U

ster

U

st

er

układ

Darlingtona

układ

Darlingtona

układ

Sziklai'ego

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

-50 -25

0

25

50

75 100 125 150

-50 -25

0

25

50

75 100 125 150

T

J Temperatura z ą

(

ł cza

Temperatura z ą

(

ł cza °C)

1.0 A

I = 1.5 A

= 1.5 A

500 mA

500 mA

200 mA

200 mA

20 mA

20 mA

V-

V

in

out

V

-V

in

o

u

t

R

A

R

A

R

A

R

A

R

B

R

B

R

B

R

B

R

S

R

S

U

OUT

U

O

U

T

U

OUT

U

O

U

T

min.ok.

1,6V

m

in

.o

k.

1,

6V

min.ok.

1,4V

m

in

.o

k.

1,

4V

m

in

.2

,3

V

m

in

.2

,1

V

0,

7V

0,

7V

+

+

IN

OUT

ADJ

U1

LM317

R1

R

A

R

A

R

B

R

B

R

Z

R

Z

U

OUT

U

O

U

T

+

R

A

R

A

R

B

R

B

U

OUT

U

O

U

T

+

U

ster

U

st

er

I

ZW

~ ~

20A

I

ZW

~ ~

20

A

LM 317

LM 317

LM 358

LM 358

IN

OUT

ADJ

1,

25

V

~1

V

U

~ ~

0,75V

sat

U

~ ~

0,

75

V

sa

t

U

~1V

OUT

U

~1

V

O

U

T

R

=0,05

8

W

R

=0

,0

5

8

W

+

Z

zw

ar

ci

e

Rys. H

Rys. J

Rys. K

Rys. L

Rys. M

Rys. N

worldmags & avaxhome

worldmags & avaxhome

51

Szkoła Konstruktorów

Czerwiec 2010

Czerwiec 2010

Elektronika dla Wszystkich

Policz 172

Przymierzamy się do budowy nietypowego,
eksperymentalnego zdalnego sterowania z
wykorzystaniem modułów radiowych 433MHz.
Posiadane moduły umożliwiają przesyłanie syg-
nałów o częstotliwości do 5kHz. W naszym
systemie potrzebne są tylko dwa rozkazy. W
nadajniku pracowałby generator przebiegu pro-
stokątnego, który po naciśnięciu przycisku dałby
przebiegi o jednej z potrzebnych częstotliwości
f

1

lub f

2

. Zastanawiamy się, czy w odbiorniku

nie wykorzystać dwóch obwodów rezonanso-
wych nastrojonych na te dwie częstotliwości,
według ogólnej idei z rysunku A. Zakładamy,
że częstotliwości tych obwodów f

1

, f

2

będą

leżeć w zakresie 1...5kHz. Chcemy wykorzy-
stać gotowe dławiki i popularne kondensatory
MKT. Gotowi jesteśmy przeprowadzić liczne
próby, sprawdzić różne konfiguracje układowe
i sprawdzić doświadczalnie, czy taka koncepcja
się sprawdzi. Jednak nawet do wstępnych prób
potrzebne są elementy LC, które trzeba kupić.
W ramach zadania 172 należy:
- zaproponować wartości częstotliwości f

1

, f

2

,

- obliczyć, jakie dławiki i kondensatory nale-
ży w tym celu zakupić.

Jak zawsze, bardzo proszę, żeby nadsyłane

rozwiązania były możliwie krótkie. Praca powin-
na zawierać zwięzły opis przebiegu obliczeń.

Nagrodami będą kity AVT lub książki, a

najaktywniejsi uczestnicy są okresowo nagra-
dzani bezpłatnymi prenumeratami EdW lub
innego wybranego czasopisma AVT. Wszystkie
rozwiązania należy nadsyłać w terminie 60 dni
od ukazania się tego numeru EdW. Powinny

one mieć dopisek

Policz172 (na kopercie,

a w tytule maila dodatkowo nazwisko, np.:
Policz172Jankowski). Z uwagi na specyfikę
zadania, bardzo proszę o podawanie swoje-
go wieku oraz miejsca nauki czy pracy. W
e-mailach podawajcie też od razu swój adres
pocztowy.

Zapraszam do rozwiązania tego zadania

zarówno doświadczonych, jak i początkujących

elektroników, którzy nie potrafią przeanalizo-
wać wszystkich subtelności układu. Można też
jeszcze nadsyłać rozwiązania zadania Policz171
z poprzedniego miesiąca.

Rozwiązanie zadania

Policz 167

W EdW 1/2010 przedstawione było zadanie
Policz167, które brzmiało: Mamy urządzenie
zasilane z czterech baterii jednorazowych, alka-
licznych paluszków AA. Średnio pobiera ono
moc 0,36W (

rysunek B).

W ramach zadania Policz167 należało:
- obliczyć, a raczej oszacować czas pracy z

jednego kompletu baterii.

Wprawdzie zadanie było o tyle trudniejsze,

że trzeba było zdobyć dodatkowe informacje o
pojemności alkalicznych paluszków AA (LR6),
jednak uczestnicy dobrze sobie z tym poradzili.
W Internecie można bez trudu znaleźć potrzeb-
ne informacje o pojemności. Efektem jest duża
liczba uczestników tego zadania.

Podstawowe obliczenia

Problem polegał na tym, że nie ma jednej
jedynie słusznej wartości pojemności baterii
alkalicznych. Producenci podają różne war-
tości, przeważnie w zakresie od 2000mAh do
3000mAh. Można było ostrożnie przyjąć, że
pojemność takiej baterii wynosi na przykład
2000mAh, czyli 2Ah. Do obliczeń trzeba też
było przyjąć wartość napięcia baterii – mogło to
być napięcie nominalne, czyli 1,5V. Pomnożenie
tych dwóch wartości daje ilość energii zawartej
w jednej baterii:

E = 2Ah * 1,5V =
3VAh = 3Wh

My mamy zestaw

czterech takich bate-
rii, więc sumaryczna
ilość zawartej w nich
energii to 12Wh.

W zadaniu było

podane, że średnia moc, czyli średni pobór ener-
gii, wynosi 0,36W.

Wystarczy podzielić ilość energii przez moc,

by otrzymać czas pracy:
t = 12Wh / 0,36W = 33,3h

Baterie starczą na 33 godziny, czyli jedną

dobę i dziewięć godzin.

Większość uczestników liczyła nieco ina-

czej. Rysunek B sugeruje, że ogniwa są połą-

czone szeregowo, więc
ich napięcie się sumuje.
W najprostszym przypad-
ku można było przyjąć,
że napięcie w obwodzie
wynosi 4*1,5V=6V, co
przy mocy 0,36W=360mW daje prąd
I = 360mW / 6V = 60mA

Teraz wystarczyło podzielić

pojemność ogniwa przez prąd, by otrzymać
czas pracy. Dla pojemności 2000mAh wynik
jest oczywiście taki sam:
t = 2000mAh / 60mA = 33,3h

Poszczególni uczestnicy przyjęli różne

wartości pojemności ogniwa alkalicznego, od
1800mAh do 2890mAh i obliczone przez nich
mniejsze lub większe czasy pracy odpowiadały
tak przyjętej wartości. Takie proste obliczenia
pozwalały oszacować czas pracy z bardzo małą
dokładnością, niemniej były jak najbardziej
prawidłowym i wystarczającym rozwiązaniem
postawionego zadania.

Dla dociekliwych

W omawianym przypadku dokładne obliczenia
były praktycznie niemożliwe, i to z kilku powo-
dów. Warto mieć wyobrażenie o wchodzących
tu w grę zależnościach i wątpliwościach, by
nie trzymać się kurczowo wzorów i informacji
handlowych. Otóż na uzyskiwaną pojemność
mają duży wpływ rozwiązania technologiczne,
wykorzystywane przy produkcji baterii. Baterie
dobrych firm mają znacząco lepsze właści-
wości od wielu znacznie tańszych baterii nie-
markowych (ale czasem bywa też odwrotnie).
Dokładniejsza analiza mogłaby wykazać, że
korzystniejsze ekonomicznie jest wykorzysty-
wanie trochę gorszych, ale dużo tańszych baterii
niemarkowych niż drogich wyrobów znanych
firm, reklamujących się w telewizji. Ale to
zupełnie inny temat. Dla nas ważny jest fakt, że
nieużywane baterie alkaliczne różnych wytwór-
ców mogą mieć znacząco różną pojemność.

Pojemność baterii. Jeden z uczestników

napisał: Według angielskiej Wikipedii pojem-
ność alkalicznych baterii AA, czyli LR6, wynosi
od 1700 do 3000mAh.

Ale to nie jest cała prawda o bateriach:

pojemność zależy nie tylko od producenta, ale
też od prądu rozładowania i od temperatury
pracy. W materiałach reklamowych podawa-
na jest pojemność przy małym albo bardzo

Trzecia klasa Szkoły Konstruktorów

cia i będą statyczne, realizowane za pomo-
cą woltomierza i amperomierza, to wszystko
może się zgadzać i może się wydawać, że
układ uwzględnia obecność rezystora R8 i dzia-
ła świetnie. Wady można wykryć dopiero za
pomocą oscyloskopu, zmieniając gwałtownie
prąd obciążenia. Wtedy okaże się, iż parametry
dynamiczne takiego zasilacza są wręcz fatalne.
A to może się zemścić w wielu praktycznych
zastosowaniach. Niestety, analizowany układ
został zaprojektowany przez kogoś, kto nie

czuje problemów związanych z zasilaczami, a
w omawianym układzie z rysunku B technika
cyfrowa nie jest w stanie wyeliminować wad i
błędów części analogowej.

Ogólnie biorąc, zadanie Co tu nie gra?

numer 167 okazało się trudne. Napłynęło
mniej niż zwykle rozwiązań. Wygląda na to, że
część uczestników nie przeanalizowała dokład-
nie działania tranzystora, współpracującego z
układem LM317. Owszem, część uczestników
słusznie podkreślała, że wadą jest umieszczenie

rezystora pomiaru prądu R8, jednak nie poja-
wiły się prawidłowe propozycje poprawy. Jak
wspomniałem, tymi kwestiami zajmiemy się
szeroko w cyklu Kuchnia Konstruktora. A na
razie podsumowując zadanie Co to nie gra? 167
informuję, że upominki otrzymują:
Andrzej Telszewski

– Banie,

Rafał Miąskiewicz

– Kawęczyn,

Jan Łocki

– Wrocław.

Wszystkich uczestników dopisuję do listy

kandydatów na bezpłatne prenumeraty.

generator

G

TX

RX

f1

f1

f1

f1

f2

f2

f2

f2

moduł

moduł

nadawczy

odbiorczy

A

A

B

B

+

R

0,36W

L

R

0,36W

L

Rys. B

Rys. A

worldmags & avaxhome

worldmags & avaxhome