39

E l e k t r o n i k a   d l a   W s z y s t k i c h

Maj 2002

Wyprawa szósta − A6

potencjometry

układy scalone

kondensatory

diody

diody LED

tranzystory

przycisk

membrana piezo

PCA−100 

rezystory

Turbodopalacz do budzika (dla śpiochów)

(Dyskotekowy) łańcuch świetlny, Czarodziejski generator,

Centralka alarmowa, Wirujące kółko, Tester tranzystorów,

Optyczno−akustyczny symulator alarmu, 

Przełącznik zmierzchowy, Przeraźliwa syrena alarmowa,

Patchwork, czyli (widmowa) makatka

Gdy pierwszy raz w życiu stajesz na nartach, nie odbywa
się to na szczycie Kasprowego. Szukasz jakiegoś łagodne−
go, mało stromego stoku, jednym słowem − oślej łączki.

Dopiero gdy na takiej oślej łączce nauczysz się podstaw,
będziesz w stanie bezpiecznie zjechać z Kasprowego.

Niniejszy cykl jest odpowiednikiem wypraw na taką

oślą łączkę. Poszczególne wyprawy pozwalają poznać ko−
lejne  najważniejsze  zagadnienia  elektroniki.  Kurs  został
pomyślany,  by  przede  wszystkim  bawić,  a przy  okazji
uczyć.  Zabawa  polega  na  wykonywaniu  różnych  cieka−
wych i pożytecznych układów.

Niniejszy materiał jest szóstą wyprawą na oślą łączkę.

Nadal będziemy się zajmować układami cyfrowymi.

Określenie „technika cyfrowa“ może budzić obawy, że

chodzi o coś bardzo trudnego. Niektórzy są przekonani, że
jeśli jest „cyfrowa“, to ma ścisły związek z matematyką, i to
matematyką  wyższą.  W rzeczywistości  ta  dziedzina  elek−
troniki  okazuje  się  bardzo  łatwa  do  opanowania.  Wbrew
pozorom okazuje się zdecydowanie łatwiejsza niż technika
analogowa, którą zajmowaliśmy się na poprzednich wypra−
wach. Tak! Przekonasz się o tym osobiście podczas kolejnej
„cyfrowej“ wyprawy na elektroniczną oślą łączkę. 

W niniejszym cyklu wszelkie interpretacje fizyczne są

mocno  uproszczone  (o ile  w ogóle  są),  a główna  uwaga
jest skierowane na zagadnienia praktyczne. Uwydatnia to
charakterystyczna struktura kursu − każdy odcinek zawie−
ra cztery bloki, wyróżnione kolorami.

Najważniejszy blok to umieszczone na białym tle ćwi−

czenia praktyczne

. Samo przeczytanie tekstu nie dostar−

czy  Ci  wszystkich  najważniejszych  informacji.  Dopiero
praktyczne wykonanie i zbadanie zaproponowanych ukła−
dów pozwoli wyciągnąć wnioski i w pełni zrozumieć opi−
sane  zagadnienia.  Pomogą  informacje  zawarte  w czę−
ściach ELEMENTarz i Technikalia.

Zapewniam, że zaczynając znajomość z techniką cyfro−

wą od tak zwanych układów CMOS nie musisz mieć żadnej
wiedzy matematycznej. Musisz jednak wiedzieć, co to jest
rezystor i kondensator. Musisz też znać zasady oznaczania
rezystorów i kondensatorów oraz wiedzieć, co to jest i jak
działa tranzystor, zarówno zwykły, bipolarny, jak i polowy
(MOSFET). Zagadnienia te zostały wyczerpująco omówio−
ne podczas dwóch pierwszych „analogowych“ wypraw na
oślą  łączkę.  Można  je  znaleźć  w archiwalnych  numerach
Elektroniki dla Wszystkich, począwszy od numeru 10/2000.

Do  wykonania  wszystkich  układów  tej  „cyfrowej“

wyprawy  wystarczą  schematy  i fotografie  zamieszczone
w artykule. Do ich zasilania najlepiej nadaje się stabilizo−
wany  zasilacz  wtyczkowy  12V 250mA,  a w większości
ćwiczeń  możesz  wykorzystać  baterię  9V.  Komplet  ele−
mentów  do  budowy  wszystkich  ćwiczeń  tej  wyprawy
będzie można zamówić jako zestaw A06. Elementy mo−
żesz lutować, możesz też wykorzystać uniwersalną płytkę
stykową. Informacje handlowe podane są na stronie 80,81.

Życzę sukcesu także na tej wyprawie.

Piotr Górecki

Prąd elektryczny przepływający przez ciało czło−
wieka nie jest obojętny dla zdrowia. Czym więk−
sze napięcie, tym większy prąd i większy wpływ
na organizm.
Napięcia  nie  przekraczające  24V uznaje  się  za
bezwzględnie bezpieczne.
Napięcia rzędu 60V i więcej uznawane są za nie−
bezpieczne. Napięcie w domowym gniazdku sie−
ci energetycznej wynosi 220...230V − jest to więc
napięcie groźne dla życia!

Przeprowadzanie prób z układa−
mi dołączonymi wprost do sieci
grozi śmiercią!

Aby zapobiec nieszczęściu, należy zasilać budo−
wane układy z baterii albo z użyciem fabryczne−
go, atestowanego zasilacza, który co prawda jest
dołączany do sieci, ale zastosowane rozwiązania
zapewniają galwaniczną izolację od sieci i pełne
bezpieczeństwo.

Ośla łączka

A6

109

A6

110

Na wyprawie piątej wykorzystywaliśmy

podstawowe elementy cyfrowe − bram−

ki i inwertery. W ćwiczeniu 5 zbudowa−

liśmy  wtedy  uniwersalny  sygnalizator.

Aby  pozbyć  się  najróżniejszych  „śmie−

ci”, wprowadziliśmy histerezę przez do−

danie  dwóch  rezystorów.  Histerezę

i przerzutnik  Schmitta  poznaliśmy  już

wcześniej  na  wyprawie  A2  począwszy

od  ćwiczenia  5  (EdW 12/2000  str.  88,

EdW 1/2001 str. 39, EdW 2/2001 str. 37,

38).  Dzięki  histerezie,  układ  zmienia

stan  w sposób  pewny  i zdecydowany.

Okazuje się, że histereza jest wręcz nie−

zbędna,  gdy  do  układu  cyfrowego  do−

prowadzamy  różne  „nietypowe”  sygna−

ły,  zwłaszcza  sygnały  wolnozmienne

i „zaśmiecone”.

Nadeszła chwila, byśmy zapoznali się

praktycznie  z układami  cyfrowymi,

które mają na wejściach wbudowane ob−

wody zapewniające histerezę. Mówimy,

że  są  to  układy  z wejściami  Schmitta.

W naszym  elektronicznym  żargonie

mówimy: „ze szmitem na wejściu”.

Zbadaj prosty układ według rysunku 1

i fotografii  1.  Nie  zapominaj  o podłą−
czeniu  wyprowadzeń  zasilania  układu
scalonego  (oznaczanych  VSS,  VDD  −
nóżki  7,  14),  które  zawsze  muszą  być
podłączone,  a których  z reguły  nie  ry−
sujemy  na  schematach

.  Podobnie  pa−

miętaj,  że  wszystkie  niewykorzystane
wejścia trzeba gdzieś podłączyć (do ma−
sy,  do  zasilania,  albo  do  czynnych
wyjść).

Po włączeniu zaświecą się obie lampki.

Jeśli  nie,  poczekaj  minutę

aż zaformuje się kondensa−

tor 22µF. Zaciśnij przycisk

S1.  Lampka  D1  zacznie

pomału zmniejszać swą ja−

sność. A co z lampką D2?

Nawet bez sprawdzania

domyślasz  się,  że  wystąpi

tu  histereza  i lampka  D2

będzie zaświecać się i ga−

snąć  w sposób  szybki

i pewny, a nie płynnie. Na−

tomiast  lampka  D1  udo−

wadnia,  że  na  wejściu

bramki  napięcie  zmienia

się bardzo powoli. Układ reaguje na na−

ciśnięcie przycisku z pewnym opóźnie−

niem, nie reaguje na krótkie zwarcie sty−

ku,  a także  na  ewentualne  zakłócenia

impulsowe.  To  w wielu  przypadkach

bardzo cenna zaleta.

Można powiedzieć, że bramka z wej−

ściem  Schmitta  znakomicie  wyostrza

zbocza sygnału.

Poświęć, proszę, trochę więcej czasu

i zmontuj  układ  według  rysunku  2a.

Pomału  z pomocą  wkrętaka  zmieniaj

położenie 

suwaka 

potencjometru

i zmierz woltomierzem, przy jakim na−

pięciu  wejściowym  bramki  przełączają

się  ze  stanu  niskiego  do  wysokiego,

a przy jakim ze stanu wysokiego do ni−

skiego. Różnica tych napięć to właśnie

histereza. Zmierz i zapisz, jak duża jest

histereza  posiadanych  egzemplarzy  ko−

stek  „ze  szmitem”,  które  masz  (40106

i 4093). Przekonaj się, czy wielkość hi−

sterezy, czyli mierzonej właśnie różnicy

napięć  progowych  zależy  od  napięcia

40

Ośla łączka

E l e k t r o n i k a   d l a   W s z y s t k i c h

Maj 2002

E
L
E
M
E
N
T

a

r

z

 

 

E
L
E
M
E
N
T

a

r

z

 

 

E
L
E
M
E
N
T

a

r

z

 

 

E
L
E
M
E
N
T

a

r

z

Próg przełączania

Na  poprzedniej  wyprawie  stwierdziliśmy
krótko, że stan niski to brak napięcia, a stan
wysoki  to  obecność  napięcia  zasilającego.
Na  pierwszy  rzut  oka  wszystko  wydaje  się
proste i oczywiste. Ale jak zareaguje wejście
układu cyfrowego na obecność jakiegoś po−
średniego napięcia między „czystymi” stana−
mi logicznymi?

Nie  powołuj  się  tu  na  zasłyszane  gdzieś

informacje,  że  takie  pośrednie  napięcia  to
stan  zabroniony,  a  jeśli  zabroniony,  to  nie
może się pojawić.

Może się pojawić i się pojawi, i to często.
I co wtedy będzie?
Generalnie  wejścia  cyfrowe  rozróżniają

tylko  dwa  stany  logiczne,  dlatego  „nietypo−
we” napięcie wejściowe powinno zostać po−
traktowane albo jak stan niski, albo wysoki.
Teoretycznie  napięcia  niższe  od  połowy  na−
pięcia zasilania powinny zostać potraktowa−
ne jako stan niski, wyższe od połowy napię−
cia zasilania – jako stan wysoki. Rysunek I
pokazuje charakterystykę przejściową ideali−
zowanego inwertera 4069, zawierającego tyl−
ko  dwa  tranzystory  MOSFET przy  napięciu
zasilania  15V.  Gdy
na  wejściu  będzie
„czysty”  stan  niski,
czyli napięcie równe
zeru, na wyjściu na−
pięcie  będzie  równe
napięciu  zasilania
(15V) – reprezentuje
to  punkt  A na  cha−
rakterystyce.  Przy
napięciu  wejścio−
wym  równym  7V,
napięcie  wyjściowe

Ćwiczenie 1  

Histereza

Czy pamiętasz, że...

rysując schematy elementów logicznych

z reguły nie zaznaczamy końcówek zasilania.

Aby układ prawidłowo działał,

zawsze muszą one być podłączone.

F

F

o

o

t

t

.

.

 

 

1

1

Rys. 1

Rys. 2

Ośla łączka

A6

111

45

E l e k t r o n i k a   d l a   W s z y s t k i c h

Maj 2002

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

  

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

  

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

  

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

  

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

  

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

  

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

wyniesie około 11,5V – to zaznaczony punkt
B, a przy 8V na wejściu, na wyjściu będzie
około  3,3V –  to  punkt  C.  Trudno  tu  mówić
o „czystych” stanach logicznych na wyjściu.
Nasz  inwerter  jest  w sumie...      wzmacnia−
czem odwracającym.

Lepiej  jest  w bardziej  rozbudowanych

bramkach, zawierających dodatkowe tranzy−
story, tworzące wyjściowe bufory. Te bramki
też  są  w sumie  wzmacniaczami,  ale  o dużo
większym  wzmocnieniu,  dzięki  czemu  cha−
rakterystyka  przejściowa  jest  bardziej  stro−
ma. Rysunek II pokazuje charakterystykę in−
wertera wykonanego z bramki NAND 4011.
Tu rzeczywiście sytuacja jest lepsza. Zdecy−
dowana  większość  układów  CMOS  ma  po
kilka  stopni  i stromość  charakterystyki  jest
przynajmniej  taka,  jak  pokazanej  kostki
4011, a nawet większa. Dlatego śmiało mo−
żemy  mówić  o napięciu  progowym  bramki:
napięcia  niższe  od  napięcia  progowego  zo−
staną potraktowane jako stan niski, a wyższe
− jako stan wysoki.

W układach CMOS 4000 teoretycznie na−

pięcie progowe powinno być równe połowie
napięcia  zasilania,  co  też  sugerują  rysunki  I 
i II. Teoretycznie! Może już podczas poprze−
dniej  wyprawy  zauważyłeś,  że  zwykle  nie
jest to dokładnie połowa napięcia zasilające−
go. I tu widać jeden z problemów – poszcze−
gólne  egzemplarze  układów  CMOS  mają
różną  wartość  tego  napięcia  progowego. 
Rysunek  III

pokazuje  zakres,  w  którym 

mieszczą się charakterystyki niebuforowanej
kostki  4069.  Charakterystyka  konkretnego
egzemplarza  ma  kształt,  jak  na  rysunku  I, 
ale jest przesunięta gdzieś w zakresie zazna−
czonym szarym kolorem na rysunku III.

Jeśli  mamy  do  czynienia  z układami

„czysto  cyfrowymi”  i „czystymi”  prze−

biegami  cyfrowymi,  układy  „ze  szmi−

tem” nie wykazują żadnych istotnych za−

let. Gdy jednak na układ cyfrowy podaje−

my  różne  sygnały  z zewnątrz,  bramki 

z wejściowym obwodem Schmitta odda−

ją nieocenione usługi.

Zapamiętaj,  że  właśnie  bramki

Schmitta z obwodem RC na wejściu, we−

dług  rysunku  3,  filtrują  niepotrzebne

„śmieci”,  czyli  zakłócenia  impulsowe, 

a przy tym zupełnie nie boją się powol−

nych  zmian  sygnału  i dają  na  wyjściu

przebiegi o ostrych zboczach. Są przez to

bardzo często wykorzystywane w prakty−

ce. Wartość stałej czasowej RC trzeba do−

brać  stosownie  do  okoliczności,  zazwy−

czaj R*C=0,05...0,5s. Garść dalszych in−

formacji znajdziesz w ELEMENTarzu.

Jeśli  masz  elementy  z poprzedniej

wyprawy  A05  (termistor,  fotorezystor,

fototranzystor),  zbuduj  jakiś  układ  we−

dług  rysunku  4.  Wcześniej  robiliśmy

coś  podobnego  albo  za  pomocą  tranzy−

storowego przerzutnika Schmitta z dwo−

ma  tranzystorami  i trzema  rezystorami

(EdW 1/2001  str.  40),  albo  z  dwoma

„zwykłymi” bramkami i dwoma rezysto−

rami  (EdW 10/2001  str.  45).  Teraz  wy−

starczy do tego jedna jedyna bramka czy

inwerter.  Pozostałe  można  wykorzystać

dowolnie do innych celów.

Trzeba tylko pamiętać, że nie można

tu regulować histerezy – jest ona wyzna−

czona przez właściwości bramki. W wie−

lu przypadkach nie jest to wadą i śmiało

można  w  ten  sposób  realizować    prze−

łączniki  zmierzchowe  i  proste  czujniki

temperatury,  na  przykład  do  sterowania

wentylatorka komputerowego.

zasilania? A czy zależy też od tempera−

tury?  Jeśli  masz  lutownicę  i jesteś 

cierpliwy,  możesz  delikatnie  podgrzać

układ  scalony  i zbadać  również  tę 

zależność.

W układzie według rysunku 2b mo−

żesz  się  przekonać,  czy  poszczególne

bramki z jednego układu scalonego ma−

ją identyczne napięcia progowe.

Warto byłoby zapisać wnioski z pomia−

rów. Być może to ćwiczenie wyda Ci się

żmudne i nudne, jest jednak bardzo ważne

i przyda  Ci  się  w przyszłości,  jeśli  bę−

dziesz projektować różne własne układy.

W przyszłości często będziesz wykorzy−

stywał  układ  według  rysunku  5a.  In−

werter U1A pracuje tu jako... generator.

Tak, inwerter z wejściem Schmitta po−

zwala  zbudować  najprostszy  generator

przebiegu prostokątnego. Takie generatory

wykorzystujemy bardzo często. Generato−

ra takiego nie da się zbudować na jednym

„zwykłym” inwerterze z kostki 4069 czy

4049.  Musi  to  być  bramka  odwracająca

(inwerter)  z  wej−
ściem Schmitta

.

Jak  się  być

może domyślasz,

bramka  NAND 

z 

wejściami

Schmitta (4093)

doskonale nadaje

się do budowy generatora sterowanego.

Generator  według  rysunku  5b  pracuje,

jeśli na wejściu sterującym jest stan wy−

soki. Przebiegi w układzie z rysunku 5b

pokazane są na rysunku 5c. 

Zauważ,  że  napięcie  na  kondensato−

rze się zmienia, ale zawsze jest to napię−

cie  o  jednakowej  biegunowości.  Dzięki

temu  można  zastosować  kondensator

elektrolityczny.  Oznacza  to,  że  układ

Rys. I

Rys. II

Ćwiczenie 3  

Czarodziejski generator

Ćwiczenie 2  

Czyszczenie sygnałów

Rys. 3

Rys. 5

Rys. 4

A6

112

46

Ośla łączka

E l e k t r o n i k a   d l a   W s z y s t k i c h

Maj 2002

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

  

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

  

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

  

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

  

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

  

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

  

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

Musisz też wiedzieć, że wartość napięcia

progowego  wejścia  zmienia  się  troszkę  pod
wpływem zmian temperatury, czyli charakte−
rystyka  przesuwa  się  nieco  w  osi  poziomej.
Podobny  zakres  dla  bramek  z  kostki  4011
i podobnych pokazany jest na rysunku IV.

Ze  względu  na  takie  rozrzuty  napięcia

progowego kostek i na inne czynniki zaleca
się, by w przypadku układów CMOS unikać
na  wejściach  i  wyjściach  napięć  o  wartości
30...70% napięcia zasilania.

Natomiast  napięcia  wynoszące  0....30%

napięcia  zasilania  można  traktować  jako
„czysty” stan niski, a napięcia 70...100% na−
pięcia zasilania – jako „czysty” stan wysoki.
Przykładowo  przy  napięciu  zasilania  5V,
„czysty”  stan  niski  to  napięcia  0...1,5V,  a
„czysty”  stan  wysoki  to  napięcia  3,5...5V.
Przy napięciu zasilania 12V zakresy będą wy−
nosić odpowiednio 0...3,6V oraz 8,4...12V.

Uwaga! Napięcia z „zabronionego” zakresu

pośredniego  w  żadnym  wypadku  nie  grożą
uszkodzeniem  obwodów  wejściowych.  Ozna−
cza to, iż napięcia „pośrednie”, zwłaszcza w za−
kresie 50% napięcia zasilania, mogą być przez
niektóre  egzemplarze  układów  interpretowane
jako stan niski, a przez inne – jako wysoki.

Tylko tyle i aż tyle!
Choć może się wy−

dawać, iż jest to kwe−
stia bez znaczenia, roz−
rzuty  i  zmiany  napię−
cia  progowego  mają
wpływ na przykład na
częstotliwość  genera−
torów oraz czasy uzy−
skiwane  w  układach
z elementami RC.

Rys. III

Rys. IV

może  generować  przebieg

o  dowolnie  małej  częstotli−

wości  (dowolnie  długim

okresie), byleby tylko upływ−

ność  kondensatora  nie  była

zbyt  duża.  Gdy  na  wejściu

sterującym jest stan niski, ge−

nerator  nie pracuje, a na wyj−

ściu  bramki  utrzymuje  się

ciągle stan wysoki. Także na

kondensatorze  napięcie  jest

praktycznie  równe  napięciu

zasilania.  Jest  to  bardzo  ko−

rzystne  w  przypadku,  gdy

kondensator  jest  zwykłym

„aluminiowym elektrolitem”.

Jak wiadomo, takie kondensatory „stoją−

ce” pod napięciem będą zaformowanie i

zawsze gotowe do pracy.

W rodzinie CMOS 4000 nie ma bra−

mek NOR „ze szmitem”, więc nie moż−

na zbudować podobnego generatora uru−

chamianego niskim stanem logicznym.

W razie  potrzeby,  możesz  w  prosty

sposób  zmieniać  współczynnik  wypeł−

nienia  generowanego  przebiegu.  Kilka

gotowych schematów do wykorzystania

znajdziesz na rysunku 6. Oczywiście ja−

ko C1 może pracować „zwykły elektro−

lit” lub „tantal”. Wypróbuj działanie ta−

kich niecodziennych generatorów. Foto−
grafia  2

pokazuje  model  do  ekspery−

mentów zbudowany według rysunku 7.

Sprawdź koniecznie, jak zmienia się wy−

pełnienie impulsów przy pokręcaniu po−

tencjometrem  PR1.  Zwróć  uwagę,  że

kondensator  generatora  może  być  rów−

nie dobrze dołączony do plusa zasilania,

a  nie  do  masy.  Dotyczy  to  także  „elek−

trolitów”.  Mam  nadzieję,  że  masz  foto−

rezystor,  choćby  z  wyprawy  drugiej.

Zbliżając  rękę  do  fotoelementu  spróbuj

uzyskać  dźwięk  syreny  policyjnej.  Jeśli

nie  masz  fotorezystora,  zamiast  niego

wykorzystaj  potencjometr  montażowy.

Koniecznie zbadaj, jak w układzie z ry−

sunku  7b,  gdzie  fotorezystor  zastąpisz

rezystorem 10kΩ, zmienia się częstotli−

wość  wytwarzanego  przebiegu  przy

zmianach  napięcia  zasilającego.  Mam

nadzieję, że po poprzednich wyprawach

potrafisz  zmieniać  napięcie  zasilania. 

A czy  podgrzewanie  układu  scalonego

zmienia częstotliwość? Warto też spraw−

dzić,  przy  jakim  napięciu  minimalnym

generator jeszcze pracuje.

Już  te  proste  sposoby  udowodnią,  że

stabilność  generatora  z  bramką  Schmitta

w  funkcji  zmian  napięcia  zasilania  jest

wręcz fatalna. Jeśli masz komplet elemen−

tów  do  poprzedniego  ćwiczenia,  dla  po−

równania zbuduj „klasyczny” generator z

dwoma zwykłymi bramkami (4069, 4011,

4001)  i  przekonaj  się,  że  zapewnia  on  o

wiele lepszą stałość częstotliwości.

Zapamiętaj to raz na zawsze!

Piotr Górecki

Ciąg dalszy w następnym numerze EdW.

F

F

o

o

t

t

.

.

 

 

2

2

Rys. 7

Rys. 6