osla10.qxd

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

Ośla łączka

Zbuduj  układ  według  rysunku  5
z bramkami  NOR  z układu  scalonego
4001 (nie zapomnij o końcówkach zasi−
lania).  Bramki  U1A,  U1D (oznaczone
A,  D)  tworzą  tak  zwany  przerzutnik
RS,  dwie  pozostałe  bramki  sterują  dio−
dami LED. Zauważ, że bramki B, C peł−
nią funkcję negatorów.

Przerzutnik ten jest elementem pa−

miętającym – zapamiętuje i pokazuje

świeceniem diod LED, który z przyci−
sków został ostatnio naciśnięty.

Jeśli chcesz, układ o takich właściwo−

ściach  zbudujesz  z bramkami  NAND
według  rysunku  6.  Tym  razem  stany
wyjść  zmieniamy  zwierając  wejścia
z masą. W układzie pokazanym na foto−
grafii 6 wolne bramki pełnią rolę nega−
torów  i są  sterownikami  dwóch  kontro−
lek LED.

Bramki XOR, XNOR

Rysunek 14 pokazuje symbole i działanie
bramek XOR i XNOR (EXOR i EXNOR). Są
wykorzystywane stosunkowo rzadko i nie bę−
dziemy się na razie nimi zajmować. Informu−
ję tylko o ich istnieniu.

Zasady ich działania są takie same, jak po−

danych wcześniej bramek dwuwejściowych.

Układy rodziny CMOS 4000

W ramach  Oślej  łączki  wykorzystujemy
układy  logiczne  (cyfrowe)  rodziny  CMOS
4000, ponieważ mają bardzo dobre właści−
wości i od ponad trzydziestu lat zasłużenie
cieszą się wielką popularnością wśród prak−
tyków.  Oto  najważniejsze  cechy  układów
CMOS  4000,  z których  większość  można
sprawdzić w ćwiczeniach:
1.  Mogą  być  zasilane  napięciem  stałym
w szerokim zakresie: 3...18V.
2. Ogromnie cenną zaletą jest fakt, że ukła−
dy CMOS w spoczynku nie pobierają prą−
du  ze  źródła  zasilania.  Prąd  jest  pobierany
tylko w krótkich chwilach, gdy na wejściach
i wyjściach zmieniają się stany logiczne.
3.  Wejścia  mają  ogromną  rezystancję  wej−
ściową. W praktyce oznacza to, że wejścia
nie  pobierają  prądu  −  sterowanie  odbywa
się na drodze napięciowej.

Dlaczego „cemos”?

Działanie tranzystorów MOSFET omawialiśmy podczas
drugiej wyprawy (A2). Ponieważ są to elementy składo−
we  bramek  i wszystkich  innych  układów  logicznych
CMOS, warto krótko przypomnieć ich działanie. Pomo−
cą będzie rysunek A. Połączenie dwóch komplementar−
nych  tranzystorów  MOSFET daje  najprostszy  element
logiczny – inwerter. Tak właśnie zbudowane są inwertery
układu CMOS 4069. Gdy na wejściu napięcie jest równe
zeru  (stan  logiczny  niski),  przewodzi  górny  tranzystor
MOSFET P i na wyjściu jest stan wysoki. Dolny tranzystor

(MOSFET N)  jest  za−
tkany.  Gdy  na  wejściu
jest  stan  wysoki,  czyli
napięcie bliskie napię−
ciu  zasilania,  przewo−
dzi  dolny  tranzystor,
a górny  jest  zatkany  −
na  wyjściu  napięcie
jest  równe  zeru,  czyli
utrzymuje się tam stan
niski.

Zwróć uwagę, że w normalnych warunkach pracy,

gdy na wejściu występują „czyste” stany logiczne, zawsze
jeden z tranzystorów jest zatkany, więc spoczynkowy po−
bór prądu jest równy zeru. Dotyczy to wszystkich ukła−
dów  CMOS.  Jedynie  w czasie,  gdy  napięcie  na  wejściu
ma  wartość  zbliżoną  do  połowy  napięcia  zasilania  −
w praktyce  wtedy,  gdy  napięcie  wejściowe  się  zmienia,
przez  krótką  chwilę  przewodzą  oba  tranzystory  i układ
CMOS pobiera prąd z zasilacza.

Rysunek B pokazuje budowę wewnętrzną dwuwej−

ściowej bramki NAND z kostki 4011 oraz dwuwejściowej

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

LEMENT

arz

LEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

TECHNIKALIA

Ćwiczenie 3

Przerzutnik RS

Czy wiesz, że...

Określenie CMOS (Complementary

MOS) informuje, iż układ scalony jest zbudo−

wany z tranzystorów komplementarnych (dopeł−

niających) MOS, czyli z MOSFET−ów N

i MOSFET−ów P. Bipolarny układ scalony

to układ zawierający zwykłe, czyli

bipolarne tranzystory.

Rys. 5

Informacje dotyczące zestawu EdW−A05 do „Oślej łączki“

znajdują sie na stronie 80.

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

Ośla łączka

W ćwiczeniu 3 testowaliśmy przerzutnik
RS.  Możesz  w bardzo  prosty  sposób
zbudować    przełącznik  dotykowy  (sen−
sorowy)  z takim  przerzutnikiem.  Wy−
starczy  w układzie  z rysunku  5  zwięk−
szyć wartość R1, R2 do 10M

Ω i usunąć

S1, S2, a układ zasilany z zasilacza bę−
dzie reagował na dotykanie punktów A,
B.  Układ  jest  mało  praktyczny,  bo  pod
wpływem różnych zakłóceń może nastą−
pić  samoczynne  przełączenie.  Aby
zmniejszyć czułość na zakłócenia, moż−
na dodać na wejściach obwody filtrujące
RC  według  rysunku  7a.    Jeśli  jednak

zdecydowanie zwiększysz stałą czasową
RC,  np.  zwiększając  C1,  C2  do  100nF,
układ przestanie reagować na dotknięcie
czujników  –  obwody  RC  o dużej  stałej
czasowej  stłumią  przebieg  zmienny,  in−
dukowany w Twoim ciele.

Przekonaj się, że układ nie będzie

działał  przy  zasilaniu  bateryjnym,
a także  przy  jednoczesnym  dotknięciu
czujników i obwodu masy. Jeśli jednak
dotkniesz  jednocześnie  do  czujnika
i do  dodatniej  szyny  zasilania,  układ
według rysunku 7a na pewno zadziała,
nawet z dużymi pojemnościami. W tym

Uwaga! Wejść układów CMOS w żad−

nym  wypadku  nie  można  pozostawić  nie−
podłączonych,  czyli  jak  mówimy  „zawie−
szonych  w powietrzu”.  Niewykorzystane
wejścia koniecznie trzeba połączyć albo do
masy,  albo  do  plusa  zasilania,  albo  do  ja−
kiegoś wyjścia.
4.  Pomimo,  że  „wewnętrzna”  bramka
w spoczynku  nie  pobiera  prądu,  z jej  wyj−
ścia można pobierać prąd. Wartość tego prą−
du jest rzędu kilku...kilkudziesięciu miliam−
perów i zależy od wartości napięcia zasila−
nia.  W praktyce  obwód  wyjściowy  bramki
CMOS  można  traktować  jako  przełącznik
z wbudowanym  rezystorem  według  rysun−
ku  poniżej.  Czym  wyższe  napięcie  zasila−
nia, tym większy prąd można pobrać z wyj−
ścia  (czyli  wartość  „rezystora”  maleje  ze
wzrostem napięcia zasilajacego).
5.  Delikatne  wejścia  układów  CMOS  mają
wbudowane wewnętrzne obwody zabezpie−

czające.  Są  to  rezystory  i diody  włączone
zwykle  jak  na  rysunku  poniżej.  Najczę−
ściej nie ma to żadnego znaczenia dla dzia−
łania  układów,  ale  w niektórych  przypad−
kach (np. generatory, układy czasowe) trze−
ba  pamiętać  o istnieniu  tych  obwodów
i uwzględniać ich wpływ.

TECHNIKALIA

bramki NOR z kostki 4001. Przeanalizuj te dwa rysunki,
by wiedzieć, jak z grubsza zbudowana jest bramka.
Z grubsza, bo wszystkie układy CMOS mają na wejściach
i wyjściach obwody zabezpieczające, a do tego pewne pa−
sożytnicze struktury.

TTL, MOS, CMOS...

Jak już wiesz, bramki logiczne można zrealizować różnymi
sposobami. Realizowano je z użyciem przekaźników, lamp
elektronowych, diod i tranzystorów. Później pojawiły się
układy scalone.

Pierwsze naprawdę popularne scalone układy cyfrowe

(logiczne) zawierały tranzystory bipolarne. Były to ukła−
dy tak zwanej rodziny TTL (Transistor Transistor Logic),

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

Ćwiczenie 4

Przełącznik sensorowy

Takie przerzutniki RS

dość często wykorzystu−
jemy w praktyce.

Przeanalizuj

samo−

dzielnie,

ewentualnie

sprawdź  woltomierzem,
jak zmieniają się stany lo−
giczne  (napięcia)  na  wej−
ściach  i wyjściach  pod−
czas  i po  naciśnięciu
przycisku S1, a potem S2
w obu układach. Możesz
śmiało naciskać jednocze−
śnie  oba  przyciski,  nic
złego się nie stanie.

Rys. 6

Rys. 7

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

Ośla łączka

przypadku nie wykorzystujemy „śmie−
ci”  indukowanych  w ciele,  tylko  prze−
pływ  prądu  stałego  przez  rezystancję
skóry.  Wykorzystaliśmy  czujnik  rezy−
stancyjny.  Tym  razem  jeden  czujnik
zawiera dwie elektrody.

W praktyce częściej stosujemy ukła−

dy z czujnikiem rezystancyjnym, gdzie
jedna z elektrod czujnika jest dołączona
nie do plusa zasilania tylko do masy –

przykład pokazany jest na rysunku 7b.
W czujniku rezystancyjnym obwody fil−
trujące R3C1, R4C2 mają dużą stałą cza−
sową i skutecznie eliminują „śmieci” −
przebiegi zmienne.

Fotografia 7 pokazuje model z kon−

trolkami LED, wykorzystujący układ
z poprzedniego ćwiczenia. Elektrodami
są kawałki drutu, zaznaczone na fotogra−
fii czerwonymi literami A, B.

Obwody te, o których istnieniu przekonu−

jemy się w ćwiczeniach 7 i 8, chronią przed
niszczącym działaniem tak zwanych ładun−
ków statycznych.

Fotografia poniżej pokazuje kilka ukła−

dów scalonych rodziny CMOS 4000.

Najpopularniejsze kostki

Jak już wiesz, najczęściej wykorzystywane
są inwertery oraz dwuwejściowe bramki
NAND i NOR. W rodzinie CMOS są to ko−
stki o oznaczeniach 4069, 4011 i 4001.

Scalone układy cyfrowe, których bę−

dziesz  używać,  są  umieszczone  w tak  zwa−
nych obudowach DIL (Dual−in−line). Nie bę−
dziesz  mieć  trudności  z numeracją  nóżek  –
zasada  jest  bardzo  prosta.  Każdy  układ  ma
wcięcie, punkt lub inny znaczek przy jednym
krótszym  boku.  Jak  patrzymy  na  układ  od
góry,  gdy  ten  znaczek  znajduje  się  z lewej
strony,  wtedy  dolna  nóżka  w pobliżu  tego
znaczka  ma  zawsze  numer  1,  a numeracja
wzrasta  w kierunku  przeciwnym  do  ruchu
wskazówek  zegara.  Ilustruje  to  fotografia
poniżej.

zasilane napięciem 5V – można je było poznać po pierw−
szych

dwóch

cyfrach

oznaczenia

(SN74XX,

UCY74XX...).  Rysunek C,  znany  z niemal  wszystkich
podręczników,  pokazuje  schemat  wewnętrzny  bramki
NAND  z klasycznej  kostki  7400  standardowej  rodziny
TTL. Trochę później pojawiły się układy scalone z tranzy−
storami  unipolarnymi  MOS  (z tranzystorami  polowymi),
a potem  ukazały  się  tak  zwane  układy  CMOS  (Comple−
mentary MOS) zawierające, jak wskazuje nazwa, komple−
mentarne  tranzystory  MOS,  czyli  zarówno  tranzystory
MOSFET z kanałem N, jak i z kanałem P. Ogromną popu−
larność  zdobyły  i utrzymują  do  dziś  kostki  rodziny
CMOS4000  (oznaczenie  zaczyna  się  od  cyfry  4).  Pełnią
one takie same funkcje, jak układy rodziny TTL, ale mają
odmienny układ wyprowadzeń i różnią się pewnymi istot−
nymi  parametrami  (np.  zakresem  dopuszczalnych  napięć
zasilania). Co ciekawe, właśnie rodzina CMOS 4000 oka−

zała się tak atrakcyjna, że przetrwała bez większych zmian
trzydzieści lat aż do dziś.

Trzeba jednak lojalnie przyznać, że rodzina TTL

(74XX)  ze  „zwykłymi”  tranzystorami  rozwijała  się  i to
nieporównanie szybciej niż rodzina CMOS4000. Powsta−
wały  kolejne,  ulepszane  generacje:  74HXX,  74SXX,
74LXX, 74LSXX, 74FXX. Co ciekawe, z czasem pojawi−
ły  się  wersje  z tranzystorami  polowymi  CMOS,  w pełni
wymienne z układami 74XX: 74HCTXX, 74ACTXX, itd.
Obecnie  układów  podstawowej,  bipolarnej  rodziny  TTL
(kostek  o oznaczeniach  74,  a także  74H,  74L,  74S)  nikt
już nie produkuje. Dzisiejsi następcy, pełniący identyczne
funkcje  i mający  rozkład  wyprowadzeń  identyczny  jak
stare bipolarne kostki 74XX, to też wersje CMOS: 74HC,
74HCT, 74AC, 74ACT. W technice cyfrowej królują obe−
cnie układy CMOS, natomiast układy bipolarne są w zde−
cydowanej mniejszości. Natomiast w technice analogowej

TECHNIKALIA

Ćwiczenie 5

Sygnalizator uniwersalny

Detektor wilgoci

W ćwiczeniu 2 w układzie z rysunku
4b stan diody LED zależał od napięcia
stałego na wejściu.

Jeśli zamiast potencjometru zastosu−

jemy rezystor i fototranzystor, termistor,
itp., otrzymamy atrakcyjny czujnik
światła, temperatury, itp.

Pamiętasz chyba jednak, że już na

poprzednich  wyprawach  natknęliśmy
się  na  kłopoty,  gdy  zmiany  wielkości
mierzonej  były  bardzo  powolne.  Teraz
po próbach z ćwiczenia 2 wiesz, że jed−

nym  z większych  problemów  są  elek−
tromagnetyczne  „śmieci”,  przedostają−
ce  się  na  wejścia  układów  CMOS.
Co  prawda  można  je  odfiltrować  za
pomocą  obwodów  RC,  jednak  to  nie
do końca załatwia sprawę. Nieprzypad−
kowo  już  na  wcześniejszych  wypra−
wach  w różnorodnych  sygnalizatorach
stosowaliśmy  obwody  zapewniające
histerezę.  Wykorzystywaliśmy  prze−
rzutnik  Schmitta,  zbudowany  z dwóch
tranzystorów.

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

Jeśli więc chcesz wykonać podobny

sygnalizator  z bramkami,  nie  zapomnij
o histerezie.  Histerezę  zrealizujemy
w bardzo  prosty  sposób  za  pomocą
dwóch  rezystorów  i dwóch  negatorów  –
zestaw  któryś  układ  według  rysunku
8a...8c. Dodaj potencjometr PR1 i diodę
LED  według  rysunku  8d.  W modelu
z fotografii 8a znów wykorzystałem ne−
gatory z kostki 4069. Układ jest podobny,
jak  na  rysunku  4c.  Czy  teraz  uda  Ci  się
ustawić PR1, by dioda LED świeciła po−
łową  jasności?  W żadnym  wypadku!
Dzięki  obecności  rezystorów  Rx,  R1
układ gwałtownie „przeskakuje” z jedne−
go stanu do drugiego – daje o sobie znać

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

Ośla łączka

Symbole i rozkład wyprowadzeń najpo−

pularniejszych  bramek  znajdziesz  na  sche−
matach. Spróbuj zapamiętać rozkład wypro−
wadzeń  inwerterów  i bramek  dwuwejścio−
wych,  żeby  za  każdym  razem  nie  zaglądać
do katalogu. Właśnie te kostki są zdecydo−
wanie  najpopularniejsze  i umożliwiają  bu−
dowę zadziwiająco wielu ciekawych i przy−
datnych w praktyce układów.

W rodzinie CMOS 4000 znajdziesz

bramki trzy−, cztero− i ośmiowejściowe, nie
ma  natomiast  scalonych  bramek  pięcio−,
sześcio−  czy  siedmiowejściowych.  Układy
scalone o oznaczeniach 4081 i 4071 zawie−
rają  po  cztery  dwuwejściowe  bramki  AND
i OR. Układ wyprowadzeń wszystkich bra−
mek rodziny CMOS 4000 znajdziesz w czę−
ści  pt.  Biblioteczka  praktyka w EdW
11/2001.

Uwaga! W przypadku rodziny CMOS

4000  końcówki  zasilania  umieszczone  są
w narożnikach.  W omawianych  najpopular−
niejszych kostkach 14−nóżkowych są to koń−
cówki o numerach 7 (minus) oraz 14 (plus).
W układach 16−nóżkowych będą to końców−
ki  nr  8  i 16,  w 24−nóżkowych:  12  i 24.

TECHNIKALIA

nadal

stosowanych

jest wiele układów bi−
polarnych, jak choćby
poznane

wcześniej

stabilizatory. Fotogra−
fia obok pokazuje kil−
ka starszych i now−
szych kostek rodziny
74xx.

Czy chcesz być

kustoszem muzeum?

Prawdopodobnie wpadną Ci w ręce układy starej, standar−
dowej  rodziny  TTL.  Produkowane  w Polsce  układy  bipo−
larnej  rodziny  TTL miały  oznaczenia  zaczynające  się  od
UCY74. Dziś są to układy zdecydowanie przestarzałe i nie
będziemy  się  nimi  zajmować.  Jeśli  wpadną  w Twe  ręce
układy serii UCY..., możesz je śmiało traktować jako muze−

alne zabytki. Podobnie wszystkie układy za−

wierające w oznaczeniu 74xx, 74Hxx,

74Sxx, 74Lxx.

Prądożercy?

Wszystkie

cyfrowe

układy

CMOS podłączone do źródła za−

silania i pozostające w spoczynku

praktycznie nie pobierają prądu.

Prąd jest pobierany tylko wtedy, gdy

w układzie „coś się dzieje”, a i to nie cały

czas, tylko podczas zmian stanów. Ilustrują to rysunek D
i E. Rysunek D wskazuje, że prąd pobierany jest tylko wte−
dy, gdy napięcia na wejściach nie są „czystymi” stanami lo−
gicznymi. Największy prąd (w sumie wcale nie tak duży,
mniejszy niż 1mA) jest pobierany, gdy napięcie na wej−
ściu(−ach) jest równe połowie napięcia zasilania. Poza tym,
pobór prądu silnie zależy od napięcia zasilania.

Rysunek E pokazuje, że nawet prosty inwerter popra−

wia stromość zboczy (co wynika z faktu, że jest też
wzmacniaczem), a co ważniejsze, prąd jest pobierany
w sposób impulsowy. Właśnie ze względu na takie impul−

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

Czy wiesz, że...

Przed laty najpopularniejsze wówczas cy−

frowe układy scalone rodziny TTL zasilane były
napięciem 5V (4,5...5,5V). Ze względu na specy−

ficzną budowę bipolarnych układów TTL jako
poziom logiczny niski traktowane były napię−

cia w zakresie 0...0,8V, natomiast jako po−

ziom wysoki napięcia 1,4V...5V.

Rys. 8

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

Ośla łączka

Wyjątek stanowią kostki 4049 i 4050 zawie−
rające negatory i bufory o większej wydaj−
ności prądowej.

Pamiętaj, iż na schematach z reguły nie

zaznacza  się  końcówek  zasilania  układów
cyfrowych, traktując to jako coś oczywiste−
go.  Choć  w spoczynku  układy  CMOS  nie
pobierają  prądu,  końcówki  zasilające  za−
wsze muszą być podłączone do szyn zasila−
jących.

Oznaczenia układów

Układy CMOS 4000 (i inne) wytwarzane są
przez wielu producentów. Choć pełnią iden−
tyczne  funkcje,  różnią  się  oznaczeniem.  Na
obudowie  układów  scalonych  zazwyczaj
znajdziesz znaczek – logo producenta. Dwie
pierwsze cyfry oznaczenia też wskazują pro−
ducenta (licencjodawcę). Nie są one dla Cie−
bie  istotne.  Układy  oznaczone  CD4011,
MM4011,  V4011,  GD4011,  TC4011,
HCF4011,  HEF4011,  MMC4011 to ta sama
kostka 4011 zawierająca cztery dwuwejścio−
we bramki NAND.

Uwaga! Możesz napotkać dwa wyjątki.

Znana  firma  Motorola  dodaje  na  początku
oznaczenia cyfrę 1, a literki oznaczenia to za−
wsze  MC.  Stąd  MC14011  to  też  kostka  4011.
Drugi wyjątek to wciąż obecne na rynku kostki
CMOS produkcji nieistniejącej już polskiej fir−
my CEMI. Oznaczone były literami MCY, a do
numeru  oznaczenia  dodana  była  początkowa
cyfra 7. Stąd MCY74011 to też układ 4011.

Litery za oznaczeniem, na przykład

41011BP, 4011B, 4011D, 4011BE, 4011BCP
nie mają dla Ciebie żadnego znaczenia – nio−
są one informacje o szczegółach istotnych
dla profesjonalnych konstruktorów.

sy prądu zasilania, w układach cy−
frowych  koniecznie  należy  stoso−
wać kondensatory filtrujące w ob−
wodzie  zasilania  –  producenci  za−
lecają  jeden  „elektrolit“  100

µF

i dodatkowo  przynajmniej  jeden
ceramiczny  100nF  na  każde  pięć
układów scalonych. Zwróć uwagę,
że  zastosowałem  je  w większości
układów.  Ich  brak  w bardziej
skomplikowanych  układach  może
spowodować  różne  przykre  nie−
spodzianki.  Nie  zapominaj  więc
o kondensatorach  filtrujących  na−
pięcie zasilania.

Wyścig z czasem

Cieszymy się, że bramki CMOS w spoczynku nie pobie−
rają prądu. To, że podczas pracy pobierają pewien prąd nie
jest wcale tragedią. Ogólnie biorąc, jedna bramka CMOS
pobiera bardzo mało prądu, nawet przy dużych częstotli−
wościach. Na przykład w generatorze większy wpływ na

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

TECHNIKALIA

Czy wiesz, że...

Układy cyfrowe pobierają prąd

w sposób impulsowy. Głównie dlatego ko−

nieczne jest stosowanie kondensatorów filtrują−

cych (inaczej odsprzęgających). W obwodzie za−

silania każdego urządzenia powinien być włą−

czony przynajmniej jeden kondensator elektro−

lityczny (10...100µF) i przynajmniej po jed−

nym kondensatorze ceramicznym

100nF na każde pięć układów

scalonych.

Czy wiesz, że...

Układy rodziny CMOS 4000 mają odmienny rozkład

wyprowadzeń niż pełniące identyczne funkcje

logiczne kostki wywodzące się z rodziny

TTL.

histereza. Sprawdź za pomocą woltomie−
rza, jak zmienia się wielkość pętli histere−
zy, gdy rezystor Rx ma wartości 10M

Ω,

Ω, 10kΩ, 1kΩ i wyciągnij wnioski.

Oczywiście możesz stosować dowolne
rezystory z zakresu 1k

Ω...10MΩ. Na fo−

tografii  8b zobaczysz  podobny  układ
z kostką  4011.  Pozwoli  on  zrealizować
uniwersalny  sygnalizator.  Możesz  wy−
korzystać układ z rysunku 9. Zazwyczaj
wystarczy  niewielka  histereza,  którą
osiągniemy z rezystorem R3 o wartości

100k

Ω...1MΩ. Model z fotografii 9 po−

kazuje  sygnalizator  zmierzchowy.  Wy−
korzystałem  tu  fototranzystor  z poprze−
dnich ćwiczeń. Jeśli takowego nie masz,
możesz zastosować inny czujnik, np. ter−
mistor czy fototranzystor. Możesz wyko−
nać prosty czujnik wilgoci, np. sygnali−
zator suchego kwiatka. Czujnikiem będą
dwa druty wbite w doniczkę. Musisz in−
dywidualnie  dobrać  wartość  rezystora
R1,  by  sygnalizator  odzywał  się,  gdy
kwiatek będzie wymagał podlania.

Rys. 9

Bramki i inwertery dobrze nadają się do
budowy generatorów. Zbuduj układ we−
dług  rysunku  10a  i  zasil  go  napięciem
3...3,5V. Dwa inwertery, rezystor i kon−
densator tworzą generator. Trzeci inwer−
ter  steruje  pracą  diody  LED.  Rezystory
ograniczające prąd diod LED nie są po−
trzebne, bo przy małych napięciach zasi−
lających wyjścia CMOS mają małą wy−
dajność  prądową.  Rytm  migania    obu
diod LED jest inny, bo wartości stałych
czasowych  RC  w obu  generatorach  są
różne.  Możesz  je  zresztą  zmieniać
w szerokich  granicach  (10k

Ω...10MΩ,

100nF...1

µF).

W roli elementu Y1 możesz włączyć

brzęczyk piezo z generatorem. Sprawdź
też co będzie, jeśli włączysz membranę
piezo PCA−100.

Nie zapomnij o końcówkach zasila−

nia! Żeby Cię przyzwyczajać do
przyjętych  zasad,  celowo  nie
oznaczyłem  numerów  nóżek
układu scalonego i nie zaznaczy−
łem  obwodów  zasilania  –  oczy−
wiście  zasilanie  podłączysz  do
nóżek  14  (plus)  oraz  7  (minus  −
masa).  Układ trzeba zasilać na−
pięciem  nie  większym  niż  5V,
np.  z jednej  baterii  litowej  (3V)
albo  z 2...3  „paluszków”  bądź
małych  ogniw  zegarkowych
(3...4,5V).  Fotografia  10 poka−
zuje model zbudowany na płytce
stykowej.  Jeśli  spodoba  Ci  się
taki układ i znajdziesz dla niego
jakieś  praktyczne  zastosowanie,
możesz wykorzystać drukowaną
płytkę  uniwersalną  lub  zmonto−
wać układ „w pająku”.

Gdy ktoś zapyta, co to jest,

odpowiesz, że to połączenie mrygadełka
z piszczykiem. Nie musisz zdradzać do
czego służy. Przypuszczam, że znaj−
dziesz dla tego drobiazgu jakieś sensow−
ne zastosowanie. Zmieniaj wartości ele−
mentów

szerokim

zakresie

(10k

Ω...22MΩ, 10nF...1µF).

W układzie generatora z rysunku

10a koniecznie trzeba stosować konden−
satory niebiegunowe, bo w trakcie pracy
biegunowość  napięcia  na  nich  zmienia
się.  Jeśli  jednak  częstotliwość  ma  być
bardzo mała, trudno będzie znaleźć kon−
densatory  stałe  o pojemności  powyżej
1

µF. W ostateczności możesz wykorzy−

stać „elektrolity”, ale ze względu na

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

Ośla łączka

Często na układzie podana jest też data

produkcji  w niecodziennej  postaci:  dwie
ostatnie cyfry roku i numer tygodnia w ro−
ku.  Na  przykład  9824  wskazuje,  iż  układ
wyprodukowany został w 24 tygodniu 1998
roku.  Na  obudowie  spotyka  się  też  czasem
inne litery i cyfry. Nie zawracaj sobie nimi
głowy.

pobór prądu ma wartość współpracujących
rezystorów  (przez  te  rezystory  płynie  prąd
ładowania  i rozładowania)  –  badaliśmy  to
w ćwiczeniu  6.  Oczywiście  wolelibyśmy,
żeby ten prąd był jak najmniejszy. Czy ma−
my na to wpływ?

Wiemy już, że prąd płynie tylko w krót−

kich  chwilach,  gdy  zmieniają  się  napięcia
na  wejściach.  Czym  częstsze  zmiany  sta−
nów  (większa  częstotliwość  zmian),  tym
więcej prądu pobierają układy CMOS. Czy−
li  możemy  zmniejszać  pobór  prądu,  jeśli
częstotliwość  zmian  będzie  mniejsza.  To
jedna sprawa. A teraz druga.

Czy już widzisz, że czym szybciej

zmieniają  się  napięcia  na  wejściach,  tym
pobór  prądu  będzie  mniejszy?  Wpływ  ma
nie  tylko  częstotliwość  zmian,  ale  i szyb−
kość zmian.

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

Rys. 11

TECHNIKALIA

Czy wiesz, że...

Oznaczenia układów CMOS 4000

produkowane przez firmę Motorola nie za−

czynają się od cyfry 4, tylko 14. Układy Mo−

toroli poznasz po literach MC – np. MC14001

to kostka 4001.

Natomiast stare polskie układy miały

oznaczenia zaczynające się od

MCY74, na przykład

MCY74011.

Ćwiczenie 6

Mrygadełko i piszczyk

Rys. 10

4069

warunki  pracy  trzeba  zastosować  dwa,
połączone w szereg, przeciwsobnie, we−
dług  rysunku  10b.  To  naprawdę  osta−
teczność – w praktyce nie stosuj takiego
rozwiązania  (w przyszłości  poznasz  in−
ne,  lepsze  układy  generatorów  do  wy−
twarzania  wolnozmiennych  przebie−
gów).  Tu  zrealizowaliśmy  je  tylko  ze
względów dydaktycznych.

Zbuduj teraz układ testowy według

rysunku 11. Nie zapomnij o nóżkach za−
silania (7, 14). Pomocą będzie  fotogra−
fia 11. Według katalogów układy CMOS
4000  powinny  być  zasilane  napięciem
w zakresie 3...18V. Sprawdź za pomocą
woltomierza,  przy  jakim  napięciu  mini−
malnym  generator  jeszcze  pracuje.  Czy
częstotliwość  zależy  od  napięcia  zasila−
nia?  Wskaźnikiem  będzie  membrana
PCA−100 i dioda LED D3.

Odłącz membranę Y1 i diodę LED

D3. Sprawdź pobór prądu samego gene−
ratora przy różnych napięciach zasila−
nia. Orientacyjnym wskaźnikiem będzie
dioda LED D1, ale w miarę możliwości
włącz w szereg z diodą miliamperomierz
(multimetr cyfrowy na zakresie 2mA).
Zdziwisz się, jak mało prądu pobiera ge−
nerator przy napięciu w zakresie 3...5V.

Sprawdź czy pobór prądu zależy od

pojemności C1. W tym celu przy napię−
ciu zasilania 9...12V zmieniaj pojem−
ność kondensatora C1 (do kondensatora
C1 o pojemności 1nF dołączaj równole−
gle kondensatory 10nF, 100nF, 1

µF).

Czy jasność diody LED D1 zmienia się?
Co się zmienia?

A teraz przy pojemności C1 równej

220nF zmieniaj R1 (2,2k

Ω, 10kΩ,

100k

Ω). Czy tym razem prąd się zmienia?

Uwaga! Jeśli nie masz cyfrowego

multimetru, ćwiczenie to wykonaj wie−
czorem – wystarczającym wskaźnikiem,
będzie D1.

I kolejna istotna sprawa. Jeśli masz

rezystory o wartościach mniejszych niż

2,2k

Ω albo potencjometr 10kΩ z po−

przednich wypraw, sprawdź przy jakiej
minimalnej wartości R1 układ jeszcze
pracuje i jak to wygląda przy różnych
wartościach napięcia zasilania. Bardzo

proszę, wykonaj te eksperymenty, żeby
w przyszłości  nie  popełniać  błędów.
Zapamiętaj  albo  lepiej  zapisz  bardzo
ważne  wnioski  uzyskane  w

tym

ćwiczeniu!

I znów  wyłącznie  dla  celów  dydak−
tycznych  zmodyfikuj  poprzedni  układ
według  rysunku  12a i fotografii  12.

Zamiast jednego kondensatora stałego
C1 koniecznie zastosuj dwa połączone
przeciwsobnie „elektrolity” po 100

µF,

a R1 ma mieć wartość 10k

Ω. Układ

powinien być zasilany napięciem
9...12V.

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

Ośla łączka

Przeanalizuj rysunek F. Masz tu jedną z głównych

przyczyn, dla których zależy nam, by poziomy logiczne
zmieniały się jak najszybciej. Jest i inny ważny powód −
skłonność do szkodliwych drgań, ale na razie nie będzie−
my się w to wgłębiać.

Wszędobylskie śmieci

Oprócz ładunków statycznych grożących uszkodzeniem
wejść, trzeba też uwzględnić inne „śmieci”, które poja−
wiają się wszędzie i mogą zakłócać pracę urządzeń elek−
tronicznych. Badaliśmy to w ćwiczeniu 2. Do wejść ukła−
dów CMOS często są podłączane różne elementy, nierzad−

ko za pomocą długich przewodów. Działają one jak ante−
na,  a odbierane  zakłócenia  mogą  spowodować  błędne
funkcjonowanie urządzenia. Co gorsza, te „śmieci” często
mają  charakter  impulsowy,  więc  błędne  reakcje  układu
mogą  się  pojawiać  sporadycznie  lub  okresowo  i bardzo
trudno będzie znaleźć przyczynę. Dlatego warto elimino−
wać  ewentualne  zakłócenia  już  na  etapie  projektowania
układu.  W miarę  możliwości  trzeba  stosować  krótkie
przewody,  ekranowane  kable  i zmniejszać  rezystancje.
Prostym sposobem pozbycia się „śmieci” jest zastosowa−
nie obwodu RC jak na rysunku 7 w ćwiczeniu 4, ale nie
zawsze można go wykorzystać.

TECHNIKALIA

Ćwiczenie 7

Powielacz napięcia

Czy wiesz, że...

W układach CMOS zasilanych jakimś napię−

ciem Uzas, napięcia o wartości 0...0,3Uzas można

śmiało traktować jako „czysty” stan niski, a napięcia

w zakresie 0,7...1Uzas – jako „czysty” stan wysoki.

Napięć wejściowych w zakresie 0,3...0,7Uzas na−

leży w miarę możliwości unikać, jednak na

pewno nie spowodują one uszkodze−

nia układu.

Przyjrzyj się diodom świecącym D1,

D2...

Dlaczego te diody błyskają? Błyskają

i to  wyraźnie,  co  wskazuje,  że  płynie
przez  nie  prąd  ponad  1mA.  Przecież
w obwodach  wejściowych  bramek
CMOS prąd płynąć nie powinien!

Prąd płynie przez obwody ochronne,

umieszczone  na  wejściach  wszystkich
układów  CMOS  oraz  przez  diodę  D1,
gdy  napięcie  w punkcie  A jest  wyższe
(tak!)  od  dodatniego  napięcia  zasilania,

a przez diodę D2, gdy napięcie to spada
poniżej  (!)  masy.  Czy  dziwisz  się,  skąd
biorą  się  te  „ekstremalne”  napięcia?  Na
wyprawie  A2  w ćwiczeniu  2  (EdW
12/2000 str. 40, 85, 86)  dokładnie bada−
liśmy  tę  sprawę.  Zbudowaliśmy  nawet
impulsowy  podwajacz  napięcia.  Teraz
w układzie generatora daje o sobie znać
to  samo  zjawisko.  W ELEMENTarzu
znajdziesz  garść  dalszych  wyjaśnień  na
temat obwodów ochronnych w układach
CMOS.

W układzie generatora na wyjściu

bramki  U1B  (w punkcie  C)  występuje
przebieg prostokątny. Napięcie na prze−
mian  jest  równe  zeru  i napięciu  zasila−
nia.  W czasie  zmiany  stanu  w punkcie
C kondensator  C1  jest  naładowany.
Zmiana napięcia z jednej strony nałado−
wanego kondensatora (w punkcie C) po−
woduje  taką  samą  zmianę  napięcia
w punkcie  A.  I właśnie  wtedy  napięcie
obniża się poniżej potencjału masy albo
powyżej dodatniej szyny zasilania. W ta−
kiej  nietypowej  sytuacji  prąd  płynie
w obwodzie  wejściowym  bramki  przez
obwody ochronne wejść oraz przez pew−
ne pasożytnicze struktury tam zawarte.

Gdyby ten prąd był duży, ponad

20mA,  te  pasożytnicze  struktu−
ry  mogłyby  zadziałać  jak  tyry−
stor i... zewrzeć obie końcówki
zasilania.  Co  prawda  w nowo−
czesnych układach zdarzy się to
przy  prądzie  „wejściowym”
rzędu kilkudziesięciu czy nawet
ponad 100mA, jednak na wszel−
ki wypadek przy napięciach za−
silających powyżej 5V z zasady
stosujemy  szeregowy  rezystor
ograniczający ten  impuls  prą−
dowy  do  bezpiecznej  wartości.
Pokazuje to rysunek 12b. War−
tość tego rezystora nie jest kry−
tyczna

może

wynosić

Ω...100kΩ. Ten rezystor po−

lepsza też stabilność częstotli−

wości  generatora.  Często  ma  wartość
równą  R1  lub  dwukrotnie  większą  od
R1,  czasem  ma  „okrągłą”  wartość
10k

Ω.

Jeśli chcesz wiedzieć więcej o takim

generatorze, przeanalizuj rysunek 13
pokazujący przebiegi w obu wersjach
generatora z rysunku 12. Zwróć uwagę,
że przebiegi w punktach B, C są niejako
odwrócone.

Jeśli czegoś tu nie rozumiesz, nie

przejmuj się − nie musisz się w to wgłę−
biać. Możesz natomiast praktycznie wy−
korzystać zjawisko podbijania napięcia

na  kondensatorze  poza  zakres  napięcia
zasilania.  Zbuduj  podwajacz  napięcia
według  rysunku  14 −  znów  celowo  nie
zaznaczyłem numerów nóżek.

Na fotografii 13 zobaczysz model

zbudowany na płytce prototypowej. Przy
zasilaniu 12,1V napięcie wyjściowe bez
obciążenia wynosiło 23,4V, a po dołą−
czeniu rezystora 1k

Ω spadło do

18,6V (pobór prądu wyniósł 18,6mA).

Piotr Górecki

Ciąg dalszy w kolejnym numerze EdW.

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

Ośla łączka

100

Rys. 12

Rys. 13

Rys. 14

Informacje dotyczące zestawu

A05 do „Oślej łączki“ znajdują się na stronie 80.