background image

Dziwne zjawiska

W ćwiczeniu 7 możesz natknąć się na dziwne zjawi−
sko, którego na pozór nie sposób wytłumaczyć − nie
wiadomo  skąd  i dlaczego  na  poszczególnych  wyj−
ściach pojawiać się będą dodatkowe impulsy. Zależ−
nie od pewnych właściwości układu scalonego mogą
pojawić  się  dziwne  przebiegi,  których  pochodzenia
nie  sposób  wytłumaczyć  w oparciu  o poznane  do−
tychczas zasady.

Początkujący,  którzy  niestety  dość  często  na−

potykają  takie  zaskakujące  zjawiska,  skłonni  są
uznać,  że  elektronika  to  dziedzina  z pogranicza
magii, gdzie niektóre zjawiska nie podlegają pra−
wom fizyki. Prawda jest inna. Elektronika to dzie−

dzina  jak  najbardziej  ścisła,  wszystko  działa  tu
według niezmiennych praw i wszystko da się opi−
sać matematycznie. Problem w tym, że w codzien−
nej praktyce upraszczamy co tylko można i zapo−
minamy (albo nic nie wiemy) o szczegółach budo−
wy  wewnętrznej  układów  scalonych.  Tak  jest
i w przypadku dziwnych przebiegów w ćwiczeniu 7.
Dały o sobie znać dodatkowe struktury w układzie
scalonym.  Na  poprzedniej  wyprawie,  w ćwicze−
niach 7 i 8 (EdW 10/2001 str. 47, 11/2001 str. 39)
przekonaliśmy się naocznie, że na wejściach ukła−
dów  CMOS  umieszczone  są  obwody  ochronne,
zawierające diody i rezystory. Zaznacza się je tyl−
ko  na  nielicznych  rysunkach,  a  w  konsekwencji
często  o  nich  zapominamy.  Ale  to  jeszcze  nie

wszystko − wcale nie są to zwyczajne diody i rezy−
story.  Układ  scalony  to  nie  złożenie „zwykłych”
tranzystorów, diod i rezystorów − to skomplikowa−
ny twór, produkowany na powierzchni płytki krze−
mowej  przez  selektywne  nakładanie,  usuwanie
i modyfikowanie wielu warstw o różnych właści−
wościach.  Powstałe  w tych  warstwach  składniki
tworzą  nie  tylko  pożądane  elementy,  ale  też  cały
szereg  pasożytniczych  struktur.  Przykładowo
w układach CMOS, oprócz pożądanych tranzysto−
rów  polowych  powstają  struktury,  które  okazują
się...  tranzystorami  bipolarnymi  i, co  najgorsze
włączone są w sposób tworzący strukturę tyrysto−
rową,  która  w szczególnych  sytuacjach  może  za−
działać  jak  tyrystor.  Ilustruje  to  w uproszczeniu

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

Lipiec 2002

ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz

TECHNIKALIA

Zamienniki

Układy 40106 i 4093 rea−
lizują  funkcje  logiczne
NOT i  NAND.  Od  po−
znanych  wcześniej  ko−
stek  4069  i  4011  różnią
się  budową  obwodów
wejściowych.  Obwody
wejściowe  są  bardziej
rozbudowane i występuje
tam  zjawisko  histerezy.
Mówimy, że są to układy
z  wejściem  Schmitta
(czytaj:  szmita),  a  na  ich
symbolu występuje upro−
szczony  rysunek  symbo−
lizujący  histerezę.  Układy  wejściowe  „ze
szmitem”, jak je potocznie nazywany, są bar−
dzo pożyteczne i są często wykorzystywane.

W praktyce, w zdecydowanej większości

przypadków  zamiast  prostych  „zwykłych”
bramek z kostki 4011, znacznie częściej wy−
korzystujemy  bramki  „ze  szmitem”  z kostki
4093.  Tak  samo  zamiast  inwerterów  4069,
bardzo często stosujemy bardziej uniwersal−
ne inwertery z układu 40106.

Oprócz  układu  40106,  w rodzinie  CMOS

jest  jeszcze  jedna  niemal  identyczna  kostka
z sześcioma  „inwerterami  szmita”  –  4584.
Funkcje  i układ  wyprowadzeń  są  takie  same,
różnica jest niewielka: układ 4584 ma o połowę
mniejszą histerezę niż 40106. Inwertery z ukła−
du 40106 są stosowane nieporównanie częściej,
niż 4584. Tabelka pokazuje typowe wartości hi−
sterezy przy różnych napięciach zasilania.

Do tej pory w ogóle nie zajmowaliśmy się

cyfrowymi układami, wywodzącymi się z ro−
dziny TTL 74xx. Tym razem zrobię wyjątek.
Układ 74HC14 ma funkcje i układ wyprowa−
dzeń  identyczny,  jak  kostka  40106.  Różnice
dotyczą  zakresu  napięć  zasilania  i  wydajno−
ści prądowej. Kostka 40106 może być zasila−
na  napięciem  3...18V,  a  74HC14  napięciem
2...6V.  Przy  tak  niskim  napięciu  zasilania
układ 74HC14 ma kilkakrotnie większą wy−
dajność prądową wyjść niż układ 40106.

Rysunki  17a,  17b pokazują  schemat
i przebiegi czasowe sterownika łańcucha
świetlnego. Dzięki inwerterom „ze szmi−
tem” można było genialnie uprościć taki
układ. 

Generator  z inwerterem  U1A co  pe−

wien  czas  pobudza  łańcuch  pięciu  uni−
wibratorów,  czyli  przerzutników  mono−
stabilnych. Każdy pobudzony uniwibra−
tor  wytwarza  impuls  o czasie  zależnym
od  elementów  RC.  Gdy  ten  impuls  się
skończy, opadające zbocze pobudza ko−
lejny uniwibrator. W ten sposób zaświe−
cane są kolejne diody LED. Stałe czaso−
we RC poszczególnych ogniw mogą być
różne, przez co można uzyskać dodatko−
we efekty, na przykład zwalniania.

Efekt  jest  wręcz  rewelacyjny,  na−

prawdę  warto  zbudować  taki  układ!
W podstawowej wersji, której realizację
widzisz na fotografii 7 elementami wy−
konawczymi są pojedyncze diody LED,
sterowane  niezbyt  dużym  prądem  ogra−
niczonym przez rezystory R7...R12. Mo−

żesz dodać bufory 4049, połączyć wiele
diod 

LED 

szeregowo/równolegle

i zwiększyć ich prąd. 

Przy  niższych  napięciach  zasilania

układ na pewno będzie wytwarzał prze−
biegi  jak  na  rysunku  17b –  w dowolnej
chwili  będzie  zaświecona  co  najwyżej
jedna  dioda.  Przy  wyższych  napięciach
(ponad  9V)  być  może  zaobserwujesz
dziwne zjawisko – łańcuch będzie dzia−
łał, ale w danej chwili mogą być zaświe−
cone dwie lub nawet trzy diody. W efek−
cie  przez  linijkę  diod  nie  będzie  „prze−
biegał” pojedynczy punkt świetlny, tylko
swego rodzaju fala. Może nawet uznasz
to za zaletę.

Nie  gwarantuję  Ci,  że  takie  dziwne

zjawisko wystąpi. Ja przygotowując ćwi−
czenie  sprawdziłem  kilka  egzemplarzy
kostek  różnych  producentów  i uzyska−
łem różne wyniki: niektóre kostki dawa−
ły efekt „fali” już przy napięciu zasilania
6,5V,  inne  przy  16V pracowały  dokła−
dnie  według  rysunku  17b.  Zależy  to  od

Ośla łączka

A6

117

układ  typowa wartość histerezy 

zzaassiillaanniiee 

55V

1100V

1155V

4400110066 

1,1V 

1,7V 

2,1V 

44558844 

0,6V 

0,7V 

1,1V 

Informacje dotyczące zestawu EdW−A06 do „Oślej łączki”

znajdują się na stronie z Ofertą AVT.

Ćwiczenie 7  

(Dyskotekowy)

łańcuch świetlny

Rys. 17

background image

rysunek  B.  Kolorami  zaznaczyłem  tranzystory
MOSFET.

Nie musisz wgłębiać się w szczegóły − podczas

normalnej pracy takie dodatkowe obwody nie ma−
ją wpływu na działanie układu. Rysunek ten ma Ci
jednak  pokazać,  dlaczego  w pewnych  nietypo−
wych  sytuacjach  urządzenie  może  sprawiać 
niespodzianki.

Analizując problem jeszcze dokładniej, należało−

by uwzględnić fakt, że ścieżki na płytce i wszystkie
połączenia  mają  też  jakąś  niewielką  rezystancję,
a także  indukcyjność.  Wypadałoby  też  uwzględnić
wszystkie pojemności montażowe (między elemen−
tami  i ścieżkami),  które  też  mogą  być  przyczyną
przykrych  niespodzianek.  Tych  i jeszcze  innych

40

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

Lipiec 2002

ELEMENT

arz 

 E

LEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz

TECHNIKALIA

Napięcia progowe 
raz jeszcze

Podobnie, jak w przypadku zwykłych bramek,
także i w bramkach z wejściem Schmitta trze−
ba  się  liczyć  ze  znacznym  rozrzutem  napięć
progowych oraz ich (niezbyt dużą, ale jednak)
zależnością od temperatury. W rezultacie okna
histerezy  poszczególnych  egzemplarzy  nie
tylko będą mieć różną szerokość, ale też będą
wzajemnie przesunięte w osi poziomej. Tabe−
la poniżej 
pokazuje dopuszczalne granice dla
inwerterów kostki 40106 przy napięciach zasi−
lania 5V, 10V i 15V. Jak widać szerokość pę−
tli, czyli wielkość histerezy, zależy od napięcia
zasilania i co najgorsze, nie są to zmiany pro−
porcjonalne do napięcia zasilania.

Z kolei Tabela na następnej stronie poka−

zuje  dopuszczalny  zakres  napięć  progowych
inwerterów 40106. Tak widać różnice pomię−
dzy egzemplarzami mogą być duże – ilustruje
to rysunek IX pokazujący przykładowe cha−
rakterystyki dwóch różnych kostek 40106.

Pamiętaj, że nigdzie nie znajdziesz informa−

cji,  jaką  wielkość  pętli  histerezy  będzie  mieć
konkretny  egzemplarz  układu  scalonego  przy
danym  napięciu  zasilania  (musiałbyś  to  zmie−
rzyć). Właśnie z tych powodów nie sposób po−
dać wzoru na częstotliwość prostego generato−
ra  z  jedną  bramką  Schmitta.  Częstotliwość
drgań zależy bowiem bardzo silnie od wielko−
ści histerezy, a ta z kolei od napięcia zasilania.

właściwości  użytego  egzemplarza  ukła−
du  scalonego  40106.  Różni  producenci
budują  swoje  kostki  w nieco  odmienny
sposób. Każda kostka oznaczona 40106
zawiera sześć inwerterów „ze szmitem”
i sposób ich działania w typowych ukła−
dach  jest  taki  sam.  Jednak  kostki  róż−
nych  producentów  mogą  się  różnić  bu−
dową  wejściowych  obwodów  zabezpie−
czających i pewnymi mało istotnymi pa−
rametrami  nie  udokumentowanymi
w katalogu. I właśnie te drobne różnice
we właściwościach spowodują, że w na−
szym trochę nietypowym układzie jedne
kostki  będą  wytwarzać  „kanoniczne”
przebiegi z rysunku 17b nawet przy na−
pięciu  18V,  a inne  zaczną  wytwarzać
wspomnianą  „falę”  już  przy  napięciu

6...7V.  Aby  skutecznie  usunąć  wspo−
mniany efekt „fali” wystarczy dodać re−
zystory na wejściach bramek według ry−
sunku  17c
.  Nieco  więcej  informacji  na
temat  przyczyn  takiego  nieoczekiwane−
go  zachowania  układu  znajdziesz
w Technikaliach.

Aby sterować prawdziwym łańcuchem

świetlnym z wieloma żarówkami, możesz
wykorzystać wersję z sześcioma tranzy−
storami  MOSFET na  przykład  według
rysunku 18a lub 18b, przy czym układ
musi być zasilany z akumulatora lub od−
powiednio  wydajnego  zasilacza  siecio−
wego. W razie potrzeby dodaj rezystory
według  rysunku  17c.  Zbudujesz  w ten
sposób  najprawdziwszy  wąż  świetlny
nadający się do domu czy do dyskoteki.

A6

118

Ośla łączka

Wielkość histerezy 

40106 

min 

typ. 

max 

5V 

0,3V 

1,1V 

2,0V 

10V 

1,2V 

1,7V 

3,4V 

15V 

1,6V 

2,1V 

5,0V 

Rys. IX

B

Rys. 18

F

F

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

 

 

7

7

7

7

background image

„pasożytów” prawie nigdy nie zaznacza się na sche−
matach, ale one nie tylko istnieją, ale też mogą dać o
sobie znać. W układach CMOS uaktywnią się zwła−
szcza wtedy, gdy przez obwody wejściowe przepływa
prąd o znacznej wartości. A właśnie w ćwiczeniu 7 ma
miejsce taka sytuacja. Ilustruje to rysunek C. Czym
wyższe napięcie zasilania, tym większy prąd płynie
przez chwilę przez obwody wejściowe. W momen−
cie zmiany stanu w punkcie X z niskiego na wyso−
ki, naładowany wcześniej kondensator Cx zostaje
„podrzucony  do  góry”  i zaczyna  się  gwałtownie
rozładowywać. Przez rezystor Rx płynie niewielki
prąd, ale ponieważ rezystancje Rwy i RA mają ma−
łą wartość rzędu dziesiątek, najwyżej setek omów,
prąd  płynący  przez  wejście  może  mieć  wartość

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

Lipiec 2002

ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz

TECHNIKALIA

Progi wyjściowe?

Z wyjściami nie ma problemu – nie ma „wyj−
ściowego” napięcia progowego. Wnętrze ukła−
du  cyfrowego  jest  tak  zbudowane,  że  w nor−
malnych warunkach powinny się tam pojawiać
„czyste”  stany  logiczne:  potencjał  masy  albo
dodatniej  szyny  zasilania.  I tak  zwykle  jest  –
o ile tylko wyjście nie jest nadmiernie obciążo−
ne.  Jeśli  z wyjścia  układu  logicznego  nie  jest
pobierany  prąd  większy  niż  kilka  miliampe−
rów,  występują  tam  „czyste”  stany  logiczne.
Wyjątkiem są sytuacje, gdy do takiego wyjścia
podłączone jest nietypowe obciążenie, na przy−
kład dioda LED. Wtedy płyną znaczne prądy,
a napięcia nie odpowiadają poziomom logicz−
nym.  Choć  zazwyczaj  w takich  nietypowych
sytuacjach  układom  CMOS  nie  grozi  uszko−
dzenie, trzeba unikać nadmiernego obciążenia
i pamiętać o rezystancji wyjściowej bramek.

Generatory
i układy czasowe

W ćwiczeniu trzecim przekonałeś się, że naj−
prostszy generator można zrealizować za po−
mocą jednej bramki (inwertera) „ze szmitem”.
Choć  generatory  z bramkami  (inwerterami)
z wejściem Schmitta są często stosowane, ich
częstotliwość silnie zależy od zmian napięcia
zasilania,  a także  od  temperatury.  Ponadto
z uwagi na znaczny rozrzut parametrów trud−
no przewidzieć, jaka dokładnie będzie często−
tliwość  drgań  przy  danych  elementach  R,  C.
Nic więc dziwnego, że nie wyparły one „kla−
sycznych”  generatorów  dwubramkowych,
poznanych  na  poprzedniej wyprawie.  Gdy
częstotliwość ma być stabilna, należy stoso−
wać  klasyczny  układ  z dwiema  bramkami
(4011, 4001, 4069, 4049). Okazuje się, iż ta−
kie  klasyczne  dwubramkowe  generatory  są
też  częścią specjalizowanych układów scalo−
nych  rodziny  CMOS  4000,  na  przykład  bar−
dzo pożytecznych kostek 4541 czy 4060. Tak−
że  uniwersalny  układ  czasowy  4047,  wbrew
pozorom, opiera swe działanie na konfiguracji
klasycznego generatora dwubramkowego. 

Bramki  „ze  szmitem”  oprócz  typowych
zastosowań, mogą być wykorzystywane
na wiele sposobów.

Przykład pokazany jest na rysunku 19.

Przy odpowiednim rozmieszczeniu diod
LED  uzyskasz  wirujące  świetlne  kółko.
Efekt jest naprawdę interesujący, musisz
tylko  umieścić  diody  kolejno  D1,  D2,
D3,  D4,  D5,  D6.  Prędkość  wirowania
zależy  oczywiście  od  elementów
R1...R3, C1...C3. A elementy te nie mu−
szą być jednakowe.

Na  pierwszy  rzut  oka  trudno  uchwy−

cić  zasadę  działania.  Możesz  potrakto−
wać  układ  jako  zamknięty  łańcuch  blo−
ków  opóźniających,  podobnych  jak  na
rysunku 17, co tworzy niecodzienny ge−
nerator.  Teoretycznie  układ  złożony
z trzech  identycznych  stopni  nie  powi−
nien „ruszyć” i należałoby dodać obwód
startowy,  choćby  w postaci  przycisków
zwierających  kondensatory.  W praktyce
generator zawsze „rusza” ze względu na
drobne różnice parametrów użytych ele−
mentów.  Jeśli  chcesz,  możesz  samo−
dzielnie  przeprowadzić  bliższą  analizę
tego  interesującego  układu,  ale  możesz
też spokojnie pominąć te szczegóły.

Jeśli  zmontujesz  ten  układ  w postaci

solidnego pająka albo na kawałku płytki
uniwersalnej, uzyskasz atrakcyjny gadżet
dyskotekowy. Możesz go zasilać z popu−
larnej  baterii  9−woltowej  (nie  alkalicz−
nej), ale układ powinien też pracować za−
silany z jednej baterii litowej 3−woltowej.

Warto  wtedy  zamiast  kostki
40106 

zastosować 

układ

74HC14,  który  też  zawiera
sześć  inwerterów  „ze  szmitem”  i  ma
identyczny  układ  wyprowadzeń,  a  za−
pewni  większą  wydajność  prądową
wyjść przy niższych napięciach.

Na  fotografii  8 pokazany  jest  model

próbny zmontowany na płytce stykowej.
Co prawda w tym prostym modelu diody
nie są ułożone w kółeczko, ale efekt też
jest  interesujący.  Podobny  układ  zreali−
zowany  z  pomocą  miniaturowych  ele−
mentów do montażu powierzchniowego
(SMD) opisany był w EdW 9/1999.

Ośla łączka

A6

119

Ćwiczenie 8  

Wirujące kółko

C

Rys. 19

Dolne napięcie progowe  Górne napięcie progowe 

40106 

min 

typ. 

max 

min 

typ. 

max 

5V 

0,9V 

1,9V 

2,8V 

2,2V 

2,9V 

3,6V 

10V 

2,5V 

3,9V 

5,2V 

4,6V 

5,9V 

7,1V 

15V 

4,0V 

5,8V 

7,4V 

6,8V 

8,8V 

10,8V 

F

F

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

 

 

8

8

8

8

background image

A6

120

Ośla łączka

Wykonajmy  teraz  pożyteczny  przyrząd
do  Twojej  pracowni  elektronicznej.  Od
wielu  lat  w  literaturze  można  znaleźć
schemat testera tranzystorów o schema−
cie  jak  na  rysunku  20.  My  zbudujemy
nowocześniejszy  układ  według  rysun−
ku  21
.  Model  zmontowany  na  płytce
stykowej pokazany jest na fotografii 9.

Napięcie  zasilania  nie  powinno  być

zbyt duże: 5V do, co najwyżej 9V, (ogra−

niczenie to wynika z faktu, że złącze ba−
za−emiter  tranzystora  bipolarnego  za−
chowuje się jak... dioda Zenera o napię−
ciu  5...6V,  więc  przy  wyższych  napię−
ciach efekty będą inne). W testerze ma−
my  dwa  generatory.  Jeden,  powolny,
zmienia  okresowo  biegunowość  napię−
cia podawanego na punkty E, C, co po−
zwala  sprawdzić  zarówno  tranzystory
PNP,  jak  i  NPN.  Drugi  podaje  na  bazę

tranzystora  przebieg  o  częstotliwości
rzędu  1kHz  lub  więcej  –  w  rezultacie
sprawny  tranzystor  daje  na  kolektorze
przebieg o amplitudzie kilku woltów. 

Jeśli po dołączeniu badanego tranzy−

stora do punktów E (emiter), B (baza), C
(kolektor), nie świeci żadna dioda, ozna−
cza  to,  że  tranzystor  jest  uszkodzony
(przerwa).

Jeśli  na  przemian  migają  diody  D1,

D2  –  tranzystor  też  jest  uszkodzony  –
zwarty. W takich przypadkach membra−
na  będzie  jedynie  cicho  stukać.  Nato−
miast pisk membrany świadczy, że tran−
zystor jest sprawny, przy czym pulsowa−
nie tylko jednej diody LED pokazuje po−
laryzację tranzystora (PNP/NPN).

Przekonasz się, jak układ działa, jeśli

sprawdzisz  kilka  tranzystorów.  Archa−
iczny pierwowzór przeznaczony jest dla
tranzystorów bipolarnych, czyli mówiąc
potocznie  –  zwykłych.  Jeśli  masz  MO−
SFET−y z kanałem P i N, możesz spraw−
dzić, czy tester nadaje się do ich spraw−
dzania.  Zawsze  pamiętaj  o  właściwym
podłączeniu końcówki bazy (bramki).

Piotr Górecki

Ciąg dalszy w następnym numerze EdW.

rzędu  kilkudziesięciu  miliamperów.  Warto  zauwa−
żyć, że w czasie takiego rozładowania kondensatora,
napięcie  na  wejściu  bramki  (w punkcie  X)  będzie
wyższe niż dodatnie napięcie zasilania (VDD).

W większości katalogów różnych producentów

podana jest informacja, że taki prąd wejściowy nie
może  nawet  na  chwilę  przekroczyć  10mA czy
20mA. Kostki niektórych producentów wytrzymują
bez jakiejkolwiek szkodliwej reakcji prądy wejścio−
we rzędu 50...70mA, inne są gorsze − pasożytnicze
struktury  uaktywnią  się  przy  prądzie  wejściowym
niewiele  większym  od  10mA.  I  właśnie  od  takich
subtelnych właściwości, nie określonych dokładnie
w katalogu, zależy poprawna praca niektórych ukła−
dów, w tym łańcucha świetlnego z ćwiczenia 7.

Trzeba przy tym jasno powiedzieć, że przy na−

pięciach  do  5...6V prądy  są  niewielkie  i wspo−
mniane  szkodliwe  struktury  nie  zostaną  uaktyw−
nione. Natomiast przy wyższych napięciach zasi−
lania, gdy dodatkowo większa jest wydajność prą−
dowa  wyjść,  a prąd  wejściowy  przekracza
w szczytach  20mA,  wejścia  mogą  przez  krótkie
ułamki  sekund  zachowywać  się  jak...  wyjścia.
Szczegółowe  wyjaśnienie  zjawiska  niewątpliwie
przekracza  ramy  niniejszego  cyklu.  Warto  nato−
miast  pamiętać  o tym  problemie,  a w układach
czasowych  i generatorach  na  wszelki  wypadek
ograniczać prąd wejść poniżej dopuszczalnej war−
tości  20mA przez  zastosowanie  szeregowych  re−
zystorów (1...10k

) według rysunku D.

46

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

Lipiec 2002

TECHNIKALIA

D

Rys. 20

Rys. 21

F

F

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

 

 

9

9

9

9

Ćwiczenie 9  

Tester tranzystorów