background image

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 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

background image

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

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 22

µ

F. 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

ELEMENT

arz 

 

ELEMENT

arz 

 

ELEMENT

arz 

 

ELEMENT

arz

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

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

 

 

1

1

1

1

Rys. 1

Rys. 2

background image

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

ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz

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 

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  

C

Cz

za

ar

ro

od

dz

ziie

ejjs

sk

kii g

ge

en

ne

er

ra

at

to

or

r

Ćwiczenie 2  

C

Cz

zy

ys

sz

zc

cz

ze

en

niie

e s

sy

yg

gn

na

ałłó

ów

w

Rys. 3

Rys. 5

Rys. 4

background image

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

ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz 

 ELEMENT

arz

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 10k

, 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

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

 

 

2

2

2

2

Rys. 7

Rys. 6