39
Szkoła Konstruktorów
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
Luty 2002
Rozwiązanie zadania 68
W EdW 10/2001 zamieszczony był fragment
schematu układu, który według pomysło−
dawcy działa następująco: (...) pojawienie się
stanu wysokiego na wyjściu bramki A powo−
duje zaświecenie diody LED1. Tranzystor
pełni rolę inwertera. Stan wysoki na wyjściu
bramki A spowoduje więc zgaszenie diody
LED2 i wyłączenie generatora, zbudowane−
go na bramce B. (...)
Tym razem otrzymałem wyjątkowo dużo
odpowiedzi. Wytropiliście usterki, niemniej
pojawiło się sporo stwierdzeń ewidentnie
błędnych. Nie jest to jednak problem. Druga
klasa Szkoły konstruktorów mająca postać
rubryki Co tu nie gra? przeznaczona jest nie
tylko dla mniej doświadczonych elektroni−
ków, a jej celem jest zwrócenie uwagi na po−
wtarzające się błędy. Błądzić jest rzeczą
ludzką (errare humanum est), więc nie jest
żadnym powodem do wstydu znalezienie
w tej rubryce swojego schematu, albo też
nadesłanie nietrafnej odpowiedzi. Wszyscy
się stale uczymy i stale popełniamy większe
i mniejsze błędy. Dlatego uczestnicy, którzy
nie trafili w sedno, nie muszą się wstydzić,
a raczej powinni starannie przeanalizować
poniższe rozważania.
Co ciekawe, ogólna idea bloku z rysunku A
nie jest z gruntu zła i w pewnych warunkach
i przy określonych wartościach elementów
układ mógłby pełnić opisane funkcje. Zakła−
damy przy tym, że bramki są zasilane napię−
ciem 12V, podobnie jak tranzystor. Nie zna−
czy to, że wszystko jest w porządku − układ
koniecznie trzeba zmienić. Zanim to zrobi−
my, przeanalizujmy szczegóły.
Dla niektórych uczestników zaskoczeniem
może być informacja, że układ mógłby praco−
wać, gdyby zamiast zwykłej diody zastoso−
wać diodę Schottky'ego i gdyby odłączyć
diodę LED1 według rysunku B. Jak wiado−
mo, napięcie na nieobciążonym wyjściu
CMOS jest dokładnie równe zeru lub napię−
ciu zasilania. Przy napięciu zasilania równym
12V rezystancja wyjściowa bramki będzie
rzędu 100
Ω
lub mniej. W stanie wysokim
wyjścia bramki A obciążenie tego wyjścia
opornością 100k
Ω
zmieni napięcie wyjścio−
we o kilka... kilkanaście miliwoltów. Przy tak
małych prądach spadek napięcia na diodzie
Schottky'ego wyniesie 0,3...0,4V. Oznacza to,
że przy stanie wysokim na wyjściu bramki A
napięcie baza−emiter tranzystora będzie
mniejsze niż 500mV, co zapewni zablokowa−
nie tranzystora. Gdy na wyjściu bramki A po−
jawi się stan niski, dioda D1 zostanie spolary−
zowana zaporowo, a tranzystor będzie otwar−
ty dzięki prądowi bazy płynącemu przez R2.
Prąd ten przy wartościach podanych na rysun−
ku B wyniesie więcej niż 0,1mA, co przy
spodziewanym wzmocnieniu tranzystora po−
wyżej 100, zapewni na kolektorze napięcie bli−
skie 12V, czyli „czysty“ stan wysoki.
Gdy jednak dioda D1 nie jest diodą
Schottky'ego, tylko zwykłą diodą, spadek
napięcia na niej jest porównywalny z napię−
ciem baza−emiter otwartego tranzystora
(ok. 0,6V) i nie sposób przewidzieć, czy
przy stanie wysokim na wyj−
ściu bramki A uda się zatkać
tranzystor. O sukcesie lub po−
rażce zadecydują pojedyncze
miliwolty. Efekt może zale−
żeć od temperatury oraz typu
tranzystora i diody. To byłby
klasyczny przykład rozwiąza−
nia, gdzie działanie układu
jest niepewne i zależy od pa−
rametrów użytych egzempla−
rzy diody i tranzystora. Obe−
cność diody LED1 i rezystora
R1 przecina wątpliwości. Aby dioda
LED1 świeciła w sensowny sposób, jej
prąd musi być większy niż 1mA. Taki prąd
spowoduje spadek napięcia około 0,1V na
wewnętrznej rezystancji wyjściowej bram−
ki. Przy stanie wysokim na wyjściu bram−
ki A tranzystor na pewno nie zostanie za−
tkany.
Choć więc tranzystor może pełnić rolę in−
wertera, a układ połączeń D1, R2 nie jest sam
w sobie błędny, zaproponowane rozwiązanie
nie zda egzaminu.
Sporo osób stwierdziło, że dioda D1 powin−
na być włączona odwrotnie. Niektórzy chcą
tylko odwrócić diodę według rysunku C,
co jest błędem, bo spowoduje przepływ du−
żego prądu bazy, gdy na wyjściu bramki A
pojawi się stan niski. Odwrotne włączenie
diody wymagałoby włączenia w szereg z nią
rezystora według rysunku D. W takim przy−
padku pozostawienie obwodu LED1, R1 nie
byłoby już wprawdzie groźne, ale nadal nie−
zbyt eleganckie.
Jeśli diodę LED2 można dołączyć do plu−
sa zasilania, można wykorzystać układ z ry−
sunku E. Jeśli jednak chodzi o dwie struktu−
ry diody dwukolorowej ze wspólną katodą,
warto poszukać innego rozwią−
zania.
Może dodać jedną diodę
(zwykłą lub LED−a) w obwód
emitera tranzystora według ry−
sunku F, jak proponuje Dawid
Kozioł z Elbląga? A może upro−
ścić układ według propozycji
Piotra Pociechy ze Świebo−
dzic, pokazanej na rysunku G?
Inne, nieco mniej udane propo−
zycje poprawy pokazane są na
rysunku H.
I jeszcze jedna sprawa. Kilka osób napisa−
ło, że koniecznie trzeba włączyć rezystor
między kolektor tranzystora a masę. Jeden
C
C
C
C
o
o
o
o
tt
tt
u
u
u
u
n
n
n
n
ii
ii
e
e
e
e
g
g
g
g
rr
rr
a
a
a
a
?
?
?
?
− S
Szzkkoołłaa K
Koonnssttrruukkttoorróów
w kkllaassaa IIII
A
C
D
B
