37

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

A5

93

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

E

LEMENT

arz

E

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.

F

F

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

6

6

6

6

A

Rys. 5

Informacje dotyczące zestawu EdW−A05 do „Oślej łączki“

znajdują sie na stronie 80.

38

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

A5

94

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

B

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

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

Ośla łączka

A5

95

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.

C

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

R

R

R

R

y

y

y

y

s

s

s

s

..

..

7

7

7

7

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

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

Ośla łączka

A5

96

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

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

R

R

R

R

y

y

y

y

s

s

s

s

..

..

8

8

8

8

D

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

Ośla łączka

A5

97

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,

1M

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

R

R

R

R

y

y

y

y

s

s

s

s

..

..

9

9

9

9

E

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

w

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

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

Ośla łączka

A5

98

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

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

F

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.

47

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

A5

99

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.

F

F

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

1

1

1

1

0

0

0

0

R

R

R

R

y

y

y

y

s

s

s

s

..

..

1

1

1

1

1

1

1

1

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

i

może

wynosić

1k

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.

48

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

A5

100

Rys. 12

Rys. 13

Rys. 14

R

R

R

R

y

y

y

y

s

s

s

s

..

..

1

1

1

1

2

2

2

2

R

R

R

R

y

y

y

y

s

s

s

s

..

..

1

1

1

1

3

3

3

3

Informacje dotyczące zestawu

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