44 (172)

* Szkoła Konstruktorów

pracujące z prądami rzędu kilkudziesięciu miliamperów.

Następnie możemy przejść do zasygnalizowanego przez znaczną część uczestników ryzyka uszkodzenia pod wpływem przeciążenia oraz przepięć, wytwarzanych w induk-cyjności głośnika i silników. Rzeczywiście gwałtowne przerywanie prądu w indukcyj-ności skutkuje wytworzeniem napięcia samo-indukcji i impulsowym przepływem prądu. Warto jednak pamiętać, że dzisiejsze procesory są układami typu CMOS, czyli zawierają komplementarne tranzystory Rys. F MOSFET z kanałem N i P. Takie tranzystory z natury mają pasożytniczą strukturę PN, co zaznaczamy na niektórych schematach jako diody włączone między drenem i źródłem - rysunek F. Port procesora jest dość skomplikowany, ale na pewno ma na wyjściu komplementarną parę tranzystorów, która jest aktywna przy pracy w roli wyjścia. Ilustruje to rysunek G. Te nieodłączne diody są skutecznym zabezpieczeniem wyjścia przed przepięciami. Jest to jeden z powodów, dla których wyjścia CMOS są zaskakująco odporne na uszkodzenia.

Jak widać, przepięcia nie są tu specjalnie groźne, bo ich amplituda będzie ograniczona przez te diody do wartości poniżej IV, a maksymalny prąd impulsów będzie taki, jaki wcześniej płynął w indukcyjności.

Bardziej istotną kwestią będzie prąd płynący przez porty pracujące w roli wyjść. Niemal jednogłośnie stwierdziliście, że wydajność portów jest zbyt mała, by dołączyć do nich głośnik i silniki. I tu otwiera się pole do dokładniejszej analizy.

W zacytowanym wcześniej opisie portu jest wzmianka, że końcówka ta pracując w roli wyjścia, może w stanie niskim przyjąć 20mA prądu (sink). Nietrudno się zorientować, że jest to wartość gwarantowana, określana w konkretnych warunkach, jak świadczy rysunek H, fragment karty katalogowej procesora. Producent gwarantuje, że przy zasilaniu napięciem 5V i prądzie wpływającym równym 20mA, napięcie na końcówce nie przekroczy 0,5V. Przy okazji widać, że charakterystyka wydajności prądowej jest niesymetryczna - w stanie wysokim wydajność jest kilkakrotnie mniejsza.

W każdym razie podana wydajność 20mA jest wartością gwa-

A T90S/LS2323/2343

VO PIN SÓWCE CURRENT OUTPUT YOLTAGE

U

vcc

-o

■pł

Rys. G

OUT

-O

GND

-O

§

s

			2rc
			ss-c^-
									■

0.5

1J

2.5    3    3.5

v_OH{V)

4.5

Rys. J

rantowaną, natomiast rzeczywista wydajność będzie zapewne znacznie większa. I tu warto było poszukać w karcie katalogowej charakterystyk prądowych. Charakterystyki takie dla napięcia zasilania 5V pokazane są na rysunku J. Jak najbardziej potwierdza się niesymetria wydajności prądowej. Ale nas najbardziej interesuje prąd wpływający, czyli prąd w stanie niskim. Okazuje się, że wydajność jest znacznie większa od gwarantowanej i w temperaturze pokojowej sięga 70mA. Warto też zauważyć, że po pierwsze charakterystyka wyraźnie staje się płaska przy większych prądach, czyli wyjście zaczyna mieć charakter źródła prądowego. Znaczy to, że przy obciążeniu o bardzo małej rezystancji, a nawet przy zwarciu do dodatniej szyny zasilania, nie można przekroczyć prądu wyznaczonego przez „dolny” tranzystor portu. Po drugie rysunek J wskazuje, iż przy wzroście temperatury, wydajność prądowa maleje. Jest to typowe dla tranzystorów MOSFET i generalnie jest zaletą, bo jest przynajmniej częściowym zabezpieczeniem. Jednak w tym wypadku zmniejszanie wydajności prądowej przy podgrzewaniu struktury raczej zaletą nie będzie.

Może się okazać, że tuż po włączeniu silniki mają sensowną moc, ale już

Rys. L

Rys. H

"V|H1	mjjuniign vorrage	Al AL	D-^cc"'	era^-
V,H2	Input High Voltaye	RESET	0.85 Vcc<^2>	Vcc + 0.5	V
V0L	Output Low Voltage Ports B	lOL = 20 mA, Vcc = 5V l0L “ *10 mA, Vcc = 3V		0.5 0.4	V V
V0H	Output High Voitage Ports B	ir)ij — -3 mA, ~~ 5V l0H = -^1-5 mA,Vcc = 3V	4.2 2.4		V V i
I.L	input Leakage Current l/O Pin	VCc = 6V, Pin Low (absolute va!ue)		8.0	PA
1	Input Leakage	Vcc = 6V, Pin High		- _a n	»iA.

po chwili ich moc się zmniejszy wskutek wzrostu temperatury półprzewodnika.

Trudno jednak wysunąć jednoznaczne wnioski. Nic wiemy nic o silnikach, a trzeba też pamiętać, że podane charakterystyki to wartości przeciętne, średnie. W praktyce mogą zdarzyć się egzemplarze procesora o znacznie większej wydajności prądowej, ale też nie można wykluczyć, że trafią się egzemplarze o mniejszej wydajności prądowej, niewiele przekraczającej wartość gwarantowaną.

Hobbyści często wykorzystują możliwości posiadanego egzemplarza i nie zastanawiają się nad powtarzalnością parametrów w innych egzemplarzach. Pomijają też zupełnie problem niezawodności. Tymczasem w karcie katalogowej można znaleźć następujące informacje:

Absolułe Maximum Ratings

DC Current per l/O Pin..................40.0 mA

DC Current VCC and GND Pius... 200.0 mA

Oraz dopisek: Stresses beyond those listed under „Absolute Maximum Ratings” may cause permanent damage to the device. (...) Exposure to absolute maximum rating conditions for extended periods may affect device rei ia bil i ty.

Owszem, praktyka nieliczenia się z takimi uwagami pokazuje, iż współczesne układy scalone, a w szczególności mikrokontrolery, są coraz odporniejsze. Jednak nie powinno to być zachętą do przekraczania parametrów podawanych przez producenta. Jakaś część uczestników naszej Szkoły Konstruktorów zostanie zawodowymi elektronikami. Wtedy znaczącą rolę odegrają dobre i złe przyzwyczajenia. Dopiero po latach może się okazać, że przekraczanie zalecanych parametrów skutkuje poważnym zmniejszeniem niezawodności i wtedy boleśnie dadzą się odczuć kłopoty i koszty napraw. Dlatego w Szkole Konstruktorów nie zalecam „poprawiania” parametrów i zaleceń producentów układów scalonych.

Poprawić należałoby raczej układ z rysunku B. Nadesłaliście rozmaite propozycje poprawy, niektóre bardzo dobre, inne mniej doskonałe.

W każdym razie rzeczywiście silniki nie powinny być sterowane wprost z portów, tylko za pomocą jakiegoś obwodu pomocniczego. W najprostszym przypadku może to być tranzystor MOSFET o niedużym napięciu progowym Uosth, lub driver ULN2803 według rysunku K. Układ ULN2804 ma wbudowane Rys. K wewnętrzne diody gaszące

przepięcia, trzeba tylko nóżkę 10 dołączyć do plusa zasilania. W przypadku tranzystora bipolarnego trzeba dodać i diodę

44 Styczeń 2010 Elektronika dla Wszystkich