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 piątą wyprawą na oślą łączkę.

Nareszcie zajmiemy się układami cyfrowymi.

Określenie „technika cyfrowa“ może budzić obawy,

że chodzi o coś bardzo trudnego. Niektórzy są przekona−
ni, że jeśli jest „cyfrowa“, to ma ścisły związek z matema−
tyką, i to matematyką wyższą. W rzeczywistości ta dzie−
dzina elektroniki okazuje się bardzo łatwa do opanowania.
Wbrew pozorom okazuje się zdecydowanie łatwiejsza niż
technika analogowa, którą zajmowaliśmy się na poprze−
dnich wyprawach. Tak! Przekonasz się o tym osobiście
podczas pierwszej „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 i Technikalia.

Zapewniam, że zaczynając znajomość z techniką cy−

frową 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 wyczer−
pująco omówione podczas dwóch pierwszych „analogo−
wych“ wypraw na oślą łączkę. Można je znaleźć w archi−
walnych numerach Elektroniki dla Wszystkich, począw−
szy 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
można zamówić jako zestaw A05. Elementy możesz luto−
wać, możesz też wykorzystać uniwersalną płytkę styko−
wą. Informacje handlowe podane są na stronie 80,81.

Życzę sukcesu także na tej wyprawie.

Piotr Górecki

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

A4

85

Wyprawa piąta − A5

Syreny alarmowe, Mrygadełko,

Generator laboratoryjny, Perpetuum mobile,

Przerzutnik RS, Czarodziejski czujnik zbliżeniowy,

Detektor wilgoci, Uniwersalny sygnalizator drzwiowy,

Cyfrowe tańczące światełka, Przełączniki sensorowe

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.

potencjometry

kondensatory

układy scalone

tranzystory

diody

rezystory

membrana

piezo

PCA − 100

brzęczyk

piezo

z generatorem

diody LED

przyciski

„darlington“

mocy

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

A4

86

Czy w życiu codziennym spotykasz się
z bramkami logicznymi?

Tak! Często mamy do czynienia z urzą−

dzeniami, które działają jak najprawdziw−
sze bramki logiczne, na przykład lampka
oświetlenia kabiny samochodu sterowana
jest elektromechaniczną bramką OR:
lampka świeci, gdy przynajmniej jedne
drzwi zostaną otwarte.

Z kolei drzwi wejściowe do mieszka−

nia, wyposażone w kilka zamków, przy−
pominają działanie bramki AND: aby
otworzyć drzwi, trzeba wcześniej otwo−
rzyć wszystkie zamki.

Na rysunku 1 znajdziesz przykłady

realizacji bramek OR i AND przy użyciu
zwykłych diod i rezystorów. Takie bram−
ki czasem wykorzystujemy w praktyce.
Aby zaświecić lampkę współpracującą
z bramką OR z rysunku 1a, wystarczy
podać napięcie na przynajmniej jedno
wejście. W przypadku bramki AND
z rysunku 1b napięcie trzeba podać na
wszystkie wejścia.

Czy wiesz, skąd wzięła się nazwa

bramka? Nazwa bramka (ang. gate) koja−
rzy się z bramą, z wejściem, z drzwiami.

Stany logiczne

Urządzenia cyfrowe (logiczne) zazwyczaj
traktuje się jako „czarne skrzynki“ mające
wejścia i wyjścia. Nie jest ważne, co jest
w środku – istotne jest tylko, jakie jest dzia−
łanie układu. Może straszy Cię informacja,
że urządzenia te realizują funkcje matema−
tyczne (logiczne).

Nie bój się! W rzeczywistości na wej−

ścia podawane są jakieś napięcia i jakieś
napięcia pojawiają się na wyjściach. Ściślej
biorąc, na tych wejściach i wyjściach wy−
stępują tak zwane stany logiczne, inaczej
poziomy logiczne. Oto pierwsza dobra
i bardzo ważna wiadomość: istnieją dwa
podstawowe stany logiczne − stan niski
(oznaczany L – od angielskiego low) i stan
wysoki (oznaczany H – high). Stan niski,
zwany także zerem logicznym (0) to
w praktyce po prostu brak napięcia. Stan
wysoki, zwany też jedynką logiczną (1) to
obecność napięcia.

Dalszych informacji na temat stanów lo−

gicznych szukaj w części TECHNIKALIA.

Podstawowe bramki

Bramki są elementarnymi cegiełkami,
z których można budować dowolnie
skomplikowane układy, pełniące różno−
rodne zadania, na przykład liczniki, prze−
rzutniki, rejestry i inne, o których dowiesz
się na kolejnych wyprawach. A oto bardzo
dobra wiadomość: istnieje tylko kilka typów
bramek, a ich działanie jest beznadziejnie
proste.

Uwaga! Podane dalej wyjaśnienia ba−

zują na informacjach zawartych w po−
przednich odcinkach cyklu „Ośla łączka“
(wyprawy A1...A2). Jeśli nie znasz zawar−
tego tam materiału, musisz się z nim za−
poznać i dowiedzieć się nieco o rezysto−
rach, kondensatorach, tranzystorach
i przekaźnikach.

Rysunek 1 pokazuje symbole graficzne

podstawowych bramek, znane i stosowane
od lat. Od pewnego czasu zaleca się używa−
nie nowszych symboli z rysunku 2, jednak
wciąż nie są one popularne.

Symbol graficzny nie mówi nic o budo−

wie wewnętrznej, a jedynie wskazuje, jakie

Komu potrzebny jest
ochroniarz?

Obwody wejściowe (bramki) tranzystorów MO−
SFET, zawartych w układach CMOS, są bardzo
delikatne i łatwo ulegałyby uszkodzeniom, gdyby
nie odpowiedni system zabezpieczeń.

Źródłem zagrożenia są przede wszystkim tak

zwane ładunki statyczne. Na pewno i Ty od czasu
do czasu obserwujesz trzaski i iskierki przy zakła−
daniu jakiegoś ubrania z włókna sztucznego. Za−
pewne i Ciebie ukłuła iskra po dotknięciu klamki
albo przy wysiadaniu z samochodu. Jeśli przeska−

kuje iskra, napięcie wynosi na pewno ponad kilo−
wolt (tysiąc woltów); zwykle wynosi kilka lub kil−
kanaście kilowoltów.

Jeśli iskra przeskakuje przy dotykaniu klamki,

coś podobnego może też wystąpić przy dotknięciu
nóżek układu scalonego. Oczywiście prowadzi to
nieuchronnie do uszkodzenia delikatnej struktury.
Konstruktorzy włożyli dużo trudu i pomysłowości,
by nie dopuścić do uszkodzenia w takich sytua−
cjach. W części ELEMENTarz znajdziesz schemat
typowego zabezpieczenia, które chroni układ sca−
lony w większości sytuacji. Powiedzmy to wyra−

źnie – w większości sytuacji, ale nie zawsze. Dla−
tego producenci układów scalonych nadal zalecają,
by przechowywać delikatne układy scalone w spe−
cjalnych szynach z przewodzącego prąd plastiku,
oznaczonych napisem antistatic ewentualnie wbite
nóżkami w czarną, przewodzącą gąbkę – patrz fo−
tografia A na stronie obok.

Nie zdziw się też, że niektórzy sprzedawcy za−

wijają takie układy w folię aluminiową.

Według zaleceń producentów, stanowisko

montażowe układów CMOS powinno mieć meta−
lowy (lub inny przewodzący prąd) blat, wszystkie

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

Uwaga!

Podczas tej wyprawy będziemy wy−

korzystywać delikatne układy scalo−

ne CMOS. Ryzyko ich uszkodzenia

nie jest duże, ale nie jest wykluczone.

Dlatego na wszelki wypadek w ze−

stawie elementów do tej wyprawy

(A05) przewidziano podwójną liczbę

układów scalonych.

Warto od razu zajrzeć do części

TECHNIKALIA i zapoznać się z podsta−

wowymi informacjami o sposobach

zapobiegania uszkodzeniom delikat−

nych podzespołów elektronicznych.

Ćwiczenie 1

Podstawowe bramki

Bramka jako... bramka

Czy wiesz, że...

Numeracja nóżek układów

scalonych jest znormalizowana.

Dla powszechnie dostępnych układów

w tak zwanej obudowie DIL półokrągłe

wycięcie, wgłębienie lub kropka znajduje się

w pobliżu nóżki 1,

a nóżki trzeba liczyć przeciwnie do

ruchu wskazówek zegara, patrząc

od góry, czyli od strony napisu.

Zasadę tę ilustruje

fotografia.

TECHNIKALIA

Rys. 1

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

A4

87

Słusznie!
Drzwi mogą być otwarte albo zamknięte.

Podobnie jest z bramką. W układach z

rysunku 1 za pomocą przycisku S1 mo−
żesz zaświecać i gasić lampkę w dowol−
nym rytmie pod warunkiem, że...

Czy rozumiesz, w czym rzecz?
Bramka przepuści sygnał „zmienny“

z przełącznika S1 tylko wtedy, gdy na jej
drugim wejściu jest odpowiedni stan lo−
giczny. W bramce OR (rysunek 1a)
i w bramce NOR stanem „otwierają−
cym“ jest stan niski (styk S2 rozwarty).
Bramkę AND (rysunek 1b) i bramkę
NAND otwiera stan wysoki (styk S2
zwarty).

Działanie bramek jest w sumie bezna−

dziejnie proste. Nie zlekceważ jednak
proponowanego teraz ćwiczenia, które−
go celem jest poznanie pewnych waż−
nych cech bramek logicznych i innych
układów z rodziny CMOS 4000. Zestaw
układ według rysunku 2 z wykorzysta−
niem kostki CMOS 4011, zawierającej
cztery dwuwejściowe bramki NAND.
Nie zapomnij o podłączeniu końcówek
zasilania (nóżki 7 i 14) i wejść. Trzy
wyjścia pozostaw niepodłączone. Na
tym i niektórych następnych schematach
zaznaczyłem numery nóżek, co sugeruje
konkretne połączenia. Oczywiście wszy−
stkie bramki z jednej kostki są jednako−
we i wejścia każdej bramki też są jedna−
kowe, więc możesz modyfikować układ.

jest działanie elementu. Działanie bramek
(i innych, tak zwanych kombinacyjnych
układów logicznych) opisane jest w podręcz−
nikach za pomocą tak zwanych tabel prawdy.
W ramach tego kursu podejdziemy do spra−
wy prościej, od strony intuicyjnej.

Jak już wiesz, stan niski to w praktyce

brak napięcia (napięcie równe zeru), nato−
miast stan wysoki to obecność napięcia zasi−
lania. Chyba zgadza się z Twoją intuicją, że
w odniesieniu do wejść stan niski jest czymś
w rodzaju stanu spoczynkowego, natomiast
stan wysoki jest stanem aktywnym. Z wyj−
ściami bywa różnie – o tym przeczytasz da−
lej. (Choć określenie „stan spoczynkowy“
nie jest używane w podręcznikach, ułatwi Ci
intuicyjne zrozumienie działania układów lo−
gicznych. Nie chcę Ci bowiem mącić w gło−
wie określeniami typu logika dodatnia
i ujemna.)

Funkcje pięciu omówionych dalej bra−

mek musisz dobrze zrozumieć i pamiętać
o każdej porze dnia i nocy – to naprawdę jest
niezbędne. Hobbyści w swej praktyce zde−
cydowanie najczęściej wykorzystują negato−
ry (NOT) oraz dwuwejściowe bramki NA−
ND i NOR. Bramki OR, AND są wykorzy−
stywane nieporównanie rzadziej.

Układ scalony

Bramki logiczne można zrealizować w naj−
różniejszy sposób i jak się okazuje funkcje
logiczne oraz operacje matematyczne moż−
na przeprowadzać przy użyciu najróżniej−
szych elementów. Przed wielu laty realizo−
wano je przy pomocy m.in. układów
mechanicznych,

przekaźników,

lamp

elektronowych, tranzystorów, diod i rezysto−
rów, itd... jednak dopiero pojawienie się

przyrządy pomiarowe oraz lutownica mają być
uziemione. Także elektronik powinien być uzie−
miony (!) za pomocą przewodzącej bransolety po−
łączonej z ziemią przez rezystor o wartości rzędu
1M

Ω.
Amatorzy i nie tylko amatorzy nie zachowują

żadnych środków ostrożności przy kontakcie
z układami CMOS. Dlatego nadal zdarzają się
uszkodzenia układów scalonych CMOS, ale trzeba
przyznać, iż są to przypadki bardzo rzadkie.

Cóż mam Ci poradzić w tym względzie?

Z obowiązku informuję o zaleceniach fabrycz−

nych. Z własnej praktyki zalecam rozsądną mia−
rę ostrożności − kawałek czarnej gąbki do prze−
chowywania układów CMOS i uziemienie grota
lutownicy na pewno nie zaszkodzi. Warto też
dotknąć do uziemienia (np. kranu) przed rozpo−
częciem pracy, by rozładować ewentualne ła−
dunki. Trzeba też unikać ubrań z tworzyw
sztucznych, bo się łatwo elektryzują – bawełna
okazuje się dobra i pod tym względem. Nie za−
szkodzi też w pracowni rozpylić trochę wody
w powietrzu, utrudnia to tworzenie wspomnia−
nych ładunków statycznych.

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

TECHNIKALIA

Rys. 2

Rys. 1

Rys. 2

Fot. 1

F

F

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

A

A

A

A

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

A4

88

Dlatego też na niektórych rysunkach ce−
lowo nie podałem numeracji nóżek.

Naciśnięcie przycisku, czyli podanie

na nóżkę 3 w stanu wysokiego powo−
duje pojawienie się stanu niskiego na
wyjściu 3 i zgaszenie diody D. Bramka
U1A działa jak inwerter.

Dołącz nóżkę 1 bramki

do masy (n. 7). Czy
wiesz, dlaczego
nie można teraz
zgasić diody
D5?

Jeśli

wiesz, gratulu−
ję − rozumiesz
działanie bramki
NAND. Znów dołącz
nóżkę 1 do nóżki 14.

Jeśli usuniesz zewnętrzne obciążenie

w postaci R2, D5, nie zaświeci także
kontrolka D2, co wskazuje, że nieobcią−
żony układ scalony podczas pracy albo
nie pobiera prądu w ogóle, albo jego
pobór jest znikomo mały.

Jakie stany logiczne panują na wyj−

ściach bramek U1B, U1C? Jeśli ze−
wrzesz ze sobą te wyjścia (nóżki 4, 10),
wtedy zaświeci dioda D2, wskazując, że
układ pobiera spory prąd. Płynie on
przez D2, nóżkę zasilającą 14, dalej we−
wnątrz układu scalonego przez bramkę
U1B, potem z nóżki 4 do nóżki 10 i da−
lej przez bramkę U1C do nóżki zasilają−
cej 7. Dioda D2 zaświeci jasno, gdy ze−
wrzesz nóżkę 4 do masy albo nóżkę 10
(11) do plusa zasilania.

Wyciągnij ważny wniosek: zwarcie

wyjść CMOS może spowodować zupeł−
nie niepotrzebnie pobór znacznego prą−
du. Dlatego nie należy zwierać wyjść

bramek ani za sobą, ani do masy, ani do
plusa zasilania.

Zauważ, że niezależnie od stanów

przycisku, diody LED D3, D4 umie−
szczone na wejściu bramki nie zaświecą
się nawet w głębokiej ciemności – to ar−

gument, że wejścia bramek podczas

normalnej pracy nie po−

bierają prądu. Po−

równanie rysunku

2 i fotografii 1

pokazuje, że

w

ćwiczeniu

tym

możesz

w y k o r z y s t a ć

diody LED o do−

wolnych kolorach.

Zbadamy

wydajność

wyjść bramek. Zestaw teraz układ z ry−
sunku 3. Pomocą będzie fotografia 2.
(Dodatnie napięcie zasilania i dodatnią
końcówkę zasilającą układów CMOS
często oznacza się VDD, napięcie i koń−
cówkę ujemną − VSS). Potencjometr
PR1 pozwala zmieniać napięcie zasila−
jące w szerokich granicach. Najpierw
ustaw napięcie zasilające na minimum −
wskaźnikiem napięcia jest dioda LED
D1. Zwiększaj napięcie zasilania i ob−
serwuj jasność świecenia LED−ów D2,
D3, które w tym wypadku ze względów
dydaktycznych włączone są nietypowo,
bez rezystorów ograniczających.

Uwaga! Napięcie zasilania powinno

wynosić co najmniej 12V, a w miarę
możliwości 18V (np. 2 baterie alkaliczne
9V). Przy napięciach zasilania powyżej
12V układ scalony będzie się wyraźnie
grzać. Przy napięciach mniejszych niż
12V grzanie może być niezauważalne.

przed czterdziestu laty układów scalo−
nych otworzyło drogę nie tylko do niesa−
mowitej miniaturyzacji, ale i do zadziwia−
jącego zwiększenia możliwości układów
cyfrowych.

Jak już wiesz, układ scalony to miniatu−

rowy układ elektroniczny, którego elementy
są wytworzone na wspólnym krzemowym
podłożu. Typowy układ scalony zawiera
przede wszystkim tranzystory (bipolarne lub
unipolarne MOSFET) a także rezystory
i ewentualnie kondensatory o małych po−
jemnościach.

Istnieje bardzo wiele typów i rodzajów

układów scalonych. Generalnie dzielą się
one na analogowe i cyfrowe. Na wyprawie
czwartej wykorzystywaliśmy scalone stabi−
lizatory, które należą do układów analogo−
wych, podobnie jak na przykład różnego ro−
dzaju wzmacniacze. Natomiast ogromna
grupa układów cyfrowych obejmuje ele−
menty począwszy od najprostszych bramek,
a skończywszy na skomplikowanych proce−
sorach komputerowych.

Najprostsze cyfrowe układy scalone

(bramki) zawierają kilka tranzystorów. Naj−
bardziej skomplikowane (procesory kompu−
terowe) – kilka milionów tranzystorów.
W przypadku układów scalonych, zwłaszcza
cyfrowych, niewiele interesuje nas budowa
wewnętrzna, a bardziej pełnione funkcje.
Fotografia poniżej pokazuje kilka układów
scalonych, analogowych i cyfrowych.

TECHNIKALIA

Stany, stany, stany...

W części pt. ELEMENTarz podałem, że mamy dwa
podstawowe stany logiczne: wysoki i niski (inaczej:
jedynka i zero). I to jest święta prawda. W podręcz−
nikach możesz spotkać opisy jeszcze innych stanów:
tzw. stanu trzeciego, oznaczanego Z, stanu nieokre−

ślonego oraz stanu zabronionego czy stanów zabro−
nionych. W książkach spotkasz się także z określe−
niami „logika ujemna“ i „logika dodatnia“. Podręcz−
niki zwykle zawierają też obszerny materiał teore−
tyczny dotyczący rachunku zdań, zbiorów, kwantyfi−
katorów, relacji, funkcji, itd. Na razie nie ma żadnej

potrzeby, byśmy się tym zajmowali. To są zagadnie−
nia potrzebne wąskiej grupie teoretyków i zawodo−
wych konstruktorów. Aby zostać dobrym elektroni−
kiem−hobbystą wystarczy zrozumieć podstawy, a to
naprawdę jest bardzo łatwe. Potem jeśli zechcesz,
zajmiesz się materiałem teoretycznym.

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

Czy wiesz, że...

Obok oficjalnego określenia

„układ scalony” używane są także inne,

równoważne − przede wszystkim

„kostka”, ale także mniej eleganckie

„kość” i „scalak”.

Czy wiesz, że...

Wejścia układów CMOS nie mogą być niepodłączo−

ne, czy jak mówimy potocznie “wisieć w powietrzu”.

Wszystkie niewykorzystane wejścia układów CMOS powin−

ny być dołączone albo do masy, albo plusa zasilania.

Niewykorzystane wyjścia należy pozostawić niepodłą−

czone. Nie wolno ich łączyć z innymi wyjściami,

z masą, ani z dodatnią szyną zasilania.

Rys. 3

Fot. 1

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

A4

89

Jasność świecenia D2, D3 wskazuje,

że z wyjścia bramki przy wyższych na−
pięciach zasilających można pobrać spo−
ry prąd i to zarówno wypływający, jak
i wpływający. Często wykorzystujemy
to w praktyce.

Jeśli chcesz, możesz zamiast dowol−

nej diody D2 albo D3 włączyć miliampe−
romierz (który ma małą rezystancję we−
wnętrzną i można go traktować jako
zworę) i sprawdzić, jaki jest maksymalny
prąd zwarciowy przy różnych napięciach

zasilania. Choć w rzeczywistych warun−
kach aż tak dużego prądu „nie wydusisz“
z wyjścia, a wydajność układów od róż−
nych producentów może być znacząco
różna, ćwiczenie to jest bardzo ważne, bo
da Ci wyobrażenie, jakie możliwości ma
wyjście układu CMOS w zależności od
napięcia zasilania. Zwróć uwagę, że
zwarciowy prąd wyjściowy silnie zależy
od napięcia zasilającego.

Diody D4, D5 nie będą świecić; czy

wiesz, dlaczego?

W ramach tego ćwiczenia zbadamy dal−
sze właściwości bramki i przekonamy
się o obecności wokół nas „elektronicz−
nych śmieci“.

Najpierw zestaw układ według ry−

sunku 4a. Nie zapomnij o końcówkach
zasilania (n. 7 i 14). Gdy za pomocą ka−
wałka drutu na chwilę zewrzesz punkt
A z punktem P (z plusem zasilania), kon−
densator C1 naładuje się i po usunięciu
zwarcia bardzo długo lub na stałe utrzy−
ma stan wysoki na wejściu A. Wskaźni−
kiem będzie dioda LED. Gdy potem
choć na chwilę zewrzesz punkt A do ma−
sy, kondensator momentalnie rozładuje
się i na wejściu A będzie się utrzymywał
stan niski. Ja od razu do ładowania i roz−
ładowywania kondensatora C1 wyko−
rzystałem dwa przyciski.

Napięcie na kondensatorze się nie

zmienia (ani się on ładuje, ani rozłado−
wuje), bo w obwodach wejściowych
układów CMOS praktycznie prąd nie

płynie. Mówimy, że wejścia CMOS ma−
ją ogromną rezystancję wejściową.
Kondensator C1 pełni rolę elementu pa−
miętającego. Rolę tę może pełnić nawet
znikoma pojemność wejścia bramki, wy−
nosząca około 5...10pF. Jeśli pozosta−
wisz wejście CMOS „wiszące w powie−
trzu“, układ może reagować bardzo
dziwnie, zwykle błędnie.
Nigdy nie pozostawiaj nie−
podłączonych wejść CMOS.

Zmodyfikuj teraz układ

pracy bramek U1A, U1B,
U1C, U1D według rysunku
4b (reszta bez zmian). Pomo−
cą będzie fotografia 3. Rezy−
stor R2 włączony równolegle
do naładowanego kondensa−
tora C1 na pewno go rozładu−
je. Sprawdź działanie układu.

Elementy R2C1 tworzą

obwód opóźniający zgasze−
nie lampki D1. Natomiast

Przetwornik
piezoelektryczny

(membrana piezo)

Płytka z materiału piezo−
elektrycznego ma intere−
sujące właściwości. Do−
łączenie do niej napięcia
powoduje (niewielkie)
odkształcenie mecha−
niczne. Zasilona napię−
ciem zmiennym wydaje
dźwięk − zamienia zmienne przebiegi elek−
tryczne na dźwięki. Membrana piezo jest więc
rodzajem głośnika, ale typowa membrana nie
może zastąpić głośnika w radiu czy telewizo−
rze, bo dobrze przetwarza tylko sygnały z wą−
skiego pasma częstotliwości. I to jest główna
wada. Ważną zaletą jest mały pobór mocy
i duża głośność (czyli duża sprawność prze−
twarzania energii elektrycznej na akustyczną).

Jest przetwornikiem odwracalnym, za−

mienia też dźwięki, a ściślej drgania mem−
brany na sygnały elektryczne. W pewnych
warunkach może więc służyć jako mikrofon.

Membrana piezo jest elementem niebie−

gunowym.

Membrany piezo wyposażone w dodatko−

wą tubę umożliwiają uzyskanie dźwięku
o zaskakująco dużej głośności i są wykorzy−
stywane w systemach alarmowych, zwła−
szcza samochodowych.

Rysunek powyżej pokazuje symbol

membrany piezo, spotykany w literaturze.
Uwaga! Takim samym symbolem oznacza
się także brzęczyk piezo, czyli membranę
z wbudowanym jednotranzystorowym gene−
ratorem.

Fotografia poniżej pokazuje kilka mem−

bran piezo. Niektóre umieszczone są w obu−
dowie i mają wygląd podobny do przetwor−
ników piezo z generatorem, które poznałeś
na wyprawie pierwszej A1. Łatwo je odróż−
nić bez otwierania obudowy. Brzęczyk zasi−
lony napięciem stałym o odpowiedniej bie−
gunowości (najpierw 3V, potem ewentualnie
9V) wyda ciągły dźwięk, natomiast membra−
na dołączona do napięcia stałego wyda co
najwyżej jeden cichy stuk.

Brzęczyk piezo zawiera membranę oraz

prosty generator z jednym tranzystorem.

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

F

F

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

2

2

2

2

Ćwiczenie 2

Czujnik zbliżeniowy

obwód R3C2 skraca impuls występujący
w punkcie B. Lampka D2 zaświeca się
na krótko w chwili, gdy D1 gaśnie. Czy
wiesz dlaczego? Czy potrafisz naryso−
wać przebiegi w poszczególnych punk−
tach układu? Wykorzystaj informacje
z wyprawy drugiej A2.

Pobaw się! Zmieniaj wartości elemen−

tów R2, R3, C1, C2 (100k

Ω...22MΩ,

100nF...1

µF). Kondensator C2 (punkt X)

dołącz do punktów A oraz C. Choć tego
rodzaju obwody wykorzystujemy bardzo
często, na razie z istotnych względów nie
będziemy się wgłębiać w ten temat. Zaj−
miemy się nim na następnej „cyfrowej“
wyprawie.

A teraz zmodyfikuj układ według ry−

sunku 4c. Pomocą będzie fotografia 4a.
Tym razem układ musi być zasilany
z zasilacza. Element oznaczony Y1 to
membrana piezo (nie brzęczyk piezo
z generatorem). W zastawie elementów
do tego ćwiczenia (A05) znajdziesz ele−
ment o symbolu PCA−100. Dla zwięk−
szenia głośności membrana wyposażona
jest w aluminiową tubę, a całość umie−
szczona jest w plastikowej okrągłej obu−
dowie. Zamiast przetwornika PCA−100
możesz włączyć jakąś słuchawkę (np. te−
lefoniczną) lub inną membranę, np. z ze−
garka z budzikiem, ostatecznie nawet ja−
kiś głośnik.

Czy możesz tak ustawić potencjometr

PR1, by dioda LED świeciła słabiej i miała
połowę maksymalnej jasności? Spróbuj,
wcale nie jest to trudne. Tylko się nie spiesz
i pomaleńku pokręcaj PR1. Zwróć uwagę,
czy membrana nie wydaje dźwięków. A jak

zachowuje się dioda LED? Czy teraz już
wiesz, co to jest próg przełączania?

Jeśli masz taką możliwość, zmierz

prąd zasilania miliamperomierzem albo
za pomocą dodatkowej diody LED włą−
czonej w obwód dodatniej szyny zasila−
nia. Odłącz R1, D1, Y1. Przekonasz się,
że bramka pobiera prąd. Przyczyna jest
prosta – gdy napięcie wejściowe nie
jest „czystym“ stanem logicznym i wy−
nosi mniej więcej połowę napięcia zasi−

lania, trochę otwierają się oba tranzy−
story na wejściu bramki i płynie przez
nie prąd. Bramka nie pobiera prądu,
gdy na wejściach są „czyste“ stany lo−
giczne. Dalszych wyjaśnień szukaj
w ELEMENTarzu i Technikaliach. Do−
łącz R1, D1, Y1.

Czy słyszysz, że w tym „środkowym“

punkcie, gdy dioda D1 świeci zmniej−
szoną jasnością, membrana wydaje
dźwięk – lekki szum?

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

A4

90

F

F

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

4

4

4

4

a

a

a

a

F

F

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

3

3

3

3

Rys. 4

F

F

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

4

4

4

4

b

b

b

b

Obecność dźwięku wskazuje, że poja−

wiły się tam niewielkie przebiegi zmien−
ne. Skąd?

Zapamiętaj, że bramka jest w istocie

wzmacniaczem. Oczywiście w normal−
nych warunkach nie chcemy, żeby pra−
cowała jako wzmacniacz, dlatego poda−
jemy na wejścia „czyste“ stany logiczne.
Teraz za pomocą potencjometru podali−
śmy na wejście napięcie „pośrednie“,
przy którym bramki pracują w tak zwa−
nym zakresie liniowym i wzmacniają sy−
gnały zmienne (a także szumią same
z siebie). Zbadajmy ten problem bliżej.

Nie zmieniaj położenia PR1, usuń

kondensator C1.

Pojawi się terkot. Dźwięk wydawany

przez membranę wskazuje, że w punkcie
A pojawił się przebieg zmienny o często−
tliwości 50Hz. Domyślasz się, że pocho−
dzi on z sieci energetycznej. Słusznie!

Do punktu A dołącz antenkę − kawa−

łek jakiegokolwiek drutu o długości
10...15cm.

Dlaczego terkot się zwiększył?
Zbliż rękę do anteny. Terkot stanie się

trochę głośniejszy – „śmieci“ przechodzą
przez pojemność między ręką a antenką.
Efekt będzie zdecydowanie silniejszy, je−
śli dotkniesz palcem antenki. Teraz Ty je−
steś anteną (nie dotykaj obwodu masy,
tylko anteny). Sprawdź, co zmieni dołą−
czenie membrany do punktu B, a nie C.

Do eksperymentów z antenką (bez kon−

densatora C1) możesz wykorzystać znacz−
nie prostszy układ
według rysunku 4c.
Mała

fotografia

4b pokazuje układ,
który

testowałem

w ramach przygoto−
wań tego ćwiczenia.

Sprawdź, co się

stanie, gdy jedną ręką
dotkniesz

antenę

(punkt A), a jednocze−
śnie drugą ręką masę
układu (punkt O).
Efekt będzie zdecydo−
wanie mniejszy, o ile
w ogóle wystąpi.

Usuń

antenkę

i sprawdź, czy zbliże−
nie ręki zmieni coś
w układzie. Weź ka−
wałek blachy lub folii
aluminiowej, połącz
solidnie kawałkiem
przewodu z masą
układu. Połóż na tak
wykonany

ekran

kartkę papieru (izola−
cja), a na nią badany
układ. Czy czułość
się zmieniła?

Pobaw się! Wykorzystaj różne anteny

(dołączone do punktu A) i różne ekrany
(dołączone do masy – punktu O). Jeśli
możesz, umieść układ w metalowym pu−
dełku. A jak się zachowa układ, gdy ekran
nie będzie dołączony do masy, tylko bę−
dzie „wisiał w powietrzu“?

Zmieniaj wartość rezystora R2

(1k

Ω...10MΩ). Dołącz kondensator

C o niewielkiej pojemności 1nF, 10nF.
Jak zmienia się czułość?

Nie będę Ci tłumaczył wszystkich

szczegółów. Najogólniej biorąc, wszech−
obecne „śmieci“, wytwarzane między in−
nymi przez sieć energetyczną, powodują
indukowanie przebiegów zmiennych we
wszelkich przewodzących przedmiotach,
również w ciele człowieka. Wbrew pozo−
rom, dominującym składnikiem tych
„śmieci“ nie są sygnały stacji radiowych
i telewizyjnych, tylko właśnie przebieg
sieci energetycznej 50Hz, co potwierdza
terkot membrany Y1.

Możesz się przekonać, że „śmieci“

dają o sobie znać w tych obwodach,

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

A4

91

Negator (inwerter)

Najprostszym i nad wyraz przydatnym ele−
mentem logicznym jest inwerter, zwany też
negatorem. Oznaczany jest zwykle NOT
(not to po angielsku nie). Jego symbol
i działanie pokazane jest na rysunku 4.
Inwerter, zgo−
dnie z nazwą,
zmienia stan lo−
giczny na prze−
ciwny. Inwerter
można też zrea−
lizować na wie−
le różnych spo−
sobów. Prosty
układ z jednym tranzystorem, pokazany na
poniższym rysunku 5, też pełni funkcję in−
wertera. Inwerterem jest również odpowie−
dnio włączony przekaźnik pokazany na tym−
że rysunku. Inwertery (i inne bramki), które
będziemy wykorzystywać w praktyce, zbu−
dowane są jeszcze inaczej – są to układy sca−
lone, zawierające tranzystory polowe MO−
SFET. Budowę popularnego inwertera scalo−
nego pokazuje rysunek 5c.

Bramka OR

Następnym podstawowym elementem lo−
gicznym jest bramka OR (or to po angielsku
lub), w niektórych polskich podręcznikach
zwana bramką LUB. Bramka OR ma przy−
najmniej dwa wejścia i jedno wyjście. Mo−
żesz sobie wyobrażać, że „stanem spoczyn−
kowym“ wyjścia jest stan niski. Do poja−
wienia się na wyjściu stanu wysokiego wy−
starczy, by stan wysoki był na jednym wej−
ściu lub na drugim; ogólnie − przynajmniej
na jednym wejściu. Rysunek 6 ilustruje
działanie dwuwejściowej bramki OR.
Bramki OR mogą być realizowane w różny
sposób – rysunek 7 pokazuje dwie dwu−
wejściowe bramki OR.

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

Rys. 4

Rys. 5

Rys. 6

F

F

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

5

5

5

5

które mają dużą rezystancję – to bardzo
ważny wniosek praktyczny. Zapewne je−
szcze nie raz takie „śmieci“ będą przy−
czyną przykrych niespodzianek w budo−
wanych przez Ciebie układach. I to nie
tylko w układach cyfrowych, ale głów−
nie w analogowych.

Uwaga! Przy zasilaniu z baterii część

opisanych efektów na pewno nie wystą−
pi. Możesz to sprawdzić.

Jeśli chcesz, możesz wykonać układ

według rysunku 4e i fotografii 5. Jest to
tak zwany czujnik pojemnościowy − sy−

gnalizator dotykowy,
a nawet zbliżeniowy.
Ostrzegam, że tego ro−
dzaju proste czujniki
zbliżeniowe są bardzo
kapryśne i nie są obe−
cnie wykorzystywane
w praktyce.

Przekonaj się, że

dotknięcie kilkucenty−
metrowej antenki spo−
woduje zdecydowane
zaświecenie

diody

LED, a membrana piezo Y1, dołączona
do punktu C, wyda dźwięk.

Zastosuj dłuższą antenkę 15...20cm.

Czy układ zareaguje na zbliżenie ręki
(bez dotykania)?

Sprawdź też koniecznie, jak zmieni

się czułość układu, jeśli w roli Rx zasto−
sujesz rezystory o opornościach 1M

Ω,

2,2M

Ω, 10MΩ, 22MΩ, 110MΩ (szere−

gowo 5 x 22M

Ω). Przy jakich warto−

ściach Rx układ przestanie być czujni−
kiem zbliżeniowym, a przy jakich czujni−
kiem dotykowym? Model z fotografii 5
badany w mojej domowej pracowni dzia−
łał dobrze z rezystorem Rx o wartościach
2,2M

Ω i więcej. Gdy Rx miał wartosć

1M

Ω i mniej, czujnik nie reagował.

Piotr Górecki

Ciąg dalszy

w kolejnym numerze EdW.

Informacje

dotyczące zestawu

EdW−05 do „Oślej

łączki“ znajdują się

na stronie 80.

Bramka AND

Działanie bramki AND, zwanej w nie−
których polskich podręcznikach bramką
I (angielskie and to po polsku i) również jest
niesamowicie proste.

Możesz sobie wyobrazić, że także w bram−
ce AND „stanem spoczynkowym“ wyjścia
jest stan niski. Na wyjściu pojawia się stan
wysoki tylko wtedy, gdy stan wysoki jest
i na jednym wejściu, i na drugim. Ogólnie,
w wielowejściowych bramkach AND stan
wysoki musi się pojawić na wszystkich
wejściach, by na wyjściu pojawił się stan
wysoki.

Rysunek 8 ilustruje działanie dwuwej−

ściowej bramki AND, a rysunek 9 pokazuje
przykłady realizacji takiej bramki.

Bramka NOR

Bramka NOR jest złożeniem bramek
NOT+OR (NIE+LUB) lub inaczej: jest to
zanegowana bramka OR.

Możesz sobie wyobrażać, że
działanie jest analogiczne
jak bramki OR, tylko dzięki
obecności negatora „stanem
spoczynkowym“

wyjścia

jest stan wysoki. A więc po−
jawienie się stanu wysokie−
go na którymkolwiek wej−
ściu zmienia stan wyjścia
z wysokiego na niski. Na ry−

sunku 10 znajdziesz ilustrację działania
dwuwejściowej bramki NOR, a na następ−
nym 11 przykłady realizacji takich bramek.

Bramka NAND

Bramka NAND jest zło−
żeniem bramek NOT
i AND (NIE+I). Można
powiedzieć, że jest to
zanegowana

bramka

AND. Podobnie jak
w bramce NOR „stanem
spoczynkowym“ wyj−
ścia jest stan wysoki.
Aby na wyjściu pojawił
się stan niski, na wszyst−

kich wejściach musi się pojawić stan wyso−
ki. Na 12, 13 znajdziesz dalsze informacje
o bramkach NAND.

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

A4

92

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

Czy wiesz, że...

Na schematach ideowych z reguły

nie zaznacza się końcówek zasilania

układów cyfrowych. Trzeba o tym pa−

miętać, projektując płytkę drukowaną

lub montując układ według

takiego schematu.

Rys. 7

Rys. 8

Rys. 9

Rys. 10

Rys. 11

Rys. 12

Rys. 13