osla9.qxd

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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?

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

Rys. 4

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,

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

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

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

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.

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

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