34
Szkoła Konstruktorów
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
Rozwiązanie zadania nr 47
WEdW1/2000 zamieszczony był schemat
pokazany na rysunku A. Według pomysło−
dawcy, niewielki sygnał zmienny 50Hz indu−
kowany w antenie jest wzmacniany przez
dwa wzmacniacze operacyjne.
Na pytanie co tu nie gra? odpowiedziało jak
zwykle wielu Czytelników. Większość odpo−
wiedzi była prawidłowa, jednak tym razem
odpowiedzi niepełnych i ewidentnie błęd−
nych było wyjątkowo dużo.
Dwie osoby stwierdziły, że błąd polega na
braku obwodu rezonansowego w obwodzie
anteny. Ten wniosek nie jest słuszny – wyko−
nanie obwodu rezonansowego o znacznej do−
broci na częstotliwość 50Hz nie jest wcale
zadaniem łatwym. Obwód taki nie jest zre−
sztą potrzebny, ponieważ składowe o wyso−
kich częstotliwościach zostaną zwarte do ma−
sy przez kondensator C1, a zresztą wzmac−
niacze operacyjne mają ograniczone pasmo.
Jeden z uczestników sądził, że błędem jest zbyt
duża pojemność C1 – jego zdaniem powinna
wynosić 10pF, a nie 10nF. Nie jest to błąd – na−
wet gdyby R2 miał oporność taką jak R1, czę−
stotliwość graniczna filtru dolnoprzepustowe−
go R1, R2, C1 wynosiłaby kilkadziesiąt her−
ców. Przy mniejszej wartości R2 częstotliwość
graniczna będzie wyższa – większa niż 50Hz.
Drobną usterką jest obecność R5. Nie jest on
do niczego potrzebny, ale też jego obecność
nie przeszkadza. Należałoby go usunąć.
Spora grupa Kolegów stwierdziła, że błąd
polega na sposobie włączenia diod D1, D2.
Tu opinie i sposoby rozumowania były róż−
ne. Odmienne były także wnioski.
Jeden z Kolegów napisał ponad dwie strony
na temat obwodu z diodami D1, D2. Doszedł
do wniosku, że ma on zabezpieczać układ
w przypadku bezpośredniego dotknięcia an−
tenką do odizolowanego przewodu siecio−
wego. Wniosek nie jest słuszny, bo z założe−
nia układ ma służyć do szukania przewodów
(izolowanych) ukrytych w ścianach. Dlatego
można dopuścić sposób włączenia diod jak
na rysunku A. Niemniej prawdziwy jest
wniosek, że diody zostaną uszkodzone przy
pojawieniu się w obwodzie anteny znaczne−
go ładunku. Bez względu na prawdopodo−
bieństwo takiego zdarzenia lepiej byłoby za−
stosować bardziej przemyślany obwód za−
bezpieczający, zwłaszcza że to nic nie ko−
sztuje. Obwód wejściowy mógłby wyglądać
jak na rysunku B. Wtakim wypadku rezy−
stor R1 (lub kilka rezystorów połączonych
szeregowo) będzie dodatkowo pełnił rolę
ochronną i zabezpieczy wejście przed wyso−
kimi napięciami i dużymi ładunkami. Je−
szcze raz powtarzam: jeśli weźmie się pod
uwagę przeznaczenie przyrządu, to sposób
włączenia diod na rysunku A nie jest ewi−
dentnie błędny, jednak lepiej zawsze stoso−
wać znacznie lepszy sposób z rysunku B.
Koledzy, którzy krytykowali sposób włącze−
nia diod D1, D2 słusznie zauważyli, iż ogra−
niczy on napięcie na wejściu wzmacniacza
operacyjnego (nóżka 3) do co najwyżej
±0,7V. I to jest prawidłowy wniosek, właści−
wie początek tropu. Niektórzy idąc tym tro−
pem doszli do przekonania, że błędnie umie−
szczona jest dioda D2 i że zamiast do masy,
powinna być dołączona do plusa zasilania,
według rysunku C albo rysunku D.
Wukładach z rysunków C i D napięcie na wej−
ściu wzmacniacza operacyjnego nie byłoby już
ograniczone do ±0,6V, byłoby nawet większe
od napięcia zasilania (−0,6V...Vcc+0,6V).
Przy takim włączeniu diody D2 układ
w ogóle miałby szansę zadziałać. Owszem,
mógłby zadziałać, ale prawdopodobieństwo
tego byłoby mimo wszystko małe. Nie sposób
tego wyjaśnić bez przedstawienia głównego
błędu w układzie z rysunku A.
Oto odpowiedź:
Podstawowym błędem w układzie z ry−
sunku A jest użycie wzmacniaczy typu
TL082 i dołączenie rezystorów R4 i R6 do
minusa zasilania.
Przecież kostki TL0XX nie mogą pracować
z napięciami wejściowymi bliskimi ujemnego
napięcia zasilania. Gdyby zamiast TL082 uży−
ty był układ LM358 lub LM324, układ z ry−
sunku A byłby z grubsza biorąc prawidłowy.
Mógłby on pracować, ale zależałoby to od
wartości rezystancji R2 i wzmocnienia pierw−
szego stopnia. Przypuszczam, że niedoświad−
czony kandydat na konstruktora postanowił
zastosować kostkę TL082, bo dowiedział się,
że ma ona rezystancję wejściową znacznie
większą niż LM358. Na marginesie można
dodać, że akurat rezystancja wejściowa gra tu
niewielką rolę. Także w kostkach LM358
i LM324 jest ona bardzo duża. Znaczenie ma,
a raczej może mieć, wejściowy prąd polaryzu−
jący. Wkostkach LM358 i LM324 wypływa
on z wyjścia i wywołuje spadek napięcia na
R2. Właśnie ze względu na prąd polaryzacji
wejścia (typowo 40nA, max 250nA) w obwo−
dach polaryzacji układów LM358 (324) nie
stosuje się rezystorów o wielkich wartościach.
Tymczasem w tym prostym układzie, gdzie
wykorzystuje się niewielkie pojemności mię−
dzy przewodem energetycznym a anteną, re−
zystancja R2 powinna być jak największa.
Tylko wtedy sygnał podawany na wzmac−
niacz operacyjny będzie miał znaczną war−
tość. Nietrudno obliczyć, że przy rezystancji
R2 równej 1M
Ω
, stały wejściowy prąd pola−
ryzacji układu LM358 wywołałby na niej
spadek napięcia typowo 40mV, maksymalnie
0,25V. Takie napięcie stałe pojawiłoby się
w spoczynku na nóżce 3 U1A i zostałoby
wzmocnione w stosunku wyznaczonym
przez R3, R4. Tym samym na nóżce 5 drugie−
C
Co
o t
tu
u n
niie
e g
gr
ra
a?
?
Rys. B
Rys. C
Rys. D
Rys. A
dr
35
Szkoła Konstruktorów
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
go wzmacniacza panowałoby zawsze duże
spoczynkowe napięcie stałe. Trudno powie−
dzieć, jaką miałoby wartość, bo nie wiado−
mo, jaką wartość wzmocnienia przewidywał
pomysłodawca. Należy jednak przypuszczać,
że wzmocnienie obu stopni ma być większe
od stu, a tym samym na wyjściu wzmacnia−
cza U1B spoczynkowe napięcie stałe wyno−
siłoby kilka woltów. Najprawdopodobniej
jednak wyjście zostałoby nasycone, a napię−
cie stałe byłoby zbliżone do dodatniego na−
pięcia zasilania. Oczywiście uniemożliwiło−
by to prace układu. Widać z tego, że układ
mógłby działać, ale tylko gdyby rezystor R2
miał małą wartość. To z kolei jest sprzeczne
z podstawowym warunkiem, by rezystancja
wejściowa była jak największa, a dzielnik
R1, R2 nie tłumił sygnału.
Skutecznym rozwiązaniem jest zastosowa−
nie w pierwszym stopniu wzmacniacza ope−
racyjnego z bardzo małymi prądami polary−
zacji wejść, czyli w praktyce z tranzystora−
mi FET lub MOSFET na wejściach i zakre−
sie napięć wejściowych obejmującym ujem−
ne napięcie zasilania, na przykład
TLC27X lub ICL76XX . Krótko mówiąc,
układ z rysunku A będzie w miarę popraw−
nie pracował pod warunkiem zastosowania
kostek typu TLC27X czy ICL76XX.
Jak z tego widać, idea zastosowania kostki
TL082, mającej prądy polaryzacji wejść ra−
dykalnie mniejsze niż LM358 (typowo 5pA,
max200pA) jest w zasadzie słuszna. Jednak
wtedy ze względu na dopuszczalny zakres
napięć wejściowych układów rodziny
TL0XX nie wolno dołączać rezystorów R4,
R6 do minusa zasilania. Można je natomiast
dołączyć do plusa zasilania. Poprawiony
układ pokazany jest na rysunku E. Zauważ−
cie, że na rysunku występują dodatkowe re−
zystory R
A
, R
B
, które w spoczynku podcią−
gają napięcia wejściowe do plusa zasilania.
Obwody wyjściowe kostek TL0XX nie mo−
gą bowiem dać na wyjściu napięcia równe−
go dodatniemu napięciu zasilania. Na mar−
ginesie można dodać, że w układach LM358
i LM324 można uzyskać napięcie wyjścio−
we bardzo bliskie ujemnemu napięciu zasi−
lania tylko dzięki obecności wewnątrz kost−
ki dodatkowego źródła prądowego (50
µ
A).
Natomiast w kostkach zrealizowanych w ca−
łości w
technice CMOS (TLC27X,
ICL76XX) wyjściowe tranzystory MO−
SFET umożliwiają uzyskanie napięć bardzo
bliskich obu napięciom zasilania, ale pod
warunkiem, że wyjście nie jest obciążone
(nie płynie prąd). Jak wspomniałem, diody
D1, D2 nie są konieczne, ale warto je zasto−
sować. Diody ograniczają tu napięcie sy−
gnału do ±0,6V, ale nie ma to znaczenia ze
względu na obecność wzmacniacza.
Układ z rysunku E nie jest jednak doskona−
ły i to nie tylko ze względu na konieczność
podciągania napięć wyjściowych za pomocą
dodatkowych rezystorów. Kolejna niedo−
róbka
dałaby
o sobie znać
w
przypadku,
gdyby napięcia
z anteny wystę−
pujące na wej−
ściu wzmacnia−
cza operacyjne−
go były małe,
rzędu pojedyn−
czych miliwol−
tów, i gdyby
w związku z tym wzmocnienie obu stopni
było duże. Wzmacniacze operacyjne TL082
w najtańszej wersji C (TL082C) mają we−
dług katalogu napięcie niezrównoważenia
typowo 5mV, maksymalnie 15mV. Przypu−
śćmy, iż w układzie z rysunku E zostanie
nieszczęśliwie użyty egzemplarz o napięciu
niezrównoważenia powiedzmy 10mV – ta−
kim, że układ przy sygnałach zmiennych
o amplitudzie do 10mV w ogóle nie będzie
reagował. Nic wtedy nie pomoże zwiększa−
nie wzmocnienia obu stopni – przy napię−
ciach do 10mV układ w ogóle nie zadziała,
mimo wypadkowego wzmocnienia obu
stopni przekraczającego 1000x.
Dotyczy to oczywiście nie tylko układu
z rysunku E, ale też konfiguracji z rysunku
A ze wzmacniaczem operacyjnym, na przy−
kład TLC272.
I tu chciałbym pochwalić nielicznych ucze−
stników, którzy rozumiejąc ten problem za−
proponowali zastosowanie w pierwszym
stopniu wzmacniacza o sprzężeniu zmien−
noprądowym. Wtedy napięcie niezrówno−
ważenia nie przeszkodzi we wzmacnianiu
nawet najmniejszych sygnałów. Wtakim
rozwiązaniu do pierwszego stopnia trzeba
dodać obwód polaryzacji stałym napięciem
i kondensatory separujące. Mogłoby to wy−
glądać jak na rysunku F lub rysunku G.
Układy takie są wręcz konieczne, gdy sy−
gnały wejściowe mają amplitudy rzędu po−
jedynczych miliwoltów. Szczerze mówiąc,
przy dużych wartościach rezystancji w ob−
wodach wejściowych R1, R2 (R3), rzędu
1M
Ω
i więcej, poziomy sygnałów na wej−
ściu pierwszego stopnia będą większe i nie
trzeba rozbudowywać układu. Niemniej jed−
nak gratulacje należą się wszystkim, którzy
zwrócili uwagę na wspomniane problemy.
Na koniec do omówienia pozostaje jeszcze
sprawa włączenia diod jak na rysunkach C,
D. Część uczestników stwierdziła, że układ
z rysunku A z diodą D2 dołączoną do plusa
zasilania będzie poprawnie pracował. Jest
w tym ziarno prawdy. Trzeba jednak uściślić
− mógłby działać w pewnych warunkach. Za−
działałby mianowicie, jeśli zaindukowane
w antenie, chwilowe napięcie na wejściu od−
Rys. E
Rys. F
Rys. G
36
Szkoła Konstruktorów
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
wracającym U1A (nóżka 3), mierzone wzglę−
dem masy byłoby większe niż 1,5V. Wtakim
zakresie napięć wejściowych wzmacniacz
TL082 zacząłby pracować w dopuszczalnych
warunkach. To (stosunkowo duże) napięcie
wejściowe zostałoby wzmocnione i urucho−
miłoby dalsze części urządzenia.
Warunkiem zadziałania jest tu zaindukowa−
nie w antenie napięcia o wartości szczytowej
rzędu 1,5V. Tak duże napięcie pojawi się tam
jednak tylko wtedy, gdy rezystancja obciąża−
jąca antenę – w tym przypadku R1, R2 – bę−
dzie bardzo duża. Ale jeśli już uda się uzy−
skać napięcie 1,5V, to nie trzeba stosować
dwóch wzmacniaczy operacyjnych – wystar−
czy jeden tranzystor MOSFET (np. BS170),
a nawet zwykły tranzystor bipolarny (w ukła−
dzie Darlingtona ze względu na mały prąd).
Ściślej biorąc, należałoby też sprawdzić, co
tak naprawdę dzieje się ze wzmacniaczem
operacyjnym TL082, gdy na jego wejściach
panują napięcia wykraczające poza dopu−
szczany zakres. Wniektórych typach wzmac−
niaczy następuje wtedy tak zwana inwersja –
wejścia odwracające i nieodwracające nieja−
ko zamieniają się funkcjami, co może prowa−
dzić do zatrzaskiwania (wzmacniacz zacho−
wuje się jak przerzutnik Schmitta). Nie
sprawdzałem tego w przypadku kostek
TL082 – niewykluczone, że wyłonią się tu
przykre niespodzianki.
Tyle rozważań dotyczących prostego
układu z rysunku A. Nagrody za prawidłowe
odpowiedzi otrzymują:
Józef Rojek – Świerkle,
Dawid Adamczyk – Gorzów Wlkp.,
Rafał Wojciechowski – Rybno.
Zadanie nr 51
Na rysunku H przedstawiono schemat ukła−
du “sygnalizatora suchego kwiatka”, nade−
słany jako rozwiązanie jednego z poprze−
dnich głównych zadań ze Szkoły. Idea jest
ciekawa, niemniej schemat zawiera błędy.
Tym razem proponuję, byście wyszukali
jak najwięcej usterek. Spodziewam się, że
jak zwykle prac będzie wiele, dlatego ser−
decznie proszę, żeby były one możliwie
krótkie. Nie rozpisujcie się więc, tylko wy−
liczcie w punktach znalezione usterki
z króciutkim, jednozdaniowym uzasadnie−
niem, dlaczego Waszym zdaniem jest to
błąd lub niedoróbka. Kto chce, może za−
proponować
modyfikację
schematu, by usunąć zauwa−
żone usterki. Układ można
uprościć, jednak należy za−
chować główną zasadę dzia−
łania. To zadanie dodatkowe
dla ochotników. Natomiast
główne pytanie brzmi jak
zwykle:
Co tu nie gra?
Odpowiedzi nadsyłajcie w ter−
minie 45 dni od ukazania się pisma. Nie za−
pomnijcie dopisać na kopercie lub kartce
“Nie gra 51”. Bardzo mi to ułatwi segregację
szkolnych prac.
Rys. H
Ciąg dalszy ze strony 28.
Będzie to jednocześnie praktycznie pierwsza próba skorzystania
z wyświetlacza alfanumerycznego LCD umieszczonego na naszej
płytce testowej. Schemat montażowy jest taki sam, jak do poprze−
dniego ćwiczenia.
2. Popatrzcie na główny schemat, na którym pozostał jeszcze nie
omówiony fragment 3. Jeżeli posiadacie jakiś czterofazowy silnik
krokowy (np. od starej stacji dysków 5,25”), to dołączcie go do na−
szej płytki w sposób pokazany na schemacie i spróbujcie napisać
program wprawiający ten silnik w ruch. Nie mogłem sobie z tym
problemem poradzić (no, może jest
w tym trochę kokieterii) i bardzo
byłbym wdzięczny za każdy pomysł
na napisanie takiego programu prze−
słany mi na
zbigniew.raabe@edw.com.pl.
3. Jeżeli nie posiadacie silnika kro−
kowego, to spróbujcie napisać i uru−
chomić program obsługujący zwy−
kły silnik DC małej mocy. A może
poeksperymentujecie z żarówkami
na niskie napięcie lub innymi
odbiornikami DC, dołączanymi do
płytki testowej? Pamiętajcie jednak
o jednym: do każdego z wyprowa−
dzeń portów procesora ‘2051 może
wpływać prąd nie większy niż 20mA
i najlepiej zawsze stosujcie wzmac−
niacz prądowy z układem ULN2803
umieszczony na płytce testowej.
To wszystko, co chciałem prze−
kazać Wam w ćwiczeniu 2.
Zbigniew Raabe
zbigniew.raabe@edw.com.pl
$sim
Config Lcd = 16 * 1a
Cursor Off
Cls
Do
Set P3.0
Set P3.1
Set P3.2
If P3.0 = 0 Then
Cls
Print "Stan niski na P3.0"
Lcd "Low on P3.0"
End If
If P3.1 = 0 Then
Cls
Print "Stan niski na P3.1"
Lcd "Low on P3.1"
End If
If P3.2 = 0 Then
Cls
Print "Stan niski na P3.2"
Lcd "Low on P3.2"
End If
Loop
R E K L A M A · R E K L A M A · R E K L A M A · R E K L A M A