2010 07 Szkoła konstruktorów klasa II

Szkoła Konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich

Lipiec 2010

Na rysunku A pokazany jest schemat, będą-
cy propozycją rozwiązania jednego z wcześ-
niejszych zadań CoTuNieGra. Ma to być
stabilizator z możliwością pomiaru napięcia
(JP1) i prądu (JP3) przez współpracujący
mikroprocesor. Wejście JP2 umożliwia usta-
wianie potrzebnego napięcia wyjściowego.
Jak zwykle pytanie brzmi:

Co tu nie gra?

Bardzo proszę o możliwie krótkie odpowie-
dzi. Kartki, listy i e-maile oznaczcie dopi-
skiem NieGra173 i nadeślijcie w terminie
60 dni od ukazania się tego numeru EdW.
W e-mailach podawajcie też od razu swój
adres pocztowy, żebym nie musiał pisać,
gdy przydzielę upominek. Można też jeszcze
przysyłać rozwiązania poprzedniego zada-
nia 172. Autorzy najlepszych odpowiedzi
otrzymają upominki, a najaktywniejsi uczest-
nicy są okresowo nagradzani bezpłatnymi
prenumeratami EdW lub innego wybranego
czasopisma AVT.

Rozwiązanie zadania 168

W EdW 2/2010 pokazany był rysunek B,
przysłana przez młodziutkiego Czytelnika
propozycja stabilizatora, który ma współ-
pracować z typowym zasilaczem kompute-
rowym. Ma to być stabilizator regulowany
– „przystawka, która z typowych napięć
komputerowych zrobi dowolne napięcie
1,2V do 12V”.

Zadanie okazało się bardzo łatwe i napły-

nęło mnóstwo odpowiedzi. Jeden z uczest-
ników zaczął swój list od rad dla młodego
Autora schematu: Chcę zaproponować Ci
lekturę założeń do zadania głównego162,
EdW 08/09, str. 36, 37, z których dowiesz
się, jak należy podłączyć amperomierz, żeby
znalazł się poza głównym obwodem stabili-
zacji. Znajdziesz tam dwa poglądowe rysunki
„dobrze” i „źle”, które przybliżą Ci to zagad-
nienie. Natomiast z omówienia rozwiązania
zadania Policz 162, EdW 01/10, str. 45–47,

dowiesz się, jak liczyć
rezystory i potencjo-
metr wyznaczające
zakres regulacji sta-
bilizatora LM317,
oraz co należy zro-
bić, gdy stabiliza-
tor bez obciążenia
pobiera prąd mniej-
szy od minimalnego
prądu (...)
A teraz szczegóły.
Wszyscy uczestnicy
wychwycili podsta-
wowe dwa błędy. Niektórzy zwrócili uwagę
na dodatkowe usterki, a kilku Kolegów
zaproponowało interesujące propozycje
usprawnienia zasilacza. Zacznijmy od
spraw oczywistych.

O najbardziej rzucającej się w oczy uster-

ce jeden z uczestników napisał: Bardzo dużym
błędem jest dobór potencjometru P1 o warto-
ści 100k

Ω. Jest to wartość daleko wykracza-

jąca poza granice rozsądku. Podstawiając

100k

Ω do wzoru

na napięcie wyj-
ściowe LM317
(przy R2 = 240

Ω),

otrzymamy 522V
(O dziwo, czyta-
jąc dokumentację
układu, stwierdzi-
łem, że przy odpo-
wiednim napięciu
wejściowym taka
wartość jest real-
na, bo dla LM317
liczy się tylko róż-

nica wejście-wyjście, a nie wartość napięcia,
chyba że coś jeszcze jednak źle zrozumiałem).
Oczywiście w tym przypadku stabilizator
nigdy takiej wartości nie osiągnie, bo nigdy
nie osiągnie więcej niż jego napięcie wejścio-
we, a konkretnie może osiągnąć tylko mniej,
ale o tym za chwilę. Prawidłową wartością
P1 dla 12V jest 2064

Ω, czyli bez problemu

można zastosować łatwo dostępny potencjo-
metr 2k

Ω, ewentualnie sprawdzając kilka

egzemplarzy, aby znaleźć taki z tolerancją
lekko w górę, a nie w dół. Przy zastoso-
waniu potencjometru 100k

Ω, wykorzystamy

zakres jego regulacji tylko do 2k

Ω, czyli

zakładając że jest to model liniowy, jedynie
1/50 część możliwości. Zakładając, że ośkę
potencjometru obrotowego możemy obró-
cić o 300 stopni, na regulację o jeden wolt
napięcia wyjściowego przypada 300/50/12 =
0,5 stopnia. Więc regulacja takiego zasilacza
graniczyłaby z cudem. Nie sądzę, żeby nawet
potencjometr wieloobrotowy tu pomógł.

Rzeczywiście,

choć teoretycznie
stabilizator mógł-
by pracować przy
napięciu wyjścio-
wym 522V (byle
nie przekroczyć
d o p u s z c z a l n e j
różnicy napięć
Uwe-Uwy, równej
37...40V), jednak
z a p r o p o n o w a n a
wartość potencjo-
metru P1 jest zde-
cydowanie za duża.
Nie jest to błąd,
który doprowa-
dzi do katastrofy i
uszkodzenia. Ale
zastosowanie potencjometru 100k

Ω przekre-

śla praktyczną przydatność takiego regula-
tora. W praktycznym układzie potencjometr
powinien mieć wartość mniejszą niż zapro-
ponowana 2,064k

Ω, obliczona teoretycznie

dla napięcia wyjściowego 12V. Jak się dalej
okaże, przy napięciu wejściowym 12V sta-
bilizator LM317 da na wyjściu pod obciąże-
niem napięcie co najwyżej 10V, więc wartość
potencjometru powinna być niższa, około
1,7...1,9k

Ω. Trzeba też uwzględnić tolerancję

rezystancji i napięcie Uref stabilizatora. Tu
chcę pochwalić czterech uczestników, którzy
zwrócili uwagę na te zagadnienia. Dwóch
zaproponowało włączenie równolegle do
potencjometru P1=2k

Ω lub 4,7kΩ dobranego

rezystora, który zmniejszyłby wypadkową
rezystancję, a tym samym maksymalne napię-
cie wyjściowe według rysunku C. Dwaj inni
zaproponowali zastosowanie potencjometru
o nominale 1k

Ω, 2kΩ lub 2,2kΩ, a zamiast

rezystora R2 helitrima lub dobieranego rezy-
stora, którym można dokładnie dobrać mak-
symalne napięcie wyjściowe – rysunek D.

A teraz druga kwestia: jednogłośnie

stwierdziliście, że nie jest możliwe uzy-
skanie na wyjściu napięcia 12V. Na pewno

Druga klasa Szkoły Konstruktorów

Co tu nie gra?

– Szkoła Konstruktorów klasa II

IN OUT

ADJ

22W

R13

5,1k

R13

5,1k

R14 510W

IC1A

Uwe

JP3

R10

D1 D2

Pr1

LM 317

JP1

JP2

IC1B

C5 C2

C4 C1

R11

R12

Uwy

T2 BD243

T1 BD140

BC 558

R15

33...

120W

R15

33...

120W

LM 358

Rys. A

Rys. B

IN OUT

ADJ

IN OUT

ADJ

Rys. C

Rys. D

Szkoła Konstruktorów

Lipiec 2010

Elektronika dla Wszystkich

stabilizator LM317 nie jest stabilizatorem
LDO. Minimalna różnica napięć między wej-
ściem a wyjściem jest znaczna – szczegóły
na rysunku E. Jak widać, przy większych
prądach wyjściowych trzeba się liczyć ze
spadkiem napięcia na stabilizatorze rzędu 2V
lub nawet więcej. Nie oznacza to jednak, że
w układzie z rysunku B jest błąd – błąd jest
tylko w opisie – na rysunku B. Po prostu przy
napięciu wejściowym stabilizatora, równym
12V, nie da się na wyjściu uzyskać napięcia
wyjściowego powyżej 10V, zwłaszcza przy
większych prądach. Niektórzy zwrócili też
uwagę, że nie uda się uzyskać napięcia wyj-
ściowego 1,2V, tylko 1,25V i to z rozrzutem
technologicznym do 5%.

Jak wspomniałem, praktycznie wszyscy

uczestnicy zwrócili uwagę na te dwie usterki.
Natomiast nieliczni zauważyli kolejne błędy,
niedoróbki, a także wskazali na inne aspekty
zagadnienia, które w praktyce okazują się
jeszcze ważniejsze.

Oto kolejny problem praktyczny: tylko

trzy osoby napisały, że zasilacz kompute-
rowy musi być wstępnie obciążony, choćby
żarówką, ponieważ bez obciążenia i przy
małym obciążeniu wyjścia nie będzie on
prawidłowo pracował. To prawda. Należy
na stałe obciążyć jedno z wyjść, np. żarów-
ką. Być może dobrym rozwiązaniem byłoby
obciążenie wyjścia +5V żarówką 6V o takiej
mocy, żeby zapewnić prawidłową pracę zasi-
lacza komputerowego. Jeden z uczestników
przedstawił wyniki swoich eksperymentów:
(...) Przy pierwszym uruchomieniu zasilacza
„na krótko” wystąpił dziwny objaw, mia-
nowicie wentylator startował i zatrzymywał
się. Wiedząc już, co może być przyczyną,
postanowiłem obciążyć wyjście 5V rezysto-
rem 150

Ω (co daje prąd 33mA), jednak

nic się nie zmieniło. Następnie obciążyłem
wyjście rezystorami 82ohm (prąd 61mA)
oraz 47

Ω (prąd 106mA), jednak nadal nie

było pożądanego efektu. Dopiero obciąże-
nie wyjścia rezystorem 22

Ω (prąd 227mA)

pozwoliło na normalną pracę zasilacza. (...)
I kolejny szczegół: najprawdopodobniej
okaże się, iż przy niewielkim w sumie obcią-
żeniu potężnego zasilacza komputerowego
napięcie na wyjściu +12V będzie wyższe
od nominalnego. Przy niektórych egzempla-
rzach zasilaczy komputerowych może się
okazać, że na wyjściu stabilizatora LM317
można będzie jednak uzyskać napięcie równe
12V. Nie sposób tego jednak stwierdzić z

pewnością, bo zależy to od właściwości uży-
tego zasilacza, w tym od sposobu realizacji
obwodów regulacji napięć wyjściowych.

Dwóch uczestników zakwestionowało

sens obecności kondensatora C1. Jest on
niezbędny w klasycznym zasilaczu, gdzie
jest głównym kondensatorem filtrującym.
Natomiast w analizowanym układzie rzeczy-
wiście nie jest potrzebny. Zasilacz kompu-
terowy ma na wyjściu kondensatory filtru-
jące. I są to znacznie lepsze od „zwykłych
elektrolitów” kondensatory tzw. Low ESR,
niezbędne tu z uwagi na dużą częstotliwość
przetwornicy impulsowej. W takiej sytuacji
dodanie „zwykłego elektrolita” C1 jest po
prostu niepotrzebne. Warto natomiast pozo-
stawić C2=100nF z uwagi na ryzyko samo-
wzbudzenia stabilizatora LM317.

Zgodnie z zaleceniami producentów warto

też dodać kondensator C

między masą a

nóżką ADJ. Zasadniczo układ mógłby wyglą-
dać jak na rysunku F, ale w grę wchodzą też
dodatkowe szczegóły.

Tylko nieliczni uczestnicy napisali, że

niepotrzebny jest przełącznik S2, a w szcze-
gólności bezużyteczna jest pozycja 3,3V.
Rzeczywiście, przy takim napięciu wejścio-
wym stabilizatora trudno byłoby przy peł-
nym prądzie 1,5A uzyskać nawet minimalne
napięcie 1,25V, a to z uwagi na spadek napię-
cia, zobrazowany na rysunku E. Podobnie
wątpliwości wzbudziła praca z napięciem
wejściowym 5V. Ale wątpliwości jest więcej.
Oto fragmenty jednej z prac: (...) błędem w
układzie jest umiejscowienie amperomierza
– znajduje się on poza pętlą sprzężenia
zwrotnego stabilizatora. W ten sposób układ
traci na utrzymywaniu stałego napięcia w
zależności od pobieranego prądu. (...) Mam
też wątpliwości co do zasadności stosowania
przełącznika napięć wejściowych. Wprawdzie
takie rozwiązanie pozwala zredukować ilość
wydzielanego ciepła na stabilizatorze, jest
jednak źródłem paru problemów. Po pierw-
sze, trzeba pamiętać o stosownym przełą-
czeniu napięcia w zależności od ustawienia
stabilizatora. Po drugie,

rozwiązanie to może

spowodować uszkodzenie zasilacza kompu-

terowego. Załóżmy, że przełącznik znajdu-
je się w położeniu 12V. Kondensatory C1
oraz C2 zostają naładowane do napięcia
12V. Następnie przełączamy S2 na linię,
powiedzmy, 3,3V. W tym momencie napięcie
na kondensatorach jest wyższe niż na linii
zasilającej i prąd wpływa do zasilacza, być

może powodując w
ten sposób szkody
(nie wspomina-
jąc o możliwości
uszkodzenia ukła-
dów komputera,
jeśli zasilacz pra-
cuje równocześnie
w jego wnętrzu).
R o z w i ą z a n i e m
mogłoby był zasto-
sowanie paru niezależnych stabilizatorów,
każdy byłby podłączony do osobnego napię-
cia wejściowego, a konfiguracja jego rezysto-
rów pozwalałaby na ustawienie odpowiednio
obliczonych przedziałów napięć. (...)

Jeśli chodzi o amperomierz, to można

go włączyć „przed” stabilizatorem, według
rysunku G. Jeden z Kolegów napisał, że w
przypadku amperomierza wskazówkowego
można, pokręcając śrubką, przestawić zero
i przez to jakby odjąć prąd pobierany przez
stabilizator (...) tym bardziej że prąd mak-
symalny to 1...1,5A, a prąd stabilizatora to
5mA (...)

Dwóch uczestników zaproponowało, żeby

na wyjściach +5V i +3,3V włączyć w związ-
ku z tym diody szeregowe. Ja ze swej strony
dodam, że gdy kondensator C4 został wcześ-
niej naładowany do napięcia rzędu 10V, to
późniejsze przełączenie przełącznika S2, z
pozycji +12V na niższą, spowoduje koniecz-
ność szybkiego rozładowania nie tylko C1,
ale właśnie C4 i ewentualnego dodatkowego
C

. Jak podają producenci kostki LM317,

może to spowodować uszkodzenie stabili-
zatora. Aby tego uniknąć, należałoby dodać
proponowane w katalogach diody, jak na
rysunku H.

Kilku Kolegów zwróciło uwagę na fakt,

że w najgorszym przypadku, dla niektórych
egzemplarzy, minimalny prąd stabilizatora
powinien sięgać 10mA. Tymczasem rezystor
R2 o wartości 240

Ω zapewnia prąd obciążenia

około 5mA (1,25V/240

Ω).

Dla zdecydowanej większo-

ści egzemplarzy LM317 to
wystarczy, ale w nielicznych
przypadkach trzeba będzie
zwiększyć prąd obciążenia
albo przez zmniejszenie war-
tości R2 do 120

Ω, albo przez

dodanie obwodu wstępnego
obciążenia.

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

-50 -25

75 100 125 150

-50 -25

75 100 125 150

1.0 A

I = 1.5 A

= 1.5 A

500 mA

200 mA

20 mA

V-

out

-V

Temperatura złącza ( C)

IN OUT

ADJ

IN OUT

ADJ

IN OUT

ADJ

lub

IN OUT

ADJ

Rys. E

Rys. F

Rys. G

Rys. H

Szkoła Konstruktorów

Jeden z uczestni-

ków zaproponował
układ według rysunku
J o dwóch zakresach
napięcia wyjściowego
0...2V i 0...9V. Inny
Kolega o propozycji
z rysunku K napisał:
(...) S1 jest w pozy-
cji „1”: Uout jest z
zakresu od 1,2V do
12V z wydajnością prądową 0,25A (lub wię-
cej, w zależności od wydajności prądowej
wyjścia –12V zasilacza komputerowego).
Zastosowałem tutaj połączenie szeregowe
napięcia –12V, dostępnego na złączu do płyty
głównej oraz +12V, uzyskując w ten sposób
24V. Podczas użytkowania tego trybu pracy
należy bardzo uważać na prąd, gdyż przekro-
czenie prądu wyjścia –12V może skutkować
przepaleniem niektórych elementów zasila-
cza komputerowego.

S1 jest w pozycji „2”: Uout jest z zakresu

od 1,2V do 9V z wydajnością prądową ok.
1,5A (lub więcej, w zależności od zasilacza
komputerowego). Wykorzystałem tutaj „natu-

ralne” napięcie komputerowe 12V w celu
zasilenia nim układu LM317.

Kilku uczestników słusznie napisało, że

można też bezpośrednio wykorzystać stan-
dardowe napięcia z wyjść zasilacza kompu-

terowego. Układ mógłby więc wyglądać jak
na rysunku L.

Wszystkie nadesłane rozwiązania mogłem

uznać za prawidłowe, choć nie wszyst-
kie zawierały wykaz wszystkich usterek.
Upominki za zadanie Co to nie gra? 168
otrzymują:
Paweł Hoffmann – Wrocław,
Mateusz Malec – Bucze,
Grzegorz Sobiegraj – Wrocław,
Paweł Szczurowski – Zielona Góra.

Wszystkich uczestników dopisuję do listy

kandydatów na bezpłatne prenumeraty.

IN OUT

ADJ

333W

10m

100n

C4 22m

100n

C1 1000m

+12V

-12V

R1 820W

LM 113 1,2V

Uwy 0...9V

0...2V

Uwy 0...9V

0...2V

LM 317

GND KOMP.

+5V

3,3k

R1 120W

S1A

S1B

BC 558

IN OUT

ADJ

+12V

-5V

+5V

-12V

+3,3V

GND

reg

100 F

Zasilacz

komputerowy

1,2...9V

100nF

lub

2,2k

lub

2,2k

2x1N4148

Rys. J

Rys. L

Rys. K

Policz 173

Zadanie Policz167 ze stycznia, rozwiązane
w numerze czerwcowym, czyli przed mie-
siącem, dotyczyło baterii i ich pojemności.
Zawarte tam informacje mogą być przydatne
w zadaniu Policz 173. Otóż potrzebny nam
jest oszczędny symulator alarmu z diodą
LED, który mógłby pracować w domku letni-
skowym na wsi, przynajmniej przez pół roku.
Chcemy go zasilić z trzech połączonych sze-
regowo baterii AA (LR6). Symulator będzie
z r e a l i z o w a n y
na układach
CMOS i mamy
gotowy układ
sterujący, który
pobiera w spo-
sób ciągły 40
m i k r o a m p e -
rów. Symulator
ten ma wysyłać
krótkie impul-
sy światła co pięć sekund. Impuls
świetlny ma być dość silny i
zakładamy, że prąd diody LED w impulsie
wyniesie 20mA – rysunek A. Aby układ
mógł pracować pół roku z jednych baterii,

niewątpliwie impulsy świetlne muszą być
krótkie. Ale czy nie będą zbyt krótkie? Czy
jest to realny pomysł?

W ramach zadania 173 należy:
– obliczyć, jaki może być maksymalny

czas impulsu (t

), by baterie wystarczyły

na pół roku.

Jak zawsze bardzo proszę, żeby nadsyłane

rozwiązania były możliwie krótkie. Praca
powinna zawierać zwięzły opis przebiegu
obliczeń.

Nagrodami będą kity AVT lub książki,

a najaktywniejsi uczestnicy są okresowo
nagradzani bezpłatnymi prenumeratami
EdW lub innego wybranego czasopisma
AVT. Wszystkie rozwiązania nadsyłane w
terminie 60 dni od ukazania się tego nume-
ru EdW powinny mieć dopisek

Policz173

(na kopercie, a w tytule maila dodatko-
wo nazwisko, np.: Policz173Jankowski). Z
uwagi na specyfikę zadania, bardzo proszę
o podawanie swojego wieku oraz miejsca

nauki czy pracy. W e-mailach podawajcie też
od razu swój adres pocztowy.

Zapraszam do rozwiązania tego zadania

zarówno doświadczonych, jak i początkują-
cych elektroników,

którzy nie potrafią prze-

analizować wszystkich subtelności układu.
Można też jeszcze nadsyłać rozwiązania
zadania Policz172 z poprzedniego miesiąca.

Rozwiązanie zadania

Policz 168

W EdW 2/2010 przedstawione było zada-
nie Policz168, które brzmiało: Budujemy
system zdalnego sterowania podczerwienią,
gdzie odbiornikiem będzie układ TSOP1733.
Chcemy zrealizować do tego pilota – będzie
to mikroprocesor sterujący tranzystorem, w
którego kolektorze włączona będzie dioda

Trzecia klasa Szkoły Konstruktorów

CMOS

20mA20

5 sekund

Impulsy prądu o częstotliwści 36kHz wypełnienie 50%

mikro-

procesor

LD271

PNP

lub NPN

80mA

max 1ms

Rys. A

Rys. B

R E K L A M A