2010 09 Szkoła konstruktorów klasa II

Wrzesieñ 2010

Szkoła Konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich

o (bardzo) dużej wartości. Wtedy w spoczyn-
ku miernik nie będzie wskazywał wartości
zero, ponieważ będzie przezeń płynął jakiś
niezbyt duży prąd spoczynkowy kolektora.
Pojawienie się nawet niewielkiego sygnału
zmiennego w.cz. powinno w pewnym stopniu
zwiększać prąd. Mogłaby to też być zdecydo-
wanie bardziej odporna na zmiany temperatury
wersja z ujemnym sprzężeniem zwrotnym
według rysunku 22. Mógłby to też być układ
z rysunku 23 z dodatkowym tranzystorem
T2, kompensującym zmiany temperatury oto-
czenia, gdzie wartość prądu spoczynkowego
tranzystora T1 wyznacza rezystor Rx (docie-
kliwi już zauważyli, że jest to odmiana lustra
prądowego).

Czułość takich prostych detektorów, wyko-

rzystujących nieliniowość charakterystyki, nie
jest najlepsza, bo prąd spoczynkowy jest dość
duży, a jego zmiany po pojawieniu się sygnału
zmiennego – niewielkie. Dla polepszenia czuło-
ści można wykorzystać prosty sposób z rysun-
ku 24, gdzie zastosowany jest czulszy miernik,
który pokazuje niewielką różnicę napięć w
punktach A, B. Przed pomiarami trzeba włą-
czyć przyrząd i bez sygnału w.cz. tak ustawić

p o t e n c j o -
metr, żeby
m i e r n i k

wskazywał zero. Pojawienie się sygnału w.cz.
powinno zmieniać wskazania miernika.

Podobne detektory można też realizować

na nieliniowości charakterystyki przejścio-
wej tranzystorów polowych, ale z uwagi na
pojemność bramki nie będą to tranzystory
MOSFET, tylko JFET, które dobrze nadają się
do pracy także przy bardzo wysokich częstot-
liwościach. Kto chce, może poszukać jeszcze
innych, lepszych układów detektorów w.cz.,
choćby w układach zwanych wykrywaczami
pluskiew, które są typowymi wykrywaczami
pola elektromagnetycznego.

Jeszcze raz zachęcam do przeprowadzenia

praktycznych prób w zakresie wykrywania
pola elektrycznego, magnetycznego i elektro-
magnetycznego.

W tabelkach podane są informacje o

punktacji oraz rozdziale nagród, upomin-
ków i kuponów za nadesłane rozwiązania
zadania 170.

Osoby nagrodzone kuponami powinny

przysłać na adres edw@elportal.pl wykaz
towarów na otrzymaną sumę z oferty sklepu
AVT (www.sklep.avt.pl). Talony z kolejnych
miesięcy można sumować, co już wykorzy-

stują stali uczestnicy Szkoły, by kupić sprzęt o
większej wartości za talony z kilku kolejnych
zadań.

Serdecznie zapraszam do udziału w zada-

niu głównym 175, a także w drugiej i trzeciej
klasie naszej Szkoły Konstruktorów!

Wasz instruktor

Piotr Górecki

Druga klasa Szkoły Konstruktorów

Co tu nie gra?

– Szkoła Konstruktorów klasa II

BAT

Rys. 21

Rys. 22

Rys. 23

Rys. 24

Na rysunku A pokazany jest schemat
przedwzmacniacza w klasie A, o dużej impe-
dancji wejściowej, przysłany jako rozwiąza-
nie jednego z wcześniejszych zadań szkoły
przez 15-letniego uczestnika.

Jak zwykle pytanie brzmi:

Co tu nie gra?

Bardzo proszę o możliwie krótkie odpowie-
dzi. Kartki, listy i e-maile oznaczcie dopi-
skiem NieGra175 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 zadania
174. Autorzy najlepszych odpowiedzi otrzy-

mają upominki, a najak-
tywniejsi uczestnicy są
okresowo nagradzani
bezpłatnymi prenume-
ratami EdW lub innego
wybranego czasopisma
AVT.

Rozwiązanie

zadania 170

W EdW 4/2010 pokaza-
ny był rysunek B, sche-
mat przedwzmacniacza
do mikrofonu elektreto-
wego, przewidzianego do zasilania napięciem
5V. Najpierw oddam głos jednemu z uczestni-
ków, który napisał między innymi: (...) Drogi
Kolego! Miałeś pecha, że „popełniłeś” swój
schemat przed ukazaniem się fascynującego

cyklu „Elektronika dla początkujących, czyli
wyprawy na oślą łączkę”, z którego sam
chętnie korzystam, i do korzystania z niego
serdecznie Ciebie zapraszam. Żeby „uzdro-
wić” Twój schemat, skorzystam z klasyczne-

22M

33uF

Wejście

33uF

270pF

Tz2

Tz1

Tz3

BC517

270pF

100mH

Wyjscie

Rys. A

 !# $%

#$&'()

+,+" -

. /!

+ ,.

2" '/ /

6&'

7 8

9 "

2 2"

Szkoła Konstruktorów

Wrzesieñ 2010

Elektronika dla Wszystkich

go układu nieodwracającego wzmacniacza
pokazanego w EdW 5/2010 na rys. 8, str.
37, ale uproszczę go nieco. Wykorzystam
to, że (...) mikrofon elektretowy z JFET-em
jest źródłem prądowym, więc obciążając go
odpowiednim rezystorem R1 = R1’ + R1’’,
sprowadzę napięcie spoczynkowe na „dodat-
nim” wyprowadzeniu mikrofonu do połowy
napięcia zasilania. Pozbędę się w ten sposób
kondensatora sprzęgającego i zarazem kłopo-
tu z ewentualnym nasycaniem się wzmacnia-
cza operacyjnego. Wartość rezystancji R1 =
R1’ + R1’’ = 10k do tego celu jest trochę zbyt
duża, powinna ona być w okolicy wartości
około 2,8k (zależnie od typu mikrofonu), aby
napięcie na plusowym wyprowadzeniu mikro-
fonu było połową napięcia zasilania. Zapewni
to prawidłową polaryzację wejścia nieodwra-
cającego wzmacniacza operacyjnego tak, że
na jego wyjściu napięcie spoczynkowe jest
równe połowie napięcia zasilania, co w kon-
sekwencji zapewnia maksymalną, nieobciętą
amplitudę sygnału wyjściowego (...).

Propozycja taka pokazana jest na rysunku

C. Taki prosty układ może spełnić swoje zada-
nie, ale istnieje pewne ryzyko. Mianowicie w
mikrofonie elektretowym pracuje tranzystor
JFET, zazwyczaj w najprostszym połączeniu
wspólnego źródła według rysunku D. Istotnie
ma on cechy źródła prądowego, ale wcale
nie jest powiedziane, że prąd tego źródła jest

niezmienny. Po pierwsze, należy liczyć się
z dużymi rozrzutami wartości prądu pracy
poszczególnych egzemplarzy mikrofonów, o
czym zresztą wspomniał Autor listu. Prąd
mikrofonu elektretowego może wynosić od
0,05mA do 0,5mA. Nie ulega wątpliwości, że
w układzie z rysunku C wartość sumarycz-
nej rezystancji R1’+R1’’ trzeba dobrać do
konkretnego egzemplarza mikrofonu elektre-
towego. A późniejsza zmiana mikrofonu na
inny egzemplarz najprawdopodobniej spo-
woduje znaczne pogorszenie zakresu napięć
wyjściowych wzmacniacza. Po drugie, prąd
mikrofonu będzie zmieniał się pod wpływem
temperatury, co też zmniejszy zakres napięć
wyjściowych.

Propozycja z rysunku C rzeczywiście jest

bardzo prosta i można ją wykorzystać, ale z
uwagi na słabą stabilność prądu mikrofonu nie
jest to rozwiązanie
godne szerszego
rozpropagowania.
Z d e c y d o w a n i e
b e z p i e c z n i e j
będzie dodać dwa
rezystory i zreali-
zować klasyczny
układ, na przykład
według rysunku
E. Wartości ele-
mentów układu

R1`
1,8k

C1
22

R1``
1k

1000

0,1M

R3
1k

R5
22k

JP 3

VCC

IC 1A

820p

2,2k

Mic

Rys. B

Rys. C

Rys. D

Rys. E

R E K L A M A

Szkoła Konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich

Wrzesieñ 2010

z rysunku E można dobrać według wska-
zówek ze wspomnianych odcinków Oślej
łączki.

Warto jednak poświęcić nieco uwagi

oryginalnemu układowi z rysunku B.
Praktycznie wszyscy uczestnicy zauwa-
żyli, że problemem jest brak polaryzacji
mikrofonu elektretowego oraz brak obwodu
polaryzacji wejścia „dodatniego” napięciem
stałym. Ale oprócz tego zgłosiliście wiele
uwag, niektóre jak najbardziej słusznie, inne
niesłusznie.

Zacznijmy może od typu użytej kostki.

Użycie we wzmacniaczu mikrofonowym
układu NE5532 jest jak najbardziej słusz-
nym wyborem. Kostka ta przeznaczona
jest właśnie do układów audio. Ma małe
szumy, duże wzmocnienie i małe znie-
kształcenia. Problem w tym, że według
katalogów, minimalne napięcie zasilające
to ±3V, czyli w sumie 6V. I tu niektó-
rzy uczestnicy stwierdzili szybciutko, że
układ NE5532 nie może pracować przy
napięciu +5V. Otóż praktyka pokazuje, że
egzemplarze tej kostki pochodzące od róż-
nych producentów mogą pracować przy
pojedynczym napięciu zasilania +5V, ale
trzeba liczyć się z ograniczonym zakresem
napięć wyjściowych. W przedwzmacnia-
czu mikrofonowym na pewno trzeba wtedy
dodać obwód sztucznej masy. I tu wszyscy,
którzy o tym wspomnieli, zaproponowali
ustawienie na wejściach i wyjściu połowy
napięcia zasilania, czyli dokładnie +2,5V.
To może być nie najlepszy pomysł. Otóż
przy niskich napięciach zasilania zazwyczaj
zależy nam na uzyskaniu w takich trudnych
warunkach jak największego zakresu napięć
wyjściowych. Tymczasem wyjściowe napię-
cia nasycenia, dodatnie i ujemne, zazwyczaj
nie są jednakowe. Zależy to od budowy
wewnętrznej, ale także od rezystancji obcią-
żenia. Dlatego w podobnych przypadkach
warto przeprowadzić próby i w układzie z
rysunku E skorygować wartość rezystorów
dzielnika R4, R5, by uzyskać na wyjściu
jak największy niezniekształcony wygnał
wyjściowy. Można też wykorzystać poten-
cjometr według rysunku F. Podkreślam, że
taka korekcja potencjału sztucznej masy ma
sens tylko przy niskich napięciach zasilania,
gdy zależy nam na uzyskaniu jak najwięk-
szego napięcia wyjściowego.

Kilku uczestników słusznie zwróciło

uwagę na wartości pojemności zapropono-
wanych na rysunku B. Najwięcej zastrzeżeń
wzbudziła wartość C3=10nF. I słusznie,
ponieważ jest to ewidentny błąd. Otóż łatwo
policzyć, że kondensator 10nF przy często-
tliwości 50Hz będzie miał reaktancję prawie
320k

Ω! A to oznacza, że rezystor R3 nie

powinien mieć wartości mniejszej niż te
320k

Ω. A to oznaczałoby, że wzmocnienie

nie może być większe niż 3,1x, czyli 10dB.
Zdecydowanie zbyt mało, jak na wzmac-

niacz mikrofo-
nowy, którego
w z m o c n i e n i e
powinno wyno-
sić co najmniej
10x (20dB), a
zapewne wię-
cej.

Na pewno

należy więc
z w i ę k s z y ć
pojemność C3. Ale nie tylko. Fakt zasto-
sowania kostki NE5532 wskazuje, że Autor
schematu chce uzyskać przedwzmacniacz o
dobrych parametrach, w tym o małych szu-
mach. Chociaż w przypadku mocno szumią-
cych, tanich elektretów można byłoby dys-
kutować, niemniej generalnie dla zmniejsze-
nia szumów, także w obwodach sprzężenia
zwrotnego, należy stosować rezystory o
małej wartości. Dlatego wartość R2 też
należy zmniejszyć, co najmniej do 100k

Ω.

Zmniejszenie R2 jest potrzebne także ze
względu na prąd polaryzacji wejść, który w
bipolarnej kostce NE5532 typowo wynosi
200nA, ale w skrajnych przypadkach może
wzrosnąć do 1uA. Problem spadku napięcia
wywołany przepływem prądu polaryzują-
cego przez rezystor R2 jest kolejnym argu-
mentem na rzecz korekcji napięcia dzielnika
R4, R5 (i zastosowania potencjometru P1
według rysunku F).

Wartość pojemności C1 prawdopodobnie

okaże się wystarczająca, jeśli rezystory R4,
R5 w układzie z rysunku E będą mieć co naj-
mniej po 100k

Ω (a w układzie z rysunku F

wartość R4 nie będzie mniejsza niż 47k

Ω).

Wątpliwości wzbudził obwód wyjściowy

zawierający połączone szeregowo rezystor i
kondensator. Pojemność kondensatora C5 =
100nF jest stosunkowo mała. Przykładowo
przy częstotliwości 50Hz kondensator ten
będzie miał reaktancję prawie 32k

Ω, a to

oznacza, że rezystancja obciążająca wyj-
ście, czyli w praktyce rezystancja wejściowa
współpracującego wzmacniacza, nie może
być mniejsza od 32k

Ω. Słusznie zapropono-

waliście zwiększenie tej pojemności.

Nieliczni uczestnicy odnieśli się do obec-

ności szeregowego rezystora wyjściowego.
Nie mogę się jednak zgodzić ze stwierdze-
niami, że błędem jest obecność tego rezysto-
ra o wartości 100

Ω. Wbrew wyobrażeniom

dwóch uczestników wcale nie chodzi tu o
ograniczenie ewentualnego prądu zwarcia.
Niewątpliwie młody Autor schematu słabo
zna się na technice analogowej, ale (zapew-
ne przypadkiem) prawidłowo zaproponował
użycie tego rezystora. W większości przy-
padków nie jest on konieczny, ale... wzmac-
niacze operacyjne to znakomite i bardzo
pożyteczne elementy, choć mają też pewne
istotne ograniczenia. Na przykład gene-
ralnie nie lubią obciążenia o charakterze
pojemnościowym. Przy znaczącym obciąże-

niu pojemnościowym potrafią się wzbudzić.
Jeśli przedwzmacniacz byłby połączony ze
wzmacniaczem za pomocą długiego kabla,
to wyjście zostanie obciążone pojemnoś-
cią tego kabla, która może wynosić wię-
cej niż 100pF/m. Dlatego obecności na
wyjściu rezystora szeregowego 100

Ω nie

można uznać za błąd, niezależnie od tego,
czy Autor miał świadomość konsekwencji
zastosowania tego rezystora. Można tylko
nadmienić, że w praktyce dla uniknięcia
problemu obciążenia pojemnością taki rezy-
stor o wartości kilkudziesięciu do kilkuset
omów zwykle dodaje się wewnątrz pętli
sprzężenia zwrotnego, według rysunku G,
co pozwala zachować znikomą impedancję
wyjściową. W omawianym zastosowaniu
sposób takiego czy innego włączenia sze-
regowego rezystora wyjściowego nie ma
istotnego znaczenia.

I kolejny szczegół: z kilku względów nie

ma potrzeby dodawania kondensatora rów-
nolegle do rezystora R2 w celu ograniczenia
pasma od góry. Jeśli użyta została kostka
NE5532, to zapewne celem jest uzyskanie
jak najlepszych parametrów, a w takim razie
obcinanie pasma nie ma sensu.

Pokrewną sprawą jest kwestionowa-

ny przez niektórych typ użytej kostki.
Niektórzy proponowali użycie LM358 ze
względu na zakres napięcia zasilania, od 3V.
Otóż wzmacniacz NE5532 to wielokrotnie
sprawdzona kostka, znakomicie nadająca
się do układów audio, także tych najwyż-
szej jakości. W analizowanym przypadku
ograniczeniem okażą się nie właściwości
kostki, tylko parametry mikrofonu. Jeśli
miałby być wykorzystany najtańszy elektret
z złotówkę, to być może identyczne wyniki
można uzyskać przy zastosowaniu dużo
gorszej, wolniejszej i bardziej szumiącej
kostki LM358. Wszystko zależy od jakości
użytego mikrofonu. Tyle o układzie.

W sumie wszystkie nadesłane rozwiąza-

nia mogę uznać za prawidłowe, ponieważ
znaleźliście kluczowe usterki

Upominki za zadanie Co to nie gra? 170

otrzymują:
Damian Kałużny – Sosnowiec,
Marian Gabrowski – Polkowice,
Ryszard Pichl – Gdynia.

Wszystkich uczestników dopisuję do listy

kandydatów na bezpłatne prenumeraty.

2,2k

Mic

Rys. F

Rys. G