2010 08 Szkoła konstruktorów klasa II

Szkoła Konstruktorów

Sierpieñ 2010

Elektronika dla Wszystkich

Na rysunku A pokazany jest

schemat naj-

prostszego generatora przebiegu prostokątne-

go i trójkątnego, nadesłany jako rozwiązanie
jednego z wcześniejszych zadań głównych
naszej Szkoły.
Jak zwykle pytanie brzmi:

Co tu nie gra?

Bardzo proszę o możliwie krótkie odpowiedzi.
Kartki, listy i e-maile oznaczcie dopiskiem
NieGra174 i nadeślijcie w terminie 60 dni od
ukazania się tego numeru EdW. W e-mailach
podawajcie też od razu swój adres poczto-
wy, żebym nie musiał pisać, gdy przydzielę
upominek. Można też jeszcze przysyłać roz-
wiązania poprzedniego zadania 173. Autorzy
najlepszych odpowiedzi otrzymają upomin-
ki, a najaktywniejsi uczestnicy są okresowo
nagradzani bezpłatnymi prenumeratami EdW
lub innego wybranego czasopisma AVT.

Rozwiązanie zadania 169

W EdW 3/2010 pokazany był rysunek B , pro-
pozycja sterowania silnikami. Oto fragment
opisu:

(...) Do sterowania silnikami prądu

stałego najlepiej zastosować przekaźnik elek-

tromagnetyczny sterowany przez optoizolator,

głównie ze względu na niekorzystne działanie

indukcyjności zarówno motoru, jak i samej

cewki przekaźnika. Na schemacie poniżej

pokazano jedynie sposób podłączenia motoru

SG1 do pinu numer 7. (...) W przykładzie

zastosowano popularny 4N33 z rezystorem

ograniczającym prąd w obwodzie sterowania

oraz diodę zabezpieczającą po stronie cewki.

Ze względu na niską wydajność prądową wyj-

ścia procesora, obwód optoizolatora najlepiej

sterować poprzez tranzystor.

Większość uczestników słusznie uznała,

że rezystor R8 jest niepotrzebny. Obecność
R8 można uznać za kluczowy błąd, ponieważ
ograniczy on drastycznie moc silnika, a właś-
ciwie to uniemożliwi jego pracę.

Zgodnie stwierdziliście, że układ można

radykalnie uprościć. I słusznie! W przypadku
sterowania silnika najczęściej proponowana
była wersja według rysunku C. Pojawiły się
też propozycje z MOSFET-em według rysun-
ku D (wtedy dioda nie jest niezbędna), oraz
z tranzystorem PNP według rysunku E. Jeśli
chodzi o głośniczek SP1, to najczęściej propo-
nowaliście dołączenie go albo bezpośrednio,
albo przez kondensator, albo przez rezystor
i kondensator. Cztery wersje pokazane są na

rysunku F. Uznaliście też, że
niepotrzebne są rozbudowane
obwody resetu.

Dla dociekliwych

Zanim szczegółowo omówię
Wasze uwagi do proponowa-
nego schematu i propozycje
poprawy, muszę wspomnieć,
że trzech Kolegów miało

wątpliwości co do elementu oznaczonego
SG1. Dwóch z nich przypuszczało, że silnik
jest dołączony między plus zasilania i styk
przekaźnika oznaczony numerem 14, a ele-
ment SG1 z rezystorem R8 jest dodatkowym
wskaźnikiem pracy silnika. Wprawdzie z
cytowanego opisu wynika, że w przypadku
SG1 chodzi o „motor”, jednak zarówno
sam symbol, jak i umieszczony obok podpis
B/C11L wskazują, że chodzi o buzzer – brzę-
czyk. Taką interpretację wspiera też obecność
rezystora R8 o wartości 330 omów.

Z drugiej strony, na schemacie znajduje-

my element oznaczony SP1,
który ma symbol głośnika.
Trudno przypuszczać, że w
układzie są dwa sygnaliza-
tory dźwiękowe. Wszystko
wskazuje, że element SG1
to silnik.

Wróćmy do rezy-
stora R8. Otóż
taki rezystor ogra-
nicza prąd do
wartości poniżej
15mA (5V/330

Ω).

Ogranicza też
maksymalną moc,
przekazywaną do
silnika, i to do
znikomej wręcz warto-
ści, mniejszej niż 19mW.
W przypadku brzęczyka
piezo byłoby to dopusz-
czalne, choć można pytać:
dlaczego i po co taki rezy-
stor? Natomiast obecność
rezystora R8 praktycznie
przekreśla sens stosowa-
nia silnika w roli
SG1, no chyba że
będzie to mikro-
silnik z wibratora
telefonu komórko-
wego, ale i wtedy
moc 19mW jest
zdecydowanie za
mała do jego uru-
chomienia. Ale
nawet jeśli byłby to jakiś
bardzo czuły mikrosilnik
wibratora i obecność rezy-
stora R8 byłaby uzasad-
niona, to można go śmiało
dołączyć wprost do portu
procesora według rysunku
G. Przy prądzie wpływają-
cym wydajność portu kost-
ki 90LS2343 jest znacznie
większa niż 15mA, o czym świadczy
rysunek H, pochodzący z karty katalogowej

Rys. F

Druga klasa Szkoły Konstruktorów

Co tu nie gra?

Szkoła Konstruktorów

klasa II

+5V

PBx

+5V

Pbx

+5V

PBx

+5V

Pbx

SP1

+5V

PBx

Rys. G

Rys. H

Rys. E

Rys. A

Rys. B

Rys. C

Rys. D

Sierpieñ 2010

Szkoła Konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich

procesora. Jak widać, możliwe jest uzyskanie
prądu wpływającego o wartości do 60mA
przy napięciu na obciążeniu do 3V. Przy
dołączeniu silniczka wprost do portu według
rysunku G jak najbardziej realne jest dostar-
czenie do silniczka mocy 180...200mW, czyli
dziesięciokrotnie więcej niż z rezystorem
R8=330

Ω – patrz rysunek J. A jeśli inne

linie portu nie będą obciążone, nie grozi to
przegrzaniem procesora.

Autor schematu dodał i transoptor, i prze-

kaźnik „

ze względu na niekorzystne działa-

nie indukcyjności”. Warto zastanowić się,
jakie jest to niekorzystne działanie. Otóż w
przypadku „czystej indukcyjności” chodzi
o przepięcia, pojawiające się w przypadku
przerywania lub gwałtownego zmniejszania
prądu, a które mogą być wyższe od napięcia
zasilającego. W przypadku silnika dochodzi
jeszcze napięcie wytwarzane przez silnik,
który jeżeli się obraca, zawsze pracuje też
jako prądnica. Ale wytwarzane przez tę prąd-
nicę napięcie nie jest wyższe od napięcia zasi-
lającego silnik i nie ma tu zagrożenia. Warto
pamiętać, że porty procesora oprócz licznych
obwodów wejścia-wyjścia zawierają także
diody ochronne. Jeżeli ktoś miałby obawy,
może dodatkowo włączyć zewnętrzne diody
Schottky’ego według rysunku K.

Ale rzeczywiście prąd wyjściowy do

60mA to za mało, jak na silnik. Można próbo-
wać połączyć równolegle wyjścia tego same-
go portu według rysunku L, jednak lepiej
dodać zewnętrzny tranzystor. W przypadku
pojedynczego tranzystora NPN według rysun-
ku C, być może niepotrzebny będzie rezy-
stor bazowy R

, ponieważ wydajność portu

w stanie wysokim (prąd wypływający) jest
około trzykrotnie niższa niż w stanie niskim
i wynosi około 18mA, jak pokazuje rysunek
M. Trzeba wtedy policzyć, jaki prąd bazy jest
potrzebny do pełnego wysterowania tranzy-
stora. Jeżeli ostrożnie przyjmiemy wzmocnie-
nie minimalne tranzystora, równe 40, to przy
maksymalnym prądzie wypływającym 18mA
prąd kolektora wyniesie 720mA, ale bez gwa-
rancji nasycenia tranzystora. Jeśli potrzebny
byłby prąd bazy większy niż 18mA, można
wykorzystać wersję z tranzystorem PNP z

rysunku E.
Problemów
tych nie ma
przy zasto-
s o w a n i u
darlingtona
oraz tranzy-

stora MOSFET,
według rysunku
D.

W przypad-

ku pojedynczych
t r a n z y s t o r ó w
bipolarnych i dar-
lingtonów, można
w y e l i m i n o w a ć
„

n i e k o r z y s t n e

działanie indukcyjności” przez dodanie diody,
jak na rysunku C. W przypadku MOSFET-ów
dioda jest niepotrzebna, ponieważ te tranzy-
story mają wbudowane struktury, które dzia-
łają jak dioda Zenera.

Jeśli chodzi o sens wykorzystania prze-

kaźnika, to argumentem mógłby być fakt, że
na stykach przekaźnika praktycznie nie ma
spadku napięcia, a tym samym i nie ma strat
napięcia ani mocy – na silnik (bez rezystora
R8) podawane jest pełne napięcie zasilania.
Owszem, w przypadku tranzystorów bipolar-
nych trzeba liczyć się z napięciem nasycenia,
co zmniejszy napięcie na silniku o kilkaset
miliwoltów, nawet 1V. Jednak można też
zastosować MOSFET o małej rezystancji
R

DSon

i strata napięcia będzie wtedy pomijal-

nie mała. Nie ma więc mocnego uzasadnienia
obecności przekaźnika. A tym bardziej trudno
znaleźć uzasadnienie obecności transoptora
OK1.

Transoptory stosuje się tam, gdzie trzeba

galwanicznie oddzielić dwa obwody czy ukła-
dy. Tu obwód zasilania jest wspólny, więc nie
można mówić o oddzieleniu galwanicznym.
Transoptor nie daje żadnego pożytku. Można
też mieć wątpliwości, czy spełni on swoją
funkcję. Problem w tym, że nie wiadomo, jaki
prąd płynie przez cewkę przekaźnika. Jeśliby
miał być większy od 40mA, może być prob-
lem. Przy proponowanym sposobie włączenia
transoptora przez diodę IRED będzie płynął
prąd około 8mA, jak pokazują szacunko-
we dane z rysunku N. Tymczasem według
katalogu, gwarantowana wartość CTR, czyli
„przekładni” transoptora 4N33, wynosi 5,
czyli 500%. Zagwarantowane jest, że prąd
wyjściowy transoptora nie będzie mniejszy,
niż 40mA. Ale jeśliby 5-woltowy przekaźnik
K1 wymagał większego prądu sterującego, to
będzie kłopot. Jest to prawdopodobne, tym
bardziej że CTR=500% gwarantuje się tylko
przy U

tranzystora wyjściowego równym

5V. A tu trzeba nasycić tranzystor (darlington)
transoptora i czułość będzie mniejsza. A co do
przekaźników, to na przykład krajowy RM96

na 5V ma rezystancję cewki
110

Ω, czyli prąd nominal-

ny 45mA. Taki przekaźnik

ewentualnie mógłby tu zadziałać. Ale już
popularny RA2 5V ma rezystancję cewki
18

Ω, czyli prąd nominalny prawie 280mA!

Transoptor w proponowanym układzie naj-
prawdopodobniej takiego prądu nie zapewni.

Ale jeszcze raz należy podkreślić, że i

transoptor, i przekaźnik nie są potrzebne, a
obwód sterujący można uprościć do postaci z
rysunków C...E.

Można i trzeba też uprościć obwód z

tranzystorem T1. Zgłosiliście również prob-
lem odwrotnego dołączenia elementu ozna-
czonego SP1. Niełatwo jest ustalić, czy nie
jest to zbyt pochopny wniosek. Dla ścisłości
należało poszukać w Internecie, czym jest
element KSS1201. Oznaczenia +, – mogły-
by wskazywać, że jest to brzeczyk piezo
z generatorem. Mogłoby na to wskazywać
także podobieństwo obudowy do popularnych
brzęczyków – fotografia O. Nawet w karcie
katalogowej można znaleźć znaki plusa i
minusa – rysunek P.

Jednak w katalogu znajdziemy infor-

mację, że jest to „

magnetic transducer”,

czyli przetwornik magnetyczny – po prostu
głośnik. Potwierdzają to dane katalogowe,
pokazane na rysunku R. Jest to bardzo kiep-
skiej jakości głośniczek, w tym przypadku
16-omowy, choć spotyka się wersje o innej
oporności. A jeśli to głośnik, to można się
zastanawiać, czy znaki

plus, minus w katalo-

gu przypadkiem nie są jedynie pozostałością
z rysunków brzęczyków, które mają iden-
tyczny wygląd. Generalnie głośnik pracuje
przy sygnałach zmiennych i wtedy trudno
mówić o biegunowości, a co najwyżej o fazo-
waniu. Chyba że głośniczki te mają specy-
ficzną budowę i na podobieństwo niektórych

przekaźników, w przypad-
ku pracy ze składową stałą

wymagają konkretnej bie-
gunowości – tego jednak
katalog nie podaje. Można
więc przyjąć, że znaki

plus

+5V

ok. 60mA

PBx

+5V

Pbx
Pby
Pbz

+5V

Pbx

I ~

~ 8mA

2,6V

330

~8mA

0,1mA

Rys. J

Rys. K

Rys. L

Rys. M

Rys. N

Fot. O

Rys. P

Szkoła Konstruktorów

Sierpieñ 2010

Elektronika dla Wszystkich

minus dotyczą ewentualnego fazowania, a

nie biegunowości.

Warto natomiast zwrócić uwagę, że według

katalogu szczytowa wartość napięcia na głoś-
niku wynosi 2V. W zasadzie tłumaczyłoby
to obecność rezystora ograniczającego R2.
Ale nie wiadomo, dlaczego Autor dodatkowo
zaproponował kondensator C2, a tym bar-
dziej rezystory R3 i R4. Na pewno nie jest
potrzebny R4. W innych układach ściąga on
do masy bazę i gwarantuje, że „w spoczynku”
tranzystor będzie zatkany. Tutaj nie ma takiej
potrzeby, ponieważ w stanie niskim port PB4
zapewnia bardzo dobre połączenie z masą i
zatkanie tranzystora.

Także R3 nie jest potrzebny, bo tranzystor

T1 jest sterowany przebiegiem prostokąt-
nym. Trudno w ogóle znaleźć uzasadnienie
obecności tranzystora T1 i współpracujących
rezystorów. Przecież głośniczek można dołą-
czyć wprost do portu PB4 według rysunku F,
a jeśliby ktoś chciał w pełni wykorzystać jego
moc, może dodać dwa tranzystory według
rysunku S.

Nie ulega więc wątpliwości, że układ

można i należy znacznie uprościć.

Zgłosiliście też szereg uwag o charakterze

kosmetycznym. Kilku uczestników zwróciło
uwagę, że zaproponowano amerykańskie tran-
zystory 2N2222, a nie popularne u nas tranzy-
story z serii BC, choćby najpopularniejszy

obecnie BC548B.
To oczywiście nie
jest błąd, ale rze-
czywiście można
się zastanawiać
nad tym szcze-
gółem. Podobnie
kilka osób zwró-
ciło uwagę na
„ a m e r y k a ń s k i e ”
wartości elemen-
tów i stwierdziło,
że należało zapro-
ponować nominały
z szeregów E12
i E6, np. 4,7k

Ω,

47k

Ω, 4,7uF, 22uF.

Natomiast wartość
rezystora R2 = 54

Ω można uznać za pomyłkę

i uznać, że chodziło o nominał 51

Ω.

Dwie osoby za błąd uznały brak konden-

satora 100nF odsprzęgajacego zasilanie. Nie
można tego uznać za błąd. Stosowanie połą-
czonych równolegle kondensatorów 100nF i
100uF jest dobrym zwyczajem, który zapo-
biega wielu kłopotom, jednak w układach
cyfrowych i mikroprocesorowych często
stosuje się jeden kondensator. Tylko jedna
osoba zaproponowała dodanie filtru zasilania
mikroprocesora według rysunku T, a jest to
dobry pomysł.

Wszystkie nadesłane odpowiedzi mogę uznać
za prawidłowe, choć nie wszystkie były
wyczerpujące, a niektórzy Koledzy „prze-
dobrzyli” w swych propozycjach poprawy.
Upominki za zadanie

Co to nie gra? 169

otrzymują:
Tomasz Jadasch – Kęty,
Piotr Kordaszewski – Katowice,
Damian Kalużny – Sosnowiec,
Michał Balcerak – Szczecin.

Wszystkich uczestników dopisuję do listy

kandydatów na bezpłatne prenumeraty.

Model Number

KSS-1201-16

Rated Voltage (Vo-p)

1,5

Operating Voltage Range (Vo-p)

1,0~2,0

Current Consuption (mA)

Max. 35

Coil Resistance ( )

Coil 16,0+

_ 2,4

Coil 16,0+

_ 2,4

Sound Presure level (dBA)

Min. 85dBA (Typical 91)@10cm

Rated Frequency (Hz)

2048

A: Frequency Response, Magn dB re 20,00PA

100

200

20K

+5V

PBx

C1 C2

10k

Rys. R

Rys. S

Rys. T

R E K L A M A