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.

+

+

+

A

V

IN OUT

ADJ

P2

333W

P2

333W

P1

1k

P1

1k

C5

10m

C5

10m

C3

100n

C3

100n

C4 22m

C4 22m

C2

100n

C2

100n

C1 1000m

C1 1000m

+12V

-12V

R1 820W

R1 820W

LM 113 1,2V

LM 113 1,2V

Uwy 0...9V

0...2V

Uwy 0...9V

0...2V

LM 317

LM 317

GND KOMP.

GND KOMP.

+5V

P3

3,3k

P3

3,3k

R1 120W

R1 120W

S1A

S1A

S1B

S1B

S2

S3

S3

T1

BC 558

T1

BC 558

A

IN OUT

ADJ

P1

R2

*

+

+

C

F

C

F

+12V

+12V

-5V

-5V

+5V

+5V

-12V

-12V

+3,3V

+3,3V

GND

GND

+U

reg

+U

reg

C3

100 F

m

100 F

m

Zasilacz

komputerowy

Za

si

la

cz

ko

m

pu

te

ro

w

y

1,2...9V

6V

C1

100nF

1k

lub

2,2k

1k

lub

2,2k

D2

2x1N4148

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

I

), 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

I

B

I

B

t

I

t

I

40

Am

40

Am

20mA20

mA

5 sekund

5 sekund

I

D

I

D

Impulsy prądu o częstotliwści 36kHz wypełnienie 50%

Impulsy prądu o częstotliwści 36kHz wypełnienie 50%

C

X

C

X

+

mikro-

mikro-

procesor

procesor

LD271

LD271

PNP

lub NPN

lub NPN

+

+

80mA

max 1ms

max 1ms

Rys. A

Rys. B

R E K L A M A

51

Szkoła Konstruktorów

Lipiec 2010

Lipiec 2010

Elektronika dla Wszystkich

IRED według idei z

rysunku

B. Będzie to nietypowe stero-
wanie i dioda IRED będzie
zasilana krótkimi paczkami
impulsów przebiegu prosto-
kątnego 33kHz o wypełnie-
niu 50%, trwającymi maksy-
malne 1ms, o amplitudzie w
najlepszym przypadku około
800mA.

Zasilaniem będą trzy bateryjki AAA

(LR03). Mogą to być zwykłe ogniwa cyn-
kowo-węglowe o niedużej wydajności
prądowej, a my chcemy, by prąd diody
nadawczej był rzędu 800mA. Takie bate-
ryjki nie dadzą tak dużego prądu. Aby
zwiększyć wydajność prą-
dową, planujemy włączyć
równolegle do baterii kon-
densator lub zestaw konden-
satorów elektrolitycznych.
Będzie to dodatkowe źródło
zasilania o dużej wydajności
prądowej, potrzebne na czas
impulsu.

W ramach zadania

Policz168 należy
– narysować schemat obwo-

du zasilania

– obliczyć wartość konden-

satora wspomagającego Cx
.

Zasadniczo zadanie było

bardzo łatwe – wystarczyło
skorzystać z jednego, znane-
go wszystkim wzoru na łado-
wanie/rozładowanie konden-
satora, który często zapisu-
jemy w bardzo uproszczo-
nej postaci It=CU. Jednak
uczestnikom zadania spore
trudności sprawiło określe-
nie wartości, które do tego
wzoru trzeba było podsta-
wić.

Przeanalizujmy więc

sytuację od początku:
Problemem jest duża
rezystancja wewnętrz-
na zwykłych baterii,
która nie pozwoli z nich
pobrać prądu 800mA.
Dlatego chcemy dodać
kondensator elektro-
lityczny Cx równole-
gle do baterii. Podczas
trwania 1-milisekundowej paczki impulsów
praktycznie cały duży prąd I

D

będzie pobie-

rany z tego dodatkowego kondensatora Cx,
natomiast w czasie długich przerw między
paczkami impulsów kondensator Cx zdąży się
naładować niewielkim prądem I

B

do pełnego

napięcia baterii E przez jej opór wewnętrzny
Rw, jak ilustruje to rysunek C. W zadaniu nie
było powiedziane, jak często będą powtarzane
te 1-milisekundowe sygnały, ale wzmianka,

że chodzi o krótkie paczki
impulsów, sugeruje, że prze-
rwy będą duże i że koncepcja
z rysunku C jest słuszna.

Następna sprawa to sze-

regowa rezystancja zastęp-
cza kondensatora Cx, ozna-
czona ESR na rysunku D.
Kondensatory, zwłaszcza

elektrolityczne, mają niezerową rezy-
stancję wewnętrzną ESR. I impuls
prądu powoduje na niej spadek napię-
cia. W pierwszym przybliżeniu może-
my jednak założyć, że szeregowa rezy-
stancja zastępcza ESR kondensatora Cx
jest bardzo mała i możemy ją zupełnie

pominąć w dalszych
obliczeniach.

A jeśli pomijamy

ESR, to dla ułatwienia
dalszych obliczeń może-
my też uśrednić 33-
kilohercowe impulsy.

Wartość szczytowa tych
impulsów prostokątnych
wynosi 800mA, mają one
wypełnienie 50%, więc
średnia wartość prądu
podczas 1-milisekundowej
paczki impulsów wynosi
400mA. A to oznacza, że
w dalszych rozważaniach
można i należy rozpatry-
wać sygnał-impuls o cza-
sie trwania 1ms (1000us) i
prądzie 400mA (0,4A).

Mamy już dwie

wartości, które pod-
stawimy do wzoru.
Brakuje trzeciej

– napięcia.

Jeśli założy-

my, że wartość
prądu diody IRED
będzie niezmienna
(400mA), to napię-

cie na konden-
satorze rozłado-
wywanym takim
prądem będzie się
liniowo zmniej-
szać w czasie
1ms. Szybkość
opadania napięcia
zależy od pojem-
ności Cx, jak

pokazuje w uproszczeniu rysunek E.
Oczywiście jeśli nasze zdalne sterowa-
nie ma działać prawidłowo, to napięcie
nie może się nadmiernie zmniejszyć. A
o ile może się zmniejszyć?

To jest ważne pytanie, a treść zada-

nia nie przynosi bezpośredniej odpo-
wiedzi. Bezpośredniej nie daje, ale
rysunek B zawiera pomocną wskazów-
kę. Mianowicie taką, że w układzie ma

być użyta dioda IRED LD271. Jak pokazuje
pochodzący z katalogu rysunek F, przy prą-
dzie 800mA trzeba się liczyć, że napięcie na
diodzie typowo będzie wynosić około 1,9V,
maksymalnie nawet 2,4V. Na pewno napięcie
zasilające na kondensatorze Cx nie powinno
obniżyć się do takich wartości, bo wtedy nie
będzie można uzyskać potrzebnego prądu.
Przecież w obwodzie sterowania diody LED
będzie też umieszczony tranzystor, a zapewne
również jakiś rezystor i wystąpi na nich jakiś
spadek napięcia.

Napięcie świeżych baterii wynosi ponad

1,5V, ale trzeba założyć, że układ powinien
poprawnie pracować także przy bateriach
częściowo zużytych, na przykład przy obni-
żeniu napięcia do 1V/ogniwo.

Już tu widać, że prąd diody IRED będzie

silnie zależny od wartości napięcia zasilania,
ale w ramach tego zadania nie musimy drą-
żyć szczegółów. Powyższe rozważania na
pewno wskazują, że w ciągu 1-milisekundo-
wej paczki impulsów, napięcie na rozładowy-
wanym kondensatorze nie powinno znacząco
się obniżyć. Nie ma tu ścisłej recepty, ale
biorąc pod uwagę także inne wspomniane
przyczyny wahań napięcia, możemy przyjąć,
że w ciągu 1ms napięcie na kondensatorze
Cx nie powinno zmniejszyć się więcej, niż
o 0,5V. Na pewno obniżenie się napięcia o
1V lub więcej byłoby niedopuszczalne, bo
oznaczałoby drastyczne zmniejszenie ampli-
tudy impulsów pod koniec 1-milisekundo-
wej paczki. Wartość 0,5V nie jest jedyną
prawidłową. Dla ułatwienia obliczeń można
było przyjąć 0,4V. Można było też przyjąć

+

+

R

W

R

W

I

B

I

B

I

D

I

D

IRED

E

bateria

bateria

+

ESR

ESR

C

I

D

I

D

U

C

U

C

U

C

U

C duża pojemność C

duża pojemność C

mała

pojemność

C

mała p

ojemno

ść C

C

X

C

X

C

X

C

X

+

+

+

+

+

_

_

+

mP

mP

IRED

C

X

C

X

+

+

T1

R2

R1

BAT.

BAT.

V

F

F

I

1

1

10

0

10

800mA

800mA

-1

-1

10

10

-2

A

1.5

2

2.5

3

3.5

4 V 4.5

4.5

max.

typ.

Rys. C

Rys. D

Rys. E

Rys. F

Rys. G

Rys. H

R E K L A M A

52

Szkoła Konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich

Lipiec 2010

Lipiec 2010

mniejsze dopuszczalne obniżanie napięcia,
na przykład 0,1V, ale jak się za chwilę okaże,
oznacza to konieczność zastosowania kon-
densatora o dużej pojemności.
Teraz, jeśli mamy prąd, czas i dopuszczalną
różnicę napięć, to możemy przeprowadzić
obliczenia. Wykorzystamy podstawową zależ-
ność: prąd kondensatora jest wprost propor-
cjonalny do jego pojemności i do szybkości
zmian napięcia. Dla jednostajnych liniowych
zmian zapisujemy to następująco:

co w praktyce częściej zapisujemy
I*

Δt=C*ΔU

lub w jeszcze bardziej uproszczonej postaci:
It=CU

My z tej zależności chcemy obliczyć

wymaganą pojemność minimalną, więc prze-
kształcamy:
C = I*

Δt/ΔU

Podstawiamy:
C = 0,4A*1ms / 0,5V
C = 0,8mF = 800uF

W praktyce powinniśmy zastosować Cx o

pojemności 1000uF lub większej.

Zadanie okazało się trudne. Odpowiedzi

było mniej, a część uczestników nie pora-
dziła sobie z analizą sytuacji. Niektórzy
próbowali wykorzystać podane w zada-
niu informacje o częstotliwości przebie-
gu 33kHz, co prowadziło na manowce.
Nieistotny jest też fakt, że w czasie 1 mili-
sekundy wystąpią 33 impulsy.
Niektórzy prawidłowo określili zapotrzebo-
wanie na ładunek w czasie paczki impulsów:
Q = 50% * I

IMP

* 1ms

Q = 0,5*0,8A*1ms
Q = 0,4mC

Tyle ładunku pobierze dioda

IRED. To dobry trop, tylko w
następnym kroku, przy wykorzy-
staniu zależności Q=CU, nie nale-
żało podstawiać jako U całkowi-
tego napięcia baterii (2,4V...4,5V),
tylko właśnie dużo mniejszą różni-
cę napięć na początku i na końcu 1-
milisekundowej paczki impulsów.
Nie można bowiem w czasie trwa-
nia tej paczki zużyć całej energii
kondensatora, a należy zużyć tylko
jej niewielką część, żeby napię-
cie na kondensatorze zbytnio się
wtedy nie obniżyło, by możliwa
była praca diody IRED, która jak
wiemy, wymaga napięcia rzędu
2V.

Tym bardziej gratulacje należą

się wszystkim, którzy prawidłowo
przeanalizowali sytuację i uzyskali
sensowny wynik.

W zadaniu było też powiedzia-

ne, że należy narysować schemat
obwodu zasilania. Zasadniczo
wystarczyło narysować sche-
mat, jak w dwóch przykładach na
rysunku G. Niektórzy rysowali

nie tylko schemat obwodu zasilania, ale też
sterowania diody LED – w większości jak
na rysunku H. z R1 o wartości kilku omów
i R2 1..4,7k

Ω. Jeden z uczestników przysłał

schemat, pokazany na rysunku J, a inny
zaproponował układ z rysunku K. Jeśli cho-
dzi o sterowanie diody IRED, to zazwyczaj
wykorzystuje się właśnie takie proste roz-
wiązania. Wtedy prąd diody IRED bardzo
silnie zależy od napięcia zasilania. Gdyby
ktoś chciał utrzymać niezmienną wartość
impulsów 800mA, albo chociaż zmniejszyć
zależność prądu diody od napięcia zasilania,
to będzie to poważne wyzwanie i problem.
Do sterowania diody IRED należałoby zasto-
sować jakieś sterowane źródło prądowe, ale o
niskim minimalnym spadku napięcia. Można
wypróbować koncepcję z rysunku L, gdzie
dodatkowa dioda „stabilizująca” D2 też jest
diodą IRED o napięciu przewodzenia przy
niewielkich prądach około 1,2...1,3V, dzięki
czemu nie marnuje się nadmiar prądu sterują-
cego Is. Częściową poprawę zależności prądu
diody od napięcia zasilania powinien też
zapewnić układ z niesymetrycznym lustrem
prądowym według rysunku M, o ile popraw-
nie pracowałby przy częstotliwości 33kHz i
o ile zapewniona byłaby stabilność cieplna
lustra prądowego. W pewnych sytuacjach
można dopuścić większe wahania napięcia w
obwodzie diody, a należałoby minimalizować
skoki napięcia zasilającego mikroprocesor.
Wtedy sensowna może się okazać wersja
z dodatkowym kondensatorem C

Y

, ładowa-

nym albo przez diodę Schottky’ego, jak na
rysunku N, albo przez odpowiednio dobrany
rezystor zamiast takiej diody.

Upominki za zadanie Policz168otrzymują:

Janusz Miąsek – Rybno,
Michał Krzyszczak – Warszawa,
Zygmunt Szymański – Wrocław.

Wszystkich uczestników dopisuję do listy

kandydatów na bezpłatne prenumeraty.

+

+

+

+

+

+

R2

1K

R2

1K

C3

C4

2*1000m

C3

C4

2*1000m

LD 271

LD 271

R3, 4*

II 12W

R3, 4*

II 12W

T1

BC

548

T1

BC

548

C2

220n

C2

220n

T2

BC 517

T2

BC 517

Mikro -

procesor

Mikro -

procesor

C1

22m

C1

22m

Vcc

4,5V

Vcc

4,5V

R1

330W

330W

Rys. J

mP

mP

C

X

C

X

+

+

BAT.

BAT.

IRED

IRED

C

X

C

X

+

+

BAT.

BAT.

mP

mP

D2

D1

IRED

C

X

C

X

+

+

BAT.

BAT.

mP

mP

Rys. K

Rys. L

IRED

C

X

C

X

C

Y

C

Y

+

+

+

BAT.

BAT.

mP

mP

ster

ster

Schottky

Schottky

Rys. M

Rys. N

R E K L A M A