Dziwne zjawiska

W ćwiczeniu 7 możesz natknąć się na dziwne zjawi−
sko, którego na pozór nie sposób wytłumaczyć − nie
wiadomo skąd i dlaczego na poszczególnych wyj−
ściach pojawiać się będą dodatkowe impulsy. Zależ−
nie od pewnych właściwości układu scalonego mogą
pojawić się dziwne przebiegi, których pochodzenia
nie sposób wytłumaczyć w oparciu o poznane do−
tychczas zasady.

Początkujący, którzy niestety dość często na−

potykają takie zaskakujące zjawiska, skłonni są
uznać, że elektronika to dziedzina z pogranicza
magii, gdzie niektóre zjawiska nie podlegają pra−
wom fizyki. Prawda jest inna. Elektronika to dzie−

dzina jak najbardziej ścisła, wszystko działa tu
według niezmiennych praw i wszystko da się opi−
sać matematycznie. Problem w tym, że w codzien−
nej praktyce upraszczamy co tylko można i zapo−
minamy (albo nic nie wiemy) o szczegółach budo−
wy wewnętrznej układów scalonych. Tak jest
i w przypadku dziwnych przebiegów w ćwiczeniu 7.
Dały o sobie znać dodatkowe struktury w układzie
scalonym. Na poprzedniej wyprawie, w ćwicze−
niach 7 i 8 (EdW 10/2001 str. 47, 11/2001 str. 39)
przekonaliśmy się naocznie, że na wejściach ukła−
dów CMOS umieszczone są obwody ochronne,
zawierające diody i rezystory. Zaznacza się je tyl−
ko na nielicznych rysunkach, a w konsekwencji
często o nich zapominamy. Ale to jeszcze nie

wszystko − wcale nie są to zwyczajne diody i rezy−
story. Układ scalony to nie złożenie „zwykłych”
tranzystorów, diod i rezystorów − to skomplikowa−
ny twór, produkowany na powierzchni płytki krze−
mowej przez selektywne nakładanie, usuwanie
i modyfikowanie wielu warstw o różnych właści−
wościach. Powstałe w tych warstwach składniki
tworzą nie tylko pożądane elementy, ale też cały
szereg pasożytniczych struktur. Przykładowo
w układach CMOS, oprócz pożądanych tranzysto−
rów polowych powstają struktury, które okazują
się... tranzystorami bipolarnymi i, co najgorsze
włączone są w sposób tworzący strukturę tyrysto−
rową, która w szczególnych sytuacjach może za−
działać jak tyrystor. Ilustruje to w uproszczeniu

39

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Lipiec 2002

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

T
E
C
H
N
I

K
A
L
I

A

Zamienniki

Układy 40106 i 4093 rea−
lizują funkcje logiczne
NOT i NAND. Od po−
znanych wcześniej ko−
stek 4069 i 4011 różnią
się budową obwodów
wejściowych. Obwody
wejściowe są bardziej
rozbudowane i występuje
tam zjawisko histerezy.
Mówimy, że są to układy
z wejściem Schmitta
(czytaj: szmita), a na ich
symbolu występuje upro−
szczony rysunek symbo−
lizujący histerezę. Układy wejściowe „ze
szmitem”, jak je potocznie nazywany, są bar−
dzo pożyteczne i są często wykorzystywane.

W praktyce, w zdecydowanej większości

przypadków zamiast prostych „zwykłych”
bramek z kostki 4011, znacznie częściej wy−
korzystujemy bramki „ze szmitem” z kostki
4093. Tak samo zamiast inwerterów 4069,
bardzo często stosujemy bardziej uniwersal−
ne inwertery z układu 40106.

Oprócz układu 40106, w rodzinie CMOS

jest jeszcze jedna niemal identyczna kostka
z sześcioma „inwerterami szmita” – 4584.
Funkcje i układ wyprowadzeń są takie same,
różnica jest niewielka: układ 4584 ma o połowę
mniejszą histerezę niż 40106. Inwertery z ukła−
du 40106 są stosowane nieporównanie częściej,
niż 4584. Tabelka pokazuje typowe wartości hi−
sterezy przy różnych napięciach zasilania.

Do tej pory w ogóle nie zajmowaliśmy się

cyfrowymi układami, wywodzącymi się z ro−
dziny TTL 74xx. Tym razem zrobię wyjątek.
Układ 74HC14 ma funkcje i układ wyprowa−
dzeń identyczny, jak kostka 40106. Różnice
dotyczą zakresu napięć zasilania i wydajno−
ści prądowej. Kostka 40106 może być zasila−
na napięciem 3...18V, a 74HC14 napięciem
2...6V. Przy tak niskim napięciu zasilania
układ 74HC14 ma kilkakrotnie większą wy−
dajność prądową wyjść niż układ 40106.

Rysunki 17a, 17b pokazują schemat
i przebiegi czasowe sterownika łańcucha
świetlnego. Dzięki inwerterom „ze szmi−
tem” można było genialnie uprościć taki
układ.

Generator z inwerterem U1A co pe−

wien czas pobudza łańcuch pięciu uni−
wibratorów, czyli przerzutników mono−
stabilnych. Każdy pobudzony uniwibra−
tor wytwarza impuls o czasie zależnym
od elementów RC. Gdy ten impuls się
skończy, opadające zbocze pobudza ko−
lejny uniwibrator. W ten sposób zaświe−
cane są kolejne diody LED. Stałe czaso−
we RC poszczególnych ogniw mogą być
różne, przez co można uzyskać dodatko−
we efekty, na przykład zwalniania.

Efekt jest wręcz rewelacyjny, na−

prawdę warto zbudować taki układ!
W podstawowej wersji, której realizację
widzisz na fotografii 7 elementami wy−
konawczymi są pojedyncze diody LED,
sterowane niezbyt dużym prądem ogra−
niczonym przez rezystory R7...R12. Mo−

żesz dodać bufory 4049, połączyć wiele
diod

LED

szeregowo/równolegle

i zwiększyć ich prąd.

Przy niższych napięciach zasilania

układ na pewno będzie wytwarzał prze−
biegi jak na rysunku 17b – w dowolnej
chwili będzie zaświecona co najwyżej
jedna dioda. Przy wyższych napięciach
(ponad 9V) być może zaobserwujesz
dziwne zjawisko – łańcuch będzie dzia−
łał, ale w danej chwili mogą być zaświe−
cone dwie lub nawet trzy diody. W efek−
cie przez linijkę diod nie będzie „prze−
biegał” pojedynczy punkt świetlny, tylko
swego rodzaju fala. Może nawet uznasz
to za zaletę.

Nie gwarantuję Ci, że takie dziwne

zjawisko wystąpi. Ja przygotowując ćwi−
czenie sprawdziłem kilka egzemplarzy
kostek różnych producentów i uzyska−
łem różne wyniki: niektóre kostki dawa−
ły efekt „fali” już przy napięciu zasilania
6,5V, inne przy 16V pracowały dokła−
dnie według rysunku 17b. Zależy to od

Ośla łączka

A6

117

układ typowa wartość histerezy

zasilanie

5V

10V

15V

40106

1,1V

1,7V

2,1V

4584

0,6V

0,7V

1,1V

Informacje dotyczące zestawu EdW−A06 do „Oślej łączki”

znajdują się na stronie z Ofertą AVT.

Ćwiczenie 7

(Dyskotekowy)

łańcuch świetlny

Rys. 17

rysunek B. Kolorami zaznaczyłem tranzystory
MOSFET.

Nie musisz wgłębiać się w szczegóły − podczas

normalnej pracy takie dodatkowe obwody nie ma−
ją wpływu na działanie układu. Rysunek ten ma Ci
jednak pokazać, dlaczego w pewnych nietypo−
wych sytuacjach urządzenie może sprawiać
niespodzianki.

Analizując problem jeszcze dokładniej, należało−

by uwzględnić fakt, że ścieżki na płytce i wszystkie
połączenia mają też jakąś niewielką rezystancję,
a także indukcyjność. Wypadałoby też uwzględnić
wszystkie pojemności montażowe (między elemen−
tami i ścieżkami), które też mogą być przyczyną
przykrych niespodzianek. Tych i jeszcze innych

40

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Lipiec 2002

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

T
E
C
H
N
I

K
A
L
I

A

Napięcia progowe

raz jeszcze

Podobnie, jak w przypadku zwykłych bramek,
także i w bramkach z wejściem Schmitta trze−
ba się liczyć ze znacznym rozrzutem napięć
progowych oraz ich (niezbyt dużą, ale jednak)
zależnością od temperatury. W rezultacie okna
histerezy poszczególnych egzemplarzy nie
tylko będą mieć różną szerokość, ale też będą
wzajemnie przesunięte w osi poziomej. Tabe−
la poniżej pokazuje dopuszczalne granice dla
inwerterów kostki 40106 przy napięciach zasi−
lania 5V, 10V i 15V. Jak widać szerokość pę−
tli, czyli wielkość histerezy, zależy od napięcia
zasilania i co najgorsze, nie są to zmiany pro−
porcjonalne do napięcia zasilania.

Z kolei Tabela na następnej stronie poka−

zuje dopuszczalny zakres napięć progowych
inwerterów 40106. Tak widać różnice pomię−
dzy egzemplarzami mogą być duże – ilustruje
to rysunek IX pokazujący przykładowe cha−
rakterystyki dwóch różnych kostek 40106.

Pamiętaj, że nigdzie nie znajdziesz informa−

cji, jaką wielkość pętli histerezy będzie mieć
konkretny egzemplarz układu scalonego przy
danym napięciu zasilania (musiałbyś to zmie−
rzyć). Właśnie z tych powodów nie sposób po−
dać wzoru na częstotliwość prostego generato−
ra z jedną bramką Schmitta. Częstotliwość
drgań zależy bowiem bardzo silnie od wielko−
ści histerezy, a ta z kolei od napięcia zasilania.

właściwości użytego egzemplarza ukła−
du scalonego 40106. Różni producenci
budują swoje kostki w nieco odmienny
sposób. Każda kostka oznaczona 40106
zawiera sześć inwerterów „ze szmitem”
i sposób ich działania w typowych ukła−
dach jest taki sam. Jednak kostki róż−
nych producentów mogą się różnić bu−
dową wejściowych obwodów zabezpie−
czających i pewnymi mało istotnymi pa−
rametrami nie udokumentowanymi
w katalogu. I właśnie te drobne różnice
we właściwościach spowodują, że w na−
szym trochę nietypowym układzie jedne
kostki będą wytwarzać „kanoniczne”
przebiegi z rysunku 17b nawet przy na−
pięciu 18V, a inne zaczną wytwarzać
wspomnianą „falę” już przy napięciu

6...7V. Aby skutecznie usunąć wspo−
mniany efekt „fali” wystarczy dodać re−
zystory na wejściach bramek według ry−
sunku 17c. Nieco więcej informacji na
temat przyczyn takiego nieoczekiwane−
go zachowania układu znajdziesz
w Technikaliach.

Aby sterować prawdziwym łańcuchem

świetlnym z wieloma żarówkami, możesz
wykorzystać wersję z sześcioma tranzy−
storami MOSFET na przykład według
rysunku 18a lub 18b, przy czym układ
musi być zasilany z akumulatora lub od−
powiednio wydajnego zasilacza siecio−
wego. W razie potrzeby dodaj rezystory
według rysunku 17c. Zbudujesz w ten
sposób najprawdziwszy wąż świetlny
nadający się do domu czy do dyskoteki.

A6

118

Ośla łączka

Wielkość histerezy

40106

min

typ.

max

5V

0,3V

1,1V

2,0V

10V

1,2V

1,7V

3,4V

15V

1,6V

2,1V

5,0V

Rys. IX

B

Rys. 18

F

F

o

o

t

t

.

.

7

7

„pasożytów” prawie nigdy nie zaznacza się na sche−
matach, ale one nie tylko istnieją, ale też mogą dać o
sobie znać. W układach CMOS uaktywnią się zwła−
szcza wtedy, gdy przez obwody wejściowe przepływa
prąd o znacznej wartości. A właśnie w ćwiczeniu 7 ma
miejsce taka sytuacja. Ilustruje to rysunek C. Czym
wyższe napięcie zasilania, tym większy prąd płynie
przez chwilę przez obwody wejściowe. W momen−
cie zmiany stanu w punkcie X z niskiego na wyso−
ki, naładowany wcześniej kondensator Cx zostaje
„podrzucony do góry” i zaczyna się gwałtownie
rozładowywać. Przez rezystor Rx płynie niewielki
prąd, ale ponieważ rezystancje Rwy i RA mają ma−
łą wartość rzędu dziesiątek, najwyżej setek omów,
prąd płynący przez wejście może mieć wartość

45

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Lipiec 2002

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

T
E
C
H
N
I

K
A
L
I

A

Progi wyjściowe?

Z wyjściami nie ma problemu – nie ma „wyj−
ściowego” napięcia progowego. Wnętrze ukła−
du cyfrowego jest tak zbudowane, że w nor−
malnych warunkach powinny się tam pojawiać
„czyste” stany logiczne: potencjał masy albo
dodatniej szyny zasilania. I tak zwykle jest –
o ile tylko wyjście nie jest nadmiernie obciążo−
ne. Jeśli z wyjścia układu logicznego nie jest
pobierany prąd większy niż kilka miliampe−
rów, występują tam „czyste” stany logiczne.
Wyjątkiem są sytuacje, gdy do takiego wyjścia
podłączone jest nietypowe obciążenie, na przy−
kład dioda LED. Wtedy płyną znaczne prądy,
a napięcia nie odpowiadają poziomom logicz−
nym. Choć zazwyczaj w takich nietypowych
sytuacjach układom CMOS nie grozi uszko−
dzenie, trzeba unikać nadmiernego obciążenia
i pamiętać o rezystancji wyjściowej bramek.

Generatory

i układy czasowe

W ćwiczeniu trzecim przekonałeś się, że naj−
prostszy generator można zrealizować za po−
mocą jednej bramki (inwertera) „ze szmitem”.
Choć generatory z bramkami (inwerterami)
z wejściem Schmitta są często stosowane, ich
częstotliwość silnie zależy od zmian napięcia
zasilania, a także od temperatury. Ponadto
z uwagi na znaczny rozrzut parametrów trud−
no przewidzieć, jaka dokładnie będzie często−
tliwość drgań przy danych elementach R, C.
Nic więc dziwnego, że nie wyparły one „kla−
sycznych” generatorów dwubramkowych,
poznanych na poprzedniej wyprawie. Gdy
częstotliwość ma być stabilna, należy stoso−
wać klasyczny układ z dwiema bramkami
(4011, 4001, 4069, 4049). Okazuje się, iż ta−
kie klasyczne dwubramkowe generatory są
też częścią specjalizowanych układów scalo−
nych rodziny CMOS 4000, na przykład bar−
dzo pożytecznych kostek 4541 czy 4060. Tak−
że uniwersalny układ czasowy 4047, wbrew
pozorom, opiera swe działanie na konfiguracji
klasycznego generatora dwubramkowego.

Bramki „ze szmitem” oprócz typowych
zastosowań, mogą być wykorzystywane
na wiele sposobów.

Przykład pokazany jest na rysunku 19.

Przy odpowiednim rozmieszczeniu diod
LED uzyskasz wirujące świetlne kółko.
Efekt jest naprawdę interesujący, musisz
tylko umieścić diody kolejno D1, D2,
D3, D4, D5, D6. Prędkość wirowania
zależy oczywiście od elementów
R1...R3, C1...C3. A elementy te nie mu−
szą być jednakowe.

Na pierwszy rzut oka trudno uchwy−

cić zasadę działania. Możesz potrakto−
wać układ jako zamknięty łańcuch blo−
ków opóźniających, podobnych jak na
rysunku 17, co tworzy niecodzienny ge−
nerator. Teoretycznie układ złożony
z trzech identycznych stopni nie powi−
nien „ruszyć” i należałoby dodać obwód
startowy, choćby w postaci przycisków
zwierających kondensatory. W praktyce
generator zawsze „rusza” ze względu na
drobne różnice parametrów użytych ele−
mentów. Jeśli chcesz, możesz samo−
dzielnie przeprowadzić bliższą analizę
tego interesującego układu, ale możesz
też spokojnie pominąć te szczegóły.

Jeśli zmontujesz ten układ w postaci

solidnego pająka albo na kawałku płytki
uniwersalnej, uzyskasz atrakcyjny gadżet
dyskotekowy. Możesz go zasilać z popu−
larnej baterii 9−woltowej (nie alkalicz−
nej), ale układ powinien też pracować za−
silany z jednej baterii litowej 3−woltowej.

Warto wtedy zamiast kostki
40106

zastosować

układ

74HC14, który też zawiera
sześć inwerterów „ze szmitem” i ma
identyczny układ wyprowadzeń, a za−
pewni większą wydajność prądową
wyjść przy niższych napięciach.

Na fotografii 8 pokazany jest model

próbny zmontowany na płytce stykowej.
Co prawda w tym prostym modelu diody
nie są ułożone w kółeczko, ale efekt też
jest interesujący. Podobny układ zreali−
zowany z pomocą miniaturowych ele−
mentów do montażu powierzchniowego
(SMD) opisany był w EdW 9/1999.

Ośla łączka

A6

119

Ćwiczenie 8

Wirujące kółko

C

Rys. 19

Dolne napięcie progowe Górne napięcie progowe

40106

min

typ.

max

min

typ.

max

5V

0,9V

1,9V

2,8V

2,2V

2,9V

3,6V

10V

2,5V

3,9V

5,2V

4,6V

5,9V

7,1V

15V

4,0V

5,8V

7,4V

6,8V

8,8V

10,8V

F

F

o

o

t

t

.

.

8

8

A6

120

Ośla łączka

Wykonajmy teraz pożyteczny przyrząd
do Twojej pracowni elektronicznej. Od
wielu lat w literaturze można znaleźć
schemat testera tranzystorów o schema−
cie jak na rysunku 20. My zbudujemy
nowocześniejszy układ według rysun−
ku 21. Model zmontowany na płytce
stykowej pokazany jest na fotografii 9.

Napięcie zasilania nie powinno być

zbyt duże: 5V do, co najwyżej 9V, (ogra−

niczenie to wynika z faktu, że złącze ba−
za−emiter tranzystora bipolarnego za−
chowuje się jak... dioda Zenera o napię−
ciu 5...6V, więc przy wyższych napię−
ciach efekty będą inne). W testerze ma−
my dwa generatory. Jeden, powolny,
zmienia okresowo biegunowość napię−
cia podawanego na punkty E, C, co po−
zwala sprawdzić zarówno tranzystory
PNP, jak i NPN. Drugi podaje na bazę

tranzystora przebieg o częstotliwości
rzędu 1kHz lub więcej – w rezultacie
sprawny tranzystor daje na kolektorze
przebieg o amplitudzie kilku woltów.

Jeśli po dołączeniu badanego tranzy−

stora do punktów E (emiter), B (baza), C
(kolektor), nie świeci żadna dioda, ozna−
cza to, że tranzystor jest uszkodzony
(przerwa).

Jeśli na przemian migają diody D1,

D2 – tranzystor też jest uszkodzony –
zwarty. W takich przypadkach membra−
na będzie jedynie cicho stukać. Nato−
miast pisk membrany świadczy, że tran−
zystor jest sprawny, przy czym pulsowa−
nie tylko jednej diody LED pokazuje po−
laryzację tranzystora (PNP/NPN).

Przekonasz się, jak układ działa, jeśli

sprawdzisz kilka tranzystorów. Archa−
iczny pierwowzór przeznaczony jest dla
tranzystorów bipolarnych, czyli mówiąc
potocznie – zwykłych. Jeśli masz MO−
SFET−y z kanałem P i N, możesz spraw−
dzić, czy tester nadaje się do ich spraw−
dzania. Zawsze pamiętaj o właściwym
podłączeniu końcówki bazy (bramki).

Piotr Górecki

Ciąg dalszy w następnym numerze EdW.

rzędu kilkudziesięciu miliamperów. Warto zauwa−
żyć, że w czasie takiego rozładowania kondensatora,
napięcie na wejściu bramki (w punkcie X) będzie
wyższe niż dodatnie napięcie zasilania (VDD).

W większości katalogów różnych producentów

podana jest informacja, że taki prąd wejściowy nie
może nawet na chwilę przekroczyć 10mA czy
20mA. Kostki niektórych producentów wytrzymują
bez jakiejkolwiek szkodliwej reakcji prądy wejścio−
we rzędu 50...70mA, inne są gorsze − pasożytnicze
struktury uaktywnią się przy prądzie wejściowym
niewiele większym od 10mA. I właśnie od takich
subtelnych właściwości, nie określonych dokładnie
w katalogu, zależy poprawna praca niektórych ukła−
dów, w tym łańcucha świetlnego z ćwiczenia 7.

Trzeba przy tym jasno powiedzieć, że przy na−

pięciach do 5...6V prądy są niewielkie i wspo−
mniane szkodliwe struktury nie zostaną uaktyw−
nione. Natomiast przy wyższych napięciach zasi−
lania, gdy dodatkowo większa jest wydajność prą−
dowa wyjść, a prąd wejściowy przekracza
w szczytach 20mA, wejścia mogą przez krótkie
ułamki sekund zachowywać się jak... wyjścia.
Szczegółowe wyjaśnienie zjawiska niewątpliwie
przekracza ramy niniejszego cyklu. Warto nato−
miast pamiętać o tym problemie, a w układach
czasowych i generatorach na wszelki wypadek
ograniczać prąd wejść poniżej dopuszczalnej war−
tości 20mA przez zastosowanie szeregowych re−
zystorów (1...10kΩ) według rysunku D.

46

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Lipiec 2002

T
E
C
H
N
I

K
A
L
I

A

D

Rys. 20

Rys. 21

F

F

o

o

t

t

.

.

9

9

Ćwiczenie 9

Tester tranzystorów