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

Maj 2002

Wyprawa szósta − A6

potencjometry

układy scalone

kondensatory

diody

diody LED

tranzystory

przycisk

membrana piezo

PCA−100

rezystory

Turbodopalacz do budzika (dla śpiochów)

(Dyskotekowy) łańcuch świetlny, Czarodziejski generator,

Centralka alarmowa, Wirujące kółko, Tester tranzystorów,

Optyczno−akustyczny symulator alarmu,

Przełącznik zmierzchowy, Przeraźliwa syrena alarmowa,

Patchwork, czyli (widmowa) makatka

Gdy pierwszy raz w życiu stajesz na nartach, nie odbywa
się to na szczycie Kasprowego. Szukasz jakiegoś łagodne−
go, mało stromego stoku, jednym słowem − oślej łączki.

Dopiero gdy na takiej oślej łączce nauczysz się podstaw,
będziesz w stanie bezpiecznie zjechać z Kasprowego.

Niniejszy cykl jest odpowiednikiem wypraw na taką

oślą łączkę. Poszczególne wyprawy pozwalają poznać ko−
lejne najważniejsze zagadnienia elektroniki. Kurs został
pomyślany, by przede wszystkim bawić, a przy okazji
uczyć. Zabawa polega na wykonywaniu różnych cieka−
wych i pożytecznych układów.

Niniejszy materiał jest szóstą wyprawą na oślą łączkę.

Nadal będziemy się zajmować układami cyfrowymi.

Określenie „technika cyfrowa“ może budzić obawy, że

chodzi o coś bardzo trudnego. Niektórzy są przekonani, że
jeśli jest „cyfrowa“, to ma ścisły związek z matematyką, i to
matematyką wyższą. W rzeczywistości ta dziedzina elek−
troniki okazuje się bardzo łatwa do opanowania. Wbrew
pozorom okazuje się zdecydowanie łatwiejsza niż technika
analogowa, którą zajmowaliśmy się na poprzednich wypra−
wach. Tak! Przekonasz się o tym osobiście podczas kolejnej
„cyfrowej“ wyprawy na elektroniczną oślą łączkę.

W niniejszym cyklu wszelkie interpretacje fizyczne są

mocno uproszczone (o ile w ogóle są), a główna uwaga
jest skierowane na zagadnienia praktyczne. Uwydatnia to
charakterystyczna struktura kursu − każdy odcinek zawie−
ra cztery bloki, wyróżnione kolorami.

Najważniejszy blok to umieszczone na białym tle ćwi−

czenia praktyczne

. Samo przeczytanie tekstu nie dostar−

czy Ci wszystkich najważniejszych informacji. Dopiero
praktyczne wykonanie i zbadanie zaproponowanych ukła−
dów pozwoli wyciągnąć wnioski i w pełni zrozumieć opi−
sane zagadnienia. Pomogą informacje zawarte w czę−
ściach ELEMENTarz i Technikalia.

Zapewniam, że zaczynając znajomość z techniką cyfro−

wą od tak zwanych układów CMOS nie musisz mieć żadnej
wiedzy matematycznej. Musisz jednak wiedzieć, co to jest
rezystor i kondensator. Musisz też znać zasady oznaczania
rezystorów i kondensatorów oraz wiedzieć, co to jest i jak
działa tranzystor, zarówno zwykły, bipolarny, jak i polowy
(MOSFET). Zagadnienia te zostały wyczerpująco omówio−
ne podczas dwóch pierwszych „analogowych“ wypraw na
oślą łączkę. Można je znaleźć w archiwalnych numerach
Elektroniki dla Wszystkich, począwszy od numeru 10/2000.

Do wykonania wszystkich układów tej „cyfrowej“

wyprawy wystarczą schematy i fotografie zamieszczone
w artykule. Do ich zasilania najlepiej nadaje się stabilizo−
wany zasilacz wtyczkowy 12V 250mA, a w większości
ćwiczeń możesz wykorzystać baterię 9V. Komplet ele−
mentów do budowy wszystkich ćwiczeń tej wyprawy
będzie można zamówić jako zestaw A06. Elementy mo−
żesz lutować, możesz też wykorzystać uniwersalną płytkę
stykową. Informacje handlowe podane są na stronie 80,81.

Życzę sukcesu także na tej wyprawie.

Piotr Górecki

Prąd elektryczny przepływający przez ciało czło−
wieka nie jest obojętny dla zdrowia. Czym więk−
sze napięcie, tym większy prąd i większy wpływ
na organizm.
Napięcia nie przekraczające 24V uznaje się za
bezwzględnie bezpieczne.
Napięcia rzędu 60V i więcej uznawane są za nie−
bezpieczne. Napięcie w domowym gniazdku sie−
ci energetycznej wynosi 220...230V − jest to więc
napięcie groźne dla życia!

Przeprowadzanie prób z układa−
mi dołączonymi wprost do sieci
grozi śmiercią!

Aby zapobiec nieszczęściu, należy zasilać budo−
wane układy z baterii albo z użyciem fabryczne−
go, atestowanego zasilacza, który co prawda jest
dołączany do sieci, ale zastosowane rozwiązania
zapewniają galwaniczną izolację od sieci i pełne
bezpieczeństwo.

Ośla łączka

A6

109

A6

110

Na wyprawie piątej wykorzystywaliśmy

podstawowe elementy cyfrowe − bram−

ki i inwertery. W ćwiczeniu 5 zbudowa−

liśmy wtedy uniwersalny sygnalizator.

Aby pozbyć się najróżniejszych „śmie−

ci”, wprowadziliśmy histerezę przez do−

danie dwóch rezystorów. Histerezę

i przerzutnik Schmitta poznaliśmy już

wcześniej na wyprawie A2 począwszy

od ćwiczenia 5 (EdW 12/2000 str. 88,

EdW 1/2001 str. 39, EdW 2/2001 str. 37,

38). Dzięki histerezie, układ zmienia

stan w sposób pewny i zdecydowany.

Okazuje się, że histereza jest wręcz nie−

zbędna, gdy do układu cyfrowego do−

prowadzamy różne „nietypowe” sygna−

ły, zwłaszcza sygnały wolnozmienne

i „zaśmiecone”.

Nadeszła chwila, byśmy zapoznali się

praktycznie z układami cyfrowymi,

które mają na wejściach wbudowane ob−

wody zapewniające histerezę. Mówimy,

że są to układy z wejściami Schmitta.

W naszym elektronicznym żargonie

mówimy: „ze szmitem na wejściu”.

Zbadaj prosty układ według rysunku 1

i fotografii 1. Nie zapominaj o podłą−
czeniu wyprowadzeń zasilania układu
scalonego (oznaczanych VSS, VDD −
nóżki 7, 14), które zawsze muszą być
podłączone, a których z reguły nie ry−
sujemy na schematach

. Podobnie pa−

miętaj, że wszystkie niewykorzystane
wejścia trzeba gdzieś podłączyć (do ma−
sy, do zasilania, albo do czynnych
wyjść).

Po włączeniu zaświecą się obie lampki.

Jeśli nie, poczekaj minutę

aż zaformuje się kondensa−

tor 22µF. Zaciśnij przycisk

S1. Lampka D1 zacznie

pomału zmniejszać swą ja−

sność. A co z lampką D2?

Nawet bez sprawdzania

domyślasz się, że wystąpi

tu histereza i lampka D2

będzie zaświecać się i ga−

snąć w sposób szybki

i pewny, a nie płynnie. Na−

tomiast lampka D1 udo−

wadnia, że na wejściu

bramki napięcie zmienia

się bardzo powoli. Układ reaguje na na−

ciśnięcie przycisku z pewnym opóźnie−

niem, nie reaguje na krótkie zwarcie sty−

ku, a także na ewentualne zakłócenia

impulsowe. To w wielu przypadkach

bardzo cenna zaleta.

Można powiedzieć, że bramka z wej−

ściem Schmitta znakomicie wyostrza

zbocza sygnału.

Poświęć, proszę, trochę więcej czasu

i zmontuj układ według rysunku 2a.

Pomału z pomocą wkrętaka zmieniaj

położenie

suwaka

potencjometru

i zmierz woltomierzem, przy jakim na−

pięciu wejściowym bramki przełączają

się ze stanu niskiego do wysokiego,

a przy jakim ze stanu wysokiego do ni−

skiego. Różnica tych napięć to właśnie

histereza. Zmierz i zapisz, jak duża jest

histereza posiadanych egzemplarzy ko−

stek „ze szmitem”, które masz (40106

i 4093). Przekonaj się, czy wielkość hi−

sterezy, czyli mierzonej właśnie różnicy

napięć progowych zależy od napięcia

40

Ośla łączka

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

Maj 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

Próg przełączania

Na poprzedniej wyprawie stwierdziliśmy
krótko, że stan niski to brak napięcia, a stan
wysoki to obecność napięcia zasilającego.
Na pierwszy rzut oka wszystko wydaje się
proste i oczywiste. Ale jak zareaguje wejście
układu cyfrowego na obecność jakiegoś po−
średniego napięcia między „czystymi” stana−
mi logicznymi?

Nie powołuj się tu na zasłyszane gdzieś

informacje, że takie pośrednie napięcia to
stan zabroniony, a jeśli zabroniony, to nie
może się pojawić.

Może się pojawić i się pojawi, i to często.
I co wtedy będzie?
Generalnie wejścia cyfrowe rozróżniają

tylko dwa stany logiczne, dlatego „nietypo−
we” napięcie wejściowe powinno zostać po−
traktowane albo jak stan niski, albo wysoki.
Teoretycznie napięcia niższe od połowy na−
pięcia zasilania powinny zostać potraktowa−
ne jako stan niski, wyższe od połowy napię−
cia zasilania – jako stan wysoki. Rysunek I
pokazuje charakterystykę przejściową ideali−
zowanego inwertera 4069, zawierającego tyl−
ko dwa tranzystory MOSFET przy napięciu
zasilania 15V. Gdy
na wejściu będzie
„czysty” stan niski,
czyli napięcie równe
zeru, na wyjściu na−
pięcie będzie równe
napięciu zasilania
(15V) – reprezentuje
to punkt A na cha−
rakterystyce. Przy
napięciu wejścio−
wym równym 7V,
napięcie wyjściowe

Ćwiczenie 1

Histereza

Czy pamiętasz, że...

rysując schematy elementów logicznych

z reguły nie zaznaczamy końcówek zasilania.

Aby układ prawidłowo działał,

zawsze muszą one być podłączone.

F

F

o

o

t

t

.

.

1

1

Rys. 1

Rys. 2

Ośla łączka

A6

111

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

Maj 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

wyniesie około 11,5V – to zaznaczony punkt
B, a przy 8V na wejściu, na wyjściu będzie
około 3,3V – to punkt C. Trudno tu mówić
o „czystych” stanach logicznych na wyjściu.
Nasz inwerter jest w sumie... wzmacnia−
czem odwracającym.

Lepiej jest w bardziej rozbudowanych

bramkach, zawierających dodatkowe tranzy−
story, tworzące wyjściowe bufory. Te bramki
też są w sumie wzmacniaczami, ale o dużo
większym wzmocnieniu, dzięki czemu cha−
rakterystyka przejściowa jest bardziej stro−
ma. Rysunek II pokazuje charakterystykę in−
wertera wykonanego z bramki NAND 4011.
Tu rzeczywiście sytuacja jest lepsza. Zdecy−
dowana większość układów CMOS ma po
kilka stopni i stromość charakterystyki jest
przynajmniej taka, jak pokazanej kostki
4011, a nawet większa. Dlatego śmiało mo−
żemy mówić o napięciu progowym bramki:
napięcia niższe od napięcia progowego zo−
staną potraktowane jako stan niski, a wyższe
− jako stan wysoki.

W układach CMOS 4000 teoretycznie na−

pięcie progowe powinno być równe połowie
napięcia zasilania, co też sugerują rysunki I
i II. Teoretycznie! Może już podczas poprze−
dniej wyprawy zauważyłeś, że zwykle nie
jest to dokładnie połowa napięcia zasilające−
go. I tu widać jeden z problemów – poszcze−
gólne egzemplarze układów CMOS mają
różną wartość tego napięcia progowego.
Rysunek III

pokazuje zakres, w którym

mieszczą się charakterystyki niebuforowanej
kostki 4069. Charakterystyka konkretnego
egzemplarza ma kształt, jak na rysunku I,
ale jest przesunięta gdzieś w zakresie zazna−
czonym szarym kolorem na rysunku III.

Jeśli mamy do czynienia z układami

„czysto cyfrowymi” i „czystymi” prze−

biegami cyfrowymi, układy „ze szmi−

tem” nie wykazują żadnych istotnych za−

let. Gdy jednak na układ cyfrowy podaje−

my różne sygnały z zewnątrz, bramki

z wejściowym obwodem Schmitta odda−

ją nieocenione usługi.

Zapamiętaj, że właśnie bramki

Schmitta z obwodem RC na wejściu, we−

dług rysunku 3, filtrują niepotrzebne

„śmieci”, czyli zakłócenia impulsowe,

a przy tym zupełnie nie boją się powol−

nych zmian sygnału i dają na wyjściu

przebiegi o ostrych zboczach. Są przez to

bardzo często wykorzystywane w prakty−

ce. Wartość stałej czasowej RC trzeba do−

brać stosownie do okoliczności, zazwy−

czaj R*C=0,05...0,5s. Garść dalszych in−

formacji znajdziesz w ELEMENTarzu.

Jeśli masz elementy z poprzedniej

wyprawy A05 (termistor, fotorezystor,

fototranzystor), zbuduj jakiś układ we−

dług rysunku 4. Wcześniej robiliśmy

coś podobnego albo za pomocą tranzy−

storowego przerzutnika Schmitta z dwo−

ma tranzystorami i trzema rezystorami

(EdW 1/2001 str. 40), albo z dwoma

„zwykłymi” bramkami i dwoma rezysto−

rami (EdW 10/2001 str. 45). Teraz wy−

starczy do tego jedna jedyna bramka czy

inwerter. Pozostałe można wykorzystać

dowolnie do innych celów.

Trzeba tylko pamiętać, że nie można

tu regulować histerezy – jest ona wyzna−

czona przez właściwości bramki. W wie−

lu przypadkach nie jest to wadą i śmiało

można w ten sposób realizować prze−

łączniki zmierzchowe i proste czujniki

temperatury, na przykład do sterowania

wentylatorka komputerowego.

zasilania? A czy zależy też od tempera−

tury? Jeśli masz lutownicę i jesteś

cierpliwy, możesz delikatnie podgrzać

układ scalony i zbadać również tę

zależność.

W układzie według rysunku 2b mo−

żesz się przekonać, czy poszczególne

bramki z jednego układu scalonego ma−

ją identyczne napięcia progowe.

Warto byłoby zapisać wnioski z pomia−

rów. Być może to ćwiczenie wyda Ci się

żmudne i nudne, jest jednak bardzo ważne

i przyda Ci się w przyszłości, jeśli bę−

dziesz projektować różne własne układy.

W przyszłości często będziesz wykorzy−

stywał układ według rysunku 5a. In−

werter U1A pracuje tu jako... generator.

Tak, inwerter z wejściem Schmitta po−

zwala zbudować najprostszy generator

przebiegu prostokątnego. Takie generatory

wykorzystujemy bardzo często. Generato−

ra takiego nie da się zbudować na jednym

„zwykłym” inwerterze z kostki 4069 czy

4049. Musi to być bramka odwracająca

(inwerter) z wej−
ściem Schmitta

.

Jak się być

może domyślasz,

bramka NAND

z

wejściami

Schmitta (4093)

doskonale nadaje

się do budowy generatora sterowanego.

Generator według rysunku 5b pracuje,

jeśli na wejściu sterującym jest stan wy−

soki. Przebiegi w układzie z rysunku 5b

pokazane są na rysunku 5c.

Zauważ, że napięcie na kondensato−

rze się zmienia, ale zawsze jest to napię−

cie o jednakowej biegunowości. Dzięki

temu można zastosować kondensator

elektrolityczny. Oznacza to, że układ

Rys. I

Rys. II

Ćwiczenie 3

Czarodziejski generator

Ćwiczenie 2

Czyszczenie sygnałów

Rys. 3

Rys. 5

Rys. 4

A6

112

46

Ośla łączka

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

Maj 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

Musisz też wiedzieć, że wartość napięcia

progowego wejścia zmienia się troszkę pod
wpływem zmian temperatury, czyli charakte−
rystyka przesuwa się nieco w osi poziomej.
Podobny zakres dla bramek z kostki 4011
i podobnych pokazany jest na rysunku IV.

Ze względu na takie rozrzuty napięcia

progowego kostek i na inne czynniki zaleca
się, by w przypadku układów CMOS unikać
na wejściach i wyjściach napięć o wartości
30...70% napięcia zasilania.

Natomiast napięcia wynoszące 0....30%

napięcia zasilania można traktować jako
„czysty” stan niski, a napięcia 70...100% na−
pięcia zasilania – jako „czysty” stan wysoki.
Przykładowo przy napięciu zasilania 5V,
„czysty” stan niski to napięcia 0...1,5V, a
„czysty” stan wysoki to napięcia 3,5...5V.
Przy napięciu zasilania 12V zakresy będą wy−
nosić odpowiednio 0...3,6V oraz 8,4...12V.

Uwaga! Napięcia z „zabronionego” zakresu

pośredniego w żadnym wypadku nie grożą
uszkodzeniem obwodów wejściowych. Ozna−
cza to, iż napięcia „pośrednie”, zwłaszcza w za−
kresie 50% napięcia zasilania, mogą być przez
niektóre egzemplarze układów interpretowane
jako stan niski, a przez inne – jako wysoki.

Tylko tyle i aż tyle!
Choć może się wy−

dawać, iż jest to kwe−
stia bez znaczenia, roz−
rzuty i zmiany napię−
cia progowego mają
wpływ na przykład na
częstotliwość genera−
torów oraz czasy uzy−
skiwane w układach
z elementami RC.

Rys. III

Rys. IV

może generować przebieg

o dowolnie małej częstotli−

wości (dowolnie długim

okresie), byleby tylko upływ−

ność kondensatora nie była

zbyt duża. Gdy na wejściu

sterującym jest stan niski, ge−

nerator nie pracuje, a na wyj−

ściu bramki utrzymuje się

ciągle stan wysoki. Także na

kondensatorze napięcie jest

praktycznie równe napięciu

zasilania. Jest to bardzo ko−

rzystne w przypadku, gdy

kondensator jest zwykłym

„aluminiowym elektrolitem”.

Jak wiadomo, takie kondensatory „stoją−

ce” pod napięciem będą zaformowanie i

zawsze gotowe do pracy.

W rodzinie CMOS 4000 nie ma bra−

mek NOR „ze szmitem”, więc nie moż−

na zbudować podobnego generatora uru−

chamianego niskim stanem logicznym.

W razie potrzeby, możesz w prosty

sposób zmieniać współczynnik wypeł−

nienia generowanego przebiegu. Kilka

gotowych schematów do wykorzystania

znajdziesz na rysunku 6. Oczywiście ja−

ko C1 może pracować „zwykły elektro−

lit” lub „tantal”. Wypróbuj działanie ta−

kich niecodziennych generatorów. Foto−
grafia 2

pokazuje model do ekspery−

mentów zbudowany według rysunku 7.

Sprawdź koniecznie, jak zmienia się wy−

pełnienie impulsów przy pokręcaniu po−

tencjometrem PR1. Zwróć uwagę, że

kondensator generatora może być rów−

nie dobrze dołączony do plusa zasilania,

a nie do masy. Dotyczy to także „elek−

trolitów”. Mam nadzieję, że masz foto−

rezystor, choćby z wyprawy drugiej.

Zbliżając rękę do fotoelementu spróbuj

uzyskać dźwięk syreny policyjnej. Jeśli

nie masz fotorezystora, zamiast niego

wykorzystaj potencjometr montażowy.

Koniecznie zbadaj, jak w układzie z ry−

sunku 7b, gdzie fotorezystor zastąpisz

rezystorem 10kΩ, zmienia się częstotli−

wość wytwarzanego przebiegu przy

zmianach napięcia zasilającego. Mam

nadzieję, że po poprzednich wyprawach

potrafisz zmieniać napięcie zasilania.

A czy podgrzewanie układu scalonego

zmienia częstotliwość? Warto też spraw−

dzić, przy jakim napięciu minimalnym

generator jeszcze pracuje.

Już te proste sposoby udowodnią, że

stabilność generatora z bramką Schmitta

w funkcji zmian napięcia zasilania jest

wręcz fatalna. Jeśli masz komplet elemen−

tów do poprzedniego ćwiczenia, dla po−

równania zbuduj „klasyczny” generator z

dwoma zwykłymi bramkami (4069, 4011,

4001) i przekonaj się, że zapewnia on o

wiele lepszą stałość częstotliwości.

Zapamiętaj to raz na zawsze!

Piotr Górecki

Ciąg dalszy w następnym numerze EdW.

F

F

o

o

t

t

.

.

2

2

Rys. 7

Rys. 6