Rozwiązanie zadania nr 42

W EdW 8/99 zamieszczony był fragment układu poka−
zany na rysunku A. Większość spośród kilkudziesięciu
uczestników konkursu, zarówno młodych jak i star−
szych, prawidłowo określiła, na czym polega błąd. Błąd
polega na zwarciu ze sobą wyjść dwóch niezależnie
pracujących bramek. Tym razem wśród nadesłanych
odpowiedzi stosunkowo dużo było nietrafnych (około
40%). Niektóre przydadzą się w następnych edycjach
“Co tu nie gra?”. Wśród tych nietrafnych tylko drobna
część była ewidentnie błędna − zazwyczaj prawidłowo
określono błąd, jednak proponowana poprawka okaza−
ła się niewiele lepsza.

Opisywany przykład jasno pokazuje, że nawet

w przypadku stosunkowo prostych układów w grę
wchodzi wiele czynników, z których dobry konstruktor
powinien sobie zdawać sprawę. Tymczasem nadesłane
prace świadczą, że spora grupa osób wychwyciła tylko
podstawowy, podręcznikowy błąd: zwarcie dwóch
wyjść. A sprawa jest trochę bardziej złożona. Celowo
nieco zmodyfikowałem układ i celowo nie podałem
ani typu tranzystora, ani oporności i mocy głośnika.
Przypuśćmy, że nierozważny kandydat na konstrukto−
ra ma zamiar zastosować w układzie sygnalizatora nie−
wielki głośniczek o mocy 0,5W i oporności 8

Ω

. Ze

wzoru P=I

2

R można obliczyć maksymalny prąd tego

głośnika. Nie powinien on przekraczać 0,25A, bo gło−
śnik zostanie przeciążony, a nawet może się uszkodzić.
Gdyby tranzystor w pełni się otworzył, na głośniku po−
jawiłoby się napięcie 12V, czyli popłynąłby przezeń
prąd równy (12V/8

Ω

)... tak, tak, aż 1,5A!

Coś tu rzeczywiście nie gra! Albo trzeba zastoso−

wać głośnik o mocy 20W, albo dać w szereg z głośni−
kiem rezystor ograniczający prąd do wyliczonych
0,25A, albo wykorzystać głośnik o znacznie większej
oporności. Moc i oporność głośnika to jedna sprawa.

Teraz tranzystor. Jeśli w układzie zastosowany był−

by wspomniany głośniczek 8

Ω

0,5W z szeregowym re−

zystorem ograniczającym, tak czy inaczej, przez tran−
zystor popłynie w szczycie prąd 0,25A. Na pewno nie
będzie to BC548, mający dopuszczalny prąd kolektora
równy 100mA. Trzeba zastosować tranzystor większej
mocy, a taki najprawdopodobniej będzie miał niezbyt
duże wzmocnienie. Tak samo przy zastosowaniu gło−
śnika o dużej mocy (np. 20W 8

Ω

). Przyjmijmy ostroż−

nie, że wzmocnienie tranzystora nie będzie mniejsze
niż 50. Z grubsza biorąc, prąd bazy wynosiłby wtedy
odpowiednio 5mA i ponad 20mA.

A teraz dwie bramki współpracujące z tranzystorem

(z rysunku A). Gdyby wyjścia tych bramek nie były do
niczego połączone, w każdej chwili na wyjściu jednej
z nich byłby stan wysoki, a wyjściu drugiej pojawiłby
się przebieg prostokątny. Ponieważ jednak wyjścia są
ze sobą zwarte, w punkcie ich połączenia pojawi się...

Teoretycznie powinien pojawić się przebieg z ry−

sunku B, ponieważ (jednakowe) rezystancje wyjścio−
we bramek utworzą dzielnik. W rzeczywistości po−
ziom napięcia będzie obniżony ze względu na dodat−
kowe obciążenie prądem bazy tranzystora (5mA lub
20mA, zależnie od głośnika).

W każdym razie przez głośnik zupełnie niepotrzeb−

nie cały czas będzie płynął prąd. Błąd polega więc nie
tylko na zwarciu wyjść bramek. Trzeba zastosować ta−
ki układ, w którym tranzystor na przemian byłby otwie−

rany i zamykany, a nie stale otwarty, gdzie część prądu
niepotrzebnie się marnuje.

Spora grupa uczestników zaproponowała prawidło−

wy układ z rysunku C. Rezystancja wyjściowa bramki
(przy zasilaniu 12V rzędu 100...300 omów) zmniejszy
nieco napięcie na głośniku, ale nie ma to żadnego zna−
czenia. Można też dołączyć emiter tranzystora do masy,
a głośnik umieścić w obwodzie kolektora. Wtedy w ob−

wodzie bazy trzeba dodać
rezystor ograniczający prąd.
Co prawda brak takiego re−
zystora nie powinien spo−
wodować uszkodzenia ukła−
du CMOS, jednak przy zasi−
laniu 12V należy unikać
pracy wyjścia w stanie
zwarcia.

Inna liczna grupa osób zaproponowała oszczędniej−

szy sposób z dwiema diodami według rysunku D. Rezy−

stor ogranicza prąd bazy
do niezbędnego mini−
mum. Układ ten można
jeszcze uprościć, zwiera−
jąc rezystor i dając rezy−
story zamiast diod − nikt

nie nadesłał takiej propo−
zycji.

Szczegóły w nadesłanych rozwiązaniach były róż−

ne, jednak główne zasady były takie, jak na rysunkach
C i D. W tej grupie uczestników na wyróżnienie zasłu−
gują Krzysztof Stąpór z Lubina, Jacek Wywrót z Dłu−
giego Rozborza, Stanisław Mielczarek z Białegostoku
i Jarosław Markiewicz z Zielonej Góry. W ich pracach
znalazłem najpełniejsze omówienie problemu.

Pojawiło się też kilka innych, orygi−

nalnych pomysłów. Koledzy Rafał Bara−
nowski z Gliwic, Michał Stach z Ka−
mionki Małej, Jacek Konieczny z Pozna−
nia, Grzegorz Kaczmarek z Opola
i Bogdan Karaś z Nowej Huty zapropo−
nowali wykorzystanie zamiast dwóch
zwykłych bramek NAND innych elemen−
tów: bramek z otwartym kolektorem (dre−
nem), np. 40107, kluczy analogowych
4066, tranzystorów i bramek z wyjściem
trójstanowym.

Szczerze gratuluję wszystkim Kole−

gom wymienionym imiennie. Wśród
nich rozlosowałem cztery drobne upominki.

Tyle o prawidłowych rozwiązaniach.
Rysunek E pokazuje sposób ewidentnie błędny −

ponieważ na wyjściu jednej z bramek jest stan wysoki,
tranzystor będzie stale otwarty i prąd będzie się marno−
wał. W głośniku pojawi się sygnał (związane to jest
z rezystancją wyjściową bramek i prądem bazy tranzy−
stora), jednak jego poziom będzie o wiele mniejszy niż
w układzie z rysunku A. Błędne są też wszelkie układy

z rezystorami zamiast diod
i tranzystorem NPN − tran−
zystor NPN nie będzie się
nigdy zatykał.

Na pierwszy rzut oka

powinien działać układ z ry−
sunku F, zaproponowany
przez sporą grupkę osób.
Niestety, jak wskazałem na

początku, prąd bazy tranzystora musi być znaczny. Spa−
dek napięcia na rezystancji wyjściowej bramek spowo−
duje, że tranzystor nigdy nie będzie zatykany. Niewiele
pomoże zastosowanie diod Schottky’ego. Niemniej jed−
nak znów na głośniku pojawi się niewielki sygnał, nało−

żony na dużą składową stałą.
Układ z rysunku F można
znacznie poprawić, umie−
szczając głośnik nie w kolekto−
rze, tylko w emiterze.

Kilka dalszych osób roz−

poznało problem i zapropono−

wało gruntowne przeróbki ca−
łego układu, łącznie z genera−

torami. Większość z tych propozycji była prawidłowa,
jednak i w tym wypadku pożądana byłaby jak najmniej−
sza ingerencja w wykonany układ.

Nagrody za udział w rozwiązaniu tego zadania wy−

losowali: Bogdan Karaś, Jarosław Markiewicz, Ra−
fał Baranowski i Stanisław Mielczarek.

Zadanie nr 46

Na rysunku G pokazano fragment układu nade−

słanego jako rozwiązanie głównego zadania 42 ze
Szkoły, przez tego samego uczestnika, który “popeł−
nił” schemat omawiany powyżej. Ma to być układ sy−
gnalizujący pojawienie się napięcia sieci po przerwie
w dostawie energii. Oto fragment oryginalnego listu
wyjaśniający zasadę działania: Kiedy przyjdzie napię−
cie w sieci, zaczną się ładować kondensatory C2 i C3
przez R1 i R2. Kondensator C2 powinien mieć stałą
ładowania 5 minut, natomiast C3 15 minut. (...) Po
naładowaniu się C2, bramka U1A zmieni swój stan
na niski, przez co wyzwolony zostanie generator
U1D na czas wyznaczony przez C9 i R8. Tych elemen−
tów można nie stosować, a kondensator C9 zastąpić
zworą. Po upływie 15 minut zmieni się także stan
bramki U1B, który podtrzyma pracę generatora.
Kondensator C2 powinien się szybko rozładować
przez R3 po zaniku napięcia sieci (niech będzie to np.
5 sekund). Natomiast stała rozładowania C3 przez R4
powinna wynosić ok. 3 minut. Tak by były ignorowa−
ne krótkie zaniki napięcia sieci jeżeli, napięcie będzie
obecne przez 15 minut.

Pytanie konkursowe brzmi:

Jaki jest główny błąd w rozumowaniu autora?

Tym razem odpowiedź może zawierać się

w jednym, troszkę dłuższym zdaniu. Usterek w pro−
ponowanym układzie jest kilka, jednak wystarczy
podać jedną, którą uznacie za najważniejszą. Praw−
dopodobnie zechcecie ją opisać w kilku zdaniach.
Jeśli ktoś chce, może przeanalizować kilka usterek,
jednak nie zwiększy to szansy na nagrodę.

Termin nadsyłania odpowiedzi upływa 15 stycznia

2000.

Na kartkach i kopertach piszcie proszę Nie gra 46.

Ułatwi mi to znacznie segregację “szkolnych” prac.
Dziękuję!

33

Szkoła Konstruktorów

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

C

Co

o t

tu

u n

niie

e g

gr

ra

a?

?

Rys. B

Rys. D

Rys. E

Rys. F

Rys. G

Rys. C

Rys. A