plik

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/99

Do czego to służy?

Przed kilkoma miesiącami, znany ze

Szkoły Konstruktorów 16−letni P

Piio

ottrr W

Wó

ójjtto

o−

wiic

czz z Wólki Bodzechowskiej nadesłał pro−

jekt  do  działu  Elektronika−2000.  Pomysł
jest  znakomity!  Układ  jest  inteligentnym
sterownikiem miniaturowej wiertarki, prze−
znaczonej  do  wiercenia  otworów  w płyt−
kach drukowanych. Piotr napisał: “(...) pod
wpływem  wysokich  obrotów  sięgających
18 000obr/min wiertło zaczyna bić i są trud−
ności z precyzyjnym trafieniem w zaplano−
wane miejsce wiercenia. Przed wywierce−
niem  otworu  trzeba  wyłączyć  wiertarkę,
ustawić  wiertło  na  płytce  dokładnie  w za−
planowanym punkcie, a następnie włączyć
wiertarkę. Czynność ta wygląda na prostą,
jest jednak bardzo niewygodna. Aby unik−
nąć  niewygody  należałoby  zautomatyzo−
wać włączanie i wyłączanie wiertarki. Wła−
śnie do tego celu służy opisany układ.”

Układ zaproponowany przez Piotra nie

jest jednak wyłącznikiem czasowym. Idea
jest  znacznie  bardziej  interesująca.  Oto
dalszy fragment listu: “(...) zasada działa−
nia polega na włączeniu wiertarki na ma−
ksymalne obroty dopiero wtedy, gdy “po−
czuje”  ona  obciążenie.  Aby  układ  mógł
wykryć  narastające  obciążenie,  wirnik
musi  się  kręcić  z niewielką  prędkością  −
jest  to  tryb  czuwania,  gdy  na  wiertarkę
podawane jest niewielkie napięcie. Dzięki
małym  obrotom  możliwe  jest  precyzyjne
umieszczenie wiertła w pożądanym punk−
cie płytki. Po przyciśnięciu wiertła, zwięk−
szy się obciążenie (wirnik może się nawet
zatrzymać),  wzrośnie  pobór  prądu  i ste−
rownik przejdzie do drugiego trybu pracy,
podając na wiertarkę pełne napięcie.

Po wywierceniu otworu obciążenie się

zmniejszy. Gdy układ wykryje zmniejszenie
prądu, automatycznie zmniejszy obroty,
przechodząc do stanu czuwania. (...) W ukła−
dzie wykorzystany jest fakt, że wraz ze wzro−
stem obciążenia wzrasta prąd wirnika.”

Idea jest znakomita, a przyjęte założenia −

prawidłowe. Zaprezentowany dalej układ nie
jest jednak autorstwa Piotra Wójtowicza. Je−
go oryginalny projekt zawiera dość skompliko−
wany układ czujnikowy, a elementem wyko−
nawczym jest przekaźnik. Podaną ideę można
zrealizować  znacznie  prościej.  Fotografia
wstępna  pokazuje  prosty  układ  spełniajacy
podane  założenia,  opracowany  w Redakcji
EdW. Natomiast model nadesłany przez Pio−
tra można zobaczyć na fotografii w artykule.

Jak to działa?

Schemat układu opracowanego w Redak−

cji pokazany jest na rry

u 1

1. Zasada działa−

nia jest następująca. Po włączeniu zasilania,
kondensator  C1  stopniowo  ładuje  się  przez
rezystor R5. Tym samym stopniowo wzrasta
napięcie na bazie tranzystora T2 oraz napięcie
zasilające  wiertarkę.  Spoczynkowe  napięcie
na wiertarce jest wyznaczone przez dzielnik
rezystorowy  R5,  R6  i jest  mniejsze  niż  1/3

pełnego napięcia zasilającego. Przy tak ni−
skim napięciu nieobciążona wiertarka pobiera
prąd na tyle mały, że spadek napięcia na czuj−
niku prądu, czyli na rezystorach R1...R4 jest
mniejszy niż 0,5V, a tym samym tranzystor
T1 nie przewodzi. Na marginesie należy do−
dać, iż zmiany napięcia w zakresie 20...100%
napięcia zasilającego powodują stosunkowo
małe zmiany prądu − można przyjąć, że nieob−
ciążona wiertarka niezależnie od napięcia po−
biera taki sam prąd.

Wartość rezystorów R1...R4 należy dobrać

do konkretnej wiertarki, by w trybie czuwania
tranzystor nie przewodził (wtedy napięcie na
wiertarce będzie niższe niż 1/3 napięcia zasila−
nia).  Wiertarka  AD−19,  dostępna  w ofercie
AVT,  pobiera  w tym  stanie  czuwania  około
0,2A prądu. Próby przeprowadzone w Redak−
cji wykazały, iż optymalna wartość rezystancji
czujnika  wynosi  dla  badanego  egzemplarza
takiej  wiertarki  2,2

Ω

. Dla znacznie większej

wiertarki Minicraft o mocy 100W (18V), wy−
magana rezystancja czujnika wyniosła 0,9

Ω

Należy zauważyć , iż w tym spoczynko−

wym trybie pracy, płynący prąd ma znaczną
wartość, i na tranzystorze T2 występuje na−
pięcie większe niż 2/3 napięcia zasilania.
Tym samym w tranzystorze T2 wydziela się
znaczna moc strat. W przypadku wiertarki
AD−19 jest to około 2...2,5W, a w przypad−
ku wiertarki Minicraft − około 5W.

Ciią

ąg

g d

alls

szzy

y n

a s

sttrro

niie

e 6

s.. 1

1.. S

att iid

Wykaz elementów

R1 . . . . . . . . . . . . . . .2,2

Ω

(* patrz tekst)

R2−R4 . . . . . . . . . . . . . . . .nie montować
R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,2k

Ω

R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .510

Ω

0,5W

C1  . . . . . . . . . . . . . . . .100...1000µF/25V
T1 . . .BD244 lub inny PNP większej mocy
T2  . .BD243 lub inny NPN większej mocy
S1  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .włącznik

Inteligentny sterownik

wiertarki

układów  scalonych  zaginając
wyprowadzenia  tak,  by  leżał
na  kostkach.  Ułatwieniem

podczas  lutowania  może  być
zamocowanie  płytki  w ima−
dełku  stołowym.  Uruchomie−
nie  sprowadza  się
do zasilenia całości
i sprawdzenia  np.
przy pomocy oscy−
loskopu  sygnałów
na  odpowiednich
wyjściach.  Dołą−
czając  STROB  do
masy  sprawdzamy
możliwość  zablo−
kowania

impul−

sów.

Kilka uwag na

koniec. Kwarc ste−
rujący

generato−

rem może mieć do−
wolną inną wartość
częstotliwści f. Na
wyjściach otrzyma−

my f, f/2 i f/4. Zasilanie układu
może  wynosić  od  5  do  15V.
Umożliwia to pracę z elemen−
tami  TTL  i CMOS.  Wyprowa−
dzenia 1MHz, masa i “+” zasi−
lania  odpowiadają  wyprowa−
dzeniom generatorów fabrycz−
nych.  Zasilanie  układu  powin−
no być odsprzęgnięte konden−
satorami 10uF/25V i 100nF.

arro

słła

w B

arra

ań

ńs

kii

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/99

Wykaz elementów

R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2, 2k

Ω

SMD

R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10M

Ω

SMD

R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k

Ω

SMD

C1,C2  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22pF SMD
C3  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF SMD
U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4011 SMD
U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4013 SMD
Q1  . . . . . . . . . . . . . . . . .kwarc 4,000MHz

Uwaga: w komplecie elementów rezystory

i kondensatory wystąpią w podwójnej liczbie
− jest to zapas na wypadek drgnięcia ręki.

plle

ett p

dzze

ołłó

ów

w zz p

płły

yttk

ką

jje

stt d

sttę

ęp

y w

w s

siie

cii h

dllo

ejj

T jja

o k

kiitt A

T−2

s.. 2

2.. S

att m

ntta

ażżo

Ciią

ąg

g d

alls

szzy

y zze

e s

sttrro

y 6

Z tego względu tranzystor T2 musi być wy−
posażony w niewielki radiator z kawałka
blachy.

Jak wykazano, rezystancja czujnika (wy−

padkowa oporność R1...R4) powinna być ta−
ka,  by  w trybie  czuwania  tranzystor  T1  był
tuż  przed  progiem  otwierania.  Zwiększenie
obciążenia przez nawet niezbyt silne przyci−
śniecie wiertarki do płytki spowoduje wzrost
prądu, a tym samym wzrost napięcia na re−
zystancji  czujnika  i otwarcie  tranzystora  T1.
Otwarty  tranzystor  T1  spowoduje  podanie
na  wiertarkę  praktycznie  pełnego  napięcia
zasilania (pomniejszonego tylko o 0,6...0,8V).

Po wywierceniu otworu obciążenie

i prąd się zmniejszają, tranzystor T1 zo−
staje zamknięty, napięcie na wiertarce
spada i układ wraca do trybu czuwania.

Jak wspomniano wcześniej, nieobcią−

żona  wiertarka  niezależnie  od  napięcia
pobiera niemal taki sam prąd. Jest to bar−
dzo ważna cecha, umożliwiająca działanie
prezentowanego  układu.  Gdyby  obciąże−
niem  nie  był  silnik  wiertarki,  tylko  inny
odbiornik,  układ  nie  mógłby  funkcjono−
wać  w opisany  sposób  −  po  włączeniu
tranzystora T1 i podaniu pełnego napięcia
na  obciążenie  prąd  znacznie  wzrósłby
i zestaw  tranzystorów  T1,  T2  zatrzasnął−
by się, podobnie jak tyrystor.

W tym miejscu

należy wyjaśnić, iż
takie  połączenie
tranzystorów  rze−
czywiście ma wła−
ściwości  bardzo
podobne  do  tyry−
stora.  Trzeba  też
pamiętać,

że

w drugim trybie
pracy,

gdy

wiertarkę  poda−
wane  jest  pełne
napięcie,  a prąd
jest

znacznie

większy  od  prądu
“spoczynkowe−
go”,    większa
część  tego  prądu
płynie  przez  ob−
wód  emiter−baza
tranzystora

T1.

Właśnie  dlatego
także  tranzystor
T1  powinien  być
tranzystorem  mo−
cy,  o

katalogo−

wym prądzie bazy
większym niż prąd
pracy

wiertarki.

Z d e c y d o w a n a
większość  tranzy−
storów  mocy  ma
prąd  bazy  rzędu

kilku  amperów  i takie  tranzystory  śmiało
można  stosować  jako  T1.  Tranzystor  T2
w zasadzie  mógłby być tranzystorem  śre−
dniej mocy, ponieważ w najgorszym przy−
padku (w trybie czuwania) wydziela się na
nim  co  najwyżej  2...5W mocy.  Natomiast
w drugim  trybie,  gdy  oba  tranzystory  są
otwarte,  wydziela  się  w nich  moc  strat
mniejsza niż 1W. Dlatego też tranzystor T1
nie potrzebuje radiatora, choć musi to być
tranzystor mocy o prądzie bazy rzędu kilku
amperów.

Kto chce, może sprawdzić, jak zmienia−

ją się właściwości układu przy zmianach
rezystancji R5. Testy praktyczne wykazały,
iż podane wartości (1,2k

Ω

, 510

Ω

) są opty−

malne.  Przy  próbach  zmian  wartości  ele−
mentów R5, R6 należy pamiętać, że część
prądu płynącego przez R5 to prąd bazy T2.
Można wiec usunąć R6 i dobrać R5 dla da−
nej  wiertarki  i konkretnego  egzemplarza
tranzystora T2 (stosownie do jego wzmoc−
nienia  prądowego),  by  w trybie  czuwania
napięcie na wiertarce nie przekraczało 1/3
napięcia nominalnego.

Jeśli natomiast rezystor R6 o wartości

510

Ω

będzie zastosowany, musi to być

rezystor  o obciążalności  co  najmniej
0,5W −  przecież  na  nim  w drugim  trybie
pracy  też  będzie  występować  praktycz−
nie całe napięcie zasilające.

Montaż i uruchomienie

Układ sterownika można zmontować

albo na płytce drukowanej, pokazanej na
rry

u 2

2, albo w “pająku”. Montaż nie

sprawi trudności. W przypadku wiertarki
AD−19 z oferty AVT zamiast czterech rezy−
storów R1...R4 należy zastosować jeden,
o wartości 2,2

Ω

(0,25W). W innych przy−

padkach wartość rezystancji czujnika prą−
du należy dobrać samodzielnie.

Układ zmontowany ze sprawnych ele−

mentów powinien od razu pracować po−
prawnie.

Gdyby wiertarka po włączeniu zasila−

nia od razu pracowała na pełnych obro−

tach, należy zmniejszyć rezystancję czuj−
nika. Wartość rezystancji czujnika nie mo−
że być zbyt duża, bo spadek napięcia na
nim  przekraczałby  0,6V  i tranzystor  T1
byłby stale włączony. Wartość rezystancji
czujnika  nie  może  też  być  zbyt  mała,  bo
układ nie będzie działał po niezbyt dużym
zwiększeniu  obciążenia.  Doświadczenia
redakcyjne wskazują, że ewentualne do−
branie  wartości  rezystancji  czujnika  nie
sprawi  kłopotów.  Należy  zaczynać  od
większej wartości rezystora R1, gdy wier−
tarka  cały  czas  pracuje  na  pełnych  obro−
tach, a potem zmniejszać wypadkową re−
zystancje wlutowując równolegle kolejne
rezystory R2...R4, aż napięcie się zmniej−
szy i układ przejdzie w tryb czuwania.

Praktyczne próby wiercenia płytek z uży−

ciem opisanego sterownika jak najbardziej
potwierdziły jego przydatność. Wykonanie
takiego układu można więc zalecić wszy−
stkim posiadaczom miniaturowych wierta−
rek zasilanych prądem stałym.

Prro

ojje

ktt o

prra

y w

w R

cjjii E

a p

stta

wiie

e p

słłu

u P