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 22

µ

F. 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

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

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

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

1

1

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

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

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

C

Cz

za

ar

ro

od

dz

ziie

ejjs

sk

kii g

ge

en

ne

er

ra

at

to

or

r

Ćwiczenie 2

C

Cz

zy

ys

sz

zc

cz

ze

en

niie

e s

sy

yg

gn

na

ałłó

ów

w

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

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

ELEMENT

arz

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 10k

Ω

, 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

F

F

o

o

o

o

t

t

t

t

..

..

2

2

2

2

Rys. 7

Rys. 6