109 A6 Ośla łączka
Wyprawa szósta - A6
Turbodopalacz do budzika (dla śpiochów)
(Dyskotekowy) łańcuch świetlny, Czarodziejski generator,
Centralka alarmowa, Wirujące kółko, Tester tranzystorów,
Optyczno-akustyczny symulator alarmu,
Przełącznik zmierzchowy, Przeraz
liwa syrena alarmowa,
Patchwork, czyli (widmowa) makatka
diody
diody LED
rezystory
potencjometry
membrana piezo
PCA-100
układy scalone
przycisk
kondensatory
tranzystory
Gdy pierwszy raz w życiu stajesz na nartach, nie odbywa Dopiero gdy na takiej oślej łączce nauczysz się podstaw, czy Ci wszystkich najważniejszych informacji. Dopiero
się to na szczycie Kasprowego. Szukasz jakiegoś łagodne- będziesz w stanie bezpiecznie zjechać z Kasprowego. praktyczne wykonanie i zbadanie zaproponowanych ukła-
go, mało stromego stoku, jednym słowem - oślej łączki. Niniejszy cykl jest odpowiednikiem wypraw na taką dów pozwoli wyciągnąć wnioski i w pełni zrozumieć opi-
oślą łączkę. Poszczególne wyprawy pozwalają poznać ko- sane zagadnienia. Pomogą informacje zawarte w czę-
Prąd elektryczny przepływający przez ciało czło- lejne najważniejsze zagadnienia elektroniki. Kurs został ściach ELEMENTarz i Technikalia.
wieka nie jest obojętny dla zdrowia. Czym więk- pomyślany, by przede wszystkim bawić, a przy okazji Zapewniam, że zaczynając znajomość z techniką cyfro-
uczyć. Zabawa polega na wykonywaniu różnych cieka- wą od tak zwanych układów CMOS nie musisz mieć żadnej
sze napięcie, tym większy prąd i większy wpływ
wych i pożytecznych układów. wiedzy matematycznej. Musisz jednak wiedzieć, co to jest
na organizm.
Niniejszy materiał jest szóstą wyprawą na oślą łączkę. rezystor i kondensator. Musisz też znać zasady oznaczania
Napięcia nie przekraczające 24V uznaje się za
Nadal będziemy się zajmować układami cyfrowymi. rezystorów i kondensatorów oraz wiedzieć, co to jest i jak
bezwzględnie bezpieczne.
Napięcia rzędu 60V i więcej uznawane są za nie- Określenie  technika cyfrowa może budzić obawy, że działa tranzystor, zarówno zwykły, bipolarny, jak i polowy
bezpieczne. Napięcie w domowym gniazdku sie- chodzi o coś bardzo trudnego. Niektórzy są przekonani, że (MOSFET). Zagadnienia te zostały wyczerpująco omówio-
jeśli jest  cyfrowa , to ma ścisły związek z matematyką, i to ne podczas dwóch pierwszych  analogowych wypraw na
ci energetycznej wynosi 220...230V - jest to więc
matematyką wyższą. W rzeczywistości ta dziedzina elek- oślą łączkę. Można je znalez
ć w archiwalnych numerach
napięcie groz
ne dla życia!
troniki okazuje siÄ™ bardzo Å‚atwa do opanowania. Wbrew Elektroniki dla Wszystkich, poczÄ…wszy od numeru 10/2000.
Przeprowadzanie prób z układa-
pozorom okazuje się zdecydowanie łatwiejsza niż technika Do wykonania wszystkich układów tej  cyfrowej
mi dołączonymi wprost do sieci
analogowa, którą zajmowaliśmy się na poprzednich wypra- wyprawy wystarczą schematy i fotografie zamieszczone
wach. Tak! Przekonasz się o tym osobiście podczas kolejnej w artykule. Do ich zasilania najlepiej nadaje się stabilizo-
grozi śmiercią!
 cyfrowej wyprawy na elektroniczną oślą łączkę. wany zasilacz wtyczkowy 12V 250mA, a w większości
Aby zapobiec nieszczęściu, należy zasilać budo-
W niniejszym cyklu wszelkie interpretacje fizyczne są ćwiczeń możesz wykorzystać baterię 9V. Komplet ele-
wane układy z baterii albo z użyciem fabryczne-
mocno uproszczone (o ile w ogóle są), a główna uwaga mentów do budowy wszystkich ćwiczeń tej wyprawy
go, atestowanego zasilacza, który co prawda jest
jest skierowane na zagadnienia praktyczne. Uwydatnia to będzie można zamówić jako zestaw A06. Elementy mo-
dołączany do sieci, ale zastosowane rozwiązania
charakterystyczna struktura kursu - każdy odcinek zawie- żesz lutować, możesz też wykorzystać uniwersalną płytkę
zapewniają galwaniczną izolację od sieci i pełne
ra cztery bloki, wyróżnione kolorami. stykową. Informacje handlowe podane są na stronie 80,81.
bezpieczeństwo.
Najważniejszy blok to umieszczone na białym tle ćwi- Życzę sukcesu także na tej wyprawie.
czenia praktyczne. Samo przeczytanie tekstu nie dostar- Piotr Górecki
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 39
Ośla łączka A6 110
Ćwiczenie 1 się bardzo powoli. Układ reaguje na na-
Czy pamiętasz, że...
ciśnięcie przycisku z pewnym opóz
nie-
Histereza rysując schematy elementów logicznych
niem, nie reaguje na krótkie zwarcie sty-
z reguły nie zaznaczamy końcówek zasilania.
ku, a także na ewentualne zakłócenia
Aby układ prawidłowo działał,
Na wyprawie piątej wykorzystywaliśmy impulsowe. To w wielu przypadkach
zawsze muszą one być podłączone.
podstawowe elementy cyfrowe - bram- bardzo cenna zaleta.
ki i inwertery. W ćwiczeniu 5 zbudowa- Można powiedzieć, że bramka z wej-
liśmy wtedy uniwersalny sygnalizator. ściem Schmitta znakomicie wyostrza
Aby pozbyć się najróżniejszych  śmie- wody zapewniające histerezę. Mówimy, zbocza sygnału.
ci , wprowadziliśmy histerezę przez do- że są to układy z wejściami Schmitta. Poświęć, proszę, trochę więcej czasu
danie dwóch rezystorów. Histerezę W naszym elektronicznym żargonie i zmontuj układ według rysunku 2a.
i przerzutnik Schmitta poznaliśmy już mówimy:  ze szmitem na wejściu . Pomału z pomocą wkrętaka zmieniaj
wcześniej na wyprawie A2 począwszy Zbadaj prosty układ według rysunku 1 położenie suwaka potencjometru
od ćwiczenia 5 (EdW 12/2000 str. 88, i fotografii 1. Nie zapominaj o podłą- i zmierz woltomierzem, przy jakim na-
EdW 1/2001 str. 39, EdW 2/2001 str. 37, czeniu wyprowadzeń zasilania układu pięciu wejściowym bramki przełączają
38). Dzięki histerezie, układ zmienia scalonego (oznaczanych VSS, VDD - się ze stanu niskiego do wysokiego,
stan w sposób pewny i zdecydowany. nóżki 7, 14), które zawsze muszą być a przy jakim ze stanu wysokiego do ni-
Okazuje się, że histereza jest wręcz nie- podłączone, a których z reguły nie ry- skiego. Różnica tych napięć to właśnie
zbędna, gdy do układu cyfrowego do- sujemy na schematach. Podobnie pa- histereza. Zmierz i zapisz, jak duża jest
prowadzamy różne  nietypowe sygna- miętaj, że wszystkie niewykorzystane histereza posiadanych egzemplarzy ko-
ły, zwłaszcza sygnały wolnozmienne wejścia trzeba gdzieś podłączyć (do ma- stek  ze szmitem , które masz (40106
i  zaśmiecone . sy, do zasilania, albo do czynnych i 4093). Przekonaj się, czy wielkość hi-
Nadeszła chwila, byśmy zapoznali się wyjść). sterezy, czyli mierzonej właśnie różnicy
praktycznie z układami cyfrowymi, Po włączeniu zaświecą się obie lampki. napięć progowych zależy od napięcia
które mają na wejściach wbudowane ob- Jeśli nie, poczekaj minutę
aż zaformuje się kondensa-
Fot. 1
Fot. 1
Próg przeÅ‚Ä…czania tor 22µF. ZaciÅ›nij przycisk
Na poprzedniej wyprawie stwierdziliśmy S1. Lampka D1 zacznie
krótko, że stan niski to brak napięcia, a stan pomału zmniejszać swą ja-
wysoki to obecność napięcia zasilającego.
sność. A co z lampką D2?
Na pierwszy rzut oka wszystko wydaje siÄ™
Nawet bez sprawdzania
proste i oczywiste. Ale jak zareaguje wejście
domyślasz się, że wystąpi
układu cyfrowego na obecność jakiegoś po-
tu histereza i lampka D2
średniego napięcia między  czystymi stana-
będzie zaświecać się i ga-
mi logicznymi?
snąć w sposób szybki
Nie powołuj się tu na zasłyszane gdzieś
i pewny, a nie płynnie. Na-
informacje, że takie pośrednie napięcia to
tomiast lampka D1 udo-
stan zabroniony, a jeśli zabroniony, to nie
wadnia, że na wejściu
może się pojawić.
bramki napięcie zmienia
Może się pojawić i się pojawi, i to często.
Rys. 1
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, zawierajÄ…cego tyl-
ko dwa tranzystory MOSFET przy napięciu
zasilania 15V. Gdy
Rys. 2
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
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
40
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
111 A6 Ośla łączka
wyniesie około 11,5V  to zaznaczony punkt
zasilania? A czy zależy też od tempera- bramki z jednego układu scalonego ma-
B, a przy 8V na wejściu, na wyjściu będzie
tury? Jeśli masz lutownicę i jesteś ją identyczne napięcia progowe.
około 3,3V  to punkt C. Trudno tu mówić
cierpliwy, możesz delikatnie podgrzać Warto byłoby zapisać wnioski z pomia-
o  czystych stanach logicznych na wyjściu.
układ scalony i zbadać również tę rów. Być może to ćwiczenie wyda Ci się
Nasz inwerter jest w sumie... wzmacnia-
zależność. żmudne i nudne, jest jednak bardzo ważne
czem odwracajÄ…cym.
W układzie według rysunku 2b mo- i przyda Ci się w przyszłości, jeśli bę-
żesz się przekonać, czy poszczególne dziesz projektować różne własne układy.
Rys. I
Czyszczenie sygnałów
Ćwiczenie 2
Rys. 4
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.
Lepiej jest w bardziej rozbudowanych
Zapamiętaj, że właśnie bramki
bramkach, zawierajÄ…cych dodatkowe tranzy-
Schmitta z obwodem RC na wejściu, we-
story, tworzące wyjściowe bufory. Te bramki
dług rysunku 3, filtrują niepotrzebne fototranzystor), zbuduj jakiś układ we- też są w sumie wzmacniaczami, ale o dużo
 śmieci , czyli zakłócenia impulsowe, dług rysunku 4. Wcześniej robiliśmy większym wzmocnieniu, dzięki czemu cha-
a przy tym zupełnie nie boją się powol- coś podobnego albo za pomocą tranzy- rakterystyka przejściowa jest bardziej stro-
nych zmian sygnału i dają na wyjściu storowego przerzutnika Schmitta z dwo- ma. Rysunek II pokazuje charakterystykę in-
wertera wykonanego z bramki NAND 4011.
przebiegi o ostrych zboczach. SÄ… przez to ma tranzystorami i trzema rezystorami
Tu rzeczywiście sytuacja jest lepsza. Zdecy-
bardzo często wykorzystywane w prakty- (EdW 1/2001 str. 40), albo z dwoma
ce. Wartość stałej czasowej RC trzeba do-  zwykłymi bramkami i dwoma rezysto- dowana większość układów CMOS ma po
brać stosownie do okoliczności, zazwy- rami (EdW 10/2001 str. 45). Teraz wy- kilka stopni i stromość charakterystyki jest
przynajmniej taka, jak pokazanej kostki
czaj R*C=0,05...0,5s. Garść dalszych in- starczy do tego jedna jedyna bramka czy
4011, a nawet większa. Dlatego śmiało mo-
formacji znajdziesz w ELEMENTarzu. inwerter. Pozostałe można wykorzystać
żemy mówić o napięciu progowym bramki:
dowolnie do innych celów.
Rys. 3
napięcia niższe od napięcia progowego zo-
Trzeba tylko pamiętać, że nie można
staną potraktowane jako stan niski, a wyższe
tu regulować histerezy  jest ona wyzna-
- jako stan wysoki.
czona przez właściwości bramki. W wie-
lu przypadkach nie jest to wadą i śmiało
Rys. II
można w ten sposób realizować prze-
Å‚Ä…czniki zmierzchowe i proste czujniki
Jeśli masz elementy z poprzedniej temperatury, na przykład do sterowania
wyprawy A05 (termistor, fotorezystor, wentylatorka komputerowego.
Czarodziejski generator
Ćwiczenie 3
W przyszłości często będziesz wykorzy- się do budowy generatora sterowanego.
stywał układ według rysunku 5a. In- Generator według rysunku 5b pracuje,
werter U1A pracuje tu jako... generator. jeśli na wejściu sterującym jest stan wy-
Tak, inwerter z wejściem Schmitta po- soki. Przebiegi w układzie z rysunku 5b
W układach CMOS 4000 teoretycznie na-
zwala zbudować najprostszy generator pokazane są na rysunku 5c.
pięcie progowe powinno być równe połowie
przebiegu prostokątnego. Takie generatory Zauważ, że napięcie na kondensato-
napięcia zasilania, co też sugerują rysunki I
wykorzystujemy bardzo często. Generato- rze się zmienia, ale zawsze jest to napię-
i II. Teoretycznie! Może już podczas poprze-
ra takiego nie da się zbudować na jednym cie o jednakowej biegunowości. Dzięki
dniej wyprawy zauważyłeś, że zwykle nie
 zwykłym inwerterze z kostki 4069 czy temu można zastosować kondensator
jest to dokładnie połowa napięcia zasilające-
4049. Musi to być bramka odwracająca elektrolityczny. Oznacza to, że układ
go. I tu widać jeden z problemów  poszcze-
(inwerter) z wej-
gólne egzemplarze układów CMOS mają
Rys. 5
ściem Schmitta.
różną wartość tego napięcia progowego.
Jak się być
Rysunek III pokazuje zakres, w którym
może domyślasz,
mieszczÄ… siÄ™ charakterystyki niebuforowanej
bramka NAND
kostki 4069. Charakterystyka konkretnego
z wejściami
egzemplarza ma kształt, jak na rysunku I,
Schmitta (4093)
ale jest przesunięta gdzieś w zakresie zazna-
doskonale nadaje
czonym szarym kolorem na rysunku III.
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 45
ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz
Ośla łączka A6 112
może generować przebieg
Rys. III
Fot. 2
Fot. 2
o dowolnie małej częstotli-
wości (dowolnie długim
okresie), byleby tylko upływ-
ność kondensatora nie była
zbyt duża. Gdy na wejściu
sterujÄ…cym 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-
Musisz też wiedzieć, że wartość napięcia rzystne w przypadku, gdy
progowego wejścia zmienia się troszkę pod kondensator jest zwykłym
wpływem zmian temperatury, czyli charakte-  aluminiowym elektrolitem .
rystyka przesuwa siÄ™ nieco w osi poziomej.
Jak wiadomo, takie kondensatory  stojÄ…- nie masz fotorezystora, zamiast niego
Podobny zakres dla bramek z kostki 4011
ce pod napięciem będą zaformowanie i wykorzystaj potencjometr montażowy.
i podobnych pokazany jest na rysunku IV.
zawsze gotowe do pracy. Koniecznie zbadaj, jak w układzie z ry-
W rodzinie CMOS 4000 nie ma bra- sunku 7b, gdzie fotorezystor zastÄ…pisz
Rys. IV
mek NOR  ze szmitem , więc nie moż- rezystorem 10k&!, zmienia się częstotli-
na zbudować podobnego generatora uru- wość wytwarzanego przebiegu przy
chamianego niskim stanem logicznym. zmianach napięcia zasilającego. Mam
W razie potrzeby, możesz w prosty nadzieję, że po poprzednich wyprawach
sposób zmieniać współczynnik wypeł- potrafisz zmieniać napięcie zasilania.
nienia generowanego przebiegu. Kilka A czy podgrzewanie układu scalonego
gotowych schematów do wykorzystania zmienia częstotliwość? Warto też spraw-
znajdziesz na rysunku 6. Oczywiście ja- dzić, przy jakim napięciu minimalnym
ko C1 może pracować  zwykły elektro- generator jeszcze pracuje.
lit lub  tantal . Wypróbuj działanie ta- Już te proste sposoby udowodnią, że
kich niecodziennych generatorów. Foto- stabilność generatora z bramką Schmitta
grafia 2 pokazuje model do ekspery- w funkcji zmian napięcia zasilania jest
mentów zbudowany według rysunku 7. wręcz fatalna. Jeśli masz komplet elemen-
Ze względu na takie rozrzuty napięcia
Sprawdz
koniecznie, jak zmienia się wy- tów do poprzedniego ćwiczenia, dla po-
progowego kostek i na inne czynniki zaleca
pełnienie impulsów przy pokręcaniu po- równania zbuduj  klasyczny generator z
się, by w przypadku układów CMOS unikać
tencjometrem PR1. Zwróć uwagę, że dwoma zwykłymi bramkami (4069, 4011,
na wejściach i wyjściach napięć o wartości
kondensator generatora może być rów- 4001) i przekonaj się, że zapewnia on o
30...70% napięcia zasilania.
nie dobrze dołączony do plusa zasilania, wiele lepszą stałość częstotliwości.
Natomiast napięcia wynoszące 0....30%
a nie do masy. Dotyczy to także  elek- Zapamiętaj to raz na zawsze!
napięcia zasilania można traktować jako
trolitów . Mam nadzieję, że masz foto-
 czysty stan niski, a napięcia 70...100% na-
rezystor, choćby z wyprawy drugiej. Piotr Górecki
pięcia zasilania  jako  czysty stan wysoki.
Zbliżając rękę do fotoelementu spróbuj
Przykładowo przy napięciu zasilania 5V,
uzyskać dz
więk syreny policyjnej. Jeśli Ciąg dalszy w następnym numerze EdW.
 czysty stan niski to napięcia 0...1,5V, a
 czysty stan wysoki to napięcia 3,5...5V.
Rys. 7
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- Rys. 6
dawać, iż jest to kwe-
stia bez znaczenia, roz-
rzuty i zmiany napiÄ™-
cia progowego majÄ…
wpływ na przykład na
częstotliwość genera-
torów oraz czasy uzy-
skiwane w układach
z elementami RC.
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
46
ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz