Kurs podstaw elektroniki

Kurs podstaw elektroniki cz. 1

Dla kogo on jest? Dla wszystkich osób zainteresowanych tematem – zarówno takich, które nie miały styczności z lutownicą, jak i posiadających pewne doświadczenie.

Podczas kursu będę starał się wytłumaczyć wszystko jak najprościej, dlatego będzie sporo rysunków, fotografii i innych multimediów. Nie będziemy się zagłębiać w niepotrzebne na początku szczegóły, będzie tylko o rzeczach ważnych w praktyce. Pod koniec każdej części będą znajdowały się ćwiczenia , które zawierają bardziej szczegółowe informacje na temat omawiany w danym odcinku.

Małe ostrzeżenie:

W urządzeniach elektrycznych występują napięcia elektryczne, które mogą być szkodliwe dla zdrowia, a nawet prowadzić do śmierci! Przyjmuje się, ze wartość maksymalnego napięcia bezwzględnie bezpiecznego to 24V. Wyższe napięcia, szczególnie napięcie sieci 230V stwarzają poważne zagrożenie i należy się z nimi obchodzić bardzo ostrożnie z zachowaniem wszystkich środków bezpieczeństwa.
Co jest niezbędne do lutowania?

Fot. 1 Niezbędnik każdego elektronika

Na fotografii 1 możesz zobaczyć narzędzia i preparaty praktycznie niezbędne podczas lutowania. Są to:

Lutownica – Znajduje się na samym dole fotografii. Na początek wystarczy zwykła lutownica kolbowa za 20-30zł Nie polecam ciężkich lutownic transformatorowych, nimi dobrze się lutuje np. grube kable, tutaj potrzeba czegoś delikatniejszego.
Odsysacz – Pomocna rzecz gdy zajdzie potrzeba wylutowania elementu.
Pęseta – Przydatna do zaginania końcówek i przytrzymywania elementów. Praca z elementami SMD, o których dowiesz się więcej w dalszej części tekstu jest bez niej praktycznie niemożliwa.
Ucinaczki – Służą do odcinania końcówek wlutowanych elementów oraz przycinania przewodów.
Cyna – Z jej pomocą wykonuje się połączenia elementów, zwykle najodpowiedniejsza jest o średnicy 1mm lub nieco mniejszej.
Kalafonia – Topnik lutowniczy pomocny w przypadku lutowania “trudnych” elementów. Powoduje lepsze chwytanie stopu lutowniczego do np. lekko zanieczyszczonej powierzchni miedzi lub metali nie pokrytych stopem lutowniczym.

Dobra rada jeśli jeszcze nie zakupiłeś tego niezbędnika – nie kupuj najtańszego badziewia! Dołóż kilka złotych i kup solidne narzędzia. Myślisz, że jeśli kupisz tanio to zaoszczędzisz? Jeśli tak, to pewnie jesteś w błędzie – byle jakie produkty zwykle nie nadają się do niczego już po krótkim czasie używania i zachodzi potrzeba ponownego udania się do sklepu.
Prąd i napięcie

Napięcie elektryczne to różnica potencjałów miedzy dwoma punktami układu elektrycznego, czyli. np. między “+” i “-” baterii, czy wyprowadzeniami rezystora pracującego w układzie. Napięcie jest oznaczane literą U, a jednostka służąca do wyrażania napięcia to wolt oznaczany literą V.

Prąd elektryczny to uporządkowany ruch elektronów od potencjału wyższego do niższego. W rzeczywistości jest odwrotnie, ale tak przyjęto ze względów historycznych. Prąd oznaczamy literą I, a jego jednostkę – amper literą A.

Rezystor

Fot. 2 - Rezystory

Rezystor to najpopularniejszy element elektroniczny. Jego podstawową cechą jest rezystancja R mierzona w omach (Ω). Rezystancja to zdolność do stawiania oporu przepływowi prądu elektrycznego. Inne istotne właściwości rezystora to tolerancja (dokładność i stałość oporu) i moc jaka może się w nim wydzielić bez obaw o uszkodzenie.

Kilka przykładowych rezystorów możesz zobaczyć na fotografii 2. Największy to rezystor o dużej mocy – kilku watów, dwa mniejsze to standardowe oporniki o mocy 0,25W, jeden z nich to zwykły opornik węglowy o tolerancji 5%, drugi to precyzyjny rezystor metalizowany o znacznie lepszej stałości parametrów. Te dwa małe, czarne sześcianiki to nie śmieci, które znalazły się na zdjęciu przypadkiem. To też rezystory – tyle, że SMD, czyli montowane na powierzchni płytki bez przewlekania wyprowadzeń na drugą jej stronę.

Elementy SMD stosowane są powszechnie w nowoczesnych urządzeniach wymagających miniaturyzacji, takich jak komputery czy telefony komórkowe. Ich zaletą jest łatwość montażu przez maszyny, czyli mniejszy koszt produkcji. Jednak człowiek to nie maszyna i może mieć trudności z lutowaniem tych maleństw. Jeśli myślisz, ze podczas swojej przygody z elektroniką nie będziesz musiał tego robić, to możesz być w błędzie. Niektóre układy scalone dostępne są tylko w takich obudowach, niekiedy urządzenie powinno być jak najmniejsze, co wręcz zachęca do stosowania elementów tego typu. Nie bój się ich, z czasem gdy przyjdzie wprawa w posługiwaniu lutownicą będziesz lutował jeszcze mniejsze!

Wartości rezystorów są przeważnie oznaczane kodem paskowym, którego wyjaśnienie znajdziesz na TEJ stronie Wikipedii. W sklepie razcej nie znajdziesz rezystorów o dowolnej rezystancji – wartości standaryzowane są w szeregach wartości. Im bardziej rezystor precyzyjny, tym więcej wartości szeregu. Dla popularnych rezystorów o tolerancji 5% dostępnych jest 24 wartości szeregu E24 + mnożniki (x0.1, x10, x100…):

Symbol rezystora

10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91

Rezystor jest oznaczany na schematach spłaszczonym prostokątem lub zygzakami (oznaczenie amerykańskie) z dwoma wyprowadzeniami.

Prawo Ohma – rezystancja w akcji

Prawo Ohma to podstawowe prawo elektroniki – mówi ono o relacjach zachodzących między prądem, napięciem i rezystancją. Wzór opisujący to prawo ma postać:

I=U/R

Po przekształceniu otrzymujemy również:

U=I*R

R=U/I

I – prąd, U – napięcie, R – rezystancja

Dla przykładu przeanalizujmy jaki prąd będzie przepływał przez rezystory o wartości 10Ω i 4,7kΩ(4700Ω) jeśli napięcie przyłożone do nich to 5V.

I₁=5V/10Ω=0,5A

I₂=5V/4,7kΩ=0,0010A=1mA

Wniosek jest następujący – im mniejsza rezystancja, tym większy prąd przepływając przez nią. Inna zależność wynikająca z prawa to: im większe napięcie, tym większy prąd. Więcej wiadomości o rezystorach (np. ich łączeniu) znajdziesz w następnej części kursu, teraz poznasz inny element elektroniczny.

Dioda LED

Fot. 3 - Diody LED

Na fotografii 3 znajdują się diody LED, czyli diody służące do wytwarzania światła. Nie będę się o nich zbytnio rozpisywał, więcej dowiesz się przy okazji omawiania diod w jednej z następnych części. Co musisz wiedzieć? Dioda jest elementem biegunowym, czyli aby świeciła musi być podłączona w odpowiednią stronę. Zwykle końcówka, która ma być dołączona do “+” zasilania jest dłuższa od drugiej. Dioda potrzebuje do świecenia odpowiedniego napięcia – dla czerwonej jest to ok. 1,6V. Standardowo maksymalnym ciągłym prądem zasilania jest 20mA (0,02A).

Diody LED nie należy podłączać bez rezystora ograniczającego prąd. Pominięcie go może spowodować uszkodzenie się diody lub znaczne zmniejszenie się jej czasu i jasności świecenia

Bateria + rezystor + dioda = pierwszy układ elektroniczny

Czerwona dioda będzie zasilana napięciem 9V z baterii. Jak dobrać opornik by nie uległa uszkodzeniu? Od napięcia baterii należy odjąć napięcie, przy którym dioda zaczyna przewodzić prąd. Reszta to już tylko czyste prawo Ohma i związany z nim wzorek. Tak prezentują się obliczenia:

R=(9V-1,6V)/0,02A

R=7,4/0,02A

R=370Ω

Wartość 370Ω nie wchodzi w skład szeregu E24, najbliższe to 360Ω i 390Ω. W tym zastosowaniu lepsza będzie ta druga – prąd nie przekroczy 20mA.

Rys. 4 - Schemat

Schemat pokazany jest na rysunku 4, ale jak to wszystko zmontować? Kabelek od “+” baterii do rezystora. Jego druga nóżka do dłuższej nóżki diody. Krótsza nóżka diody do “-” baterii. Możesz to zobaczyć na fotografii 5. Rezystor może być z drugiej strony diody, czyli przy minusie baterii – nie robi to żadnej różnicy.

Fot. 5 - Montaż bez płytki, zwany też "na pająka"

Układ można zmontować na płytce - fotografia 6 - ale nie ma to większego sensu przy tak malej ilości elementów.

Fot. 6 - Montaż na kawałeczku płytki uniwersalnej

Fot. 7 - Montaż na płytce stykowej

Do eksperymentów szczególnie polecam płytkę stykową pokazaną na fotografii 7, którą można kupić w cenie od kilkunastu do kilkudziesięciu złotych, w zależności od wielkości. Jej główną zaletą jest to, że nie wymaga lutowania i elementy można szybko przepinać w odpowiednie miejsca.

Ćwiczenia:

Co to jest napięcie i prąd? Jakimi jednostkami je mierzymy?
Jaka jest podstawowa cecha rezystora i co ona oznacza?
Oblicz wartość rezystora ograniczającego prąd do 10mA dla diody czerwonej zasilanej napięciem 5V. Jaka jest najbliższa wartość rezystora w szeregu E24?

Odpowiedzi:

Napięcie to różnica między dwoma punktami układu elektrycznego. Mierzymy je w woltach (V). Prąd to uporządkowany ruch elektronów, jego wartość podajemy w amperach (A).
Rezystancja – zdolność do stawiania oporu przepływowi prądu elektrycznego.
Przebieg obliczeń:

R=(5V-1,6V)/0,01A
R=3,4/0,01A
R=340Ω
Najbliższa wartość w szeregu to 330Ω.

Kurs podstaw elektroniki cz. 2

W poprzedniej części poznaliśmy rezystory i diodę LED. Wiemy już co nieco o prawach rządzących światem elektroniki, oraz montowaniu układów. W tym odcinku poszerzymy wiedzę o inne elementy elektroniczne, nauczymy się czytać bardziej skomplikowane schematy oraz poznamy prawa Kirchhoffa i różnice między prądem stałym a zmiennym.
Elementy elektroniczne

Rys. 1 - podstawowe elementy elektroniczne

Na rysunku 1 pokazane są symbole dosyć często używanych elementów elektronicznych. W tle są widoczne obrazki przedstawiające te elementy. Praktycznie każdy symbol jest zbliżony wyglądem lub schematycznie przedstawioną funkcjonalnością do rzeczywistych właściwości elementów np. rezystory na schemacie i w rzeczywistości mają podobny kształt. W poniższym zestawieniu znajdziesz opisane najczęściej używane elementy elektroniczne i ich skrócone opisy:

Rezystor i potencjometr – rezystor już w części poznaliśmy. Stosuje się go do regulowania prądów i napięć w układzie. Potencjometr to też rezystor, tyle że o regulowanej wartości oporu. Służy np. do regulowania głośności w wzmacniaczach audio.
Kondensatory to elementy służące do gromadzenia ładunku elektrycznego. Znajdują wiele zastosowań – stosowane są np. w zasilaczach do filtrowania napięć i w generatorach tworzących różne sygnały.
Diody przewodzą prąd w jedna stronę, dlatego znajdują zastosowanie w prostownikach zamieniających prąd zmienny w stały. Specyficznym typem diody jest dioda LED służąca do wytwarzania światła.
Cewka to element gromadzący energię w polu magnetycznym. Wraz z kondensatorem tworzy obwód rezonansowy, który znajduje zastosowanie w radiotechnice i filtrach. Cewki stosowane są też w przetwornicach (zasilaczach impulsowych).
Tranzystory są elementami zdolnymi do wzmacniania sygnałów elektrycznych, dlatego znajdują zastosowanie w wzmacniaczach. Stosuje się je też jako klucze zał/wył. Z ich pomocą budowane są pamięci, procesory i układy scalone, mogące zawierać miliony tych elementów.
Tyrystor to element znajdujący zastosowanie w sterownikach i automatyce. Jego działanie jest podobne do diody – przewodzi prąd w jedną stronę, ale jego pracą można sterować.
Transformatory stosowane są do zmieniania poziomu napięć prądu zmiennego (np. z napięcia sieci 230V na napięcie 12V) oraz separacji obwodów – prąd jest przenoszony w polu magnetycznym, bez połączenia elektrycznego.
Złącza – najmniej elektroniczne elementy w tym zestawieniu. Służą głównie do doprowadzania zasilania i sygnałów do układu, oraz wyprowadzania ich z niego.
Układy scalone to zminiaturyzowane układy elektroniczne zawierające w swoim wnętrzu od kilku do kilkuset milionów podstawowych elementów elektronicznych takich jak rezystory, kondensatory i tranzystory. Spełniają bardzo różne funkcje – działają jako bramki logiczne, tworzą systemy mikroprocesorowe, pamięci i układy przeznaczone do pracy z sygnałem analogowym.

Tyle informacji wystarczy by orientować się w temacie. W następnych odcinkach kursu podane elementy zostaną dokładniej omówione.

Czytanie schematów

Podstawową umiejętnością jaką musi posiadać każdy elektronik jest czytanie schematów. Znasz już trochę elementów elektronicznych, teraz pora dowiedzieć się jak łączy się je na schematach i jak układ będzie wyglądał po zmontowaniu.

Rys. 2 - Przykładowy schemat z objaśnieniami

Na rysunku 2 jest pokazany pewien przykładowy, praktycznie bezużyteczny schemat elektroniczny. Oto podstawowe zasady, które panują przy rysowaniu schematów:

Linie oznaczają połączenia elektryczne elementów. Np. jedno z wyprowadzeń kondensatora C1 powinno łączyć się z drucikiem od rezystora R2. Dodatkowo połączone muszą być znaki zasilania. Na przykładowym schemacie są one przy złączu K1, oraz na dole i górze schematu. Zielone linie obrazują jak połączenie powinno być wykonane w rzeczywistym układzie.

Kolejna sprawa – kropki lub ich brak. Jeśli dwie linie na schemacie przecinają się, to kropka oznacza, że elementy są połączone elektrycznie np. końcówki R1, R2 i R3 są połączone z “+” zasilania – VCC. Z drugiej strony połączone są tylko rezystory R1 i R3.

Napisy na schematach to przeważnie oznaczenie elementu lub jego typ lub wartość. Oznaczenie składa się z litery oznaczającej typ (R dla rezystora, D dla diody, C dla kondensatora…) i liczby porządkowej. Wartości elementów (rezystancji dla rezystora, pojemności dla kondensatora, typu układu scalonego) podaje się na schemacie opcjonalnie – mogą być podane tylko w spisie elementów. Dobrze jest jednak to robić – ułatwia to czytanie schematu i zrozumienie działania urządzenia.

Prawa Kirchhoffa

Pierwsze prawo Kirchhoffa głosi, że suma prądów wpływających i wypływających jest równa 0. Inaczej mówiąc, prąd nie może się wziąć “z niczego”, ani zaginąć po drodze. Kilka przykładów:

Prąd, który wypłynie z “+” baterii do układu wróci do jej “-” w takiej samej ilości.
Prąd płynący przez rezystor jest taki sam na obu jego wyprowadzeniach. Dla przypomnienia, prąd ten jest regulowany przez opór rezystora – im większa rezystancja, tym mniejszy prąd. Wynika to z prawa Ohma.

Drugie prawo Kirchhoffa dotyczy napięć. Suma napięć źródłowych w obwodzie zamkniętym prądu stałego jest równa sumie napięć na odbiornikach. Pora na przykłady:

Jeśli bieguny baterii połączymy rezystorem, to wystąpi na nim napięcie identyczne jak na zaciskach baterii, tyle że o przeciwnym znaku (suma będzie równa 0).
Jeśli w tym samym układzie zastosujemy kilka rezystorów, to napięcie rozłoży się na nich zgodnie z ich rezystancją (prawo Ohma).

Łączenie rezystorów

Czasem, gdy brakuje pod ręką odpowiedniego rezystora, można połączyć kilka innych dla uzyskania odpowiedniej wartości oporu. Istnieją dwie możliwości – połączenie szeregowe i równoległe. Oba sposoby pokazuje rysunek 3.

Rys. 3 - sposoby łączenia rezystorów

Wypadkowa rezystancja połączonych szeregowo rezystorów jest równa sumie ich rezystancji:

R_w=R₁+R₂+…+R_n

Z połączeniem równoległym jest trochę więcej zabawy:

1/R_w=1/R₁+1/R₂+…+1/R_n

Istnieje jednak łatwiejszy do wykorzystania wzór dla połączenia dwóch rezystorów:

R_w=(R₁*R₂)/(R₁+R₂)

Dla przykładu obliczmy rezystancję wypadkową dla połączenia szeregowego (R_s) i równoległego (R_r) rezystorów R₁=1kΩ i R₂=560Ω:

R_s=R₁+R₂=1kΩ+560Ω=1560Ω

R_r=(R₁*R₂)/(R₁+R₂)=(1000Ω*560Ω)/(1000Ω+560Ω)=560000Ω/1560Ω=359Ω

Potencjometr

Aby precyzyjnie ustawić odpowiednią rezystancję można użyć potencjometru. Element ten posiada zwykle trzy wyprowadzenia: dwa skrajne służą do podawania napięć na ścieżkę oporową , a trzecie, środkowe jest dołączone do obrotowego styku, który jeździ po tej ścieżce. Kilka przykładowych potencjometrów możesz zobaczyć na fotografii 4.

Fot. 4 - Potencjometry

Podczas kręcenia ośką potencjometru zmienia się rezystancja między jego wyprowadzeniami. W skrajnych położeniach rezystancja między środkową a jedną z bocznych nóżek będzie równa 0. Druga boczna nóżka wraz z środkową zachowa się jak rezystor o wartości takiej jak wartość nominalna potencjometru. W położeniu środkowym w potencjometrze liniowym obie rezystancje będą takie same.

Prąd stały i zmienny

Jak same nazwy mówią, prąd stały ma stałą wartość natężenia, a wartość natężenia prądu zmiennego się zmienia.

Prąd stały posiada stałą wartość natężenia i stały kierunek w którym płynie. Jest używany do zasilania ogromnej większości układów elektronicznych oraz silników prądu stałego. Oznaczany jest DC.

Prąd zmienny, w odróżnieniu od stałego zmienia wartość i kierunek. Może być wykorzystywany do przenoszenia informacji, a jego szczególny rodzaj – prąd przemienny jest wykorzystywany w sieci energetycznej – jest łatwy do wytworzenia i transportu na duże odległości. Większość maszyn o dużej mocy jest zasilana prądem zmiennym (np. silniki, grzałki, żarówki). Oznaczany jest AC.

Na koniec

W tej części nie poznaliśmy zbyt wiele praktycznej wiedzy, ale teoria też jest potrzebna. W następnej bierzemy się już do pracy – poznamy działanie i sposoby wykorzystywania tranzystorów bipolarnych. Dla utrwalenia wiedzy sprawdź czy znasz odpowiedzi na kilka prostych pytań postawionych w ćwiczeniach.
Ćwiczenia:

Do czego służą kondensatory?
Do czego stosowane są transformatory?
Co oznacza na schemacie kropka w miejscu przecięcia się dwóch linii?
Jakie jest napięcie źródła jeśli w odbiorniku składającym się z pojedynczego rezystora występuje spadek napięcia o 5V?
Jaka jest wartość wypadkowa rezystancji trzech szeregowo połączonych rezystorów 1kΩ?
Czy w przypadku połączenia równoległego rezystorów z poprzedniego zadania wartość wypadkowej rezystancji będzie mniejsza niż 1kΩ?
Jaki prąd występuje w gniazdkach? AC czy DC?

Odpowiedzi do ćwiczeń:

Kondensatory służą do gromadzenia ładunku elektrycznego.
Transformatory są używane do zmieniania napięć prądów zmiennych.
Kropka oznacza połączenie elektryczne.
Napięcie źródła jest równe spadkowi napięcia w odbiorniku, czyli wynosi 5V.
Wartość wypadkowej rezystancji jest równa sumie oporu rezystorów, wiec wynosi 3kΩ.
Tak.
AC.

Kurs podstaw elektroniki cz. 3

W poprzedniej części poznaliśmy podstawowe elementy elektroniczne. Teraz zajmiemy się tranzystorami.

Tranzystor to w odróżnieniu od innych elementów elektronicznych, takich jak rezystor, kondensator czy cewka jest elementem aktywnym. Oznacza to, że jest zdolny do wzmacniania sygnału. Dzięki temu jest bardzo często stosowany i można go znaleźć w praktycznie każdym układzie elektronicznym. Dlatego warto poznać jego działanie i nauczyć się stosować go w własnych konstrukcjach.

Budowa tranzystora

Tranzystory bipolarne, którymi zajmiemy się w tym odcinku, to elementy posiadające trzy wyprowadzenia:

Bazę
Emiter
Kolektor

W zależności od zastosowań, mogą mieć różny kształt i rozmiar. Zróżnicowanie jest ogromne, ponieważ istnieją tysiące różnych modeli, ale nie przejmuj się tym – w praktyce najczęściej używa się kilku(-nastu) najpopularniejszych. Standardowo stosowane uniwersalne tranzystory małej mocy to BC547 i BC557. Na fotografii 1 możesz zobaczyć kilka przykładowych tranzystorów.

Fot. 1 - Wygląd tranzystorów

Tranzystory zbudowane są z dwóch typów przewodnika – N i P. W zależności od ich wzajemnego ułożenia wyróżniamy dwa typy tranzystorów:

Różnią się one właściwie tylko kierunkami przepływu prądu, zasada działania jest taka sama. Większość tranzystorów NPN ma odpowiedniki PNP i odwrotnie. Na rysunku 2 pokazane są symbole schematyczne tranzystorów.

Rys. 2 - Symbole tranzystorów

Działanie tranzystora

Działanie tranzystora chyba najłatwiej zrozumieć na przykładzie, poprzez analogię do pewnego urządzenia hydraulicznego, przedstawionego na rysunku 3:

Rys. 3 - Hydrauliczna analogia tranzystora NPN

Na górze urządzenia znajduje się wlot wody (“kolektor”) i pływak utrzymujący stały poziom cieczy w komorze. Gdy wzrasta pobór wody, pływak obniża się i tym samym do komory wpada jej więcej. Woda uzupełnia braki i podnosi pływak. Uniezależnia to działanie układu od ciśnienia panującego na wejściu.

Niżej znajduje się zasuwka otwierana przez przepływ wody przez “bazę”. Im jest on większy, tym bardziej odgina klapkę, która ciągnie zasuwkę. Jeśli przepływ osłabnie, zasuwa cofa się, ciągnięta przez sprężynę. “Emiterem” wydostaje się woda, która przedostała się przez zasuwę i woda płynąca przez “bazę”.

Jak się to ma do prawdziwego tranzystora? Tranzystor jest właśnie takim zaworem, sterowalnym źródłem prądu. Prąd bazy steruje prądem płynącym w obwodzie emiter-kolektor.

Tranzystor możne być w trzech stanach:

Zatkania – prąd kolektora nie płynie
Pracy liniowej – prądy płyną
Nasycenia – tranzystor przewodzi w pełni, dalsze zwiększanie prądu bazy już nic nie daje

Zwykle w układach cyfrowych korzysta się tylko z stanów skrajnych – zatkania i nasycenia. Urządzenia analogowe korzystają z obszaru pracy liniowej.

Prądy w tranzystorze

Na rysunku 4 możesz zobaczyć kierunki prądów w tranzystorach NPN i PNP.

Rys 4 - Kierunki prądów w tranzystorach

Prąd emitera jest równy sumie prądów kolektora i bazy:

I_E=I_C+I_B

Prąd płynący przez kolektor jest proporcjonalny do prądu bazy. Współczynnikiem proporcjonalności jest tutaj β (beta), oznaczająca wzmocnienie tranzystora. Poniższy wzór opisuje tą zależność:

I_C= β*I_B

Zwykłe tranzystory małej mocy mają wzmocnienie większe niż 100, bardzo często nawet kilkukrotnie. Nie jest ono stałe – dla poszczególnych tranzystorów, nawet tego samego typu przyjmuje trochę inną wartość. Poza tym, zmienia się wraz ze zmianą wartości prądu płynącego przez kolektor, temperatury i innych czynników. Dlatego nie warto wykonywać szczegółowych obliczeń i opierać działania układu na tym parametrze. Zwykle w układach wymagających dobrych parametrów, stosuje się sprzężenie zwrotne.

Prądy płynące w tranzystorze nie mogą być zbyt duże – przekroczenie pewnej granicy możne skutkować uszkodzeniem się tranzystora. Informacje o ich wartościach (i nie tylko) można znaleźć w dokumentacji danego elementu. Ogólnie polecam tam często zaglądać, szczególnie w razie wątpliwości.

Aby zapobiec uszkodzeniu lub przegrzaniu tranzystora, stosuje się rezystor ograniczający prąd bazy. Jeśli wiemy jaki ma być prąd kolektora, to wystarczy z pomocą przekształconego, wyżej podanego wzoru obliczyć prąd bazy (I_B=I_C/β), a następnie skorzystać z prawa Ohma (R=U/I_B).

Na koniec

Podsumowując – poznaliśmy dosyć uproszczony model działania tranzystora, choć na początek w zupełności wystarczający. W następnej części kursu najprawdopodobniej omówimy kilka przykładowych zastosowań tranzystorów, później czas na inne elementy i bardziej skomplikowane układy elektroniczne. jak zwykle proszę o komentarze – pozytywne i negatywne. Przydadzą się też jakieś propozycje Jeśli coś jest niezrozumiałe, postaram się to poprawić. W przypadku problemów i pytań nie związanych z artykułem, proszę pisać na forum.

Ćwiczenia:

Wymień dwa podstawowe typy tranzystorów bipolarnych.
Sprawdź w dokumentacji ułożenie wyprowadzeń (czyli bazy, emitera i kolektora) tranzystora o oznaczeniu BC547 w obudowie TO-92.
Po co stosujemy rezystor ograniczający prąd bazy?
Czy współczynnik wzmocnienia β jest wartością stałą i “pewną”?
Jaką rolę pewni baza?

Odpowiedzi:

NPN i PNP.
Patrząc od strony oznaczenia, od lewej kolejno: emiter, baza, kolektor.
Aby zmniejszyć prąd płynący przez kolektor, ponieważ zbyt duży prąd może uszkodzić tranzystor, a poza tym nie zawsze jest wymagany.
Nie, zmienia się w dosyć dużym zakresie.
Baza pełni rolę elektrody sterującej pracą tranzystora.

Kurs podstaw elektroniki cz. 4

W tym odcinku kontynuujemy poznawanie tranzystorów – tym razem od strony praktycznych przykładów wykorzystania. Mam nadzieję że te przykłady pomogą w konstruowaniu własnych urządzeń – dzięki nim wiadomo czego szukać.
Klucz tranzystorowy

Klucze stosuje się wszędzie tam, gdzie trzeba sterować przepływem prądu przez obwód elektroniczny. Znajdują bardzo wiele zastosowań – szczególnie w elektronice cyfrowej. Umożliwiają one wpływanie na przepływ dużego prądu (kilkadziesiąt mA – setki A) za pomocą prądu sterującego o wartości kilku-kilkudziesięciu mA. Odpowiednio zbudowane klucze tranzystorowe są bardzo szybkie – mogą otwierać i zamykać przepływ prądu nawet miliony razy na sekundę. Jeśli nie jest to wymagane, nie należy stosować zbyt dużych częstotliwości, ponieważ dochodzą wtedy do głosu niekorzystne czynniki i spadają parametry tranzystora.

Rys. 1 - Klucz tranzystorowy

Zasada działania klucza jest prosta. Tranzystor podczas pracy jako klucz może znajdować się w dwóch stanach:

Otwarty (stan nasycenia) – płynie prąd bazy, płynie też prąd emitera
Zamknięty (stan zatkania) – nie płynie prąd bazy, nie płynie również prąd emitera

Prąd sterujący podawany na bazę tranzystora powinien mieć wartość taką, aby powodował całkowite otwarcie tranzystora. Pomocna przy jego ustaleniu może być karta katalogowa z dokładnymi parametrami tranzystora. Przy standardowych tranzystorach małosygnałowych jest to kilka mA.
Wzmacnianie prądu

Rys. 2 - Wtórnik emiterowy

Wtórnik emiterowy to układ służący do wzmacniania prądu. Pobiera ze źródła sygnału prąd o małej wartości i daje możliwość pobrania ze swojego wyjścia prądu o znacznie większej wartości. Napięcie na wyjściu wtórnika jest praktycznie wierną kopią napięcia na wejściu, pomniejszoną o ok. 0,7V (wynika to z budowy tranzystora; jest to spadek napięcia na przewodzącej diodzie). Aby uniknąć obcinania części sygnału, stosuje się dzielnik rezystorowy, wyznaczający napięcie i prąd spoczynkowy bazy tranzystora (na rys. 2 zaznaczony kolorem zielonym).

Wzmacnianie napięcia

Rys. 3 - Wzmacniacz napięciowy

Tranzystory służą nie tylko do wzmacniania prądu, nadają się też do wzmacniania napięcia. Tym razem jako wyjście posłuży kolektor tranzystora. Aby układ działał prawidłowo, stosuje się dzielnik rezystorowy ( na rys. 3 oznaczony na zielono), wyznaczający napięcie i prąd spoczynkowy bazy tranzystora. Parametry takiego wzmacniacza (podobnie jak wyżej omawianego wtórnika) nie są idealne – zmieniają się w zależności od konkretnego egzemplarza tranzystora (posiadają różne współczynniki wzmocnienia β), temperatury i wielu innych czynnikach. Niedokładności pomogło by zwalczyć sprzężenie zwrotne, ale nim zajmiemy się może w którejś z następnych części kursu.
Lustro prądowe

Rys. 4 - Lustro prądowe

Za pomocą lustra prądowego możemy odwzorować prąd płynący w jednej gałęzi układu w drugiej z nich. Są często stosowane podczas budowy układów scalonych, ale można je też budować z zwykłych elementów. Tranzystory nie są zbyt dokładnymi elementami – ich stałość parametrów nie jest najlepsza. Aby zachować jak największą proporcjonalność zmian prądu należy umieścić tranzystory jak najbliżej siebie – powinny mieć identyczną temperaturę. Są nawet produkowane takie podwójne tranzystory, choć w praktyce wystarczy odpowiednio dobrana para zwykłych tranzystorów o parametrach możliwie najbliższych sobie.

Migająca dioda – tylko cztery elementy

Na koniec coś bardziej rozrywkowego – prosty przepis na migającą diodę. Początkujący elektronicy zwykle zaczynają do prostych układów, których działanie powoduje różnego typu efekty świetlne lub dźwiękowe. Zwykłe zabawki, ale pozwalają się zapoznać z działaniem różnych elementów elektronicznych. Spójrz na schemat, przedstawiony na rysunku 5.

Rys. 5 - Migająca dioda

Wydaje się dziwny? Jak to niby ma działać, przecież baza wisi w powietrzu, emiter i kolektor powinny być chyba odwrotnie, więc nic nie powinno migać. Okazuje się jednak, że jest inaczej – wykorzystane są tutaj pewne właściwości tranzystora pracującego inwersyjnie, czyli odwrotnie. Nie są one teraz najważniejsze, dobrze, że urządzenie działa. A jeśli nie chce działać?

Napięcie zasilania musi wynosić minimum ok. 12V
Model tranzystora musi być odpowiedni – jeśli nie działa spróbuj z innym

Multiwibrator astabilny

Fajna nazwa, ale do czego to służy? Jest to generator zbudowany z dwóch tranzystorów, generujący naprzemiennie impulsy. W zależności od użytych elementów może generować drgania o różnej częstotliwości – od ułamków Hertza do setek tysięcy impulsów na sekundę. Aby zobrazować działanie urządzenia proponuję zmontować generator z dwoma LED’ami wg. schematu z rysunku 6.

Rys. 6 - Multiwibrator astabilny z diodami LED

Diody będą zaświecać się i gasnąć na przemian. Jest to powodowane przez naprzemienne ładowanie i rozładowywanie się kondensatorów, co powoduje zmianę prądu bazy przeciwnego tranzystora (i przy okazji ładowanie drugiego kondensatora).

Diod oczywiście nie trzeba montować – można przylutować rezystory wprost do kolektorów tranzystorów i odprowadzać z jednego z nich sygnał potrzebny gdzieś dalej… np. na bazę innego tranzystora.

Kurs podstaw elektroniki cz. 5

Po zapoznaniu się z tranzystorami w trzeciej i czwartej części kursu elektroniki, pora na inny temat. W tej, piątej już części kursu zajmiemy się elementami wchodzącymi w skład prostego zasilacza, czyli transformatora, diody i kondensatora. W artykule opisałem ich zastosowania, budowę i działanie.

Dioda

Symbol diody

Zastosowania diod

Podstawowym i głównym zastosowaniem diod jest prostowanie prądu zmiennego, czyli umożliwienie jego przepływu tylko w jednym kierunku. Z tego powodu podstawowy typ diody – dioda prostownicza jest używana do budowy prostowników, pracujących w zasilaczach.

W pierwszej części kursu zajmowaliśmy się już LED’ami, czyli diodami zdolnymi do wytwarzania światła. Inne diody też mają ciekawe właściwości – fotodiody zmieniają swoje parametry w zależności od ilości padającego na nie światła, diody pojemnościowe reagują zmianą pojemności na zmianę przyłożonego napięcia, diody tunelowe posiadają w pewnym odcinku charakterystyki ujemną rezystancję dynamiczną. Diody detekcyjne używane są w radiowych układach modulacji AM. Dioda Zenera pozwala na łatwe stabilizowanie napięcia.

Diody prostownicze i LED

Działanie diody

Działanie diody polega na przewodzeniu prądu w jednym kierunku. Można to porównać do zaworu zwrotnego w instalacji wodnej.
Diody posiadają kilka ważnych parametrów. Napięcie przebicia oznacza napięcie, którego najlepiej nie przekraczać – grozi to powstaniem dużego prądu wstecznego, czyli zakłóceniem działania diody. Może to też doprowadzić do uszkodzenia diody. Innym ważnym parametrem diody jest napięcie przewodzenia – dla diod wykonanych z różnych materiałów jest ono różne. Najpopularniejsze diody krzemowe posiadają napięcie przewodzenia wynosi 0,7V. Parametr ten oznacza minimalne napięcie jakie musi być przyłączone do diody, aby popłynął prąd (w rzeczywistości poniżej tej wartości prąd też może płynąć, ale jego wartość jest pomijalna)

Transformator

Symbol transformatora

Zastosowania transformatorów

Transformatory są zwykle używane do zmiany poziomu napięć w obwodach elektrycznych – najczęściej z napięcia sieciowego 230V na mniejsze (5V, 12V, 24V itp.), wykorzystywane do zasilania urządzeń elektronicznych. Wyjątkiem są transformatory separacyjne, posiadające napięcie wejściowe takie samo jak wyjściowe.

Transformatory mogą mieć różne rozmiary w zależności od mocy – od małych, wlutowywanych w płytkę, po ważące kilkadziesiąt lub kilkaset kilogramów bestie, pracujące w stacjach transformatorowych. Mogą się też różnić ilością uzwojeń, czyli ilością napięć wyjściowych. Często spotykane są dwa takie same uzwojenia wtórne (wyjściowe), czasem połączone wspólnym wyprowadzeniem – są to tzw. uzwojenia symetryczne. Tego typu transformatory są często używane do zasilania wzmacniaczy audio i innych urządzeń, które wymagają symetrycznego zasilania (plus, masa i minus).

Budowa transformatora

Najczęściej transformatory budowane są z dwóch lub więcej cewek wykonanych z drutu miedzianego, nawiniętych na wspólnym rdzeniu, wykonanym z ferromagnetyka – najczęściej żelaza. Występują też transformatory nawijane na rdzeniach toroidalnych, z uwagi na optymalniejszy kształt rdzenia, posiadają nieco lepsze parametry.

Transformator

W praktycznie wszystkich transformatorach (z wyjątkiem autotransformatorów) uzwojenia pierwotne (wejściowe) i wtórne (wyjściowe) nie są połączone. Powstaje zatem pytanie, jakim cudem prąd potrafi przedostawać się z jednego uzwojenia do drugiego. Odpowiedź znajdziesz w następnym akapicie.

Działanie transformatora

Do uzwojenia pierwotnego dostarczamy prąd zmienny (najczęściej przemienny), który powoduje powstawanie zmiennego pola magnetycznego, które jest przewodzone przez rdzeń i przepływa przez uzwojenie (lub uzwojenia) wtórne. Zmiany pola magnetycznego powodują powstawanie napięcia w cewkach wtórnych – proces ten nazywa się indukcją elektromagnetyczną.

Aby transformator działał, pole magnetyczne musi się ciągle zmieniać, dlatego na uzwojenie pierwotne musi być podawany prąd zmienny.
W idealnym transformatorze straty mocy nie występują. Jak na nieszczęście, taki transformator można znaleźć tylko w teoretycznych opisach, w rzeczywistości występują szkodliwe zjawiska, zmniejszające sprawność urządzenia. Energia jest tracona w rdzeniu, uzwojeniach i metalowych częściach konstrukcyjnych. Powstaje z niej głównie ciepło, dlatego transformatory o dużej mocy wymagają dobrego chłodzenia.

Czy ilość zwojów w transformatorze ma jakieś znaczenie? Oczywiście – po obliczeniu stosunku ilości zwojów po stronie wtórnej do ilości zwojów po stronie pierwotnej, otrzymamy przekładnię transformatora, określającą czy napięcie po stronie wtórnej jest zmniejszane czy zwiększane. Wzór prezentuje się następująco:

z=n_wy/n_we

n_{wy –} ilość zwojów po stronie wtórnej

n_{we –} ilość zwojów po stronie pierwotnej

Przykładowo, dla transformatora o 100 zwojach po stronie pierwotnej i 25 po stronie wtórnej:

z=25/100 z=0,25

Napięcie wyjściowe będzie wynosiło 0,25 napięcia wejściowego.

Kondensator

Symbole kondensatorów

Zastosowania kondensatorów

Kondensator to element mogący zgromadzić niewielki ładunek elektryczny. Dzięki tej właściwości znajduje zastosowanie w wielu typach układów. Jednym z najpopularniejszych zastosowań kondensatora jest praca w układach zasilania. Kondensator umożliwia ograniczenie wahań napięcia, co jest wykorzystywane w prostych zasilaczach, o których więcej napiszę w dalszej części tekstu.

Kondensator potrafi w bardzo krótkim czasie odprowadzić prąd o dużym natężeniu – dzięki temu układy cyfrowe mogą pracować bez zakłóceń. Nowoczesne cyfrowe układy CMOS pobierają prąd praktycznie tylko wtedy, gdy zawarte w nich tranzystory zmieniają swój stan (otwarty/zamknięty). To dlatego na płycie głównej komputera jest sporo kondensatorów ulokowanych w okolicy procesora. Z tego powodu też montuje się kondensatory odprzęgające (zwykle 100nF) przy układach scalonych. Dzięki nim układy są lepiej zasilane i mniej zakłóceń wyprodukowanych przez nie przedostaje się po linii zasilania do innych części urządzenia.
Kondensatory są używane nie tylko w elektronice cyfrowej, jeszcze większe pole do popisu mają w układach analogowych. Stosowane są do budowy różnego rodzaju filtrów i budowania układów czasowych. Mogą zmieniać charakterystykę częstotliwościową sygnału. Często kondensator pracuje w roli sprzęgacza dwóch części układu. Kondensator o stosunkowo dużej pojemności (kilka do kilkuset µF) włączony w szereg sygnału potrafi zablokować jego stałą składową.

Działanie kondensatora

Kondensatory gromadzą ładunek elektryczny na okładkach oddzielonych od siebie warstwą dielektryka. Okładką może być w zasadzie dowolny materiał przewodzący prąd elektryczny, dielektrykiem, czyli izolatorem – nawet powietrze. Pojemność kondensatora zależy od wielkości okładek i ich odległości od siebie. Nietrudno zauważyć, że kondensatorem może być bardzo wiele elementów – nawet dwie ścieżki biegnące obok siebie na płytce. Na szczęście, pojemność utworzona między nimi jest niewielka i zwykle (przy małych częstotliwościach sygnału) pomijalna.

Pojemność kondensatorów wyrażana jest w Faradach (F), ale dla uproszczenia zapisu używa się podwielokrotności jednostki, takich jak pF, nF czy µF.

Opór kondensatora dla przepływającego przezeń prądu jest zależny od częstotliwości i jest on nazywany reaktancją. W tym kursie nie ma sensu przytaczać dosyć skomplikowanych wzorów umożliwiających jej obliczenie, warto jednak zapamiętać, że reaktancja maleje wraz ze wzrostem częstotliwości drgań przepływającego prądu.

Kondensatory posiadają maksymalne parametry, których nie warto przekraczać – grozi to uszkodzeniem lub całkowitym zniszczeniem elementu. Szczególnie efektownie wygląda to w przypadku dużych, aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych.

Budowa kondensatora

Kondensator zbudowany jest z dwóch przewodników (okładek) oddzielony warstwą izolatora (dielektryka). Na poniższym rysunku możesz zobaczyć jak najczęściej wyglądają :

Różne kondensatory

Produkowanych jest wiele typów kondensatorów, różniących się pomiędzy sobą parametrami – w tym i pojemnością. Najczęściej spotykane są:

Kondensatory elektrolityczne – są to kondensatory spolaryzowane, dla których ma znaczenie potencjał napięć dołączonych do wyprowadzeń. Nieprzestrzeganie tej zasady może doprowadzić do pogorszenia parametrów lub uszkodzenia kondensatora.Ujemny biegun jest zwykle stosownie oznaczany na obudowie.
- Aluminiowe – oferują największą pojemność i są dosyć tanie (1µF do kilku tysięcy uF), ale ich inne parametry nie są najlepsze – stosunkowo duży rozmiar, problemy z poprawną pracą przy dużych częstotliwościach, duży prąd upływu. Z tych powodów używane są głównie w układach zasilania.
- Tantalowe – Posiada lepsze parametry niż kondensatory aluminiowe, ale nie dorównuje im pojemnością maksymalną. Pojemność od kilkudziesięciu nF do kilkudziesięciu µF.
Kondensatory foliowe – mają małą pojemność (maksymalnie kilkanaście uF, częściej używa się mniejszych pojemności do 1µF), ale ich pozostałe parametry są lepsze niż kondensatorów elektrolitycznych. Potrafią pracować przy dużych prądach i napięciach, prąd upływowy jest znikomy.
Kondensatory ceramiczne – dzięki dobrym właściwościom materiałów ceramicznych można z mich konstruować małe i pojemne kondensatory, które często wykorzystywane są w nowoczesnych urządzeniach montowanych w technologii SMD. Pojemność do kilkunastu uF.
Kondensatory nastawne (trymery) – można zmieniać ich pojemność, choć jest ona bardzo mała – do kilkudziesięciu pF. Stosowane do strojenia obwodów.

Zasilacz

Zasilacze to jedna z podstawowych dziedzin elektroniki. Każde urządzenie elektryczne wymaga dostarczania mu energii wymaganej do pracy. Niektóre urządzenia są zasilane bateryjnie, wtedy często nie trzeba stosować dodatkowych elementów.

W nowoczesnych, małych i lekkich urządzeniach zwykle pracują przetwornice napięcia. Są one tańsze w produkcji niż zasilacze oparte o transformator, ale i bardziej skomplikowane w budowie. My zajmiemy się na razie zasilaczem transformatorowym, na bardziej zaawansowane rozwiązania przyjdzie czas.

Tradycyjny zasilacz składa się z kilku bloków. Najpierw transformator obniża napięcie sieciowe do wymaganego poziomu, później prąd przepływa przez prostownik. Tak otrzymany prąd stały jest filtrowany przez filtr zbudowany z kondensatora lub kilku kondensatorów. Jeśli wymagana jest duża stałość napięcia, w zasilaczu może pracować stabilizator.

Przykładowy zasilacz

Prostownik

Najczęściej w roli prostownika pracuje mostek Graetza, czyli cztery odpowiednio połączone diody prostownicze. Mostek można zmontować z czterech oddzielnych elementów lub kupić gotowy w pojedynczej obudowie z czterema wyprowadzeniami. Napięcie na wyjściu mostka jest mniejsze od napięcia wejściowego o około 1,5V – podwójny spadek napięcia na diodzie.

Mostek prostowniczy

Filtr kondensatorowy

Prąd po wyjściu z prostownika posiada bardzo słabe parametry. Płynie nieregularnie, impulsowo. Aby napięcie dostarczane przez zasilacz było w miarę stabilne, między obie linie zasilające wstawia się odpowiednio dużą pojemność – im większą, tym lepiej wygładzane są drgania napięcia. Dla urządzeń, które nie mają szczególnych wymagań, można stosować się do zasady: na jeden Amper pobieranego prądu należy przydzielić pojemność od 1000µF do 4000µF. Pod wpływem pojemności, napięcie na wyjściu zasilacza roście o pierwiastek z 2 (1,41).

Stabilizatory

Dawno minęły czasy, kiedy stabilizatory trzeba było samodzielnie budować z pojedynczych tranzystorów i innych elementów dyskretnych. Teraz takie sytuacje zdarzają się znacznie rzadziej, ponieważ często można zastosować gotowy, prosty w użyciu stabilizator jednoukładowy. Najpopularniejsze wśród hobbystów są układy z z serii 78XX (stabilizatory napięcia dodatniego) i 79XX (stabilizatory napięcia ujemnego). Zamiast iksów wpisujemy napięcie stabilizacji. W handlu dostępne są układy dla większości standardowych napięć np. 7805, 7812, 7915. Tego typu układy nie wymagają regulacji, a do działania wystarczają im dwa kondensatory i oczywiście obciążenie na wyjściu. Stabilizator dla niewielkich mocy można wykonać z pojedynczej diody Zenera. Podobnie jak wymienione wyżej scalone stabilizatory, są one sprzedawane w różnych wersjach, różniących się napięciem.

Zadania

Jaka jest podstawowa zasada działania diody?
Jakie jest napięcie przewodzenia zwykłej diody prostowniczej?
Do czego używa się transformatorów?
Czy transformator będzie działał jeśli na uzwojenie pierwotne podamy prąd stały?
Dlaczego montuje się kondensatory blisko wyprowadzeń zasilających cyfrowe układy.
Jaki typ kondensatorów jest najpowszechniej używany w zasilaczach?
Do czego służy prostownik?
Kiedy stosuje się stabilizatory napięcia?

Odpowiedzi do zadań

Dioda przewodzi prąd w jednym kierunku.
Około 0,7V
Transformatory są używane głównie do zmiany poziomów napięć.
Nie, do działania transformatora wymagany jest prąd zmienny.
Aby zapewnić im odpowiednie zasilanie w krótkich momentach, w których pobierają największą ilość energii i przy okazji zmniejszyć ilość emitowanych przez nie zakłóceń.
Kondensatory elektrolityczne aluminiowe.
Prostownik zamienia prąd zmienny na stały.
Gdy potrzebna jest duża stabilność napięć dostarczanych przez zasilacz.

Kurs podstaw elektroniki cz. 6

W tej części zajmiemy się elektroniką cyfrową i związanymi z nią zagadnieniami. Poznamy działanie podstawowych elementów elektroniki cyfrowej, czyli bramek.

Kilka słów o elektronice cyfrowej

Elektronikę można podzielić na:

Analogową, w której nośnikami informacji są poziomy napięć, natężenia prądów i częstotliwości ich zmian. Mogą one przyjmować dowolne wartości.
Cyfrową, w której nośnikiem informacji jest zwykle napięcie, mogące przyjmować dwa ustalone stany – wysoki i niski.

Elektronika analogowa to budowane tradycyjnie zasilacze, generatory, filtry i urządzenia sterujące. Coraz częściej są one zastępowane przez cyfrowe odpowiedniki, pozwalające łatwiej lub lepiej realizować postawione im zadania. I tak zamiast tradycyjnych zasilaczy mamy przetwornice napięciowe sterowane przez mikrokontrolery, filtry i generatory realizowane na specjalizowanych układach DSP, a sterowniki zbudowane w oparciu o pojedynczy układ mikrokontrolera.

Praktycznie wszystkie popularne miniaturowe urządzenia, takie jak komórki i komputery działają głównie w oparciu o technikę cyfrową, a układów typowo analogowych używają jedynie do obróbki sygnału wejściowego i wyjściowego. Jednym z typów urządzeń, w których elektronika cyfrowa jeszcze nie jest zbyt popularna, jest sprzęt audio.

Poziomy logiczne

W elektronice cyfrowej używa się zwykle jedynie dwóch napięć:

Stan wysoki – H lub 1 – napięcie zbliżone do napięcia zasilania.
Stan niski – L lub 0 – napięcie zbliżone do 0V.

Oczywiście może być inaczej – konstruktor może przyjąć inne zasady, ale w przeważającej ilości przypadków wykorzystuje się właśnie taki standard.

Bramki logiczne

Podstawowymi elementami cyfrowymi są bramki, wykonujące podstawowe operacje logiczne z algebry Boole’a, takie jak suma, iloczyn czy negacja. W przykładach przedstawione jest działanie najpopularniejszych bramek dwuwejściowych – można też zbudować lub kupić bramki o większej ilości wejść. Obok symboli elementów pokazane są tablice prawdy. Literami Ai B oznaczone są wejścia bramek, a literą W wyjście.

Bramka NOT

Działanie bramki not jest bardzo proste – na jej wyjściu występuje stan odwrotny do stanu na wejściu.

Bramki AND i NAND

Na wyjściu bramki AND stan wysoki pojawia się gdy jej wszystkie wejścia posiadają stan wysoki. W przeciwnym wypadku występuje na nim stan niski.

Bramka NAND działa tak samo jak AND, tyle że stan na jej wyjściu jest odwrócony.

Bramki OR i NOR

Wyjście bramki OR przyjmuje stan wysoki jeśli choć jedno wejście jest w stanie wysokim.

Bramka NOR działa odwrotnie – na jej wyjściu pojawia się stan wysoki gdy wszystkie wejścia są w stanie niskim.

Bramki XOR i XNOR

Bramki tego typu są używane znacznie rzadziej niż opisane wcześniej, ale również warto znać ich działanie. Dla dwuwejściowych bramek XOR na wyjściu pojawia się stan wysoki gdy doprowadzone sygnały wejściowe różnią się od siebie.

Podobnie jak w przypadku opisanych wyżej bramek, wersja z dodatkową literą N, w tym przypadku XNOR podaje na wyjściu wynik odwrotny do pierwowzoru bez tej litery. W tym wypadku stan wysoki otrzymamy gdy na obu wejściach ustawimy ten sam stan.

Projektowanie układów cyfrowych

Bramki można ze sobą łączyć i tym samym realizować bardziej skomplikowane funkcje. Jak konstruować urządzenia tak, aby miały one jak najprostszą budowę? Przede wszystkim można próbować minimalizować funkcje logiczne realizowane przez urządzenia za pomocą matematycznych metod. Mogą one przydać się przy konstruowaniu skomplikowanych układów, ale do naszych skromnych potrzeb wystarczy trochę zwykłego, logicznego myślenia i analizy działania urządzenia.

Dodatkowo, warto zapamiętać, że za pomocą samych bramek NAND lub NOR da się zbudować układ realizujący dowolną funkcję logiczną. Innymi słowy, jednym typem bramek można zastąpić inne. Oczywiście należy się zastanowić czy taka zamiana się opłaci. Przykładowo, aby uzyskać inwerter z bramki NOR należy połączyć jej wejścia w jedno. Inne ciekawe efekty można uzyskać ustalając odpowiednio spoczynkowy punkt pracy bramki, dołączając jedno z jej wejść na stałe do plusa lub minusa zasilania, czyli wymuszając na nim dany stan.

Układy scalone zawierające bramki

Takich układów jest naprawdę sporo – w końcu każdy układ cyfrowy, taki jak na przykład procesor zawiera bramki, często nawet bardzo dużą ich liczbę idącą w miliony. Nas jednak interesują proste i tanie scalaki zawierające kilka bramek, które można wykorzystać tak jak nam się podoba. Poniżej znajdziesz listę oznaczeń przykładowych, popularnych układów CMOS, zawierających najpopularniejsze, omawiane w tej części kursu bramki.

NOT – 4069
AND – 4081
NAND – 4011
OR – 4071
NOR – 4001

Ćwiczenia

Jak działa bramka NOT?
Czy da się zbudować układ realizujący dowolną funkcję logiczną jedynie z bramek NAND?
Jaka technika dominuje w komputerach – analogowa czy cyfrowa?
Jakie napięcie zazwyczaj jest przyjmowane za stan niski?
Kiedy wyjście bramki OR przyjmuje stan wysoki?

Odpowiedzi do zadań

Bramka NOT zmienia stan logiczny na przeciwny.
Tak, podobnie jak z bramek NOR.
Cyfrowa.
0V
Gdy którekolwiek z jej wejść jest w stanie wysokim.

Na koniec

W tej części kursu podstaw elektroniki poznaliśmy bramki logiczne. Są to podstawowe komponenty, tworzące układy cyfrowe. W następnej części zajmiemy się również elektroniką cyfrową – poznamy kolejne elementy, znajdujące zastosowanie w cyfrowych urządzeniach. Będzie też przykładowe urządzenie zbudowane z użyciem techniki cyfrowej.

Kurs podstaw elektroniki cz. 7

Elektroniki cyfrowej ciąg dalszy – po podstawach, czyli najczęściej używanych bramkach logicznych, przyszedł czas na nieco bardziej skomplikowane elementy i przykładowe urządzenie zrealizowane z pomocą cyfrowych elementów.

Zaczniemy od kilku rzeczy, które nie zostały opisane w poprzedniej części, a mogą być bardzo przydatne. Są to…

Oznaczenia negacji na symbolach i przy zapisie

Być może już zauważyłeś, że przy wyprowadzeniach układów cyfrowych pojawiają się czasem małe kółeczka – znajdziesz je choćby w oznaczeniach bramek logicznych, omawianych w poprzednim odcinku kursu. Co oznacza ten symbol? Mówi on nam, że przechodzący przez to wyprowadzenie sygnał jest odwracany; stan logiczny jest zmieniany na przeciwny – tak jak w inwerterze.

Wyprowadzenie z negacją i dwa bez

Podobne znaczenie ma pozioma linia znajdująca się nad nazwą wyprowadzenia. Oznacza ona, że na wyprowadzeniu obowiązuje logika ujemna, czyli…

Logika ujemna

Wiesz już, że napięcie kilku woltów przyjmuje się zwykle za stan wysoki, a napięcie bliskie 0V za stan niski. Taki stan rzeczy jest nazywany logiką dodatnią. Czasem może być jednak odwrotnie. Wtedy za stan niski uznaje się wysokie napięcie, a za wysoki – niskie. Jest to właśnie wspomniana w nagłówku logika ujemna.

Napięcia w logice dodatniej i ujemnej

Bufor

Bufor to chyba najprostsza forma bramki – nie wykonuje żadnych operacji logicznych, wyłącznie powtarza na wyjściu sygnał z wejścia.

Bufor

Bramki trójstanowe

Nieco ciekawszym wariantem buforu jest bufor trójstanowy, czyli bufor o działaniu podobnym do zwykłego przełącznika mechanicznego. Bufor przewodzi sygnał w zależności od tego, czy na dodatkowe wyprowadzenie podawany jest stan wysoki. Przy stanie niskim na wyjściu pojawia się stan wysokiej impedancji, który w większości wypadków może być traktowany jak fizycznie rozłączone styki wyłącznika mechanicznego.

Bufor trójstanowy

Istnieją też inne bramki trójstanowe, których działanie jest analogiczne do wyżej opisanego buforu. Po prostu w zależności od dodatkowego wyprowadzenia wyjście jest dołączane lub odłączane.

Przerzutnik RS

Symbol przerzutnika RS

Przerzutniki to podstawowe elementy pamiętające w elektronice. Jeden taki element mieści informację o wielkości jednego bitu, czyli zapamiętuje jeden z dwóch podstawowych stanów – wysoki lub niski. Istnieje kilka rodzajów przerzutników, z których to przerzutnik RS posiada najprostszą budowę. Przerzutnik RS posiada dwa wejścia:

Set, służące do ustawiania stanu wysokiego
Reset, ustawiające stan niski

Wyjścia też są dwa – jedno udostępnia ustawiony na przerzutniku stan w sposób normalny, a drugie w odwrócony. Oznacza to, że przy poprawnym działaniu przerzutnika nigdy nie uświadczymy takiego samego stanu na obu wyjściach.

Podobnie jak inne przerzutniki, można go zbudować z kilku bramek, np NAND:

Przerzutnik RS z bramek NAND

Na koniec

W jednym z komentarzy pod poprzednimi częściami napisałem, że w tej części będzie przykładowe urządzenie z użyciem elementów cyfrowych. Niestety okazało się, że będzie inaczej. Z różnych przyczyn mam ostatnio niewiele czasu, a przygotowanie sensownego projektu prostego urządzenia i jego wykonanie to pół dnia roboty. Będą oczywiście różne projekty, ale raczej poza kursem, który ma się już ku końcowi.

Pewnie napiszę jeszcze jedną część o wzmacniaczach operacyjnych i kursik można będzie uznać za zakończony. Oczywiście nadal będą pojawiać się artykuły o elektronice – w planach nawet częściej niż dotychczas, więc koniec kursu nie powinien być strasznym przeżyciem. Miał on być w założeniu kilkuczęściowym artykułem omawiającym elementarne podstawy elektroniki i ten temat jest już praktycznie wyczerpany.

Jak zwykle zapraszam do odpowiedzenia na kilka prostych pytań, tak dla utrwalenia:

Pytania

Czym różni się bufor od inwertera?
Co oznacza okrąg umieszczony przy wyprowadzeniu elementu na schemacie?
Co jest głównym zastosowaniem przerzutników?
Czym różni się logika dodatnia od ujemnej?
Do czego podobny jest stan wysokiej impedancji na wyjściu bramki trójstanowej?

Odpowiedzi

Inwerter zmienia stan sygnału na przeciwny, a bufor nie.
Oznacza to, że sygnał przechodzący przez to wyprowadzenie jest odwracany.
Zapamiętywanie stanów logicznych.
Wartościami napięć przyjmowanymi za stany logiczne.
Do fizycznego rozłączenia obwodu elektrycznego.

NE555 – niezwykły układ scalony

Cóż takiego jest w tym małym, posiadającym jedynie osiem wyprowadzeń i tanim (już od 30gr) układzie scalonym? Mimo upływu czasu, ten niepozorny, opracowany prawie czterdzieści lat temu układ znajduje wiele zastosowań i nie zanosi się na to, żeby prędko zaprzestano jego produkcji. Co zdecydowało o jego popularności i ponadczasowości?

Układ NE555 jest układem czasowym, mogącym służyć do wytwarzania impulsów w kilku trybach:

Monostabilnym – układ generuje pojedynczy impuls, co może być przydatne w układach likwidacji odbić styku przełącznika lub gdy jest wymagane wytworzenie impulsu o odpowiedniej długości.
Astabilnym, w którym układ generuje ciągłe przebiegi prostokątne, które są wykorzystywane w różnego rodzaju migaczach LED i układach akustycznych.
Bistabilnym, kiedy układ działa jak przerzutnik i może służyć jako element pamięciowy.

Wynika z tego, że NE555 jest bardzo uniwersalny. I to jest klucz do zagadki jego popularności. Da się z jego pomocą realizować układy z podanych trzech grup, ale pomysłowi konstruktorzy znaleźli o wiele więcej zastosowań. O ich kreatywności może świadczyć np wydana przez wydawnictwo BTC książka Timer 555 w przykładach. Można w niej znaleźć ponad sto różnorodnych aplikacji tego układu.

NE555 firmy Signetics

Jak już wspomniałem, timer 555 jest niewielkim układem – zarówno pod względem ilości wyprowadzeń, których posiada osiem, jak i budowy wewnętrznej – zawiera tylko 23 tranzystory, 2 diody i 16 rezystorów. To naprawdę niewiele, biorąc pod uwagę, że układy mikroprocesorów zawierają tysiące, miliony, a nawet miliardy tranzystorów, nie mówiąc już o innych elementach.

Co kryje się w środku tego układu? Wyjaśnia to schemat blokowy, pochodzący z materiałów katalogowych firmy Fairchild Semiconductor:

Schemat blokowy układu NE555

Dwa komparatory, przerzutnik i kilka innych elementów. Nie ma tego wiele, wyprowadzenia tego układu mają następujące funkcje:

Nr.	Nazwa	Funkcja
1	GND	Masa, stan niski.
2	TR	Wejście komparatora 1/3 U_CC. Krótki impuls ze stanu wysokiego na niski uruchamia timer.
3	Q	Wyjście impulsów stanu wysokiego. Stan wysoki na tym wyjściu wynosi ok. U_CC – 1.4V
4	R	Podanie stanu niskiego (U < 0.5V) powoduje ustawienie na wyjściu stanu niskiego i rozładowanie kondensatora.
5	CV	Wejście sterowania napięciowego. Ustala progi zadziałania komparatorów układu 555.
6	THR	Impuls wyjściowy kończy się, gdy napięcie na tej końcówce przekroczy 2/3 U_CC
7	DIS	Kolektor tranzystora rozładowującego kondensator obwodu czasowego.
8	U_CC	Napięcie zasilania (od +5V do +15V).

Tabela pochodzi z Wikipedii.

Układ do pracy potrzebuje napięcia ok. 5V (max. 15V) i kilku do kilkunastu mA prądu (parametry zależą od producenta i wersji układu). Z jego wyjścia można pobrać do 200mA, co wystarcza do zasilenia nawet kilkunastu diod, głośniczka lub innych elementów o niewielkich wymaganiach. Może też posłużyć do sterowania tranzystorami, przekaźnikami i tym samym sterować dużo większymi prądami.

Nie przejmuj się, jeśli podane informacje nie są jeszcze zrozumiałe. Praktycznymi zastosowaniami tej wiedzy zajmiemy się w następnych częściach z serii artykułów o timerze NE555, wtedy też sytuacja się rozjaśni.

Tego typu wstęp jest po prostu konieczny aby w kolejnych częściach w ogóle wiedzieć o czym mowa. Nie pozostaje mi nic więcej jak zaprosić do przeczytania następnych odcinków, więc – zapraszam .

NE555 – tryb monostabilny

Kontynuujemy omawianie timera NE555. W tej części zajmiemy się trybem monostabilnym, czyli generującym jeden impuls o ustalonych parametrach po wcześniejszym podaniu impulsu na jego wejście wyzwalające. W dalszej części wpisu dowiesz się jak to działa i jak wykonać potrzebne obliczenia.

Działanie NE555 w trybie monostabilnym

Kolejne kroki dziania układu przedstawię w formie kilku kolejnych punktów – łatwiej będzie coś takiego analizować niż zwykły, zbity do kupy blok tekstu. Najpierw jednak schemat, pochodzący z noty katalogowej firmy Fairchild Semiconductor i lekko przeze mnie zmodyfikowany.

NE555 - Tryb monostabilny

Kondensator C2 pełni jedynie pomocnicza funkcję i jego pojemność powinna wynosić kilka-kilkanaście nF.

1. Start

Aby NE555 zabrał się do pracy, należy podać na jego wejście wyzwalające TRIG (wyprowadzenie nr 2) napięcie o wartości mniejszej niż 1/3 napięcia zasilania. Układ reaguje na impulsową zmianę napięcia do stanu niskiego, zadziałaniem wewnętrznego przerzutnika, co skutkuje ustawieniem wyjścia układu (pin nr 3) w stan wysoki. Zostaje również wyłączony tranzystor rozładowujący (jego kolektor jest dołączony do 7 nóżki).

2. Ładowanie się kondensatora C1

Skutkiem wyłączenia tranzystora rozładowującego, który teraz nie przewodzi jest rozpoczęcie ładowania kondensatora C1. Prąd służący do tego przepływa przez rezystor RA i kondensator jest ładowany. Cały czas wyjście jest w stanie wysokim, czyli niewiele mniejszym niż napięcie zasilające układ.

3. Koniec impulsu

Gdy napięcie na kondensatorze (dokładniej na dołączonym do niego wyprowadzeniu THRES, nóżka nr 6) przekroczy 2/3 wartości zasilania, zadziała wewnętrzny komparator przywracający przerzutnik do początkowego stanu. Zakończy się ładowanie kondensatora i zostanie on rozładowany przez rozpoczynający przewodzić tranzystor rozładowujący. Stan wyjścia zmieni się z powrotem na niski i układ będzie oczekiwał na następny impuls wyzwalający.

Na koniec ważna uwaga – impuls wyzwalający powinien się skończyć przed zakończeniem generowania impulsu na wyjściu układu. Jeśli się to nie stanie, na wyjściu mogą występować różne śmieci w postaci skoków napięcia.

Jak dobrać elementy w trybie monostabilnym?

Ustawienie odpowiedniej stałej czasowej nie jest zbyt trudne – wystarczy skorzystać z prostego (nieco uproszczonego w stosunku do pierwowzoru) wzoru:

t=1,1*R*C

Co oznaczają literki?
t – czas impulsu w sekundach
R – wartość oporu rezystora ładującego w omach
C – pojemność kondensatora w faradach

Aby wszystko działało jak najlepiej, C nie powinien mieć pojemności mniejszej niż 1nF, a R oporu mniejszego niż 1kOhm.

Zapraszam do przeczytania następnych wpisów o układzie NE555, które ukażą się na stronie w ciągu następnych tygodni.

NE555 – generator astabilny

W poprzednim wpisie o układzie NE555 pisałem o jego układzie pracy służącym do wytwarzania pojedynczego impulsu. Dzisiaj zajmiemy się pracą timera w znacznie częściej wykorzystywanej roli – generatora impulsów.

Działanie NE555 jako generatora astabilnego

Podobnie jak poprzednio, przeanalizujemy działanie układu w kolejnych krokach. Najpierw jednak schemat:

NE555 jako generator astabilny (NE555 - generator astabilny (Fairchild Semiconductor)

Schemat nie różni się szczególnie od poprzedniego – dodany został rezystor RB, a wejścia RESET i TRIG zostały inaczej podłączone. Nie ma już wejścia wyzwalającego - układ zaczyna pracę od razu po podłączeniu zasilania.

Kondensator C2 pełni jedynie pomocnicza funkcję i jego pojemność powinna wynosić kilka-kilkanaście nF.

1. Po włączeniu zasilania

Zaraz po podaniu zasilania, wewnętrzny przerzutnik włącza się i na wyjściu jest ustawiany stan wysoki. Zostaje też rozpoczęte ładowanie kondensatora C1. Tutaj drobna uwaga – pierwszy impuls trwa dłużej niż następne, ponieważ kondensator jest ładowany od 0V, a później od 1/3 wartości zasilania.

2. Ładowanie się kondensatora C1

Skutkiem wyłączenia tranzystora rozładowującego, kondensator jest ładowany przez rezystory RA i RB. Napięcie na wejściu THRES zaczyna rosnąć.

3. Koniec ładowania kondensatora C1

Gdy napięcie na wejściu THRES przekracza 2/3 napięcia zasilania wewnętrzny komparator powoduje przełączenie przerzutnika. Dzięki temu stan wyjścia zmienia się na niski, a kondensator C1 zaczyna być rozładowywany.

4. Rozładowywanie kondensatora C1

Kondensator jest rozładowywany przez rezystor RB, a na wyjściu nadal utrzymuje się stan niski. Gdy tylko napięcie na wejściu THRES spadnie do poziomu 1/3 wartości napięcia zasilania, przerzutnik jest ponownie przełączany, na wyjściu pojawia się stan wysoki, kondensator C1 zaczyna być ładowany. Proces zaczyna przebiegać od początku – jeśli chcesz zrobić pętelkę, skocz do punktu drugiego.

Jak dobrać elementy do generatora astabilnego?

W przypadku generatora astabilnego mamy dwa wzory – jeden określa długość trwania stanu wysokiego, a drugi stanu niskiego:

TH=0,693*(RA+RB)*C

TL=0,693*RB*C

Przy wykonywaniu obliczeń najlepiej przyjąć jakieś początkowe wartości elementów, a resztę dopasowywać tak, aby uzyskać pożądany wynik.

Zasilacze – jak dobierać?

Czego potrzebuje każde urządzenie elektroniczne? Zasilania. Bez dostaw energii elektrycznej o odpowiednim napięciu i natężeniu prądu nic nie zadziała. W kliku artykułach z tej serii nauczymy się dobierać i konstruować zasilacze odpowiednie do wymagań stawianych przez urządzenie.

Najpierw zastanówmy się w jaki sposób można zasilać urządzenia? Po chwili namysłu może Ci przyjść do głowy wiele pomysłów, takich jak np.:

zasilanie wprost z sieci,
tradycyjny zasilacz transformatorowy,
zasilacz impulsowy,
akumulator lub bateria,
bateria słoneczna i inne ekologiczne źródła energii.

Dosyć oczywistym wnioskiem jest to, że nie każdym sposobem da się zasilić każde urządzenie. Jeśli coś wymaga zasilania dużą mocą, to trudno będzie dostarczyć mu w sposób ciągły potrzebną energię z baterii lub podobnego źródła energii. Gdy jednak mamy do zasilenia niewielkie, energooszczędne urządzenie, warto zastanowić się nad wykorzystaniem tych źródeł do ich zasilania.

Spróbujmy wyszczególnić cechy poszczególnych rozwiązań, będzie to przydatne podczas późniejszego dobierania pod konkretne projekty urządzeń.

Zasilanie wprost z sieci energetycznej

Tutaj mamy dosyć ograniczone pole zastosowań – w sieci płynie prąd przemienny, który bezpośrednio nadaje się do zasilania głównie prostych urządzeń elektrycznych np. silników i żarówek, a nie układów elektronicznych, które wymagają znacznie mniejszych napięć, a przede wszystkim prądu stałego.

Wyjątkiem mogą być stare urządzenia lampowe, w których potrzebne było napięcie zasilania podobne do sieciowego. W niektórych modelach dla oszczędności nie montowano transformatora – prąd z sieci był jedynie prostowany i filtrowany. Musze zaznaczyć, że nie było to zbyt bezpieczne rozwiązanie – w razie awarii mogło dojść do porażenia pełnym prądem sieci energetycznej, której wydajność jest jak wiemy ogromna. Problem ten można było w prosty sposób rozwiązać, stosując transformator – nawet separacyjny o przekładni napięciowej równej 1 (nie zwiększa, ani nie zmniejsza napięcia po stronie wtórnej).

Zasilanie z użyciem transformatora

Taki sposób zasilania był i dalej jest często stosowany. Transformatory są znane i wykorzystywane praktycznie od czasu, kiedy elektryczność jeszcze raczkowała. Jak pisałem wcześniej w artykule o przesyłaniu energii elektrycznej, to dzięki transformatorom jest możliwe unikanie gigantycznych strat energii podczas jej przesyłania.

Zbudowanie zasilacza transformatorowego jest proste – wystarczy sam transformator, mostek prostowniczy zbudowany z czterech diod i kondensator filtrujący (więcej o tym napiszę w następnej części z tej serii). Mimo tego, zasilacze transformatorowe posiadają dosyć dobre parametry, pozwalające na ich używanie w większości urządzeń.

Z powodu prostej budowy, rozwiązanie to jest bardzo popularne wśród hobbystów, ale w fabrycznych urządzeniach coraz częściej stosuje się…

Zasilacze impulsowe

W zasilaczach impulsowych transformatory praktycznie nie występują, jeśli już to służą do dostarczania energii układom sterującym. Za to można często spotkać inne elementy indukcyjne – cewki.

Zasilacze impulsowe są dużo bardziej skomplikowane niż transformatorowe, ale i też dzięki dobrym układom sterującym mogą zapewniać bardzo dobre parametry. Napięcie wyjściowe jest stabilne i w dużym stopniu niezależne od pobieranego prądu, czego nie można powiedzieć o zwykłych zasilaczach. Można oczywiście poprawić ich działanie z pomocą stabilizatorów, ale zasilacze impulsowe mają to najczęściej niejako w standardzie.

Niewątpliwą zaletą zasilaczy impulsowych jest ich mały rozmiar i waga oraz niższe koszty materiałów potrzebnych do produkcji - zużywana jest znacznie mniejsza ilość cennych metali. To dlatego są bardzo często stosowane w nowych, fabrycznych urządzeniach – na przykład twój komputer jest najprawdopodobniej zasilany przez zasilacz impulsowy o kilku napięciach wyjściowych i sporej wydajności.

Zasilaczy impulsowych nie warto stosować w precyzyjnych urządzeniach pomiarowych i układach pierwszych stopni wzmacniaczy audio. Mogą one generować zakłócenia o częstotliwości odpowiadającej tempu “pompowania” ładunków elektrycznych przez zasilacz. Zakłócenia te mogą się odbić na kształcie sygnału o niewielkiej amplitudzie i przez to znacznie wpłynąć na jej końcowy kształt.

Może spotkałeś(-aś) się kiedyś z piszczącą ładowarką do telefonu – prawie na pewno pracował tam zasilacz impulsowy. Piszczał z powodu pracy z częstotliwością słyszaną przez człowieka. Któryś z elementów najwyraźniej zadziałał jak głośnik, poruszając się minimalnie w takt sygnału.

Zasilanie akumulatorowe i bateryjne

Zasilanie z akumulatora lub baterii jest bardzo proste – wystarczy podpiąć i gotowe. Nie trzeba prostowników, nie trzeba sterowników, można dodać jedynie kondensator dla zaspokojenia chwilowych skoków poboru mocy.

Zaletą baterii i akumulatorów jest ich przenośność - nie ma żadnych kabli zasilających. Niestety, jest też druga strona medalu – tego typu źródła energii trzeba ładować lub wymieniać. Im większe zużycie energii przez urządzenie, tym częściej trzeba to robić. Dlatego ten sposób zasilania sprawdza się głównie w urządzeniach o niewielkim zapotrzebowaniu na prąd elektryczny.

Długość pracy można zwiększyć poprzez zastosowanie zasilacza impulsowego, który będzie rozładowywał baterie znacznie bardziej efektywnie i pozwoli wycisnąć z nich jeszcze więcej i dając na wyjściu cały czas odpowiednie napięcie – nawet gdy bateria zeszła już do znacznie niższego poziomu. W podobny sposób działa kilka połączonych ze sobą elementów w latarce diodowej zasilanej jedną baterią typu paluszek.

Zasilanie z niekonwencjonalnych źródeł

Swoje urządzenia można też próbować zasilać z pomocą ostatnio modnych, ekologicznych źródeł energii. łatwo jest skorzystać z energii niesionej przez promienie słoneczne – wystarczy do tego bateria słoneczna. Wiejący wiatr czy płynąca woda mogą wprawiać w ruch prądnicę i tym samym wytwarzać potrzebną energię elektryczną.

Niestety, są to zawodne i kłopotliwe sposoby. Słońce musi mocno świecić, wiatr wiać, woda płynąć. Jeśli przestaną, zabraknie energii i urządzenie przestanie pracować. Problem można rozwiązać na kilka sposobów. Zasilanie niekonwencjonalne może być tylko pomocnicze – jeśli go zabraknie, nic złego się nie stanie. Ekologiczne źródło zasilania może w czasie pracy ładować akumulator, który będzie dostarczał energii w czasie, kiedy źródło energii będzie pracować niewydajnie.

Trzeba przyznać, że tego typu źródła energii są duża szansą na przyszłość – ogniwa słoneczne są coraz bardziej wydajne, a układy elektroniczne dzięki miniaturyzacji potrzebują do działania coraz mniejszych ilości energii. Kiedyś może się okazać, że do zasilania telefonu wystarczy sama jego obudowa pokryta materiałem, wytwarzającym energię ze światła.

Zasilacze – najzwyklejszy zasilacz transformatorowy

Zasilacz transformatorowy to bardzo proste, ale i często przydatne urządzenie. Do jego zbudowania wystarczy zaledwie kilka elementów, a możliwych zastosowań jest naprawdę sporo.

Jak działa zasilacz transformatorowy?

Działanie zasilacza polega na dostosowywaniu napięcia sieci elektrycznej do parametrów wymaganych przez zasilane urządzenie. Z czym się to zazwyczaj wiąże?

Zmniejszenie napięcia
Zamiana prądu zmiennego na stały (prostowanie)
Filtrowanie napięcia

Te wszystkie trzy funkcje realizuje prosty zasilacz zbudowany według schematu z poniższego rysunku:

Schemat zasilacza

Przeanalizujmy pokrótce działanie tego układu: Na wejście podajemy prąd zmienny z sieci elektrycznej. Przepływa on przez transformator, na którego wyjściu pojawia się napięcie bardziej odpowiednie do dalszej obróbki. Prąd o obniżonym (najczęściej) napięciu płynie dalej przez prostownik zbudowany z czterech diod. Po wyprostowaniu, napięcie wzrasta ok. 1,41 raza (o czym w dalszej części artykułu). Następnym jego przystankiem jest kondensator filtrujący C1, który filtruje tętnienia sieci, zbierając nadwyżki energii gdy jest jej pod dostatkiem i oddając w “dołku”. Po przefiltrowaniu prąd trafia do zasilanego urządzenia.

Jak dobrać elementy zasilacza?

Transformator powinien mieć przede wszystkim moc wystarczająca by spełnić zapotrzebowanie na energię zasilanego układu. Jeśli moc będzie niewystarczająca, zacznie spadać napięcie na wyjściu, co może prowadzić do wadliwej i niestabilnej pracy zasilanego urządzenia. Dlatego warto zostawić zapas mocy w wysokości chociaż kilkunastu procent. Jeśli chodzi o napięcie nominalne transformatora – należy pamiętać o tym, że po wyprostowaniu wzrośnie 1,41 raza (dokładniej o pierwiastek z 2), a po przejściu przez prostownik spadnie 0 dwa napięcia przewodzenia diody, czyli ok. 1,4V. Można zapisać wzór na a wymagane napięcie transformatora:

U_nom=(U_wy+1,4)/1,41

Takie napięcie powinno wystąpić w idealnych warunkach. W praktyce rzadko kiedy występują sytuacje idealne, podobnie jest z transformatorem. Jego parametry zmieniają się w zależności od obciążenia. Inaczej będzie się zachowywał przy niewielkim poborze prądu, a inaczej przy pracy pełną parą. Warto wziąć niewielką poprawkę na parametry transformatora i projektować zasilacz o trochę większym napięciu niż wymagane. Jeśli układ wymaga zasilania precyzyjnie dobranym napięciem, warto zastanowić się nad zbudowaniem zasilacza stabilizowanego, ale o tym w następnym artykule z zasilaczowej serii.

O mostku prostowniczym w zasadzie nie ma się co rozpisywać, to najmniej problemowy element zasilacza. Powinien się składać z czterech diod prostowniczych o odpowiednio dużym dopuszczalnym prądzie pracy i to wszystko. Jaki prąd maksymalny jest odpowiedni? Diody pracują na zmianę po dwie i mogą pracować impulsowo z większą mocą. Zatem wystarczy, aby diody były przeznaczone do pracy z prądem połowę mniejszym od maksymalnego prądu zasilacza. Warto jednak zainwestować kilka groszy więcej w diody o większym prądzie, tak na wszelki wypadek. W handlu dostępne są również gotowe mostki prostownicze dostępne w jednej obudowie, często jest to wygodniejsze i lepsze rozwiązanie.

Kondensator filtrujący to bardzo ważny element, bez niego urządzenie było by zasilane porcjami prądu, a nie prądem o stałych parametrach. Napięcie skakało by także w bardzo dużym zakresie. Jaka powinna być pojemność kondensatora filtrującego? Jak największa, nie ma przeciw temu praktycznie żadnych przeciwwskazań. Niestety, osiągniecie dużych pojemności przy dobrej jakości kondensatorach jest dosyć drogie, a same kondensatory mogą zająć naprawdę sporo miejsca. Pojemność kondensatora można obliczyć z poniższego wzoru:

C=I_wy/(2*f*U_t)

(I_wy – prąd wyjściowy zasilacza, f – częstotliwość sieci energetycznej; najprawdopodobniej 50Hz, U_t – dopuszczalne napięcie tętnień)

Powyższe wiadomości powinny wystarczyć do zbudowania prostego zasilacza o parametrach wystarczających do zastosowań o niewielkich wymaganiach. Zasilaczami o lepszych parametrach zajmiemy się w następnym artykule o zasilaczach.

Zasilacze – proste stabilizatory

Zastosowanie stabilizatora napięcia to kolejny krok do polepszenia parametrów zasilacza. W sprzedaży dostępne są popularne, niedrogie i w większości przypadków wystarczające stabilizatory z serii 78XX i 79XX. To właśnie nimi zajmiemy się w tym wpisie.

Zacznijmy może od podstaw, czyli oznaczeń. Stabilizatory te zostały wypuszczone w dwóch seriach:

78XX – stabilizatory napięcia dodatniego,
79XX – stabilizatory napięcia ujemnego.

Zamiast XX podstawiamy wartość napięcia. Dostępne są następujące wartości: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 (jeśli jest jedna cyfra, z przodu dopisujemy 0). Tak więc (skądinąd popularny) stabilizator napięcia dodatniego 5V będzie nosił oznaczenie 7805. Może się też pojawić coś ekstra dla oznaczenia producenta np LM7805.

Standardowym prądem tego typu stabilizatorów jest 1A, ale istnieją też inne wersje różniące się tym parametrem. Stabilizatory posiadają dosyć dobre zabezpieczenia np. przed przegrzaniem, a do działania nie wymagają wielu dodatkowych elementów – wystarczy kilka kondensatorów.

Właściwie jedyną wadą stosowania stabilizatorów liniowych 78XX i 79XX jest to, że wymagają one nieco większego napięcia, które jest potrzebne do ich prawidłowej pracy. W przypadku omawianych stabilizatorów ten dodatkowy margines wynosi 2V. Najlepiej samemu sprawdzić w karcie katalogowej pod hasłami takimi jak Vdrop czy Dropout Voltage. Nie należy też przesadzać w drugą stronę – jeśli napięcie będzie za duże, może to doprowadzić do wydzielania się w układzie dużych mocy, które doprowadzą do jego przegrzewania się. Jeśli układ mocno się grzeje, wskazane jest dokręcenie nawet niewielkiego radiatora.

Układy posiadają trzy wyprowadzenia – wejściowe, wyjściowe i służące do doprowadzenia masy, ich rozkład w przypadku najpopularniejszej obudowy można zobaczyć na poniższym rysunku:

Obudowa 78XX

Jeśli chodzi o schemat zasilacza z stabilizatorem – niżej pokazany jest wariant z 78XX. W przypadku 79XX jest bardzo podobnie. Różnice są związane z tym, że stabilizowane jest napięcie ujemne względem masy. Przez to ulega zmianie biegunowość kondensatorów elektrolitycznych, a stabilizator będzie się znajdował w gałęzi ujemnej i najlepiej rysować go wtedy z masą poprowadzoną do góry.

Schemat zasilacza z 78XX

Kondensatory C2 i C3 powinny znajdować się jak najbliżej wyprowadzeń stabilizatora. Pojemności elektrolitów C1 i C4 można zmienić – im większe, tym lepsze filtrowanie i odwrotnie.

To by było na tyle w tej części. W następnych wpisach z zasilaczowej serii jeszcze o stabilizatorze regulowanym i przetwornicy impulsowej.

Kurs Podstaw Elektroniki cz. 8

wzmacniacze operacyjne.

Aby móc dobrze zrozumieć zasadę działania wzmacniaczy operacyjnych, niezbędne jest poznanie pojęcia sprzężenia zwrotnego. Cóż to takiego?

Sprzężenie zwrotne

Sprzężenie zwrotne polega na oddziaływaniu sygnału wyjściowego na sygnał wejściowy. Sygnał ten może oddziaływać na dwa sposoby - może dodawać się do niego lub odejmować. Dlatego wyróżniamy dwa typy sprzężenia:

Sprzężenie dodatnie – sygnał wejściowy i wyjściowy się sumują. Znajduje zastosowanie np. w generatorach.
Sprzężenie ujemne – sygnał z wyjścia jest odejmowany od wejściowego. Przydatne gdy chcemy uzyskać dobre parametry podczas wzmacniania sygnału.

Powyżej dokonałem pewnego uproszczenia, ponieważ zwykle nie jest dodawana lub odejmowana całość sygnału wyjściowego, a jedynie jego część.

Działanie wzmacniacza operacyjnego

Symbol wzmacniacza operacyjnego

Wzmacniacz operacyjny to element o trzech wyprowadzeniach (+zasilanie, najczęściej symetryczne). Dwa z nich to wejścia, jedno to wyjście. Działanie wzmacniacza operacyjnego jest proste, choć na początku może się wydawać skomplikowane i nieco dziwne, ale spokojnie. Uporamy się z tym.

Wejście wzmacniacza operacyjnego to wejście różnicowe. Posiada on dwa wyprowadzenia wejściowe - jedno z nich jest wejściem odwracającym (oznaczone znakiem “-”), drugie nieodwracającym (dla odmiany ze znaczkiem “+”). Wejście to działa w sposób następujący:

Zwiększanie napięcia na wejściu nieodwracającym (“+”) prowadzi do zwiększania napięcia na wyjściu. Zwiększanie napięcia na wejściu odwracającym (“-”) powoduje zmniejszanie się napięcia wyjściowego i odwrotnie – zmniejszanie napięcia na tym wejściu skutkuje wzrostem napięcia na wyjściu. W przypadku gdy podamy na oba wejścia to samo napięcie, na wyjściu wystąpi napięcie 0V, ponieważ napięcia te zrównoważą się; różnica między nimi wyniesie 0V.

Następnie napięcie z wejścia różnicowego jest wzmacniane… jakieś kilka – kilkaset tysięcy razy (nawet do miliona, w zależności od modelu wzmacniacza). Szybko nasuwa się pytanie – jak to ma działać ? Przecież gdy różnica napięcia wyniesie nawet 0,5V, wywoła ono na wyjściu różnicę o np. 50000V (dla wzmocnienia równego 100000x) ! Co prawda, z przyczyn konstrukcyjnych, takie napięcie nie wystąpi na wyjściu układu scalonego, będzie tam za to tyle, ile się da, czyli prawie pełne napięcie zasilania. Nie ułatwi to jednak sprawy.

Tutaj wkracza do akcji sprzężenie zwrotne – dzięki niemu jest możliwe wystąpienie na wyjściu układu napięć innych niż bliskie napięciom zasilania. Zastanówmy się jaki warunek trzeba spełnić aby na wyjściu wystąpiło napięcie np. 3V przy wzmocnieniu 10000 razy). Wystarczy wykonać proste działanie:
3V/10000 = 0,0003V = 300µV
Niewiele, co? Wniosek jest prosty – na obu wejściach musi występować prawie identyczne napięcie. Da się to osiągnąć poprzez zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego, o którym więcej powiemy sobie przy okazji wtórnika napięciowego i innych praktycznych zastosowań wzmacniaczy operacyjnych.

Wtórnik napięciowy

Wtórnik to najprostsza rzecz jaką można zrobić z użyciem wzmacniacza operacyjnego – wystarczy podawać sygnał na wejście nieodwracające i połączyć wejście odwracające z wyjściem, a na wyjściu będą występować praktycznie te same sygnały, co na wejściu.

Schemat wtórnika napięciowego

Zgodnie z tym, co ustaliliśmy wcześniej, różnica napięć wejściowych musi być bardzo niewielka aby układ był zdolny do wiernego przetwarzania sygnału. Dzięki podawaniu pełnego napięcia wyjściowego na wejście odwracające, różnica między nim i sygnałem wyjściowym zawsze zmierza do zera. Jeśli na wyjściu napięcie jest za duże, napięcie na wejściu różnicowym zmaleje i tym samym stan na wyjściu będzie odpowiedni. Tak właśnie działa pętla sprzężenia zwrotnego, pozwala na korekcję sygnału, tak aby był jak najwierniejszy oryginalnemu.

Dobrze, ale do czego się taki wtórnik może przydać? Wejścia wzmacniacza operacyjnego pobierają bardzo niewielki prąd lub nie pobierają go wcale (zależy do budowy jego stopni wejściowych), za to z jego wyjścia można pobierać znacznie większe ilości elektronów. Wtórnik może posłużyć do odciążenia źródła sygnału o niewielkiej wydajności prądowej lub “podkradania” jego stanu bez wprowadzania znaczących zmian spowodowanych poborem prądu.

Wzmacniacz nieodwracający

Wzmocnienie większe niż 1 (jak było w przypadku wtórnika napięciowego) można uzyskać przez zmniejszenie części sygnału wracającego na wejście poprzez pętlę sprzężenia zwrotnego. W praktyce robi się to z pomocą dzielnika rezystorowego wg. schematu:

Schemat wzmacniacza nieodwracającego

Dzięki sprzężeniu zwrotnemu, napięcie na wejściu odwracającym (“-”) będzie dążyć do zrównania się z napięciem wejściowym, występującym na wejściu nieodwracającym. Pętlą nie wraca jednak pełne napięcie wyjścia, a jedynie jego część. Nadal występuje różnica na tyle duża, aby napięcie na wyjściu dalej rosło (przyjmijmy, że wzmacniamy sygnał o dodatnim napięciu względem masy). Napięcie to będzie rosło aż do czasu zmniejszenia się różnicy między wejściami wzmacniacza operacyjnego do zera.

Skutek tego jest następujący: na wyjściu wystąpi sygnał praktycznie identyczny kształtem do sygnału wejściowego, ale o większej amplitudzie. Wzmocnienie jest równe:

G = 1+R2/R1

Jak widać ze wzoru, wzmocnienie nie może być mniejsze niż 1. Wzmacniacz równie dobrze sobie radzi z napięciami stałymi jak i zmiennymi. Posiada również zaletę wspomnianą podczas omawiania wtórnika – pobiera niewielki, wręcz zerowy prąd.

Wzmacniacz odwracający

Tym razem weźmy na warsztat inny układ, choć działający podobnie do poprzedniego. Tym razem dołączmy wyjście nieodwracające do masy, a dzielnik rezystorowy zastosujmy wprost na wejściu wg. schematu z rysunku poniżej:

Schemat wzmacniacza odwracającego

Przyjmijmy, że znów wzmacniamy dodatnie napięcie. Popłynie ono przez rezystor R1 i trafi na wejście odwracające. Wzrost napięcia na tym wyjściu poskutkuje powstaniem na wejściu różnicowym napięcia o wartości ujemnej. Zostanie ono wzmocnione bardzo dużo razy i podane na wyjście wzmacniacza operacyjnego. Stamtąd trafi z powrotem do wejścia odwracającego przez rezystor R2 i obniży potencjał na nim panujący. Dzięki temu sytuacja po chwili ustabilizuje się i na wyjściu układu zapanuje napięcie wzmocnione o:

G = -R2/R1

Ten minus to nie pomyłka – na wyjściu wystąpi napięcie odwrócone w fazie. Dla przykładu 3V wzmocnione -2 razy da na wyjściu -6V. Jak można wywnioskować, dlatego ten wzmacniacz nazwano wzmacniaczem odwracającym. Z wzoru można również wywnioskować, że wzmacniacz ten może nie tylko wzmacniać, ale i osłabiać sygnał – wzmocnienie może być mniejsze od 1 (a właściwie -1).

Jak zwykle, jest kilka prostych pytań dla powtórzenia:

Pytania:

Co to jest sprzężenie zwrotne?
Jakie są rodzaje sprzężenia zwrotnego?
Ile i jakich wyprowadzeń posiada wzmacniacz operacyjny?
Jakie napięcie znajduje się na wyjściu wtórnika napięciowego?
Czym różni się wzmacniacz odwracający od nieodwracającego?

Odpowiedzi:

Sprzężenie zwrotne to oddziaływanie na sygnał wejściowy przez sygnał wyjściowy układu.
Dodatnie i ujemne.
Wzmacniacz operacyjny posiada dwa wejścia (odwracające i nieodwracające) oraz jedno wyjście. Można jeszcze wspomnieć o końcówkach zasilających.
Takie samo (lub przynajmniej bardzo podobne) jak na wejściu.
Fazą napięcia wyjściowego (wzmacniacz odwracający zgodnie z nazwą ją odwraca) oraz możliwością uzyskania wzmocnienia mniejszego niż 1 (wzmacniacz nieodwracający nie może mieć wzmocnienia mniejszego niż 1).

KONIEC