Lekcję 13 zaczniemy od poznania układu cyfrowego CD4093.

Co to za układ? Odpowiedź jak zwykle znajdziemy w nocie katalogowej (można ją znaleźć na stronie sklepu internetowego www.celtor.pl -> układy scalone -> układy cyfrowe -> układy cyfrowe seria CD).

Pełna nazwa układu cyfrowego CD4093 brzmi: „CMOS Quad 2-input NAND Schmitt Triggers”. Jest to wytworzony w technologii CMOS (odnosi się do budowy wewnętrznej układu i użytych do jego budowy tranzystorów) poczwórny (w jednej obudowie mamy aż 4 układy bramki logiczne), 2-wejściowe typu NAND (nie i) z układem przełączającym Schmitta. Myślę, że po lekcji 12, w której zaczęliśmy omawiać układy cyfrowe, już sama nazwa układu CD40106 daje nam o nim sporo informacji.

Koniecznie musimy także zapoznać się ze schematem u góry noty katalogowej, zatytułowanym „functional diagram”, który jest niezbędny, jeśli chcemy zbudować jakiś obwód z wykorzystaniem układu CD4093.

Tyle tytułem wstępu, a teraz przejdźmy do wykorzystania naszego układu w praktyce.

Powyższy obwód bardzo przypomina te z poprzedniej lekcji. Do źródła zasilania najpierw podłączony został stabilizator napięcia w otoczeniu kondensatorów, którego zadaniem jest dostarczanie do naszego układu stałego napięcia 5V.

Oba wejścia (nóżka 1 i 2 układu) początkowo połączone są do plusa, więc układ CD4093 odczytuje je jako logiczne „1”. Z wyjściem (nóżka 3) połączony jest rezystor (u mnie tak jak poprzednio nieco większy niż trzeba, bo 1kΩ) i czerwona dioda LED, której świecenie będzie sygnalizowało logiczne „1”.

W tym doświadczeniu będziemy zmieniać podłączenie wejść układu CD4093 i obserwować efekt na wyjściu, aby doświadczalnie stworzyć tzw. tablicę prawdy.

• oba wejścia (nóżka 1 i 2) podłączono do plusa

efekt: dioda LED nie świeci, czyli na wyjściu mamy stan logiczny 0

 

• jedno wejście (nóżka 1) podłączono do plusa, drugie (nóżka 2) do minusa

efekt: dioda LED świeci, czyli na wyjściu mamy stan logiczny 1

 

• jedno wejście (nóżka 2) podłączono do plusa, drugie (nóżka 1) do minusa

efekt: dioda LED świeci, czyli na wyjściu mamy stan logiczny 1

 

• oba wejścia (nóżka 1 i 2) podłączono do minusa

efekt: dioda LED świeci, czyli na wyjściu mamy stan logiczny 1

 

Pozostało nam już tylko zebrać otrzymane doświadczalnie wyniki w tabeli prawdy, gdzie kolumna a to poszczególne stany logiczne nóżki 1, kolumna b to poszczególne stany logiczne nóżki 2, a kolumna ab to efekt jaki otrzymaliśmy na wyjściu – nóżce 3 układu CD4093.

Układ CD4093, podobnie jak układ CD40106 omawiany na poprzedniej lekcji, posiada układ Schmitta. Dzięki niemu przy powolnie zmieniającym się napięciu na wejściu (lub wejściach) układ będzie łagodnie (bez niekontrolowanych skoków) przechodził w stan logiczny 0 lub 1, w zależności jak przebiegają zmiany napięcia na wejściu (-ach).

A jak wygląda wykres obrazujący histerezę przełączeń układu CD4093? Oto co znajdziemy w nocie katalogowej:

Jak widzicie wykres jest nieczytelny – przy napięciu zasilania 5V zmiany przełączeń zachodzą w okolicach 2,5V na wejściu. W swojej karierze pewnie jeszcze wiele razy spotkacie się z notami katalogowymi, które tak jak ta, są mało czytelne. Nie zrażajcie się tym – sami doświadczalnie wyznaczymy histerezę naszego obwodu!

Powyższy układ, od tego w doświadczeniu 1 różni się tym, że nóżkę 1 układu 4093 połączono na stałe do plusa – na niej zawsze będzie stan logiczny 1. Wyprowadzenie drugiej nóżki podpięto pod potencjometr – stan logiczny będzie się zmieniał przyjmując wartość 0 lub 1.

Początkowo skręćcie swój potencjometr maksymalnie w lewą stronę – nóżka 2 układu CD4093 jest połączona z plusem, a dioda LED nie świeci. Powolutku przekręcajcie pokrętło potencjometru w prawą stronę do momentu, aż zaświeci się dioda LED. Przykładając sondy multimetru do drugiej nóżki układu CD4093 oraz do minusa zasilania zmierzcie napięcie. Ja uzyskałam wartość 1,99V.

Teraz skręćcie swój potencjometr maksymalnie w prawą stronę – nóżka 2 układu CD4093 jest połączona z minusem, a dioda LED świeci. Powolutku przekręcajcie pokrętło potencjometru w lewą stronę do momentu, aż przestanie świecić dioda LED. Przykładając sondy multimetru do drugiej nóżki układu CD4093 oraz do minusa zasilania zmierzcie napięcie. Ja uzyskałam wartość 2,78V.

Pozostało nam już tylko na podstawie uzyskanych doświadczalnie wyników sporządzić wykres histerezy przełączeń:

Jeśli macie ochotę na coś bardziej skomplikowanego, a jednocześnie potencjalnie przydatnego w codziennym życiu, z pewnością zaciekawi Was taki oto układ:

Jest to schemat prostego układu alarmowego. Stopień skomplikowania układu wymusił inną formę jego zapisu niż dotychczas przywykliśmy – w większości miejsc minus nie jest bezpośrednio połączony z baterią, ale oznaczony trzema poziomymi kreskami.

Jak na pewno zauważyliście pojawił się tu nowy element oznaczony symbolem SG1. Jest to buzzer, czyli po prostu brzęczyk.

Przejdę teraz do zasady działania naszego układu alarmowego.

Prąd wychodzący z baterii na początku standardowo napotyka stabilizator napięcia 7850 w otoczeniu kondensatorów. Dzięki temu zabiegowi do układu CD4093 trafia napięcie 5V.

W najbliższym otoczeniu pierwszego układu CD4093 (CD4093a) znajdują się dwa rezystory (R1, R2) oraz dwa przełączniki (S1, S2), które normalnie (czyli w sytuacji gdy alarm pozostaje wyłączony) są zwarte.

W sytuacji, gdy przełączniki S1 i S2 są zwarte, na obu wejściach układu CD4093a mamy stan logiczny 0, a na wyjściu stan logiczny 1. Jeśli zwarty pozostaje tylko jeden przełącznik, na wejściach układu CD4093a mamy stan logiczny 0 i 1, ale na wyjściu dalej mamy logiczne 1. Do zmiany tej sytuacji i uzyskania na wyjściu bramki CD4093a stanu logicznego 0 oba przełączniki musiałyby równocześnie zostać rozwarte.

 Załóżmy, że nasz „włamywacz” nie zdążył jeszcze rozewrzeć nam styków na przełączniku S1 i S2, a na wyjściu układu CD4093a mamy logiczne 1. Prąd płynie w kierunku pierwszego wejścia układu CD4093d. Co z drugim wejściem tego układu?

Przełącznik S3 normalnie (gdy alarmy jest wyłączony) pozostaje rozwarty. Prąd płynie wtedy od stabilizatora, przez rezystor R3, do drugiego wejścia układu CD4093a i jest przez niego odczytywany jako stan logiczny 1.

Stan logiczny 1 na obu wejściach układu CD4093a da nam na wyjściu stan logiczny 0. Do bazy tranzystora T1 nie będzie płynął prąd, dlatego też pozostanie on wyłączony, a buzzer nie będzie brzęczał.

Teraz pytanie do Was – w jakiej lub w jakich sytuacji alarm będzie brzęczał?

 

Dla podpowiedzi ponownie zamieszczam tablicę prawdy układu CD4093:

Wiecie już? Kluczowe są dla nas sygnały jakie układ CD4093d odbiera na wejściach. Tylko w sytuacji, gdy na obu wejściach mamy logiczne 1 alarm pozostanie wyłączony. Jeśli choć na jednym z tych wejść (bądź obu) pojawi się logiczne 0, alarm się włączy.

Aby uruchomić alarm, nasz „włamywacz” musi:

• rozewrzeć styki S1 i S2 – w tej sytuacji nie ważne co dzieje się ze stykiem S3;
• zewrzeć styk S3 – w tej sytuacji nie ważne co dzieje się ze stykami S1 i S2.

Jeśli z jednego z powyższych powodów na wejściach układu CD4093d nie będzie dwóch logicznych 1, na jego wyjściu otrzymamy logiczne 1. Do bazy tranzystora T1 popłynie prąd, który spowoduje jego włączenie.

Prąd z buzzera przejdzie przez złącze kolektor – emiter tranzystora T1 i napotka na tranzystor T2… tu się na chwile zatrzymamy.

Spójrzcie na układy CD4093b i CD4093c, są one połączone ze sobą w specyficzny sposób. Jeśli uważnie czytaliście poprzednią lekcję zauważycie, że jest to generator fali prostokątnej (z tego powodu pomiędzy układem CD4093c a rezystorem R6 narysowałam prostokątny przebieg). Jako, że generator był szczegółowo opisany w lekcji 12 nie będę tu powtarzać zasady jego działania.  Powiem tylko, że prąd do bazy tranzystora T2 dociera falami, więc tranzystor T2 co chwile włącza się i wyłącza.

Jaki to ma wpływ na brzęczenie buzzera? Ogromny! Przecież prąd płynie tylko w układzie zamkniętym od bieguna plusowego do masy. Jeśli tranzystor T2 będzie chwilowo wyłączony, nie będzie połączenia z masą, a prąd chwilowo nie będzie płynął przez buzzer.

W zależności jak dobierzemy elementy generatora, otrzymamy buzzer załączający i wyłączający  z różną częstotliwością. Jeżeli nie posiadamy buzera z wbudowanym generatorem dźwięku to możemy dobrać tak elementy R5 i C5 aby na wyjściu otrzymać przebieg np 1kHz i zasilać nim głośniczek.

Zastanówmy się nad parametrami użytych w powyższym schemacie podzespołów.

Rezystory R1, R2, R3 musimy dobrać w ten sposób, aby przez zwarte przełączniki S1 i/lub S2 i/lub S3 nie płynął zbyt wysoki prąd. Dlaczego? W zasadzie to powody są dwa. Po pierwsze im większy będzie płynął prąd tym szybciej rozładuje się nam bateria. Po drugie, w zależności od tego gdzie i w jaki sposób będziemy chcieli zastosować nasz układ w miejsce przełączników może być podpięty długi i cienki drucik, który ewentualny „włamywacz” przerwałby w momencie otwierania np. podłączonych do alarmu drzwi. Problem polega na tym, że jeśli przez takie długie i cienkie druciki będzie płynął duży prąd to układ będzie mniej podatny na zakłócenia z zewnątrz. W przeciwnym razie długie przewody zadziałają jak antena i układ może bardziej reagować na czynniki zewnętrzne. Warto również zmodyfikować trochę układ i równolegle z S1,S2,S3 dołączyć kondensatory np 100nF, które dodatkowo zapobiegną powstawaniu zakłóceń (wytłumią je). Być może do tego zjawiska powrócimy przy okazji kolejnych lekcji. Na razie skupimy się na dobraniu rezystorów R1, R2 i R3, tak by miały one dość wysoką rezystancję. Ja wybrałam 10kΩ. Są to bardzo popularne i często wykorzystywane rezystory, które dadzą nam gwarancję, że nie popłynie przez nie duży prąd (I=5V/10kΩ=0,5mA).

Rezystory R4 i R6 dobiera się w ten sam sposób – istotny jest tu prąd bazy tranzystora BC548B, a od prądu bazy zależy prąd kolektora. Jak wiemy z poprzednich lekcji natężenie w obu tych przypadkach nie może być zbyt duże. Maksymalny prąd kolektora, jak wynika z noty, to 500mA. To jednak bardzo wysokie natężenie, my przyjmiemy I_C = 200mA.

I_C = β x I_B

Współczynnik wzmocnienia tranzystora BC548B mieści się w przedziale 200 do 450. Ja w tym miejscu przyjmę jego wartość średnią 325.

I_B = 200mA / 325

I_B = 0,6mA

R = 4,95V / 0,6mA = 8250Ω

Ja za rezystor R4 i R6 przyjmę 10kΩ.

Ostatnie podzespoły, które trzeba jakoś dobrać to rezystor R5 i kondensator C5. Jakie mają być ich parametry? Obojętnie! Wszystko zależy od tego jak chcecie, aby brzęczał buzzer. Ja, tak jak na poprzedniej lekcji, wstawię w tym miejscu rezystor 1MΩ i kondensator elektrolityczny 1uF, a gdyby brzęczenie alarmu było zbyt częste lub rzadkie zamienimy je na inne.

Nie pozostało nam nic innego jak zmontowanie układu na płytce stykowej:

Oczywiście zaproponowany przeze mnie układ alarmowy jest bardzo prosty i ograniczony w ewentualnych zastosowaniach. Jeśli nasz „włamywacz” ponownie zewrze lub rozewrze określone styki alarm się wyłączy (chyba że użyjecie w ich miejsce cienkich drucików, które przy próbie otwarcia zabezpieczonej rzeczy zerwą się).