Na tej lekcji chce Wam zaproponować ciekawy układ dzięki któremu po naciśnięciu jednego z przycisków zapali się określona dioda. Układ zbudujemy na tranzystorach npn i pnp.

Jeśli dokładnie przyjrzycie się schematowi zapewne zauważycie, że składa się on z 2 identycznych części. Potraficie prześledzić kierunek przepływu prądu? Co stanie się po naciśnięciu przycisku S1 – spróbujcie określić to sami, a potem zerknijcie poniżej aby sprawdzić czy mieliście rację :)

Po naciśnięciu przycisku S1 prąd dopływający do bazy tranzystora T1 włączy go, to dość oczywiste, ale co z rezystorami? Jak je dobrać? Zacznijmy od rezystora R3. Przyjmijmy, że prąd I3 to 6mA. Najważniejsze przy doborze elementów w tym konkretnym naszym obwodzie jest aby niczego nie uszkodzić. Tranzystory mają pracować w dwóch stanach: nasyconym i zatkania.

I3 = U_ZAS – Uce / R3, gdzie Uce w czasie nasycenia będzie bliskie 0 zatem wartość w naszych  obliczeniach pomijamy

R3 = U_ZAS / I3 = 6V / 0,006A = 1kΩ

Przyjmę, że współczynnik wzmocnienia BC548B  ok β = 300

Ib_T1 = I3 / β_T1 = 0,006A / 300 = 0,00002A = 20µA

R1 = (U_ZAS – U_be) / (10 x Ib_T1) = (6V – 0,7V) / (10 x 20µA) = 26500Ω ≈ 26kΩ (użyję 2 rezystorów 10kΩ)

R2 = Ube / (10 x Ib_T1) = 0,7V / 200µA = 3,5kΩ (użyję rezystorów 2,2kΩ i 1kΩ)

Prąd przepływający przez tranzystor T1 włącza tranzystor T2. Uwaga! Zwróć uwagę na to, że tranzystor T1 to tranzystor npn, a tranzystor T2 to tranzystor pnp – prąd IbT2 płynie od tranzystora T2 w kierunku T1. Z uwagi na ten różny kierunek przepływu prądu w obliczeniach powinniśmy używać znaku „+” i „-„, ale to trochę zmniejszy ich czytelność, przez co świadomie zdecydowałam się je pominąć.

Wróćmy do obliczeń przyjmując, że współczynnik wzmocnienia BC557B β = 300, a prąd I_T2 = 50mA:

IbT2 = I_T2 / β = 0,05A / 300 = 166µA

R4 = U_ZAS / IbT2 = 6V / 166µA ≈ 36kΩ (użyję rezystora 47k)

R11 = U_ZAS /  IbT2 = 6V / 166µA ≈ 36kΩ (użyję rezystora 47k)

Po złożeniu na płytce stykowej mój układ wygląda tak:

a tak działa:

Na początku napisałam, że układ jest ciekawy, a widzicie że chodzi tylko o zapalenie diody… No i dlaczego jest on taki skomplikowany, jest tyle tranzystorów… Otóż, ten układ można wykorzystać podczas konstruowania robota! Wystarczy diodę zastąpić silnikiem, a uzyskamy sterownik, dzięki któremu robot może jeździć do przodu – po naciśnięciu jednego z przycisków, i do tyłu – po naciśnięciu drugiego przycisku. Zauważcie, że prąd przepływający przez pierwszy tranzystor (∼6mA) jest dużo mniejszy od tego przepływającego przez kolejny tranzystor (∼50mA), w ten sposób możemy małym prądem sterować silnikiem przez który przepływa duży prąd. Na sam koniec odpowiem co się stanie po naciśnięciu dwóch przycisków naraz. W obwodzie będzie płynął prąd zwarcia, którego wartość zależna będzie od doboru elementów.

Dziś przyjrzymy się bliżej bardzo ciekawemu i popularnemu układowi NE555.

Na tej lekcji wykorzystamy go do budowy generatora przebiegu prostokątnego. Podobny generator budowaliśmy już na lekcji 12 z układu CD40106. Teraz nasze zadanie jest o tyle łatwiejsze, że wystarczy otworzyć notę katalogową układu (dostępną tutaj) i sprawdzić co na ten temat mówi producent.

W rozdziale „Application information” znajdziemy przykłady wykorzystania tego układu. Na tej lekcji zbudujemy generator na podstawie danych zawartych w podrozdziale „Astable operation”.

Schemat 13 na stronie 7 pokazuje jak należy poprawnie podłączyć układ.

Napięcie jakie należy doprowadzić do układu ma mieścić się w przedziale od 5 do 15V. Nasze szeregowo połączone koszyki baterii  dają napięcie 12V. Dodatkowo aby mieć stabilną wartość napięcia zasilającego układ  wykorzystamy stabilizator napięcia +5V.

Mój schemat układu wygląda następująco:

Przyjrzyjmy się zasadzie działania układu.

Kondensator C jest ładowany przez prąd przepływający przez rezystory R_A i R_B. Gdy się naładuje, 7 nóżka układu NE555 zostaje zwarta do masy (na schemacie przedstawiającym budowę wewnętrzną NE555 widać, że jest ona połączona do masy za pomocą tranzystora), i to właśnie

przez nią następuje rozładowanie kondensatora C. Gdy rozładuje się on do pewnego poziomu prąd przestaje płynąć przez nóżkę 7 NE555 i znów kondensator ładuje się przez prąd przepływający przez rezystory R_A i R_B.

Cykl ładowania i rozładowywania kondensatora C wpływa na przebieg napięcia jakie otrzymujemy na wyjściu (nóżka 3), co obrazuje schemat 14 noty katalogowej:

Gdy kondensator się naładuje na wyjściu układu NE555 otrzymujemy napięcie, które powoduje przepływ prądu przez tranzystor BC547B oraz przepływ prądu przez diodę LED, a tym samym jej świecenie. Podczas rozładowywania kondensatora na wyjściu napięcie ok 0V zatem  tranzystor jak i dioda pozostają wyłączone.

Zasada działania naszego układu obrazują poniższe schematy:

Jak dobrać wartości poszczególnych podzespołów w naszym układzie? Zacznijmy od rezystora Rd. Załóżmy, że spadek napięcia na diodzie LED to 2V, a natężenie przepływającego przez nią prądu to 20mA.

Rd = (Vcc – Ud) / Id

Rd = (5V – 2V) / 20mA

Rd = 150Ω

Zanim przejdziecie do obliczenia rezystancji Rb zmierzcie współczynnik wzmocnienia. U mnie wynosi on 330.

Ib = Ic / β

Ib = 20mA / 330

Ib = 60μA

Rb = Vcc / Ib

Rb = 5V / 60μA

Rb = 83kΩ

Dobieramy dostępny w naszym zestawie rezystor o wartości Rb = 100kΩ. Prąd kolektora minimalnie się zmieni (zmniejszy się) jednak nie przeszkadza to w właściwym działaniu układu i dioda LED nadal pozostanie dobrze widoczna.

Jak dobrać rezystory R_A i R_B? Pomoże nam w tym nota katalogowa – pod schematem naszego układu (figure 13) znajdziemy takie oto wzory:

- na częstotliwość otrzymywanego na wyjściu przebiegu prostokątnego:

f = 1 / T = 1,44 / (R_A + R_B) C

- na czas ładowania kondensatora C (w tym czasie na wyjściu sygnał jest wysoki)

t_H = 0,693 (R_A + R_B) C

- na czas rozładowywania kondensatora C (w tym czasie na wyjściu jest niski)

tL = 0,693 (R_B) C

Skoro znamy wzory, trzeba przyjąć pewne założenia: kondensator C będzie miał pojemność 100uF, będzie się ładował 4 sekundy, a rozładowywał w ciągu 1 sekundy.

t_L = 0,693 (R_B) C

1s = 0,693 x R_B x 0,0001F

R_B = 1s / (0,693 x 0,0001F)

R_B = 14430Ω

t_H = 0,693 (R_A + R_B) C

4s = 0,693 (R_A + 14430Ω) 0,0001F

R_A = 43290Ω

W miejsce R_A przyjmiemy rezystory: 47kΩ, , a w miejsce R_B rezystory: 10kΩ, 4,7kΩ.

Częstotliwość otrzymanego na wyjściu układu NE555 przebiegu prostokątnego:

f = 1,44 / (R_A + R_B) C

f = 1,44 / (47kΩ + 14,7kΩ) 0,0001F

f = 0,18Hz

A oto mój układ na płytce stykowej.

Dodatkowo dołączam link do przydatnego prostego programu, który parametry układu  obliczy za nas. Należy jedynie podać wartości czasów jakie nas interesują aby układ generował impulsy według naszych potrzeb. Można  również zadać wartości rezystancji a obliczone zostaną czasy impulsów oraz częstotliwość. Program dodatkowo oblicza elementy potrzebne do  obwodu z tranzystorem można go ściągnąć tu

Program jest bardzo prosty w obsłudze, wystarczy wpisać wartości w odpowiednie pola a otrzymamy wynik. Warto podczas wpisywania wartości pamiętać aby nie wprowadzać np liter gdyż program w obecnej wersji nie jest zabezpieczony na taką ewentualność. Wpisanie litery spowoduje błąd, który wyłączy program.

Na tej lekcji chciałam Wam zaproponować budowę wzmacniacza mikrofonowego. To ciekawe i przydatne urządzenie możecie wykorzystać (jak zapewne się domyślacie) do wzmacniania głosu lub ogólnie rzecz biorąc dźwięku.

Do jego budowy wykorzystamy dwa nowe podzespoły: mikrofon i głośnik.

Jest to mikrofon pojemnościowy (elektrostatyczny). Jego membrana jest jednocześnie okładką kondensatora. Drgania powietrza zmieniają odległość pomiędzy okładkami kondensatora, co wpływa na zmiany jego pojemności.

Zanim przejdziemy do budowy wzmacniacza przeliczymy taki oto prosty układ:

Powyższy układ posłuży nam później do wzmacniania sygnału z mikrofonu, dlatego niektóre założenia muszą uwzględniać specyfikę pracy z mikrofonem.

Pewnie oglądaliście kiedyś film na którym ktoś analizował komputerowo głos lub dźwięk. Nie jest to nigdy jednolity sygnał – zmiany sygnału akustycznego powodują drgania membrany mikrofonu co przekłada się na zmiany napięcia na wyjściu z mikrofonu.

Jak się pewnie domyślacie  w naszym wzmacniaczu mikrofonowym, sygnał wzmacniany jest przez  tranzystor. Dociera on z mikrofonu (przykład przebiegu Ryc. 4.) do bazy tranzystora.

Muszę Wam jeszcze zdradzić, że głośnik docelowo będzie podłączony pomiędzy rezystorem R_C a tranzystorem. Z tego powodu skupimy się na zmianach napięcia pomiędzy ww. punktem a masą:

Sygnał z mikrofonu docierający do bazy tranzystora będzie powodował zmianę prądu bazy a co za tym idzie zmieniać się będzie prąd kolektora, wówczas napięcie na woltomierzu będzie maleć. W momencie, gdy sygnał docierający do bazy będzie zbyt niski, to woltomierz pokaże duże napięcie (tą samą zasadę działania tranzystora wykorzystaliśmy w budowie robota linefollower).

Zależność tą obrazują poniższe wykresy. Na wykresie ryc. 6a) mamy przykładowy sygnał docierający do bazy – jest on stosunkowo niewielki. W zależności od zmian napięcia bazy tranzystor będzie odpowiednio wzmacniał sygnał, a to w konsekwencji spowoduje zmiany napięcia na woltomierzu z powyższego schematu – wykres ryc. 6b).

Warto tu ponownie podkreślić, że mamy do czynienia z wzmacniaczem odwracającym – duży sygnał bazy to małe napięcie na woltomierzu i odwrotnie.

Gdybyśmy źle dobrali parametry podzespołów z ryc. 2 nasz wykres nieco przesunąłby się w dół lub w górę, a ponieważ nie możemy w naszym przypadku otrzymać napięcia poniżej 0V  lub wyższego od napięcia zasilania bezpowrotnie stracilibyśmy część informacji wychwyconej przez mikrofon:

Z tego właśnie powodu do obliczeń schematu z ryc. 2 przyjmiemy spadek napięcia na rezystorze R_C w wysokości 3V.

Pozostałe niezbędne założenia, które przyjęłam do obliczeń to:

I_C = 10mA

U_BE = 0,72V (tranzystor będzie znajdował się w stanie pracy liniowej)

β = 230

Zacznę od rezystancji rezystora RC:

R_C = U_C / I_C

R_C = 3V / 0,01A

R_C = 300Ω

Rezystory R1 i R2 wraz z linią obwodu doprowadzającą prąd do bazy tworzą typowy dzielnik napięcia. Jak pamiętamy z lekcji 6 prąd w dzielniku powinien być 10-krotnie wyższy niż w linii obwodu łączącej go z bazą tranzystora: I_DZ = 10 x I_B

Obliczenie prądu bazy i prądu dzielnika nie powinno nam sprawić większych trudności:

I_B = I_C / β

I_B = 0,01A / 230

I_B = 43,5μA

I_DZ = 10 x I_B

I_DZ = 10 x 43,5μA

I_DZ = 435μA

Spadek napięcia na rezystorze R1 to nic innego jak napięcie zasilania minus U_BE, czyli spadek napięcia na rezystorze R2.

U_R1 = U_ZAŚ – U_BE

U_R1 = 6V – 0,72V

U_R1 = 5,28V

Pozostało nam tylko obliczyć rezystancję rezystorów R1 i R2.

R1 = U_R1 / I_DZ

R1 = 5,28V / 435μA

R1 = 12,137kΩ

R2 = U_BE / I_DZ

R2 = 0,72V / 435μA

R2 = 1,65kΩ

Skoro obliczyliśmy układ z ryc. 2 pozostało nam już tylko stworzyć układ, który wzmacniałby dźwięk. A oto i on:

Jak widzicie nasz schemat z ryc. 2 został użyty w dwóch powtórzeniach. Dlaczego?

Z jednej strony chodzi o większe wzmocnienie sygnału z mikrofonu. Jeden tranzystor byłby za słaby, a dźwięk wydobywający się z głośnika zbyt cichy.

Z drugiej strony obie części układu z tranzystorami są wzmacniaczami odwracającymi: pierwszy tranzystor odwraca sygnał w fazie o 180 stopni (ryc. 6b) względem sygnału pierwotnego (ryc. 6a). Drugi tranzystor odwraca sygnał z pierwszego tranzystora w fazie również o 180 stopni, a my w efekcie otrzymujemy sygnał nieodwrócony względem sygnału pierwotnego.

Przed głośnikiem znajduje się kondensator 100uF. Jaka jest jego funkcja? On usuwa składową stałą. Co to znaczy? Gdyby go tam nie było to przez nasz głośnik stale płynąłby prąd ograniczony rezystorem 300Ω stale płynąłby prąd, w sytuacji gdy:

• tranzystor byłby wyłączony – cały prąd płynąłby do głośnika;
• tranzystor byłby włączony – część prądu płynęłaby do głośnika, a część przez tranzystor.

Pamiętamy, że kondensator podłączony do źródła prądu stałego naładuje się i przestanie przewodzić prąd. Dlatego po zastosowaniu kondensatora prąd przez głośnik będzie przepływał tylko w sytuacji gdy tranzystor będzie wyłączony.

Kolejna kwestia – dlaczego pomiędzy jednym i drugim układem tranzystorowym dodano kondensator o bardzo małej pojemności (100nF)? Powody są dwa, a pierwszy z nich to usunięcie składowej stałej (identycznie jak to miało miejsce w przypadku kondensatora 100uF).

Drugi powód to wycięcie niskich tonów. Chodzi o to, że taki wzmacniacz mikrofonowy lepiej wzmacnia niskie tony niż wysokie, tzn. lepiej wzmacniałby piskliwy cienki głosik niż np. męski basowy głos (pojawiałyby się trzaski). Kondensator użyty w tym miejscu ma działać jak taki „filtr” wycinając niskie tony, a to wszystko przez reaktancje:

X_C = 1 / 2πfC

XC – reaktancja [Ω]

C – pojemność [F]

f – częstotliwość [Hz]

Reaktancja to parametr kondensatora, który zależy od pojemności i częstotliwości. W naszym przypadku pojemność kondensatora jest stała, zmienia się tylko częstotliwość. Spadek częstotliwości spowoduje wzrost reaktancji, a tym samym słabsze przenoszenie niskich tonów.

Gdybyśmy użyli kondensatora o większej pojemności niż 100nF wzmacniacz lepiej wzmacniałby niskie tony.

W układzie z ryc. 8 pojawia się także rezystor 10kΩ. Do okładek mikrofonu musi dochodzić odpowiednie napięcie. Im to napięcie będzie większe (oczywiście w pewnym przedziale!) tym większa będzie czułość mikrofonu. Z dobraniem rezystora nie możemy przesadzić, ponieważ jeśli użyjemy rezystora o zbyt dużej rezystancji może się okazać, że do mikrofonu dochodzi zbyt małe napięcie, aby go zasilić. Ja doświadczalnie dobrałam rezystor 10kΩ.

Pozostał nam już tylko kondensator 1μF użyty pomiędzy mikrofonem a pierwszym tranzystorem. Identycznie jak w przypadku poprzedniego kondensatora chodzi o usunięcie składowej stałej i wycięcie niskich tonów. A dlaczego ma akurat taką pojemność. Cóż, w elektronice niekiedy jest tak, że pewne rzeczy trzeba przyjąć doświadczalnie. Oczywiście jest możliwość obliczenia najbardziej optymalnej pojemności tego kondensatora, ale niestety na obecnym etapie kursu jest to trudne i myślę że zbędne.

Skoro obliczyliśmy nasz układ pozostało nam jedynie przygotować:

1) głośnik – trzeba przylutować do niego przewody – plus i minus są oznaczone na spodzie jego obudowy:

2) mikrofon – tu także trzeba przylutować przewody (np. odcięte od rezystora nóżki) po spodniej stronie mikrofonu – punkt lutowniczy połączony z obudową to minus:

A oto mój wzmacniacz mikrofonowy:

Dziś zaczniemy od układu cyfrowego CD4011.

Zgodnie z notą katalogową (którą możecie odnaleźć na stronie www.celtor.pl) jest to CMOS Quad 2-input NAND GATE.

Teraz pewnie myślicie sobie, że się powtarzam, a bramka NAND była już na poprzedniej lekcji! Jeśli porównacie chociażby schematy funkcji pinów układów CD4093 i CD4011 zapewne zauważycie drobny „szczegół” różniący te dwa podzespoły. Otóż układ CD4011 nie zawiera w sobie układu Schmitta.

Jak pamiętamy z lekcji 12, jeśli na wejściu pojawi się napięcie spoza przedziału niskiego lub wysokiego, a układ cyfrowy nie będzie wyposażony w układ Schmitta, na wyjściu otrzymamy tzw. stan nieustalony – układ będzie się nieregularnie włączał i wyłączał.

To zjawisko możemy zaobserwować składając na płytkach stykowych prosty układ:

Powyższy obwód jest podobny do tego z doświadczenia 1 z lekcji 13, z tym że jedno wejście układu CD4011 jest na stałe połączone z plusem, drugie zaś z potencjometrem.

Kręcąc delikatnie pokrętłem w jedną stronę w pewnym momencie zauważymy, że nasza czerwona dioda LED zacznie nieregularnie migać. Jest to spowodowane tym, że na wyjściu naprzemiennie pojawia się logiczne 1 lub logiczne 0. Jest to właśnie stan nieustalony, którego przyczyną jest brak układu Schmitta w układzie cyfrowym CD4011.

Skoro doświadczalnie zaobserwowaliśmy tzw. stan nieustalony przejdziemy do kolejnego tematu dzisiejszej lekcji – 74HC32. Jego notę znajdziecie tutaj.

Jest to „quad 2-input OR gate”, czyli poczwórna 2-wejściowa bramka OR (suma logiczna). Tak jak układ CD4011 nie posiada on układu Schmitta.

Aby zaobserwować stan nieokreślony układu 74HC32 wystarczy wpiąć go w miejsce układu CD4011 z poprzedniego doświadczenia, połączyć nóżkę 1 do masy i podobnie jak poprzednio przekręcać pokrętło potencjometru, aż zaobserwuje się nieregularne miganie czerwonej diody LED.

Układ 74HC32 wykonuje proste działanie logiczne jakim jest suma. Jego tabelę prawdy można otrzymać łącząc jego poszczególne wejścia do plusa bądź masy.

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

efekt: dioda LED świeci, czyli na wyjściu mamy logiczne 1

 

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

efekt: dioda LED świeci, czyli na wyjściu mamy logiczne 1

 

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

efekt: dioda LED świeci, czyli na wyjściu mamy logiczne 1

 

• oba wejścia (nóżka 1 i 2) połączono z minusem

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

 

Na podstawie otrzymanych wyników możemy przygotować tablicę prawdy:

Ostatnim układem cyfrowym, jakim się zajmiemy na tej lekcji, będzie układ CD4017. Jego notę znajdziecie tutaj.

Układ CD4017 nie jest zwykłym układem cyfrowym, jakie omawialiśmy dotychczas. Jest on zbudowany z wielu różnych bramek logicznych, które wspólnie tworzą „decade counter/divider with 10 decoded outpus” – dziesiętny licznik/dzielnik z 10 wyjściami.

Zamiast długich wyjaśnień czym jest układ CD4017 proponuję na płytce stykowej złożyć taki oto obwód:

Do źródła zasilania podłączono standardowo stabilizator napięcia w otoczeniu kondensatorów, dalej mamy generator (który poznaliśmy na lekcji 12), a z niego sygnał trafia do 14 nóżki (tzw. clock – zegar) układu CD4017.

W razie problemów którą diodę połączyć do której nóżki układu można dodatkowo wspomóc się schematem funkcji pinów:

Jeśli udało się Wam wszystko poprawnie podłączyć powinniście otrzymać obwód, w którym kolejno zapala się i gaśnie 10 diod.

Co właściwie pokazało nam to doświadczenie? W wyjaśnieniach pomoże mi ten oto wykres czasowy z noty katalogowej:

Jeśli na nóżkę”clock” (nóżka 14) podamy przerywany sygnał (który zapewnia generator), a nóżki „reset” (nóżka 15) i „clock enable” (nóżka 13) połączymy  z masą to układ CD4017 będzie liczył impulsy generatora.

W momencie dotarcia do układu CD4017 na nóżkę „clock” pierwszej logicznej 1 z generatora otrzymamy logiczne 1 na wyjściu „0”, co będzie widoczne przez krótkotrwałe zaświecenie diody D0. Kolejna logiczna 1, która dotrze do wejścia „clock” z generatora zostanie policzona poprzez pojawienie się logicznego 1 na wyjściu 1, a tym samym włączeniu diody D1.

Układ CD4017 będzie w ten sposób liczył logiczne jedynki, które będą docierały do niego z generatora. Zliczy je on zaczynając od sygnału zerowego (logiczne 1 na wyjściu „0”) do sygnału dziewiątego (logiczne 1 na wyjściu „0”), a potem zacznie liczyć od nowa.

Migające kolejno kolorowe diody mogą mieć praktyczne zastosowanie, np. w ciekawym oświetleniu roweru lub tworzeniu światełek na choinkę (tak wiem, dziś Wielkanoc, a nie Boże Narodzenie, ale co szkodzi już się przygotować? ;)) Jeśli Wasz rower lub choinka potrzebowałby więcej niż 10 diod wystarczy tylko połączyć więcej układów CD4017. Jak to zrobić? Wystarczy połączyć nóżkę „carry-out” (nóżkę 12) pierwszego układu CD4017 z nóżką „clock” (nóżka 14) drugiego układu CD4017.

A jeśli mamy mniej diod lub po prostu chcemy, żeby układ CD4017 liczył np. tylko od 0 do 4? W tej sytuacji wyjście „decoded output 5″ (nóżka 1) zamiast z diodą łączymy z wyjściem „reset” (nóżka 15).

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).