Elektronika dla wszystkich 2003-06

Skrzynka Porad W rubryce przedstawiane są odpowiedzi na pytania nadesłane do Redakcji. Są to sprawy, które, naszym zdaniem, zainteresują szersze grono Czytelników.

Jednocześnie informujemy, że Redakcja nie jest w stanie odpowiedzieć na wszystkie nadesłane pytania, dotyczące różnych drobnych szczegółów.

Czasami latem, rzadziej zimą, gdy podłączę jakąś zewnętrzną antenę do telewizora, pojawiają się programy z Niemiec i Danii. Skąd się to bierze? Czy to jest bezpieczne dla telewizora? Podobne cuda dzieją się z radiem.

Jakie są zalety stosowania w zasilaczu prostownika w postaci lampy elektronowej (mam lampę AZ1)? Czy lepiej zastosować prostownik selenowy albo nowoczesną diodę?

Fale radiowe rozprzestrzeniając się, podlegają odbiciom, rozproszeniu i tłumieniu. Dzięki takim zjawiskom krótkofalowcy mogą nawiązywać łączności na zaskakująco duże odległości. Zmiana warunków atmosferycznych często owocuje właśnie odbiorem odległych stacji radiowych i telewizyjnych także na zakresie ultrakrótkofalowym. Zjawisko to w żaden sposób nie jest groźne dla odbiorników radiowych i telewizyjnych. Niektórzy radioamatorzy są wręcz poszukiwaczami i łowcami takich dalekich stacji.

Boję się, że uszkodzeniu napięciem 230V ulegnie posiadany przeze mnie odbiornik radiowy Pionier U2. Czy dobrym rozwiązaniem byłoby zastosowanie stabilizatora jak w rubryce Jak to działa? w EdW 2/2001? Pięcioprocentowe zwiększenie napięcia nie powinno zaszkodzić. Stabilizator z triakiem może nie zdać egzaminu z obciążeniem innym niż rezystancyjne. Jeśli już ktoś chce koniecznie nieco obniżyć napięcie sieci, może zastosować sposób według rysunku obok, z niewielkim transformatorem (4...10W) o napięciu wyjściowym około 10V. Aby obniżyć napięcie, należy odpowiednio dołączyć końcówki uzwojenia wtórnego transformatora: po zamianie miejscami napięcie nie zmaleje do 220V, tylko wzrośnie do 240V.

Dlaczego na energooszczędnej żarówce są napisy, żeby nie używać w obwodach awaryjnych ani w obwodach ze ściemniaczami? Nie jest to klasyczna żarówka, tylko świetlówka sterowana za pomocą układu elektronicznego. Wspomniane właściwości wynikają w dużym stopniu właśnie z cech elektronicznego sterownika. Z podanych informacji wynika, że świetlówka powinna być zasilana niezniekształconym, sinusoidalnym napięciem sieci. Prawdopodobnie główną przyczyną jest fakt, że o jasności będzie decydować wartość szczytowa napięcia zasilającego, a nie wartość skuteczna, a ponadto prawdopodobnie nie sposób skutecznie regulować wydajności zastosowanej przetwornicy (czyli jasności żarówki). Takie zalecenia wynikają więc z konstrukcji elektronicznego sterownika.

10

Dziś do prostowania napięć o częstotliwości sieci (50Hz) powszechnie stosuje się diody krzemowe i gotowe prostowniki mostkowe. Jeśli chodzi o parametry, zapewniają one znakomite właściwości i sprawność. Prostowniki selenowe czy kuprytowe nie są dziś nigdzie stosowane i nie warto tego robić, gdy można je zastąpić maleńką diodą krzemową, kosztującą kilkadziesiąt groszy (np. 1-amperowa dioda 1N4007 może prostować napięcia o wartości szczytowej 1000V). Naprawdę nie ma powodu, żeby stosować przestarzałe prostownicze stosy selenowe czy miedziowe. Inaczej wygląda sprawa z lampami prostowniczymi do zasilaczy. W tym przypadku diody półprzewodnikowe oczywiście też są tańsze, sprawniejsze, ogólnie biorąc – zdecydowanie lepsze od diod lampowych. Jednak w niektórych konstruowanych urządzeniach lampowych (audio) nadal stosuje się prostowniki w postaci lampy. Nie ma to żadnego uzasadnienia ekonomicznego ani technicznego - jest tylko wyrazem albo nostalgii (magia lamp), albo snobizmu.

Już dwa razy po pewnym czasie używania wybuchł mi wzmacniacz TDA1514. Dlaczego? I jak zmniejszyć ryzyko wybuchu? Tego typu pytania pojawiają się co jakiś czas. Ze znakomitymi skądinąd kostkami TDA1514 rzeczywiście jest kłopot, bo niektóre egzemplarze z zupełnie niezrozumiałych powodów po prostu wybuchają. Nie sposób przewidzieć, jak będą się zachowywać kolejne egzemplarze TDA1514 - jest szansa, że będą pracować dobrze, ale równie dobrze mogą eksplodować. Nie ma reguły, kiedy i dlaczego układy wybuchają. Według dostępnych danych, takiej awarii ulega 20...25% kostek. Nie tylko w przypadku tych układów częstą przyczyną uszkodzeń wzmacniaczy mocy bywają rozmaite manipulacje w układzie znajdującym się pod napięciem (np. dotykanie do elementów układu, co zwykle ma związek z ładunkami statycznymi). Dotyczy to także skądinąd znakomitych układów TDA7294. Najmniej awaryjne są całkowicie bipolarne LM3886, ale to inna historia. Rzeczywiście tylko TDA1514 potrafią wybuchnąć, i to z zupełnie nieznanych przyczyn. Ponieważ większość uszkodzeń występuje podczas wstępnych prób, w układzie testowym z TDA1514 można próbować dodać elementy zmniejszające ryzyko uszkodzeń. Na pewno do prób warto zasilać wzmacniacz przez szeregową żarówkę (o możliwie małej mocy, np. 15...40W), umieszczoną w obwodzie pierwotnego uzwojenia

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Skrzynka porad sieciowego. W spoczynku, gdy wzmacniacz nie jest obciążony, taka żarówka ograniczająca powinna być wygaszona lub lekko się żarzyć. Na pewno na wyjściu wzmacniacza można dodać szeregowy rezystor mocy (kilka omów, kilka watów) lub cewkę powietrzną kilka do kilkunastu zwojów grubego drutu. Na wejściu można też próbować dodać rezystor szeregowy lub prościutki filtr dolnoprzepustowy RC obcinający częstotliwości ponadakustyczne, ale takie próby są ryzykowne i mogą nawet pogorszyć sytuację, bo niektóre informacje o wybuchach wskazują, że kostka TDA1514 jest czuła właśnie na to, co „widzi” od strony wejścia. Jeden z Czytelników napisał, że po zniszczeniu trzech układów TDA1514A w czwartym zrezygnował z obwodu bootstrap i dołączył nóżkę 7 do nóżki 6. Nie sposób jednak wykazać, że nie był to przypadek. Producent układów nie podaje żadnych informacji na ten temat i przemilcza problem, który niewątpliwie wynika z właściwości układów scalonych.

Bardzo proszę Redakcję o podanie najprostszego miniaturowego odbiornika FM, coś w rodzaju odbiornika detektorowego, tylko na fale UKF. Niestety, musimy zmartwić młodziutkiego Czytelnika. Nie sposób zrealizować praktycznego odbiornika FM w bardzo prosty sposób. Odbiornik taki musi składać się z co najmniej kilkunastu a częściej kilkudziesięciu podzespołów, w tym układów antenowych wysokiej częstotliwości. Dziś praktycznie nie buduje się odbiorników FM „od zera” we własnym zakresie, tylko raczej wykorzystuje się gotowe fabryczne głowice UKF, przestrajane napięciem. W pełni samodzielna budowa, uruchamianie i strojenie odbiornika FM są trudne i wyma-

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

gają użycia kosztownych przyrządów pomiarowych. Młodego Czytelnika można zachęcić, by raczej rozejrzał się za kompletnymi zestawami do montażu – np. skontaktował się z Działem Handlowym AVT i sprawdził, czy aktualnie jest w ofercie zestaw odbiornika radiowego FM firmy Velleman (zestaw MK118).

Proszę o podanie schematu przetwornicy 12VDC/220VAC, dającej czysty przebieg sinusoidalny, bez żadnych zniekształceń. Budowa takiej przetwornicy jest trudna, a koszt elementów – wysoki. Aktualnie Redakcja EdW nie planuje tego typu publikacji. Ewentualnych schematów (różnej, często wątpliwej jakości) można szukać w Internecie, korzystając z haseł typu: inverter, DC/AC, 12/220V, 24/230V, itp.

Proszę o podanie schematu generatora przebiegu prostokątnego na jednym tranzystorze. Jakie będą parametry takiego generatora? Można zbudować generator na jednym tranzystorze (z przesuwnikami RC, z obwodami LC). Takich układów w praktyce nie stosuje się do wytwarzania przebiegu prostokątnego, a co najwyżej w obwodach w.cz., gdzie zwykle dąży się do uzyskania czystego przebiegu sinusoidalnego. Ze względu na niewielkie wzmocnienie pojedynczego tranzystora, uzyskany przebieg byłby raczej trapezem niż prawidłowym prostokątem. Naprawdę nie warto zaprzątać sobie głowy takimi pomysłami. Należy wykorzystać generatory na bramkach CMOS lub na wzmacniaczu operacyjnym.

11

Konkurs

Na rysunku przedstawiony jest układ z dwoma tranzystorami. Jak zwykle zadanie konkursowe polega na rozszyfrowaniu

Jak działa i do czego służy taki układ? Odpowiedzi, koniecznie oznaczone dopiskiem Jak06, należy nadsyłać w terminie 45 dni od ukazania się tego numeru EdW. Nagrodami w konkursie będą kity AVT lub książki.

Rozwiązanie zadania z EdW 2/2003

Przedstawiony układ z trzema tranzystorami to precyzyjne źródło napięcia odniesienia o napięciu 1,2...1,5V. Współpracuje ono z rezystorem ograniczającym prąd lub lepiej ze źródłem prądowym według rysunku obok. Oryginalny schemat pochodzi z projektu cyfrowego miernika sprzed około dwudziestu lat, dlatego symbole tranzystorów zawierają kółka wskazujące, iż chodzi o trzy pojedyncze tranzystory. Według opisu, przy stosunku rezystancji R2/R3>10 można otrzymać współczynnik cieplny zmian napięcia rzędu kilkudziesięciu ppm/K, czyli kilku tysięcznych procenta na stopień Celsjusza. Warunkiem jest jednakowa temperatura złącz wszystkich tranzystorów. Tego typu źródła napięcia odniesienia z pojedynczymi tranzystorami stosowano przed laty w krajowych projektach ze względu na niemożliwość zakupu scalonych odpowiedników. Dziś powszechnie dostępne są scalone źródła napięcia wzorcowego, na przykład LM385, LM336 czy TL431, pracujące na podobnej zasadzie. Mają one bardziej rozbudowany schemat wewnętrzny i powtarzalne parametry. Zaprezentowany układ z pojedynczymi tranzystorami można dziś potraktować jako ciekawostkę niemającą praktycznego znaczenia.

12

W odpowiedziach pojawiały się rozmaite nazwy: źródło napięcia odniesienia, źródło napięcia typu band-gap, band-gap reference, a nawet równoległy stabilizator napięcia. I odpowiedzi te zostały uznane za prawidłowe. Niektórych zmyliły kółka przy tranzystorach, inni w ogóle nie wzięli pod uwagę tego szczegółu. Wśród odpowiedzi pojawiły się też logicznie uzasadnione próby analizy układu oraz odpowiedzi ewidentnie błedne. Oto przykłady: - jest to czujnik temperatury ze wzmacniaczem sygnału pomiarowego. T1 pracuje jako dioda, która jest właśnie tym czujnikiem - układ wydaje się być wzmacniaczem kilkustopniowym - jest to nietypowy generator wysokiej częstotliwości - jest to fragment obwodu polaryzacji tranzystorów we wzmacniaczu mocy, by przy wzroście temperatury utrzymać jednakowy prąd spoczynkowy tranzystorów mocy – T1 musi mieć kontakt cieplny z radiatorem - układ jest tak zwanym źródłem prądowym i dostarcza prądu stałego - jest to rozbudowany przetwornik prądu na napięcie o nieliniowej charakterystyce.

Nagrody książkowe za najlepiej uzasadnione odpowiedzi otrzymują: Marek Rogacki - Wągrowiec, Michał Zawistowski - Grabiszyn, Adam Laskowski - Rytel.

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

++

Projekty AVT

2667

Najprostsze zdalne sterowanie Czy spełniają się futurystyczne wizje Stanisława Lema i innych pisarzy science fiction prorokujących już wiele lat temu, że wraz z rozwojem techniki degenerować i zanikać będą niektóre, coraz mniej używane części naszego organizmu? Pamiętam opowiadanie SF o megacefalach i mikrocefalach: u części ludzkości coraz mniej używającej zdolności umysłowych, zajmującej się jedynie pracą fizyczną, głowa uległa uwstecznieniu i zrobiła się kilkakrotnie mniejsza (mikrocefale). Z kolei u części ludzkości zajmującej się wyłącznie pracą umysłową, głowa się powiększyła (megacefale), rozwinął się też palec wskazujący prawej ręki, natomiast pozostałe palce, korpus i kończyny uległy degeneracji do tego stopnia, że megacefale nie mogły się poruszać o własnych siłach. Na razie nie widać, żeby głowy poszczególnych osobników naszego gatunku znacząco różnicowały swą wielkość, ale palce... Obejrzyj swoje palce i sprawdź, czy aby taka przerażająca wizja nie staje się pomału faktem. Bo faktem jest, że palec naciskający na guzik pilota to znak naszych czasów. Nieprzypadkowo też niektórzy nazywają pilot elektronicznym różańcem... Pomyśl, ile pilotów jest w Twoim domu. Czy ich liczba przekracza cztery? Czy chcesz dodać do tej kolekcji jeszcze jeden? Taki ładny, mały, z jednym przyciskiem? Jeśli z góry nie odrzucasz takiej możliwości, czytaj dalej. Dla zachęty dodam, że opisywany system funkcjonuje w moim domu od dwóch lat, a ja dopiero teraz wziąłem się za pisanie artykułu o tym pożytecznym drobiazgu. Co ważne, system jest współużytkowany w pokoju, gdzie pracują inne piloty i dzięki prostym rozwiązaniom zupełnie nie reaguje na ich sygnały. Jest odporny na takie obce sygnały, a jednocześnie nie zakłóca pracy innych zdalnie sterowanych urządzeń.

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Uwaga! W odbiorniku występują napięcia groźne dla życia i zdrowia! Osoby niepełnoletnie i niedoświadczone mogą wykonać układ wyłącznie pod opieką wykwalifikowanych opiekunów. To, że tak długo zwlekałem z artykułem, nie jest objawem lenistwa – wprost przeciwnie. Oznaką lenistwa jest raczej to, że wykonałem opisywany system zdalnego sterowania. Nie chciało mi się po prostu codziennie wyłączać stojącej lampy. Mój problem polegał na tym, że w pokoju gościnnym jest duża lampa z abażurem. Wtyczka lampy jest wetknięta w gniazdko, a wyłącznik jest umieszczony na kablu, a nie, jak w niektórych dużych lampach stojących, tuż pod żarówką. Żeby włączyć i wyłączyć lampę, trzeba było „zanurkować” pod rozłożyste gałęzie fikusa lirolistnego, jako że moja żona jest miłośniczką kwiatów. Takie operacje związane z obsługą lampy znudziły mi się całkowicie, więc poświęciłem kiedyś cały dzień na wykonanie pilota i odbiornika pozwalającego zdalnie obsługiwać rzeczoną lampę. Fotografie 1...4 pokazują efekty tamtej pracy. Pilot zmontowany na kawałku płytki uniwersalnej pracuje do dziś. Trzeba było tylko dwukrotnie wymienić plastikową obudowę Fot. 1 Nadajnik

(KM-15N), bo wyłamała się w niej membrana, którą się przyciska podczas obsługi pilota. Jak widać, pierwszy, prototypowy model odbiornika, pokazany na fotografiach 3 i 4, zmontowałem z klasycznych elementów w postaci zwartego „pająka” i ma on zadziwiająco małe wymiary (1,5x1,6x3,2cm). Odbiornik został umieszczony tuż pod oprawką żarówki w małym plastikowym Fot. 2 Nadajnik

Fot. 3 Odbiornik Fot. 4 Odbiornik

13

Projekty AVT przezroczystym pudełku. Aby dostać się do przewodów, trzeba było częściowo rozebrać lampę, ale trud się opłacił i wszyscy domownicy doceniają teraz zalety małego pilota (o ile się chwilowo gdzieś nie zawieruszy). Ponieważ układ sprawdził się w ciągu wielu miesięcy użytkowania, uznałem, że warto go opisać. Nie jesteś jednak skazany na prowizorkę – w międzyczasie Zbyszek Orłowski zaprojektował płytki drukowane pilota i odbiornika. Ze względu na kłopoty z wyłamywaniem się membrany obudowy KM-15N powstała nowa płytka do obudowy KM-14. I takie rozwiązanie opisane jest w artykule.

Opis układu

Schemat ideowy pilota pokazany jest na rysunku 1. Jest to nadajnik impulsów podczerwieni o częstotliwości 36kHz (które są następnie odbierane przez znany układ TFMS5360 lub SFH506-36). W pilocie popularny układ scalony CMOS 4060 w wersji 74HC4060 pracuje wyłącznie w roli generatora częstotliwości nośnej 36kHz. Jak widzisz, wykorzystałem tylko oscylator. Dzielniki kostki są niewykorzystane. Taki sam oscylator można zbudować z dwóch jakichkolwiek bramek. Popularną kostkę 74HC4060 wykorzystałem tylko dlatego, że nie miałem pod ręką układu 74HC00 ani 74HC04. W każdym razie chodzi o wykorzystanie układu scalonego, który może pra-

Rys. 1 Schemat ideowy pilota Rys. 2 Schemat ideowy odbiornika

14

cować przy napięciach zasilania poniżej 3V i który przy napięciu zasilania rzędu 3V będzie miał możliwie dużą wydajność prądową. Dlatego musi to być układ z rodziny 74HC. Przebieg prostokątny z oscylatora podawany jest na wzmacniacz z tranzystorami T1, T2. W zasadzie T1 można byłoby pominąć i dołączyć R6 wprost do nóżki 10 (albo 9). Jednak obecność T1 redukuje obciążenie wyjścia do znikomej wartości i tym samym zauważalnie zwiększa stabilność generatora. Rezystory R6, R7 ograniczają prąd bazy T2. Jak widać, prąd nadawczej diody IRED ogranicza rezystor R8 o dużej, jak na piloty, wartości 100Ω. Ogranicza to szczytowy prąd diody do kilkunastu miliamperów, a średni prąd jest poniżej 10mA. Mimo wszystko, dzięki dużej czułości odbiornika tak niewielki prąd zapewnia wystarczająco duży zasięg. Właśnie dzięki ograniczeniu poboru prądu do wartości poniżej 10mA możliwe stało się wykorzystanie do zasilania pilota jednej maleńkiej baterii litowej CR2032. W pierwszych modelach nadajnika nie było kondensatora filtrującego C3, a układ pracował poprawnie właśnie dzięki małemu poborowi prądu. Zastosowanie kondensatora C3 dodatkowo zwiększa stabilność częstotliwości, a w przypadku korzystania ze zużytej baterii nieco zwiększa zasięg. Tak mała bateryjka wystarczy na bardzo długo, ponieważ niezależnie od czasu naci-

skania przycisku S1 nadajnik wysyła tylko jedną „paczkę impulsów”. Obwód R1, C1, R2 zapewnia, że dowolnie długie naciskanie przycisku spowoduje wygenerowanie „paczki impulsów” o całkowitym czasie trwania dłuższym niż 15ms. Oznacza to, że po naciśnięciu przycisku pilot wysyła co najmniej 500 impulsów o częstotliwości 36kHz. Scalone odbiorniki impulsów podczerwieni typu TFMS/SFH z powodzeniem reagują też na znacznie krótsze „paczki impulsów” – do wywołania reakcji takiego odbiornika wystarczy „paczka” o długości 400...600µs, czyli nawet kilkanaście impulsów nośnych o częstotliwości 36kHz. W systemie celowo przedłużyłem czas trwania „paczek impulsów” do wartości powyżej 15ms. Właśnie takie bardzo proste rozwiązanie pozwala na bezbłędną pracę systemu nawet w obecności pilotów o częstotliwości 36kHz. Według dostępnych źródeł, najdłuższy nieprzerwany impuls z typowych, fabrycznych pilotów ma czas trwania nieprzekraczający 9ms. Choć więc sam układ TFMS/SFH będzie odbierał sygnały pilotów, nasz system odbiorczy nie będzie reagował na ich krótkie impulsy. Zareaguje tylko na znacznie dłuższe impulsy naszego pilota. Pełny schemat ideowy urządzenia odbiorczego pokazany jest na rysunku 2. Impulsy podczerwieni są odbierane przez scalony odbiornik U1 (TFMS/SFH). W stanie spoczynku na wyjściu układu U1 (nóżka 3) panuje stan wysoki, a więc w spoczynku tranzystor T1 jest otwarty. Kondensator C2 jest całkowicie rozładowany. Jeśli pojawi się paczka impulsów podczerwieni, napięcie na wyjściu U1 spada i zostaje zatkany T1. Zaczyna rosnąć napięcie na kondensatorze C2, ładowanym przez rezystor R2. Dopiero gdy napięcie to przekroczy próg przełączania wejścia CLK (nóżka14 U2), licznik 4017 zwiększy swój stan. Tym samym obwód R2, C2 decyduje, jakie najkrótsze „paczki” impulsów spowodują reakcję urządzenia. Popularny układ CMOS 4017 pracuje tu w roli przerzutnika T. Zapewnia to dioda D2 skracająca cykl zliczania do dwóch stanów: 0, 1. Zliczenie kolejnego impulsu powoduje pojawienie się stanu wysokiego na wyjściu Q2 i wyzerowanie licznika. Gdy na wyjściu Q1 licznika panuje stan wysoki, otwarty jest tranzystor T2 i obciążenie jest włączone. Obwód C3, R6 zapewnia zerowanie licznika po włączeniu zasilania. Wartość C3 można zwiększyć do wartości 470nF – muszę przyznać, że ten prosty obwód zerujący nie zawsze zapewnia poprawne wyzerowanie, gdy napięcie sieci zanika i pojawia się kilkakrotnie, a przy awariach czasem tak bywa. Brak zerowania oznacza, że lampa może zostać zaświecona po powrocie napięcia sieci. Na reakcję

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Projekty AVT układu ma wpływ nie tylko pojawianie się i zanikanie napięcia, ale też właściwości układu scalonego. W praktyce nie jest to problemem: w ciągu dwóch lat użytkowania ze trzy razy zdarzyło mi się, że po zaniku i powrocie napięcia sieci lampa została włączona. Nie warto zatem szukać dziury w całym i rozbudowywać obwodów zerujących. Urządzenie odbiorcze pobiera bardzo mało prądu i jest zasilane z prostego zasilacza beztransformatorowego D4, R4, R5, C4. Typowy pobór prądu przez odbiornik TFMS5360 wynosi 0,5mA (0,4...0,8mA), a do tego dochodzi prąd płynący przez rezystor R2 (mniej niż 25µA). Ponieważ napięcie zasilania odbiornika TFMS powinno wynosić 4,5...5,5V, a do skutecznego otwarcia tranzystora polowego T2 wymagane jest napięcie powyżej 6V, konieczne było dodanie obwodu stabilizacji R1, D1. Zastosowane rozwiązanie obwodu zasilania okazało się skuteczne i całkowicie zadowalające, a dzięki znikomemu poborowi prądu nie trzeba było stosować typowego dla zasilaczy beztransformatorowych kondensatora szeregowego – wystarczają zwyczajne rezystory R4, R5, w których w czasie pracy wydziela się w sumie poniżej 0,1W mocy. Opisywany układ odbiorczy pobiera z sieci w spoczynku około 1mA prądu. Osiągnięcie tak małego poboru prądu spowodowało, że zrezygnowałem z pomysłu zastosowania w odbiorniku kontrolki LED. Tak oszczędne rozwiązanie jest możliwe dzięki zastosowaniu w roli elementu sterującego wysokonapięciowego tranzystora MOSFET. Jest on sterowany napięciowo, natomiast inne elementy wykonawcze, np. przekaźniki, triaki i tyrystory wymagają prądu sterującego powyżej 5mA.

ści elementów R (5%), C (10%) oraz progów bramek generatora wymuszają konieczność dobrania częstotliwości impulsów nadajnika. Właśnie dlatego w układzie przewidziano dwa rezystory R3, R4 połączone w szereg. Procedura regulacji częstotliwości jest opisana dalej i w związku z nią należy przestrzegać podanej dalej kolejności montażu.

Rys. 3 Schemat montażowy pilota do obudowy KM 15M Fot. 5 Rys. 5 Schemat montażowy odbiornika

Montaż i uruchomienie

Jak wspomniałem, pierwszy model powstał szybko: nadajnik na płytce uniwersalnej, a odbiornik w postaci zwartego pająka – patrz fotografie 1...4. Potem powstała płytka drukowana nadajnika według rysunku 3 przeznaczona do obudowy KM-15N. Wykonany na niej model nadajnika można zobaczyć na fotografii 5. Obudowa KM-15N okazała się jednak mało trwała (dwukrotnie wyłamała się plastikowa membrana) i po pewnym czasie powstała kolejna płytka przeznaczona do obudowy KM-14. Płytka przeznaczona do takiej obudowy pokazana jest na rysunku 4. Fotografia 6 pokazuje model zrealizowany na wcześniejszej wersji płytki. Układ odbiorczy można zmontować na płytce pokazanej na rysunku 5. Płytka ta ma otwory o rozstawie dostosowanym do obudowy Z-27 (wtyczkowa duża). Przed zmontowaniem odbiornika warto zmontować i uruchomić nadajnik-pilot. Jedyną drobną trudnością jest tu konieczność dobrania częstotliwości generatora U1. Powinna ona wynosić 36kHz. Rozrzuty warto-

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Rys. 4 Schemat montażowy pilota do obudowy KM 14 Fot. 6

Indywidualny dobór R4 jest absolutną koniecznością. Posiadacze precyzyjnych częstościomierzy poradzą sobie z zadaniem w sposób oczywisty, podłączą tylko nóżkę 12 (CLR) do masy, żeby na stałe włączyć generator. Tu koniecznie muszę ostrzec właścicieli multimetrów cyfrowych z zakresem pomiaru częstotliwości: ogromna większość takich przyrządów ma przy pomiarze częstotliwości zbyt małą dokładność! Zwykle częstotliwość nie jest mierzona bezpośrednio, tylko zamieniana w przetworniku F/U na napięcie stałe i na wyświetlaczu pokazana jest ta wartość napięcia z przetwornika. Dokładność takiego pośredniego pomiaru częstotliwości wynosi 3...5%, czyli jest absolutnie niewystarczająca dla omawianej sytuacji. Tak jest, rozdzielczość 3,5-cyfrowego wskaźnika cyfrowego wynosi wprawdzie 0,05%, ale dokładność tylko kilka procent! Tylko nieliczne droższe multimetry mają obwody klasycznego pomiaru rzeczywistej liczby impulsów w dokładnie określonym odcinku czasu. Krótko mówiąc, większość multimetrów cyfrowych z funkcją pomiaru częstotliwości zupełnie nie nadaje się do regulacji oscylatora w nadajniku-pilocie. W każdym przypadku dokładność posiadanego częstościomierza należy sprawdzić w instrukcji obsługi. W związku z tym proponuję inny prosty sposób, niewymagający użycia dokładnego częstościomierza, a co najwyżej omomierza. Mianowicie w roli wskaźnika częstotliwości należy wykorzystać scalony odbiornik TFMS5360 (SFH506-36), który później będzie pracował w urządzeniu odbiorczym. W pilocie wstępnie zamiast rezystora R8 (100Ω) należy prowizorycznie wlutować rezystor o wartości aż 22kΩ (jest dodatkowy w zestawie AVT-2667), co radykalnie

15

Projekty AVT zmniejszy zasięg łącza IRED. Zamiast R4 należy prowizorycznie, na jak najkrótszych przewodach, zamontować potencjometr montażowy 10kΩ (też jest w zestawie AVT2667). Krótkie przewody są zalecane ze względu na małą pojemność kondensatora C2 w generatorze (470pF) – dodatkowe pojemności montażowe mogą znacząco zmienić częstotliwość pracy. Pilot powinien być zasilany napięciem 2,8...3,0V. Scalony odbiornik TFMS (SFH) należy zasilić napięciem 5V i dołączyć do wyjścia diodę LED i rezystor (też są dodatkowo w zestawie) według rysunku 6. W takim przypadku każde naciśnięcie przycisku spowoduje wytworzenie paczki bardzo słabych impulsów. Zasięg tak słabego łącza wyniesie co najwyżej 10...20cm. I właśnie aby ją osiągnąć, należy ustawić potrzebną częstotliwość. Najpierw należy zbliżyć diodę nadawczą do układu TFMS na odległość 0...1cm i sprawdzić, czy naciskanie przycisku pilota powoduje zaświecanie diody LED na wyjściu odbiornika. Jeśli tak, tor pracuje.

mające znacznie większą rezystancję wewnętrzną, a tym samym mniejszą wydajność prądową. Opisany właśnie dobór częstotliwości pracy nadajnika nie jest wcale zadaniem trudnym, a jedynie nieco pracochłonnym. Na marginesie przypomnę, iż w układzie z rysunku 6 nieprzerwany ciąg impulsów nośnych 36kHz (przy zwarciu wejścia CLR do masy) nie spowoduje ciągłego świecenia diody LED, a wynika to z właściwości odbiornika TFMS/SFH. Opisany sposób z odbiornikiem TFMS i diodą LED według rysunku 6 okaże się też pomocny w przypadku ewentualnych błędów, gdyby tor nie chciał pracować. Montaż układu odbiorczego na płytce z rysunku 5 jest klasyczny. Odbiornik nie wymaga żadnego uruchamiania i bezbłędnie zmontowany ze sprawnych elementów od razu powinien pracować. Uwaga! W odbiorniku występują napięcia sieci mogące być przyczyną śmiertelnego porażenia. W żadnym wypadku

Rys. 6

Należy oddalać pilot od odbiornika i pokręcając potencjometrem montażowym, dobrać częstotliwość, przy której zasięg jest największy. Potem trzeba wylutować potencjometr, zmierzyć jego wartość i wlutować rezystor o najbliższej wartości. Ponieważ projekt nie jest przeznaczony dla zupełnie początkujących (dwie gwiazdki), w zestawie nie przewidziano zestawu rezystorów do wlutowania w miejsce R4. Odpowiedni rezystor należy wziąć z posiadanych zasobów. Potem wypada jeszcze raz sprawdzić działanie łącza (ze względu na wspomniane wcześniej pojemności montażowe). Jeśli zasięg się nie zmniejszył, na koniec trzeba wlutować R8 o wartości 100Ω i jeszcze raz ostatecznie sprawdzić zasięg łącza, który powinien wynosić kilka metrów. Płytkę można bez problemu umieścić w obudowie KM-14, o ile tylko kondensator filtrujący C3 ma średnicę 5mm. Przy kondensatorze o większej średnicy może być kłopot z zamknięciem obudowy. W obu połówkach obudowy należy też wcześniej wyciąć szczeliny dla diody nadawczej IRED. Do zasilania obowiązkowo ma być wykorzystana bateria litowa o oznaczeniu CR2032 (20mm średnicy, 3,2mm wysokości). Nie powinny być wykorzystane cieńsze baterie CR2025, a tym bardziej CR2016,

16

nie należy przeprowadzać jakichkolwiek zmian w urządzeniu podłączonym do sieci! W razie konieczności należy zasilać układ odbiorczy napięciem 12...18V dołączonym np. do kondensatora filtrującego C4. Urządzenie odbiorcze przeznaczone jest do sterowania obciążeniem rezystancyjnym o mocy do 450W. Wynika to z maksymalnego prądu diod prostowniczych (razem 2A), natomiast prąd maksymalny tranzystora przekracza 5A przy temperaturze obudowy +100oC. Przy mocy odbiornika do 200W do tranzystora T2 nie jest potrzebny radiator. Rezystancja otwartego tranzystora MOSFET typu IRF840 wynosi maksymalnie 0,85Ω, więc przy prądzie 2A moc strat wyniesie poniżej 3,4W, co wymaga zastosowania maleńkiego radiatorka z kawałka blaszki o powierzchni kilku centymetrów kwadratowych.

Dla dociekliwych i zaawansowanych

Jak już pisałem, czas trwania paczki impulsów w pilocie wyznaczają elementy C1, R2. Czas trwania „paczki” musi być na tyle długi, żeby spowodować reakcję urządzenia odbiorczego, a tam decyduje o tym stała czasowa R2, C2. W systemie w wersji podstawowej czas trwania „paczki” impulsów nadawczych wynosi około 30ms, a urządzenie odbiorcze powinno reagować na „paczki”

o czasie trwania ponad 15ms. Daje to wystarczający margines bezpieczeństwa względem sygnałów fabrycznych pilotów, których „paczki” nie powinny być dłuższe niż 9ms. W wersji podstawowej systemu przewidziana jest częstotliwość pracy równa 36kHz. Jeśli ktoś chce, może śmiało zastosować odbiorniki TFMS/SFH o innej częstotliwości nominalnej, na przykład 30kHz (np. TFMS5300) i zmienić stosownie częstotliwość generatora w pilocie. Najprawdopodobniej 30-kilohercowy odbiornik TFMS/SFH będzie reagował na bezpośrednie sygnały pilotów o częstotliwości 36kHz, jednak nie powinien reagować na ich sygnały odbite od ścian. W takim przypadku można śmiało spróbować skrócić czas impulsu w nadajniku, np. zmniejszając pojemność C1 w pilocie do 10nF oraz pojemność C2 w odbiorniku do 2,2nF, a potem

Wykaz elementów Nadajnik

Rezystory R1,R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .330kΩ R3,R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22kΩ R4 . . . . . . . . . . . . . . . . .* dobierany we własnym zakresie R6,R7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7kΩ (2,2...10kΩ) R8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100Ω Kondensatory C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF MKT C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470pF ceramiczny C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100µF/6,3V (o średnicy 5mm) Półprzewodniki D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .dioda nadawcza IRED 3mm T1,T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC548 U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74HC4060 Pozostałe BT1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .bateria litowa CR2032 S1 . . . . . . . . . . . . . . . .mikroswitch z krótkim przyciskiem Obudowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .KM-14 W skład kitu AVT-2667 dodatkowo wchodzą elementy: rezystor 22kΩ rezystor 470Ω potencjometr mont. mini 10kΩ dioda LED 3mm czerwona

Odbiornik

Rezystory R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9,1kΩ R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .680kΩ R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100kΩ R4,R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47kΩ R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1MΩ Kondensatory C1,C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF ceramiczny C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22nF MKT C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100µF/25V Półprzewodniki D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Zenera C5V1 D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148 D3-D7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4007 T1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC548 T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IRF840 U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .TFMS530 lub SFH506-36 U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CMOS 4017

Komplet podzespołów z płytką jest dostępny w sieci handlowej AVT jako kit szkolny AVT-22667

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Projekty AVT sprawdzić, z jakiej odległości taki 30-kilohercowy odbiornik reaguje na sygnały fabrycznych pilotów. Jeszcze bardziej zmniejszy to pobór prądu i zapewni nawet kilkuletnią pracę jednej jedynej baterii w pilocie. Warto też wiedzieć więcej o właściwościach generatora w pilocie. Podana wcześniej procedura doboru częstotliwości generatora pilota zapewni dobre wyniki, bo pozwala sprawdzić zasięg we współpracy z konkretnym egzemplarzem odbiornika TFMS.

Rys. 7 Rys. 8

Rysunek 7 pokazuje wpływ czułości odbiornika TFMS w zależności od częstotliwości impulsów „nośnych” w temperaturze +25oC. Wynika z niego, że częstotliwość impulsów nie powinna różnić się od nominalnej o więcej niż 5% - czułość maleje wtedy o około 3dB. Dla bezpieczeństwa należałoby jeszcze bardziej zawęzić zakres dopuszczalnych zmian częstotliwości nadajnika – do ±2%. Tolerancja ±2% od 36kHz to zakres 35,28...36,72kHz. Stabilność termiczna klasycznego generatora dwubramkowego (tak zbudowany jest oscylator kostki 4060) jest wystarczająca, a spodziewane zmiany częstotliwości w temperaturach pokojowych nie przekroczą ±1%. W ramach testów ostatniego modelu zmierzyłem zależność częstotliwości generatora pilota oraz pobór prądu w funkcji napięcia zasilania. Wyniki przedstawione są na rysunku 8. Szczerze mówiąc, przed pomiarem starannie dobrałem częstotliwość generatora, by przy napięciu zasilania 2,8V wynosiła dokładnie 36kHz. Wartość napięcia 2,8V nie

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

jest przypadkowa. Napięcie świeżej baterii litowej wynosi nieco ponad 3,3V, jednak nawet przy świeżej baterii napięcie podczas pracy nieco się obniża. Tym bardziej obniża się, jeśli bateria jest częściowo wyładowana. Jeśli ktoś będzie chciał dobrać częstotliwość generatora wyjątkowo precyzyjnie, powinien uczynić to przy napięciu zasilania 2,8V. Rysunek 8 pokazuje, z jakimi odchyłkami trzeba się liczyć. Jak widać, stałość częstotliwości tego prostego generatora RC jest w sumie bardzo dobra i z powodzeniem mieści się w przyjętych dość wąskich granicach. Mniej optymistyczne są wyniki dotyczące poboru prądu, który praktycznie równa się średniemu prądowi diody nadawczej IRED (prąd szczytowy jest około dwukrotnie większy). Przy spadku napięcia zasilania prąd dość szybko maleje, a tym samym zmniejszać się będzie zasięg łącza. Właśnie ze względu na wydajność baterii wartość rezystora ograniczającego R8 wynosi 100Ω, co jak na piloty jest wartością bardzo dużą, ograniczającą prąd w impulsie do kilkunastu miliamperów. Taki prąd z powodzeniem zapewni zasięg ponad dwóch metrów, co dla mojego zastosowania jest wartością całkowicie wystarczająRys. 9

Rys. 10 Rys. 11

cą. Przy okazji mniejsza moc pilota i wymagana kierunkowość umożliwiają współpracę w jednym pomieszczeniu kilku urządzeń odbiorczych. Dlatego ja w pełni świadomie zdecydowałem się na takie rozwiązanie. Jeśli jednak ktoś chce uzyskać większy zasięg, może zmniejszyć wartość R8 w pilocie nawet stukrotnie(!), by otrzymać w impulsie prąd rzędu 1A, a nawet więcej. W takich przypadkach trzeba, po pierwsze zajrzeć do karty katalogowej diody nadawczej IRED i sprawdzić dopuszczalny prąd impulsowy (często do 2A) i dopuszczalną moc strat w przyjętych warunkach pracy. Druga sprawa to pobór prądu. Małe baterie litowe, nawet stosunkowo wydajna CR2032, nie są w stanie dostarczyć prądu większego niż kilkanaście miliamperów. Oznacza to, że zmniejszając wartość R8, należy obowiązkowo zapewnić odpowiednią wydajność prądową źródła zasilania. Można to zrobić, dodając kondensator elektrolityczny o dużej pojemności Wtedy podczas pracy pilota źródłem zasilania będzie ten kondensator, a nie mała bateria. Jeśli przykładowo średni pobór prądu wyniesie 0,5A przez czas 20ms, to wymagana pojemność wynosiłaby ponad 4700µF. Zadanie o tyle nie jest łatwe, że w małej obudowie należałoby zmieścić kondensator o pojemności ponad 4700µF. Bardziej praktycznym rozwiązaniem będzie wykorzystanie baterii o dużej wydajności i większej obudowy. Mogą to być popularne „paluszki” R6 (AA) lub „małe paluszki” R03 (AAA), najlepiej oczywiście alkaliczne. Do tego też kondensator magazynujący o możliwie dużej pojemności, np. 470µF...2200µF. Jak wspomniałem, w pilocie zastosowałem układ 74HC4060, bo taki miałem pod ręką. Wszystko wskazuje, że nadajnik można uprościć według idei z rysunku 9. Lojalnie przyznaję, że nie sprawdzałem takiego układu. Spodziewam się, że R4 nie będzie potrzebny i można go zastąpić zworą. Jeśli natomiast prąd diody IRED byłby za mały, można spróbować wykorzystać w roli stopnia mocy cztery inwertery kostki 74HC04 według idei z rysunku 10, ale trzeba dodać bardziej rozbudowany obwód sterowania, by w spoczynku układ nie pobierał prądu. Ze względu na wymaganą stabilność częstotliwości zdecydowanie do nadajnika nie nadaje się prosty układ generatora z jedną „bramką Schmitta” – dlatego rysunek 11 jest przekreślony. Nie spełni on przewidzianej roli ze względu na znaczne wahania napięcia zasilającego, które z kolei ma duży wpływ na częstotliwość. Piotr Górecki Zbigniew Orłowski

17

++ 3016

Szeregowy sterownik urządzeń Do czego to służy?

Opisów przeróżnych sterowników urządzeń zamieszczono już bardzo wiele. Były one zazwyczaj sterowane kodem RC-5 czy interfejsem równoległym komputera. Idea stosowania sterowników jest jak najbardziej na miejscu, gdyż niekiedy musimy włączać i wyłączać wiele urządzeń różnie oddalonych od siebie. Zastosowanie takiego sterownika umożliwia sterowanie kilkoma urządzeniami z jednego miejsca, co przyśpiesza ich sterowanie oraz polepsza komfort obsługi tych urządzeń. Proponowany sterownik różni się od innych tym, że można go sterować łączem szeregowym, w który jest wyposażony każdy PC-et. Sterowanie portem równoległym jest uciążliwe, zwłaszcza gdy mamy do niego dołączoną drukarkę. Tak więc sterowanie portem szeregowym nie tylko zmniejsza liczbę przewodów, ale uniezależnia od potrzeby stosowania innych portów, które są bardziej potrzebne do innych celów. Poniżej przedstawiony sterownik charakteryzuje się 8 kanałami, których każdy stan jest zapamiętywany w nieulotnej pamięci EEPROM, co chroni układ przed wpływem zaników napięć, które powodowałby kasowanie ustawień przekaźników. Dużą zaletą takiego sterownika jest to, że do jego sterowania nie trzeba posiadać żadnego oprogramowania, do obsługi wystarczy jakikolwiek terminal, choć program sterujący w dużej mierze ułatwi sposób sterowania sterownikiem. Przykładowy program obsługujący sterownik może wyglądać tak jak załączony.

Jak to działa?

Schemat ideowy układu znajduje się na rysunku 1. Całym sterownikiem steruje znany i wielokrotnie stosowany mikroprocesor 89C2051. Wyjścia od P1.2 do P1.7 oraz P3.2,

18

P3.3 sterują tranzystorami T1–T8, które z kolei układami wykonawczymi w postaci przekaźników. Diody D1–D8 sygnalizują stan przekaźników, natomiast D9–D16 chronią tranzystory przez przepięciami podczas wyłączania przekaźników. Piny portu P3.4, P3.5 sterują pamięcią nieulotną EEPROM U2, natomiast piny P3.0 oraz P3.1 konwerterem napięć U3. Układ U3 dostosowuje napięcia do standardu RS232, które powinny wynosić –12V/+12V. Napięcie zasilające układ stabilizowane jest na poziomie 5V przez U4, natomiast kondensatory C1–C4 filtrują napięcia zasilające układ. Na listingu 1 znajduje się fragment pętli, w której następuje oczekiwanie na dane wysłane z komputera do sterownika, natomiast listing 2 przedstawia procedurę wysyłającą do komputera aktualny stan ustawień przekaźników, co wykorzystano w dołączonym do projektu programie. Listing 3 przedstawia część procedury odpowiedzialnej za sterowanie przekaźnikami na podstawie odebranych danych z portu. W części tej procedury widać, że po każdej zmianie stanu przekaźnika Listing 1:

Do

'Instrukcja czytania danych z portu Input V Z = V + 48 Call Zalacz If Z = „s” Then Call Wr_stan End If Loop Listing 2:

Sub Wr_stan: ' Procedura wysylania stanu sterownika For I = 1 To 8 Waitms 100 Print Chr(stan(i)) Next I End Sub

od razu jego stan jest zapamiętywany w nieulotnej pamięci, dzięki czemu z dużym prawdopodobieństwem sterownik powróci po powrocie napięcia zasilającego do stanu przekaźników sprzed jego zaniku. Listing 3:

Sub Zalacz

' Procedura obslugi urzadzen Select Case Z Case „1” : Set P1.7 Stan(1) = „1” Value = Stan(1) Call Zap_eeprom(1 , Value ) Print „p” Case „0” : Reset P1.7 Stan(1) = „0” Value = Stan(1) Call Zap_eeprom(1 , Value ) Print „p” Case „3” : Set P1.6 Stan(2) = „3” Value = Stan(2) Call Zap_eeprom(2 , Value ) Print „p” ................ ................ ................ End Select End Sub

Montaż i uruchomienie

Układ sterownika można zmontować na płytce przedstawionej na rysunku 2. Przed montażem należy wlutować jedną zworkę, przechodząc od elementów najmniejszych, kończąc na włożeniu układów scalonych do podstawek. Sterownik po poprawnym zmontowaniu od razu powinien poprawnie pracować. Do wejścia Z1 należy dołączyć napięcie zasilające o wartości 12V. Ze znalezieniem odpowiedniej obudowy dla tego układu nie powinno

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

być większych problemów. Aby sterownik poprawnie pracował z komputerem, powinien być połączony przewodem, który ma skrzyżowane linie TX oraz RX. Z wykonaniem takiego przewodu nie powinno być większych problemów, gdyż wystarczy tylko zamienić po jednej stronie złącza linie RX z linią TX. Po połączeniu sterownika z komputerem oraz zasileniu go napięciem, dla jego sprawdzenia najlepiej będzie posłużyć się jakimkolwiek terminalem. Sterownik obsługuje transmisję 9600:8:n:1, tzn. aby sterownik poprawnie się porozumiewał w konfiguracji terminala, należy ustawić szybkość transmisji na 9600bs, dane -8 bitów, bit parzystości - brak, 1 bit stopu. Po takim skonfigurowaniu terminala porozumiewanie się ze sterownikiem powinno przebiegać bez żadnych problemów. Urządzenie ON OFF

1 1 0

2 3 2

3 5 4

4 7 6

5 9 8

6 b a

7 d c

8 f e

Powyższa tabelka przedstawia rozkazy przyjmowane przez sterownik, przy czym wpisane rozkazy należy potwierdzać zawsze klawiszem ENTER. Rys. 2 Schemat montażowy Ciąg dalszy na stronie 38.

Rys. 1 Schemat ideowy

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

19

Podstawy

Jak określić indukcyjność cewek W EdW 5/03 zostały zaprezentowane sposoby wyznaczania indukcyjności najczęściej używanych cewek fabrycznych. Kontynuujemy temat, przedstawiając różne sposoby określania indukcyjności cewek, a także proste, ale przydatne przystawki służące właśnie do pomiarów indukcyjności. Na wartość indukcyjności cewki wpływają następujące czynniki: - średnica cewki, - długość cewki, - liczba zwojów i rodzaj uzwojenia, - pojemność własna cewki. Indukcyjność cewki L jest tym większa, im większa jest jej średnica, im mniejsza długość nawinięcia cewki, im ciaśniej są ułożone zwoje oraz im jest tych zwojów więcej. Indukcyjność cewki zależy od liczby zwojów wprost proporcjonalnie do ich kwadratu. Jeżeli zatem jedna cewka będzie miała np. 12 zwojów, druga cewka tylko 4 zwoje, nawiniętych identycznie, to indukcyjność cewki pierwszej będzie miała wartość nie trzykrotnie, ale dziewięciokrotnie większą od indukcyjności cewki drugiej. Indukcyjność cewek jednowarstwowych (rys. 1) można obliczyć z następującego wzoru: KDn2 L= 1000 K - współczynnik zależny od stosunki średnicy do długości uzwojenia (D/l) można wyznaczyć za pomocą nomogramu (rys. 2) D - średnica uzwojenia [cm] l - długość uzwojenia [cm] n - liczba zwojów cewki L - indukcyjność cewki [µH] Z nieco mniejszą dokładnością indukcyjność cewki jednowarstwowej można oszacować z nomogramu zamieszczonego na rysunku 3. Indukcyjność jednego zwoju kołowego o średnicy D wykonanego z drutu o średnicy d (rys. 4) można wyliczyć ze wzoru: D L = 0,0145D log 1,08 d Dla przykładu, indukcyjność jednego zwoju o średnicy D=25cm wykonanego z drutu o średnicy d=4mm wynosi 0,66µH. Z kolei indukcyjność drutu prostego można wyliczyć ze wzoru: L = 0,0046l log 1,47l d Przykładowo, indukcyjność drutu prostego o długości 5cm i średnicy 1mm wynosi

20

Rys. 1 Rys. 2

część 2

0,0043µH. Warto wiedzieć, że taki odcinek drutu z dołączonym kondensatorem o wartości 15pF tworzy równoległy obwód rezonansowy o wartości 200MHz. Na stronach internetowych często można spotkać kalkulatory ułatwiające wyznaczanie indukcyjności, ale one także opierają się o takie i podobne wzory. Obliczanie indukcyjności cewek wielowarstwowych jest dość skomplikowane i dlatego lepiej w takim przypadku korzystać z mierników. W każdym razie o ile indukcyjność cewek powietrznych o niewielkiej liczbie zwojów można obliczyć lub wyznaczyć

Rys. 3 Rys. 4

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Podstawy z nomogramów, to indukcyjność cewek nawijanych na rdzeniach ferrytowych można w zasadzie jedynie zmierzyć. Tylko nieliczne multimetry cyfrowe są wyposażane w podzakres do pomiaru indukcyjności. Są także mierniki przystosowane tylko do pomiaru L lub LC, jak np. DVM6243 firmy Velleman, dostępny w sieci handlowej AVT. Umożliwiają one pomiar indukcyjności w czterech podzakresach: 2mH, 20mH, 200mH, 2H (pojemności: 2nF, 20nF, 200nF, 2µF, 20µF, 200µF). Są to multimetry stosunkowo drogie, a przy tym mało przydatne do pomiaru cewek o indukcyjnościach rzędu kilku mikrohenrów (nie mówiąc o nanohenrach). Przystosowane są one w zasadzie do dokładnych pomiarów cewek o indukcyjności kilkuset mikrohenrów. Z tego też względu w warunkach laboratoryjnych korzysta się z drogich (ale i dokładnych) mostków RLC, które zapewniają pomiar cewek od części nH aż po H. Do pomiarów indukcyjności cewek w warunkach amatorskich proponujemy wykonanie prostej przystawki dołączanej albo do posiadanego miliwoltomierza, albo do miernika częstotliwości.

Metoda bezpośrednia z generatorem

ści można wykonać specjalny nomogram, aby wyeliminować konieczność każdorazowego korzystania z kalkulatora. Przy dzielniku pojemnościowym 100pF przystawka umożliwia określenie indukcyjności cewek w zakresie 1...500µH, a także częstotliwości rezonatorów kwarcowych w zakresie 3...20MHz. Chcąc mierzyć częstotliwości rezonatorów w zakresie 1...3MHz oraz cewki o indukcyjności powyżej 500µH należy wartości kondensatorów dzielnika powiększyć do 1nF. Przy pomniejszeniu wartości tych kondensatorów uzyskamy możliwość pomiaru cewek o indukcyjnościach mniejszych od 1µH i rezonatorów o częstotliwościach powyżej 20MHz. Wiąże się to z koniecznością wyznaczenia nowych wartości Cw.

Jak wiemy, częstotliwość każdego generatora LC, niezależnie od jego konstrukcji, zale- Rys. 5 ży od indukcyjności i wypadkowej pojemnoRys. 6 ści widzianej przez końcówki cewki. Mierząc częstotliwość wyjściową generatora, można wyliczyć indukcyjność cewki (oczywiście znając pojemność wejściową układu generatora). Przykładowy schemat ideowy takiego generatora jest pokazany na rysunku 5. Na tranzystorze T1 jest skonstruowany zasadniczy generator, zaś na tranzystorze T2 separator w postaci wtórnika emiterowego. Częstotliwość wyjściowa układu zależy od pojemności wewnętrznej przystawki (Cw). Pojemność wewnętrzną układu można Układ z rysunku 6 jest skonstruowany wyznaczyć z poniższej procedury: w oparciu o cztery bramki Schmitta, wcho- do zacisków przystawki należy podłączyć dzące w skład układu scalonego 74HC132. cewkę o nieznanej indukcyjności i zmierzyć Bramka 1 z elementami RC tworzy generator częstotliwość wyjściową f1 [MHz] fali prostokątnej. Wartość rezystora została - równolegle do uzwojeń cewki podłączyć kon- tak dobrana, aby częstotliwość generatora densator o znanej pojemności, np. C = 100pF wynosiła około 50kHz. Bramka 2 stanowi sei zmierzyć częstotliwość wyjściową f2 [MHz] parator - układ formowania sygnału genera- potrzebną pojemność wejściową przystaw- tora. Zasadnicze właściwości bramki Schmitki [pF] wyliczyć ze wzoru: ta zostały wykorzystane w bramce 3. Na jedno z jej wejść jest podany przebieg piłokCw = f C2 1 ształtny uformowany z przebiegu prostokąt-1 f2 nego po przejściu przez układ różniczkujący, Indukcyjność dołączonej cewki można zestawiony z elementów R2Lx. Przełączenie wyliczyć ze wzoru: bramki 74HC132 następuje z chwilą przekroczenia poziomu wejściowego 1,8V (zmiana 25330 Lx = 2 sygnału z „0” na „1”) i przy 3V (przy zmiaf1 * Cw Do przybliżonego wyznaczania indukcyj- nie sygnału z „1” na „0”). Bramka 4 odwraca ności na podstawie zmierzonej częstotliwo- fazy sygnałów wyjściowych bramki 3. Czas

()

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

trwania jedynki logicznej na wyjściu bramki 4 jest wprost proporcjonalny do stałej czasowej ł = Lx/R. Impulsy wyjściowe po przejściu przez układ całkujący RC są kierowane do zacisków woltomierza. Wartość średnia tego napięcia zależy od rezystancji wejściowej podłączonego woltomierza - im większa jest ta rezystancja, tym pomiar dokładniejszy. Wartości elementów w przedstawionym układzie przystawki zostały tak dobrane, aby można było mierzyć indukcyjności cewek z przedziału 5...500µH (czyli w najczęściej wykorzystywanym przedziale wartości). W tym zakresie mierzonej indukcyjności układ pracuje liniowo. Korzystanie z przystawki jest bardzo proste. Indukcyjności 5µH odpowiada napięcie wyjściowe 5mV i odpowiednio, 500µH 500mV. W przypadku bezpośredniego zwarcia zacisków Lx napięcie wyjściowe jest zbliżone do zera (przy rozwarciu wynosi około 2,7V). Podczas testowania przystawki zostały wykorzystane multimetry cyfrowe, które mają bardzo dużą rezystancję wejściową. Po dołączeniu multimetru analogowego wskazania będą obarczone bardzo dużym błędem. Powiększenie zakresu pomiarowego przystawki można uzyskać przez zmniejszenie częstotliwości generatora oraz zmniejszenie stałej czasowej układu, czyli przez zmianę wartości rezystorów (wiąże się to z koniecznością zastosowania dodatkowego przełącznika). Czytelnikom, którzy chcieliby określać cewki o bardzo małej indukcyjności, można polecić przystawkę działającą za pomocą metody rezonansowej. Przedstawiono na rysunku 7 schemat miernika umożliwia określenia indukcyjności cewki z zakresu 0,05...1µH. Ten prosty układ składa się z wysokostabilnego generatora wysokiej częstotliwości, równoległego obwodu pomiarowego oraz wskaźnika rezonansu. Jako generator w.cz. jest zastosowany generator scalony o częstotliwości 50MHz. Właśnie taka częstotliwość umożliwia pomiar cewek o indukcyjności nawet poniżej 0,2µH. Dodatkowy obwód rezonansowy z cewką 0,6µH i trymerem 25pF służy do poprawienia kształtu sygnału wyjściowego 50MHz. Obwód pomiarowy jest złożony ze zmiennego kondensatora wzorcowego o maksymalnej wartości 250pF i indukcyjności mierzonej Lx. Wskaźnik pomiarowy tworzy detektor w.cz. w postaci podwajacza napięcia z diodami germanowymi D1 D2 z dołączonym mikroamperomierzem, a nawet dowolnym posiadanym multimetrem. Po zmontowaniu układu należy ustawić trymer na maksymalny sygnał w.cz., a następnie wyskalować oś kondensatora zmiennego

21

Podstawy w wartościach indukcyjności. Skalowanie oraz pomiar polega na dostrojeniu generatora do obwodu pomiarowego na maksymalne wychylenie wskaźnika pomiarowego, czyli do stanu rezonansu elementów Lx i C (250pF). Najłatwiej będzie nanieść podziałkę mając kilka wzorcowych indukcyjności 0,05...1µH. Jeżeli ktoś ma miernik pojemności, może najpierw nanieść wstępną skalę w wartościach pojemności kondensatora zmiennego, a potem za pomocą przekształconego wzoru wyliczyć ostateczne wartości indukcyjności i nanieść napisy. Przyjmując częstotliwość rezonansową 50MHz i znając pojemność kondensatora w pF można wyznaczyć indukcyjność w µH z uproszczonego wzoru: Lx = 10/C

Rys. 7 Rys. 8

22

Czyli jeżeli maksymalne wychylenie wskaźnika przypadnie dla pojemności kondensatora 10pF, będziemy mieli do czynienia z indukcyjnością 1µH i odpowiednio, dla 50pF-0,2µH, 100pF-0,1µH... Po wyskalowaniu należy jeszcze upewnić się, czy miernik działa prawidłowo, dołączając kilka cewek o małych wartościach indukcyjności stosowanych w zakresach VHF. Eksperymentalne cewki można wykonać samemu poprzez nawinięcie emaliowanym drutem miedzianym o średnicy 1mm (DNE 1) na ołówku (średnica około 7mm): 50nH-2 zwoje, 100nH-3 zwoje, 200nH-7 zwojów, 300nH-10 zwojów... Na zakończenie warto przypomnieć jeden z najbardziej uniwersalnych przyrządów, czyli TDO. TDO to skrót od angielskiej nazwy TransDip-Oscillator (odpowiednik GDO, czyli Grid-DipOscylator) i bywa często nazywany po prostu „dipmetrem”. Zakres pomiarowy TDO zależy od liczby wykonanych cewek wzorcowych, zaś dokładność pomiarów od precyzji w naniesieniu skali, a także od wprawy użytkownika. Na rysunku 7 zamieszczono schemat jednego z najprostszych układów wykonanych z zastosowaniem łatwych do zdobycia podzespołów. Choć na łamach pisma były już opisywane podobne urządzenia, to warto przypomnieć, że zasadniczym elementem urządzenia jest generator wykonany w układzie Hartleya na tranzystorze BC547. Układ taki charakteryzuje się pewną pracą w szerokim zakresie częstotliwości. W skład obwodu rezonansowego wchodzi wymienna nieekranowana cewka L umieszczona na zewnątrz obudowy oraz kon-

densator o zmiennej pojemności zaopatrzony w podziałkę częstotliwości. Można tu wykorzystać kondensator obrotowy w obudowie plastikowej o pojemności około 200pF (jedna sekcja agregatu AM). Po generatorze następuje prostownik w.cz. w postaci podwajacza napięcia, a następnie wskaźnik prądu stałego w postaci mikroamperomierza. Jeżeli obwód rezonansowy z cewką L (oczywiście przy zasilaniu układu) zostanie sprzęgnięty z innym obwodem o identycznej częstotliwości rezonansowej, to wskaźnik miernika pokaże spadek wychylenia wskazówki dołączonego miernika - tak zwany „dip”. Dzieje się to na skutek tego, że przy zgodności obydwu częstotliwości badany obwód pobiera część energii z obwodu generatora, powodując zmniejszenie amplitudy sygnału generatora. Przy eksperymentalnym dobieraniu liczby zwojów można posłużyć się odbiornikiem radiowym z odpowiednim zakresem częstotliwości. Trzeba pamiętać, że maksymalna wartość częstotliwości występuje przy minimalnej pojemności kondensatora zmiennego (wykręconym rotorze), zaś minimalna - przy maksymalnej pojemności kondensatora zmiennego (wkręconym rotorze). W celu określenia indukcyjności cewki należy końcówki Lx połączyć z kondensatorem o znanej pojemności C, a następnie określić częstotliwość rezonansową tak powstałego obwodu LC. Indukcyjność wyliczamy ze wzoru (5). Mam nadzieję, że w powyższym artykule udało mi się choć częściowo odpowiedzieć na pytanie, jak określić indukcyjność cewek lub ile nawinąć zwojów, aby uzyskać potrzebną wartość indukcyjności.

Andrzej Janeczek

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Kurs Protela

Spotkania z Protelem 99 SE Spotkanie 15 Na najbliższych spotkaniach zajmiemy się zaawansowanymi zagadnieniami, związanymi z przygotowaniem plików produkcyjnych. Wię-

Podobieństwa i różnice

Rozwój programów i formatów do zapisu projektów płytek drukowanych jest szybki i formaty te coraz bardziej się różnicują. Żeby pokazać Ci te różnice, stworzyłem w Autotraxie plik zawierający pięć elementów, pokazanych na rysunku 7. Po zapisaniu, plik Autotraxa z rozszerzeniem .PCB zawierający te elementy ma 169 bajtów i zawiera dane (tekstowe), pokazane na rysunku 8 (czerwonym kolorem dodałem mój komentarz). Ten prościutki plik zaimportowany do Protela i zapisany potem w domyślnym (binarnym v. 4.0)

Rys. 7 Rys. 8

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

cej miejsca poświęcimy jednak pokrewnemu zagadnieniu, które pokaże Ci całą sprawę w zupełnie odmiennym świetle. Pokażę Ci mianowicie,

jak można okrężną drogą przenieść przynajmniej kluczowe informacje z płytki zaprojektowanej w programie EAGLE do Protela czy Autotraxa.

formacie Protela 99SE, też oczywiście z rozszerzeniem .PCB, ma już... 36688 bajtów, czyli ponad 200 razy więcej. Rysunek 9 pokazuje w zmniejszeniu część pliku w formacie Protela w wersji ASCII (tekstowej). Czerwony owal pokazuje, gdzie są informacje o pięciu składnikach z rysunku 7. Pozostałe informacje związane są z ogromnymi możliwościami Protela, których oczywiście w tym wypadku zupełnie nie wykorzystujemy. Przykład ten pokazuje, że coraz trudniej jest przeprowadzać konwersję z jednego formatu na inny, nawet wtedy, gdy rozszerzenie jest identyczne (.PCB). Dotyczy to nie tylko programów z jednej linii rozwojowej (korzenie Protela sięgają Autotraxa i są to programy z jednej firmy) – tym większą trudność sprawia konwersja między formatami pochodzącymi z zupełnie różnych firm. Dotyczy to na przykład programów Protel i Autotrax z jednej strony, a EAGLE z drugiej. Szczerze mówiąc, program EAGLE nie należy ani do najlepszych, ani do najpopularniejszych. Tu choć z przyzwoitości należałoby wspomnieć o lepszych i znanych od dawna programach OrCad czy P-CAD (czytaj: pikad). Jednak przez długie lata nie były dostępne użyteczne wersje edukacyjne OrCad-a i P-CAD-a, a korzystanie ze sposobów pirackich było utrudnione ze względu na stosowanie kluczy sprzętowych (wtykanych w gniazda i portu komputera). Zemściło się to radykalnym spadkiem popularności OrCad-a, a P-CAD od początku należał do elity tego rodzaju oprogramowania i mało kto opanował jego specyficzną obsługę.

Tymczasem firma CadSoft udostępniła edukacyjną, ograniczoną, niemniej użyteczną wersję skądinąd potężnego programu EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor). Ograniczeniem wersji edukacyjnej jest możliwość wykorzystania tylko dwóch warstw ścieżek (Top, Bottom), a wymiary płytki nie mogą przekraczać 10cm x 8cm. Wersja ta jest dość popularna, instaluje się szybko, nie ma limitu czasowego i pracuje bez awarii, w przeciwieństwie do Protela, który na wielu komputerach sprawia duże kłopoty i się zawiesza. Ja osobiście wyrosłem na programach Autotrax (płytki) i Orcad (schematy), a moim pierwszym programem do płytek była jakaś wczesna wersja Tanga. EAGLE zupełnie mi nie odpowiada, przede wszystkim ze względu na wygląd schematów ideowych. Muszę jednak lojalnie przyznać, że mocną stroną są obszerne biblioteki (a w nich bardzo ładne elementy „płytkowe”) i naprawdę duże możliwości. Ja co prawda nie planuję przyzwyczajać się do EAGLE i nie zachęcam nikogo do tego, ale co jakiś czas mam do czynienia ze schematami i płytkami wykonanymi w tym programie. Czasem nawet zachodzi potrzeba przeniesienia skomplikowanej płytki spod EAGLE do Autotraxa.

Praktyczne kłopoty

Nieprzypadkowo to spotkanie zaczęliśmy od omówienia plików wiertarskich i formatu Gerber. Każdy program do projektowania płytek potrafi wytworzyć takie pliki. I to jest wspólny mianownik, jedyne podobieństwo nawet skrajnie różnych programów. Teoretycznie wszystko jest jasne, proste i oczywiste: wystarczy wygenerować plik wiertarski oraz pliki Gerbera lub postscriptowe wszystkich czynnych warstw, przekazać je producentowi płytek i czekać na gotowe płytki. Niestety, często rzeczywistość nie jest aż tak różowa. Zwłaszcza w przypadku małych

23

Kurs Protela zakładów rzemieślniczych pojawiają się kłopoty. Niektóre zakłady nie chcą przyjmować plików z projektami płytek w mało popularnych formatach. Nie dziwię się – po pierwsze, trzeba mieć stosowny program. Legalna wersja kosztuje majątek. Poza tym trzeba się nauczyć obsługi kilku programów. Ja sam miałem spore kłopoty z EAGLE. Najnowsza wersja 4.09 nie chciała otworzyć plików z wersji 3.55. Problem z ledwością i nie do końca załatwiło dopiero wykorzystanie wersji 4.01. W każdym razie musiałem instalować trzy programy (na szczęście miałem je pod ręką na płytach EP). Mało kto chce dokładać sobie niepotrzebnych kłopotów i wytwórcy zwykle niechętnie przyjmują pliki wynikowe (wiertarskie i Gerbera) oraz pliki .PCB w „egzotycznych formatach”, w tym z EAGLE. Po prostu wytwórcy łatwiej jest przeprowadzić niezbędną dalszą obróbkę płytki w znanym mu formacie, którym często nadal jest poczciwy Autotrax. Trzeba bowiem pamiętać, że do produkcji nie wykorzystuje się jednej płytki. Trzeba „rozmnożyć” płytkę i przygotować formatkę o większych wymiarach, uwzględniając znaczniki pasowania warstw oraz odstęp między płytkami, zależny od sposobu cięcia formatki. Można to bez problemu zrobić na przykład właśnie w Autotraxie czy Protelu i dopiero po „rozmnożeniu” wygenerować wszystkie potrzebne pliki produkcyjne. Dostarczenie plików wiertarskich i Gerbera (lub postscriptowych) tylko jednej płytki nieco utrudnia wykonawcy przygotowanie formatek. Co prawda są specjalne programy do obróbki i „rozmnażania” plików Gerbera i innych, lecz na pewno jest to utrudnienie dla wytwórcy, który musi te programy posiadać i umieć obsługiwać. Przygotowując ten cykl, zainstalowałem kilka takich programów z płyt EP (m.in. GCPrevue, ACCEL Gerber, Gerber Tool). Takie programy „łykają” pliki Gerbera. Obraz wiRys. 9

24

dać na ekranie, można go skontrolować, rozmnożyć, poustawiać. Zarówno podczas przygotowywania, jak i późniejszej obróbki takich plików łatwo mogą wkraść się błędy, które uczynią pracę bezużyteczną. Aby uniknąć błędów, projektant płytki musi więc dobrze rozumieć problem i szczegółowo ustalić z wytwórcą, w jaki sposób ma przygotować ewentualne pliki produkcyjne: czy ma to być format postscriptowy, czy Gerber? Jakie apertury stosować? Czy „rozmnożyć” płytkę? Na jaki format i z jakimi odstępami? Jakie zastosować pasery (znaczniki produkcyjne), które pozwolą precyzyjnie złożyć wszystkie warstwy? Jak będą zaznaczone kontury płytki, potrzebne m.in. do cięcia? Dlatego nie wszystkie zakłady, zwłaszcza te małe rzemieślnicze, chcą zawracać sobie głowę nietypowymi zleceniami, które zwykle są małe i przy dużym dodatkowym nakładzie pracy w sumie nie przynoszą zysku, tylko stratę. Z tych praktycznych względów czasem, nawet gdy jest dostępna gotowa płytka np. w EAGLE, to trzeba od nowa odtworzyć ją w Autotraxie, by stała się „strawna” dla wytwórcy.

Konwersja

Jak wspomniałem, konwersja plików .PCB zapisanych w zupełnie różnych formatach nie jest łatwa. W obrębie jednej rodziny (Autotrax – Protel) można sobie poradzić. Protel może też otworzyć pliki OrCad v.9 (co jest wynikiem walki konkurencyjnej) oraz P-CAD i PADS. Ale nie ma narzędzi do konwersji rozmaitych wersji różnych mniej znanych programów. I wtedy jedyną pomocą bywa skorzystanie z formatu Gerber. Krótko mówiąc, z programu takiego jak np. EAGLE trzeba wygenerować pliki Gerbera odpowiednich warstw, potem przekonwertować je na format Protela (lub Autotraxa i ewentualnie plik z Autotraxa otworzyć w Protelu). Nie znaczy to, że można w ten sposób z łatwością przenieść kompletny projekt płytki. Jak się zorientowałeś, plik w formacie Gerbera służy do wykonania jednej kliszy. Nie możesz przenieść wielu oddzielnych warstw w jednym pliku Gerbera. Owszem, mógłbyś włączyć do pliku Gerbera wszystkie czynne warstwy, ale zostaną one spłaszczone, potraktowane jako jedna warstwa i później ich nie rozdzielisz.

Jeśli płytka jest nieskomplikowana, trzeba po prostu zrobić ją od nowa w Protelu czy Autotraxie na podstawie wydruku z drukarki. Jeśli jest bardziej skomplikowana, można pójść dwiema drogami wykorzystującymi pliki Gerbera: 1. Przenieść do Autotraxa kolejno wszystkie czynne warstwy (BottomLayer, TopLayer, TopOverlay). 2. Przenieść do Autotraxa tylko warstwę(-y) ścieżek jako wzór i potem na tym wzorze umieścić elementy z bibliotek Autotraxa czy Protela (ewentualnie poprowadzić też nowe ścieżki i skasować na koniec te przeniesione). Ponieważ w pierwszym przypadku nadal nierozwiązany pozostałby problem otworów, a procedura jest skomplikowana, polecam drugą drogę – przeniesienie tylko warstwy ścieżek i dodanie elementów bibliotecznych. Przedstawiony dalej przykład opisuje przenoszenie płytki z EAGLE do Protela. Ze względu na utrzymującą się popularność, dalsza część dotyczy też Autotraxa.

EAGLE - Protel

Plik płytki drukowanej spod EAGLE ma rozszerzenie .brd. W Eagle v.4.01 należy otworzyć płytkę, jak do edycji i z menu File wybrać CAM Processor. Na palecie, która się pojawi, trzeba określić format i właściwości pliku wyjściowego. Ramka Job nie będzie wykorzystana. W ramce Options trzeba określić urządzenie, dla którego przeznaczony jest plik wynikowy, a w naszym przypadku określić format pliku wyjściowego. W okienku Device obszernej listy urządzeń trzeba wybrać GERBER_RS274X. Plik będzie w rozszerzonym formacie Gerber, więc od razu w nim zostanie zawarta lista wykorzystanych apertur. W okienku File trzeba podać nazwę i rozszerzenie pliku wynikowego. Kliknięcie przycisku File otworzy okno, w którym można wybrać ścieżkę i plik. Tu trzeba bardzo uważać. Problem w tym, że program EAGLE nie jest w tym miejscu zbyt inteligentny i chętnie zastąpi jakikolwiek wskazany plik, bezpowrotnie i bez ostrzeżenia niszcząc przy okazji oryginał – to jest irytująca niedoróbka. Dlatego bardzo ważne jest, by wpisać odpowiednie rozszerzenie. Jak już wiesz, dla plików w formacie Gerber używa się różnych rozszerzeń. Ja zgodnie z zaleceniami z Protela używam rozszerzeń zaczynających się od litery g. Na przykład plik Gerbera warstwy TopLayer ma rozszerzenie .gtl, warstwy ścieżek BottomLayer rozszerzenie .gbl, warstwy TopOverlay - .gto. Rozszerzenia proponowane w pliku pomocy EAGLE są inne, ale ja trzymam się podanej zasady dla jasności sytuacji. W prawym dużym oknie koniecznie trzeba zaznaczyć warstwy, które mają pojawić się w wygenerowanym pliku, a wyłączyć niepotrzebne.

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Kurs Protela Dla ścieżek od strony lutowania na pewno potrzebna będzie warstwa 16Bottom. Warto też włączyć 17Pads i 18Vias, ewentualnie warstwę 40bKeepout. A może zamiast Keepout warto wcześniej w warstwie Bottom Layer zaznaczyć rogi płytki? Zwróć jeszcze uwagę na warstwę 45Holes – otwory. Włączenie wyświetlania otworów znacznie skomplikuje zadanie. Proponuję wyłączyć warstwę 45Holes. Resztę warstw trzeba skrupulatnie wyłączyć, w szczególności 1Top. Dla wytworzenia warstwy ścieżek od strony elementów na pewno trzeba włączyć warstwę 1Top oraz ewentualnie włączyć 17Pads i 18Vias. Do mojej warstwy .gtl włączyłem kilka warstw EAGLE (warstwy o numerach 20, 21, 25, 39, 40). Stworzyłem nowe zadanie polegające na automatycznym wygenerowaniu pięciu plików Gerbera (.gbl, .gtl, .gto, .ghl .gml), w tym warstwy punktów (Pads) i przelotek (Vias) w pliku .gml. Zapisałem to zadanie jako AVT.cam. Okno po ustawieniu pokazane jest na rysunku 10. Po kliknięciu przycisku Process Job program wygeneruje pięć plików w formacie Gerber. Pliki te należy wczytać do Protela. Mając nowy pusty arkusz (F – N – PCB Document), trzeba wykonać polecenie F – I (File, Import) i w rozwijalnym dolnym okienku Pliki typu wybrać nie Gerber Batch, tylko na samym do-

Rys. 11 Rys. 10

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Rys. 11

Rys. 13

le Single Gerber Files. Należy kolejno impor- Rys. 12 tować pliki uzyskane z EAGLE. Przed zamportowaniem pliku .gbl należy się przełączyć na warstwę BottomLayer (np. klawiszem +), podobnie podczas importowania pliku .gto czynną warstwą powinna być TopOverlay. Protel umieszcza importowany plik na aktualnie czynnej warstwie. Uwaga! Filtr importu Protela 99SE nie odczytał plików Gerbera wprost z EAGLE 4.01. Aby plik taki stał się czytelny dla Protela, musiałem nieco zmodyfikować wszystkie pliki. Rysunek 11 pokazuje z lewej strony początek pliku z EAGLE, z prawej po zmianach. Jasno widać, że trzeba usunąć kilka pierwszych linii pliku umieszczonych przed (skróconymi) definicjami apertur i wstawić następujące: %FSAX24Y24*% %MOIN*% G70* G01* G75* Takiej operacji trzeba poddać wszystkie pliki Gerbera z EAGLE, a dopiero potem wczytać je na poszczególne warstwy Protela. Ja w ramach testów przeniosłem w ten sposób projekt płytki demo3.brd z EAGLE (Program Files\Eagle-4.01\projects\examples\tutorial\demo3.brd). Rysunek 12 pokazuje zrzut z ekranu programu Eagle, a rysunek 13 pokazuje efekt po przeniesieniu do Protela. Wszystko prezentuje się pięknie, ale trzeba pamię-

tać, że w Protelu na płytce nie ma elementów bibliotecznych. Nie są to już elementy, nie ma też napisów. Wszystko to składa się z mnóstwa „zwykłych” linii, łuków i plamek. Co najgorsze, nie ma też żadnej informacji o otworach i ich średnicach, nie mówiąc już o netliście. Co prawda istnieją programy, jak np. ACCEL Gerber, które na postawie kilku oddzielnych warstw Gerbera potrafią inteligentnie zrekonstruować nie tylko netlistę, ale nawet poszczególne elementy biblioteczne. Takie zadanie jest jednak trudne, a w przypadku ograniczonych pakietów edukacyjnych i demo wręcz niewykonalne. Właśnie dlatego zamiast opisanego pełnego przeniesienia warto przenieść do Protela tylko jedną warstwę ścieżek ze wszystkimi punktami, umieścić ją nietypowo na jakiejś nieużywanej warstwie, a następnie poustawiać na płytce „prawdziwe” elementy z bibliotek Protela i poprowadzić ścieżki. Na koniec przeniesioną warstwę pomocniczą można i trzeba skasować. Zajmiemy się tym za miesiąc Piotr Górecki

25

Podstawy

Wszystko o lutowaniu część 3 Ze względu na specyficzne wymagania dotyczące ręcznego montażu i demontażu elementów SMD w ofertach producentów pojawiają się coraz to nowe stanowiska serwisowe. Oprócz klasycznych lutownic zawierają one lutownice i rozlutownice na gorący gaz z nasadkami do montażu i demontażu różnych układów SMD. Niektóre do grzania wykorzystują też promieniowanie podczerwone. Stanowiska takie są oczywiście kosztowne, więc potencjalny nabywca starannie przeanalizuje dostępną ofertę rynkową i wybierze optymalny dla siebie sprzęt. Fotografia 13 pokazuje jedno z takich stanowisk PRC2000 firmy PACE, z bogatej oferty firmy Renex (www.renex.com.pl). PRC 2000 to jedno z najbardziej rozbudowanych urządzeń służących do profesjonalnego prowadzenia produkcji i serwisu urządzeń elektronicznych. Bardzo bogate wyposażenie standardowe umożliwia:

gody pracy do ceny. Każdy, kto będzie wykorzystywał lutownicę na co dzień do celów zawodowych weźmie pod uwagę trwałość i wygodę użytkowania. W tym wypadku nie warto iść na kompromisy, a raczej zainwestować w dobry, droższy sprzęt. Osobom, które zajmują się elektroniką hobbystycznie, można polecić zakup stacji z regulacją. Oferta rynkowa jest dość szeroka. Zupełnie wystarczające, cieszące się pozytywną opinią wielu użytkowników, są niedrogie stacje krajowego producenta, firmy Elwik, pokazane na fotografii 14. Można rozważyć zakup sprawdzonej przez liczne rzesze lutownicy Wellera TCP-24 (do jej zasilania wystarczy transformator 24V 50W) lub od razu całej stacji WTCP-50. Aktualną ofertę AVT można sprawdzić pod adresem www.sklep.avt.com.pl. Bardzo interesująco pod względem stosunku ceny do możliwości wygląda oferta stacji lutowniczych NEC (fotografia 15) – są

Fot. 13

- montaż i demontaż układów SMD, - dozowanie pasty lutowniczej lub topnika, - reperację druku na płytce, - łatwe ustawianie elementów, - montaż i demontaż układów przewlekanych, - modyfikację i naprawę ścieżek, - usuwanie warstwy ochronnej, - reperację druków wielowarstwowych. Dodatkowo w tylnej ścianie PRC 2000 umieszczono trzy wolne gniazda zasilające gotowe do zainstalowania kolejnych rączek i dalsze rozbudowanie urządzenia. W wersji Master występuje również opcja do pokrywania styków w procesie elektrolizy: złotem, niklem lub innymi metalami. Tak zaawansowane urządzenie można wykorzystać we wszelkich pracach, niezależnie od ich złożoności, jednakże do typowych prac montażowych wystarczy dobra klasyczna lutownica elektryczna z regulacją. Przy wyborze lutownicy warto zwrócić uwagę na stosunek możliwości, jakości i wy-

26

to tanie stacje zapewniające płynne i stabilne regulowanie oraz stabilizację temperatury, szeroki wybór grotów oraz trwałe i antystatyczne wykonanie. Stacje te spełniają więc podstawowe wymagania, zaspokajające zarówno potrzeby zaawansowanego amatora, jak i niezbyt wymagającego profesjonalisty. Jeszcze ciekawiej od stacji lutowniczych NEC prezentują się stacje na gorące powietrze tego producenta (fotografia 16), służące do lutowania bezkontaktowego. Stacje na gorące powietrze są doskonałym rozwiązaniem dla osób pracujących z powszechnie już wykorzystywanymi elementami

SMD i BGA. Korzystając z tych stacji, można montować i wymontowywać elementy elektroniczne w bardzo prosty sposób przy zachowaniu pełnego bezpieczeństwa dla elementów. Aby wylutować dany komponent, operator musi jedynie skierować strumień gorącego powietrza, roztapiając lutowie mocujące element i podneść go z płyty – skuteczne przeprowadzenie tego procesu nie wymaga wielkiej wprawy, zadanie ułatwia dodatkowo duży wybór dysz dobieranych do różnego rodzaju komponentów. Lutowanie bezkontaktowe to skuteczna metoda pracy zarówno z elementami SMD, jak i przewlekanymi. NEC oferuje także szereg innych narzędzi jak: podgrzewacz płyt PCB czy myjka ultradźwiękowa do czyszczenia płytek z zabrudzeń (przydatna zwłaszcza do telefonów komórkowych). Podgrzewacz umożliwia podgrzanie płytki PCB w celu rozgrzania lutowia i prostego a jednocześnie bezpiecznego demontowania elementów, zastępowania ich nowymi i po szybkim schłodzeniu płyty naprawienie układu.

Fot. 14

Fot. 15

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Podstawy Wraz ze stacją na gorące powietrze można stworzyć wydajne stanowisko montażowodemontażowe do pracy ze wszystkimi rodzajami komponentów typu SMD, BGA, PBGA, CSP, Flip Chip. Wszystkie urządzenia NEC dostępne są w firmie RENEX (www.renex.com.pl/nec/). Wybierając stację lutowniczą nawet dla zastosowań amatorskich, można także brać pod uwagę przeznaczoną dla profesjonalistów bardzo bogatą ofertę firmy Pace – początkowo wyższa cena rekompensowana jest wyjątkową trwałością, niezawodnością i ogromną uniwersalnością. Zakupiona przez ucznia stacja lutownicza może więc być w przyszłości wykorzystywana przez studenta i dalej już w profesjonalnych zastosowaniach. Zakup taki można rozważyć zwłaszcza w odniesieniu do stacji lutowniczych PACE z serii ST, ich niska cena pozwala na poważne rozważenie zakupu –szczegóły w ofercie firmy RENEX. Tylko zupełnie początkującym można doradzić zakup taniej zwykłej lutownicy o mocy około 30W (24...35W). Będzie to zakup tymczasowy, bo generalnie są to lutownice niezbyt wygodne i mało trwałe. Istotną zale-

Fot. 16

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

tą jest wyłącznie niska cena. W miarę możliwości warto od razu kupić lepszy sprzęt. Korzystnym i tanim rozwiązaniem może okazać się także lutownica gazowa – lutownice takie zasilane gazem propan-butan (jak gaz w zapalniczkach) umożliwiają swobodną i wygodną pracę w domu i w terenie. Jednak należy uważać – już w poprzedniej części artykułu ostrzegaliśmy przed bardzo tanimi lutownicami gazowymi, są one zwykle bardzo niskiej jakości i oszczędność kilku złotych nie rekompensuje szybko powstających problemów w ich używaniu. Doskonałe parametry posiadają lutownice gazowe firmy Oglesby&Butter sprzedawane pod rynkową marką Portasol (fotografie 17 i 18). Lutownice te zapewniają maksymalną moc do 125W, regulacje temperatury i wysoką funkcjonalność (grot lutowniczy – groty o różnych kształtach i wymiarach, dysza do wydmuchu gorącego powietrza, gorący nóż do obróbki tworzyw, osłona do obkurczania koszulek i folii termokurczliwych). Lutownice dysponują wysokimi temperaturami pracy: grot nagrzewa się do 580oC w ciągu kilkudziesięciu sekund, wydmuchiwane powietrze do 650oC. Niewątpliwie ich pod-

stawowe zaFot. 17 lety to bardzo korzystny stosunek ceny do funkcjonalności i niezwykła wprost trwałość – niektórzy klienci firmy RENEX korzystają z tych produktów już od 7 lat! Niektórzy fascynują się wszystkim, co małe, w tym małymi, prostymi lutownicami o mocy 12...15W. Rzeczywiście taka maleńka lutownica kosztuje mało, jest zgrabna, lekka i pasuje do ręki. Jednak do seryjnego lutowania podczas montażu elementów na płytce drukowanej praktycznie się nie nadaje – za szybko traci temperaturę. Na pewno nie uda się za jej pomocą niczego zlutować na wolnym powietrzu – ruch powietrza oznacza silne chłodzenie i w takich warunkach mała lutownica jest bezużyteczna. Niemniej warto mieć taką małą lutownicę w swoim arsenale, ale tylko do pracy z elementami SMD, ewentualnie do sporadycznych prac serwisowych. Zbigniew Orłowski

Fot. 18

27

Listy od Piotra

O paskudztwach i czarodziejach, czyli zakłócenia w układach elektronicznych

część 1 Prezentowany cykl artykułów przeznaczony jest wyłącznie dla „analogowców”, czyli tych, którzy budują układy analogowe, zarówno audio, jak i pomiarowe. Poniższego artykułu pod żadnym pozorem nie powinni czytać ci, którzy wykorzystują wyłącznie układy cyfrowe! „Cyfrowcy“

Uwaga! Osoby niepełnoletnie mogą przeczytać niniejszy artykuł wyłącznie pod opieką wykwalifikowanych osób dorosłych! Artykuł zawiera bowiem wiele szokujących wiadomości, które mogą nieprzygotowanego odbiorcę pozbawić snu, doprowadzić do ciężkiego rozstroju nerwowego, a nawet do śmierci ze zmartwienia. Po wykonaniu tranzystorowego wzmacniacza mocy okazuje się, że układ się wzbudza. Po dodaniu kilku kondensatorów samowzbudzenie ustępuje, jednak dodane kondensatory haniebnie obcinają pasmo od góry. Mało tego, ku zgryzocie twórcy, poziom przydźwięku sieci okazuje się porażająco duży. Dodawanie kondensatorów filtrujących w zasilaczu, a potem w każdym możliwym punkcie układu nic nie daje. Dolutowanie do masy dodatkowego grubego przewodu też nie poprawia sytuacji. Jedynie przy zasilaniu z zewnętrznego zasilacza układ jako tako pracuje. Właśnie jako tako - po przeprowadzeniu pomiarów poziom zniekształceń nieliniowych okazuje się tak duży, że wstyd powiedzieć, a na dodatek układ nadal ma dziwne tendencje do samowzbudzenia, ale tylko przy dużych ujemnych sygnałach wyjściowych. Nic nie pomaga wymiana tranzystorów na odpowiedniki lepszej firmy. Godziny spędzone na próbie znalezienia przyczyn za pomocą oscyloskopu okazują się stracone. Sytuacja staje się dramatyczna, wręcz beznadziejna. Nikt ze znajomych elektroników nie potrafi pomóc... Układ zostaje wstydliwie odstawiony w najciemniejszy kąt pracowni i z czasem staje się źródłem części „z odzysku”. Podobnie dzieje się przy próbie zbudowania jakiegoś czułego i precyzyjnego układu pomiarowego na bazie wysokiej klasy wzmacniacza operacyjnego. Układ haniebnie się wzbudza. Niestety nie sprawdza się powszechnie znana reguła - zaekranować co się da i dodać ceramiczne kondensatory odsprzę-

28

zajmują się dziedziną nieporównanie łatwiejszą, a podane dalej informacje mogłyby im poważnie zaszkodzić, na zawsze odbierając spokój umysłu! Artykuł powinni natomiast koniecznie przeczytać wszyscy ci, którym wydaje się, iż konstruktorem można zostać w dwa

tygodnie po zainteresowaniu się elektroniką i po przeczytaniu kilku książek. Artykuł ten uświadomi im, że dobry konstruktor musi zdobyć solidną dawkę wiedzy teoretycznej i praktycznego doświadczenia, a tego nie sposób osiągnąć ani w dwa tygodnie, ani nawet w dwa miesiące.

gające przy każdym układzie scalonym. Wprawdzie po dodaniu kondensatorów samowzbudzenie, które można było zaobserwować na oscyloskopie, ustępuje. Jednak wyraźnie widać, że układ nadal ma tendencje do oscylacji, a co gorsza, uzyskane parametry daleko odbiegają od założonych. Z kolei po zaekranowaniu, zakłócenia okazują się być nawet większe niż bez ekranowania, a układ niby pracuje, ale czasem zaczyna się zachowywać jakoś dziwnie - co jakiś czas, absolutnie nieregularnie, z zupełnie tajemniczych powodów zaczyna „szaleć” - sygnał wyjściowy zmienia się według nieodgadnionych reguł. I co najgorsze, schemat na pewno jest dobry, wzorowany na profesjonalnym urządzeniu (wzorowany to za mało powiedziane - został żywcem zerżnięty z fabrycznej instrukcji serwisowej). Tam działał, więc dlaczego tutaj nie chce? Siły nieczyste? A może to kara za plagiat? Czy właśnie tak wygląda dzień powszedni elektronika „analogowca”? Niestety, często tak bywa. Układy działają znakomicie tylko na papierze. „Cyfrowiec” śmieje się z takich kłopotów. Dodaje tylko kondensatory filtrujące zasilanie - jeśli się ewidentnie nie pomyli i czegoś nie poplącze, prawie każdy układ cyfrowy działa i nie sprawia kłopotów. Czyżby w technice analogowej obowiązywały inne zasady niż w cyfrowej? Nic z tych rzeczy! Po prostu podczas konstruowania układów analogowych niedoświadczony kandydat na konstruktora popełnia szereg błędów, które mszczą się w opisany sposób. Ogromna większość kłopotów przytrafiających się amatorom (i nie tylko) wynika z braku znajomości kluczowych zasad albo z faktu pominięcia i zaniedbania podstawowych reguł projektowych. Temat zakłóceń, zniekształceń, przydźwięku otoczony jest gęstą mgłą tajemnicy, a wielu elektroników uważa, że są to dziedziny, w których „zwyczajna” wiedza nic nie daje, a sukces zależy tylko od przypadku i od... tajemniczych praktyk graniczących z magią. Tymczasem redukcja zakłóceń, szumów, brumów i innych śmieci wcale nie jest

zadaniem dla różdżkarzy i magików, tylko dla świadomych konstruktorów. Niestety, wielu młodych elektroników, którzy próbują swoich sił budując różne układy, żyje w błogiej nieświadomości czyhających na nich pułapek. I to jest cały problem. Inna sprawa, że w literaturze materiałów na ten temat jest bardzo mało, a w popularnej literaturze polskojęzycznej chyba nie pojawiło się nic godnego polecenia. Z zamiarem napisania artykułu na ten temat noszę się od lat. Według pierwszych planów miał to być materiał do Notatnika Praktyka w siostrzanej Elektronice Praktycznej. Później miał to być jeden z Listów od Piotra w EdW. Do omówienia problemu zakłóceń i masy zmobilizowało mnie zadanie 41 ze Szkoły Konstruktorów, polegające na zbudowaniu urządzenia wykrywającego przewody wiodące prąd. Okazało się, że wielu uczestników prowadziło poszukiwania zupełnie po omacku, nie rozróżniając wpływu pól magnetycznych od elektrycznych. Napisałem wtedy znaczną część tego artykułu. Jednak ważne bieżące zajęcia wielokrotnie przesuwały termin ukończenia, aż wreszcie ukazuje się on dopiero teraz. Artykuł porusza wszystkie kluczowe zagadnienia związane z problemami, jakie napotykają „analogowcy”, ale oczywiście nie uwzględnia wszystkich szczegółów. Oprócz wiedzy teoretycznej niezbędna jest praktyka, praktyka i jeszcze raz praktyka.

EMC?

Temat pól elektrycznych, magnetycznych i ekranowania wydaje się ogromnie trudny. Zwłaszcza że podręczniki zawierają obszerne opisy wręcz naszpikowane trudnymi wzorami. Rzeczywiście, jeśli do analizy problemu wykorzystywane byłyby równania Maxwella, zadanie byłoby bardzo trudne, na pewno nie do ugryzienia dla zdecydowanej większości Czytelników EdW. W układach, gdzie częstotliwości pracy wynoszą setki megaherców i więcej dochodzą do głosu zjawiska falowe, rzeczywiście czasem dzieją się rzeczy dość dziwne. Przy mniejszych częstotliwościach, do powiedzmy kilkudziesięciu megaherców,

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Listy od Piotra nie jest aż tak źle - problem można znacznie uprościć i pokazać proste zależności. Na marginesie warto zaznaczyć, że omawiane tu informacje mają bardzo ścisły związek z inną ważną sprawą – tak zwaną kompatybilnością elektromagnetyczną. Niezbyt szczęśliwe określenie: kompatybilność elektromagnetyczna (EMC – electromagnetic compatibility) dotyczy nie tylko ochrony i podatności na zakłócenia przenikające różną drogą, ale przede wszystkim generowania własnych zakłóceń. Współczesny zawodowy konstruktor musi spełnić wymagania wielu szczegółowych norm. W praktyce okazuje się, że najtrudniejszą częścią zadania nie jest wcale opracowanie działającego układu, tylko dopracowanie go tak, żeby spełniał wszystkie, coraz ostrzejsze normy dotyczące bezpieczeństwa oraz podatności na zakłócenia i generacji własnych zakłóceń, zarówno przez pola, jak i przez obwody sieci zasilającej. Celem tego artykułu nie jest jednak omawianie norm, tylko pokazanie źródeł problemów.

Dwie, a nawet cztery pułapki

Generalnie przyczyną kłopotów są oddziaływania elektromagnetyczne oraz ukryte szkodliwe parametry elementów. Dla wyraźnego rozróżnienia warto je podzielić na cztery grupy: 1. zakłócenia przenoszone przez pole elektryczne, 2. zakłócenia przenoszone przez pole magnetyczne, 3. zakłócenia przenoszone przez pole elektromagnetyczne, 4. szkodliwe, ukryte parametry użytych elementów. Przyjrzyjmy się im teraz kolejno. 1. Przeklęte pojemności, czyli pole elektryczne w praktyce Jak wiadomo, między jakimikolwiek przedmiotami metalowymi (ogólnie przewodnikami), rozdzielonymi warstwą izolatora, występuje pojemność elektryczna. Klasyczny, podręcznikowy rysunek 1 pokazuje kluczowe zależności dla kondensatora płaskiego, składającego się z dwóch płyt (A, B), każda o powierzchni S, umieszczonych równolegle do siebie w odległości d. Pojemność wynosi: C=εS/d Wzór ten pokazuje ogólną zależność: pojemność kondensatora jest wprost proporcjonalna do powierzchni S i odwrotnie proporcjonalna do odległości d. We wzorze

występuje jeszcze przenikalność dielektryka, pojemności. Tabela 1 pokazuje szacunkowe wartości pojemności w realnych układach. ale to dla naszych rozważań nie jest istotne. Warto też mieć wyobrażenie, jaką reakW wielu przypadkach właśnie pojemności 1 są przyczyną przenikania zakłóceń. Żeby tancję (Xc = ) 2πfC z nimi skutecznie walczyć, trzeba dobrze zrozumieć problem. Rysunek 2a pokazuje mają tego rzędu pojemności przy różnych prosty obwód prądu zmiennego. Od czego częstotliwościach. Pokazuje to tabela 2. Analiza tabel pokazuje jasno, że nawet mazależy napięcie na rezystancji R? Wystarczy przerysować schemat, jak na rysunku 2b, by łe pojemności rzędu pojedynczych pikofarabez cienia wątpliwości potraktować elemen- dów czy nawet ułamków pikofarada mogą być ty RC jako dzielnik napięcia. Napięcie na re- powodem przenikania znacznych zakłóceń zystorze będzie tym większe, im większa bę- do obwodów o dużej rezystancji. Dodatkodzie jego rezystancja. Napięcie na R zależy wo trzeba pamiętać, że nie tylko częstotliteż od pojemności oraz od częstotliwości – wość przebiegu się liczy, ale ogromne czym wyższa częstotliwość, tym większe napięcie na rezystorze, bo reaktancja kondensa- Tabela 2 tora maleje. Wszystko jest jasne. Dla pojemność reaktancja 1kHz 10kHz 100kHz 1MHz konkretnych danych należałoby prze1000pF 160k Ω 16k Ω 1,6k Ω 160 Ω prowadzić niezbyt skomplikowane 100pF 1,6M Ω 160k Ω 16k Ω 1,6k Ω obliczenia, uwzględniające przesu10pF 16M Ω 1,6M Ω 160k Ω 16k Ω 1pF 160M Ω 16M Ω 1,6M Ω 160k Ω nięcie fazy prądu i napięcia – do takich obliczeń doskonale nadają się liczby zespolone. Ale w niniejszym artykule takie szczegóły nie są istotne. Rozważmy teraz dziwny na pierwszy rzut oka przykład z rysunku 3a. Literką A zaznaczyłem linię (ścieżkę) Rys. 3 prowadzącą sygnał zmienny ze źródła, np. generatora, do obciążenia RL. Literą B za- Rys. 4 znaczyłem jakiś inny obwód (ścieżkę) w tymże urządzeniu. W rzeczywistym układzie między liniami (ścieżkami) A i B zawsze występuje jakaś niewielka pojemność. Bliższe przyjrzenie się rysunkowi 3a wskazuje, że można tu rozpatrywać dokładnie taki sam obwód, jak na rysunkach 1 i 2. Obwód z rysunku 3a można przedstawić jak na rysunku 3b, a po pominięciu nieistotnego dla prezentowanych rozważań rezystora RL – jak na rysunku 3c. Oznacza to, że w „postronnym” rezystorze Rx popłynie prąd ze źródła G właśnie dlatego, że między elementami, ścieżkami i obwodami zawsze występują szkodliwe pojemności. Zanim przejdziemy do omówienia środków zaradczych, pozostańmy przy problemie pasożytniczych

Rys. 2 Tabela 1

Rys. 1

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

człowiek – ziemia sieć - masa układu zasilanego z sieci kabel ekranowany: ekran – żyła kabel żyła-żyła złącze pin-pin transoptor wejście-wyjście

500pF...1nF 50...300pF 70...120pF/m 20...100pF/m 1...3pF 1..3pF

29

Listy od Piotra znaczenie ma kształt przebiegu. Podane reaktancje dotyczą przebiegu sinusoidalnego o danej częstotliwości. Tymczasem przebiegi o innych kształtach są w istocie złożeniem sygnałów harmonicznych o częstotliwościach będących całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości podstawowej. W praktyce problem najbardziej dotyczy przebiegu prostokątnego. Czym ostrzejsze zbocza, tym więcej składowych o częstotliwościach wielokrotnie większych od częstotliwości podstawowej. Przykładowo jeśli w systemie cyfrowym z układami CMOS (74HC, 74HCT) zasilanym napięciem 5V napięcie zmienia się o 5V w czasie 10 nanosekund (niezależnie od częstotliwości przełączania), to przy pojemności montażowej CAB równej tylko 0,1pF, sprzęgającej do obwodu o rezystancji Rx równej 1MΩ, na tej rezystancji pojawią się szpilki o amplitudzie 5V i czasie trwania 100ns. Ilustruje to rysunek 4a. Tu trzeba lojalnie przyznać, iż w praktyce takie sytuacje zdarzają się rzadko, bo rzadko obwody zakłócane są czystą rezystancją o wartości rzędu 1MΩ, a w grę wchodzą tu dodatkowe czynniki. Na przykład, jak pokazuje rysunek 4b, obecność pojemności wejściowej znacząco redukuje takie szkodliwe szpilki, a uproszczony schemat zastępczy wygląda jak na rysunku 4c. Ponieważ pojemność wejściowa bramki (czy innego wejścia) jest rzędu 10pF, a pojemność sprzęgająca rzędu 0,1pF, więc dzielnik pojemnościowy CAB/Cwe redukuje amplitudę szpilek na rezystorze około stukrotnie – wtedy ewentualne „śmieci” o amplitudach 50mV nie mają znaczenia w układach cyfrowych, choć nie zawsze można je pominąć w czułych układach analogowych. W systemach cyfrowych zazwyczaj sytuacja jest jeszcze korzystniejsza, bo bardzo rzadko występują tam obwody o wewnętrznej impedancji rzędu 1MΩ. Choć na przykład obwody wejść bramek CMOS mają ogromną rezystancję wielu megaomów, opisywane zakłócenia pojemnościowe nie są groźne, ponieważ są tłumione przez małą rezystancję wyjściową bramek, która zazwyczaj jest rzędu 100Ω lub jeszcze mniej. Ilustrują to rysunki 4d, 4e. Znając szybkość narastania napięcia przebiegów prostokątnych w woltach na nanosekundę, można też obliczyć prąd, jaki popłynie przez pojemność sprzęgającą CAB w chwili wystąpienia zbocza. Dla typowych układów cyfrowych TTL (74xx, 74LS, 74HC, 74HCT) można przyjąć w uproszczeniu szybkość 1V/ns, co da 1mA prądu na każdy pikofarad pojemności sprzęgającej. Przy pojemności 0,1pF szacunkowe amplituda szpilek prądu będzie rzędu 0,1mA. Prąd ten płynąc przez jakąś oporność wywoła na niej odpowiedni spadek napięcia. Choć sprawa przenikania zakłóceń przez pojemności montażowe nie jest istotna

30

w typowych układach cyfrowych, jednak da o sobie znać w układach mieszanych cyfrowo-analogowych, gdzie występują obwody o wielkiej impedancji. Dlatego o problemie nie wolno zapomnieć. Warto pamiętać, iż każdy obwód, gdzie występują sygnały zmienne, jest źródłem tego typu zakłóceń dla wszystkich innych obwodów. Jest to nieuniknione i co bardzo ważne nie można tego typu oddziaływań zmniejszyć zupełnie do zera. Można i trzeba natomiast zmniejszyć je do poziomu akceptowalnego dla danej sytuacji. Rozważmy dokładniej, od czego będzie zależeć poziom ewentualnych zakłóceń? Jak wskazuje rysunek 4a, od wielkości rezystancji Rx i szkodliwej pojemności sprzęgajacej CAB. Po pierwsze, czym większa rezystancja Rx, tym większe oddziaływanie. Tu widać kluczowy powód, dla którego nie należy niepotrzebnie zwiększać rezystancji w obwodach, gdzie należy zachować niski poziom zakłóceń. Po drugie, czym mniejsza pojemność sprzęgająca, tym lepiej (natomiast zwykle nie mamy wpływu na częstotliwość, bo ta jest związana z przeznaczeniem układu). Na pewno można zmniejszyć tę szkodliwą pojemność sprzęgającą, oddalając „nadajnik” od „odbiornika”. To w zasadzie dobry sposób, ale nie zawsze wystarczająco skuteczny, zwłaszcza w dzisiejszych miniaturowych urządzeniach. Jak wskazuje rysunek 1, pojemność jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między obwodami, więc na przykład czterokrotne zwiększenie odległości daje czterokrotne zmniejszenie pojemności CAB. Tymczasem często trzeba zakłócenia stłumić kilkadziesiąt razy – w takich przypadkach wymagane zwiększanie odległości nie jest możliwe. Czy zmieni sytuację wstawienie między obwody metalowej blachy, według rysunku 5? Metalowa blacha oczywiście może być potraktowana jako okładka kondensatora. Można narysować schemat zastępczy z taką blachą – patrz rysunek 6. Wstawienie blachy niejako podzieliło dotychczasową pojemność CAB na dwie pojemności CAC i CCB. Na pierwRys. 5 szy rzut oka może wyglądać, że wypadkowa pojemRys. 6 ność się zmniejszy, bo przy szeregowym łączeniu kondensatorów pojemność wypadkowa zawsze jest mniejsza od każdej z pojemności składowych. Niestety, tu nie mamy do czynienia z klasycznym łączeniem kondensatorów –

wstawienie blachy według rysunku 6, nie zmniejszy w istotny sposób pojemności wypadkowej, a nawet może znacznie pogorszyć sytuację, ponieważ taka blacha okaże się anteną, „zbierającą” dodatkowe „śmieci”. Może wydawało Ci się, że wstawiając blachę według rysunku 6, zastosowaliśmy tak zwane ekranowanie, uchodzące za skuteczny sposób walki z zakłóceniami. Tymczasem samo wstawienie takiego „ekranu” z reguły pogarsza, a nie polepsza sytuację. Gdzie tkwi błąd? Odpowiedź jest prosta – aby ekranowanie było skuteczne, A ekran obowiązkowo należy połączyć z maB są. Jeśli ekran (punkt C oznaczony C) zostanie Rys. 7 dołączony do masy, to teoretycznie do rezystora Rx nie powinna dotrzeć ani odrobina sygnału z generatora – wskazuje na to rysunek 7. Co ciekawe, ekran eliminujący zakłócenia przenoszone przez pole elektryczne wcale nie musi być gruby – wystarczy nawet cieniutka folia aluminiowa, byle była trwale połączona do masy. Z tym może jednak być poważny problem, bo takiej folii nie można lutować, a niedbale wykonane połączenia zaciskanie z czasem mogą okazać się nieskuteczne, gdy wskutek braku połączenia z masą sytuacja będzie jak na rysunku 6. Dobrym ekranem elektrostatycznym jest blacha i folia miedziana, ewentualnie mosiężna, która się łatwo lutuje – choćby surowe płytki, czyli laminat służący do produkcji obwodów drukowanych. Można stosować różne sposoby ekranowania, na przykład całkowicie zaekranować obwody zakłócające – umieścić je w uziemionym metalowym pudełku. Zwykle jednak lepiej jest ekranować obwody „odbiorcze”, do których zakłócenia przenikają. Więcej informacji o ekranowaniu zawartych jest w dalszej części cyklu. Należy z całą mocą podkreślić, że rysunek 7 pokazuje sytuację w sposób uproszczony, więc w rzeczywistości z kilku powodów zakłócenie nie zostanie stłumione całkowicie. Poza tym dotychczasowa analiza pokazuje tylko, że ekranowanie znakomicie pomaga walczyć z zakłóceniami przenoszonymi przez pojemności montażowe i pole elektryczne, a może okazać się zupełnie nieskuteczne w przypadku zakłóceń przenoszonych innymi drogami, co zostanie omówione w dalszej części artykułu. My na razie pozostańmy przy szkodliwych pojemnościach, czyli przy zakłóceniach przenoszonych przez pole elektryczne. Na rysunku 8 pokazane są dwie wersje regulatora poziomu i barwy dźwięku. Różnią się wartościami elementów, niemniej charakterystyki, przynajmniej teoretycznie, powinny być identyczne, bo rezystancje i pojemności zostały zmienione proporcjonalnie.

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Listy od Piotra

Rys. 8 Co powiesz o odporności na zakłócenia przenoszone drogą pojemnościową, czyli na zakłócenia elektrostatyczne? Tak jest! Układ z rysunku 8b, z dużymi opornościami, jest gorszy, zdecydowanie bardziej podatny na zakłócenia (ponadto nie będzie miał parametrów identycznych z wersją z rysunku 8a właśnie z uwagi na wpływ różnych pasożytniczych pojemności, w tym montażowych i wejściowych). Intuicja słusznie podpowiada, że podatne na zakłócenia będą obwody, gdzie płyną małe prądy i gdzie prądy zakłócające będą porównywalne z prądami użytecznymi. Także ten punkt widzenia wskazuje, że należy pracować z większymi prądami roboczymi, czyli mniejszymi opornościami. O ile to możliwe, i to nie tylko ze względu na odporność na zakłócenia, ale też na szumy własne, warto stosować możliwie małe, a właściwie „umiarkowane”, wartości oporności roboczych. Wartości rzędu 1kΩ...10kΩ są zwykle optymalne. Ograniczeniem z drugiej strony będzie wydajność prądowa elementów czynnych oraz moc strat. Warto tu wspomnieć o problemie przesłuchów w sprzęcie audio. Jeśli na przykład sąsiadują ze sobą dwie żyły kabla i w jednej występuje sygnał zmienny audio, zawierający także wysokie częstotliwości 10...20kHz. Druga żyła dołączona jest do punktu o dużej

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

impedancji, na przykład punktu oznaczonego X na rysunku 8b (gdy np. elementy bierne montowane byłyby przy potencjometrach i dołączone kablami do wzmacniacza operacyjnego). Jeśli są to np. dwie żyły przewodu taśmowego o długości 20cm, pojemność między żyłami może wynieść nawet 20pF, czyli będzie zbliżona do pojemności C8. Sytuacja będzie jak na rysunku 2 - przez taką pasożytniczą pojemność między żyłami kabla z łatwością mogą „przełazić” rozmaite szkodliwe sygnały. Warto wziąć pod uwagę, że dla częstotliwości 10kHz pojemność 20pF będzie mieć reaktancję 800kΩ, co w układzie z dużymi opornościami zaowocuje znacznym przesłuchem lub zmianą charakterystyki częstotliwościowej lub nawet zniekształceniami. Aby uniknąć problemu, warto w takim wypadku zastosować nie przewód taśmowy, ale pojedyncze przewody, które będą oddalone i szkodliwa pojemność między nimi będzie radykalnie mniejsza. Jeszcze lepiej obniżyć oporności robocze, np. według rysunku 8a, co dodatkowo zwiększy odporność na zakłócenia przychodzące z zewnątrz. Za miesiąc zajmiemy sie zakłóceniami przenoszonymi przez pole magnetyczne. Piotr Górecki

31

++

Częstościomierz radiowy Do czego to służy?

Do niedawna większość odbiorników radiowych posiadała analogowe skale częstotliwości, a sam proces odnalezienia właściwej stacji nie nastręczał większego kłopotu. Diametralna zmiana nastąpiła po przestrojeniu ich ze standardu wąskiego OIRT (65,574MHz) na szeroki CCIR (88,5-108MHz). Objawiło się to kilkakrotnym wzrostem liczby odbieranych stacji, częstym brakiem czytelności skal i niekiedy zbyt małą selektywnością odbiorników. Czynniki te skłoniły mnie do budowy cyfrowego wskaźnika częstotliwości, który by ułatwił odszukanie właściwej stacji radiowej i poprawił efekty wizualne całego radioodbiornika. Proponowany miernik niekoniecznie musi służyć do odczytu częstotliwości odbiorników radiowych, ale także do prostych odbiorników nasłuchowych składanych przez amatorów. Oprócz tego idealnie nadaje się dla tych wszystkich, którzy przestrajają lub będą przestrajali odbiorniki radiowe, a nie posiadają częstościomierza serwisowego. Jak wiemy, aktualnie spotykane w sklepach odbiorniki radiowe wyposażone w wyświetlacz częstotliwości działają w oparciu o jedno z dwóch rozwiązań technicznych. Najczęściej spotykany, a zarazem najbardziej zaawansowany technicznie, to wyświetlacz częstotliwości zadanej. Jego działanie polega na wybraniu częstotliwości za pomocą mikroprocesora, a następnie doprowadzeniu do jej odbioru poprzez złożone układy scalone. Drugi, znacznie prostszy sposób pomiaru częstotliwości odbieranej przedstawiony został na schemacie blokowym (rysunek 1). Jest to faktyczny miernik częstotliwości pobierający sygnał z heterodyny stopni wejścio-

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

wych odbiornika. Samo wyświetlenie częstotliwości odbieranej odbywa się metodą pośrednią, ponieważ od uzyskanego pomiaru z heterodyny musimy odjąć stałą wartość częstotliwości pośredniej odbiornika. Oczywiście cały ten proces wykonywany jest poprzez licznik częstotliwości, a my otrzymujemy już gotowy wynik w postaci częstotliwości aktualnie odbieranej stacji. Właśnie taki klasyczny sposób pomiaru częstotliwości został przedstawiony poniżej, zbudowany w oparciu o wysoce specjalizowane układy scalone firmy SANYO, dzięki czemu uzyskano duże uproszczenie układu, małe gabaryty i niski poziom emitowanych zakłóceń.

2666 przypadku będzie to podział przez 8, który rozszerzy zakres pomiarowy wejścia licznika U3 z kilkudziesięciu do kilkuset MHz. Drugi tor wejściowy - tor AM - to prosty wtórnik emiterowy, zbudowany za pomocą szybkiego tranzystora Q1. Ma on na celu zmniejszyć wpływ licznika na układ badany. W tym kanale wstępny podział sygnału nie jest wymagany, ponieważ wejścia licznika są w stanie przyjąć bezpośrednio sygnał do kilkudziesięciu MHz.

Jak to działa?

Schemat ideowy miernika przedstawiony został na rysunku 2. Możemy go podzielić na 5 części: stopień wejściowy FM (LB3500), stopień wejściowy AM (BF240), licznik częstotliwości (LC7265), wyświetlacz LED i stabilizator napięcia (78L05). Stopień wejściowy toru FM został zbudowany w oparciu o jednorzędowy preskaler U1 pracujący przy wysokich częstotliwościach, posiadający wstępny wzmacniacz w.cz. zintegrowany z cyfrowym dzielnikiem. W tym

Rys. 1 Schemat blokowy Rys. 2 Schemat ideowy

49

Oba sygnały po przejściu przez stopnie wejściowe trafiają na kompletny programowalny licznika częstotliwości CMOS U3. Poprzez odpowiednie ustawienie stanów na jego wyprowadzeniach (patrz rysunek 3) decydujemy o wyborze zliczanego kanału i związanej z nim częstotliwości pośredniej. Rys. 3

Dalsza droga to wyświetlenie odbieranej częstotliwości radiowej na wyświetlaczach typu LED. W rozwiązaniu tym zrezygnowano z niezależnych rezystorów dla każdego z segmentów wyświetlaczy, na rzecz jednego wspólnego anodowego R8. Doprowadziło to do nieznacznego uszczerbku na jakości wyświetlanych cyfr, a zaowocowało dalszym uproszczeniem układu i zmniejszeniem płytki drukowanej. Zadaniem stabilizatora napięcia U2 jest zapewnienie poprawnej pracy układów U1 i U3 przy dużych wahaniach napięcia zasilającego.

Montaż i uruchomienie

Cały miernik zmontowano na dwóch płytkach drukowanych pokazanych na rysunkach 4 i 5.

50

Sam montaż proponuję zacząć od zamontowania wszystkich elementów za wyjątkiem LB3500 i LC7265. Następnie należy połączyć obie płytki drukowane między sobą zgodnie z rysunkiem 6, podać napięcie zasilania i sprawdzić poprawność pracy stabilizatora LM78L05. Po upewnieniu się, że napięcia są właściwe, a na płytce nie ma żadnych zwarć, montujemy układy U1 i U3. Jako ostatni element montujemy rezystor kropki dziesiętnej R9 pomiędzy 6 wyprowadzeniem U3 a segmentem „h” trzeciego wyświetlacza LED. Jeżeli montaż został wykonany bezbłędnie, zastosowano sprawne elementy i miernik reaguje na sygnały zmiennoprądowe, możemy uznać układ za wstępnie uruchomiony.

Podłączenie do odbiornika

Tor FM Częstotliwość heterodyny w radioodbiornikach fabrycznych jest zawsze większa od częstotliwości odbieranej o częstotliwość pośrednią, która wynosi 10,7MHz. Dlatego aby uzyskać prawidłowy odczyt, musimy ją odjąć - ustawiając przełącznik S1 w pozycji ON (-10,7MHz). Następnie ustawić przełącznik S4 w pozycji OFF (praca FM) i podłączyć napięcie zasilania ok.12V o wydajności prądowej minimum 80mA. Po tym przygotowaniu miernika do pracy następna czynność to odszukanie głowicy FM w odbiorniku radiowym. Można to zrobić poprzez odnalezienie niezależnie ekranowanego miejsca na płytce bądź po wewnętrznym przewodzie biegnącym od gniazda anteny FM do wejścia głowicy. Następnie przyglądamy się jej, czy nie posiada ona już wyjścia sygnału heterodyny, często spotykanego w głowicach uniwersalnych mogących współpracować z syntezerem częstotliwości PLL. Jeżeli znajdziemy takie wyprowadzenie, to wystarczy bezpośrednie połączenie między nim a wejściem FM miernika. Gdyby jednak takiego wyjścia nie było, to wykonujemy je sami zgodnie z rysunkiem 7. Do tego musimy najpierw odszukać cewkę heterodyny w głowicy. Rozpoznamy ją po aluminiowym lub mosiężnym rdzeniu, ewentualnie poprzez kolejne zbliżanie palca do każdej z cewek. Najbardziej wrażliwa z cewek na dotyk będzie cewką heterodyny. Pamiętajmy jednak, że cewka pomiarowa powinna być zamocowana na tyle blisko cewki heterodyny, żeby zapewnić stabilny odczyt miernika w całym zakresie UKF. Możliwe jest, że spowoduje to niewielkie odstrojenie heterodyny i będzie ona wymagać skorygowania. Jeżeli tak, to najlepiej wykonać to przy pomocy plastikowego wkrętaka. Gdyby poziom heterodyny okazał się zbyt mały to dopuszczalne jest sprzężenie poprzez niewielką pojemność zgodnie z rysunkiem 8.

Tor AM Rozpoczynamy od ustawienia miernika na prace AM - przełącznik S4 w pozycję ON (praca AM). Następnie musimy ustalić częstotliwość pośrednią odbiornika AM, która najczęściej zawiera się w przedziale od 450 do 470MHz. Ustalamy to poprzez odnalezienie filtru p.cz., na którym najczęściej będzie napisana częstotliwość pośrednia. Będzie się on znajdował najprawdopodobniej w środkowej części odbiornika AM, zaznaczony na płytce jako CF?, F?, FC?, Z? lub K? Gdyby tak nie było, to może oznaczać, że mamy do czynienia z filtrem LC. W takim przypadku musimy zacząć od odszukania heterodyny, którą dużo trudniej zlokalizować niż w torze FM. Spowodowane jest to dużo niższymi częstotliwościami, przez co konstruktorzy nie trzymają się ścisłych reguł techniki w.cz. Dlatego jeśli nie posiadamy schematu ideowego danego odbiornika, najłatwiejszy sposobem może być odnalezienie sygnału o największym poziomie za pomocą sondy w.cz. Będzie to miejsce pracy heterodyn, do którego dopniemy się poprzez Rys. 6

Rys. 7 Rys. 8

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

niewielką pojemność zmniejszającą do minimum obciążenie heterodyny. Niestabilny odczyt miernika może być powodem zbyt małej pojemności sprzęgającej z wejściem miernika. Możemy temu zaradzić poprzez zwiększenie pojemności lub też przez małą zmianę wejścia miernika zgodnie z rysunkiem 9. Kolejną czynnością będzie ustawienie odbiornika radiowego na znaną częstotliwość i przełączników S2 i S3 tak, żeby uzyskać jak najmniejszy błąd odczytu na wyświetlaczu.

2) Trudnościami w zdobyciu kwarcu 7,2MHz. Rozwiązaniem jest zastąpienie go kwarcem o połowę mniejszym i łatwo dostępnym (często spotykanym np. w układach DTMF) 3,57MHz. Będzie to niestety wymagało wzbudzenia go na częstotliwości harmonicznej poprzez dodanie i dobranie dwóch elementów C12 i L1. Układ został praktycznie wypróbowany z takimi odbiornikami jak : TOSCA AWS303, tuner AS-211, „stary” RADMOR na sensorach i amatorskim odbiornikiem nasłuchowym VHF (118-174MHZ/AM-FM). I muszę przyznać, że w torach FM pracował poprawnie, a podłączanie nie sprawiało żadnych kłopotów. Nieco inaczej wyglądało to w torach AM, gdzie częstotliwość pośrednia najczęściej wynosiła 465kHz, wnosząc niewielki błąd pomiaru (5kHz). Roman Biadalski

Rys. 9

Gdyby błąd okazał się zbyt uciążliwy, to możemy tor pośredniej częstotliwości przestroić na bardziej typowy np. 455kHz. Najłatwiej będzie to przeprowadzić w torach p.cz. typu LC. W torach z filtrami ceramicznymi będzie to polegało na wymianie filtru, zestrojeniu filtrów dopasowujących i skorygowaniu heterodyny. Ostatnie czynności to ustawienie przełącznika S4 w pozycje OFF i podłączenie wejścia miernika oznaczonego na schemacie „KLUCZ AM/FM” do miejsca w radioodbiorniku, które będzie masą układu podczas pracy na zakresach AM i otwarte podczas pracy FM.

Możliwości zmian

Zmiany proponowanego układu mogą wyniknąć z dwóch powodów: 1) Słabą jasnością wyświetlanych cyfr z powodu zastosowania tylko jednego rezystora ograniczającego prąd wyświetlaczy. Rozwiązanie tego problemu to zastosowanie dla każdego segmentu wyświetlacza oddzielnego rezystora. Niestety będzie to wymagało 22 rezystorów i małego przeprojektowania płytki drukowanej.

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Wykaz elementów Rezystory R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1kΩ R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .560kΩ R3-R7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3,3kΩ R8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220/0,5W R9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62Ω Kondensatory C1,C6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100pF ceramiczny C2,C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10nF ceramiczny C4,C7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1nF ceramiczny C5,C11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF ceramiczny C8,C9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10pF C10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100µF/6,3V Półprzewodniki U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LB3500 U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM78L05 U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LC7265 Q1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BF240 W1-W4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .D300PAG Inne X1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7,2MHz S1-S4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .DIP-SWICH C12* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60-100pF L1* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3,3-4,7µH

Płytka drukowana jest dostępna w sieci handlowej AVT jako kit szkolny AVT-2666

51

Przypominacz lekarski I I I Do czego to służy?

W tym artykule przedstawiam opis wykonania prostego, ale bardzo praktycznego urządzenia. Jego przydatność powinni docenić wszyscy, którym zależy na przestrzeganiu prawidłowej (czytaj: zalecanej przez lekarza) częstotliwości dawkowania leku (leków) lub innych czynności leczniczych.

Jak to działa? Schemat „przypominacza lekarskiego” przedstawia rysunek 1. Zasada działania jest prosta i zrozumiała. W układzie z rysunku 1 IC1 pracuje jak generator monostabilny. Tak jest wtedy, gdy wejście Mode (wyprowadzenie 10) jest na potencjale masy. Układ IC1 jest automatycznie kasowany po włączeniu zasilania. Dzieje się tak dlatego, że nóżka AR (5) zwarta jest z masą zasilania. Zerowanie licznika poprzez odłączenie zasilania można też przeprowadzić ręcznie. Wystarczy na chwilę wcisnąć przełącznik chwilowy S1. Moment kasowania zostanie zasygnalizowany zaświeceniem zielonej diody LED D1. Pełni ona także funkcję prostej kontrolki stanu litowej baterii 3V. W obwód diody nie włączono żadnego rezystora szeregowego. Z dwóch powodów. Po pierwsze, funkcję rezystora szeregowego pełni oporność wewnętrzna samej baterii. Po drugie, w ten sposób łatwiej określić stan rozładowania baterii: silniejsze przygasanie diody w trakcie krótkiego testu będzie oznaczało wyższy stopień wyładowania. Oczywiście, aby nie uszkodzić diody, przy wyższym napięciu zasilania rezystor taki byłby niezbędny. Zwarcie wejścia 9 IC1 również do masy skutkuje stanem niskim na wyjściu Q (8) po włączeniu zasilania. Dopiero po wygenerowaniu impulsu monostabilnego wyjście Q zmienia swój stan na przeciwny. Powoduje to zamknięcie obwodu zasilania generato-

52

ra dźwięku Q1. Generator ten jest zasilany za pośrednictwem tranzystora T1. Równolegle z Q1 połączony jest kondensator C1, który zapewnia prawidłowe działanie generatora tonu akustycznego. O długości impulsu monostabilnego decydują wartości R5,C3 i w znacznie mniejszym stopniu R4. Bezpośredni przebieg z wewnętrznego generatora IC1 uzyskać można na wyprowadzeniu 2, natomiast podzielony na nóżce 8. Wielkość stopnia podziału ustala odpowiednie podłączenie wyprowadzeń sterujących 12 i 13 (wejścia A i B). W tym układzie oba przyłączone zostały do „plusa” zasilania. Oznacza to najwyższy stopień podziału wynoszący 215=32768. Nóżka 2 została wykorzystana do kluczowania tranzystora T1 - pośredniczy w tym R3. Tym samym po pojawieniu się stanu wysokiego na wyjściu Q IC1 generator akustyczny Q1 generuje przerywany dźwięk. Rys. 1 Schemat ideowy

Kluczowany dźwięk wydaje się skuteczniejszy niż ciągły i gwarantuje mniejszy pobór prądu z niewielkiej baterii. W układzie zastosowano także trzy dodatkowe elementy: R1,R2,C2. Pełnią one rolę wyłącznika czasowego dźwięku generowanego przez Q1. Współpracują z wejściem Master Reset (wyprowadzenie 6 IC1). Stan niski na tym wyprowadzeniu zezwala na pracę IC1, wysoki blokuje ją. Do momentu pojawienia się stanu wysokiego na wyjściu Q kondensator C2 jest rozładowany. Tym samym C2 stanowi zwarcie nóżka 6 IC1 jest na potencjale masy - timer odmierza upływ czasu. Gdy to nastąpi, włączy się na kilkanaście sekund generator akustyczny. Zmniejszając pojemność C2 można skrócić ten czas do wymagań użytkownika. W tym samym czasie kondensator będzie ładowany za pośrednictwem R1. Naładowanie kondensatora zablokuje pracę generatora IC1, Q1 wyłączy się. Proces odliczania upływu czasu rozpocznie się od początku.

Montaż i uruchomienie

Wszystkie elementy przedstawione na schemacie, poza baterią 3V, C1 i generatorem Q1, znalazły swoje miejsce na niewielkiej płytce drukowanej, przedstawionej na rysunku 2. Montaż przeprowadzamy od wlutowania R4, potem R2 i R1+R3 (pionowo). Teraz lutujemy podstawkę pod kostkę IC1. W dalszej kolejności: C3, C2 („na płask”), T1, S1 (porównaj wycięcia przycisku zaznaczone na płytce - określają one kierunek wlutowania S1), D1.

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Zmianę opóźnienia timera najłatwiej przeprowadzić zmieniając wartość rezystora R5. Ze względu na niewielką ilość miejsca, niższy koszt, wyższą niezawodność zamiast przełączników czy jumperów proponuję inne rozwiązanie. Polega ono na połączeniu R5 z resztą płytki za pośrednictwem dwóch nóżek pochodzących z „precyzyjnej” podstawki pod układ scalony. Zostały one wlutowane w miejsce R5. Oczywiście kto chce może bezpośrednio wlutować R5 licząc się, w razie potrzeby zmiany ustawionego czasu timera, z koniecznością użycia lutownicy. W płytkę należy wlutować cztery krótkie odcinki izolowanych przewodów niskonapię-

Rys. 2 Schemat montażowy

ciowych. Punkty te oznaczono jako „+3V”, „-3V”, „Q1+”, „Q1-”. Jako obudowę zastosowano obudowę Z-43. W jej wnętrzu umieszczono płytkę drukowaną. Po zewnętrznej stronie obudowy, nad płytką osadzono zacisk do baterii litowej 3V oraz generator Q1. Mocowanie tych elementów na obudowie polega na wykonaniu czterech otworów 1mm, przez które przewleczono ich wyprowadzenia i przylutowano do nich (od wewnętrznej strony obudowy) wspomniane cztery izolowane odcinki przewodów połączone z płytką a także podłączono (równolegle) C1. Po zmontowaniu układu należy ustalić wartości R5 dla różnych czasów działania. Potem w zależności od potrzeb w płytce osadzamy rezystor o dobranej wartości. Dla przykładu podam, że dla R5=180kΩ (C3,R4 jak w wykazie) osiągnięto częstotliwość włączania generatora akustycznego Q1 co około 1,5 godziny, dla 220kΩ - 2,5h, 300kΩ 2h 45min. Dłuższe czasy można więc oszacować odpowiednio zwiększając wartość R5. Wpływ wahań temperatury otoczenia na ustaloną przez R5 częstotliwość pracy „przypominacza lekarskiego” jest znikomy w zakresie 0...+40oC. Zmiany napięcia zasilania można pominąć. Nad diodą LED D1 oraz nad przełącznikiem chwilowym S1 należy wywiercić w obudowie dwa otwory. Średnica otworu nad LED D1, przez który będzie widoczna jej soczewka, powinna odpowiadać średnicy D1. Otwór nad S1 powinien być nieco większy niż przycisk S1, aby było możliwe jego uruchamianie. Przykrywkę obudowy Z-43 należy zeszlifować (np. nasadką do wiertarki lub/i pilni-

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

kiem) tak, aby zrównać z jej wewnętrzną powierzchnią wystające z trzech stron uwypuklenia. Nie zeszlifowywujemy tylko uwypuklenia naprzeciwko otworu do przykręcania przykrywki. Dzięki temu możliwe będzie wmontowanie zlutowanej płytki drukowanej do obudowy. Po osadzeniu w płytce dobranego do naszych potrzeb R5 zamykamy ją w obudowie. Obudowę skręcamy przy pomocy jednej małej śrubki. Podłączamy baterię. Od tego momentu rozpoczyna się proces odliczania czasu. W każdej chwili można zmusić timer do odliczania od początku. Aby tak się stało, wystarczy zewrzeć na chwilę S1 lub odłączyć i ponownie przyłączyć baterię zasilającą. Uważny czytelnik zauważy, że C2 nie znajduje się stale pod napięciem jak jest to zalecane. W tym konkretnym układzie można to jednak dopuścić. Nie jest bowiem wymagana wysoka dokładność czasu trwania dźwięku z Q1. Można też zastosować „tantala”. Opisywany timer, nazwany „przypominaczem lekarskim” pracuje nieprzerwanie od momentu podłączenia baterii, gdyż nie ma wyłącznika. W przypadku braku dalszej potrzeby korzystania z układu wystarczy wyjąć baterię z zacisku przymocowanego na zewnątrz obudowy (patrz fotografia modelu). Prostszym rozwiązaniem będzie włożenie jakiegokolwiek izolatora pomiędzy „+” baterii a blaszkę dociskową zacisku, np. kawałka tektury czy zwykłego papieru. Na zakończenie warto wspomnieć, że taki układ może być pożytecznym podarunkiem dla naszych bliskich i znajomych zmuszonych do okresowego zażywania lekarstw. Dariusz Knull Wykaz elementów Rezystory R1,R3,R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68kΩ R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .680kΩ *R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .dobrać (patrz tekst)

Kondensatory C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1µF monolityczny C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . .220µF/16V (47-220µF) C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470nF MKT

Półprzewodniki D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED 3mm zielona T1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC548 IC1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CD4541

Inne S1 . . . . . . . . .Isostat chwilowy (pionowy, do druku) Q1 . .Generator piezo HCM1201 lub podobny na 1V Bateria litowa 3V CR2032+zacisk Obudowa Z-43 Podstawka DIP14

53

Mała stacja temperaturowa

Nietypowe wykorzystanie licznika rowerowego Do czego to służy?

Do czego służy licznik rowerowy chyba każdy wie. Ja jednak proponuję, aby licznik rowerowy wyposażyć w interfejs... pomiaru temperatury. Licznik posiada wszelkie cechy i funkcje pozwalające na pomiar nie tylko temperatury (prędkości) aktualnej, ale i wartości maksymalnej oraz średniej. Pomiar wartości maksymalnej i jej zapamiętanie jest o tyle interesujący, że potem bezbłędnie możemy odtworzyć „jaki był u nas upał...”. Od razu wyczuwa się brak pomiaru drugiej wartości, tj. minimalnej. Z natury rzeczy komputerek rowerowy nie posiada takiej funkcji (bo i po co?). W tym momencie, my – elektronicy, mamy pole do popisu. Nasz interfejs powinien naprawić ten brak.

Jak to działa?

Schemat ideowy przedstawiony został na rysunku 1. Jak widać, czujnikiem temperatury jest dobrze znany i niedrogi układ LM35. Zapewnia on liniowe przetwarzanie temperatury na napięcie ze współczynnikiem 10mV/oC,

54

a zakres pracy układu jest szerszy niż spodziewane temperatury na dworze. Układ LM35 musi korzystać z ujemnego napięcia zasilania, aby ponownie mierzyć temperatury poniżej 0oC. Problem ten rozwiązuje przeniesienie masy LM35 na poziom napięcia referencyjnego. Od tej pory układ LM35 widzi rzeczywistą masę jako napięcie -1,25V, bo tyle wynosi napięcie referencyjne z układu LM385-1,2. Dalej napięcie z wyjścia czujnika temperatury trafia na komparator temperatury bliskiej zeru i na wyjście wzmacniacza o zmiennym wzmocnieniu. Dosyć dziwnie wygląda ten twór, był jednak konieczny. Jeżeli interfejs do pomiaru temperatury ma być na tyle uniwersalny, aby mógł przez cały rok mierzyć temperaturę na zewnątrz, musi poprawnie interpretować temperatury ujemne. Problem z pozoru banalny przysparza problemów, gdyż w przeciwieństwie do temperatury nie istnieją ujemne prędkości. Co prawda można poruszać się w tył, ale wtedy mamy raczej do czynienia ze zmianą kierunku. Problem udało się rozwiązać w ten sposób, że przy stopniowym spadku temperatury

wskazania także liniowo maleją, a w momencie przejścia przez zero i dalszego obniżania się temperatury wskazania wzrastają, tak jak wzrasta bezwzględna różnica między aktualną temperaturą a zerem. Dodatkowo spadek temperatury poniżej zera sygnalizowany jest zapaleniem się diody D1. Za detekcję zerowej temperatury odpowiedzialny jest komparator zbudowany na pierwszym wzmacniaczu operacyjnym układu LM358 (U3A). Jest on włączony jakby „na odwrót” wejściem „+” do napięcia referencyjnego, wszystko po to, aby ułatwić budowę dalszych torów. Komparator ten posiada histerezę wyznaczaną przez rezystory R3 i R4. Przy R3=2,7kΩ i R4=1MΩ histereza ta wynosi około 2oC. Brak histerezy byłby silnie zauważalny przy temperaturze około 0oC. Jej wartość można zmieniać, dobierając stosunek R3 do R3+R4. Najprościej można przyjąć, że R4/R3 = ~9V/10mV x t∆ , gdzie t∆ to żądana histereza. Na szerokość histerezy ma wpływ Rys. 1 Schemat ideowy

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

napięcie zasilania, dlatego przy innym napięciu niż 9V może być konieczne dobranie elementów. Opisywany komparator steruje dwoma elementami: poprzez rezystor R5 diodą LED sygnalizującą ujemne wskazania i tranzystorem T1 zmieniającym znak wzmocnienia drugiego wzmacniacza z LM358. W sytuacji, gdy tranzystor T1 jest zatkany, cały sygnał z wyjścia U3A trafia na wejście nieodwracające U3B i w konsekwencji powiela się na wyjściu ze współczynnikiem wzmocnienia 1. W momencie, gdy mamy do czynienia z ujemnymi temperaturami, tranzystor T1 zwiera wejście nieodwracające U3B do napięcia odwracającego o wzmocnieniu -1. Inaczej mówiąc, na wyjściu generuje napięcie o tyle wyższe od referencyjnego, o ile jest niższe na rezystorze R8. Wzmacniacz po prostu stara się zrównać napięcia na swoich wejściach. Z wyjścia U3B sygnał trafia poprzez filtr dolnoprzepustowy (R10, C2) na wejście generatora sterowanego napięciem. W roli tej pracuje układ LM331. Generator ten pracuje w standardowej konfiguracji. Jedyną zmianą w stosunku do zalecanej przez producenta konfiguracji jest 10-krotne zwiększenie C4. Kondensator ten wraz z rezystorem R15 odpowiada za stałą czasową wewnętrznego przerzutnika. Zwiększenie C4 z 10nF do 100nF obniżyło współczynnik przetwarzania generatora VCO z 1kHz/V do 100Hz/V. W podstawowym (uruchomieniowym) urządzeniu nie jest konieczne montowanie rezystorów R12 i P1. Zaleca się jednak zamontować te elementy w ostatecznej wersji ze względu na niski poziom przetwarzanych sygnałów i w związku z tym zauważalny wpływ napięć niezrównoważenia układu LM331. Rezystor R16 podciąga do plusa wyjście generatora. Z tego punktu można już pobrać sygnał dla dalszych torów. Jest to wyjście oznaczone jako WY1. Niestety w wielu przypadkach nie można tutaj bezpośrednio podłączyć komputerka rowerowego. Powód jest prosty. Urządzenie na WY1 posiada współczynnik przetwarzania równy 1Hz/oC. Aby usunąć tę niedogodność, urządzenie zostało wyposażone w dodatkowy dzielnik częstotliwości. Podział przez 10 dokonuje się w liczniku dziesiętnym U5 4017. Licznik ten pracuje w pełnym cyklu, nic nie stoi jednak na przeszkodzie, aby skrócić ten cykl, gdy zajdzie taka konieczność.

czujnik temperatury lutujemy w płytkę lub wyprowadzamy na przewodach. Po załączeniu zasilania należy w pierwszej kolejności sprawdzić wartość napięcia referencyjnego. Napięcie na środkowym wyprowadzeniu U2 powinno mieć 1,25V. Następnie sprawdzamy napięcie na środkowym wyprowadzeniu U1. To napięcie powinno być wyższe od referencyjnego o 0,2...0,3V. Wszystko zależy od temperatury czujnika. Fakt przebywania w dodatniej temperaturze będzie sygnalizowany zgaszoną diodą D1. Gdy poprzednie etapy poszły gładko należy sprawdzić napięcie na wyprowadzeniu 7 U4. Powinno być ono takie samo jak na środkowym wyprowadzeniu LM35. Ostatnią czynnością jest kalibracja VCO. Najpierw należy ustabilizować temperaturę czujnika na poziomie powiedzmy 30-40oC, a następnie potencjometrem P2 uzyskać współczynnik konwersji 1Hz/ 1oC (na WY1). W ostatniej fazie wylutowujemy LM35 i R1, i zwieramy puste wyjście (pin 2) z napięciem referencyjnym (pin 3) po układzie U1. Potencjometrem P1 staramy się uzyskać 0Hz na wyjściu. W ten sposób kalibrujemy zero naszego urządzenia. Po ponownym wlutowaniu U1 może okazać się koniecznym skorygowanie wskazań przy pomocy P2.

Podłączenie urządzenia

Docelowymi punktami podłączenia komputerka rowerowego jest WY2. Aby komputerek wskazywał poprawnie, należy wpisać mu właściwy promień koła. Jak to obliczyć? Przyjmijmy, że po podziale na 4017 współczynnik przetwarzania wynosi 0,1Hz/oC. Tak więc dla 10oC mamy 1Hz. 10km/h to około 2,78m/s. Urządzenie wyśle 1 impuls w ciągu sekundy (ponieważ 10oC to 1Hz), czyli tak jakby koło Rys. 2 Schemat montażowy

obróciło się jeden raz w ciągu sekundy. Obróciło się jeden raz, ale przejechało odległość 2,78m, stąd po podstawieniu do wzoru L=2r – r wyniesie 44cm. Idąc tym tokiem rozumowania, można obliczyć inne promienie kół przy innym współczynniku przetwarzania. Można jednak inaczej – wpisać promień np. 30cm i tak korygować współczynnik VCO potencjometrem P2, aby wskazania były prawidłowe. Przy tej drugiej okazji wskazana będzie wymiana R11 na zworę, a wartość P2 na np. 22kΩ, a po ustawieniu powrót do rezystora stałego i potencjometru o niewielkiej wartości. Michał Stach

Wykaz elementów Rezystory R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27kΩ R2,R8-R11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100kΩ R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5,1kΩ R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1MΩ R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2,2kΩ R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1kΩ R7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150kΩ R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22kΩ R13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47Ω R14,R16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10kΩ R15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6,8kΩ P1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22kΩ helitrim P2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7kΩ PR Kondensatory C1,C2,C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1µF C5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10µF/16V Półprzewodniki D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED T1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC547 U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM35 U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM385 U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM358 U4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM331 U5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CD4017

Montaż i uruchomienie

Układ można zmontować na płytce drukowanej pokazanej na rysunku 2. Montaż urządzenia jest klasyczny. Rozpoczynamy od zwor i podstawek pod układy, a kończąc na największych elementach. Do zasilania układu przewidziano złącze śrubowe, do którego należy przyłączyć baterię 9V lub zasilacz stabilizowany. W zależności od przeznaczenia

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

55

F orum Czytelników

Sterownik oświetlenia kabiny samochodu Układ sterowania oświetleniem kabiny samochodu służy do regulacji prądu płynącego przez żarówkę poprzez zmianę współczynnika wypełnienia impulsów. Rozjaśnienie jest realizowane przez wydłużenie czasu trwania impulsów, ściemnianie zaś przez ich skracanie. Otwarcie drzwi samochodu będzie powodować rozjaśnianie oświetlenia wnętrza samochodu przez kilka sekund, a potem świecenie pełną mocą przez ustalony czas, a na koniec wolne zgaszenie żarówki. Jeżeli drzwi zostaną zamknięte wcześniej, to automatycznie lampka zacznie wolno gasnąć.

Opis układu

Na rysunku 1 zamieszczony został schemat ideowy. W stanie spoczynku żarówka L1 nie świeci a wyłącznik drzwiowy jest rozwarty. W momencie otwarcia drzwi samochodu przełącznik P1 zostanie zwarty. Spowoduje to podanie ujemnego impulsu na wejście wyzwalające 2 układu U1, pracującego tym ra-

56

zem w roli przerzutnika monostabilnego. Na wyjściu Q pojawi się dodatnie napięcie ustalone przez czas t=1,1*(PR1+R7+R8)*C4. Z wartościami takimi jak na schemacie czas ten można regulować potencjometrem PR1 w granicach od około 6s do ponad 50s. Stan wysoki z wyjścia Q włączy diodę LED i jednocześnie zacznie ładować kondensator C5 przez rezystory R9, R10. Kondensator ten jest połączony z wejściem odwracającym (6) wzmacniacza operacyjnego U2B, pracującego jako komparator. Do drugiego wejścia (5) podawany jest przebieg zbliżony do piłokształtnego z kondensatora C6. Wzmacniacz U2A pracuje jako generator. Częstotliwość generowanego przebiegu wynosi około 900Hz. Na wyjściu (7) komparatora U2B pojawiają się ujemne impulsy, kiedy napięcie na wyprowadzeniu 6 przewyższa wartość napięcia na wyprowadzeniu 5. Impulsy te doprowadzane są do tranzystora T2, który z kolei wysterowywuje tranzystor polowy T4, pracujący jako element regulujący oświetlenie. Zastosowanie tego tranzystora było podyktowane małym spadkiem napięcia pomiędzy źródłem a drenem (w moim

modelu przy pełnym wysterowaniu wynosi 50mV), a przede wszystkim małymi stratami mocy. Tak więc gdy drzwi zostaną otwarte, żarówka będzie się rozjaśniać w tempie zależnym od wartości C5, R9 i R10. Czas do pełnego otwarcia tranzystora T4, tzn. zmniejszenia spadku napięcia do wartości minimalnej, w modelu wynosił 8s. Jeżeli drzwi zostaną zamknięte przed upływem stałej czasowej (PR1, R7, R8, C4), to za pośrednictwem kondensatora C1 dodatni impuls otworzy tranzystor T1, który spowoduje szybkie doładowanie kondensatora C4 i zmianę stanu wyjściowego (3) Q. Stan niski będzie teraz rozładowywał kondensator C5 przez rezystor R9. Żarówka będzie powoli gasnąć. Czas do całkowitego wygaszenia wynosi około 10s. Tak samo żarówka będzie wygaszona, jeżeli pozostawimy otwarte drzwi przez dłuższy czas (kondensator C4 zostanie naładowany przez PR1, R7 i R8). Reasumując, każde otwarcie drzwi będzie powodować rozjaśnianie oświetlenia wnętrza samochodu przez kilka sekund, a potem Rys. 1 Schemat ideowy

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

świecenie pełną mocą przez czas zależny od ustawienia PR1, a na koniec wolne zgaszenie żarówki. Jeżeli drzwi zostaną zamknięte wcześniej, to automatycznie lampka zacznie wolno gasnąć. Jeżeli ktoś chciałby, aby światło gasło nie po zamknięciu drzwi, tylko po przekręceniu stacyjki, powinien dodać jeszcze jeden obwód z tranzystorem T3. Włączenie stacyjki to podanie stanu wysokiego na wejście A, który natychmiast zresetuje przerzutnik U1 (żarówka L1 – gaśnie). W tym przypadku nie stosować elementów R1, R2, C1, T1 (elementy na schemacie zaznaczone gwiazdką).

Montaż i uruchomienie

Jeśli ktoś zdecyduje się użyć tranzystora T1, wówczas powinien być to tranzystor o dużym wzmocnieniu stałoprądowym np. BC547C. Dioda D1 dodana została na wszelki wypadek, gdyby napięcie na C4 wzrosło powyżej napięcia zasilania. Kondensatory C4 i C5 w spoczynku nie pozostają pod napięciem, a więc powinny to być „tantale”. W modelu zastosowałem jednak zwykłe elektrolity (takie miałem pod ręką). W spoczynku gotowy model pobierał około 1,2mA prądu (PR1 skręcony na minimum), oczywiście przy zastosowaniu U1 w wersji CMOS. Wydaje się to dobrym wynikiem w stosunku do prądu regulowanego. Dla akumulatora jest to praktycznie żaden prąd. Układ był testowany w zakresie napięć 10-15V i działał bez zarzutu. Nie testowałem go natomiast w różnych temperaturach. Tranzystor prawie w ogóle się nie grzeje przy sto-

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

sowaniu żarówki 10W. Nie sprawdzałem, jak działa układ z żarówkami o wyższych mocach nominalnych. Dioda LED swym świeceniem sygnalizuje pracę układu. Być może lepiej by wyglądała sprawa samego rozjaśniania i ściemniania, gdyby zamiast obwodu RC zastosować proste źródło prądowe na tranzystorach. Nie sprawdzałem tego doświadczalnie. Wymagałoby to dodatkowego rozbudowania płytki drukowanej. A propos płytki, wydaje mi się, że schemat montażowy nie jest potrzebny i wystarczy sam model. Wiadomo, że w samochodzie panują trudne warunki i układ należałoby zabezpieczyć przed wpływem wilgoci np. przez zalakierowanie, zaklejenie. Przy montażu układu należy przeciąć przewód łączący żarówkę z włącznikiem drzwiowym i koniec przewodu prowadzący do wyłącznika podłączyć do punktu B. Drugi koniec przeciętego przewodu podłączyć do punktu X. Ewentualnie można także połączyć przewodem punkt A z takim fragmentem instalacji, na którym napięcie występuje dopiero po włączeniu stacyjki. Na koniec podłączamy przewody zasilające, jeden – do masy pojazdu, drugi – do punktu instalacji, na którym zawsze występuje napięcie. Przy pierwszym uruchomieniu mojego sterownika żarówka zbyt szybko się rozjaśniała po otwarciu drzwi. Z początku nie mogłem tego zmienić. Przyczyna tego stanu tkwiła w zbyt płytkiej histerezie w generatorze U2A. Napięcie na wejściu 5 zmieniało się w zakresie 4V do 8V. Zmieniłem wartość odpowiadających za histerezę rezystorów R11,

Wykaz elementów Rezystory

R1,R11,R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100kΩ R2*,R4,R8,R19* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10kΩ R3,R5,R6,R17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1kΩ R7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47kΩ R9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33kΩ R10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .330kΩ R13,R18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7kΩ R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5,6kΩ R15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8,2kΩ R16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3,3kΩ PR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470kΩ PR

Kondensatory

C1* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1µF C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47nF C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF C4,C5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100µF/16V tantal C6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33nF C7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF ceramiczny C8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100µF/16V

Półprzewodniki

D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4001 D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148 D3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED T1* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC547C T2,T3* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC557 T4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BUZ10 U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .NE555 U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM358

R12, R13 i zmniejszyłem R14 i C6. Po zmianie, napięcie na kondensatorze C5 wynosiło około 1,2V, wyjście 7 komparatora chwilę zostaje w stanie niskim i zapoczątkowuje proces rozjaśniania. Przy zastosowaniu elementów jak na schemacie układ działał już bez zarzutu. Łukasz Podgórnik

57

Forum Czytelników

A utomatyczny włącznik mikrofonu Przedstawione poniżej układy to automatyczne włączniki reagujące na przechylenie o kąt około 90o. Świetnie nadają się do załączania mikrofonów służących do udzielania odpowiedzi. Dołączony mikrofon zostaje włączony po przechyleniu tyczki z pozycji pionowej, w jakiej jest w stanie spoczynku, do pozycji w przybliżeniu poziomej, w jakiej znajduje się w czasie wypowiedzi. Oczywiście włączniki mogą być użyte także do innych celów.

Układ 1 Opis układu

Schemat ideowy przedstawiony został na rysunku 1. Układ działa w bardzo prosty sposób, zbudowany jest z garstki elementów i jednego układu scalonego. Metalowa kulka porusza się po szynie podłączonej do plusa zasilania. Po obu stronach toru ruchu kulki znajdują się blaszki – czujniki. Początkowo kulka styka się z czujnikiem podłączonym do wejścia R (reset) US1 (nóżka 4). Jeżeli obracamy układem, kulka toczy się i dotyka czujnika połączonego z wejściem S (set) US1 (nóżka 6). Wtedy na wyjściu Q pojawia się stan H, załączając przekaźnik. Rys. 1 Schemat ideowy

Montaż i uruchomienie

Układ można zmontować na płytce uniwersalnej. Montaż jest standardowy. Omówienia wymaga jedynie budowa czujnika. Można go zbudować na płytce uniwersalnej. Na początku montujemy dwie długie zwory (szyny, po których będzie się poruszała kulka). Obok tych „szyn” montujemy dwa kawałeczki laminatu o wymiarach 5x30mm. Montujemy je po to, by kulka nie wyleciała. W ten sposób powstał „korytarz”. Na jego obu końcach montujemy małe blaszki – czujniki. Ostatecznie można jeszcze od góry odgrodzić tor ruchu kulki, aby zawsze była w czujniku. Po zmontowaniu układu nie powinien on stać pionowo, gdy mikrofon jest wyłączony. Musi on być nachylony względem poziomu pod kątem np. 75o, aby po przechyleniu kulka ponownie dotknęła blaszki.

Montaż i uruchomienie

Układ można zmontować na płytce uniwersalnej. Poprawnie zmontowane urządzenie działa od razu. Należy je zasilać napięciem 12V. Omówienia wymaga jedynie zamocowanie odważnika (50 lub 100g) na potencjometrze. Najlepiej będzie użyć kawałka blaszki o wymiarach 40x5mm. Należy ją tak powyginać, aby dobrze się trzymała potencjometru i odważnika. Następnie potencjometr i ciężarek można do blaszki przylutować. Piotr Dereszowski

Układ 1

Układ 2

Wykaz elementów

Opis układu

R1-R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10kΩ R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200Ω R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .300Ω C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF T1,T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC547 D1-D3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED D4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148 US1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4013 PK1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .przekaźnik 12V

Schemat ideowy przedstawiony został na rysunku 2. Jeśli układ jest ustawiony poziomo, wtedy potencjometr obrotowy P1, na którym został sztywno zamontowany ciężarek, wykazuje rezystancję około 300kΩ. Rezystancja ta, wraz z cząstkową rezystancją R2, R3 równą 14,7kΩ, jest zbyt duża, aby załączyć tranzystor T1, więc jest on zatkany. Gdy obracamy potencjometr P1 o 90o jego rezystancja maleje praktycznie do zera, co powoduje załączenie przekaźnika PK1. Ktoś, kogo zainteresuje powyżRys. 2 Schemat ideowy

58

sze rozwiązanie, może użyć kilkustopniowej skali sygnalizacyjnej, np. 5 ledów, każda sygnalizująca obrót o 30o.

Układ 2

Wykaz elementów R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10kΩ R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7kΩ R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10kΩ R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220Ω C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF ceramiczny D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148 T1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC547 PK1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .przekaźnik 12V P1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .potencjometr 1kΩ

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Genialne schematy, czyli co by było, gdyby... W tej rubryce prezentujemy schematy nadesłane przez Czytelników. Są to zarówno własne (genialne) rozwiązania układowe, jak i ciekawsze schematy z literatury, godne Waszym zdaniem publicznej prezentacji bądź przypomnienia. Są to tylko schematy ideowe, niekoniecznie sprawdzone w praktyce, stąd

podtytuł „co by było, gdyby...”. Redakcja EdW nie gwarantuje, że schematy są bezbłędne i należy je traktować przede wszystkim jako źródło inspiracji przy tworzeniu własnych układów. Przysyłajcie do tej rubryki przede wszystkim schematy, które powstały jedynie na papierze, natomiast układy, które

zrealizowaliście w praktyce, nadsyłajcie wraz z modelami do Forum Czytelników i do działu E-2000. Nadsyłając godne zainteresowania schematy z literatury, podawajcie źródło. Osoby, które nadeślą najciekawsze schematy oprócz satysfakcji z ujrzenia swego nazwiska na łamach EdW, otrzymają drobne upominki.

Mnożniki rezonansowe Przebieg prostokątny na wyjściu układu cyfrowego zawiera szereg harmonicznych. Można zrobić prosty mnożnik częstotliwości, który wykorzystuje te harmoniczne. Trzeba wydzielić interesującą harmoniczną za pomocą obwodu rezonansowego, jak pokazuje załączony rysunek. Rafał Malawski z Twardogóry

Teoretycznie podany sposób pozwala uzyskać także ułamkowe współczynniki podziału, jak pokazuje rysunek poniżej.

Od Redakcji. W układzie trzeba stosować szybkie układy cyfrowe, które zapewnią ostre zbocza, czyli dużą zawartość harmonicznych. Opisany sposób można stosować przy wykorzystaniu harmonicznych nieparzystych.

Poszerzanie bazy stereo Przedstawiony przeze mnie schemat to schemat układu, który poszerza bazę stereo. Był on stosowany we wzmacniaczach i radiomagnetofonach, gdzie głośniki lub kolumny musiały być blisko siebie. Układ jest bardzo prosty, zawiera dwa wzmacniacze operacyjne NE5532. Nadesłał Tomasz Jadasch - Kęty

Wzmacniacz W książce Wiktora Chojnackiego „Układy scalone w urządzeniach krótkofalarskich” (WKiŁ 1983) jest zamieszczony schemat przedwzmacniacza na bramkach NAND. Bramki te muszą być linearyzowane. Wzmocnienie wynosi 20dB. Nadesłał Maciek Szostek - Gdańsk

Syrena wielofunkcyjna Przedstawiony schemat pokazuje układ syreny z głośnikiem tubowym. Głośność jest ogromna. Układ pobiera około 0,5A prądu. Nadesłał Piotr Podczarski - Redecz Wlk.

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

59

Podstawy

Lampa kontra

tranzystor - raz jeszcze

Właściciele wzmacniaczy lampowych szczycą się ich posiadaniem. Ci, którzy używają tranzystorowych, przeważnie chcieliby mieć kiedyś lampowe. Dlaczego? Cóż takiego jest w lampie, że brzmi jakoś wyjątkowo miło? I dlaczego tak trudno jest to określić za pomocą mierzalnych parametrów? Ja również posiadam wzmacniacz na triodach „single ended”. Taki układ pracuje, jak wiadomo, w klasie A. Mam też wzmacniacz tranzystorowy przedniej marki i zamieniając je często między sobą, widzę, że mimo przepaści dzielącej je pod względem parametrów elektrycznych - wolę ten lampowy. Przez dłuższy czas dorabiałem teorię do tego zjawiska i w tej chwili chciałbym zaprezentować swoje spostrzeżenia. Są też tacy, którzy twierdzą, że wzmacniacz lampowy jest bardzo dobry, ale... do gitary. I to zastosowanie, jak widać, przetrwało fascynację tranzystorami, bez szwanku dla interesów Marshala i jemu podobnych; piece lampowe widać w TV na większości koncertów. Przedstawiam kilka oscylogramów - fotografie 1...4. Na wszystkich są pokazane po dwa przebiegi: jeden z wyjścia wzmacniacza tranzystorowego (każdy się zorientuje - który to jest) oraz z wyjścia wzmacniacza lampowego sterowanego tym samym sygnałem. Możemy założyć, że sygnał ze wzmacniacza tranzystorowego jest identyczny z sygnałem generatora. Ten odkształcony, przesunięty, zmniejszony - to sygnał z „lampówki”, która za to... bardzo ładnie gra. Użyłem dość prostego generatora, który pozostawia subtelny „ząbek” w szczytach przebiegu, widoczny szczególnie wyraźnie przy wyższych częstotliwościach. Czasami oddaje mi on usługi jako swoisty znacznik czasu, więc pozwalam mu żyć.

60

O ile w sygnałach sinusoidalnych trudno doszukać się informacji, które tłumaczyłyby te dziwne zjawiska, to sporo ich daje przebieg trójkątny - fotografie 5, 6. Odpowiedź wzmacniacza na taki przebieg odzwierciedla od razu charakterystykę Uwy=f(Uwe). I już na fotografii 5 coś widać; otóż wzmacniacz lampowy ma mocno nieliniową charakterystykę. Im większy sygnał, tym bardziej zakrzywia się ona w stronę poziomu i to zarówno od góry, jak i od dołu, choć niesymetrycznie. Krótko mówiąc, wzmacniacz wytwarza harmoniczne w dużych ilościach. Zwłaszcza trzecią, sporo piątej, trochę siódmej i wyższych. Od typu użytych lamp i ustawienia ich punktu pracy zależy ilość i proporcje poszczególnych harmonicznych.

Jeśli chodzi o charakterystykę częstotliwościową - tragedia! Zacznijmy od basów: przy 25Hz (fotografia 1) sygnał jest zniekształcony, mocno przesunięty w fazie (z racji ograniczonej wartości kondensatora wejściowego i kondensatorów sprzęgających poszczególne stopnie). Pisząc „ograniczonej wartości”, mam na myśli tak ograniczoną pojemność, jak i wartość w sensie pieniężnym. Dobry kondensator w takie miejsce potrafi podobno kosztować fortunę. W miarę zbliżania się do środka pasma jest coraz lepiej, maleje przesunięcie fazy, rośnie amplituda. W przedziale 200 - 1000Hz są spełnione kryteria przyzwoitości ale i tu sygnałowi daleko do ideału. Od 2kHz amplituda zaczyna już maleć, aby przy 10kHz osiągnąć połowę.

1

3

2

4

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Podstawy 100kHz - to już tylko pozioma kreska. Jak po nieudanej reanimacji. Ponieważ wzmacniacz ten nie ma sprzężenia zwrotnego, jego współczynnik tłumienia jest więcej niż żałosny, gdyby się nawet pokusić o jego określenie - wyszłoby tłumienie rzędu 2. Mówiąc obrazowo, wzmacniacz nie kontroluje swojego wyjścia, wysyła sygnał do głośników i nie obchodzi go, co one z nim zrobią. Mimo że na zaciskach wyjściowych „widać” charakterystykę dołączonej kolumny wzmacniacz nie reaguje na to w żaden sposób. Tranzystorowy - owszem - stara się za wszelką cenę doprowadzić kształt swojego napięcia wyjściowego do zgodności z napięciem wejściowym. I to mu się często udaje, a przynajmniej nam się tak wydaje. Jest jednak coś, czego nie widać podczas badania układu przebiegami okresowymi typu sinus, trójkąt. W muzyce występują bardzo skomplikowane przebiegi, gdzie na przykład napięcie szybko rośnie i w trakcie tego narastania nie mogą zaginąć niuanse dotyczące barwy instrumentów, różnych szmerów itp. Często gdzieś w połowie przebieg „zawraca”, nie osiągając maksimum, tak że podawanie szybkości narastania napięcia wyjściowego przez producentów raczej nie na wiele się tu przydaje. Chodzi o sposób pomiaru dla celów określenia tego współczynnika. Wiele wzmacniaczy tranzystorowych ma ten współczynnik rzędu 100V/µs i więcej. Praktycznie w muzyce nie występują stromości większe niż kilka V/µs, więc hipoteza o ciągle zbyt małej jego wartości też upada. Wystarczy spojrzeć, jak wzmacniacz lampowy radzi sobie z przebiegami prostokątnymi, aby uznać, że nie w tym rzecz. Układy wzmacniające muszą oczywiście mieć jak największą szybkość. Zwłaszcza 5

6

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

tam, gdzie stosowane jest silne sprzężenie zwrotne obejmujące duży obszar wzmacniacza. Wrogiem w tym przypadku są zniekształcenia TIM. Nie każdy wie o co tu chodzi, choć większość spotkała się z tym terminem. Powstają one na skutek tego, że zanim sygnał sprzężenia zwrotnego poinformuje wejście wzmacniacza, że np. wartość chwi- Rys. 1 lowa napięcia wyjściowego jest zbyt Rys. 2 duża i zanim cały tor prześle na wyjście skorygowany sygnał, to wadliwy sygnał już zasilił głośniki i nic go już nie cofnie. Od pewnej wartości stromości narastania napięcia (prądu) rozpoczyna się bezsilność wzmacniacza, jeśli chodzi o dokładność odwzorowania sygnału wejściowego. Jeśli zaś chcemy przyśpieszyć drogę sygnału cza, może się to skończyć jego wzbudzeniem. Dlatego ze wszech miar lepiej jest zastosować kilka stopni objętych lokalnym sprzężeniem zwrotnym, a nie obejmować nim całego (długiego) układu. Tak też robi się w układach lampowych. Wiemy już jak wypada porównanie opisywanych dwóch typów wzmacniaczy. Wydawałoby się zatem, że lampowe wzmacniacze powinny już dawno wyginąć, tymczasem są one w pełnym rozkwicie wśród domowych melomanów. Muszę przyznać, że robiłem kilka podejść do tych obserwacji i nigdy nie doprowadzały mnie one do konstruktywnego wniosku - dlaczego taka miernota tak dobrze brzmi. W końcu postanowiłem dociec prawdy i zrobiłem to (albo mi się tylko tak wydaje). W celu wykluczenia pewnych hipotez nagrałem nawet na płycie CD za pomocą WaveEditora fragmenty muzyki w zamkniętych pętlach, aby można było je badać oscyloskopem. Okazało się jednak, że wzmacniacz tranzystorowy zawsze lepiej odtwarzał skomplikowane przebiegi, przynajmniej w sensie ich odwzorowania na ekranie oscyloskopu.

Skoro nie było winnych, zacząłem upatrywać przyczyny w nieliniowości charakterystyki. Moja hipoteza jest następująca. Wytwarzanie wyższych harmonicznych w dużych ilościach na pewno jest wadą. Ale w tym przypadku obraca się ona częściowo w zaletę. Takie szczęście w nieszczęściu. Przez to, że krzywa przenoszenia zakrzywia się w stronę poziomu, zmienia się również nachylenie krzywej przenoszenia dla małych sygnałów o większych częstotliwościach, nałożonych na silniejsze. Wyjaśnia to rysunek 1. Jeśli wyobrazimy sobie bas, niech to będzie sinusoida 60Hz, na nią nałożony drugi sinus, ale 2kHz o małej amplitudzie - powstanie złożony przebieg. Mimo że tak prostego przebiegu w muzyce chyba nie znajdziemy, dla naszego przykładu jest to dobre zestawienie. Spójrzmy, co się dzieje z amplitudą wyodrębnionego sygnału 2kHz, jeślibyśmy go odfiltrowali po przejściu przez wzmacniacz. Łatwo zauważyć, że będzie on miał amplitudę zmodulowaną przebiegiem 60Hz a nawet 120Hz. W sumie średnia jego głośność (energia) prawdopodobnie wzro-

61

Podstawy śnie w stosunku do energii sygnału 60 Hz w porównaniu z sytuacją, gdybyśmy mieli wzmacniacz liniowy. Z drugiej strony silne sygnały są osłabiane (amplituda ich pierwszej harmonicznej relatywnie maleje), natomiast bardzo ciche sygnały przenoszone są bez zmiany amplitudy. Nie wydaje się, aby to wszystko nie miało wpływu na odczucia słuchacza. Okazuje się, że ta cecha wzmacniacza robi z niego w pewnym sensie kompresor dynamiki. Oto bowiem ciche sygnały nałożone na inne, mocniejsze, będą odtworzone nieco głośniej, niżby to wynikało ze wzmocnienia istniejącego dla dużych sygnałów. Głośny bas po przejściu przez taką charakterystykę jest bardziej energetyczny (większe pole powierzchni pod „spłaszczonym” sinusem), natomiast ciche składowe (nałożone na wyraźne, duże krzywe) będą wzmacniane mocniej przy zbliżaniu się swoich „nośników” do okolic osi czasu. Jeśli występują tylko słabe (ciche) sygnały, mieszczą się one w pobliżu zera napięcia, gdzie charakterystyka jest jeszcze w miarę liniowa i ma niezmniejszone nachylenie. Wszystko to powoduje, że wzmacniacz o takiej charakterystyce działa jak kompresor dynamiki. Okazuje się, że lekkie ściśnięcie dynamiki oddaje nam usługi w postaci nieco głośniejszych najcichszych dźwięków, a to wystarcza do tego, aby uznać dźwięk za przyjemniejszy, ocieplony, miły dla ucha czy mający duszę, jak chcą niektórzy. Tę duszę tworzy otoczka cichych składowych muzyki, w której zawierają się m.in. dźwięki pochodzące z odbić od ścian. To powoduje, że zaczyna się odczuwać „atmosferę” sali, lepiej słychać wszelkie muzyczne „smaczki”, bardziej wyeksponowany jest charakter brzmienia poszczególnych instrumentów. Oczywiście lepiej byłoby, jeśli już tolerujemy lekką kompresję dynamiki lub nawet jej pożądamy, aby rolę tę wziął na siebie kompresor dynamiki z prawdziwego zdarzenia. To, co starałem się powyżej wyjaśnić, jest jedynie produktem ubocznym niedoskonałej charakterystyki lamp. Systemy kompanderowe są znane ludzkości (przykładem niech będzie Dolby, dbx, High-com itp.), są jednak pewne przeciwwskazania do ich stosowania we wzmacniaczach najwyższej jakości. Pierwsza rzecz, że audiofilskie urządzenia muszą być purystycznie surowe, najlepiej jedna lampa i metr drutu, a taki kompresor to już musi być zaawansowany układ scalony, na którego widok audiofila zbiera na wymioty.

62

Drugą wadą klasycznego kompresora dynamiki są tzw. „oddechy”. Chodzi o pewien czas zwłoki, w którym taki układ musi zmierzyć wielkość sygnału, aby dopasować do niego swoje wzmocnienie. Powstaje sytuacja, kiedy każdy nagły wzrost głośności powoduje, że sygnał zostanie „ściszony” dopiero po krótkiej chwili, a następujące po głośnym fragmencie ciche sygnały będą przez jakiś czas zbyt mocno przyciszone, bo układ dopiero dopasowuje się do nowej sytuacji. Jedynie technika cyfrowa oferuje odpowiednie narzędzia i na pewno już takie konstrukcje istnieją. Powinny być to jednak układy autonomiczne, niezwiązane z PC, wolne od zakłóceń cyfrowych. Świat potrzebował więc całego stulecia, aby zastąpić prosty przyrząd - bańkę z kilkoma drutami wewnątrz - czymś rozsądnym, choć wcale nie prostym. Skoro uwierzyłem w swoją hipotezę, nie mogło być inaczej, niż starać się sprawdzić jej słuszność. W tym celu zaczerpnąłem z pudełka garść diod, aby stworzyć z nich szkodnika, który na tyle popsułby charakterystykę (porządnego skądinąd) wzmacniacza tranzystorowego, żeby dorównać lampie a nawet kilku ich sztukom w łańcuchu. Jest to po prostu nieliniowy dzielnik napięcia przemiennego (rysunek 2). Dobierając wartości rezystorów, można sobie popsuć liniową charakterystykę według życzenia. Widać ją zupełnie dobrze na oscyloskopie, gdy zasilimy dzielnik przebiegiem trójkątnym. Należy zwrócić uwagę, żeby obciążeniem tego dzielnika była impedancja nie mniejsza niż 30 - 50kΩ. Nie muszę chyba dodawać, że istotna jest amplituda sygnału podanego na taki dzielnik. W sygnale o wartości międzyszczytowej 1,2V taki dzielnik nie wyrządzi żadnych szkód, trzeba zatem pamiętać, że potencjometr siły głosu powinien znaleźć się dopiero za nim. Wzmacniacz z takim dzielnikiem zaopatrzyłem w stosowny przełącznik (przydałby się pilot), który przepuszcza sygnał bezpośrednio albo przez ten dzielnik. Rezultat chyba spełnia moje oczekiwania. Dzięki temu dzielnikowi dźwięk wydaje się być bardziej skupiony w swoich pozornych źródłach, cieplejszy, zwarty. Prawdopodobnie trzeba byłoby jeszcze popracować nad proporcjami rezystorów. Ostatnio spotkałem się z tym, że konstruktor wzmacniaczy lampowych bardzo chętnie stosował potencjometr głośności dopiero za pierwszą lampą. Takie rozwiązanie

kojarzyło mi się z możliwością przesterowania tej lampy dużym sygnałem wejściowym. A jeśli nawet nie, to taka lampa zawsze pracuje na całym sygnale; nawet jeśli dźwięk jest mocno ściszony potencjometrem. Powoduje to przecież dodatkowe zniekształcanie sygnału nieliniowością charakterystyki lampy. On miał jednak ciągle wrażenie, że tak jest lepiej. Może właśnie o to chodzi, żeby jeszcze jednym stopniem zniekształcić lekko muzykę, uzyskując przy okazji dodatkowy efekt kompresji dynamiki. Jest jednak jeszcze jedno zjawisko mogące potencjalnie powodować kompresję dynamiki i to w rozumieniu właściwego kompresora, bez zniekształcania dźwięku przy okazji. W układach lampowych stosuje się zasilanie anod kolejnych stopni przez oporniki odsprzęgające wraz z kondensatorami elektrolitycznymi do masy. Elementy te pełnią rolę filtru sieciowych 100Hz, ale oprócz tego mogą również powodować lekką kompresję dynamiki, bowiem gdy lampa pobiera większy prąd (przy głośniejszym sygnale), napięcie jej zasilania lekko „siada”. W większości prostych aplikacji lampowych mniejsze zasilanie oznacza mniejszy sygnał wyjściowy. Takie miękkie zasilacze powodują również zmiękczenie dźwięku dzięki jego kompresji. Między innymi z tego powodu stosuje się prostowniki na lampach oraz odpowiednio dobrane wartości elementów filtrujących napięcie zasilające anody lamp. Widzimy więc, że we wzmacniaczu lampowym odgrywają istotną rolę takie rzeczy jak charakterystyki poszczególnych lamp, sposób zasilania ich anod, głębokość sprzężenia zwrotnego oraz punkty pracy lamp. Przypomina to jakiś delikatny instrument. A jak wiadomo - Stradivariusy grają lepiej, inne gorzej. Elektroniczne keyboardy natomiast grają wszystkie tak samo paskudnie. Mam nadzieję, że dałem Czytelnikom tym artykułem impuls do rozważań, prób i ciekawych doświadczeń oraz myślę, że zaowocuje to jakąś dyskusją na łamach EdW. Marek Klimczak [email protected] Od Redakcji. Spostrzeżenia i wnioski autora artykułu nie są tożsame z poglądami Redakcji Elektroniki dla Wszystkich. Niemniej artykuł, napisany przez praktyka, może być znakomitym przyczynkiem do dyskusji oraz wymiany doświadczeń, do czego serdecznie zapraszamy Czytelników.

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

To warto wiedzieć

Koniec z paleniem gum elektronika we współczesnym samochodzie Układy zabezpieczające przed skutkami wypadków

Do najważniejszych układów tego typu należą automatyczne napinacze pasów bezpieczeństwa oraz poduszki powietrzne. Pierwsza poduszka powietrzna została zgłoszona do opatentowania już w latach 50. Praktyczne zastosowanie znalazła jednak w latach 70. w USA, gdzie stała się nawet obowiązkowym wyposażeniem pojazdu. Warto przypomnieć, że nie było tam wówczas obowiązku zapinania pasów bezpieczeństwa. Oczywiście po trzech dekadach badań dziś wiemy doskonale, że najskuteczniejsze działanie zabezpieczające poduszka osiąga właśnie razem z zapiętymi pasami, które w dodatku powinny w odpowiednim momencie zostać dodatkowo ściągnięte przez napinacze pirotechniczne. Od początku lat 90., kiedy zapinanie pasów stało się w Europie obowiązkowe, nastąpił rozwój technologii poduszki powietrznej. Rozwój ten był możliwy dzięki zastosowaniu wyrafinowanej elektroniki. W najnowocześniejszych autach instaluje się obecnie do 10 poduszek powietrznych: dla kierowcy, pasażera z przodu, pasażerów z tyłu, cztery boczne i dwie górne. Jeśli dodamy do tego pirotechniczne napinacze pasów, to mamy niezłą beczkę prochu, bo przecież wszystkie te urządzenia zawierają potencjalnie niebezpieczne ładunki wybuchowe. Poza tym wiadomo, że sama poduszka, choć stworzona do ratowania życia podróżujących samochodem, w czasie kolizji może - odpalona w nieodpowiednim momencie - stanowić dla nich nawet śmiertelne zagrożenie. Jak więc sterować niezależnie ośmioma czy dziesięcioma poduszkami, by nie zrobiły komuś krzywdy i zostały odpalone we właściwym momencie? Warto przypomnieć, że czas zadziałania całego układu od chwili uderzenia samochodu w przeszkodę do wychwycenia

64

MEU

przez poduszkę głowy i klatki piersiowej kierowcy przy prędkości 80 km/h wynosi mniej niż 100 milisekund. Jeszcze szybciej niż poduszka powinny zostać odpalone napinacze pasów. Jak widać, potrzebne są więc absolutnie niezawodne i precyzyjne systemy sterowania tymi elementami pojazdu. Układy sterujące odpalaniem poduszek powietrznych składają się z niezwykle zaawansowanych technicznie i niezawodnych w działaniu czujników przyspieszeń rozlokowanych w różnych miejscach samochodu. Kiedy auto uderza w przeszkodę (lub zostaje uderzone) rejestrują one kierunek i siłę uderzenia. Sygnały te trafiają do komputera, który ma w pamięci dane o setkach sytuacji z wcześniejszych symulacji. Procesor musi błyskawicznie przeanalizować rodzaj zderzenia i zdecydować: odpalić poduszkę, czy nie i którą. Nie ma obawy, że wybuchną wszystkie naraz, bo zderzenie jest albo czołowe, albo boczne, albo następuje z tyłu (wówczas komputer sterujący wyzwala tylko napinacze pasów). Najnowsze modele aut mają też czujniki obciążenia siedzeń pasażerów. Chodzi o to, aby poduszka została odpalona tylko wtedy, gdy fotel jest zajęty, i nie wybuchła, gdy na fotelu obok kierowcy umieszczono fotelik z małym dzieckiem (poduszka, napełniając się przygniotłaby je do oparcia fotela). Tak więc kiedy siedzicie za kierownicą z niepozornym napisem „airbag”, pomyślcie czasem, że tak naprawdę nad waszym zdrowiem i życiem czuwa wówczas poczciwy kawałek krzemu. W najbliższej przyszłości nastąpi dalsze udoskonalenie systemu sterowania omówionym wyżej układem zabezpieczenia przed skutkami wypadku. I oczywiście usprawnienie to będzie związane z zainstalowaniem w samochodach kolejnej porcji wyrafinowanej elektroniki. Otóż pojazdy (na początek te z najwyższej półki) wyposażone zostaną w radary o krót-

część 2

Fo t o B o s ch

czyli

kim zasięgu. Dadzą one całemu systemowi więcej czasu na analizę sytuacji, a co za tym idzie bardziej precyzyjną i odpowiednio wczesną reakcję. Czujniki radarowe przekażą sygnały o zbliżającej się kolizji jeszcze w fazie przedwypadkowej. Zauważą przeszkodę, zanim zderzy się z nią samochód. System będzie więc w stanie dokładnie przewidzieć czas uderzenia. Nie będzie znana jedynie masa przeszkody. Informacje o sile uderzenia nadal będą pochodzić z czujników przyspieszeń. Wprowadzenie do wyposażenia aut radarów krótkiego zasięgu, planowane przez firmę Bosch na 2005 rok, umożliwi realizację „wirtualnego pasa bezpieczeństwa” wokół pojazdu. Kierowca zostanie na przykład ostrzeżony przed trudno dostrzegalnymi obiektami na drodze, a pojazd sam będzie utrzymywał bezpieczną odległość od innych pojazdów. Już teraz firma Bosch zaprezentowała radarowy system adaptacyjnej regulacji prędkości jazdy ACC. Jest to nowoczesna odmiana tempomatu, czyli urządzenia umożliwiającego jazdę ze stałą zadaną prędkością. W przeciwieństwie do dotychczasowych tempomatów aktywnie reaguje on

Fo t o B o s ch

Fot. 9 Moduł sterujący odpalaniem poduszek powietrznych

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Fo t o B o s ch

To warto wiedzieć

Fot. 10 System sterowania poduszkami powietrznymi i napinaczami pasów bezpieczeństwa firmy Bosch

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

gą, w razie ich upowszechnienia, w znaczącym stopniu przyczynić się do zwiększenia bezpieczeństwa ruchu. Z kolei układ PDC (Park Distanz Control) zaprojektowany został z myślą o ochronie eleganckich limuzyn kierowanych przez niezbyt dobrych kierowców przed tzw. uszkodzeniami parkingowymi. Zastosowano w nim umieszczone w tylnym zderzaku czujniki ultradźwiękowe, które pracując jako echosondy, mierzą odległość samochodu od przeszkody i gdy ta niebezpiecznie się zmniejsza, system ostrzega kierującego sygnałem dźwiękowym. Fot. 11 W takiej sytuacji układ PDC oparty na czujnikach ultradźwiękowych umieszczonych w zderzaku może okazać się bardzo pomocny Fo t o B o s ch

w sytuacji, kiedy przed autem pojawi się dogoniony inny pojazd. Podstawową częścią systemu jest nadajnik/odbiornik radarowy umieszczony pod osłoną chłodnicy. Emitowane przez nadajnik fale, po odbiciu się od przeszkody (poprzedzającego pojazdu), są źródłem informacji o odległości od przeszkody a także o jej względnej prędkości. Po przeanalizowaniu tych danych system przystępuje do części wykonawczej, którą realizuje układ ESP. Przyhamowuje on pojazd lub tylko zmniejsza obroty silnika tak, by została zachowana bezpieczna odległość między obydwoma samochodami. ACC ma odciążać kierowców od uciążliwego trzymania nogi na pedale gazu podczas jazdy autostradami nawet w zmieniających się warunkach ruchu. Jeszcze innym supernowoczesnym elektronicznym gadżetem oferowanym już w niektórych samochodach jest układ automatycznej regulacji odległości ADR (Automatische Distanzregelung). Określa on odległość od najbliższego pojazdu za pomocą trzystrumieniowego lasera podczerwieni. Informacje o stanie nawierzchni pochodzą z czujników prędkości obrotowej kół znanych z układów regulacji dynamiki jazdy. Czujniki podają również informacje o pokonywanym zakręcie i prędkości jazdy. Dane są analizowane w sterowniku ADR, który na tej podstawie oblicza zalecaną prędkość oraz wymagany odstęp. Realizacją zajmują się systemy kontroli trakcji np. ESP. Warunkiem pełnej automatycznej regulacji dystansu jest automatyczna skrzynka przekładniowa. Automatyczna regulacja dystansu umożliwia nawet całkowite zatrzymanie pojazdu poruszającego się w korku, a następnie jego samodzielne ruszenie. W ten sposób układ pozwala uniknąć wypadku w wyniku najechania i ułatwia poruszanie się po zatłoczonych ulicach. Jak uważają eksperci wspomniane systemy mo-

Układy zabezpieczające przed kradzieżą Są kolejną sferą konstrukcji samochodowych opanowaną przez elektronikę. Wraz z postępem technicznym nie następuje niestety postęp moralny społeczeństw, czego efektem jest dramatyczny wzrost liczby kradzieży samochodów. Dlatego od jakiegoś czasu podstawowym wyposażeniem nowych pojazdów stał się tzw. immobiliser, czyli w wolnym tłumaczeniu unieruchamiacz. Można zrealizować go na wiele sposobów, ale największym uznaniem cieszy się obecnie elektronicznie kodowany kluczyk do wyłącznika zapłonu (stacyjki) z transponderem. Jest to rozwiązanie bardzo wygodne, gdyż nie wymaga od kierowcy żadnych dodatkowych i tajnych manipulacji. Samochód można uruchomić, wkładając jak zwykle kluczyk do stacyjki i przekręcając go. Przeciętny użytkownik nie zdaje sobie nawet sprawy, jaka skomplikowana procedura ma wówczas miejsce. Głównymi elementami systemu są: wspomniany już kluczyk z transponderem, czyli mówiąc po ludzku mikroprocesorowym nadajniko-odbiornikiem, antena pierścieniowa (cewka czytająca dane z transpondera) w stacyjce oraz sterownik blokady zapłonu. Po włożeniu kluczyka do stacyjki transponder wysyła do sterownika blokady kod stały, który zostaje tam sprawdzony. Jeżeli kod ten zostanie rozpoznany jako prawidłowy, sterownik wytwarza za pomocą generatora zmiennych losowych kod zmienny, który jest wysyłany do transpondera. Kod ten inicjuje w transponderze określony, utajniony proces obliczeniowy, który jest tak samo wykonywany w sterowniku. Jeżeli uzyskane w obydwu urządzeniach wyniki są takie same, tzn. wysłane przez transponder są identyczne z otrzymanymi w sterowniku, to kluczyk zostaje uznany za właściwy. W związku z tym sterownik blokady wymienia teraz kod zmienny ze sterownikiem silnika. Jeśli wystąpi zgodność, to można uruchomić pojazd. Omówione procesy trwają kilka milisekund, tak że kierowca nie zauważa żadnej zwłoki w uruchamianiu. Ze względu na to, że dla kodu zmiennego przewidziano 1023 różnych kombinacji oraz sam proces liczenia jest szyfrowany, bardzo trudne jest skopiowanie kluczyka czy też manipulacja przy ukladzie przez skanowanie. W bardziej skomplikowanych układach rozpoznawane są też poszczególne, oryginalne kluczyki pojazdu, co umożliwia „zablokowanie” kluczyka w przypadku jego zgubienia lub kradzieży. Takim „zablokowanym” kluczykiem nie można już uruchomić samochodu. Takie elektroniczne bajery zabezpieczają przed uruchomieniem samochodu przez osoby niepowołane, ale nie stanowią niestety ochrony przed okradzeniem lub odtransportowaniem pojazdu. Dodatkowym wyposażeniem antykradzieżowym każdego samochodu rejestrowanego w naszym pięknym MEU

65

To warto wiedzieć kraju jest więc oczywiście mniej lub bardziej wymyślny system elektronicznego autoalarmu, który ma za zadanie przynajmniej spłoszyć złodzieja, zapewniając, złudne niestety, poczucie bezpieczeństwa. Przecież każdy młodociany kandydat na gangstera wie, że wystarczy postraszyć zwykłym kałasznikowem i właściciel odda nie tylko oryginalne kluczyki, ale i dokumenty swego luksusowego cacka, no chyba że sam pracuje dla konkurencji. Jedyną szansą na odnalezienie skradzionego samochodu w naszej części świata jest wyposażenie go wcześniej w system satelitarnej lokalizacji GPS, który umożliwia zlokalizowanie auta z dokładnością do kilku metrów.

Fo t o B o s ch

I wreszcie pełen komfort podróżowania

Fo t o B o s ch

Krzemowe chipy coraz częściej instalowane są w samochodowych urządzeniach zapewniających kierowcom - zwłaszcza tym zasobniejszym w gotówkę - wysoki poziom komfortu jazdy. Mamy więc elektroniczny system sterowania klimatyzacją - „climatronic”, który Fot. 12 System nawigacji satelitarnej zintegrowany z konpotrafi utrzymywać zadaną temperaturę - nawet różną dla poszczesolą multimedialną - propozycja firmy Blaupunkt dla autogólnych pasażerów. System ten może być sterowany z zewnątrz karów przez telefon komórkowy, co oznacza, że dostatecznie bogaty właściciel czterech kółek może przez telefon aktywować i zaprogramować układ automatycznej klimatyzacji, który odpowiednio przygotuje samochód na nadejście swego pana. Komfort podróżowania autem zależy w dużej mierze od zawieszenia pojazdu. Firma Mercedes zaczyna wyposażać swe limuzyny klasy S w układ ABC (Active Body Control), który dostosowuje pracę zawieszenia do upodobań kierowcy. Reaguje przy tym na zmiany obciążenia auta - jeśli zmienia się masa pojazdu (wysiada lub wsiada pasażer czy też wyjmowany jest bagaż) komputer na bieżąco oblicza nowe ustawienia np. twardość elementów resorujących. Obecnie układy elektroniczne stosowane są powszechnie w urządzeniach, z których korzystają w czasie jazdy kierowca i pasażerowie, a więc w urządzeniach łączności, nawigacji i rozrywki. Prawie wszyscy producenci samochoFot. 13 System identyfikujący i wyświetlający na desce rozdzielczej znaki drogowe dów oferują za odpowiednią opłatą systemy nawigacji satelitarnej, która umożliwia dotarcie do celu bez map i znajomości terenu. Wystarczy wpisać do komputera systemu swoją aktualną pozycję, a potem nazwę miejscowości czy ulicy, do której chcemy dojechać, a on poinformuje cię w odpowiednim momencie, gdzie masz skręcić i którą drogę wybrać. Nie sposób wymienić wszystkich bajerów multimedialnych, które są dostępne w nowoczesnych samochodach. Różnej maści systemy audio i DVD uzupełniają długą listę urządzeń elektronicznych, którymi naszpikowano współczesne auto dla bogaczy. Szkoda tylko, że nie można jednocześnie prowadzić samochodu, oglądać filmu z DVD, słuchać muzyki, rozmawiać przez telefon i żeglować po Internecie.

Fo t o B o s ch

Parę słów o magistralach danych

Fot. 14 Rozmowa z kierowcą w czasie jazdy zabroniona kierowca ogląda film

66

MEU

Pierwsze układy elektroniczne zastosowane w samochodach były samodzielne i niezależne od innych. Ciągły postęp w elektronice samochodowej spowodował, że różne informacje są wykorzystywane jednocześnie przez kilka układów lub muszą być udostępniane z jednego układu do innych, np. sygnał prędkości obrotowej kół. Poza tym potrzeba powiązania wszystkich elementów układów działających we współczesnym samochodzie stwarza poważne problemy w okablowaniu.

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Syrena elektroniczna

2010

Konstrukcje alarmowe wykonane przez hobbystów mają jedną niezaprzeczalną przewagę nad urządzeniami profesjonalnymi: są nietypowe i niepowtarzalne. Jednostkowo wykonana konstrukcja jest zawsze zagadką dla intruza i jej rozszyfrowanie może być nieraz trudniejsze od „złamania” urządzenia niejednej renomowanej firmy. Proponowane urządzenie jest proste, łatwe w montażu i uruchomieniu. Niemniej układ ten, wyposażony w odpowiednie głośniki, całkowicie dorównuje skutecznością kosztownym urządzeniom fabrycznym. Najprostszym sposobem sterowania syreną jest po prostu włączanie i wyłączanie zasilania. Drugim sposobem jest sterowanie wejściem zerującym multiwibratora U2 NE555. Metoda ta nie wymaga przełączania dużych prądów. Zwarcie przewodu sterującego do plusa zasilania powoduje zadziałanie syreny, a połączenie z minusem - natychmiastowe zaprzestanie pracy. Szczegółowy opis w EdW 2/96.

W samochodzie wyższej klasy może działać ponad 50 sterowników, z setkami przynależnych im podzespołów - czujników, włączników, serwosilników itp. Do ich fizycznego połączenia potrzebne byłyby przewody o łącznej długości powyżej 3 km, które w znamienny sposób zwiększyłyby masę pojazdu. Omówione wyżej układy oczywiście muszą funkcjonować niezawodnie, a w przypadku wystąpienia usterki powinna ona dać się łatwo zdiagnozować. Z doświadczenia wynika, że ponad 50% awarii elektroniki samochodowej przypada na okablowanie. Wszystko to spowodowało, że rozpoczęto intensywne prace badawcze nad powstaniem - na wzór komputerowych szyn danych - samochodowych magistrali przesyłowych (CAN - Controller Area Network). Połączenie w sieć różnych układów elektronicznych w samochodzie za pomocą magistrali danych znalazło obecnie powszechne zastosowanie w wielu mode-

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

lach pojazdów. Stosowane są trzy magistrale wykorzystywane przez trzy różne typy danych. Są to: główna magistrala CAN, wykorzystywana do przesyłania danych między urządzeniami sterującymi silnikiem i dynamiką jazdy, magistrala K (Komfortbus) używana przez wszystkie pozostałe układy zapewniające głównie komfort podróżowania, oraz magistrala diagnostyczna DS2. Ta ostatnia umożliwia komunikowanie się wszystkich sterowników z testerem serwisowym. Zastosowanie magistrali przesyłowych do połączenia elektronicznych systemów samochodu przyniosło wiele korzyści: zmniejszenie liczby przewodów, a co za tym idzie zmniejszenie masy pojazdu i zwiększenie niezawodności działania wszystkich układów, wielokrotne wykorzystanie czujników, dzięki czemu mniejsza jest ich liczba, możliwość wzajemnego kontrolowania się układów, a także odciążenie mikroprocesorów, ponieważ nie wystę-

pują podwójne przekształcenia sygnałów analogowych w cyfrowe i na odwrót; wymiana danych odbywa się cyfrowo.

Wnioski

Nie ulega wątpliwości, że coraz większy udział elektroniki w wyposażeniu samochodu spowodował w ostatnich latach znamienną poprawę jego bezpieczeństwa, osiągów i komfortu. Dzięki elektronice auta w mniejszym stopniu zanieczyszczają również środowisko. Nie wydaje się jednak, by jakikolwiek kosztowny i superwyrafinowany elektroniczny system zmniejszył nasze szalone tempo życia, a nas kierowców wyleczył z niepotrzebnej brawury, nieodpowiedzialności i chamstwa na drodze. Sukcesów w rozwiązywaniu tych ostatnich problemów sobie i wszystkim Czytelnikom życzy autor.

Wojciech Turemka MEU

67