Praktyczny Elektronik 1998-10

NR IND 372161

ISSN 1232-2628

Rotuj¹cy zegar P razy drzwi, czyli powab fuzzy Mikroprocesorowy regulator mocy Symulacja uk³adów elektronicznych

Kieszonkowy odbiornik UKF FM

CENA 3,00 PLN

nr 10’98 (75)

4 STRONY WIÊCEJ !!!

BEZP£ATNE OG£OSZENIA DROBNE - PATRZ INFORMACJE NA STR. 35 Nowe zasady sprzeda¿y p³ytek drukowanych – co miesi¹c 3 wysy³ki za darmo !!! „Praktyczny Elektronik” jest pierwszym w kraju pismem, które od pocz¹tku swojego istnienia sprzedawa³o gotowe p³ytki drukowane do prezentowanych na swoich ³amach urz¹dzeñ. Dziœ po ponad szeœciu latach nasza oferta obejmuje ponad trzysta pozycji. Jest to dorobek wszystkich wspó³pracuj¹cych z nami autorów, a przede wszystkim naszego kolegi redakcyjnego, spod którego rêki wysz³a ka¿da p³ytka (z drobn¹ poprawk¹ pisz¹cy te s³owa tak¿e zaprojektowa³ kilka z nich). Ka¿dy z Czytelników mo¿e zauwa¿yæ, ¿e nasze p³ytki drukowane posiadaj¹ swój odrêbny i niepowtarzalny styl prowadzenia œcie¿ek. Niestety tak du¿y asortyment prowadzi tak¿e do komplikacji wysy³ek. Czasami zdarza siê, ¿e osoba zamawiaj¹ca wiêkszy asortyment p³ytek drukowanych nie otrzymuje ich w deklarowanym przez nas terminie. Po prostu brak jednej pozycji w magazynie powoduje wstrzymanie realizacji zamówienia. Wszystkich tych, którzy tego doœwiadczyli pragniemy serdecznie przeprosiæ. Jednoczeœnie

!!!

A Y G N A E C ÓW W E U W AM O N GR O R P

bêd¹c uczciwymi wobec naszych Czytelników nie mo¿emy zagwarantowaæ, ¿e takie sytuacje siê nie powtórz¹. Mamy jednak nadziejê, ¿e przypadki te bêd¹ odosobnione i spotkaj¹ siê ze zrozumieniem zamawiaj¹cych. Istnieje mo¿liwoœæ zamawiania p³ytek z realizacj¹ czêœciow¹. Oznacza to ¿e w ci¹gu dwóch dni od otrzymania zamówienia wysy³amy p³ytki te które aktualnie s¹ w magazynie pozosta³¹ czêœæ zamówienia uniewa¿niamy. Brakuj¹ce p³ytki mo¿na wtedy zamówiæ przy innej okazji. Koszty wysy³ki p³ytek s¹ doœæ wysokie. Przyczyn¹ tego s¹ koszty listów poleconych i op³aty zwi¹zane z pobraniem, oraz przelewem pieniêdzy na nasze konto. Postanowiliœmy jednak wprowadziæ pewn¹ innowacjê, która na pewno ucieszy naszych Czytelników. Co miesi¹c trzy osoby, które zamawiaj¹ p³ytki otrzymaj¹ je bez naliczonych kosztów wysy³ki. Za same jednak p³ytki trzeba bêdzie zap³aciæ. Losowanie bêdzie przeprowadza³ obiektywny komputer, który zarz¹dza ca³¹ organizacj¹ wysy³ek.

Du¿a ewolucja Historia zna wiele przypadków rewolucyjnych zmian, których konsekwencje (oceniaj¹c z perspektywy czasu) nie daj¹ ich inicjatorom powodów do dumy. Z drugiej strony teoria ewolucji, ze swej natury bardziej czasoch³onna, przynios³a ludzkoœci chyba wiêcej dobrego. Ponad szeœæ lat redakcyjnych doœwiadczeñ, uœwiadomi³o nam jak wiele jeszcze nale¿y zrobiæ, aby "Praktyczny Elektronik" sta³ siê miesiêcznikiem w pe³ni odpowiadaj¹cym Waszym oczekiwaniom. Ulepszenia bêdziemy wprowadzaæ stopniowo - na drodze ewolucyjnej. W 75 numerze „Praktycznego Elektronika” przygotowaliœmy Wam, drodzy Czytelnicy, kilka niespodzianek. Pierwsz¹, któr¹ ju¿ z pewnoœci¹ zd¹¿yliœcie zauwa¿yæ, jest nowa, kolorowa ok³adka. Na pierwszej stronie, pod nowym LOGO naszego pisma, znajdziecie zawsze zdjêcie wybranego przez nas urz¹dzenia numeru oraz skrótowe informacje o tym, co jeszcze mo¿na znaleŸæ wewn¹trz. Objêtoœæ „Praktycznego Elektronika” wzros³a do 36 stron. Teraz wiêcej miejsca poœwiêcamy na artyku³y. Co miesi¹c prezentowaæ bêdziemy opisy co najmniej 5 urz¹dzeñ. Naszym nieustannym wyzwaniem jest dba³oœæ o atrakcyjnoœæ i wysoki poziom merytoryczny prezentowanych publikacji. Od samego pocz¹tku posiadamy w³asny styl, który pragniemy kontynuowaæ. Teraz wnêtrze zyska³o na czytelnoœci przez dodanie drugiego koloru i zmianê uk³adu strony na trzykolumnowy. Mo¿liwoœæ sukcesywnego powiêkszania objêtoœci oraz wprowadzenia pe³nego koloru na wszystkich stronach wi¹¿emy z rozwojem dzia³u reklamy. Dodanie reklam pozwoli na utrzymanie niskiej ceny gazety. Zainicjowaliœmy równie¿ proces reorganizacji dzia³u sprzeda¿y, by doprowadziæ do szybszej i bardziej satysfakcjonuj¹cej obs³ugi naszych klientów. Szczegó³y prezentujemy na drugiej stronie ok³adki. Naszym Czytelnikom oferujemy równie¿ mo¿liwoœæ bezp³atnego umieszczania drobnych og³oszeñ na ³amach naszego czasopisma. Ci z Was, którzy zdecyduj¹ siê na prenumeratê maj¹ szansê wygraæ wiele atrakcyjnych nagród. Wiêcej informacji na ten temat w nastêpnym numerze. A teraz zachêcam do lektury.

ZastŒpca Redaktora Naczelnego

Spis treœci Rotuj¹cy zegar..........................................4 K¹cik pocz¹tkuj¹cego elektronika – zmagañ z diodami ci¹g dalszy....................9 Mikroprocesorowy regulator mocy..........11 P razy drzwi, czyli powab fuzzy...............15 Modu³ przetwornika wartoœci skutecznej..................................19 Projektowanie i symulacja uk³adów elektronicznych za pomoc¹ programu PSpice....................21 Kontroler napiêcia akumulatorów w latarce..........................24 Kieszonkowy odbiornik stereofoniczny UKF FM............................27 Elektronika inaczej cz. 33 – Przemiana czêstotliwoœci.........................31 Prosta ³adowarka do akumulatorów....................................33 Pomys³y uk³adowe – proste wzmacniacze akustyczne.........................34

P³ytki drukowane wysy³ane s¹ za zaliczeniem pocztowym. Orientacyjny czas oczekiwania na realizacjê zamówienia wynosi trzy tygodnie. Nie przyjmujemy zamówieñ telefonicznych. Zamówienia na p³ytki drukowane prosimy przesy³aæ na kartach pocztowych, lub kartach zamówieñ zamieszczanych w PE. Koszt wysy³ki 8,00 z³ bez wzglêdu na kwotê pobrania. W sprzeda¿y wysy³kowej dostêpne s¹ archiwalne numery „Praktycznego Elektronika”: 3/92, 1/94, 8–12/95, 3–12/96, 1–12/97, 1–10/98. Cena detaliczna jednego egzemplarza wynosi 3,00 z³ plus koszty wysy³ki. Kserokopie artyku³ów i ca³ych numerów, których nak³ad zosta³ wyczerpany, wysy³amy w cenie 1,75 z³ za pierwsz¹ stronê, za ka¿d¹ nastêpn¹ 0,25 z³ plus koszty wysy³ki. Kupony prenumeraty zamieszczane s¹ w numerach 11/98, 12/98, 2/99, 5/99, 8/99. Adres Redakcji: „Praktyczny Elektronik” ul. Jaskó³cza 2/5 65-001 Zielona Góra tel/fax.: (0-68) 324-71-03 w godzinach 800-1000 e-mail: [email protected] Redaktor Naczelny: mgr in¿. Dariusz Cichoñski Z-ca Redaktora Naczelnego: mgr in¿. Tomasz Kwiatkowski ©Copyright by Wydawnictwo Techniczne ARTKELE Zielona Góra, 1998r.

Druk: Zielonogórskie Zak³ady Graficzne „ATEXT” sp. z o.o. Plac Pocztowy 15 65-958 Zielona Góra Artyku³ów nie zamówionych nie zwracamy. Zastrzegamy sobie prawo do skracania i adjustacji nades³anych artyku³ów. Opisy uk³adów i urz¹dzeñ elektronicznych oraz ich usprawnieñ zamieszczone w „Praktycznym Elektroniku” mog¹ byæ wykorzystywane wy³¹cznie do potrzeb w³asnych. Wykorzystanie ich do innych celów, zw³aszcza do dzia³alnoœci zarobkowej wymaga zgody redakcji „Praktycznego Elektronika”. Przedruk lub powielanie fragmentów lub ca³oœci publikacji zamieszczonych w „Praktycznym Elektroniku” jest dozwolony wy³¹cznie po uzyskaniu zgody redakcji. Redakcja nie ponosi ¿adnej odpowiedzialnoœci za treœæ reklam i og³oszeñ.

4

10/98

Rotuj¹cy zegar

swoj¹ funkcjê. Wykonanie tego uk³adu przysporzy jego u¿ytkownikom z pewnoœci¹ wiele satysfakcji i radoœci. W artykule po³o¿ono szczególny nacisk na opis konstrukcji mechanicznej zegara, która w znacznym stopniu decyduje o efekcie koñcowym.

Zegar, który tu prezentujemy, jest z pozoru ca³kiem przeciêtny, gdy¿ potrafi tylko wskazywaæ bie¿¹cy czas. Ale po co mu silnik, bez którego przesta³by dzia³aæ? OdpowiedŸ na to pytanie znajdziecie po przeczytaniu tego artyku³u lub dopiero po wykonaniu tego niezwyk³ego urz¹dzenia.

Konstrukcja i dzia³anie

Z pewnoœci¹ ma³o kto uœwiadamia sobie, ¿e zjawisko stroboskopowe, bazuj¹ce na niedoskona³oœci naszego wzroku, jest jednym z bardziej rozpowszechnionych w œwiecie. Bez niego nie by³oby kina, telewizji a z komputerami komunikowalibyœmy siê nadal za poœrednictwem taœm perforowanych. Na szczêœcie efekt stroboskopowy ma siê dobrze i nic nie zagra¿a jego pozycji. To doœæ nietypowe urz¹dzenie wykorzystuje znane od dawna zjawisko stroboskopowe do wyœwietlania czasu w postaci analogowej. Uk³ad jest prosty - tarcza, która zdaje siê zawieraæ dziesi¹tki promieniœcie roz³o¿onych diod œwiec¹cych, po zatrzymaniu prezentuje siê doœæ skromnie - tylko 8 LED-ów, jeden uk³ad scalony i kilka innych elementów. Efekt wizualny jaki mo¿na uzyskaæ za pomoc¹ tych kilku elementów wprawi z pewnoœci¹ niejednego w zdumienie. Poza nietypow¹ konstrukcj¹ mechaniczn¹, zegar spe³nia swoje podstawowe

zadanie u¿ytkowe - wskazuje czas. Urz¹dzenie mo¿na powiesiæ na œcianie lub postawiæ na stole - w ka¿dej pozycji bêdzie spe³nia³o, z subtelnym poszumem silnika,

CZEήNIERUCHOMA

R2 51k

4

R3 1k

6

C1 470n

8

R DIS

4

10k

33p

Vcc

NE THR 555

Q

2

Z3

GND

6

5

1

7

C2 10n

Z1

–

+ ~

3

LM 317

– P1.1 RESET

11

P3.0

P3.3/INT1

P1 470W

P1.6

P3.5 P3.7

+S R10 240W C4 47 mF /16V

P1.5

P3.4/TO

R5 *

2

C3 R11 220 mF 820W /16V

P1.4

P3.2/INTO

+5V

1

P1.3

P3.1

P1.7 10

T

~ 7V

8 9

US2

~

3

2 TRIG CVolt

Z2 PR1 GB006

1

+ P1.0

XTAL2

P1.2

X

3

XTAL1

C9

R4

T

7

D1 1N4001

PO£¥CZENIE PRZEZ SZCZOTKI

US1

5

C7 10 mF

C5 47n

C10 220 mF /16V

20

C8 33p

W£2 GODZ. R1 100k

CZESC RUCHOMA

Q1 12MHz

+5V W£1 MIN.

Schemat rotuj¹cego zegara przedstawiono na rysunku 1. Jak widaæ sk³ada siê on z dwóch czêœci. Pierwsza, umieszczona na osi silnika, ma za zadanie odmierzanie i wyœwietlanie czasu w postaci tarczy zegara analogowego. Druga spe³nia funkcjê zasilacza oraz steruje ustawianiem zegara. Aby lepiej zrozumieæ zasadê dzia³ania tego urz¹dzenia przyjrzyjmy siê jak zosta³o skonstruowane. Do obracaj¹cej siê p³ytki doprowadzone zosta³y dwa przewody zasilaj¹ce. Jeden poprzez oœ silnika, a drugi poprzez szczotki umieszczone po stronie druku. Poniewa¿ na obracaj¹cej siê kilkadziesi¹t razy na sekundê tarczy nie mo¿na umieœciæ przycisków umo¿liwiaj¹cych ustawianie czasu bie¿¹cego, konieczne by³o przeniesienie ich poza p³ytkê g³ówn¹. Z drugiej strony ograniczenie liczby przewodów ³¹cz¹cych czêœæ rotuj¹c¹ ze stojanem upraszcza³oby w zdecydowany sposób konstrukcjê. Maj¹c przede wszystkim na wzglê-

470W

V1 CNY17

TRANSOPTOR SZCZELINOWY

Rys. 1 Schemat ideowy zegara

12

C11 100n

D2

D3

D4

D5

D6

D7

39W

13 14

R8 39W

17 18

R7 39W

15 16

R6

D8

19

US3 AT89C2051 ,, ,,TARCZA

D9

R9 39W

5

10/98 dzie d¹¿enie do uproszczenia konstrukcji mechanicznej zegara, zdecydowano siê na po³¹czenie funkcji przewodów zasilaj¹cych z ustawiaj¹cymi. Do tego celu wykorzystany zosta³ popularny uk³ad czasowy NE 555. Spe³nia on dwa zadania – du¿y pr¹d wyjœciowy pozwala na zasilanie czêœci rotuj¹cej bezpoœrednio z jego wyjœcia. Wciœniêcie jednego z klawiszy powoduje generowanie krótkich szpilek na napiêciu zasilaj¹cym, które mog¹ nastêpnie byæ zdekodowane przez mikrokontroler. Czêstotliwoœæ powtarzania impulsów musi byæ na tyle ma³a, ¿eby nie wp³ywa³a na wahania napiêcia zasilaj¹cego. Ka¿demu z klawiszy zosta³a przypisana inna czêstotliwoœæ powtarzania impulsów. Dla klawisza W£1 (ustawianie minut) jest ona równa 30 Hz,a dla W£2 (ustawianie godzin) wynosi oko³o 60 Hz. Zadaniem mikrokontrolera jest poprawne zdekodowanie tych sygna³ów tak, aby zak³ócenia np. iskrzenie styków nie wywo³a³o b³êdu w procesie ustawiania. Klawisze W£1 i W£2 zosta³y tak po³¹czone z uk³adem NE 555, ¿e w przypadku gdy ¿aden z nich nie jest wciœniêty generator nie pracuje - na wyjœciu uk³adu panuje stan wysoki. Umieszczony na p³ytce tarczy mikroa) +5V

470W

PRZES£ONA

P3.2

TRANSOPTOR SZCZELINOWY b) P3.2

kontroler jest odpowiedzialny za odmierzanie oraz wyœwietlanie czasu. Do wyœwietlania bie¿¹cego czasu s³u¿y osiem diod œwiec¹cych D2÷D9 tworz¹cych linijkê diodow¹. Sterowane s¹ one bezpoœrednio z wyjœæ uk³adu AT89C2051, po³¹czenie wyprowadzeñ P1.0÷P1.7 w pary pozwoli³o na zwiêkszenie wartoœci pr¹du p³yn¹cego przez diody œwiec¹ce D2÷D9 do 40 mA. Dodatkow¹ funkcj¹ mikrokontrolera jest dekodowanie sygna³ów ustawiania godzin oraz minut. Do tego celu wykorzystano wejœcie przerwañ - wyprowadzenie nr 7 US3. Dioda D1 separuje kondensator C10 filtruj¹cy zak³ócenia oraz sygna³ z generatora NE 555 na zasilaniu uk³adu US3. Do poprawnego wyœwietlania bie¿¹cego czasu konieczny jest uk³ad synchronizacji. Za jego poœrednictwem mikrokontroler mo¿e ustaliæ w jakiej fazie obrotu (w jakim po³o¿eniu) aktualnie znajduje siê linijka diodowa. Przy ka¿dym pe³nym obrocie tarczy synchronizacja generuje krótki impuls, wywo³uj¹cy przerwanie w programie zegara. Mo¿liwe s¹ trzy warianty wykonania uk³adu synchronizacji, które ilustrujemy na rysunku 2. Sposób ich wykonania opisujemy szczegó³owo w czêœci artyku³u poœwiêconej monta¿owi zegara. Za wprawianie tarczy w ruch obrotowy odpowiedzialny jest silnik pr¹du sta³ego typu PRM-33-1,5 lub PRM-33-1,9. Silniki tego typu by³y powszechnie stosowane w magnetofonach kasetowych rodzimej produkcji (Kasprzak, Diora, itp.), dlatego z ich zdobyciem nie powinno byæ ¿adnych problemów. Najpewniejszym Ÿród³em silników tego typu bêd¹ wiêc stare magnetofony. P³ytka zegara jest umieszczona bezpoœrednio na osi silnika, bêd¹cej jednoczeœnie przewodem zasilaj¹cym. Na kor-

180W +5V

FILTR IR

LED IR

c) +5V

Program Program zapisany w pamiêci mikro-

Tabela 1 Warianty tarczy

Ustawienie zwor Z1 Z2 Rozwarta Rozwarta Zwarta Rozwarta Rozwarta Zwarta Zwarta Zwarta

FOTOTRANZYSTOR

pusie silnika zosta³y umieszczone szczotki odpowiedzialne za doprowadzenie drugiego bieguna zasilania do obracaj¹cej siê p³ytki. W bloku silnika znajduje siê równie¿ uk³ad stabilizacji obrotów pozwalaj¹cy na p³ynn¹ regulacjê prêdkoœci wirowania tarczy. Mo¿liwe jest równie¿ wykorzystanie silnika innego ni¿ wymieniony powy¿ej. Na przyk³ad zastosowanie silnika pr¹du zmiennego (napiêcie 220 V) stosowanego niegdyœ w gramofonach analogowych jest równie¿ dopuszczalne. W takim przypadku poprzez oœ silnika nie mo¿na doprowadzaæ do p³ytki zegara potencja³u masy. Nale¿y przemyœleæ inny sposób monta¿u szczotek - tak by mo¿liwe by³o za ich poœrednictwem po³¹czenie dwóch przewodów zasilaj¹cych ze stabilizatora do tarczy. Do zasilania silnika oraz wszystkich uk³adów zegara wykorzystany zosta³ popularny, regulowany stabilizator napiêcia typu LM 317. Wybrano ten uk³ad, gdy¿ napiêcie zasilaj¹ce musi mieæ odpowiedni¹, definiowan¹ wartoœæ. Regulacja napiêcia w tym uk³adzie jest konieczna w celu kompensacji spadku napiêcia na obwodach wyjœciowych uk³adu NE 555, przewodach zasilaj¹cych (szczotki, oœ silnika, ³o¿yska) oraz diodzie D1. Napiêcie na wyjœciu stabilizatora US2 powinno mieæ tak¹ wartoœæ, ¿eby pomiêdzy nó¿kami nr 10 i 20 uk³adu US3 (zasilanie mikrokontrolera) panowa³o napiêcie +5 V. Do jego ustawiania s³u¿y potencjometr P1. Wybrane wartoœci rezystorów R10, R11 i P1 pozwalaj¹ na regulacjê napiêcia wyjœciowego stabilizatora w zakresie od +5,5 V do +8 V.

Uk³ad tarczy Podzia³ka Wskazówki Od zewn¹trz Od œrodka Brak Od œrodka Od œrodka Od Zewn¹trz Brak Od zewn¹trz

Ilustracja Fot. Fot. Fot. Fot.

P3.2 N

S

MAGNES CZEŒÆ ROTUJ¥CA

CZEή NIERUCHOMA

Rys. 2 Warianty uk³adu synchronizacji obrotów tarczy

Fot. 1

Fot. 2

Fot. 3

Fot. 4

1 2 3 4

6

10/98

kontrolera US3 jest odpowiedzialny za odmierzanie oraz wyœwietlanie czasu. W programie zegara przewidziano cztery warianty tarcz. W zale¿noœci od upodobañ, u¿ytkownik ma mo¿liwoœæ wyboru jednego z czterech uk³adów wskazówek i podzia³ki zegara. Wybór mo¿liwy jest tylko przy nie obracaj¹cej siê tarczy (wy³¹czone zasilanie) za poœrednictwem zwor Z1 i Z2, umieszczonych od strony druku (zwieranie b¹dŸ rozwieranie odbywa siê poprzez naniesienie lub usuniêcie cyny z pól lutowniczych) . W tabeli 1 opisano ka¿de z czterech mo¿liwoœci ustawieñ. W celu bardziej obrazowego przedstawienia ka¿dego z tych wariantów, na fotografiach 1÷4 zosta³y zamieszczone zdjêcia ka¿dego z nich. Po uruchomieniu zegara mo¿e nas spotkaæ niespodzianka, gdy zegar zacznie chodziæ w drug¹ stronê. W istocie to, w któr¹ stronê bêd¹ przeskakiwa³y wskazówki, zale¿y od kierunku obrotów silnika. W sprzeda¿y dostêpne mog¹ byæ lewoskrêtne b¹dŸ prawoskrêtne typy silników. Aby umo¿liwiæ stosowanie obydwu typów, w programie zawarto opcjê wyboru typu silnika. U¿ytkownik, za poœrednictwem zwory Z3 (zwieranej kropelk¹ cyny) mo¿e poinformowaæ mikrokontroler, ¿e posiada silnik obracaj¹cy siê w prawo lub w lewo. W tabeli 2 opisany zosta³ sposób definiowania typu silnika ustawieniem zwory Z3. Ustawienie zwory Z3 Rozwarta Zwarta

Typ silnika Lewoskrêtny Prawoskrêtny

Do ustawiania godzin i minut s³u¿¹ klawisze W£1 i W£2 umieszczone na p³ytce zasilacza. Po w³¹czeniu zasilania zegar wskazuje na analogowej tarczy godzinê 12:00:00. Ustawianie bie¿¹cego czasu nale¿y przeprowadziæ po uruchomieniu zegara przy prawid³owej synchronizacji. Przyciœniêcie klawisza W£1 spowoduje zwiêkszenie nastawy minut to znaczy wskazówka minut bêdzie przesuwaæ siê w prawo. Natomiast przyciœniêcie klawisza W£2 spowoduje zwiêkszanie nastawy godzin. Przytrzymanie klawisza przez czas d³u¿szy od 1 s spowoduje automatyczne powtarzanie akcji zwi¹zanej z klawiszem. Ka¿dorazowe przyciœniêcie któregokolwiek z klawiszy spowoduje ustawienie wskazówki sekund w po³o¿eniu zerowym („na godzinê dwunast¹”). Dok³adnoœæ

czêstotliwoœci generowanej przez zastosowany w uk³adzie rezonator kwarcowy, determinuje wypadkow¹ dok³adnoœæ zegara.

Monta¿ i uruchomienie Od starannoœci monta¿u oraz wykonania czêœci mechanicznej w zdecydowanym stopniu zale¿y efekt koñcowy, dlatego tej czêœci opisu nale¿y poœwiêciæ najwiêcej uwagi. Pierwszym wa¿nym problemem konstrukcyjnym jest doprowadzenie zasilania do uk³adów elektronicznych zegara. Jak ju¿ wczeœniej napisano tarcza ³¹czy siê z czêœci¹ nieruchom¹ dwoma przewodami. Poniewa¿ p³ytka tarczy z mikrokontrolerem znajduje siê w ci¹g³ym ruchu, doprowadzenie tych dwóch sygna³ów jest ³atwe. Je¿eli u¿yjemy popularnych silników ma³ej mocy, których oœ umieszczona jest w ³o¿yskach tocznych, do prowadzenia przewodu masy mo¿na wykorzystaæ oœ silnika. Przewód masy doprowadzamy wówczas do obudowy silnika, a od strony p³ytki lutujemy bezpoœrednio do oœki lub za poœrednictwem zaciskanej tulejki. Doprowadzenie przewodu zasilaj¹cego (potencja³ dodatni) do p³ytki wymaga monta¿u szczotek. W tym celu na p³ytce zegara umieszczono pole pozwalaj¹ce na bezpoœrednie po³¹czenie ze szczotkami umiejscowionymi na bloku silnika. Sposób monta¿u szczotek ilustruje rysunek 3. Szczotki mo¿na uzyskaæ z demonta¿u dowolnego silnika pr¹du sta³ego ma³ej mocy. W silniku PRM-33-XX, szczotki umieszczane s¹ na plastikowej wlewce po wewnêtrznej stronie tylnej œcianki silnika. Taki blok dwóch szczotek mo¿na po zde-

OΠSILNIKA

SZCZOTKI

+

montowaniu umieœciæ bezpoœrednio na korpusie silnika. Jako materia³ na szczotki mo¿na równie¿ wykorzystaæ styki przekaŸnika, lecz bêd¹ one mia³y mniejsz¹ odpornoœæ na œcieranie przez co zu¿yj¹ siê szybciej. Przy monta¿u szczotek nale¿y pamiêtaæ o ich w³aœciwym skierowaniu (przesuwaj¹c siê zgodnie z kierunkiem obrotu silnika - punkt mocowania musi znajdowaæ siê przed miejscem styku szczotki z polem kontaktowym). Nieodpowiedni monta¿ styków spowoduje ich uszkodzenie lub szybsze zu¿ycie siê. Podczas monta¿u styków kontaktowych wskazana jest du¿a starannoœæ (z pewnoœci¹ siê op³aci - uk³ad bêdzie dzia³a³ ciszej, pewniej i d³u¿ej). Na fotografii 5 bia³¹ strza³k¹ zaznaczono miejsce monta¿u szczotek. Drug¹ nie mniej wa¿n¹ czynnoœci¹ jest wykonanie uk³adu synchronizacji. Aby tarcza zegara wskazywa³a poprawnie czas, nale¿y zadbaæ o staranne wykonanie detektora po³o¿enia. Mo¿liwe s¹ trzy warianty uk³adu synchronizacji, które przedstawione zosta³y na rysunku 2. Najlepszym i jednoczeœnie najprostszym do wykonania jest uk³ad z rysunku 2c. Jedyn¹ trudnoœci¹ mo¿e byæ zdobycie hallotronu. Najpewniejszym Ÿród³em tego typu elementów s¹ stare napêdy dysków elastycznych. Hallotrony umieszcza siê w nich w celu synchronizacji obrotów silnika liniowego (tego, który „obraca” dyskietkê). Czujniki Halla wykonywane s¹ najczêœciej w obudowie z tworzywa sztucznego, takiej jak tranzystory ma³ej mocy i maj¹ trzy lub cztery wyprowadzenia. Naj³atwiej zidentyfikowaæ je po tym, ¿e znajduj¹ siê w pobli¿u magnesu na tarczy silnika (skierowane p³askim bokiem

PO£¥CZENIE OSI Z MASA

P£YTKA ZEGARA

WIDOK JEDNEJ SZCZOTKI

-

SILNIK WIDOK OD GÓRY

SILNIK WIDOK Z BOKU

Rys. 3. Sposób monta¿u szczotek na silniku

7

10/98 w stronê jednego z biegunów magnesu). Hallotron nieznanego typu nale¿y przed zamontowaniem sprawdziæ w uk³adzie próbnym. Trzeba pamiêtaæ równie¿ o tym, ¿e polaryzacja magnesu, który bêdzie sprzê¿ony z czujnikiem Halla, nie jest obojêtna – nale¿y j¹ wczeœniej ustaliæ eksperymentalnie. Odpowiednio spolaryzowany magnes umieszczamy na wsporniku, tak by podczas obrotów tarczy znajdowa³ siê bezpoœrednio pod hallotronem. Uk³adu synchronizacji na transoptorze szczelinowym przedstawiony na rysunku 2a wymaga przes³ony. Przes³ona musi byæ umieszczona na podstawie (stojanie) i przy ka¿dym obrocie powinna trafiaæ dok³adnie w szczelinê transoptora. Du¿y czas reakcji fototranzystora mo¿e byæ przyczyn¹ nieprawid³owego dzia³ania tego wariantu uk³adu synchronizacji. Dlatego nale¿y doœwiadczalnie dobraæ d³ugoœæ przes³ony oraz jej lokalizacjê, tak ¿eby impulsy synchronizuj¹ce pojawia³y siê na nó¿ce nr 6 US3 przy ka¿dym obrocie tarczy zegara (przy normalnej prêdkoœci wirowania). W zale¿noœci od typu (lub nawet egzemplarza) transoptora, mo¿e okazaæ siê konieczne takie dobranie wartoœci rezystora R5, ¿eby fototranzystor znajdowa³ siê w stanie przewodzenia, jednak bliskim zatkaniu. Ostatnim z proponowanych wariantów jest zastosowanie fototranzystora sprzê¿onego z diod¹ œwiec¹c¹ umieszczon¹ w czêœci nieruchomej zegara. Przy takim rozwi¹zaniu, które ilustruje rysunek 2b, nale¿y zadbaæ o precyzyjne umieszczenie diody w stosunku do fototranzystora. Przez diodê powinien przep³ywaæ pr¹d o du¿ej wartoœci, ¿eby spowodowa³ otwarcie fototranzystora w chwili, gdy znajdzie siê on bezpoœrednio pod diod¹ nadawcz¹. Mo¿na równie¿ zastosowaæ kilka umieszczonych blisko siebie diod. Fototranzystor powinien mieæ ekran promieniowania podczerwonego, który naj³atwiej wykonaæ z cienkiego czerwonego pleksiglasu. Po wykonaniu monta¿u wszystkich elementów (pod uk³ad US3 nale¿y obowi¹zkowo zastosowaæ podstawkê !!!), szczotek oraz uk³adu synchronizacji pozostanie nam ju¿ tylko wykonanie kilku czynnoœci, aby zegar by³ gotowy do dzia³ania. Bezpoœrednio przed umieszczeniem p³ytki zegara na osi silnika, nale¿y sprawdziæ, czy œrodek ciê¿koœci p³ytki wypada na osi obrotu. W tym celu umieszczamy p³ytkê w pozycji pionowej, a przez otwór przeznaczony na oœ silnika przek³adamy

Fot. 5

szpikulec (mo¿e to byæ równie¿ cienki œrubokrêt, d³uga ig³a, ma³e wiert³o itp.) w taki sposób, aby p³ytka mog³a siê swobodnie na min obracaæ (w p³aszczyŸnie pionowej). Nastêpnie trzymaj¹c szpikulec w jednej rêce, wprawiamy p³ytkê drug¹ rêk¹ w ruch obrotowy. Teraz bacznie obserwujemy jej zachowanie w chwili zatrzymania. Próbê kilkakrotnie powtarzamy. Je¿eli po wykonaniu kilku prób p³ytka bêdzie zatrzymywaæ siê za ka¿dym razem w tej samej pozycji np. czêœci¹ z diodami œwiec¹cymi do góry, bêdzie to oznak¹ braku wywa¿enia. W tej sytuacji konieczne bêdzie dowa¿enie l¿ejszej czêœci p³ytki, tak aby pozostawa³a w równowadze z ciê¿sz¹. W tym celu na p³ytce umieszczone zosta³y dwa prostok¹tne pola lutownicze po stronie z diodami œwiec¹cymi. Przeciwwagê mo¿e stanowiæ np. nalutowana na te pola cyna. Poprawnie wywa¿ona p³ytka powinna zatrzymywaæ siê w przypadkowej, nie powtarzaj¹cej siê pozycji. Po wywa¿eniu mo¿emy ju¿ umieœciæ p³ytkê zegara na osi silnika. W celu usztywnienia tego po³¹czenia wskazane jest u¿ycie tulejki zaciskowej oraz kleju. Otwór w p³ytce drukowanej przez, który bêdzie przechodziæ oœ silnika powinien mieæ œrednicê identyczn¹ ze œrednic¹ osi. Sposób monta¿u p³ytki na osi silnika ilustruje fotografia 5. Silnik mo¿na zamontowaæ na podstawce, któr¹ mo¿e byæ na przyk³ad kawa³ek sklejki lub deseczki. Pomiêdzy silnik a podstawê dobrze jest pod³o¿yæ sprê¿ysty materia³ na przyk³ad cienk¹ warstwê gumy lub g¹bki. Po zakoñczeniu monta¿u czêœci mechanicznej urz¹dzenia, mo¿emy przejœæ do jego uruchamiania. W pierwszej kolejnoœci ustawiamy napiêcie zasilaj¹ce mikrokontroler. W tym celu od³¹czamy zasilanie silnika i wyjmujemy mikrokontroler.

Teraz w³¹czamy zasilanie i sprawdzamy napiêcie pomiêdzy wyprowadzeniami 10 i 20 US3. W przypadku braku jakiegokolwiek napiêcia musimy sprawdziæ poprawnoœæ monta¿u szczotek oraz kontakt masy na osi silnika. Nastêpnie potencjometrem P1 ustawiamy wartoœæ napiêcia zasilaj¹cego mikrokontroler na 5 V (nó¿ki nr 10 i 20 US3). Zakres regulacji jest doœæ du¿y - pamiêtajmy, ¿e maksymalne napiêcie zasilania uk³adu AT89C2051 wynosi 6V. Wartoœci tej nie wolno przekraczaæ! Po poprawnym ustawieni napiêcia mo¿emy w³o¿yæ uk³ad US3 w podstawkê i do³¹czyæ zasilanie silnika. Po wykonaniu wy¿ej opisanych czynnoœci nadszed³ w koñcu d³ugo oczekiwany moment ostatecznego uruchomienia zegara. W³¹czamy zasilanie i obserwujemy zachowanie siê urz¹dzenia. Je¿eli na obracaj¹cej siê tarczy diody œwiec¹ce pozostaj¹ wygaszone, mo¿e to oznaczaæ, brak poprawnej inicjalizacji uk³adu. Wskazane jest wówczas zastosowanie zasilacza o wiêkszej wydajnoœci pr¹dowej. Je¿eli natomiast diody œwiec¹ siê, lecz wyœwietlane znaki zdaj¹ siê wirowaæ jest to oznak¹ braku synchronizacji tarczy. W zale¿noœci od typu zastosowanej synchronizacji musimy podj¹æ odpowiednie œrodki zaradcze (pomocne w tym mo¿e byæ zamieszczony wy¿ej opis wykonania uk³adu synchronizacji). Uwaga! Po w³¹czeniu zasilania zegar przeprowadza autokalibracjê wewnêtrznych rejestrów steruj¹cych. Objawia siê to p³ynnym „rozkrêcaniem” podzia³ek i wskazówek na tarczy. Nie nale¿y tego traktowaæ jako objaw b³êdu w programie. Autokalibracja przeprowadzana jest po ka¿dorazowym w³¹czeniu zasilania zegara. Silnik wraz z p³ytk¹ stabilizatora mo¿na zmontowaæ na kawa³ku sklejki. W czasie pracy zegara mog¹ wystêpowaæ wi-

8

10/98 Wykaz elementów

Pó³przewodniki 01C

C

US1 US2 US3

1V

E

K

A

9C

8C 1D

5R

11C 4R

D1 D2÷D9

7C 1Q

V1

1Z 2Z

TARCZA Z3

3Z

PR1

3SU

Rezystory

7R 6R A 2D A 3D

ARTKELE 430

034 ELEKTRA

T

A 4D

EINE¯¥ICBO

A 7D

8R

EINE¯¥ICBO

A 6D

9R

A 8D A 9D

2£W

1£W

– 51 kV/0,125 W – 100 kV/0,125 W – 470 V TVP 1232

C8, C9 C2 C5 C11 C1 C7 C4 C3, C10

– – – – – – – –

33 pF/50 V ceramiczny 10 nF/100 V MKSE 47 nF/100 V ceramiczny 100 nF/100 V ceramiczny 470 nF/63 V MKSE 10 mF/16 V 04/U 47 mF/16 V 04/U 220 mF/16 V 04/U

1R

2R

Q1

YTUNIM

1C 1SU

S+ 3R

EN 555

T X

5C

1R~P 1P

4C

– rezonator kwarcowy 12 MHz W£1, W£2 – mikro³¹czniki silnik – PRM-33-1,5, PRM-33-1,9 lub podobny z modu³em stabilizatora obrotów p³ytka drukowana numer 430

+

~

3C 01R

11R

~

2SU

Rys. 4 P³ytka drukowana i rozmieszczenie elementów

bracje, dlatego konstrukcjê najlepiej jest umieœciæ na gumowych podk³adkach lub nó¿kach. Prêdkoœæ wirowania silnika mo¿na regulowaæ potencjometrem umieszczonym w bloku stabilizacji obrotów – nie powinna byæ zbyt du¿a ze wzglêdu na wiêksze prawdopodobieñstwo powstania

R2 R1 P1

Inne

YNIZDOG

-

R11 R3 R4

– 39 V/0,25 W – 240 V/0,125 W – 470 V/0,125 W – patrz opis w tekœcie – 820 V/0,125 W – 1 kV/0,125 W – 10 kV/0,125 W

R6÷R9 R10 R5

Kondensatory

A 5D

2C T

– NE 555 – LM 317T – AT89C2051 z programem „TARCZA” 1N4001 – diody œwiec¹ce o podwy¿szonej jasnoœc – transoptor szczelinowy patrz opis w tekœcie – mostek prostowniczy GB006

wibracji i szybsze zu¿ywanie siê styków. Dla lepszego efektu wizualnego, ca³¹ p³ytkê tarczy (za wyj¹tkiem diod œwiec¹cych) mo¿na pomalowaæ na czarno. Na zakoñczenie ma³a uwaga praktyczna. W sytuacji gdy zegar nie musi pracowaæ przez ca³y czas, aby zmniejszyæ

proces zu¿ywania siê szczotek kontaktowych, mo¿na zastosowaæ wy³¹cznik zasilania silnika. Po wy³¹czeniu silnika uk³ad bêdzie nadal odmierza³ czas, którego odczytanie bêdzie mo¿liwe dopiero po „rozkrêceniu tarczy”. Cena: p³ytka numer 430 - 4,21 z³ AT89C2051 TARCZA - 35,00 z³ + koszty wysy³ki. Podzespo³y elektroniczne mo¿na zamawiaæ w firmie LARO - patrz IV strona ok³adki.

à mgr in¿. Tomasz Kwiatkowski

9

10/98

K¹cik pocz¹tkuj¹cego elektronika - zmagañ z diodami ci¹g dalszy dowie umieszczone s¹ dwie diody równoczeœnie; œwiec¹ce jedna na zielono, a druga na czerwono. Stwarza to mo¿liwoœæ otrzymania trzech kolorów œwiecenia, zielonego, czerwonego, i pomarañczowego gdy œwiec¹ obie diody równoczeœnie. W handlu mo¿na te¿ spotkaæ diody wielkogabarytowe przeznaczone do podœwietlania napisów lub budowania wielkowymiarowych wyœwietlaczy segmentowych. Diody takie z regu³y sk³adaj¹ siê z kilku lub kilkunastu pojedynczych diod po³¹czonych wewn¹trz obudowy. Obudowy s¹ najczêœciej barwione na kolor w którym œwieci dioda. Mo¿na spotkaæ diody w których czêœæ dolna wykonana jest z barwionego plastiku przezroczystego, a górna (sama koñcówka) wykonana jest z plastiku mlecznego (mêtnego). Dolna czêœæ obudowy to œwiat³owód, a górna to warstwa dyspersyjna rozpraszaj¹ca œwiat³o. Diody o du¿ej jasnoœci œwiecenia - super i hiper jasne maj¹ najczêœciej obudowê bezbarwn¹. Wszystkie LED-y œwiec¹ po przy³o¿eniu napiêcia w kierunku przewodzenia. Poniewa¿ wytrzyma³oœæ napiêciowa diod LED w kierunku zaporowym jest niewielka i z regu³y nie przekracza 6÷10 V, bardzo istotne jest

A K

A K

A K

A1 K A2

JASNOŒÆ ŒWIECENIA WARTOŒÆ RELATYWNA I F =10mA

TABLICZKA Z NAPISEM

Rys. 1 Wygl¹d typowych obudów diod LED

prawid³owe rozpoznanie elektrod. Ogóln¹ zasad¹ jest, ¿e w diodzie LED d³u¿sze wyprowadzenie jest anod¹ (warto o tym pamiêtaæ). W diodach okr¹g³ych dodatkowo katoda oznaczana jest przez p³askie œciêcie obudowy. Jeszcze innym sposobem rozpoznania elektrod jest przyjrzenie siê wewnêtrznej budowie diody, oczywiœcie je¿eli jest to mo¿liwe. Katod¹ jest nó¿ka doprowadzona do wiêkszej elektrody w kszta³cie „miseczki”, obok której znajduje siê druga, znacznie cieñsza nó¿ka - anoda (rys. 2). Diody dwukolorowe posiadaj¹ jedn¹ wspólnie wyprowadzon¹ elektrodê jest to z regu³y katoda, umieszczona po œrodku, po jej obu stronach znajduj¹ siê anody. Identyfikacjê anod mo¿na przeprowadziæ eksperymentalnie, lub w oparciu o dane katalogowe.

CZERWONA GaAsP

I F mA

I F mA

4,0

3,0

2,0

1,0

0 0

20

40

60

80

100

¯Ó£TA GaAsP/GaP 4,0

3,0

2,0

1,0

0 0

10

20

30

40

KATODA

Rys. 2 Identyfikacja elektrod diody LED na podstawie jej wewnêtrznej budowy

JASNOŒÆ ŒWIECENIA WARTOŒÆ RELATYWNA I F =10mA

ŒWIAT£OWÓD

JASNOŒÆ ŒWIECENIA WARTOŒÆ RELATYWNA I F =20mA

WARSTWA DYSPERSYJNA

ANODA

JASNOŒÆ ŒWIECENIA I F =10mA WARTOŒÆ RELATYWNA

W uk³adach elektronicznych bardzo czêsto mo¿na spotkaæ diody œwiec¹ce, fachowo nazywane diodami elektroluminescencyjnymi lub w skrócie diodami LED (ang. Light Emitting Diode - dioda emituj¹ca œwiat³o). Diody te stosowane s¹ w uk³adach optycznej sygnalizacji w miejsce króluj¹cych niegdyœ miniaturowych ¿aróweczek. Diody LED posiadaj¹ z³¹cze p-n które emituje œwiat³o w wyniku rekombinacji noœników ³adunku. Do produkcji diod stosuje siê ró¿ne materia³y pó³przewodnikowe, których sk³ad ma wp³yw na barwê emitowanego œwiat³a. Najczêœciej spotykane kolory œwiecenia to czerwony, ¿ó³ty, zielony, pomarañczowy, czasami mo¿na te¿ spotkaæ diody œwiec¹ce w kolorze niebieskim, lecz s¹ one ma³o popularne ze wzglêdu na wysok¹ cenê. LED-y s¹ bardzo ¿ywotne, œredni czas ¿ycia diod wynosi ok. 100.000 godzin. LED-y produkowane s¹ w szerokiej gamie obudów plastikowych o ró¿nych kszta³tach (rys. 1). Najczêœciej spotykane s¹ diody o przekroju okr¹g³ym (œrednice 3 i 5 mm) i prostok¹tnym (2,5´5 mm). Ostatnio du¿¹ popularnoœci¹ ciesz¹ siê diody dwukolorowe, gdzie w jednej obu-

50

ZIELONA GaP 4,0

3,0

2,0

1,0

0 0

10

20

30

40

50

I F mA

POMARAÑCZOWA I Hi-EFF 4,0

3,0

2,0

1,0

0 0

10

20

30

Rys. 3 Jasnoœæ œwiecenia diody w funkcji pr¹du

40

50

I F mA

10

10/98

Jasnoœæ œwiecenia diod LED zale¿y od pr¹du p³yn¹cego przez z³¹cze. Zale¿noœæ ta jest w przybli¿eniu liniowa, dla pr¹dów z zakresu 0÷40 mA (rysunek 3). Nie ma wiêkszego sensu nadmierne zwiêkszanie pr¹du diody, gdy¿ dwukrotny wzrost jasnoœci œwiecenia jest prawie niezauwa¿alny. Przyczyn¹ tego jest logarytmiczna (silnie nieliniowa) charakterystyka czu³oœci oka ludzkiego. Zwiêkszanie pr¹du p³yn¹cego przez diodê prowadzi do spadku sprawnoœci zamiany energii elektrycznej na œwiat³o i obni¿a czas ¿ycia diody. Spadek napiêcia na przewodz¹cym z³¹czu diody LED zale¿y w du¿ej mierze od materia³u z którego wykonana jest dioda (por. rys. 4). Generalnie diody œwiec¹ce na czerwono s¹ wykonane z arsenku galu GaAsP i charakteryzuj¹ siê spadkiem napiêcia wynosz¹cym 1,7 V. Diody œwiec¹ce na pomarañczowo i diody czerwone o wysokiej jasnoœci (Super Red, Hi-EFF) wykazuj¹ spadek napiêcia 2,0 V. Diody zielone do których budowy zastosowano fosforek galu GaP wykazuj¹ spadek napiêcia 2,2 V. Nieco wy¿szy spadek napiêcia wystêpuje na diodach ¿ó³tych wykonanych z mieszanki arsenku galu i fosforku galu GaAsP/GaP. Wynosi on 2,3 V. W praktyce, gdy dioda LED stosowana jest jako sygnalizator œwietlny mo¿na przyj¹æ ogólne za³o¿enie, ¿e spadek napiêcia na z³¹czu wynosi 2,0 V przy pr¹dzie 20 mA. W uk³adach impulsowych,

I LED

R

R

~Uz

U zas

1N4148

U LED

R kW =

U zas V – U LED V

~ ~

I LED mA ~ ~

LED

Rys. 6 Zasilanie diody elektroluminescencyjnej napiêciem przemiennym

U zas V – 1,7÷2,0V 10÷20mA

Rys. 5 Schemat uk³adu zasilania diody

oraz tam gdzie dioda zasilana jest w uk³adzie z napiêciem mniejszym ni¿ 5 V powy¿sze uproszczenie nie obowi¹zuje. Diody LED zasila siê przez rezystor ograniczaj¹cy napiêcie. Obliczenie wartoœci tego rezystora dla zadanego napiêcia zasilania nie stanowi problemu. Schemat takiego uk³adu zamieszczono na rysunku 5. W niektórych uk³adach wymagane jest zasilanie diod napiêciem przemiennym. W takim przypadku niezbêdne jest zabezpieczenie diody przed odwrotn¹ polaryzacj¹, gdy¿ jak ju¿ wczeœniej wspomniano, wytrzyma³oœæ napiêciowa diod w kierunku zaporowym jest niewielka. Schemat takiego rozwi¹zania przedstawiono na rysunku 6. Równoleg³e po³¹czenie diody ma³osygna³owej spo-

laryzowanej przeciwnie do diody elektroluminescencyjnej zabezpiecza j¹ skutecznie przed przebiciem. Na zakoñczenie warto jeszcze podkreœliæ, ¿e ze wzglêdu na spadek napiêcia na z³¹czu wynosz¹cy 1,7÷2,3 V diod LED nie mo¿na sprawdzaæ przy pomocy omomierza w wiêkszoœci mierników uniwersalnych, zarówno analogowych jak i cyfrowych. W miernikach tych przy pomiarze rezystancji na zaciskach pomiarowych panuje napiêcie w granicach 1,5÷2,0 V, które jest zbyt ma³e do spolaryzowania z³¹cza. Najprostsz¹ metod¹ jest pod³¹czenie diody po³¹czonej szeregowo z rezystorem oko³o 510 V/0,125 W do bateryjki, lub zasilacza o napiêciu 3÷6 V. Przy jednym kierunku przewodzenia dioda powinna œwieciæ siê, a przy drugim nie. Niskie napiêcie zasilania gwarantuje, ¿e przy takim sprawdzaniu nie uszkodzimy diody. Konkurs

I F mA

CZERWONA GaAsP 50

50 40

30

30

20

20

10

10

U V 1,6

2,0

2,4

2,8

0 1,2

3,0

¯Ó£TA GaAsP/GaP

I F mA

50

30

30

20

20

10

10

U V 2,0

2,4

2,8

3,0

2,0

2,4

2,8

3,0

POMARAÑCZOWA I Hi-EFF

40

1,6

U V 1,6

50

40

0 1,2

Obliczyæ wartoœæ rezystora szeregowego dla diody œwiec¹cej w kolorze zielonym, aby pr¹d p³yn¹cy przez diodê wynosi³ 10 mA (patrz rys. 4 i 5). Uk³ad zasilany jest napiêciem 12 V.

ZIELONA GaP

40

0 1,2

I F mA

I F mA

0 1,2

U V 1,6

2,0

2,4

2,8

3,0

Rozwi¹zania prosimy wysy³aæ wy³¹cznie na kartach pocztowych w terminie do 20 paŸdziernika 98 z dopiskiem KONKURS 10/98, na adres redakcji podany na stronie 3. Rozwi¹zania nades³ane po tym terminie nie bêd¹ bra³y udzia³u w konkursie. Zwyciêzca w nagrodê otrzyma miernik uniwersalny. Prosimy nie przysy³aæ odpowiedzi konkursowych na kartach z zamówieniami. Nagrodê w konkursie z numeru 8/98 Praktycznego Elektronika wygra³ Marian Zawada ze Zrêcina. Ci¹g dalszy w nastêpnym numerze.

Rys. 4 Spadek napiêcia na diodach LED w funkcji pr¹du

11

10/98

Mikroprocesorowy regulator mocy Na ³amach Praktycznego Elektronika prezentowanych by³o ju¿ wiele opracowañ regulatorów mocy. Ten jednak inauguruje seriê artyku³ów poœwiêconych prostym opracowaniom z wykorzystaniem mikrokontrolerów PIC. Co miesi¹c bêdziemy prezentowaæ proste opracowania w oparciu o uk³ady z rodziny PIC12C50X.

elementów zewnêtrznych (Power-On Reset); – uk³ad nadzoruj¹cy pracê mikrokontrolera (Watchdog) z w³asnym generatorem; – tryb oszczêdzania energii (SLEEP), z którego mo¿na wyjœæ po zmianie stanu portu wejœciowego; – 8-bitowy tajmer z programowalnym dzielnikiem; – 5 linii we/wy oraz jedna wejœciowa. Zgromadzenie tylu funkcji w 8-nó¿kowym uk³adzie by³o mo¿liwe poprzez przypisanie poszczególnym wyprowa-

DETEKTOR PRZEJŒCIA PRZEZ ZERO ZASILANIE

Historia mikrokontrolerów PIC firmy Microchip nie jest zbyt d³uga ale bardzo ciekawa. Uk³ady tej rodziny zdoby³y wielk¹ popularnoœæ g³ównie za spraw¹ prostoty konstrukcji wynikaj¹cej z podobieñstw do architektury RISC (Reduced Instruction Set Computer - z ang. komputer o zredukowanej liczbie instrukcji) i wielu usprawnieñ sprzêtowych (du¿ej liczby urz¹dzeñ zewnêtrznych). Te wzglêdy sprawi³y, ¿e nie maj¹ sobie równych w prostych zastosowaniach, szczególnie w urz¹dzeniach z zasilaniem bateryjnym. Uk³ady PIC12C5XX to stosunkowo nowe mikrokontrolery, które przede wszystkim wyró¿niaj¹ siê zastosowaniem 8-nó¿kowej obudowy. S¹ to wiêc jedne z najmniejszych mikrokontrolerów. Pomimo tak niewielkiej obudowy, posiadaj¹ wiele usprawnieñ, z których wymieniæ nale¿y: – wydajn¹ architekturê podobn¹ do RISC - programista do dyspozycji ma tylko 33 rozkazy; – napiêcie zasilania od 2,5 do 5,5 V; – bardzo ma³y pobór pr¹du (<2 mA przy Uzas=5 V i FCLK=4 MHz); – du¿a wydajnoœæ pr¹dowa portów (±25 mA); – zewnêtrzny lub wewnêtrzny kalibrowany generator zegarowy; – wewnêtrzny RESET nie wymagaj¹cy

OBWÓD ZASILAJ¥CY

dzeniom kilku funkcji. Przeznaczenie ka¿dego z wielofunkcyjnych „pinów” ustalane jest w czasie programowania. Tak bogate wyposa¿enie tego ma³ego uk³adu pozwala na wykorzystanie go w wielu prostych aplikacjach. Jedn¹ z nich prezentujemy poni¿ej. Jest to uniwersalny regulator mocy, który mo¿e mieæ wiele zastosowañ. Przewidziana zosta³a mo¿liwoœæ zastosowania mikrokontrolera z tym samym programem w dwóch ró¿nych aplikacjach. Pierwsza umo¿liwia regulacjê mocy dostarczanej do obci¹¿enia zasilanego napiêciem sta³ym 12 V np. ¿arówki halogenowej, silnika pr¹du sta³ego (wentylator), itp. Druga pozwala na regulacjê mocy obci¹¿enia zasilanego z sieci pr¹du zmiennego 220 V. Uk³ad pozwala na zmianê wspó³czynnika wype³nienia w zakresie od 0% do 100% w 64 krokach. Schemat blokowy regulatora przedstawiono na rysunek 1. Regulator posiada programowo sterowany PWM (Pulse Width Modulator z ang. Modulator Szerokoœci Impulsów), który w sposób impulsowy kontroluje moc wydzielana w obci¹¿eniu. Zasada dzia³ania urz¹dzeñ tego typu opiera siê na zmianie wspó³czynnika wype³nienia sygna³u okresowego steruj¹cego element kluczuj¹cy. Urz¹dzenie posiada równie¿ obwód zasilania, element kluczuj¹cy oraz obwód synchronizacji generatora PWM. Na rysunku 2 przedstawione zosta³y trzy przyk³adowe stany regulatora przy pracy ze sta³ym napiêciem zasilaj¹cym. Dla wspó³czynnika wype³nienia równego 100%, do obci¹¿enia oddawana jest pe³na moc równa:

SYNCHRONIZACJA

GENERATOR

PWM MIKROKONTROLER

ELEMENT WYKONAWCZY

Rys.1. Schemat blokowy regulatora mocy

12

10/98

SYNCHRONIZACJA

PWM=100%

PWM=50%

PWM=10%

Przy wspó³czynniku wype³nienia równym 50% moc dostarczana do obci¹¿enia jest równa po³owie mocy maksymalnej:

Dziesiêcio procentowe wype³nienie przebiegu spowoduje wydzielenie tylko 0,1 mocy pe³nej. Jak widaæ energia dostarczana do obci¹¿enia jest wprost proporcjonalna do wspó³czynnika wype³nienia sygna³u steruj¹cego. Aby wiêc uzyskaæ liniow¹ regulacjê w 64 zakresach

ZERO

Rys. 2 Zmiana wspó³czynnika wype³nienia PWM w obwodzie pr¹du sta³ego

wystarczy ca³y obszar regulacji podzieliæ na 64 równe czêœci. Sytuacja komplikuje siê w przypadku obwodów pr¹du zmiennego, gdzie napiêcie zasilaj¹ce mo¿e przybieraæ dowolne kszta³ty. Rozwa¿ania ograniczymy tylko do napiêcia sinusoidalnego. Na rysunku 3 przedstawiono sytuacjê kluczowania elementu z identycznymi jak dla poprzedniego przypadku wspó³czynnikami wype³nienia: 100%, 50% i 10%. Przy pracy z napiêciem zmiennym jest wa¿ne uzyskanie synchronizacji, bez

której nie by³oby mo¿liwe poprawne kluczowanie triaka (element pe³ni¹cy najczêœciej funkcjê elementu wykonawczego). Synchronizacja generatora PWM musi nastêpowaæ w chwili tzw. przejœcia napiêcia przez zero czyli momentu zmiany polaryzacji (Uzas=0 V). Momenty te zaznaczone zosta³y na rysunku 3 strza³kami. Wróæmy jednak do naszej analizy zale¿noœci mocy od wspó³czynnika wype³nienia. Na rys. 3 ju¿ na pierwszy rzut oka widaæ, ¿e zale¿noœæ ta prawdopodobnie nie bêdzie liniowa. W przypadku 100% wype³nienia nie ma w¹tpliwoœci, ¿e do obci¹¿enia trafi 100% mocy. Wype³nienie 50% powoduje wydzielenie na obci¹¿eniu 50% mocy znamionowej. Natomiast przy 10-cio procentowym wype³nieniu moc jest du¿o mniejsza ni¿ w przypadku wczeœniej analizowanego obwodu pr¹du sta³ego (pole ograniczone wycinkiem sinusoidy). Aby w takim uk³adzie by³a mo¿liwa liniowa regulacja mocy, konieczne jest bardziej szczegó³owe przeanalizowanie zagadnienia. Moc przypadaj¹ca na ka¿dy z 64 przedzia³ów bêdzie jednakowa wówczas, gdy powierzchnia ka¿dego z przypadaj¹cych mu wycinków sinusoidy bêdzie identyczna. W zapisie matematycznym wygl¹da to nastêpuj¹co:

(SYNCHRONIZACJA) PWM=100%

PWM=50%

PWM=10%

Rys. 3 Zmiana wspó³czynnika wype³nienia PWM w obwodzie pr¹du zmiennego

Wyznaczenie tych przedzia³ów nie jest ³atwe, gdy¿ wymaga odwo³ania siê do rachunku ca³kowego. Jednak¿e uwzglêdnienie w programie tej zale¿noœci gwarantuje, ¿e regulacja mocy bêdzie odbywaæ siê proporcjonalnie równie¿ dla napiêæ zmiennych. Mikrokontroler mo¿e pracowaæ w dwóch aplikacjach bez koniecznoœci zmiany programu. Schemat ideowy regulatora uwidoczniono na rysunku 4. Ze wzglêdu na koniecznoœæ linearyzacji charakterystyki dla drugiego wariantu, mikrokontroler musi sam wykrywaæ, w której aplikacji siê znajduje. Jest to mo¿liwe dziêki po³¹czeniu wyprowadzenia nr 2 z wyprowadzeniem nr 5 w pierwszej wersji (rys. 4). Dziêki temu po³¹czeniu mo¿liwa jest równie¿ autosynchronizacja generatora PWM przy pracy ze sta³ym napiêciem zasilania (przy napiêciu przemiennym generator PWM synchronizuje siê za pomoc¹ detektora zera).

13

10/98 R1 1,5k

+5V START

D1 4V7 KBPC10-04 10A/400V

C1 100 mF

LICZNIK=0

US1 PIC12C508

¯ARÓWKA HALOGENOWA

~

D

~ 12V

–

1

PR1 +

2

~

R2

max 100W S

G

1k

3 4

8

Vss

Vdd GP5/OSC1/CLKIN GP4/OSC2

GP1

GP3/MCLR

GP2/T0CKI

ZERO?

6

TAK

5

URUCHOM LICZNIK

T1 BUZ11A

W£1

W£2

NIE

7

GP0

W£3

ZERO?

NIE

TAK

W£/WY£

R5 100k

C3 330n/400V

ZATRZYMAJ LICZNIK

D1, D2 - 1N4005 PWM=LICZNIK

D1

0,5W R6 100k/0,5W

D2

D4 4V7

C4 100 mF

D3 +5V KLAWISZ W£/WY£ WCIŒNIÊTY?

R7 5,1M

NIE

D5 R2 470W

R3 360W

Z1 R1 39W

Z2

C1 100n /400V

US1 MOC3023 6

R4 620W

TAK

US2 PIC12C508

1 1

C2 47n /400V

A1

A2

G

2

5

4

2

3

3

4

Vss

Vdd GP5/OSC1/CLKIN

GP0

GP4/OSC2 GP3/MCLR

GP1 GP2/T0CKI

8 7

ZWIÊKSZ PWM

TAK

PWM=0

KLAWISZ WCIŒNIÊTY?

NIE

6 5

V1 BT136/500V

KLAWISZ WCIŒNIÊTY? ZMNIEJSZ PWM

: - 1N4148 D1-D3

W£1

W£2

W£3

W£/WY£

Rys. 4 Schemat ideowy regulatora mocy: a) zasilanie napiêciem sta³ym 12 V, b) zasilanie napiêciem przemiennym 220 V

Opis konstrukcji W wariancie pierwszym uk³ad pozwala na regulacjê mocy odbiorników pr¹du sta³ego. Regulacja mocy odbywa siê poprzez zmianê sposobu kluczowania elementu wykonawczego (T1). Zmiana wspó³czynnika wype³nienia przebiegu spowoduje zmianê wartoœci energii dostarczanej do obci¹¿enia. Uk³ad pozwala na zmianê wspó³czynnika wype³nienia w zakresie od 0 do 100% w 64 krokach. Ma³y pobór pr¹du pozwala na zasilanie mikrokontrolera z prostego stabilizatora napiêcia na elementach R1, D1 i C1. Uk³ad zasilany jest napiêciem przemiennym 12 V, które prostowane jest w prostowniku PR1. Wariant drugi jest zasilany bezpoœrednio z sieci 220 V. Za zasilanie odpowiedzialne s¹ elementy R5, R6, C3, D1, D2,

D4 i C4. Detektor przejœcia przez zero zosta³ zrealizowany na elementach R7 i D3. Przejœcie napiêcia sieci z wartoœci dodatniej na ujemn¹ powoduje zg³oszenie przerwania w programie obs³ugi. Za sterowanie elementu wykonawczego odpowiedzialny jest optotriak US1. Elementy R1÷R3, C1, C2 t³umi¹ oscylacje powstaj¹ce przy sterowaniu obci¹¿eñ indukcyjnych.

Obs³uga Do obs³ugi regulatora przewidziane zosta³y trzy klawisze: „GÓRA”, „DÓ£” i „W£/WY£”. Dla obydwu wariantów wykonania, obs³uga jest identyczna. Klawiszami „GÓRA” i „DÓ£” powodujemy zwiêkszenie b¹dŸ zmniejszenie mocy dostarczanej do obci¹¿enia. Wciœniêcie kla-

Rys. 5 Uproszczony algorytm dzia³ania regulatora

wisza „W£/WY£” powoduje wy³¹czenie napiêcia je¿eli regulator nie znajdowa³ siê wczeœniej w pozycji spoczynkowej lub w przeciwnym przypadku podanie pe³nej mocy do obci¹¿enia (wype³nienie równe 100% - w³¹czenie). Akcja przypisana klawiszom „GÓRA” i „DÓ£” (zwiêkszanie lub zmniejszanie nastawy) jest wykonywana po ka¿dorazowym wciœniêciu jednego z nich. Je¿eli klawisz zostanie wciœniêty i przytrzymany przez oko³o 1 sekundê nast¹pi automatyczne powtórzenie akcji z nim zwi¹zanej z czêstotliwoœci¹ 10 Hz. W chwili gdy zostan¹ osi¹gniête graniczne wartoœci dla ka¿dego z klawiszy (odpowiednio: wartoœæ minimalna dla klawisza „DÓ£” lub wartoœæ maksymalna dla klawisza „GÓRA”), to program nie bêdzie wykonywa³ ¿adnej akcji.

14

10/98

V1

US2

R2

W£1

R4

R3

MOC 3023

US1

624 ELEKTRA

Uproszczony algorytm dzia³ania programu uwidoczniono na rysunku 5. W pierwszej kolejnoœci po uruchomieniu program przeprowadza kalibracjê czêstotliwoœci sygna³u synchronizuj¹cego (czêstotliwoœci sieci). Nastêpnie w pêtli programowej sprawdza stan klawiszy. W przypadku przyciœniêcia jednego z nich wykonuje przypisan¹ mu akcjê. Obs³uga generatora PWM odbywa siê na przerwaniach z wykorzystaniem tajmera.

Konstrukcja i uruchomienie Przy uruchamianiu drugiej wersji uk³adu nale¿y pamiêtaæ o tym ¿e uk³ad zasilany jest bezpoœrednio z sieci energetycznej i na wszystkich elementach, w³¹cznie z mas¹ uk³adu, panuje niebezpieczne dla ¿ycia napiêcie sieci. Podczas uruchamiania uk³adu wskazana jest ostro¿noœæ. Obydwa uk³ady nie wymagaj¹ ¿adnych zabiegów podczas uruchamiania - powinny dzia³aæ zaraz po w³¹czeniu zasilania. W przypadku pracy z wiêkszym obci¹¿eniem nale¿y zastosowaæ radiator na PR1 i T1 (wersja 1) lub V1 (wersja 2). P³ytki drukowane do obydwu wersji zosta³y umieszczone na jednym kawa³ku laminatu.

W£/ WY£

T1 BUZ11A

Wykaz elementów - wersja 1

Pó³przewodniki Pó³przewodniki US1

– PIC12C508 z programem REGULATOR – BUZ11A – BZP683 C4V7 – mostek prostowniczy KBPC10-04

T1 D1 PR1

Rezystory R2 R1

V/0,125 W – 1 kV V/0,125 W – 1,5 kV

Kondensatory C1

– 100 mF/16 V 04/U

Inne W£1÷W£3 – mikro³¹czniki p³ytka drukowana numer 426 Wykaz elementów - wersja 2

Pó³przewodniki Pó³przewodniki US1 US2 V1 D1, D2 D3 D4 D5

W£3

D1

– optotriak MOC3023 – PIC12C508 z programem REGULATOR – BT 136/500 – 1N4005 – 1N4148 – BZP683 C4V7 – LED kolor dowolny

PIC12C 508

C2

~ R1

PIC12C 508

C1

PR1

–

W£2

W£2

D5 R2

Z2

+

¯ARÓWKA

R1

D4

R7

C1

~

W£1

D2 D3

~ 12V

W£3

R5

R6

W£/ WY£

ARTKELE 426 Z1

C4

D1

C3

Rys. 6 P³ytka drukowana i rozmieszczenie elementów

US1

Rezystory R1 R3 R2 R4 R5, R6 R7

– – – – – –

39 V/0,125 W 360 V /0,125 W 470 V/0,125 W 620 V/0,125 W V/0,5 W 100 kV V/0,125 W 5,1 MV

Kondensatory C2 C1 C3 C4

– – – –

47 nF/400 V MKSE 100 nF/400 V MKSE 330 nF/400 V MKSE 100 mF/16 V 04/U

Inne W£1÷W£3 – mikro³¹czniki p³ytka drukowana numer 426

P³ytki drukowane wysy³ane s¹ za zaliczeniem pocztowym. P³ytki i zaprogramowane uk³ady PIC 12C508 z dopiskiem REGULATOR mo¿na zamawiaæ w redakcji PE. Cena: p³ytka numer 426 - 4,87 z³ PIC 12C508 REGULATOR - 25,00 z³ + koszty wysy³ki. Podzespo³y elektroniczne mo¿na zamawiaæ w firmie LARO - patrz IV strona ok³adki.

à mgr in¿. Tomasz Kwiatkowski

15

10/98

P razy drzwi, czyli powab fuzzy Coraz czêœciej przebieraj¹c wœród elektronicznych produktów codziennego u¿ytku zdarza siê nam natrafiæ na urz¹dzenie z doœæ tajemniczym s³ówkiem „fuzzy ” na obudowie. Instrukcja obs³ugi z regu³y nie wyjaœnia co siê za tym kryje, ale z maniakalnym uporem zachwala zalety nowej „superbroni ”. Artyku³ ten usi³uje opowiedzieæ o historii, znaczeniu, i zastosowaniach teorii zbiorów rozmytych, nazywanej w literaturze fachowej fuzzy set theory.

Wiêkszoœæ produktów pochodzi z Japonii, prze¿ywaj¹cej prawdziwy boom rozwoju tej dziedziny. W Europie czy Ameryce mówi siê nawet o utracie kolejnej technologii na rzecz wielkiego przemys³u Kraju Kwitn¹cej Wiœni. Ulubionym polem zastosowañ jest sprzêt AGD. Obiecana jest ³atwiejsza obs³uga przy zwiêkszonej funkcjonalnoœci i palecie mo¿liwoœci. I tak w fuzzy-procesor wyposa¿ona jest pralka o wdziêcznym imieniu Aisaigo (pol. moja kochana ¿ona). Fuzzy-procesor, na podstawie informacji o iloœci prania i stopniu jego zabrudzenia sam dobie-

ra iloœæ potrzebnej wody i program. Sterowanie tego typu mo¿na znaleŸæ równie¿ w odkurzaczach, suszarkach kamerach video itd. Równie¿ wielki przemys³ okaza³ siê niezmiernie wdziêcznym polem zastosowañ - windy, piece cementowe i do spalania œmieci, metro a nawet japoñskie browary! Fuzzy-sterowanie odpowiedzialne jest tam za w³aœciwy proces warzenia ry¿owego piwa. Jakie by³y wiec pocz¹tki tego nowego trendu i co sprawia ¿e dziêki niemu problemy dot¹d nierozwi¹zywalne dla klasycznej teorii sterowania zostaj¹ poko-

z (t)

REGULATOR xo(t)

OBIEKT REGULACJI x(t)

e(t) Gr(s)

Go(s)

-x(t)

SPRZʯENIE ZWROTNE

x (t) – WIELKOŒÆ REGULOWANA np: DOP£YW METANU xo(t) – WARTOŒÆ ZADANA e=xo(t) – g(t) – UCHYB REGULACJI z(t) Gr(s), Go(s)

– ZAK£ÓCENIA – REGULATOR, OBIEKT REGULACJI, ZADANA FUNKCJA PRZENOSZENIA G (s)

Rys. 1 Uk³ad regulacji automatycznej

nane, a u¿ytkownik sprzêtu AGD czy elektroniki domowej nie ma wiêcej problemów z obs³uga, a zu¿ycie energii wody czy proszku do prania maleje. W uk³adzie regulacji automatycznej (uproszczenie, rys. 1) wyró¿niæ mo¿na obiekt regulacji i regulator. Oba te bloki opisane s¹ za pomoc¹ skomplikowanych równañ ró¿niczkowych, lub najczêœciej tzw. funkcji przenoszenia okreœlonej w dziedzinie zespolonej. Gdy zadany jest ju¿ obiekt regulacji (w postaci funkcji przenoszenia) to istnieje wiele sprawdzonych metod doboru i optymalizacji regulatora (np. kryterium Hurwitza) i nie stwarza to powa¿niejszych problemów. Najwa¿niejszym i zarazem najtrudniejszym zadaniem jest opis obiektu regulacji za pomoc¹ funkcji przenoszenia. Im zawiera on mniej uproszczeñ i bli¿ej odpowiada rzeczywistoœci tym wiêksze szanse na to, ¿e nasz uk³ad bêdzie dzia³a³ d³ugo i bezawaryjnie. Problemami nie do „zgryzienia” by³y zagadnienia zmiany parametrów uk³adu w czasie (np. starzenie) nieliniowoœæ uk³adów, czy brak wiedzy potrzebnej do ich opisania. Wiele procesów które podlega³y sterowaniu przez cz³owieka nie nadawa³o siê wrêcz do automatyzacji w sposób klasyczny. Jednym z bardzo obrazowych przyk³adów jest problem parkowania auta w „kopertê”. Kursant w czasie szkolenia musi siê zadowoliæ informacjami typu „je¿eli… to prostuj ko³a”, „je¿eli jeszcze nie… to maksymalnie w prawo”, „je¿eli odstêp miedzy samochodami jest wiêkszy, to mo¿esz…”. W zupe³noœci one wystarczaj¹. Nie istnieje ¿aden algorytm umo¿liwiaj¹cy parkowanie samochodu w zmiennych warunkach drogowych, nawet jeœli do pracy zaprzêgn¹æ powa¿ny komputer. S³owne instrukcje zdaj egzamin. Problemami tego typu zaj¹³ siê w latach '60 profesor elektrotechniki Lotfi Zadeh (Berkeley, Kalifornia). Faktem jest, ¿e matematyka koñca lat '60 osi¹gnê³a tak wysoki pu³ap, ¿e wiele problemów znalaz³o swoje rozwi¹zania, wymaga³y one jednak czêsto ¿mudnych i d³ugich obliczeñ, a bywa³y czasem tylko przybli¿one. Prof. Zadeh zarzuca³ te¿ „jednokierunkowoœæ” rozwoju technik sterowania. Mia³y siê one zajmowaæ jedynie takimi problemami, które by³y „strawne” dla aparatu matematycznego, a do nich nie nale¿a³o np. zagadnienie parkowania samochodu. Zaproponowa³ on zupe³nie rewolucyjne rozwi¹zanie. W miejsce skomplikowanych rów-

16 nañ o œciœle okreœlonych wspó³czynnikach powinien siê znaleŸæ fuzzy-algorytm. Sk³adaæ siê on mia³ ze s³ownych instrukcji typu: „je¿eli A i B to C”. Mia³ wiec odpowiadaæ ludzkiemu sposobowi myœlenia, który nie pos³uguje siê liczbami z dok³adnoœci¹ do x-go miejsca po przecinku, a raczej pojêciami nieœcis³ymi np. „ma³y”, „du¿y”. Ci¹g takich poleceñ mia³ byæ nastêpnie zast¹piony na konkretn¹ wartoœæ fizyczn¹, np. mocy silnika czy k¹t skrêtu kó³ samochodu (ok. roku 1968 ukaza³y siê jego pierwsze publikacje na ten temat). Zniknê³a „ostroœæ” i „œcis³oœæ” a jej miejsce zajê³y okreœlenia typu „daleko”, „nieco dalej”, „trochê w prawo”. Takie formu³owanie problemu jest zmor¹ ka¿dego informatyka, a szerzej patrz¹c filozofia europejska ma „problemy” z „odcieniami prawdy”. Tak wiec w swych pocz¹tkach ta rewolucyjna droga zosta³a zarzucona. Mo¿e fakt, ¿e dla kultury azjatyckiej owe (upraszczaj¹c) „miêdzytony prawdy” s¹ bardziej naturalne sprawi³ dzisiejszy boom tej techniki w Kraju Kwitn¹cej Wiœni. Pierwszym urzeczywistnieniem teorii w wymiarze laboratoryjnym by³o skonstruowanie sterowania do maszyny parowej (Mamdani, Assilian, 1975). 9 s³ownych (lingwistycznych) regu³ odpowiedzialnych by³o za dop³yw ciep³a, 15 za ustawienie zaworu w zale¿noœci od iloœci pary w kotle i obci¹¿enia silnika. Pe³en sukces. W przemyœle najwczeœniej zautomatyzowano piec cementowy (Dania, Holmblad I Östergaard, 1980). Do tej pory jedynie cz³owiek odpowiada³ za produkcjê cementu, nie istnia³a ¿adna inna metoda pozwalaj¹ca na automatyzacjê. (lit. 3) Gdy przemys³ Japonii rozpozna³ nowy potencja³, rozpocz¹³ siê prawdziwy boom na produkty codziennego u¿ytku ze s³ówkiem fuzzy w nazwie. W 1989 przy wsparciu Ministerstwa Przemys³u i Handlu Japonii wielkie koncerny utworzy³y LIFE-institut (Laboratory for International Fuzzy Engineering Research) s³u¿¹cy masowemu przek³adaniu teorii w daj¹ce siê dobrze sprzedaæ produkty. W œwiecie Zachodu, bêd¹cym kolebk¹ nowej techniki coraz czêstsze by³y glosy o utracie kolejnej technologii na rzecz przemys³u Japonii. Jak wiêc konkretnie funkcjonuje owo sterowanie? Jak zbudowany jest algorytm i jego elementy sk³adowe (owe "niedok³adne" okreœlenia typu "bardziej w lewo") i jak w koñcu zamieniæ ca³y ci¹g nie-

10/98 zbioru „wysokich”, jest okreœlony przez liczbê z zakresu 0..1. '0' oznacza, ¿e temperatura nie nale¿y ca³kowicie do zbioru „wysokich”, '1' mówi o ca³kowitej przynale¿noœci. Ten zwi¹zek jest pierwszym warunkiem zrozumienia s³ownych instrukcji przez komputer. Nastêpnie nale¿y spi¹æ ze sob¹ poszczególne pojêcia, tak by nios³y ze sob¹ wiedzê potrzebn¹ do sterowania procesu; tworzy³y regu³y). Zwi¹zek konkretnej wielkoœci technicznej ze zmienn¹ lingwistyczn¹ to dopiero pierwszy krok.

dok³adnych instrukcji, odpowiadaj¹cych ludzkiemu sposobowi myœlenia, na wartoœæ wielkoœci wyjœciowej, np. mocy chwilowej silnika? O tym po kolei poni¿ej.

Zmienne lingwistyczne Gdy mamy zadane wielkoœci mierzone, przyk³adem niech bêdzie pomiar ciœnienia i temperatury pieca oraz wielkoœci regulowanej - dop³yw metanu (rys. 2÷4) nale¿y przyst¹piæ do tzw. fuzzyfikacji (rys. 5). Zmienna lingwistyczna temperatura przyjmuje wartoœci niska, œrednia, wysoka i bardzo wysoka. I tak przyk³adowo temperatura 7808C zostanie opisana jako „ca³kiem wysoka i jeszcze ledwo œrednia”, co odpowiada mniej lub bardziej prawdziwym pojêciom logiki rozmytej (fuzzy logic). Stopieñ przynale¿noœci, w jakim dana temperatura nale¿y do

NISKA

Operatory ³¹czenia Analogicznie do operatorów I, LUB, NIE logiki Bool'a fuzzy logic rozwinê³a swoje operatory. Stopieñ prawdy dwu wypowiedzi po³¹czonych przez 'lub' odpowiada przyk³adowo maksimum stopni przynale¿noœci obu wyrazów.

ŒREDNIA

WYSOKA

BARDZO WYSOKA

1

STOPIEÑ PRZYNALE¯NOŒCI

0

[°C] 300

400

500

600

700

800

900

1000

TEMPERATURA KOMORY SPALANIA

Rys. 2 Funkcja przynale¿noœci dla ciœnienia przedkomory

NISKA

ŒREDNIA

WYSOKA

BARDZO WYSOKA

1

STOPIEÑ PRZYNALE¯NOŒCI

0

[°C] 300

400

500

600

700

800

900

1000

TEMPERATURA KOMORY SPALANIA

Rys. 3 Funkcja przynale¿noœci dla temperatury spalania

ZAMKNIÊTY PÓ£OTWARTY

PRAWIE OTWARTY

OTWARTY

1

STOPIEÑ PRZYNALE¯NOŒCI

0 2

4

6

8

10

12

14

16

Rys. 4 Funkcja przynale¿noœci dla stopnia otwarcia zaworu metanu

17

10/98 DANE POMIAROWE WIELKOή

URZ¥DZENIE

STERUJ¥CA

INFERENCJA

DEFUZZYFIKACJA

rzania rozmytej informacji jest regu³a. Sk³ada siê ona z czêœci gdy - warunku i to - wniosku. Istniej¹ ro¿ne sposoby obrabiania regu³, tu zostan¹ przedstawione dwie.

Regu³a (1):

FUZZYFIKACJA

(WNIOSEK)

WARTOή ZADANA

GDY temperatura = bardzo wysoka LUB ciœnienie = powy¿ej normy TO zawór metanu = zamkniêty

Regu³a (2): Rys. 5 Schemat blokowy regulatora rozmytego

Stopieñ prawdy wypowiedzi „…temperatura komory spalania jest bardzo wysoka, albo ciœnienie jest powy¿ej normy…” zosta³ by okreœlony jako 0,8, gdyby temperatura nale¿a³a w stopniu 8,0 do zbioru bardzo wysokich temperatur, a ciœnienie w stopniu 0,5 do zbioru ciœnieñ powy¿ej normy (por. rys. 2). Stopieñ prawdy wyra¿enia po³¹czonego przez I zostanie okreœlony jako minimum, a negacja jest zdefiniowana jako

ró¿nica do 1 (A = 1-A). Gdyby stopnie przynale¿noœci ograniczyæ tylko do 0 i 1 to odpowiada³o by to klasycznej algebrze Bool'a. Tak wiec omawiana teoria zbiorów rozmytych jest uogólnieniem teorii mnogoœci (nauki o zbiorach).

Regu³y Podstawowym elementem przetwa-

GDY temperatura = wysoka I ciœnienie = normalne TO zawór metanu = pó³otwarty Jak wiêc wygl¹da ustawienie zaworu metanu przy temperaturze 9108C I ciœnieniu 40,5 bar? Najpierw nastêpuje fuzzyfikacja (rys. 5), czyli lingwistyczna interpretacja wielkoœci technicznej: Temperatura 91088C Bardzo wysoka (0,8) Wysoka (0,3) a)

1,0 GDY TEMPERATURA = BARDZO WYSOKA

METODA MAX-PROD

0,8

LUB CIŒNIENIE = POWY¯EJ NORMY TO

REZULTAT

ZAWÓR METANU = ZAMKNIÊTY

1,0 0,8

0,3 1,0 GDY TEMPERATURA = BARDZO WYSOKA I CIŒNIENIE = NORMALNE TO

ZAWÓR METANU

ZAWÓR METANU = PÓ£OTWARTY

0,3

b) 1,0 GDY TEMPERATURA = BARDZO WYSOKA

METODA MAX-MIN

0,8

LUB CIŒNIENIE = POWY¯EJ NORMY TO

REZULTAT

ZAWÓR METANU = ZAMKNIÊTY

1,0 0,8

0,3 1,0 GDY TEMPERATURA = WYSOKA I CIŒNIENIE = NORMALNE TO ZAWÓR METANU = PÓ£OTWARTY

ZAWÓR METANU 0,3

Rys. 6 Wnioskowanie: a) metod¹ MAX–PROD, b) metod¹ MAX–MIN

18

10/98

PUNKT CIE¯KOŒCI

ZAWÓR METANU = 2,7 m3/h

Rys. 7 Wyznaczanie punktu ciê¿koœci

Œrednia Niska

(0,0) (0,0)

Ciœnienie 40,5 bar Poni¿ej normy (0,0) Normalne (0,5) Powy¿ej normy (0,5) Temperatura zosta³a okreœlona jako „raczej bardzo du¿a i ledwo co du¿a”, a ciœnienie „miêdzy normalnym, a powy¿ej normy”. Stopnie prawdy, okreœlaj¹ce stopieñ „wype³nienia” regu³y okreœla siê nastêpuj¹co: Regu³a (1): Max{0,8:0,5}=0,8 Regu³a (2): Min{0,3:0,5}=0,3 Zak³ada siê przy tym, ¿e skutek posiada ten sam stopieñ prawdy co warunek. Z regu³ wynika wiêc, ¿e zawór w stopniu 0,8 ma byæ zamkniêty, a w stopniu 0,3 otwarty. Opisywany przyk³ad definiuje zmienn¹ lingwistyczn¹ dla ustawienia zaworu - musz¹ wiêc rezultaty regu³ zostaæ odniesione do definicji. Istnieje wiele metod, najczêœciej stosowane s¹ dwie metody inferencji (wnioskowania): metoda MAX-MIN, oraz MAXPROD.

Wnioskowanie W przypadku metody MAX-MIN wartoœci zmiennej lingwistycznej zostaj¹ ograniczone do stopnia prawdy w jakim s¹ spe³nione (minimum). W ten sposób otrzymane zbiory rozmyte s¹ sumowane w jeden (maksimum), (por. rys. 6). Nieco inaczej postêpuje siê w przypadku metody MAX-PROD. Wartoœci zmiennej lingwistycznej nie zostaj¹ ograniczone, ale tworzony jest iloczyn ze zbio-

ru rozmytego wniosku i stopnia prawdy warunku. Jak to zosta³o pokazane na rysunku 6 wyniki ró¿ni¹ siê tylko nieznacznie. W rezultacie otrzymuje siê w przypadku obu metod zbiór rozmyty, który jest jednak informacj¹ niezdatn¹ do ustawienia w sposób jednoznaczny zaworu. Potrzebna jest konkretna liczba rzeczywista, a sposób jej pozyskania jest nazwany deffuzyfikacj¹ (rys. 5). Istnieje wiele metod defuzzyikacji, najbardziej popularn¹ jest wyznaczanie punktu ciê¿koœci (center of area) zbioru, a tym samym wartoœci liczbowej mówi¹cej o otwarciu zaworu, zgodnie z zale¿noœci¹:

gdzie: mB* – stopieñ przynale¿noœci, oœ rzêdnych; g0 – ustawienie przep³ywu metanu, oœ odciêtych. Mówi¹c obrazowo, nale¿y owy zbiór wyci¹æ z kartonu, a nastêpnie podpieraæ zaostrzonym o³ówkiem tak, by karton pozostawa³ w równowadze (por. rys. 7). Owy punkt podparcia jest szukanym punktem ciê¿koœci wyznaczaj¹cym otwarcie zaworu. W opisywanym przypadku dop³yw metanu zostanie ustawiony na 2,7 m3/h. Przyk³ad z dziedziny techniki regulacji, który pos³u¿y³ do przybli¿enia czytelnikowi problematyki z zakresu teorii zbiorów rozmytych (fuzzy set theory) ods³ania jedynie fragment jej zastosowañ i w³aœci-

woœci. Systemy eksperckie, decyzyjne pracuj¹ce w bankach, czy firmach ubezpieczeniowych to kolejne, bardziej skomplikowane pola zastosowañ. Wiele by o nich trzeba powiedzieæ, wprowadziæ nowe operatory (np. „coœ” miêdzy „albo” i „i” w zale¿noœci od wspó³czynnika g) jeszcze œciœlej naœladuj¹cy sposób myœlenia cz³owieka. Ale nie to by³o celem tego artyku³u. Zaniechany te¿ zosta³ œcis³y formalizm matematyczny, doœæ skomplikowany i zajmuj¹cy wiele miejsca, którego zbyt zwiêz³e przytoczenie (ograniczona przestrzeñ) nie koniecznie przyczyni³o by siê do lepszego zrozumienia problemu. (obszernie w lit. 3,) Technika regulacji pozostaje do tej pory najczêstszym miejscem zastosowañ. Opracowano ju¿ wiele typów sterowników, których funkcjonowanie, sposób uczenia s¹ stosunkowo ³atwe do zrozumienia. (Przyk³adem jest chocia¿by model NEFCON stanowi¹cy po³¹czenie konceptu sterownika fuzzy z sieci¹ neuronow¹). S¹ one ju¿ na tyle popularne, ¿e mog¹ z powodzeniem byæ stosowane przez elektronika amatora. Ale przybli¿enie teorii sieci neuronowych, czy zaproponowanie ciekawego, prostego uk³adu do samodzielnego zmontowania (maj¹cego uczyniæ opisan¹ wy¿ej teorie bardziej „uchwytn¹” i unaoczniæ jej zalety) to zagadnienia mog¹ce wype³niæ inne artyku³y. Celem powy¿szego by³o wzbudzenie w Czytelniku zainteresowania niekonwencjonaln¹ technik¹ sterowania. Na ile mo¿liwe, stara siê on wyjaœniæ przynajmniej pogl¹dowo, co kryje siê za „tajemniczym” terminem „rozmyty” (fuzzy). Zagadnieniu temu poœwiecono ca³e tomy, jest rzecz¹ niemo¿liw¹, by w jednym artykule rozwiaæ ka¿d¹ w¹tpliwoœæ. Jedyne co pozostaje, to samodzielna lektura, pytania. Poni¿ej znajduje siê lista literatury wykorzystanej w opracowani artyku³u. Literatura: T. Kaczorek, Teoria Sterowania, PWN 1977 Constantin von Altrock, Über den Daumen gepeilt, w c't, 3/91, strony 188-206 B. Biewer Fuzzy-Methoden, Springer-Verlag Berlin 1997 R. Rojas Theorie der neuronalen Netze, Springer-Verlag Berlin 1996

àPrzemys³aw Janik

19

10/98

MODU£ PRZETWORNIKA WARTOŒCI SKUTECZNEJ

oparta zosta³a konstrukcja pierwszego z dwóch prezentowanych tu modu³ów. Schemat modu³u przetwornika wartoœci skutecznej w wersji „True RMS” uwidoczniono na rysunku 1. Zasada dzia³ania uk³adu MX 636 oraz jego charakterystyka zosta³y umieszczone w artykule „Przetwornik «True RMS»” zamieszczonym w PE nr 9/95, dlatego opis jego dzia³ania pomijamy. Uk³ad pracuje w podstawowej konfiguracji pozwalaj¹cej na przekszta³canie wartoœci napiêcia wejœciowego w odpowiadaj¹c¹ mu wartoœæ sta³ego napiêcia skutecznego, pracuj¹c w szerokim zakresie czêstotliwoœci. Zapewnia du¿¹ liniowoœæ przetwarzania nie wymagaj¹c jakichkolwiek kalibracji. Jedyn¹ wad¹ uk³adu MX 636 jest jego doœæ wysoka cena. W przypadku potrzeby pomiaru tylko sygna³ów sinusoidalnych mo¿na wykonaæ wariant ekonomiczny modu³u. Uk³ad w drugiej wersji przetwarza poprawnie na wartoœæ skuteczn¹ tylko napiêcia sinusoidalne. Ograniczenie to nie ma du¿ego znaczenia w wiêkszoœci zastosowañ. Schemat przetwornika w drugiej wersji uwidoczniono na rysunku 2. Przetworniki wartoœci skutecznej na napiêcie sta³e tego typu dzia³aj¹ podobnie jak stosowane w popularnych miernikach uniwersalnych tzn. wykorzystuj¹ fakt, ¿e dla przebiegów sinusoidalnych wartoœæ skuteczna jest równa 0,707 wartoœci amplitudy (wartoœci szczytowej). Wystarczy wiêc zmierzyæ amplitudê sygna³u a nastêpnie przemno¿yæ tak by od-

Zgodnie z obietnic¹ prezentujemy dwa modu³y przetworników wartoœci skutecznej na napiêcie sta³e przystosowanych do monta¿u w laboratoryjnym woltomierzu ze skal¹ logarytmiczn¹ opubli kowanym w PE 9/98. Wykonanie jednego z nich pozwoli w pe³ni wykorzystaæ mo¿liwoœci tego urz¹dzenia.

W pomiarach napiêæ zmiennych najbardziej istotnym parametrem charakteryzuj¹cym mierzony sygna³ jest jego wartoœæ skuteczna. Interpretacja fizyczna wartoœci skutecznej oznacza tak¹ wartoœæ napiêcia sta³ego, które dzia³aj¹c w obwodzie o sta³ej rezystancji wytworzy tak¹ sam¹ moc, jak napiêcie przemienne. Przyk³adowo podawana wartoœæ napiêcia sieci w Polsce równa 220 V oznacza jego wartoœæ skuteczn¹. W gniazdku wystêpuje napiêcie szczytowe (amplituda) równa 312 V. Zdecydowana wiêkszoœæ mierników uniwersalnych mierz¹cych napiêcia zmienne jest wyskalowana tak by wskazywaæ poprawnie wartoœæ skuteczn¹ napiêcia sinusoidalnego o okreœlonej czêstotliwoœci (z regu³y od 50 Hz do 1÷10 kHz, w tanich, cyfrowych miernikach uniwersalnych górna czêstotliwoœæ graniczna jest czêsto mniejsza). Próba pomiaru takim miernikiem napiêæ przemiennych o innych kszta³tach zawsze spowoduje zafa³szowanie wskazañ. Bêdzie ono tym wiêksze im mniej badany przebieg przypominaæ bêdzie sinusoidê. Prawid³owy pomiar wartoœci skutecznej dowolnych nieokresowych lub mocno odkszta³conych (w stosunku do przebiegu sinusoidalnego) napiêæ jest mo¿liwy tylko za poœrednictwem mierników „True RMS” - mierz¹cych prawdziw¹ wartoœæ skuteczn¹. Pierwszymi takimi urz¹dzeniami by³y mierniki termoelektryczne, elektroma-

gnetyczne oraz elektrodynamiczne. Wszystkie one mia³y ma³¹ rezystancjê wewnêtrzn¹ co bardzo ogranicza³o ich zakres zastosowañ. Prze³omem w dziedzinie pomiaru wartoœci skutecznej by³o opracowanie monolitycznych przetworników, które do wyznaczania wartoœci skutecznej przebiegu, wykorzystywa³y przekszta³cenia matematyczne. Metodê tak¹ wykorzystuje miêdzy innymi uk³ad MX 636, na którym +5V

G1

R1 1M

1

1

3 4

-5V

5

+5V

2

C2 2,2 mF

2

C1 10 mF

3 4 5 6 7

V IN

+Vs

NC

NC

-Vs

NC

US1 MX636

CAV dB

NC

COMMON

BUF OUT

RL

BUF IN

I OUT

R2 20k

R1 100k

1

+5V 3

7

C1 4,7 mF

6

2 3 4

-5V

5

+5V

US1 LF355

13 12 11 10 9 8

R3 1M

-5V

G1

14

C3 10 mF

2 x 1N4148

2 4

D1

D2

-5V

R6 470k

R2 2,2M C2

220n

C3 1 mF

Rys. 1 Schemat przetwornika wartoœci skutecznej. Wersja 1 („True RMS”)

R3 C4 10k 1 mF

R4 10k C6 1mF

C5 100p

R5 4,3k

Rys. 2 Schemat przetwornika wartoœci skutecznej. Wersja 2 (sygna³y sinusoidalne)

20

R6

C5

R1

C3 C6

US1 G1

Wykaz elementów - wersja 2

R4

R3

LF 355

C1, C3 – 10 mF/16 V 04/U p³ytka drukowana numer 423

C4

R5

R2

324

423

C1

D2 D1

C2

10/98

Pó³przewodniki US1 D1, D2

– LF 355 – 1N4148

Rezystory US1 R3

MX636 C2

C3

R2

C1 R1 T

Rys. 3 P³ytka drukowana i rozmieszczenie elementów

Z kolei redukcja wartoœci rezystora R5 spowoduje zwiêkszenie wskazania miernika. Wykaz elementów - wersja 1

Pó³przewodniki US1

– MX 636

Rezystory R2 R1, R3

V/0,125 W – 20 kV V/0,125 W – 1 MV

Kondensatory C2

– – – – –

V/0, 125 W 4,3 kV V/0,125 W 10 kV V/0,125 W 100 kV V/0,125 W 470 kV V/0,125 W 2,2 MV

– +

G1

powiada³a wartoœci skutecznej. W wersji drugiej modu³u wykorzystano wzmacniacz operacyjny, który wraz z otaczaj¹cymi go elementami pe³ni rolê wzmacniacza oraz prostownika. Obydwa warianty modu³u nie wymagaj¹ ¿adnych zabiegów podczas uruchamiania. W przypadku drugiego wariantu mo¿e okazaæ siê konieczne skorygowanie wartoœci napiêcia wyjœciowego poprzez dobranie wartoœci rezystora R5. Zwiêkszenie jego wartoœci spowoduje zmniejszenie wzmocnienia wzmacniacza co spowoduje zmniejszenie wskazania.

R5 R3, R4 R1 R6 R2

– 2,2 mF/16 V 04/U

Kondensatory C5 – 100 pF/63 V KCP C2 – 220 nF/100 V MKSE C3, C4, C6 – 1 mF/25 V 04/U C1 – 4,7 mF/16 V 04/U p³ytka drukowana numer 423

P³ytki drukowane wysy³ane s¹ za zaliczeniem pocztowym. P³ytki mo¿na zamawiaæ w redakcji PE. Cena: 1,82 z³ + koszty wysy³ki. Podzespo³y elektroniczne mo¿na zamawiaæ w firmie LARO - patrz IV strona ok³adki.

à mgr in¿. Tomasz Kwiatkowski

21

10/98

Projektowanie i symulacja uk³adów elektronicznych za pomoc¹ programu PSpice Tym artyku³em zaczynamy trzyczêœciowy cykl artyku³ów poœwiêconych opisowi przydatnego narzêdzia do symulacji uk³adów elektronicznych. Wersja demonstracyjna, któr¹ tu opisujemy jest dostêpna w Internecie pod adresem http://www.microsim.com lub za poœrednictwem redakcji PE. Wstêp Zapewne niejednokrotnie mieliœmy problemy z uruchomieniem dopiero co zbudowanego uk³adu elektronicznego na podstawie uproszczonych obliczeñ. Zdarza siê tak¿e, ¿e w obliczeniach dok³adnych, które zabieraj¹ sporo czasu, pojawiaj¹ siê b³êdy. Budowanie uk³adu w takich przypadkach powoduje niepotrzebne straty. Z pomoc¹ mog¹ nam przyjœæ programy symuluj¹ce uk³ady elektroniczne. Twórcy tego typu oprogramowania stworzyli komputerowe modele elementów elektronicznych. Za pomoc¹ dyskretnych metod obliczeniowych mo¿na otrzymaæ wyniki odpowiadaj¹ce rzeczywistym z dok³adnoœci¹ do b³êdów obliczeñ i zgodnoœci tych modeli z realnymi elementami. W ostatnich latach pojawi³o siê

wiele takich programów. Do najwa¿niejszych mo¿na zaliczyæ: PSpice, mCap, OrCad. Prawdopodobnie najbardziej rozpowszechnionym jest program PSpice, o czym œwiadczy chocia¿by du¿a liczba bibliotek udostêpnianych przez wielu producentów uk³adów scalonych. Postaram siê jak najbardziej przybli¿yæ najnowsz¹ wersje pakietu MicroSim Design Center Eval 8.0. Jest to wersja uproszczona (demonstracyjna). W do³¹czonej dokumentacji i w komentarzach producenta zawarte s¹ informacje o ograniczeniach pakietu. Najwa¿niejszym utrudnieniem jest to, ¿e mo¿emy zbudowaæ uk³ad z³o¿ony z maksymalnie 64 wêz³ów, 25 elementów i 9 tranzystorów, co jednak w wiêkszoœci przypadków pozwala na zaprojektowanie i przeanalizowanie œrednio skomplikowanego uk³adu.

Pakiet sk³ada siê z nastêpuj¹cych programów: Schematics – program do tworzenia i edycji schematów; Design Manager – program zarz¹dzaj¹cy prac¹ ca³ego pakietu (automatycznie uruchamia siê w tle); PspiceAD – program symuluj¹cy badany uk³ad; Probe – program do wizualizacji wyników symulacji; PCBoards – program do projektowania p³ytek drukowanych. Oraz wielu innych programów, które dla pocz¹tkuj¹cego u¿ytkownika maj¹ mniejsze znaczenie. Aby zainstalowaæ oprogramowanie nale¿y uruchomiæ plik setup.exe, nastêpnie program ten w sposób identyczny jak w innych programach dla Windows przeprowadzi nas bez k³opotów przez ca³y proces instalacji. Wymagania oprogramowania s¹ niewielkie i z pewnoœci¹ komputery jakie posiadamy w pracy czy w domu bêd¹ mog³y im sprostaæ. Wszystkie programy s¹ anglojêzyczne ale posiadaj¹ cechy programów stworzonych dla systemu Windows, tzn. je¿eli Czytelnik zna powszechnie stosowane oprogramowanie to z pomoc¹ tu zawartych wskazówek i odrobiny intuicji

Rys.1 Okno programu Schematics.

22

10/98

bêdzie móg³ bez problemów poznaæ g³ówne zasady pracy z pakietem.

Tworzenie schematów Dla celów prezentacyjnych i edukacyjnych stworzy³em prosty tranzystorowy wzmacniacz jednostopniowy w uk³adzie WE (rys.1). Uk³ad wczeœniej by³ obliczony metod¹ uproszczon¹, a potem zbudowany w programie. Celowo posiada on mniejsze napiêcie na emiterze, sprawdzimy jaki bêdzie mia³o to wp³yw na pracê wzmacniacza. Aby zbudowaæ uk³ad nale¿y uruchomiæ program Schematics z grupy DesignLab Eval 8. Pojawi siê nowe puste okno wraz z otaczaj¹cym je paskiem menu i ikonami, które teraz omówiê (rys.1). Wiêkszoœæ najwa¿niejszych poleceñ menu posiada odpowiedniki w postaci ikon. Umieszczone s¹ one na belce narzêdziowej i korzystanie z nich znacznie u³atwia pracê. Pierwsz¹ grup¹ w menu jest File plik, gdzie mo¿emy otworzyæ nowy (New) lub istniej¹cy (Open) schemat, zapisaæ go (Save), wydrukowaæ (Print) lub zamkn¹æ (Close). W nastêpnej grupie Edit mo¿emy cofn¹æ ostatni¹ operacjê (Undo) lub j¹ ponowiæ (Redo). Wyci¹æ (Cut), skopiowaæ (Copy) lub wkleiæ zaznaczone myszk¹ elementy schematu (Past). Mo¿na tak¿e ska-

sowaæ wybrany element (Delete) oraz zaznaczyæ ca³y schemat (Select All). Mo¿emy tak¿e zmieniaæ atrybuty elementów schematu (Attributes) oraz dopisaæ etykietê (Label). Za pomoc¹ polecenia Rotate obracamy element o 90° w prawo, a za pomoc¹ Flip robimy lustrzane odbicie. W nastêpnej grupie menu Draw zamieszczone s¹ instrukcje do budowania schematu. Za pomoc¹ Place Part wstawiamy elementy na ekran (dok³adniejszy opis u¿ycia tego i nastêpnego polecenia znajduje siê w dalszej czêœci rozdzia³u), Wire tworzy po³¹czenie elementu (przewód), a Bus tworzy magistralê, mo¿emy tak¿e zdefiniowaæ blok graficzny (Block). W menu znajduj¹ siê równie¿ instrukcje graficzne, których odpowiedniki w postaci ikon ze znakami graficznymi znajduj¹ siê na pionowej belce po lewej stronie schematu. W grupie Navigate mo¿emy pos³u¿yæ siê poleceniami do pracy na kilku stronach. Nasz schemat mo¿emy podzieliæ na kilka czêœci (kilka stron) i powi¹zaæ ich wejœcia i wyjœcia za pomoc¹ odpowiednich ³¹czników. W grupie View znajdziemy wszystkie instrukcje odpowiedzialne za to co widzimy na naszym ekranie. Mo¿emy powiêkszaæ (In) lub pomniejszaæ (Out) nasz widok a tak¿e przerysowaæ (Redraw) schemat w przypadku niedoci¹gniêæ graficznych edytora. Nastêpna gru-

Rys. 2 Okienko Part Browser w trybie Advanced.

pa Options umo¿liwia nam dostosowanie cech programu do naszych indywidualnych potrzeb. Wszystkie parametry s¹ ustawione przez producenta i na pocz¹tku nie zachêcam do ich zmian. Grupê Analysis, Tools, Markers opiszê przy okazji omawiania symulacji uk³adu. Przedostatnia grupa Windows dotyczy ustawieñ okna, ostatnia zaœ Help zawiera polecenia pomocy programu. Gor¹co polecam korzystanie z pierwszego polecenia z tej grupy (Search For Help On...) w przypadku nawet minimalnej znajomoœci angielskich s³ówek technicznych. Mo¿na skorzystaæ z podrêcznika lub indeksu pomocy. Znaj¹c najwa¿niejsze polecenia menu mo¿emy zabraæ siê do tworzenia naszego schematu. Na belce narzêdziowej (rys. 1) znajduje siê ikona odpowiadaj¹ca poleceniu Place Part (CTRL+G). Bêdzie to jedna z najczêœciej u¿ywanych ikon w programie Schematics. Po przyciœniêciu jej otwiera siê okienko (rys. 2). Gdy okienko znajduje siê w rozszerzonym trybie (zmiana - przycisk Advanced>>, powrót do trybu standardowego - Basic<<) to ukazuje siê w nim symbol graficzny i krótki opis wybranego elementu. Mo¿emy teraz na kilka sposobów wybraæ element, który chcemy wstawiæ do naszego schematu. Znany nam symbol wpisujemy do pola Part Name. Je¿eli jednak nie znamy symbolu elementu, to mo¿emy wybraæ go z posortowanej alfabetycznie listy znajduj¹cej siê w tym samym oknie lub wpisywaæ pocz¹tkowe znaki w pole Part Name, co spowoduje automatyczne wyszukiwanie tego lub podobnie nazywaj¹cego siê elementu na liœcie. Mo¿emy tak¿e przegl¹daæ krótsze listy elementów porozmieszczanych w tematycznych bibliotekach. Do tego pos³u¿y nam przycisk Libraries.... Po wybraniu symbolu naciskamy przycisk Place lub Place & Close, który umieszcza element na schemacie we wskazanej przez nas pozycji po naciœniêciu lewego klawisza myszki. Aby zrezygnowaæ ze wstawiania wybranego elementu, naciskamy prawy klawisz myszki. Zaczynamy. Na pocz¹tek wpisujemy w górne pole (Part Name) dla przyk³adu R i pojawia nam siê rezystor. Umieszczamy go w odpowiednim miejscu i u³o¿eniu (obrót - CTRL+R) na schemacie. Mo¿emy teraz zmieniæ jego parametry. Klikamy na ju¿ postawiony element dwa razy i w nowym otwartym okienku (rys. 3) zmieniamy np. nazwê, rezystancjê lub inne wartoœci. Aby skasowaæ niepotrzebny element ze schematu trzeba go zaznaczyæ

23

10/98

Rys 3. Okienko zmiany parametrów elementu

pojedynczym klikniêciem myszki a nastêpnie przycisn¹æ klawisz Delete. Przy ustalaniu wartoœci parametrów nale¿y pamiêtaæ, ¿e w amerykañskiej notacji liczbowej znakiem separatora dziesiêtnego jest kropka, a nie jak w notacji polskiej przecinek. Mo¿emy u¿ywaæ tak¿e mno¿ników jednostek: k-kilo, meg-mega, m-mili, u-mikro, p-piko, n-nano itp. Np.: 33 uF, 2,2 k, 10 mV. Wszystkie opisy elementu s¹ ruchome i w przypadku gdy nachodz¹ na siebie mo¿na je dowolnie przesuwaæ myszk¹. W uk³adzie koniecznie musi byæ w³¹czony element masy GND_ANALOG. Zacznijmy jednak od tranzystora. Wybieramy z listy tranzystor o oznaczeniu Q2N2222. Jest to popularny, ma³osygna³owy tranzystor prze³¹czaj¹cy. Wstawiamy go w centrum widoku. Pobieramy nastêpnie z okienka Part Browser rezystor tak jak opisywa³em powy¿ej i stawiamy w nieznacznej odleg³oœci od emitera lub kolektora. Powtórzê, ¿e element mo¿na obróciæ poleceniem z menu Rotate lub skrótem klawiszowym CTRL+R. Zmieniamy wartoœci rezystora tak jak poprzednio przez klikniêcie na elemencie lub na wartoœci rezystancji. £¹czymy teraz koñcówki elementów za pomoc¹ polecenia linii Wire lub skrótu CTRL+W. Mo¿emy prowadziæ liniê dowolnie nie krzy¿uj¹c jej z innymi. Doprowadzenie koñca linii do œrodka innej powoduje automatyczne utworzenie wêz³a. Gdy elementy s¹ po³¹czone wstawiamy nastêpne rezystory i kondensatory (oznaczone symbolem - C). Do wejœcia do³¹czamy Ÿród³o napiêciowe sinusoidalne oznaczone symbolem VSIN. Wszystkie Ÿród³a napiêciowe maj¹ pierwsz¹ literê V np. VDC, VAC, pr¹dowe zaœ I np. IAC, IDC, ISIN. Musimy teraz ustawiæ potrzebne nam parametry Ÿród³a takie jak FREQ -

czêstotliwoœæ, VAMPL (IAMPL) - amplituda napiêcia (pr¹du) sinusoidalnego, VOFF (IOFF) - sk³adowa sta³a napiêcia (pr¹du). W naszym przyk³adzie niech VOFF=0, FREQ=5 kHz, VAMPL=0.5 V. Napiêcie zasilania Ecc jest Ÿród³em napiêcia sta³ego oznaczonego symbolem VDC i jego parametr DC ustawiamy na 9 V. Teraz pozostaje ustawiæ w odpowiednie miejsca markery - sondy naszej analizy. Bêd¹ one wskazywa³y miejsce „pomiaru” pr¹du, napiêcia lub innego parametru uk³adu. Z grupy menu Markers wybieramy polecenie Marker Current into Pin i wybrany marker pr¹dowy który ustawiamy na koñcówce elementu, np.: rezystora Rg oraz RL (Rys. 1). Program posiada nastêpuj¹ce markery: Mark Voltage/Level – napiêcie potencja³u wzglêdem masy; Mark Voltage Differential – ró¿nica potencja³ów (dwa markery + i - ); Marker Current into Pin – pr¹d na koñcówce elementu; Mark Advanced – lista wielu innych przydatnych markerów (czêœæ rzeczywista i urojona, wzmocnienie, faza itp.). Przycisk Libraries w okienku Part Browser (rys. 2) umo¿liwia otworzenie okienka wyboru odpowiedniej biblioteki grupuj¹cej poszczególne elementy. U³atwia to nam poszukiwanie. Mo¿emy dok³adaæ do programu biblioteki zgodne z formatem bibliotek PSpice (rozszerze-nie slb i plb). Wielu producentów do³¹cza takie pliki do swoich katalogów na p³ytach CD i stronach WWW. Standardowo pakiet jest wyposa¿ony w nastêpuj¹ce biblioteki: Abm – elementy s³u¿¹ce do matematycznego obrabiania sygna³u. Analog – elementy bierne (Q- tranzystory,

J - tranzystor JFET, M - tranzystor MOS, D - diody, R- rezystory, C kondensatory, L - cewki, K - cew ki sprzê¿one, T - linie d³ugie, E,F,G,H - Ÿród³a sterowane). Breakout – elementy z tolerancj¹. Connect – elementy ³¹cz¹ce (z³¹czki). Eval – elementy pó³przewodnikowe (tran zystory, diody, uk³ady scalone analogowe i cyfrowe serii 74). Port – symbole masy, napiêæ +5V i -5V, porty. Source – wszelkiego rodzaju Ÿród³a (autonomiczne i sterowane). Sourcstm – analogowe i cyfrowe Ÿród³a konfigurowane (stimulus). Special – elementy specjalne. Aby dodaæ now¹ bibliotekê do programu nale¿y w menu Options wybraæ polecenie Editor Configuration...., w otwartym okienku widzimy listê do³¹czonych plików. Naciskamy na przycisk Library Settings, gdzie mo¿emy dodaæ now¹ bibliotekê. W tym celu nale¿y wpisaæ w pole Library Name nazwê z œcie¿k¹ dostêpu np. C:\program files\Msim_8\lib\marker i nacisn¹æ przycisk Add. Je¿eli nie znamy po³o¿enia pliku (œcie¿ki dostêpu) to wciskamy przycisk Browse... , mo¿emy teraz poszukaæ potrzebnej nam biblioteki znajduj¹cej siê gdzieœ na dysku lub p³ycie CDROM. Najlepiej wczeœniej skopiowaæ pliki o rozszerzeniu slb i plb do katalogu Msim_8\userlib. Tam biblioteki bêd¹ poszukiwane w pierwszej kolejnoœci. Teraz mo¿emy ju¿ do³¹czaæ elementy z dodatkowych plików do naszych schematów. Po wstawieniu wszystkich elementów uk³adu (rys.1) i starannym dobraniu odpowiednich parametrów mo¿emy przyst¹piæ do analizy i projektowania p³ytki drukowanej. Procesy te zaprezentujê Wam w nastêpnych numerach Praktycznego Elektronika. Dla osób bardziej dociekliwych polecam czytanie plików pomocy lub bardzo dobrej ksi¹¿ki opisuj¹cej wczeœniejsze wersje pakietu: KRZYSZTOF BARANOWSKI, ARTUR WELO, "Symulacja uk³adów elektornicznych PSPICE Pakiet Design Center" pod redakcj¹ MARIANA MATUSZYKA. Wydawnictwo EDU-MIKOM, 1996r.

Mo¿liwe jest zamawianie w redakcji p³yty CD z plikami instalacyjnymi pakietu omawianej w tym artykule wersji Evaluation.(Cena 30 z³ + koszty wysy³ki).

à Grzegorz Cejko

24

10/98

Kontroler napiêcia akumulatorów w latarce Coraz wiêksz¹ popularnoœci¹ ciesz¹ siê miniaturowe akumulatory produkowane w typowych obudowach baterii. Niska cena, du¿a liczba cykli ³adowania i roz³adowywania, oraz coraz wiêksza pojemnoœæ przemawiaj¹ za zakupem akumulatorów. Zdecydowana wiêkszoœæ urz¹dzeñ zasilanych bateryjnie przystosowana jest fabrycznie do pracy z akumulatorami. Nie ka¿dy jednak zdaje sobie sprawê z ich ograniczeñ eksploatacyjnych. Poni¿szy artyku³ pozwoli zapoznaæ siê z niebezpieczeñstwami jakie czyhaj¹ na u¿ytkowników akumulatorów.

cc Na rynku mo¿na dziœ spotkaæ dwa zasadnicze typy akumulatorów zasadowych: – niklowo-kadmowe NiCd; – niklowo-metaliczno-wodorkowe NiMH.

Okreœlenie akumulator zasadowy pochodzi od zastosowanego w nim elektrolitu. Akumulatory zasadowe charakteryzuj¹ siê du¿¹ gêstoœci¹ zgromadzonej w nich energii. Oznacza to ¿e iloœæ mo¿li-

Rys. 1 Budowa cylindrycznego akumulatora zasadowego NiCd

wej do akumulowania energii jest du¿a w stosunku do masy i objêtoœci akumulatora. Innymi ich zaletami s¹: – du¿e wartoœci pr¹dów roz³adowania; – d³ugi czas ¿ycia; – du¿a liczba cykli ³adowania i roz³adowywania; – brak koniecznoœci obs³ugi (uzupe³niania elektrolitu). Pierwszy akumulator niklowo-kadmowy zosta³ skonstruowany w 1932r, ale do masowej produkcji zosta³ wprowadzony dopiero w latach 60-tych, kiedy to pojawi³y siê pierwsze pó³przewodniki. Akumulator sk³ada siê z elektrody ujemnej wykonanej z kadmu i dodatniej wykonanej z niklu, st¹d pochodzi jego nazwa (rys. 1). Jako elektrolit zastosowano w nim wodny roztwór wodorotlenku potasu. Elektrody, w celu unikniêcia zwarcia, rozdzielone s¹ porowatym separatorem wykonanym z tworzywa sztucznego. Umo¿liwia on swobodny przep³yw elektrolitu równoczeœnie izoluj¹c od siebie dwie metalowe elektrody. W akumulatorach cylindrycznych elektrody maj¹ postaæ folii, rozdzielonej jak najcieñszym separatorem, zwiniêtej spiralnie. Taki zwój umieszczony jest w metalowej obudowie i uzupe³niony o dolny i górny izolator. Obudowa wype³niona jest elektrolitem i wyposa¿ona w zawór bezpieczeñstwa zapobiegaj¹cy powstawaniu nadciœnienia przy silnym prze³adowaniu, kiedy to powstaj¹cy wewn¹trz akumulatora tlen i wodór mog³yby rozsadziæ obudowê. Gazy powstaj¹ w czasie ³adowania na skutek elektrolizy wody i w normalnych warunkach s¹ w ca³oœci poch³aniane przez materia³y z których wykonany jest akumulator, dlatego te¿ nie wymaga on obs³ugi, czyli uzupe³niania elektrolitu. Elektroda dodatnia po³¹czona jest z górnym zaciskiem akumulatora, a ujemna z obudow¹. Dziêki zwijanej konstrukcji elektrod uzyskano bardzo du¿¹ ich powierzchniê, od której zale¿y pojemnoœæ akumulatora. Du¿e pr¹dy roz³adowania mo¿liwe s¹ dziêki ma³ej rezystancji wewnêtrznej akumulatora uzyskanej przez zastosowanie bardzo cienkiego separatora. Akumulatory niklowo-kadmowe daj¹ napiêcie ogniwa ok. 1,2 V. W ogniwie w pe³ni na³adowanym napiêcie na zaciskach wynosi ok. 1,35÷1,5 V, a w ogniwie wy³adowanym ok. 0,9÷1,1 V. W czasie ³adowania do akumulatora dostarcza siê wiêcej energii ni¿ otrzymuje siê przy roz³adowaniu. Dla wiêkszoœci

25

10/98 akumulatorów tego typu przyjmuje siê wartoœæ doprowadzonej energii jako 140% pojemnoœci znamionowej akumulatora, oznaczanej jako wspó³czynnik ³adowania 1,4. Normalny pr¹d ³adowania wynosi 0,1C w czasie 14÷16 godz. (dla 16 godzin wspó³czynnik ³adowania wynosi 1,6). Pr¹d ³adowania mo¿na okreœliæ na podstawie wzoru:

gdzie: I [A] - pr¹d ³adowania; 1,4 - wspó³czynnik ³adowania; Q [Ah] - pojemnoœæ znamionowa, podawana tak¿e w [mAh]; t [h] - czas ³adowania (h - hour, ang. godzina). Pojemnoœæ znamionowa akumulatora C definiowana jest jako iloczyn czasu i pr¹du roz³adowania. Wartoœæ pr¹du dobrana jest w taki sposób aby po czasie roz³adowania wynosz¹cym 5 godzin otrzymaæ napiêcie na zaciskach akumulatora równe 1,0 V. Roz³adowanie przeprowadza siê sta³ym pr¹dem w temperaturze 20±5oC. Przy podawaniu pr¹dów zarówno ³adowania i roz³adowania stosuje siê czêsto pojêcie pr¹du roz³adowania, odniesionego do pojemnoœci znamionowej akumulatora, oznaczanego jako C lub CA:

gdzie: Q [Ah] - pojemnoœæ znamionowa; t [h] - czas roz³adowywania; CA [A] - pr¹d roz³adowania. W praktyce pr¹d roz³adowania zapisywany jest w nieco innej postaci. Dla przyk³adu roz³adowuj¹c akumulator w jednej godziny otrzymuje siê wartoœæ pr¹du liczbowo równ¹ pojemnoœci akumulatora. Dla akumulatora o pojemnoœci 1 Ah wartoœæ pr¹du roz³adowania wynosi 1 A przez jedn¹ godzinê, czyli C = 1 A, jest to tak zwany pr¹d jednogodzinny 1C. Dla tego samego akumulatora roz³adowywanego przez 10 godzin pr¹d przyjmuje wartoœæ 0,1 A, a C = 0,1 A, jest to tak zwany pr¹d dziesiêciogodzinny zapisywany jako 0,1C. Podobnie jest dla innych czasów roz³adowania. Zatem operuj¹c wielkoœci¹ pr¹du C mo¿na opisywaæ znormalizowan¹ wielkoœæ pr¹du odniesion¹ do pojemnoœci akumulatora.. Umo¿liwia to podawanie uniwersalnych wartoœci pr¹du dla akumulatorów o ró¿nych po-

jemnoœciach. Poni¿szy przyk³ad ilustruje t¹ zale¿noœæ. Akumulator o pojemnoœci Q=1200 mAh: 1C = 1,2 A - pr¹d jednogodzinny; 0,1C = 0,12 A - pr¹d dziesiêciogodzinny; 4C = 4,8 A - pr¹d piêtnastominutowy; 5C = 6A - pr¹d dziesiêciominutowy. Akumulator o pojemnoœci Q = 0,75 Ah: 1C = 0,75 A - pr¹d jednogodzinny; 0,1C = 0,075A-pr¹d dziesiêciogodzinny; 4C = 3,0 A - pr¹d piêtnastominutowy; 5C = 3,75 A - pr¹d dziesiêciominutowy. Maksymalny ci¹g³y pr¹d roz³adowywania akumulatorów NiCd nie powinien przekraczaæ 8÷10C. Przy takim du¿ym poborze pr¹du akumulator roz³adowuje siê w ci¹gu ok. 4÷5 minut. Impulsowo mo¿liwy jest pobór pr¹du nawet do 100C. Na rysunku 2a przedstawiono zale¿noœæ napiêcia na zaciskach akumulatora w funkcji pojemnoœci roz³adowanej dla ró¿nych wartoœci pr¹du roz³adowania. Okazuje siê, ¿e im wiêkszym pr¹dem roz³adowujemy akumulator, tym mniej jego energii mo¿emy wykorzystaæ (dla pr¹du 4C tylko 65%). Drugi wykres (rys. 2b) przedstawia wp³yw temperatury na proces roz³adowania. Dane te dotycz¹ wszystkich akumulatorów NiCd, choæ w zale¿noœci od typu i producenta mog¹ siê nieznacznie ró¿niæ.

Rys. 2 Napiêcie na zaciskach akumulatora podczas roz³adowania w funkcji: a) pr¹du roz³adowania, b) temperatury akumulatora

Akumulatory niklowo-metalicznowodorkowe NiMH powsta³y w po³owie lat 70-tych. Gêstoœæ energii w akumulatorach tego typu jest jeszcze wiêksza ni¿

w akumulatorach NiCd, co jest ich najwiêksz¹ zalet¹. Na rynku mo¿na spotkaæ akumulatory w obudowie baterii R6 o pojemnoœci nawet 1500 mAh. Napiêcie ogniwa wynosi 1,2 V. Ogniwo w pe³ni na³adowane ma napiêcie 1,45÷1,50 V, a wy³adowane 1,0 V. Zasada dzia³ania ogniwa NiMH polega na magazynowaniu gazowego wodoru w stopie metalu. P³ytka niklowa tworzy elektrodê dodatni¹, a elektrod¹ ujemn¹ jest specjalny stop metali ziem rzadkich: niklu, magnezu, aluminium i kobaltu, Proporcje wszystkich sk³adników decyduj¹ o pojemnoœci akumulatora i stanowi¹ œciœle strze¿on¹ tajemnicê producentów. Podczas ³adowania i roz³adowywania wodór przemieszcza siê pomiêdzy elektrodami gromadz¹c, lub oddaj¹ energiê. Do wad akumulatorów NiMH nale¿y zaliczyæ mniejsz¹ szybkoœæ ³adowania. Nie dotyczy to cyklu dziesiêciogodzinnego, dla którego wspó³czynnik ³adowania wynosi tak¿e 1,4. Problemy zaczynaj¹ siê przy ³adowaniu szybkim. Minimalny czas ³adowania ogniwa wynosi ok. 1 godziny. Podobnie jest te¿ z roz³adowywaniem. Nie zaleca siê pr¹dów roz³adowania wiêkszych ni¿ 3 do 5C. Zalet¹ ogniw jest brak „efektu pamiêciowego” ¯ywotnoœæ wspó³czesnych akumulatorów wynosi ok. 800÷1000 cykli ³adowania i roz³adowywania, pod warunkiem ¿e s¹ eksploatowane w sposób prawid³owy. Na zmniejszenie ¿ywotnoœci ma wp³yw zbyt du¿a temperatura która wytwarza siê przy szybkim ³adowaniu i powoduje degradacjê materia³ów z których wykonany jest akumulator. Wp³yw temperatury zaznacza siê podczas ³adowania pr¹dami wiêkszymi od 0,3C. Dla wiêkszoœci zwyk³ych ³adowarek o pr¹dzie 0,1C jej wp³yw na ¿ywotnoœæ akumulatora mo¿na pomin¹æ. Drugim bardzo wa¿nym czynnikiem jest prawid³owe roz³adowanie akumulatora. Jego ¿ywotnoœæ maleje przy bardzo silnym roz³adowaniu. Dlatego nale¿y unikaæ roz³adowania poni¿ej 0,9 V na ogniwo. Jest to szczególnie wa¿ne gdy akumulator sk³ada siê z wielu ogniw, lub kilka ogniw po³¹czonych jest szeregowo. Ró¿nice w pojemnoœci rzeczywistej akumulatorów mog¹ byæ na tyle du¿e, ¿e jeden z nich roz³aduje siê prêdzej ni¿ drugi. Przyczyn¹ tego mo¿e byæ tak¿e nierówne na³adowanie akumulatorów. W efekcie nierównomiernego roz³adowania mo¿na doprowadziæ do sytuacji, kiedy napiêcie na jednym akumulatorze spadnie do 0,9

26

10/98

W£1

+Uz R2 10k

R3 10k

T3 BC557B

P1 100k

R1 5,1k

+

R7

. Z

47k T1

T2

R5 470k

–

RX RY

AKUMULATOR

D1 R4 2,2k

D2

T1,T2 – BC547B D1,D2 – 1N4148

R6 47k

D3 LED

LATARKA

DLA ZAKRESU 2÷4V RX=22k, RY=100W DLA ZAKRESU 4÷6V RX=120k, RY=240W DLA ZAKRESU 6÷8V RX=220k, RY=680W

Rys. 3 Schemat ideowy kontrolera napiêcia akumulatora

giego wejœcia komparatora (baza T2) za poœrednictwem regulowanego dzielnika P1, RX, R6. Rezystor R5 wprowadza do uk³adu niewielk¹ histerezê eliminuj¹c¹ oscylacje w chwili prze³¹czania siê komparatora. W sytuacji gdy napiêcie zasilania doprowadzane z zacisków akumulatora jest wy¿sze ni¿ ustawiony próg tranzystor T2 jest nasycony, a T1 zatkany. W efekcie tego zatkaniu ulega tak¿e tranzystor T3 i dioda LED D3 pozostaje zgaszona. Obni¿anie siê napiêcia zasilaj¹cego powoduje, ¿e wartoœæ napiêcia na bazie T2 zmniejsza siê, natomiast na bazie T1 pozostaje sta³a dziêki stabilizacyjnemu dzia³aniu diod. Na skutek tego tranzystor T2 zatyka siê, a T1 nasyca, powoduj¹c

R3

R1

R7 R2

T2

R5

924

R6

D1 D2

Pó³przewodniki T1, T2 T3 D1, D2 D3

– – – –

BC 547B BC 557B 1N4148 LED kolor œwiecenia czerwony,

patrz opis w tekœcie

Rezystory

T3 +

D3

RY

RX

T1

R4

Uk³ad zbudowano na tranzystorach, chc¹c zapewniæ pracê przy minimalnym napiêciu 2,0 V. Co prawda mo¿na znaleŸæ wzmacniacze operacyjne pracuj¹ce przy takim napiêciu, ale s¹ one doœæ drogie. Uk³ad sk³ada siê z komparatora T1 i T2 pracuj¹cego w uk³adzie wzmacniacza ró¿nicowego. Napiêcie odniesienia ok. 1,2 V otrzymywane na diodach uniwersalnych D1, D2 doprowadzone jest do wejœcia komparatora (baza T1). Natomiast napiêcie mierzone, bêd¹ce równoczeœnie napiêciem zasilania doprowadza siê do dru-

429

Opis uk³adu

Wykaz elementów:

V/0,125 W R4 – 2,2 kV V/0,125 W R1 – 5,1 kV V/0,125 W R2, R3 – 10 kV V/0,125 W R6, R7 – 47 kV V/0,125 W R5 – 470 kV RX – patrz schemat ideowy RY – patrz schemat ideowy V TVP 1232 P1 – 100 kV p³ytka drukowana numer 429

T

V, a na drugim do 0,2 V. Mo¿e te¿ wyst¹piæ odwrócenie polaryzacji najbardziej roz³adowanego akumulatora. Wszystkie te czynniki powoduj¹ skracanie czasu ¿ycia akumulatorów. Wskazane jest przyj¹æ zasadê, ¿e w jednym komplecie, korzysta siê z akumulatorów o tej samej pojemnoœci, tego samego producenta i zakupionych w jednym czasie. Wiêkszoœæ urz¹dzeñ przeznaczonych do zasilania bateryjnego i akumulatorowego posiada uk³ady kontroli napiêcia, które wy³¹czaj¹ pobór pr¹du gdy napiêcie na zaciskach akumulatora spadnie poni¿ej wartoœci 0,9÷1,0 V na ogniwo. Zapobiega to nadmiernemu roz³adowaniu akumulatorów i skróceniu czasu ¿ycia. W niektórych uk³adach nie ma jednak takich zabezpieczeñ. Najprostszym z nich jest latarka. Poni¿ej przedstawiamy prosty uk³ad kontroli napiêcia na akumulatorach.

tak¿e nasycenie T3 i zapalenie diody LED. Uk³ad wymaga stosowania ró¿nych wartoœci rezystorów RX i RY w zale¿noœci od napiêcia pracy. Wartoœci te podano na schemacie ideowym (rys. 3). Z uwagi na niskie minimalne napiêcie pracy zaleca siê stosowanie diody LED o kolorze czerwonym. Przy czym nale¿y wybraæ diodê która œwieci ju¿ przy spadku napiêcia 1,6 V. Nie nadaj¹ siê do tego celu diody super jasne i o podwy¿szonej jasnoœci pracuj¹ce ze spadkiem napiêcia 2,1 V. Regulacja uk³adu jest bardzo prosta. Urz¹dzenie pod³¹cza siê do zasilacza regulowanego. Na jego wyjœciu ustawia siê napiêcie takie jak ma kontrolowaæ uk³ad. Na przyk³ad dla latarki lub innego urz¹dzenia zasilanego dwoma ogniwami NiCd powinno to byæ napiêcie 2 V (napiêcie roz³adowania 1,0 V na ogniwo). Z kolei dla trzech ogniw 3 V itd. Potencjometr P1 ustawia siê w takiej pozycji, aby dioda D3 by³a na granicy œwiecenia. Niewielkie zwiêkszenie napiêcia zasilania powinno spowodowaæ zgaœniêcie diody, a niewielkie zmniejszenie powoduje zapalenie diody pe³nym œwiat³em, co oznacza wy³adowanie akumulatorów i dalsze zaprzestanie ich eksploatacji.

P1 LED

Rys. 4 P³ytka drukowana i rozmieszczenie elementów

P³ytki drukowane wysy³ane s¹ za zaliczeniem pocztowym. P³ytki mo¿na zamawiaæ w redakcji PE. Cena: 1,50 z³ + koszty wysy³ki. Podzespo³y elektroniczne mo¿na zamawiaæ w firmie LARO - patrz IV strona ok³adki.

à mgr in¿. Dariusz Cichoñski

27

10/98

Kieszonkowy odbiornik stereofoniczny UKF FM Prezentujemy konstrukcjê miniaturowego odbiornika s³uchawkowego nadaj¹cego siê do noszenia jako tzw. walkman radiowy. Odbiornik nie wymaga k³opotliwych do zdobycia filtrów poœredniej czêstotliwoœci i kondensatora zmiennego. Wymiary p³ytki drukowanej dostosowano do typowej obudowy dostêpnej w sklepach z czêœciami elektronicznymi.

Opis podzespo³ów Do budowy odbiornika wykorzystano nowoczesne uk³ady scalone firmy Philips. Zasadnicza czêœæ odbiorcza wykorzystuje uk³ad TDA 7088T. Jest to uk³ad w obudowie typu SO16 przewidzianej do monta¿u powierzchniowego. Zawiera w swoim wnêtrzu: – pe³ny tor odbiorczy FM mono z demodulatorem, – obwód wyciszania, – uk³ad automatycznego przestrajania wspó³pracuj¹cy z zewnêtrzn¹ diod¹ pojemnoœciow¹, – zabezpieczenie przed odwrotn¹ polaryzacj¹ zasilania.

blokowy uk³adu prezentuje rys. 1. Sygna³ wejœciowy z anteny jest doprowadzany do szerokopasmowego uk³adu wejœciowego z indukcyjnoœci¹ L1 i dalej do mieszacza M. Do mieszacza doprowadzony jest tak¿e sygna³ z generatora

przestrajanego napiêciem VCO. Czêstotliwoœci obu tych sygna³ów ró¿ni¹ siê jedynie o 70 kHz. Tak¹ czêstotliwoœæ ma sygna³ poœredniej czêstotliwoœci wydzielany przez œrodkowoprzepustowy filtr RC (F). Nastêpnie sygna³ poœredniej czêstotliwoœci jest wzmacniany we wzmacniaczu ograniczaj¹cym O i podawany do demodulatora czêstotliwoœci DFM i demodulatora amplitudy D. Koncepcja tak niskiej czêstotliwoœci poœredniej umo¿liwi³a wyeliminowanie tradycyjnych filtrów LC ze wzmacniacza poœredniej czêstotliwoœci. Generator VCO pracuje w uk³adzie pêtli regulacji czêstotliwoœci (z angielskiego FLL) zapewniaj¹c dostrojenie do czêstotliwoœci œrodkowej filtru RC (F) zastosowanego na wejœciu wzmacniacza ograniczaj¹cego p.cz. (O). Zadaniem demodulatora amplitudy jest wytworzenie sygna³u STOP zatrzymuj¹cego uk³ad przestrajania. Jest on tak¿e wykorzystywany do wyciszania sygna³u m.cz. Sygna³ wyjœciowy z demodulatora czêstotliwoœci jest wykorzystywany potrójnie. Sk³adowa zmienna jako sygna³ wyjœciowy m.cz.. Sk³adowa sta³a przez wzmacniacz W1 s³u¿y do dok³adnego dostrajania generatora VCO. Sk³adowa sta³a z wyjœcia wzmacniacza W2 wykorzystywana jest przez uk³ad przestrajania UP. Napiêcie wyjœciowe uk³adu przestrajania jest pobierane z kondensatora C1 i przez rezystor R podawane do diody pojemnoœciowej D. Zmiana pojemnoœci diody przestraja zewnêtrzny obwód generatora VCO z indukcyjnoœci¹ L2. Mikroprze³¹cznik R s³u¿y do ustawienia najni¿szej czêstotliwoœci odbieranej, po krótkotrwa³ym zwarciu kondensatora C1. MikroprzeS +

WE w.cz.

L1

M

F

O

DFM C2

D

D

L2

VCO

W1

R

Minimalne napiêcie zasilania wynosi 1,8 V co pozwala na zasilanie napiêciem 3 V (dwa ogniwa R6). Maksymalne napiêcie zasilania nie powinno przekroczyæ 5 V. Typowy pobór pr¹du wynosi 5,2 mA. Zakres temperatur pracy -10÷+70° C pozwala na u¿ywanie przy lekkim mrozie jak i przy upale. Uproszczony schemat

START

C1

R

UP

DOSTR.

WY m.cz. W2

STOP

+

Rys. 1 Schemat blokowy TDA7088T

UW

28

10/98 TDA 7050. Tym razem w typowej osmionó¿kowej obudowie DIP8 charakterystycznej dla wzmacniaczy operacyjnych. Zawiera w swoim wnêtrzu dwa wzmacniacze mocy o ustalonym wzmocnieniu przeznaczone do wysterowania s³uchawek stereofonicznych. Wymaga minimalnej iloœci elementów zewnêtrznych i pracuje poprawnie przy napiêciu zasilania oko³o 2 V, co pozwala na zastosowanie zasilania bateryjnego 3 V. Typowy pobór pr¹du jest rzêdu 3 mA. Jego wzmocnienie napiêciowe wynosi 26 dB. Moc wyjœciowa pzy napiêciu zasilania 3 V i typowej dla s³uchawek rezystancji obci¹¿enia 32 V wynosi 35 mW. Maksymalne napiêcie zasilania nie powinno przekroczyæ 6 V.

³¹cznik S uruchamia przestrajanie do kolejnej stacji za pomoc¹ sygna³u START. Sygna³ stopu jest wytwarzany automatycznie zatrzymuj¹c przestrajanie z uk³adu UP. Dalsze dostrojenie VCO (dok³adne) odbywa siê przez wzmacniacz W1. Obwód wyjœciowy UW realizuje funkcjê wyciszania. Zmniejsza to znacznie szumy podczas przestrajania automatycznego. Kolejnym uk³adem jest dekoder stereofoniczny TDA 7040T. Tak¿e w obudowie przewidzianej do monta¿u powierzchniowego (SO8). W swoim wnêtrzu zawiera: – filtr dolnoprzepustowy eliminuj¹cy sk³adowe poœredniej czêstotliwoœci 70 kHz, – generator VCO 228 kHz, – detektor pilota i uk³ad za³¹czania stereo, – uk³ad t³umienia zak³óceñ, – dekoder prze³¹cznikowy. Minimalne napiêcie zasilania wynosi tak¿e 1,8 V. Maksymalne napiêcie nie powinno przekroczyæ 6 V. Typowa wartoœæ pobieranego pr¹du - 3 mA. Wzmacniacz ma³ej czêstotliwoœci to tak¿e uk³ad firmy Philipsa o oznaczeniu

Schemat ideowy i dzia³anie

Antena prêtowa stosowana w odbiornikach przenoœnych, w odbiorniku kieszonkowym jest nie do przyjêcia. Dlatego jako antenê odbiornika wykorzystamy przewód s³uchawek. Separacjê przewodu s³uchawkowego od masy dla sygna³ów w.cz. zapewniaj¹ d³awiki w.cz. do³¹czone do jego ¿y³ (D£1, D£2, D£3).

Sygna³ w.cz. indukowany w przewodzie masy s³uchawek jest podawany przez dzielnik pojemnoœciowy C1, C3 do obwodu wejœciowego z indukcyjnoœci¹ L1. Wejœcie mieszacza to wyprowadzenia 11 i 12 US1. Wyprowadzenie 12 jest blokowane kondensatorem C5 do masy. Do wyprowadzenia 5 i „+” zasilania do³¹czony jest obwód rezonansowy generatora, sk³adaj¹cy siê z indukcyjnoœci L2 i szeregowo po³¹czonych diody pojemnoœciowej D1 i kondensatora C13. Do anody diody pojemnoœciowej, rezystorem R1 doprowadzane jest napiêcie przestrajania z wyprowadzenia 16 (US1). Napiêcie to jest filtrowane kondensatorem C8. Katoda diody do³¹czona jest przez indukcyjnoœæ L2 do „+” zasilania. Zwarcie styków W£2 (R) zwiera kondensator C8. Napiêcie na wyprowadzeniu 16 jest zbli¿one do napiêcia zasilania. Dioda jest wtedy polaryzowana minimalnym napiêciem i posiada najwiêksz¹ pojemnoœæ, co odpowiada najmniejszej czêstotliwoœci sygna³u odbieranego (oko³o 88 MHz). Krótkotrwa³e zwarcie styków W£1 (S) uruchamia przestrajanie. Napiêcie na wyprowadzeniu 16 zmniejsza siê. Wzrasta

+ W£3 1

8

C18 100 mF P1 22k

C9

C1 82p

C3 68p

C2 330p

7

11

6

L1 C5 220p

C6 C7

10n 470p

13

4

BB105G

C16 220n

680p

C14 22n 14

3

15

2

16

1

5

5

4

10W

100 mF

6

3

100n

7

R7

P3

120k

US3 TDA7040T 2

C25 100n

R6 22k

Rys. 2 Schemat ideowy

1

100k

R8 4,7k C27 C28 100n

8

P2 100k

D£2 P

C26

C24 270p

W£2 ,, ,, R

C20

C21 10n

C23 100n

C8 100n W£1 ,, S

4

C22 10n C15 100n

R1 5,6k

R4

6

C17 220n

C13

5

US1 TDA 7088T

L 10W 100 mF

R10 100 k

100 mF

L2 D1

12

C4 100n

C10 3,3n

C11 180p

D£1

D£3

R9 100k C12

8

10

3

C19

R3

7

US2 TDA7050

P1’ 22k

3,9n

9

2

T

R2 10W

3V –

220n

29

10/98

korzystanie obudowy z tworzywa o oznaczeniu Z-32. Obudowa ta ma miejsce na baterie. Do umieszczenia i pod³¹czenia dwóch ogniw R6 mo¿na zastosowaæ pojemnik oznaczany BC-223. Aby uzyskaæ mo¿liwoœæ wymiany ogniw nale¿y odci¹æ z jednej strony pojemnika uchwyty przytrzymuj¹ce ogniwa. Przewody zasilaj¹ce p³ytkê dolutowaæ bezpoœrednio do kontaktów pojemnika. Przed przyst¹pieniem do monta¿u dopasowaæ otwory w p³ytce do posiadanych elementów. Nastêpnie przyst¹piæ do nawiniêcia cewek. Cewki L1 i L2 nawin¹æ na trzpieniu (wiertle) o œrednicy 4 mm drutem nawojowym o œrednicy 0,5÷0,6 mm. Iloœæ zwojów wynosi 6,5– nawin¹æ pe³ne 6 zwojów i dowin¹æ trochê wiêcej jak 0,5 zwoju dla uzyskania wyprowadzeñ z jednej strony cewki bez potrzeby ich doginania (tzw. krêpowania). Wyprowadzenia o d³ugoœci 4 mm oczyœciæ z izolacji i pocynowaæ. D³awiki wykonaæ przez nawiniêcie 15,5 zwoju drutu nawojowego o œrednicy 0,4÷0,5 mm na trzpieniu o œrednicy 3 mm. Cewki i d³awiki zamontowaæ bezpoœrednio na powierzchni p³ytki. Nastêpnie zamontowaæ zwory, elementy RC i na zakoñczenie pó³przewodniki. Szczególnej starannoœci wymaga monta¿ (lutowanie) uk³adów scalonych US1 i US3. Uk³ady te nale¿y zamontowaæ od strony œcie¿ek korzystaj¹c z lutownicy o cienkim grocie, zasilanej napiêciem bezpiecznym 24 V. Na p³ytce zaznaczono po³o¿enie wyprowadzeñ nr 1. Wyprowadzenie 1 znajduje siê po stronie uk³adu scalonego ze œciêciem na górnej krawêdzi. Po lutowaniu sprawdziæ czy nie ma zwaræ korzystaj¹c z lupy. Po zamontowaniu elementów regu-

W£1

R1

W£2

C25

C14 D1 L2

1

1 D£3

C10

C9 L1 C1 C2

C7

C23 17

US3

US1

C8 R6

1

C24

P2

C13

C5

C21 C26

1

C28

C27 D£1

C6

C4

C3

P1 –

C19 R4 R3

Rys. 3 P³ytka drukowana i rozmieszczenie elementów

C18

R2

C20

TDA 7050

D£2

US2

R9

C15

824

C16

428

R10

Do budowy odbiornika nale¿y skompletowaæ elementy o ma³ych wymiarach zewnêtrznych. Dotyczy to zw³aszcza kondensatorów. Przed monta¿em wskazane jest dopasowanie p³ytki drukowanej do posiadanej obudowy. Przewidziano wy-

R8

Monta¿ i uruchomienie

R7

Obwód R8, C27, C28 stanowi filtr uk³adu PLL odtwarzaj¹cego sygna³ podnoœnej (38 kHz) niezbêdny dla pracy dekodera. C23 do³¹czone jest w uk³adzie detekcji pilota i automatycznego prze³¹czania mono - stereo. Rezystor nastawny P3 s³u¿y do dostrojenia generatora VCO uk³adu PLL. Mo¿liwe jest zast¹pienie P3 rezystorem o rezystancji oko³o 47 kV. Sygna³ wyjœciowy kana³u prawego uzyskuje siê na wyprowadzeniu 5, a sygna³ kana³u lewego na wyprowadzeniu 6 (US3). Kondensatory C21 i C22 z rezystancjami wyjœciowymi dekodera (oko³o 5 kV) realizuj¹ uk³ady deemfazy. Rezystory R9 i R10 zmniejszaj¹ sygna³ podawany na potencjometry P1, P1’ i w efekcie sygna³ wyjœciowy, daj¹c zabezpieczenie uszu s³uchacza. Sygna³y z suwaków potencjometrów P1, P1’ podawane s¹ do wejœæ 2 i 3 US2. Sygna³y wyjœciowe uzyskuje siê na wyprowadzeniach 6 i 7 wzmacniacza. Rezystory R3 i R4 zabezpieczaj¹ dodatkowo wyjœcia wzmacniacza. Przez kondensatory C19, C20 i d³awiki D£1, D£2 sygna³ wyjœciowy podawany jest do s³uchawek. Napiêcie zasilania blokowane jest kondensatorem C18. Zasilanie uk³adów US1 i US3 jest filtrowane rezystorem R2 i kondensatorami C12, C26, C6. Pobór pr¹du bez wysterowania przy napiêciu zasilaj¹cym 3 V wynosi oko³o 12 mA.

C11 C22

napiêcie polaryzuj¹ce diodê i nastêpuje przestrajanie odbiornika w kierunku wy¿szych czêstotliwoœci. Natrafienie na stacjê radiow¹ zatrzymuje zmianê napiêcia przestrajania. Kolejne zwarcie styków W£1 uruchomi dalsze przestrajanie. Pe³ny zakres zmiany napiêcia przestrajania nie przekracza 1,5 V. Wymaga to zastosowania diody pojemnoœciowej o du¿ym nachyleniu charakterystyki pojemnoœci w zakresie 0,5÷2 V. Najlepiej do tego celu nadaje siê dioda BB 910 zalecana przez Philipsa. W proponowanym rozwi¹zaniu zastosowano dostêpn¹ powszechnie diodê BB 105G. Mo¿na zastosowaæ mniej popularne diody BB 105B. Od jakoœci diody bêdzie zale¿a³o uzyskanie pe³nego zakresu przestrajania 88÷108 MHz. Kondensatory C9, C10, C11 ustalaj¹ czêstotliwoœæ filtru œrodkowoprzepustowego wzmacniacza poœredniej czêstotliwoœci. Ich dobór nie jest krytyczny, poniewa¿ generator VCO dostraja siê zawsze do charakterystyki filtru. Kondensator C15 wykorzystany jest w uk³adzie wyciszania sygna³u wyjœciowego, który uzyskujemy na wyprowadzeniu 2 US1. Podczas przestrajania sygna³ wyjœciowy jest wyciszony. Po dostrojeniu wyciszanie wy³¹cza siê automatycznie. Przez rezystor nastawny P2 i kondensator C25, z³o¿ony sygna³ stereofoniczny z US1 podawany jest do wejœcia dekodera (8 US3). Rezystorem nastawnym P2 ustala siê wzmocnienie stopnia wejœciowego dekodera. Kondensator C24 zapewnia korekcjê górnych czêstotliwoœci. P2 mo¿na zast¹piæ rezystorem o dobranej rezystancji z przedzia³u 33÷68 kV. Zmniejszenie rezystancji zwiêksza wzmocnienie i obni¿a próg zadzia³ania dekodera.

3V

C12

W£3 +

30 lacji i gniazda s³uchawkowego, wykonaæ w górnej czêœci obudowy otwory umo¿liwiaj¹ce dostêp do potencjometru si³y g³osu, wy³¹cznika zasilania W£3 i przycisków W£1, W£2. Mikroprze³¹czniki W£1, W£2 powinny mieæ d³ugie trzpienie, aby wystawa³y oko³o 2 mm nad powierzchniê obudowy (podobnie wy³¹cznik W£3). Na krótszej œciance bocznej wykonaæ otwór do wyprowadzenia gniazda s³uchawkowego. Do ustalenia po³o¿enia p³ytki w obudowie przewidzieæ wsporniki. Po sprawdzeniu poprawnoœci monta¿u mo¿na przyst¹piæ do uruchamiania odbiornika. Do tego celu niezbêdny bêdzie multimetr i inny odbiornik radiowy UKF FM na zakres CCIR (87,5÷108 MHz). Oczywiœcie potrzebne bêd¹ dwa ogniwa R6 lub zasilacz sieciowy 3 V. Napiêcie z zasilacza musi byæ starannie odfiltrowane (stabilizowane). Rezystory nastawne ustawiæ w œrodkowe po³o¿enia, a potencjometr P1 na minimum si³y g³osu. Do³¹czyæ zasilanie przez miliamperomierz. Pobór pr¹du nie powinien przekraczaæ 12 mA. Przekroczenie tej wartoœci mo¿e oznaczaæ zwarcie w obwodzie zasilania na p³ytce, które nale¿y zlokalizowaæ i usun¹æ. Sprawdziæ napiêcia zasilania na poszczególnych uk³adach scalonych (US1 – wyprowadzenie 4, US2 – wyprowadzenie 8, US3 – wyprowadzenie 4). Wartoœci tych napiêæ powinny byæ zbli¿one do 3 V. Napiêcia na wyprowadzeniach 6 i 7 US2 powinny wynosiæ oko³o 1,5 V. Do³¹czyæ s³uchawki stereofoniczne o typowej rezystancji 32 V. Potencjometr P1 ustawiæ na maksimum si³y g³osu. Jeœli nie s³ychaæ audycji lub szumu, przytkn¹æ palec za poœrednictwem œrubokrêta do wejœcia dekodera. Powinien daæ siê s³ychaæ przydŸwiêk sieci. Jeœli nic nie s³ychaæ trzeba sprawdziæ tor sygna³owy i usun¹æ ewentualn¹ usterkê. PrzydŸwiêk powinien byæ s³yszalny w obu s³uchawkach. Lekko rozgi¹æ zwoje cewki L2. Nieco wiêcej rozci¹gn¹æ zwoje cewki L1. Wcisn¹æ przycisk W£2 (R). Po ustaleniu maksymalnego napiêcia na wyprowadzeniu 16 US1, zacznie siê ono zmniejszaæ. Rozpocznie siê automatycznie przestrajanie, które powinno zatrzymaæ siê na jakiejœ lokalnej stacji UKF. Napiêcia tego nie da siê zmierzyæ typowym multimetrem. Wymagana jest du¿a rezystancja wejœciowa woltomierza (rzêdu 100 MV). Brak odbioru wymaga wyszukania nieprawid³owoœci monta¿u lub wadliwego elementu. Korzystaj¹c z odbiornika „wzorcowe-

10/98 go” okreœliæ czêstotliwoœæ odbieranego sygna³u. Nacisn¹æ krótkotrwale przycisk W£1 (S). Odbiornik powinien przestroiæ siê na stacjê o wiêkszej czêstotliwoœci. Sprawdzaæ odbiornikiem „wzorcowym” kolejne czêstotliwoœci odbieranych sygna³ów. W pewnym momencie odbiornik przestanie siê przestrajaæ, co œwiadczy o osi¹gniêciu najwy¿szej czêstotliwoœci odbieranej. Dociskaj¹c lub rozginaj¹c zwoje cewki L2 uzyskaæ odbiór stacji o czêstotliwoœci najbli¿szej 108 MHz. Rozci¹ganie cewki zwiêksza odbieran¹ czêstotliwoœæ (zmniejsza indukcyjnoœæ), a œciskanie zwojów zmniejsza czêstotliwoœæ (zwiêksza indukcyjnoœæ). Wcisn¹æ przycisk „R” i sprawdziæ jak¹ najni¿sz¹ czêstotliwoœæ odbiera odbiornik. Jeœli jest zbli¿ona do 88 MHz lub ni¿sza, to strojenie mo¿na zakoñczyæ. Jeœli bêdzie wy¿sza, nale¿y zwiêkszyæ indukcyjnoœæ L2 (œcisn¹æ lekko zwoje) i sprawdziæ najni¿sz¹ czêstotliwoœæ odbieran¹ a nastêpnie najwy¿sz¹. Mo¿e siê okazaæ wskazanym rozwi¹zanie kompromisowe. Trzeba bêdzie wybraæ czy bardziej zale¿y nam na dolnych czêstotliwoœciach odbieranych, czy górnych. Inna ewentualnoœæ to dobieranie diod pojemnoœciowych, dla uzyskania pe³nego pokrycia zakresu. Cewkê L1 nale¿y dostroiæ na œrodkowej czêstotliwoœci zakresu, w³aœciwe jej zestrojenie poprawia dostrajanie siê odbiornika na najni¿szych odbieranych czêstotliwoœciach. Powinna byæ nieco bardziej rozci¹gniêta ni¿ cewka L2. Strojenie dekodera stereofonicznego nale¿y wykonaæ zdaj¹c siê na s³uch. W tym celu zmniejszyæ rezystancjê P2 do oko³o 33 kV (zwiêkszenie wzmocnienia wejœcia dekodera). Dostroiæ siê do najlepiej odbieranej stacji stereofonicznej. Pokrêcaj¹c suwakiem rezystora nastawnego P3 okreœliæ po³o¿enia przy jakich zanika przestrzennoœæ dŸwiêku (stereo). Ostatecznie ustawiæ suwak w œrodku miêdzy tymi punktami. Przy ustawieniu potencjometru P1 na maksimum ustaliæ maksymaln¹ g³oœnoœæ reguluj¹c rezystorem nastawnym P2. Zmniejszanie g³oœnoœci mo¿e spowodowaæ zanik stereo, wtedy nale¿y cofn¹æ suwak P2, a g³oœnoœæ skorygowaæ przez zmianê wartoœci rezystorów R9 i R10. Rezystory nastawne TVP1232 maj¹ du¿¹ wysokoœæ i dlatego niezbêdne jest po ustaleniu po³o¿eñ suwaków ich wymontowanie i zmierzenie rezystancji. Nale¿y zast¹piæ je rezystorami o takich samych wartoœciach rezystancji.

Wykaz elementów

Pó³przewodniki US1 US2 US3 D1

– – – –

TDA 7088T TDA 7050 TDA 7040T BB 105G (BB 610, BB 105B)

– – – – – – – –

10 V/0,125 W 4,7 kV/0,125 W 5,6 kV/0,125 W 22 kV/0,125 W 100 kV/0,125 W 120 kV/0,125 W 2x22 kV (log.) 100 kV TVP1232

Rezystory R2, R3, R4 R8 R1 R6 R9, R10 R7 P1 P2, P3

Kondensatory C3 – C1 – C11 – C5 – C24 – C2 – C7 – C13 – C10 – C9 – C6, C21, C22 – C14 – C4, C8, C15, C23, C25, C26, C28 – C16, C17, C27 – C12, C18, C19, C20 –

68 pF/50 V ceramiczny 82 pF/50 V ceramiczny 180 pF/50 V ceramiczny 220 pF/50 V ceramiczny 270 pF/50 V ceramiczny 330 pF/50 V ceramiczny 470 pF/50 V ceramiczny 680 pF/50 V ceramiczny 3,3 nF/50 V ceramiczny 3,9 nF/50 V ceramiczny 10 nF/25 V ceramiczny 22 nF/25 V ceramiczny

100 nF/63 V MKT 220 nF/63 V MKT 100 mF/6,3 V 04/U

Inne L1, L2 – 6,5 zw. DNE 0,6/4 mm D£1, D£2, D£3 – 15,5 zw. DNE 0,45/3 mm W£1, W£2 – mikroprze³¹cznik W£3 – wy³¹cznik suwakowy gniazdo s³uchawkowe – GJ21 obudowa – Z-32 pojemnik na baterie – BC-223 p³ytka drukowana numer 428

P³ytki drukowane wysy³ane s¹ za zaliczeniem pocztowym. Cena: 3,16 z³ + koszty wysy³ki. Podzespo³y elektroniczne mo¿na zamawiaæ w firmie LARO - patrz IV strona ok³adki.

à R.K.

31

10/98

Elektronika inaczej cz. 33 Przemiana czêstotliwoœci Jest to operacja stosowana w technice analogowej. Polega na przesuniêciu czêstotliwoœci lub pasma sygna³u w dziedzinie czêstotliwoœci. Operacja ta dotyczyæ mo¿e sygna³ów zmodulowanych, nie zmieniaj¹c parametrów modulacji. W przypadku modulacji mamy do czynienia z „zakodowaniem” informacji i jednoczesnym przesuniêciem czêstotliwoœci. Przemiana ogranicza siê jedynie do przesuniêcia czêstotliwoœci. Uk³ad realizuj¹cy przemianê czêstotliwoœci nazywany jest stopniem przemiany lub mieszaczem. Stopieñ przemiany jest podstawowym blokiem superheterodynowych odbiorników radiowych i telewizyjnych. Rodzaje przemiany czêstotliwoœci Zanim przyst¹pimy do opisania rodzajów przemiany zapoznamy siê ze schematem blokowym ilustruj¹cym jej dzia³anie. fs-fh fh-fs

fs M

fp F

fh

Rys. 1 Schemat blokowy przemiany czêstotliwoœci

Schemat ten zawiera dwa bloki: oznaczony liter¹ M mieszacz i filtr œrodkowoprzepustowy oznaczony liter¹ F. Do mieszacza doprowadzony jest sygna³ wejœciowy o czêstotliwoœci fs, który bêdzie poddany przemianie. Do uzyskania przemiany niezbêdny jest drugi sygna³ tzw. sygna³ heterodyny o czêstotliwoœci fh. Czêstotliwoœæ fh wyznacza przesuniêcie czêstotliwoœci sygna³u wyjœciowego wzglêdem wejœciowego. Czêstotliwoœæ sygna³u wyjœciowego nazywana jest czêstotliwoœci¹ poœredni¹ fp. Do wytworzenia sygna³u heterodyny niezbêdny jest specjalny generator nazywany heterodyn¹ lub generatorem lokalnym. Najczêœciej jest to generator przestrajany. Powinien charakteryzowaæ siê bardzo dobrymi parametrami. Istotna jest niska zawartoœæ harmonicznych, poniewa¿ ka¿da harmoniczna w kombinacji z przypadkowym sygna³em wejœciowym mo¿e daæ czêstotliwoœæ poœredni¹. Sytua-

cja taka nazywana jest odbiorem niepo¿¹danym. Wa¿ne s¹ tak¿e stabilnoœæ czêstotliwoœci i amplitudy sygna³u wyjœciowego. Bezpoœrednio na wyjœciu mieszacza M uzyskuje siê sygna³y o czêstotliwoœciach bêd¹cych ró¿nymi kombinacjami czêstotliwoœci sygna³ów wejœciowego i heterodyny. Podstawowe okreœlone s¹ podanymi ni¿ej wzorami: fp1 = fh

fs

fp1 = fs

fh

Bêd¹ tam tak¿e sygna³y o czêstotliwoœciach fs i fh. Zadaniem filtru œrodkowoprzepustowego jest wydzielenie jednej z nich uwa¿anej za czêstotliwoœæ poœredni¹ fp. Najczêœciej wykorzystuje siê sk³adow¹ fp1. Nale¿y zauwa¿yæ, ¿e uzyskany zgodnie z tym wzorem sygna³ poœredniej czêstotliwoœci bêdzie mia³ zamienione miejscami wstêgi boczne. Mo¿e to byæ istotne przy sygnale jednowstêgowym lub z czêœciowo t³umion¹ wstêg¹ boczn¹. Przemiana jest operacj¹ realizowan¹ na przebiegach sinusoidalnych. Aby uzyskaæ sygna³, którego czêstotliwoœæ bêdzie sum¹ lub ró¿nic¹ czêstotliwoœci sygna³ów wejœciowych nale¿y dokonaæ ich wymno¿enia (podobnie jak przy opisywanej wczeœniej modulacji). Odbywa siê to na zasadzie funkcji sinusoidalnych sumy i ró¿nicy k¹tów. Iloczyn sygna³ów wejœciowych jest tak¿e jednym ze sk³adników podniesionej do kwadratu sumy sygna³ów. Tak¹ sytuacjê mamy w przedstawionej na rysunku 2 przemianie sumacyjnej.

Es

~

fp EN

F

Eh ~

Rys. 2 Przemiana sumacyjna

Sygna³y wejœciowy Es i heterodyny Eh s¹ sumowane i doprowadzane do elementu nieliniowego EN. Elementem nieliniowym mo¿e byæ przesterowany tranzystor lub dioda pó³przewodnikowa. Dziêki nieliniowoœci uzyskuje siê pomno-

¿enie sygna³ów i w efekcie poszukiwane sk³adowe o czêstotliwoœciach ró¿nicowych. Filtr œrodkowoprzepustowy F wydziela w³aœciw¹ sk³adow¹ jako sygna³ poœredniej czêstotliwoœci. Zalet¹ tej metody jest prostota uk³adowa. Podstawow¹ wad¹ jest mo¿liwoœæ wyst¹pienia wielu odbiorów niepo¿¹danych. Zasadnicz¹ ich przyczyn¹ jest nieliniowoœæ niezbêdna do uzyskania przemiany. Powoduje ona jednoczeœnie powstanie harmonicznych sygna³ów wejœciowego i heterodyny, których kombinacje mog¹ daæ tak¿e czêstotliwoœæ poœredni¹. Kolejn¹ wad¹ jest przenikanie sygna³u heterodyny do obwodu sygna³u wejœciowego, który w pewnych sytuacjach mo¿e zostaæ nawet wypromieniowany przez antenê odbiorcz¹. Podanych wad jest pozbawiona tzw. przemiana iloczynowa. Obwody, wejœciowy i heterodyny s¹ rozdzielone. Zasadniczym blokiem jest uk³ad mno¿enia analogowego UM. Uk³ad ten pracuje liniowo w odniesieniu do oddzielnych sygna³ów, wejœciowego i heterodyny. Na jego wyjœciu uzyskuje siê sygna³y o czêstotliwoœciach bêd¹cych kombinacjami (sum¹ i ró¿nic¹) czêstotliwoœci sygna³ów wejœciowych. Sygna³ poœredniej czêstotliwoœci wydzielany jest przez filtr œrodkowoprzepustowy F.

fp Es

~

UM

F

Eh ~

Rys. 3 Przemiana iloczynowa

Wad¹ przemiany iloczynowej by³a kiedyœ trudnoœæ jej realizacji na dyskretnych tranzystorach bipolarnych, chocia¿ by³a powszechnie stosowana w dobie lamp elektronowych. Wrócono do niej w technice uk³adów scalonych. Do jej realizacji nadaj¹ siê tak¿e dwubramkowe tranzystory polowe MOS.

Przyk³ady uk³adów przemiany czêstotliwoœci Zaczniemy od uk³adów przemiany sumacyjnej. Jako pierwszy opiszê tzw. mieszacz diodowy (rys. 4) wykorzystuj¹cy diodê pó³przewodnikow¹ jako element nieliniowy.

32

10/98 +Uz

D

us

Ls

Cp

Cs

Lp

uh

Rys. 4 Mieszacz diodowy

Sygna³ wejœciowy us podawany jest przez transformator dopasowuj¹cy i wydzielany w obwodzie Ls, Cs. Tak¿e przez transformator jest podawane napiêcie heterodyny uh. Uzwojenia wtórne transformatorów, dioda D i obwód rezonansowy Lp, Cp filtru poœredniej czêstotliwoœci po³¹czone s¹ szeregowo. W obwodzie tym dziêki nieliniowoœci diody uzyskuje siê miêdzy innymi sygna³ o czêstotliwoœci poœredniej wydzielany przez podany wy¿ej obwód i transformowany jako sygna³ up. Uk³ad wymaga napiêcia heterodyny o wartoœci umo¿liwiaj¹cej wprowadzanie diody w stan przewodzenia. Wartoœæ tego napiêcia mo¿na zmniejszyæ polaryzuj¹c wstêpnie diodê w kierunku przewodzenia. Wad¹ uk³adu jest brak wzmocnienia. Stosowany jest przy wielkich czêstotliwoœciach. Jako element nieliniowy mo¿na zastosowaæ tranzystor bipolarny, którego obwód wejœciowy B-E odpowiada diodzie. Tranzystor oprócz wzmocnienia sygna³u poœredniej czêstotliwoœci mo¿e byæ wykorzystany jako heterodyna. Taki „kombajn” nazywany jest mieszaczem samowzbudnym.

Cp C1

Lp

T C2

Cs

Ls

us uh

Lh

+Uz

Rys. 5 Mieszacz samowzbudny

Przedstawiony schemat odpowiada mieszaczowi u¿ywanemu w prostych odbiornikach radiowych. Sygna³ wejœciowy indukowany za pomoc¹ rdzenia ante-

ny ferrytowej jest wydzielany przez obwód Ls, Cs. Jako napiêcie us podawany jest do obwodu bazy tranzystora T. W obwodzie kolektora w³¹czony jest obwód wyup dzielaj¹cy sygna³ poœredniej czêstotliwoœci (Lp, Cp). Szeregowo z nim w³¹czony jest obwód rezonansowy generatora lokalnego (heterodyny) - Lh, Ch. Napiêcie sprzê¿enia zwrotnego jest podawane przez uzwojenie sprzêgaj¹ce i kondensator C2 do emitera tranzystora. Zapewnia ono wzbudzenie drgañ generatora i jest jednoczeœnie napiêciem heterodyny uh. Generator pracuje w uk³adzie Meissnera (ze sprzê¿eniem transformatorowym). Sygna³ us i napiêcie heterodyny uh s¹ sumowane w obwodzie B-E tranzystora. Nieliniowoœæ tranzystora prowadzi do uzyskania sygna³u o poœredniej czêstotliwoœci wydzielanego w obwodzie kolektora i podawanego przez transformator jako up.

sk³adaj¹cy siê z indukcyjnoœci Lp oraz kondensatora Cp i podawany na wyjœcie jako up. Bramka druga wymaga polaryzacji napiêciem sta³ym. W opisywanym uk³adzie napiêcie polaryzuj¹ce jest pobierane z rezystora Ÿród³owego. O stosunkowo ma³ej popularnoœci tego rozwi¹zania stanowi¹ rozwój uk³adów scalonych i podatnoœæ na uszkodzenia tranzystorów polowych MOS. Mieszacze iloczynowe na tranzystorach bipolarnych wymagaj¹ znacznego skomplikowania uk³adu. Dlatego s¹ one realizowane dopiero w technice uk³adów scalonych. Podstawowym uk³adem jest tutaj wzmacniacz ró¿nicowy, w którym napiêcie heterodyny zmienia sumê pr¹dów tranzystorów pary symetrycznej. Pr¹d w obwodzie kolektorów tych tranzystorów jest proporcjonalny do iloczynu napiêæ wejœciowych. Sygna³ wejœciowy us przez transformator podawany jest do baz tranzystorów wzmacniacza ró¿nicowego. Obwód rezonansowy Ls i Cs s³u¿y do wydzielania tego sygna³u. Napiêcie heterodyny uh przez kolejny transformator podawane Cp Lp up fs jest do bazy Ÿród³a pr¹dowego. Sygna³ poœredniej czêstotliwoœci wydzielany jest przez obwód Lp, Cp i przez transformator po+Uz dawany na wyjœcie (up). fh Na obu schematach przemiany iloczynowej widaæ oddzielenie obwodu sygna³u Rys. 6 Mieszacz iloczynowy z dwubramkowym wejœciowego od obwodu hetetranzystorem polowym rodyny. Zmniejsza siê dziêki temu mo¿liwoœæ zak³ócania odbioru innym. Oba te uk³ady obarczone s¹ wadami Problem tzw. sygna³ów niepo¿¹danych charakterystycznymi dla przemiany sujest istotnym zagadnieniem zwi¹zanym z macyjnej. Kolejne prezentowane uk³ady przemian¹ czêstotliwoœci. dotycz¹ przemiany iloczynowej. Pr¹d drenu dwubramkowego tranzystora polowego Sygna³y niepo¿¹dane up MOS jest proporcjonalny do iloJak poda³em na samym pocz¹tku czynu napiêæ podawanych na uk³ad przemiany wytwarza na swoim obie bramki. Umo¿liwia to jego wyjœciu wiele sygna³ów o czêstotliwobezpoœrednie wykorzystanie do Ch œciach bêd¹cych kombinacjami czêstotlirealizacji stopnia przemiany. woœci sygna³ów wejœciowych oraz kombiSygna³ o czêstotliwoœci nacjami ich harmonicznych. Sygna³ami fs podawany jest do pierwszej niepo¿¹danymi bêdziemy nazywali takie bramki. Do drugiej bramki posygna³y wejœciowe, które dadz¹ na wyjdawane jest napiêcie heterodyœciu sygna³y o czêstotliwoœci poœredniej. ny o czêstotliwoœci fh. Iloczyn Pierwszym niepo¿¹danym sygna³em, obu tych sygna³ów wytwarza w na który wrêcz uk³ad przemiany jest uczuobwodzie drenu sygna³y o czêstotliwolony, to sygna³ o czêstotliwoœci poœredniej œciach sumacyjnych i ró¿nicowych. Sygna³ fp. Stopieñ przemiany bardzo dobrze poœredniej czêstotliwoœci jest wydzielany przez obwód pierwotny transformatora wzmacnia sygna³ o czêstotliwoœci poœre-

33

10/98 kolejnym sygna³em niepo¿¹danym bêdzie tak zwany sygna³ lustrzany fl. Sygna³ ten daje czêstotliwoœæ poœredni¹ wedCp Lp up ³ug wzoru: fp = fl - fh. Wszystkie nastêpne sygna³y niepo¿¹dane bêd¹ zwi¹zane na przyk³ad z harmonicznymi czêstotliwoœci heterodyny. Za t³umienie sygna³ów us Lp Cp niepo¿¹danych odpowiada obwód selektywny znajduj¹cy siê w torze sygna³owym przed stopniem przemiany. Przy du¿ych czêstotliwoœciach sygna³u i uh Lh Ch ma³ych czêstotliwoœciach poœrednich (fale krótkie) t³umienie sygna³ów lustrzanych mo¿e byæ niewystarczaj¹ce. Sposobem na jego poprawienie jest zastosowanie tzw. podwójnej przemiaRys. 7 Mieszacz iloczynowy na tranzystorach ny czêstotliwoœci. bipolarnych Podwójna przemiana czêstotliwoœci wymaga zastosowania dwóch dniej np. wypromieniowany przez inny mieszaczy i oczywiœcie dwóch heterodyn. odbiornik. Mieszacz M1 s³u¿y do zwiêkszenia odstêPrzy ustaleniu czêstotliwoœci poœrepu miêdzy czêstotliwoœci¹ sygna³u po¿¹dniej zgodnie ze wzorem: fp = fh - fs,

A

fp

fp

fs

fp

fh

fL

f

Rys. 8 Podstawowe sygna³y niepo¿¹dane

fp 1

fs M1

fh 1

fp M2

fh 2

Rys. 9 Podwójna przemiana czêstotliwoœci

danego a czêstotliwoœci¹ sygna³u lustrzanego. Dlatego pierwsza czêstotliwoœæ poœrednia fp1 jest kilka razy wiêksza od drugiej czêstotliwoœci poœredniej fp2. Rozwi¹zanie to stosuje siê w wysokiej klasy odbiornikach fal krótkich. Ci¹g dalszy w nastêpnym numerze.

napiêcie na wyjœciu ³adowarki i stabilizator US1 d¹¿y do podniesienia tego napiêcia. Powoduje to przep³yw pr¹du ³adogo pr¹du ³adowania, lub LM 350 - 3,0 A. wania z wyjœcia stabilizatora US1 przez Regulacjê napiêcia wyjœciowego, do akumulator i rezystor R4 do masy. Pr¹d którego ma byæ na³adowany akumulator ³adowania wywo³uje proporcjonalny do przeprowadza siê potencjometrem P1. niego spadek napiêcia na rezystorze R4. Natomiast do regulacji maksymalnego W efekcie tego tranzystor T1 zaczyna siê pr¹du ³adowania s³u¿y potencjometr P2. otwieraæ zmniejszaj¹c napiêcie na wejœciu Ustawianie napiêcia koñcowego ³aREG stabilizatora ograniczaj¹c tym sadowania przeprowadza siê bez pod³¹mym pr¹d do zadanej wartoœci. czonego akumulatora, mierz¹c woltoW miarê jak wzrasta napiêcie na zamierzem napiêcie wyjœciowe. Po do³¹czeciskach akumulatora pr¹d ³adowania niu roz³adowanego akumulatora uk³ad spada prawie do zera. Uk³ad przechodzi zaczyna stabilizowaæ pr¹d wyjœciowy. Nawiêc p³ynnie do stabilizacji napiêcia okrepiêcie akumulatora jest wtedy ni¿sze ni¿ œlonego przez stosunek rezystancji rezystora R1 i potencjometru P1. W koñReg WE cowej fazie przez akumulator p³ynie niewielki pr¹d podtrzymujacy. LM 350 WIDOK OD SPODU Napiêcie wejœciowe uk³adu po+ winno zostaæ dobrane w taki spoWY R1 sób, aby ró¿nica napiêæ pomiêdzy 390W Uwy=1,5V÷16V wejœciem i wyjœciem stabilizatora I wy =0,5A÷3A nie przekracza³a 10 V, gdy¿ przy P1 4,7k-A wiêkszej ró¿nicy wewnêtrzne uk³ady – zabezpieczenia pr¹dowego stabilizaP2 tora US1 rozpoczn¹ ograniczanie 1k-A R4 1W/5W pr¹du przy wartoœciach mniejszych LM 317 R3 220W ni¿ podane.

Prosta ³adowarka do akumulatorów W oparciu o popularny uk³ad zasilacza LM 317 mo¿na zbudowaæ prost¹ ³adowarkê do akumulatorów posiadaj¹c¹ regulacjê napiêcia do którego na³aduje siê akumulator oraz regulacjê pr¹du ³adowania. £adowarka mo¿e s³u¿yæ do ³adowania akumulatorów kwasowych (samochodowych), oraz zasadowych. Schemat ³adowarki zamieszczono na rys. 1. Jak ju¿ na wstêpie wspomniano sercem urz¹dzenia jest uk³ad LM 317 (US1), dostarczaj¹cy 1,5 A maksymalne-

LM 350 Imax=3A LM 317 Imax=1,5A ~ ~ Uwe

–

PR

+

WE

US1

WY

~ Reg

PR1 3A/100V

C1 1000÷ 2200mF T1 BC547B

R2 100W

Reg

Rys. 1 Schemat ideowy ³adowarki

WY

WE

àD.C.

34

10/98

Pomys³y uk³adowe proste wzmacniacze akustyczne Zastosowanie stopnia komplementarnego na wyjœciu wzmacniacza operacyjnego pozwala w prosty sposób zwiêkszyæ jego pr¹d wyjœciowy. Taki wariant wzmacniacza zaprezentowano na rysunku 1a. Zniekszta³cenia stopnia wyjœciowego kompensuje w znacznym stopniu pêtla ujemnego sprzê¿enia zwrotnego (R3). Na skutek istnienia ograniczenia prêdkoœci zmian napiêcia wyjœciowego wzmacniacza operacyjnego (slew rate) nastêpuje znaczne ograniczenie szybkoœci zmian napiêcia na wyjœciu uk³adu w okolicy przejœcia tego napiêcia przez zero, co powoduje powstawanie zniekszta³ceñ. Jednak, dla zastosowañ nie wymagaj¹cych du¿ych szybkoœci dzia³ania nie jest potrzebne ustalanie niezerowego pr¹du spoczynkowego pary komplementarnej (stopieñ wyjœciowy pracuje w klasie B). Uk³ad przedstawiony na rysunku 1b jest modyfikacj¹ uk³adu z rysunku 1b pozwalaj¹c¹ na zasilanie jednym napiêciem. Uk³ady z rysunków 1a i 1b mo¿na zasilaæ napiêciami z zakresu ograniczonego wartoœci¹ napiêcia pracy wzmacniacza operacyjnego. Do konstrukcji prostego wzmacniacza akustycznego nie trzeba wcale wykorzystywaæ wzmacniacza operacyjnego. Maj¹c do dyspozycji trzy tranzystory i kilka elementów mo¿na skonstruowaæ prosty wzmacniacz z par¹ komplementarn¹. Schemat takiego uk³adu przedstawiony zosta³ na rysunku 1c. W tym uk³adzie parê komplementarn¹ stanowi¹ tranzystory T2 i T3. Za ich sterowanie odpowiedzialny jest tranzystor T1 typu pnp, pracuj¹cy w uk³adzie wzmacniacza napiêciowego. Rezystor R3 oraz po³¹czona szeregowo z nim dioda ustalaj¹ i stabilizuj¹ punkt pracy stopnia wyjœciowego. Pêtlê ujemnego sprzê¿enia zwrotnego, linearyzuj¹cego charakterystykê przejœciow¹ wzmacniacza zamyka rezystor R2. Za jego poœrednictwem ustala siê wzmocnienie wzmacniacza. Rezystor R4 spe³nia funkcjê dodatniego sprzê¿enia zwrotnego tworz¹c wraz z kondensatorem C2 tzw. uk³adu bootstrap. Zastosowanie uk³adu bootstrap powoduje, ¿e rezystor R4 zachowuje siê jak Ÿród³o pr¹dowe, co sprawia, ¿e zwiêksza siê wzmocnienie napiêciowe stopnia z tranzystorem T1. Kondensator C2 separuje równie¿ sk³adow¹ sta³¹ od obci¹¿enia. Wzmocnienie wzmacniacza mo¿na w przybli¿eniu okreœliæ stosunkiem rezystancji R2 i R1 (rys. 1c). Analogiczny uk³ad wykorzystuj¹cy w stopniu steruj¹cym tranzystor npn przedstawiono na rysunku 3. Dodanie potencjometru P1 w obwodzie emitera T3 pozwala na stabilizacjê punktu pracy stopnia wyjœciowego oraz stanowi dodatkowe ujemne sprzê¿enie stopnia wejœciowego. Aby ustawiæ optymalny punkt pracy nale¿y potencjometrem P1 ustawiæ na emiterach tranzystorów T1 i T2 napiêcie równe po³owie napiêcia zasilaj¹cego. Uk³ady z rysunków 1c i 1d bêd¹ dzia³aæ ju¿ przy napiêciu zasilania 5 ÷ 6 V, przez co nadaj¹ siê do zasilania bateryjnego. Wszystkie zaprezentowane uk³ady maj¹ moc nie przekraczaj¹c¹ 1 W. Do ich wyjœcia mo¿na pod³¹czyæ g³oœniczek lub inne obci¹¿enie o rezystancji nie mniejszej ni¿ 8 V.

à T.K.

a)

+Vcc

+Vcc R1 91k

BC547B

LM 358 (LM 324)

WY

–Vcc

(TL 072)

WE

(BC337-16)

Robc

–Vcc

R2

R3

10÷100k

910k

Ku = BC557B

(BC327-16)

R3 R2

Rwe = R2

b) +Vcc +Vcc

+Vcc

R1 100k

BC547B

R2 100k

1uF

100n÷4,7mF

(BC337-16)

100mF /25V WY

R3

R4

10÷51k

510k

WE

Robc

Ku = LM 358

BC557B

(BC327-16)

R4 R3

Rwe = R3

(LM 324) (TL 072)

c)

R2 150k C1 100n÷4,7mF

+Vcc

R1 T1

1÷33k

WE

T2 C2 100mF

R3 68W

/16V

1N4148

WY

Robc

T3 T1 - BC557B Ku =

T2 - BC337-16 R4

T3 - BC327-16

R2 R1

Rwe = R1 470W

d) +Vcc 1N4148

T1 - BC337-16

47mF /16V

R3 470W

T2 - BC327-16 T3 - BC547B

C1 100n÷4,7mF

T1 C2 100mF

R4 68W

/16V

1N4148 R1

WE

WY

Robc

T2 T3

1÷33k P1 100W

Ku =

R2 R1

Rwe = R1 R2 150k

Rys. 1 Ró¿ne warianty wzmacniaczy akustycznych

Gie³da „Praktycznego Elektronika” Pocz¹wszy od bie¿¹cego numeru wprowadzamy now¹ rubrykê bezp³atnych og³oszeñ drobnych. Mamy nadziejê, ¿e rubryka ta przys³u¿y siê naszym Czytelnikom, którzy bêd¹ chcieli sprzedaæ, kupiæ lub wymieniæ podzespo³y elektroniczne, urz¹dzenia pomiarowe, schematy, literaturê itp. Zasady zamieszczania og³oszeñ drobnych 1. Bezp³atne og³oszenia drobne przyjmowane s¹ wy³¹cznie od osób fizycznych. 2. Treœæ og³oszenia mo¿e dotyczyæ sprzeda¿y, kupna, wymiany lub innych propozycji zwi¹zanych z bran¿¹ elektroniczn¹. 3. Og³oszenia drobne zawieraj¹ce nie wiêcej ni¿ 180 znaków przyjmowane s¹ wy³¹cznie na aktualnych kuponach zamieszczanych w „Praktycznym Elektroniku”. 4. Kupon zawiera 180 kratek które nale¿y wype³niæ du¿ymi drukowanymi literami, z zachowaniem odstêpu jednej wolnej kratki pomiêdzy wyrazami. 5. Og³oszenia mo¿na nadsy³aæ na adres redakcji: „Praktyczny Elektronik”, ul. Jaskó³cza 2/5, 65-001 Zielona Góra, koniecznie z dopiskiem GIE£DA PE.

,

TOMEX Produkcja obwodów drukowanych

Sprzedam wobuloskop do 1 GHz. tel. (0-71) 57-16-20

Sprzedam rozszerzenie pamiêci (2MB) do A2000. Cena 20 z³ tel. (071) 352-25-44

ul.Kaliska 4 63-462 Czekanów tel/fax: (062) 733-88-37 Ceny od 1,90z³/dm2