Praktyczny kurs elektroniki cz21, Programowanie, Praktyczny kurs elektroniki Młodego Technika

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->Na warsztaciePRAKTYCZNYKURScz. 21ELEKTRONIKIOto dwudziesta pierwsza część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w MT 2/2013i będziemy kontynuować w kolejnych wydaniach. Zainteresowanie kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydowaliśmysię umożliwić Czytelnikom dołączenie do niego w dowolnym momencie. Wszystkie poprzednie części są dla wszyst-kich dostępne w formacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Można z nich korzystać w komputerze lub sobie je wy-drukować. Można też kupić wszystkie archiwalne numery MT na www.ulubionykiosk.pl. Publikacja każdej kolejnejczęści jest zawsze poprzedzona jedną stroną wstępnych informacji (jest to właśnie ta strona), żeby nowi Czytelnicymogli zapoznać się z zasadami KURSU i dołączyć do kursantów. ZAPRASZAMY!Jeśli nie masz bladego pojęcia o elektronice, ale chętniebyś poznał jej podstawy, to nadarza Ci się niepowtarzalnaokazja. We współpracy z bratnią redakcją miesięcznika„Elektronika dla Wszystkich” publikujemy w „MłodymTechniku” cykl fascynujących lekcji dla zupełnie początku-jących. Jest to PraktycznyKurs Elektroniki(PKE) z akcen-tem na Praktyczny, gdyż każda lekcja składa się z projektui wykładuz ćwiczeniami,przy czymprojektto konkretnyukład elektroniczny samodzielnie montowany i urucha-miany przez „kursanta”. Pewnie myślisz sobie – pięknie,ale jak ja mam montować układy, nie mając lutownicyani żadnych części elektronicznych. Otóż jest rozwiązanie!Lutownicy nie będziesz w ogóle używać, gdyż wszystkieukłady będą montowane na płytcestykowej,do którejwkłada się „nóżki” elementów na wcisk.I rzecz najważniejsza!Wydawnictwo AVT przy-gotowało zestawEdW09,zawierający płytkę stykowąi wszystkie elementy, jakie będą potrzebne do wykonaniakilkunastu projektów zaplanowanych w PKE. ZestawEdW09można kupić w sklepie internetowymwww.sklep.avt.pllub w sklepie firmowym AVT(Warszawa, ul. Leszczynowa 11) – cena brutto 47 zł.Ale Ty nie musisz kupować!Dostaniesz ten zestawza darmo,jeśli jesteś prenumeratorem MT lub wykupiszwkrótce prenumeratę. Wystarczy wysłać na adres:prenumerata@avt.pldwa zdania:„Jestem prenumeratorem MT i zamawiam bezpłatnyzestaw EdW09. Mój numer prenumeraty: ......................”Jeśli otrzymamy to zamówienie przed 28 października2014 r., to zestawEdW09wyślemy Ci w połowie listopa-da 2014 r., wraz z grudniowym numerem MT.Poziom tekstu: średnio trudnySZKOŁAZestaw EdW09 zawiera następująceelementy (specyfikacja rodzajowa):1. Diody prostownicze4 szt.2. Układy scalone4 szt.3. Tranzystory8 szt.4. Fotorezystor1 szt.5. Przekaźnik1 szt.6. Kondensatory22 szt.7. Mikrofon1 szt.8. Diody LED11 szt.9. Przewód1m10. Mikroswitch2 szt.11. Piezo z generatorem1 szt.12. Rezystory64 szt.13. Srebrzanka1 odcinek14. Zatrzask do baterii 9V1 szt.15. Płytka stykowa prototypowa840 pól stykowych1 szt.Cena zestawu EdW09 – 47 zł brutto(www.sklep.avt.pl)Uwaga SzkołyUwaga uczniowie!Szkoły prenumerujące MT otrzymująPakiety SzkolnePS EdW09,zawierające po 10zestawów EdW09(każdyz nich zawiera komplet elementów z płytką stykową),skalkulowane na zasadach non profit w promocyjnejcenie 280 zł brutto za jeden pakiet PS EdW09 (tj. z ra-batem 40% – 28 zł brutto za pojedynczy zestaw EdW09,którego cena handlowa wynosi 47 zł). Upewnij się, czyTwoja szkoła prenumeruje MT (niemal wszystkie szkołyponadpodstawowe i wiele podstawowych otrzymująMT w prenumeracie sponsorowanej przez MinisterstwoNauki i Szkolnictwa Wyższego) i przekaż nauczycielominformację o PraktycznymKursie Elektronikiz promo-cyjnymi dostawamiPakietów Szkolnych PS EdW09do ćwiczeń praktycznych.Tylko dla szkół prenumerujących„Młodego Technika”przygotowano PakietySzkolnezawierające10 zestawów EdW09(PSEdW09) w promocyjnejcenie 280 zł brutto,tj. z rabatem 40%.AutoremPraktycznego Kursu ElektronikijestPiotrGórecki,redaktor naczelny kultowego w świeciehobbystów – elektroników miesięcznika „Elektronikadla Wszystkich”, autor legendarnych cykli artykułówi książek uczących elektroniki od podstaw.92m.technik- www.mt.com.plPRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKIProjekt 21Centralka alarmowaProstą, ale w pełni użyteczną centralkę alarmową możesz zrealizować wedługrysunku A i fotografiitytułowej.Uwaga!Jak podane jest u góry schematu, diody D5, D6, D7 to złącza kolektor-baza tranzystorów PNPtypu BC558, o czym przypominają niebieskie literki C, B.Centralki alarmowe standardowo zasilane są z akumulatora napięciem 12 V, które cały czas poda-ne jest na punkty P, M. Użytkownik obsługuje centralkę za pomocą przełącznika S2,dobrze ukrytegowewnątrz chronionego pomieszczenia.Gdy punkt S jest dołączony do plusa zasilania, centralka jestwyłączona i nie pobiera prądu. Zwarcie punktu S do masy rozpoczyna pracę. Stan centralki sygnalizujetrzykolorowa dioda LED.Centralka ma dwie linie dozorowe L1 i L2. W liniach tych w stanie czuwania płynie niewielki prąd(ok. 1,2 mA). Natychmiast wywoła alarm przerwanie linii L1, w której są szeregowo połączone np.czujniki otwarcia okien, czujniki zbicia szyby, pasywne czujki podczerwieni (PIR) lub tzw. czujki dualne.Włącza się wtedy przekaźnik uruchamiający syrenę i ewentualne zdalne powiadomienie.Natomiast linia zwłoczna L2 chroni tylko drzwi wejściowe. Jej przerwanie włączy brzęczyk, alewłaściwy alarm wywoła dopiero po czasie opóźnienia (około 10 sekund). Po otwarciu drzwi właścicielZAS.masaVDDPMVDDD1 - D4 = 1N4148T1 - T4 = BC548T5, D5, D6, D7 = BC558R18 4,7kR19 4,7kVDDVDDVDD+R12 47kA12VDDT310U1E11+D4R101MC710µF+56U2B4R11 1MC5 100kFLEDRGBSPOCZYNEKS2SM1U1F13R13 10kBR20100kD1CC81µFR7100k9D2CC101000µFT5T4R17 4,7kR15 22kU1D8GR1622ΩSTEROW.U2D11R6 1kR6PRACAmasaL1R1C1U1A470k 100n1R1410k3R2 470kC2100n13122D2L1masaM2L212,2k...10k3U2ABEY1+D6BH10U2C98S1C9100n4U1BC310µFD5CD3T1R8 1M+VDDVDDL2masaBD7CT2R9 10kRELM3R31MC410nR5 47kR447k5C66100µ+AU1C93Na warsztaciema więc tyle czasu, by wyłączyć alarm wyłącznikiem S2 ukrytym100kw sobie wiadomym miejscu. Przypomina mu o tym dźwięk brzęczyka.U1BU2DLinia zwłoczna L2 jest też zupełnie nieaktywna przez około 10 sekund4313po włączeniu centralki przełącznikiem S1, co umożliwi właścicielowi11wyjście i zamknięcie drzwi. W tym czasie świeci zielona struktura1210ndiody LED, a gdy centralka czuwa, niebieska struktura sygnalizujeto migotaniem.Centralka ma dodatkowo układ pamięciowy, który zapamiętuje fakt wystąpienia alarmu i sygnalizujeto świeceniem czerwonej struktury. Przycisk S1 służy do kasowania pamięci alarmu.Alarm działa więc w powszechnie przyjęty sposób: nawet krótkie naruszenie głównej linii L1 powodu-je wywołanie alarmu na czas około dwóch minut; na taki sam czas włączy alarm trwałe przerwanie linii(by w razie jakiejś awarii alarm nie wył długo ku utrapieniu sąsiadów).SZKOŁABPoziom tekstu: średnio trudnyOpis układu dla „zaawansowanych”Centralka ma być cały czas pod napięciem. Gdy punkt S jest dołączony do plusa zasilania(SPOCZYNEK), wtedy wszystkie kondensatory elektrolityczne są naładowane, co zapewnia ich nieza-wodną pracę. W punktach A, B napięcie jest równe zeru i obie linie L1, L2 są nieczynne. W punktach C,D, E, F jest stan wysoki, a w punkcie G – niski.Po zwarciu punktu S do masy (PRACA) od razu pojawia się napięcie zasilające w punkcie A i linia L1jest gotowa do pracy i może natychmiast wywołać alarm.Zaświeca się zielona kontrolka sterowana przez T3. Kondensator C7 zaczyna się pomału rozładowy-wać przez R10, przez co stan wysoki w punkcie B pojawi się około 10 sekund po włączeniu alarmu.Zgaśnie zielona lampka i zacznie pulsować kontrolka niebieska, sterowana przez generator U2B, sygnali-zująca czuwanie centralki.Nawet krótkie (ale powyżej 50 ms) przerwanie linii L1 spowoduje pojawienie się stanu niskiegow punkcie C, a dzięki kondensatorowi C5 na chwilę także w punkcie F. Zmieni to stan przerzutnika RSna bramkach U1D, U2C, który wraz z R8, C6 jest głównym układem czasowym alarmu – w punkcie Gpojawi się stan wysoki, co włączy przekaźnik REL. Włączy też strukturę tyrystorową T4, T5, zaświecająctrwale czerwoną kontrolkę pamięci alarmu (którą można zgasić, naciskając S1).Kondensator C6 będzie się pomału rozładowywał przez R8, co po około 100 sekundach wyłączy alarm.Natomiast przerwanie linii zwłocznej L2 wywoła stan niski w punkcie D, co przełączy przerzutnikzbudowany z U2A, U2D. Odezwie się brzęczyk Y1 i w punkcie E pojawi się stan niski, przez co C3 za-cznie się rozładowywać przez R3. Po około 10 sekundach przerzutnik powróci do stanu spoczynkowego,czyli w punkcie E pojawi się znów stan wysoki. Dzięki obwodowi C4, R4 na chwilę otworzy to tranzystorT1, który włączy układ czasowy alarmu (U1D, U2C).W takiej konfiguracji trwałe przerwanie linii zwłocznej L2, chroniącej zazwyczaj tylko drzwi wejścio-we, spowoduje pracę bramki U2A jako generatora i syrena alarmowa będzie włączona niemal bez prze-rwy. Aby trwałe przerwanie linii L2, na przykład wskutek jakiejś awarii, spowodowało tylko jednokrotnyalarm, wystarczy pomiędzy bramki U1B, U2D włączyć obwód RC wedługrysunku B.Oczywiście można według potrzeb modyfikować czasy alarmu (R8, C6), czasu na wejście (R3,C3) oraz czasu na wyjście (R10, C7), stosując kondensatory w zakresie 100 mF...1000 mF i rezystory100 kΩ...1 MΩ.Zachowanie mojego modelu z fotografii tytułowej pokazane jest na filmiku, dostępnym w Elportalupod adresemwww.elportal.pl/pke.Poznajemy elementy i układyelektroniczneW tym wykładzie zajmiemy się bliżej prze-rzutnikami. Już wcześniej, w wykładzie 3,realizowaliśmy najprostsze dwustanoweprzerzutniki RS (reset/set – wyłącz/załącz).Choć w podręcznikach działanie przerzut-ników opisuje się w różny sposób, m.in. zapomocą tabeli i grafów, my chcemy podejśćdo zagadnienia jak najprościej i od stronyjak najbardziej praktycznej. Dlatego możemyrozumieć, że wejścia takich przerzutnikówRS mają stany spoczynkowe i stany ak-tywne. Dla przerzutnika RS z bramek NORa)resetVDDVDDb)NORQVDDVDDRSNANDQsetSQsetRresetQ194m.technik- www.mt.com.plPRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKIa)Rb)AQSc)CAQDd)CAQSCAQCLCLCLSBQRDBQDBQRDBQ2z rysunku 1a stanem spoczynkowym wejść jest stan niski L, czyli zero logiczne (0). Stan wyjść możemyzmieniać, podając na wejścia stan aktywny – w tym przypadku wysoki (H), czyli jedynkę logiczną. Dlaprzerzutnika z bramek NAND z rysunku 1b stanem spoczynkowym wejść jest stan wysoki, a stan wyjśćmożemy zmieniać, podając na wejścia stan niski.Przerzutniki zwykle mają dwa wyjścia: prosteQi zanegowane (Q\).Takie przerzutniki RS nazywamyasynchronicznymi,ponieważ stan ich wyjść może zmienić się w do-wolnej chwili, tuż po pojawieniu się stanu aktywnego na wejściach. W praktyce okazało się, że jeszczebardziej pożyteczne są tzw.przerzutniki synchroniczne,w których stany wyjść mogą zmieniać się tylkow ściśle określonych momentach, wyznaczonych przez tak zwany sygnał zegarowy (przebieg taktujący).Na rysunku 2 pokazany jest bodaj najprostszy asynchroniczny przerzutnik RS. Dodanie dwóch bramekna wejściach wedługrysunku 2bdaje przerzutnik RS z dodatkowym wejściem zegarowym oznaczanymCL (albo CP), gdzie zmiany stanów mogą następować tylko w obecności (dodatniego) impulsu zegaro-wego. Literki CL (CP) na wejściu zegarowym pochodzą od angielskiegoclock– zegar. Tylko w obecnościpoziomu (stanu) wysokiego na wejściu zegarowym CL, bramki przepuszczą dalej dodatnie impulsyz wejść S, R. Dodanie inwertera wedługrysunku 2cdaje przerzutnik z pojedynczym wejściem, ozna-czonym D (ang.Data– dane). Także i tutaj stan wyjść może zmieniać się wyłącznie podczas trwania(dodatniego) impulsu zegarowego. Natomiast gdy na wejściu CL panuje stan niski, stan wyjść przerzutni-ka nie może się zmienić – uzyskaliśmyprzerzutnik D-latch(zatrzask), który czasem znajduje praktycznezastosowanie.Interesująca jest też konfiguracja z rysunku 2d, gdzie mamy dodatkowe sprzężenie z wyjść na wej-ścia. Jest to bardzo prymitywna wersja tak zwanegoprzerzutnika toggle(przeskakujący, przełączający),VCCprzerzutnik TR5 100kD98121311R8VCCVCC+LED2B12 11R310kU1ECD1 1N414810U2C10QgeneratorR1 2,2,k1213R2 10kGLED2R7 10kC3100nFC21000µF3456CL12U2A53S643C10,5nFU1AU1BAR4 4,7kEU1CFukład kształtowania impulsówR6 100kU2BQ4zwanegodwójką liczącą,gdzie każdy impulsna wejściu zegarowym CL (Clock) powodujezmianę stanu wyjścia na przeciwny.Zbadajmy teraz taki przerzutnik w układziez rysunku 3 i fotografii 4. Oprócz przerzutnikazbudowanego na układzie U2 według rysun-ku 2d mamy prosty generator z inwerteremU1A, obwód formowania impulsów z inwer-terami U1C...U1F oraz monitor impulsówz rezystorami R3, R7 i dwiema niebieskimidiodami LED. Aby uzyskać możliwie dużączęstotliwość pracy, rezystancja R1 jest mała(2,2 kΩ), a pojemność C1 wynosi 0,5 nF i jestuzyskana przez szeregowe połączenie dwóchkondensatorów 1 nF. Dziwny obwód z rezysto-rem R4 i diodą D1 jest rodzajem bramki OR,959-12V_U1FU1DU2D9+Na warsztacieRjak pokazujerysunek 5a.Układ kształtowania impul-AAsów jest więc odpowiednikiem układu z rysunku5b.XBRezystor R2 wraz z pojemnością wejściową inwerteraBU1D tworzy układ opóźniający RC i dodatkowo wydłużaDczas impulsu.Rysunek 6,zrzut z ekranu oscyloskopu,Db)BCpokazuje przebiegi w punktach F, G układu z rysunku 3,gdzie częstotliwość pracy generatora wynosi ponad400 kHz, a impulsy zegarowe w punkcie F (CL) mająD - opóźnionyFdługość nieco ponad 200 ns. Każdy impuls na wejściuDzegarowym CL powoduje zmianę stanu przerzutnika,AAa więc przerzutnik ten dzieli częstotliwość przez dwa(jest tzw. dwójką liczącą), co zresztą jest wprost podaneFna ekranie oscyloskopu. W Elportalu (www.elportal.pl/pke)można znaleźć film pokazujący pracę mojegomodelu z elementami R1=dd1 MΩ i C1=1 mF. DiodyLED1, LED2 pokazują tam, że każdy impuls z genera-tora G zmienia stan przerzutnika na przeciwny.Nawet bez głębszej analizy łatwo zauważyć,że dwójka licząca z rysunku 3 zawiera w sobieprzerzutnik RS (U2B, U2C) i że każdy krótki impulspodawany na wejście zegarowe (CL) przerzutnikaT przejdzie tylko przez jedną z bramek U2A, U2D:albo na wejście R, albo S przez tę bramkę, na którejdrugim wejściu panuje stan wysoki. Połączenia są takdobrane, że zmienia to stan przerzutnika na przeciw-ny. Otrzymaliśmy działający dzielnik częstotliwościprzez 2, ale o tyle niedoskonały, że musi być on stero-wany krótkimi dodatnimi impulsami zegarowymi o ściśle dobranym czasie trwania. Gdyby czas trwaniaimpulsów zegarowych był krótszy lub dłuższy, przerzutnik ten nie będzie prawidłowo pracował.Aby prawidłowo pracowały egzemplarze układu U2 o różnych czasach propagacji, dodany jest nietylko rezystor R2, wydłużający impulsy zegarowe, ale też dwa rezystory R5, R6 (100 kΩ), które z pojem-nościami współpracujących wejść tworzą układy opóźniające. Opóźnienie wprowadzane przez R5, R6pozwala przerzutnikowi pracować przy nieco dłuższych impulsach zegarowych.Szczegółowa analiza problemu opóźnień i długości impulsów byłaby zbyt zawiła i zdecydowanie wy-kraczałaby poza ramy kursu PKE. Najbardziej dociekliwi Czytelnicy mogą przeanalizować zagadnieniesamodzielnie lub poszukać informacji w literaturze, a jeśli posiadają oscyloskop – obejrzeć występująceprzebiegi. W każdym razie kluczowe znaczenie w pracy tego i innych przerzutników mają maleńkieopóźnienia, wprowadzane przez tworzące gobramki.wyweProblem jest o tyle ważny, że bardzoXAczęsto te maleńkie opóźnienia decydująo prawidłowej bądź nieprawidłowej pracyukładów cyfrowych. Dlatego musimy po-znać choć zarys tego ważnegozagadnienia.W zasadzie tranzystoryMOSFET, tworzące układyCMOS, mogłyby być niemalnieskończenie szybkie, bo-wiem tranzystory te (w przeci-wieństwie do bipolarnych) bezopóźnienia reagują na zmianynapięcia bramki. Teoretycznietranzystor MOSFET mógłbymieć czas włączenia i wy-łączenia rzędu 0,1...0,3 na-nosekundy, czyli poniżejmiliardowej części sekundy.Tak, tylko w praktyce problemSZKOŁAa)=Poziom tekstu: średnio trudny567896m.technik- www.mt.com.pl [ Pobierz całość w formacie PDF ]