System projektowania modułowego, cz. 3 - Elportal
System projektowania modułowego, cz. 3 - Elportal
System projektowania modułowego, cz. 3 - Elportal
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
KLOCKI ELEKTRONICZNE○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○<strong>System</strong><strong>projektowania</strong><strong>modułowego</strong> <strong>cz</strong>ęść 3W trzecim artykule z serii „KlockiElektroni<strong>cz</strong>ne" omówimy kolejne moduływejściowe, procesorowe i wyjściowe.MODUłY WEJŚCIOWE:przełą<strong>cz</strong>niki, przełą<strong>cz</strong>niki sensorowe,<strong>cz</strong>ujniki wilgoci,MODUłY PROCESOROWE: układyzatrzaskowe oparte na przekaźnikach,tyrystorach i bramkach logi<strong>cz</strong>nych,MODUłY WYJŚCIOWE: regulatorszybkości silnika, sterownik kierunkuobrotów silnika,W dołą<strong>cz</strong>onym projekciekonstrukcyjnym wykorzystano te moduływ automaty<strong>cz</strong>nym systemie kamerypanorami<strong>cz</strong>nej.Przykładem zastosowania tychmodułów jest projekt automaty<strong>cz</strong>negosystemu kamery panorami<strong>cz</strong>nej,opisany odrębnie w tym numerze EdW.Części układówNa wstępie przypomnienie, jak zmodułów składa się kompletny układ.Każdy moduł, jak to przedstawiono narys. 1.1 w <strong>cz</strong>ęści 1 EdW 1/96, możebyć uważany za blok. Trzeba wybraćpotrzebne moduły, połą<strong>cz</strong>yć ze sobąich doprowadzenia napięcia zasilają−cego, połą<strong>cz</strong>yć ze sobą ich doprowa−dzenia 0V i połą<strong>cz</strong>yć wyjście jednegomodułu z wejściem drugiego, tworzącw ten sposób ostate<strong>cz</strong>ny układ.Moduł przełą<strong>cz</strong>nikawejściowegoNa rys. 3.1 pokazano dwa przykładyprzełą<strong>cz</strong>nika <strong>cz</strong>ynnego (zwiernego):a. po naciśnięciu przycisku napięcie wy−jściowe zmienia się z 0V na dodatnie,b. po naciśnięciu przycisku napięcie wy−jściowe zmienia się z dodatniego na0V.W takim układzie można użyć każdegorodzaju przełą<strong>cz</strong>nika <strong>cz</strong>ynnego, np. zwyk−łego przycisku z zestykami <strong>cz</strong>ynnymi,poddywanowej maty naciskowej, prze−łą<strong>cz</strong>nika przechylnego, drganiowego itp.Uwaga: szereg przełą<strong>cz</strong>ników <strong>cz</strong>ynnychmożna połą<strong>cz</strong>yć równolegle.Na rys. 3.2 pokazano dwa przykładyprzełą<strong>cz</strong>nika biernego (rozwiernego):a. po naciśnięciu przycisku napięcie wy−jściowe zmienia się z 0V na dodatnie,b. po naciśnięciu przycisku napięcie wy−jściowe zmienia się z dodatniego na0V.Uwaga: wiele przełą<strong>cz</strong>ników biernychmożna połą<strong>cz</strong>yć w szereg.Rys. 3.1. Dwa sposoby zastosowaniaprzełą<strong>cz</strong>ników <strong>cz</strong>ynnych (zwiernych) dowyzwalania układów.Rys. 3.2. Dwa sposoby zastosowaniaprzełą<strong>cz</strong>ników biernych (rozwiernych) dowyzwalania układów.Rys. 3.3. Zastosowanie przełą<strong>cz</strong>nikówsensorowych zamiast zwykłychprzełą<strong>cz</strong>ników <strong>cz</strong>ynnych.ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/9613
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○KLOCKI ELEKTRONICZNERys. 3.4. Dwa układy detektorów poziomu wody.Moduł przełą<strong>cz</strong>nikasensorowegoNa rys. 3.3 pokazano dwa przykładyprzełą<strong>cz</strong>nika sensorowego (dotykowe−go):a. po dotknięciu sensora palcem napięciewyjściowe wzrasta,b. po dotknięciu sensora palcem napięciewyjściowe maleje.Styki dotykowe można wykonać z parypluskiewek, albo przez wywiercenie ma−łych otworków w obudowie i przewinięcieprzez nie pary odizolowanych ocynowa−nych drutów miedzianych. Jest ważne,aby styki nie były wilgotne, ani nie zostałypokryte lakierem. Można także zastoso−wać kawałek uniwersalnej płytki drukowa−nej, jednak z <strong>cz</strong>asem miedziane powierz−chnie skorodują.Moduł <strong>cz</strong>ujnika wodyNa rys. 3.4 pokazano dwa układy <strong>cz</strong>uj−nika poziomu wody:a. po nalaniu wody do pojemnika napię−cie wyjściowe wzrasta,b. po nalaniu wody do pojemnika napię−cie wyjściowe maleje.Czułość układu jest regulowana za po−mocą zmiennego rezystora. Jak widać narysunku, jako <strong>cz</strong>ujnika wody użyto parydrutów. W praktyce jeden z przewodówmoże zostać umiesz<strong>cz</strong>ony na dnie pojem−nika, a drugi służyć do detekcji poprawne−go poziomu wody. Porządny wygląd <strong>cz</strong>uj−nika można uzyskać mocując drut stykuwewnątrz oprawki długopisu.Czujnikiem wilgotności gleby mogąbyć dwa gwoździe wciśnięte w ziemię.Warto jednak wiedzieć, że do przylutowa−nia przewodu do gwoździ jest potrzebnaduża ilość ciepła. Moc zwy<strong>cz</strong>ajnej lutow−nicy do tego nie wystar<strong>cz</strong>y.Jako detektora desz<strong>cz</strong>u można użyć ka−wałka uniwersalnej płytki drukowanej, kropledesz<strong>cz</strong>u będą zwierać miedziane ścieżki płyt−ki, umożliwiając przepływ prądu. Nie jest tojednak godne polecenia, ponieważ płytka dł−ugo pozostaje wilgotna.W ciągu długiego <strong>cz</strong>asu miedź przeno−si się drogą elektrolizy z jednej elektrodyna drugą. Skutki tego zjawiska możnaograni<strong>cz</strong>yć przez stosowanie małego na−tężenia prądu i grubszych przewodów.Istnieje układ scalony dostar<strong>cz</strong>ają−cy napięcia zmiennego do <strong>cz</strong>ujnikówsensorowych (typu LM1830N). Prądzmienny nie powoduje przenoszeniamiedzi w jednym kierunku z elektrodyna elektrodę. Zastosowanie tego ukła−du jest zna<strong>cz</strong>nie kosztowniejszym roz−wiązaniem z porównaniu z poprzed−nim. Jednakże trzeba je rozważyć wprzypadku <strong>cz</strong>ujników poddawanychdziałaniu wody przez większość <strong>cz</strong>asu(np. detektor minimalnego poziomuwody) przez długie okresy.Procesory zatrzaskoweZostaną omówione <strong>cz</strong>tery rodzaje pro−cesorów o działaniu zatrzaskowym:1. przekaźnik,2. tyrystor,3. bramka logi<strong>cz</strong>na OR,4. przerzutnik z bramek logi<strong>cz</strong>nych.Przekaźnikowy układzatrzaskowyPrzekaźnik jako urządzenie wyjściowezostał omówiony w pierwszej <strong>cz</strong>ęści tejserii. W formie układu zatrzaskowegoprzekaźnik może zostać użyty jako proce−sor lub jako układ wyjściowy. Elektronikarozwijała się tak szybko, że wielu <strong>cz</strong>ytelni−ków nie stosowało przekaźników jakoprocesorów, chociaż jesz<strong>cz</strong>e nie tak daw−no centrale telefoni<strong>cz</strong>ne były wypchaneprzekaźnikami (w Polsce są nadal − przyp.tłum.), sortującymi i łą<strong>cz</strong>ącymi rozmowy.Wiele osób pamięta zapewne połą<strong>cz</strong>eniatelefoni<strong>cz</strong>ne z irytującymi trzaskami w tle,powodowanymi kurzem na zestykachprzekaźników.Nowo<strong>cz</strong>esne sz<strong>cz</strong>elne przekaźnikidziałają bardzo sprawnie, i doskonale na−dają się do użytku w formie pojedyn<strong>cz</strong>ychukładów zatrzaskowych o dużym prądzieRys. 3.5. Przekaźnikowe układyzatrzaskowe, (a) układ podstawowy, (b)układ z wyłą<strong>cz</strong>nikiem, (c) układ ztranzystorem.wyjściowym. Trzeba jednak podkreślić,że do opisanych układów potrzebne sąprzekaźniki o dwóch parach zestyków.Na rys. 3.5a pokazano, jak cewka prze−kaźnika (przedstawiona w formie prostokąta)jest pobudzana przyciskiem <strong>cz</strong>ynnym. Obiepary zestyków zwierają się wtedy. Jeden znich jest połą<strong>cz</strong>ony równolegle z <strong>cz</strong>ynnymprzyciskiem. Po zwolnieniu przycisku prądnadal płynie przez cewkę za pośrednictwempierwszej pary zestyków, innymi słowy prze−kaźnik został zatrzaśnięty. Druga para zesty−ków może zostać użyta do włą<strong>cz</strong>enia lampy,silnika itp.Przekaźnik może zostać zwolnionyprzez wyłą<strong>cz</strong>enie napięcia zasilania.Ewentualnie można do tego celu użyćprzycisku biernego, jak na rys. 3.5b. Jestto jeden z kilku punktów, w których moż−na umieścić przycisk bierny. Spróbujcieznaleźć inne!Tranzystorowy układsterującyW pierwszej <strong>cz</strong>ęści tej serii połą<strong>cz</strong>enieprzekaźnika z tranzystorem zostało omó−wione i zilustrowane w formie modułu wy−jściowego (rys. 1.13c). Schemat na rys3.5.c ilustruje sposób, w jaki to połą<strong>cz</strong>eniemoże zostać zmodyfikowane, aby prze−14ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96
KLOCKI ELEKTRONICZNE○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○kaźnik mógł się zatrzasnąć. Pierwsza pa−ra zestyków jest połą<strong>cz</strong>ona z kolektorem(c) i emiterem (e) tranzystora. Opornośćszeregowego rezystora R1 powinna za−wierać się w granicach od 2kW do 5kW , atypowym tranzystorem jest BC108,BC184L, BC549, lub podobny.Trzeba sprawdzić, <strong>cz</strong>y prąd pobieranyprzez cewkę przekaźnika nie przekra<strong>cz</strong>amaksymalnej dopusz<strong>cz</strong>alnej wartościprądu kolektorowego tranzystora. W ra−zie wątpliwości należy użyć tranzystoraDarlingtona TIP121 lub TIP122, omówio−nych w <strong>cz</strong>ęści 1 (rys. 1.13b). Trzebazwrócić uwagę na użycie diody D1, ko−nie<strong>cz</strong>nej do eliminacji przepięć powstają−cych w cewce przekaźnika, mogącychznisz<strong>cz</strong>yć tranzystor.Układ można wyłą<strong>cz</strong>yć za pomocąprzycisku biernego, takiego jak na rys.3.5b.A oto podsumowanie trzech przekaźni−kowych układów zatrzaskowych z rys.3.5:Zalety:proste przełą<strong>cz</strong>anie,wymaga niewiele elektroniki,łą<strong>cz</strong>y zatrzaskiwanie z dużą wydajnościąprądową wyjścia.Wady:niezbyt łatwy do elektroni<strong>cz</strong>nego wyłą−<strong>cz</strong>enia,najmniejszy przekaźnik jest duży w po−równaniu z innymi urządzeniami o podob−nym działaniu,przekaźniki są stosunkowo drogie,zestyki przekaźnika zużywają się,rozwiązanie mało eleganckie, gdy jestwymagane kompleksowe ustawianie/ka−sowanie.Tyrystorowy układzatrzaskowySchemat pokazany na rys. 3.6 jestsz<strong>cz</strong>ególnie prosty, zastosowano w nimbowiem jedno tylko urządzenie, tyrystor,zwany <strong>cz</strong>asem SCR (silicon controlledrectifier − półprzewodnikowym prostowni−kiem sterowanym). Tak jak tranzystor, ty−rystor ma trzy elektrody, anodę (a), kato−dę (c) i odpowiednik bazy, bramkę (g).Pod wpływem małego prądu, dopływa−jącego do bramki, tyrystor za<strong>cz</strong>yna prze−wodzić, ale w przeciwieństwie do tranzys−tora, raz wyzwolony, nie przestaje prze−wodzić, <strong>cz</strong>yli pozostaje zatrzaśnięty. Wy−łą<strong>cz</strong>yć go można wyłą<strong>cz</strong>eniem zasilania,albo biernym wyłą<strong>cz</strong>nikiem, takim jak narys. 3.5b, który przerwie przepływ prąduw obwodzie anodowym. Układ taki możebyć uważany za zatrzaskiwany układ wy−jściowy (<strong>cz</strong>yli połą<strong>cz</strong>one moduły proceso−ra i wyjściowy). Sugerowany typ tyrystorato C106 lub C106D, który może przełą−<strong>cz</strong>ać prądy o natężeniu około 1,7A.Rys. 3.6. Tyrystorowy układ zatrzaskowy.Tyrystor może zostać przypadkowo wy−zwolony, trzeba więc stosować środki zapo−biegaw<strong>cz</strong>e. W tym przypadku jest to obwódC1−R1, zapewniający, że tyrystor zostaniewyzwolony tylko zdecydowanie dodatnim na−pięciem. Przez rezystor R3 w obwodzie wy−jściowym wyzwolonego tyrystora przepływazawsze prąd o minimalnym natężeniu, unie−możliwiający przypadkowe wyłą<strong>cz</strong>enie się ty−rystora wskutek fluktuacji poboru prądu przezobciążenie (np. silnik). Dioda D1 służy do eli−minacji przepięć, powstających w urządze−niach elektromagnety<strong>cz</strong>nych, jak silniki <strong>cz</strong>yprzekaźniki. Można ją pominąć, jeżeli obcią−żenie składa się tylko z żarówek lub LED.Podsumowanie tyrystorowego układuzatrzaskowego jest następujące:Zaleta:prosty i tani,Wady:niezbyt łatwy do elektroni<strong>cz</strong>nego wyłą−<strong>cz</strong>enia,ra<strong>cz</strong>ej prymitywny w tu opisywanych za−stosowaniach.Przypisywanie tyrystorom głównegozastosowania w układach takiego rodza−ju jak moduł na rys. 3.6 byłoby niesłusz−ne. W rze<strong>cz</strong>ywistości głównymi zastoso−waniami tyrystorów i ich bliskich krewniaków,triaków, są układy sterujące różnymi urządze−niami napięcia zmiennego, jak na przykładsieciowe ściemnia<strong>cz</strong>e oświetlenia.Układy zatrzaskowez bramek logi<strong>cz</strong>nychW układach opisanych w tej sekcji zasto−sowano dwuwejściowe bramki logi<strong>cz</strong>neCMOS z jednym wyjściem serii 4000.Pierwszą z nich jest bramka OR (np.typu 4071B). Jeden układ scalony zawie−ra <strong>cz</strong>tery takie bramki, a w opisywanymukładzie potrzebna jest jedna. Wszystkienie używane wejścia powinny więc zostaćpołą<strong>cz</strong>one z 0V, (albo, jeśli wygodniej, zdodatnim biegunem zasilania). Roz−miesz<strong>cz</strong>enie wyprowadzeń układu jestpodane na rys. 1.14 w <strong>cz</strong>ęści 1.Bramki logi<strong>cz</strong>ne CMOS zostały omó−wione w <strong>cz</strong>ęści 1 (rys. 1.9 do 1.11), ale zoboma wejściami połą<strong>cz</strong>onymi razem, coRys. 3.7. Tabela prawdy bramki OR.zamieniało bramki w bufory albo inwerte−ry. Do zrozumienia zależności stanu wy−jściowego bramki od stanów jej niezależ−nie sterowanych wejść używa się tabeliprawdy. Dla uprosz<strong>cz</strong>enia przyjęto, żestan logi<strong>cz</strong>ny 1 ozna<strong>cz</strong>a stan “wysoki”,<strong>cz</strong>yli napięcie zbliżone do zasilającego, astan logi<strong>cz</strong>ny 0 ozna<strong>cz</strong>a stan “niski”, <strong>cz</strong>ylinapięcie bliskie 0V. (Logi<strong>cz</strong>ne poziomynapięciowe zostały bardziej sz<strong>cz</strong>egółowoomówione w <strong>cz</strong>ęści 1.)Tabela prawdy bramki OR (LUB) jestprzedstawiona na rys. 3.7. Tabela ta po−kazuje wszystkie możliwe kombinacjestanów logi<strong>cz</strong>nych wejść (<strong>cz</strong>yli 00, 01, 10i 11) i odpowiadające im stany wyjścia.Jeżeli oba wejścia są w stanie 0, to wy−jście także jest w stanie 0, ale jeżeli choćjedno z wejść jest w stanie 1 to wyjścierównież jest w stanie 1. Innymi słowy,skutkiem stanu 1 wejścia A, LUB wejściaB, jest stan 1 wyjścia.Zatrzaskująca się bramkaORSchemat zatrzaskującej się bramki ORjest pokazany na rys. 3.8. Zatrzaskiwanie siębramki jest powodowane przez rezystor R2,łą<strong>cz</strong>ący jej wyjście z wejściem B. Jeżeli we−jście A zostanie wprowadzone w stan logi<strong>cz</strong>−ny 1 (na przykład przez połą<strong>cz</strong>enie przycis−kiem z napięciem zasilającym), to wyjście tak−że przejdzie w stan logi<strong>cz</strong>ny 1 pociągając zasobą wejście B. Pomimo że wejście A powró−ci następnie do stanu logi<strong>cz</strong>nego 0, to bram−ka pozostanie zatrzaśnięta z wyjściem w sta−nie logi<strong>cz</strong>nym 1.Trzeba pamiętać, że wejścia CMOS ni−gdy nie mogą zostać pozostawione “w po−Rys. 3.8. Zatrzask z bramki OR.ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/9615
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○KLOCKI ELEKTRONICZNEwietrzu”, <strong>cz</strong>yli nie połą<strong>cz</strong>one z ni<strong>cz</strong>ym.Wejście A musi więc zostać zabezpie<strong>cz</strong>o−ne przed takim stanem i dlatego pod nie−obecność stanu 1 rezystor R1 wiąże je z0V. Jeżeli wejście jest bezpośrednio połą−<strong>cz</strong>one z innym modułem (bez kondensa−tora przekazującego sygnał pomiędzyobu modułami), albo z wyjściem innejbramki, to R1 można pominąć.Oporność rezystora sprzężenia zwrot−nego R2 nie jest kryty<strong>cz</strong>na i można zasto−sować dowolną, np. 10kW do 1MW . Jeżeliukład kasujący nie jest potrzebny, to re−zystor ten można zastąpić zworką z dru−tu. Naciśnięcie <strong>cz</strong>ynnego przycisku kasu−jącego S1 wymusza stan logi<strong>cz</strong>ny 0 nawejściu B. O ile w tym momencie wejścieA jest również w stanie logi<strong>cz</strong>nym 0, to wy−jście powróci do stanu logi<strong>cz</strong>nego 0.W <strong>cz</strong>asie włą<strong>cz</strong>ania zasilania układu, wy−jście może zatrzasnąć się w stanie logi<strong>cz</strong>nym1, nawet gdy wejście A jest w stanie logi<strong>cz</strong>nym0. Można tego uniknąć, jeżeli równolegle zprzyciskiem S1 dołą<strong>cz</strong>y się kondensator omałej pojemności (C1). Kondensator ten za−pewni, że zawsze po włą<strong>cz</strong>eniu wyjście bę−dzie w stanie logi<strong>cz</strong>nym 0. Typowa pojem−ność tego kondensatora wynosi 100nF(0,1µF). Przycisk kasujący może zostać po−minięty, gdy nie jest potrzebny, ale kondensa−tor C1 musi pozostać, aby układ mógł działaćpoprawnie.Zatrzaskująca siębramka NORZ bramki OR można wykonać bardzoprosty zatrzask, ale <strong>cz</strong>asem użyciedwóch bramek NOR (NIE−LUB) możeokazać się wygodniejsze. (Istnieją spe−cjalnie zaprojektowane scalone układyzatrzasków, nie będą jednak tu omawia−ne.) Tabela prawdy bramki NOR jest po−kazana na rys. 3.9.Można zauważyć, że wyjściowe stanylogi<strong>cz</strong>ne bramki NOR są dokładnie od−wrotne w stosunku do bramki OR. Jeżelioba wejścia zostaną połą<strong>cz</strong>one razem, togdy oba są w stanie logi<strong>cz</strong>nym 0, to wy−jście jest w stanie logi<strong>cz</strong>nym 1, a gdy obawejścia są w stanie logi<strong>cz</strong>nym 1 to wyjściejest w stanie logi<strong>cz</strong>nym 0. Innymi słowy,bramka pełni wów<strong>cz</strong>as rolę inwertera (lubbramki NOT − NIE).Układ zatrzaskowy, który można utwo−Rys. 3.10. Zatrzask z bramek NOR.rzyć z dwóch bramek NOR, jest pokazanyna rys. 3.10. Druga bramka tego układu,IC1b, została użyta jako inwerter, a pozatym układ nie różni się od układu z rys.3.8. Podobnie i w tym przypadku opor−ność rezystora R2 nie jest kryty<strong>cz</strong>na, i mo−że zawierać się w granicach od 10kW do1MW . Zastosowanie kondensatora C1jest również identy<strong>cz</strong>ne.Przerzutnik zatrzaskowyAlternatywny układ zatrzaskowy zdwóch bramek NOR jest przedstawionyna rys. 3.11. Jego działanie zatrzaskowenie jest tak o<strong>cz</strong>ywiste, jak układu z rys.3.10, jest jednak uważany za rozwiązaniebardziej profesjonalne. Działa w następu−jący sposób:Gdy do wejścia ustawiającego (SET)zostanie na krótko doprowadzony stan lo−gi<strong>cz</strong>ny 1, to wyjście nieodwracające prze−rzuci się ze stanu logi<strong>cz</strong>nego 0 do stanulogi<strong>cz</strong>nego 1.Gdy do wejścia kasującego (RESET)zostanie na krótko doprowadzony stan lo−gi<strong>cz</strong>ny 1, to wyjście nieodwracające prze−rzuci się z powrotem do stanu logi<strong>cz</strong>nego 0.Oba wejścia, ustawiające i kasujące,są połą<strong>cz</strong>one rezystorami R1 i R2 z 0V.Ich oporności nie są istotne i mogą wyno−sić od 10kW do 1MW . Mogą one zostaćpominięte, gdy wejścia ustawiające i ka−sujące są bezpośrednio połą<strong>cz</strong>one z in−nym modułem.W momencie włą<strong>cz</strong>ania zasilaniaukład może ustawiać się w przypadko−wym stanie. W celu zapewnienia w <strong>cz</strong>asierozruchu każdorazowego ustawienia wy−jścia nieodwracającego w stanie logi<strong>cz</strong>−nym 0, pomiędzy linią napięcia zasilają−cego a wejściem kasującym trzeba włą−<strong>cz</strong>yć kondensator C1. Typową jego po−jemnością jest 100nF (0,1µF). W momen−cie włą<strong>cz</strong>ania zasilania kondensator tenwywoła na wejściu kasującym impuls do−datni. Jest to jesz<strong>cz</strong>e jeden przykładsprzężenia zmiennoprądowego, które by−ło omawiane w <strong>cz</strong>ęści 2 (rys. 2.5).Moduły sterowaniakierunkiem obrotów silnikaOmówiono dwa moduły sterowaniakierunkiem obrotów silników prądu stałego:a. moduł przekaźnikowy,b. moduł tranzystorowy.Przekaźnikowy modułsterowania kierunkiemobrotów silnikaDo sterowania silnikiem lub innymurządzeniem, wymagającym odwracaniapolaryzacji zasilania, można użyć każde−go dwuobwodowego, dwupołożeniowegoprzełą<strong>cz</strong>nika w sposób przedstawiony narys. 3.12. Gdy cewka przekaźnika nie jestwzbudzona, silnik będzie wirował w jed−nym kierunku, a gdy zostanie wzbudzona,w drugim. Silnik będzie w ruchu niezależ−nie od wzbudzenia przekaźnika, w ukła−dzie nie ma bowiem głównego wyłą<strong>cz</strong>ni−ka. Trzeba jednak podkreślić, że ten pros−ty układ nie nadaje się do prakty<strong>cz</strong>negoużytku, ponieważ przełą<strong>cz</strong>anie kierunkuobrotów silnika w biegu jest zabiegiemzbyt brutalnym i dla silnika i dla zestykówprzekaźnika. W układzie przełą<strong>cz</strong>ającymz rys. 3.12 do włą<strong>cz</strong>ania i wyłą<strong>cz</strong>ania sil−nika można posłużyć się dodatkowymprzekaźnikiem lub parą Darlingtona (zob.<strong>cz</strong>ęść 1 rys. 1.13c i rys. 1.13b).Trzeba odnotować, że wyprowadzenieozna<strong>cz</strong>one na rys. 3.12 przez − VE moż−na zwy<strong>cz</strong>ajnie połą<strong>cz</strong>yć z 0V. Można też,jeżeli użyto układu Darlingtona z rys.1.13b, połą<strong>cz</strong>yć wyprowadzenie − VE zRys. 3.9. Tabela prawdy bramki NOR.Rys. 3.11. Przerzutnik zatrzaskowy.16ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96
KLOCKI ELEKTRONICZNE○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○Rys. 3.12. Przekaźnikowy sterownikkierunku obrotów silnika.kolektorem (c) tranzystora Darlingtona.Przy wyborze przekaźnika trzebaupewnić się, <strong>cz</strong>y ma on odpowiednie ze−styki i <strong>cz</strong>y wytrzymują one prąd pobieranyprzez silnik. Napięcie zasilania cewki mu−si być równe napięciu zasilania układu.Podsumowanie przekaźnikowegoukładu sterowania kierunkiem obrotówsilnika jest następujące:Zalety:prosty układ,nie jest wymagana płytka drukowana.Wady:zużywanie się zestyków, zwłasz<strong>cz</strong>a gdyprzełą<strong>cz</strong>a się kierunek obrotów w <strong>cz</strong>asiedziałania silnika,wymaga oddzielnego wyłą<strong>cz</strong>nika silnika,niepotrzebny pobór prądu przez przekaź−nik, jeżeli pozostanie on wzbudzony powyłą<strong>cz</strong>eniu silnika.Tranzystorowy modułsterowania kierunkiemobrotów silnikaRys. 3.13 pokazuje, jak można użyćtranzystorów do przełą<strong>cz</strong>ania kierunkuobrotów elektry<strong>cz</strong>nego silnika prądu sta−łego. Układ ten może być sterowanyprzez przełą<strong>cz</strong>niki lub układy scalone.Do zrozumienia działania tego układujest konie<strong>cz</strong>ne zrozumienie różnic pomię−dzy tranzystorami npn i pnp. TranzystoryTR1, TR2, TR3 i TR5 są typu npn. Każdyz nich działa w tym układzie jak przełą<strong>cz</strong>−nik i przewodzi (<strong>cz</strong>yli przepływa przez nie−go prąd od kolektora do emitera), gdy na−pięcie jego bazy utrzymuje się na poziomieokoło 0,7V powyżej napięcia emitera. Nato−miast tranzystory TR4 i TR6 są typu pnp, i każ−dy z nich zostaje włą<strong>cz</strong>ony, gdy napięcie jegobazy utrzymuje się na poziomie około 0,7Vponiżej napięcia emitera.Jeżeli wejście 1 jest utrzymywane napoziomie logi<strong>cz</strong>nym 1, a wejście 2 na po−ziomie logi<strong>cz</strong>nym 0, to tranzystor TR1 jestwłą<strong>cz</strong>ony, w skutek <strong>cz</strong>ego napięcie wpunkcie A obniża się do 0V, pociągając zasobą bazy TR3 i TR4. W rezultacie TR3zostaje wyłą<strong>cz</strong>ony, a TR4 włą<strong>cz</strong>ony, i na−pięcie w punkcie X wynosi 0V.Równo<strong>cz</strong>eśnie TR2 jest wyłą<strong>cz</strong>ony(napięcie na wejściu 2 wynosi przecież0V), co powoduje, że napięcie w punkcieB dzięki rezystorowi R3 jest dodatnie. Zpunktem B łą<strong>cz</strong>ą się bazy TR5 i TR6, za−tem TR5 jest włą<strong>cz</strong>ony, a TR6 wyłą<strong>cz</strong>ony.Dzięki temu z linii napięcia zasilaniaprzez TR5 płynie prąd do punktu Y, na−stępnie przez silnik do punktu X, po <strong>cz</strong>ymprzez TR4 do 0V.Działanie logi<strong>cz</strong>nych poziomów steru−jących jest więc następujące:poziom logi<strong>cz</strong>ny 0 na obu wejściach − sil−nik stoi(X = + VE, Y = + VE)poziom logi<strong>cz</strong>ny 1 tylko na wejściu 1 − sil−nik obraca się w przód(X = 0V, Y = + VE)poziom logi<strong>cz</strong>ny 1 tylko na wejściu 2 − sil−nik obraca się wste<strong>cz</strong>(X = + VE, Y = 0V)poziom logi<strong>cz</strong>ny 1 na obu wejściach − sil−nik stoi(X = 0V, Y = 0V)W obwodach baz tranzystorów TR1 i TR2znajdują się rezystory (R1 i R2), ograni<strong>cz</strong>ają−ce prąd dopływający do bazy każdego z nich.Kondensatory C1 i C2 usuwają przypadkoweimpulsy, które mogłyby zakłócić działanieukładu. Cztery diody D1...D4 eliminują prze−pięcia, powstające przy przełą<strong>cz</strong>aniu silnika,mogące znisz<strong>cz</strong>yć tranzystory. Połą<strong>cz</strong>onyrównolegle z silnikiem kondensator C3 rów−nież służy do eliminacji powstających w nimimpulsów zakłócających. Silnik łą<strong>cz</strong>y sięzwykle z układem długimi przewodami, i w ta−kim przypadku bezpośrednio do wyprowa−dzeń silnika warto przyłą<strong>cz</strong>yć drugi konden−sator, o pojemności np. 100nF.Jako TR1 i TR2 można użyć dowol−nych tranzystorów o dużym wzmocnie−niu. Proponowane tranzystory mocy po−zwolą sterować silnikiem pobierającymprąd o natężeniu przekra<strong>cz</strong>ającym 1A.Będą one wymagały użycia radiatorów(<strong>cz</strong>yli płytek metalowych przymocowa−nych do ich obudów), przeciwdziałają−cych ich przegrzewaniu się. W razie wąt−pliwości należy poeksperymentować.Podsumowanie tranzystorowego ukła−du sterowania kierunkiem obrotów silnikajest następujące:Zalety:umożliwia włą<strong>cz</strong>anie, wyłą<strong>cz</strong>anie i zmianękierunku obrotów,pobiera niewiele prądu,jest łatwy do sterowania układami logi<strong>cz</strong>−nymi,rozwiązanie bardziej profesjonalne.Wada:układ bardziej skomplikowany od prze−kaźnikowego.Zmienna opornośćRys. 3.13. Tranzystorowy sterownik kierunku obrotów silnika.Układ zmiennej oporności, pokazanyna rys. 3.14, może służyć do regulacji na−pięcia lub prądu, a zatem na przykładszybkości silnika lub jasności lampy. Jestto układ, który z powodu swojej prostoty<strong>cz</strong>ęsto kusi po<strong>cz</strong>ątkujących.Przed pojawieniem się tranzystorów,triaków, stabilizatorów itp. układ ten był<strong>cz</strong>ęsto wykorzystywany do sterowaniaprądem i napięciem, na przykład w ściem−nia<strong>cz</strong>ach teatralnych. Problemy stwarza−ła konie<strong>cz</strong>ność tracenia w rezystorze niezużytej przez lampy energii. Rezystor tenmusiał być bardzo duży i przy małej jas−ności stawał się bardzo gorący.Inną trudność sprawiała zależność na−pięcia wyjściowego od oporności urzą−dzenia pobierającego prąd (pamiętacieprawo Ohma?). Wobec tego napięcie wy−jściowe było zupełnie nieprzewidywalne,chyba że regulator był używany wyłą<strong>cz</strong>niedo jednego urządzenia.Podsumowanie układu sterującego zezmienną opornością:Zaleta:prostota.Wady:wymagane zmienne rezystory dużej mo−cy, a zatem duże i kosztowne,nieprzewidywalne napięcie wyjściowe,ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/9617
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○KLOCKI ELEKTRONICZNERys. 3.14. Układ zmiennej oporności.napięcia wyjściowego nie da się zreduko−wać do zera.Regulatorpotencjometry<strong>cz</strong>nyNa rys. 3.15 jest pokazany potencjometr,którego wszystkie trzy wyprowadzenia są wy−korzystywane. W takiej konfiguracji napięciewyjściowe może zmieniać się wraz z ruchemsuwaka (przedstawionego w formie strzałki)od 0V do pełnego napięcia wejściowego.Teorety<strong>cz</strong>nie przy danym napięciu wejścio−wym napięcie wyjściowe jest dokładnie wy−zna<strong>cz</strong>one pozycją suwaka. Innymi słowy, je−żeli potencjometr jest typu liniowego (w prze−ciwieństwie do typu logarytmi<strong>cz</strong>nego), a su−wak jest dokładnie w połowie zakresu, to na−pięcie wyjściowe będzie połową napięcia wy−jściowego − o ile z suwaka nie będzie pobiera−ny prąd!Jeżeli zadaniem tego układu jest do−star<strong>cz</strong>anie i napięcia i prądu, można przy−jąć rozwiązanie kompromisowe, umożli−wiające pobieranie prądu z suwaka, podwarunkiem, że nie przekra<strong>cz</strong>a on np. 1/10prądu przepływającego przez główny re−zystor potencjometru. Napięcie wyjścio−we będzie wów<strong>cz</strong>as w przybliżeniu równeo<strong>cz</strong>ekiwanemu.Niestety silnik lub lampa wymagają zna<strong>cz</strong>−nego prądu. Na przykład przy poborze prąduo natężeniu 0,5A, potrzebny byłby potencjo−metr o oporności umożliwiającej przepływprądu o natężeniu 5A. Nie tylko potrzebny po−tencjometr byłby ogromny i kosztowny, aleilość traconej w nim energii byłaby nie do za−akceptowania. Potencjometry<strong>cz</strong>na metodasterowania nadaje się więc tylko do obwodówo małych prądach, jak na przykład do regula−cji głośności wzmacnia<strong>cz</strong>a.Podsumowanie potencjometry<strong>cz</strong>negoregulatora napięcia jest następujące:Zalety:stabilne i przewidywalne napięcie wy−jściowe,napięcie wyjściowe da się zredukować do 0V.Rys. 3.15. Potencjometry<strong>cz</strong>ny regulatornapięcia.Wada:nadaje się tylko do układów o małym prą−dzie.Rozwiązanie doskonałeUkład potencjometry<strong>cz</strong>ny z rys. 3.15nadawałby się doskonale do regulacjiszybkości silników lub jasności lamp,gdyby dało się zwiększyć natężenie prą−du pobieranego z suwaka. Ale okazujesię, że nowo<strong>cz</strong>esne tranzystory pozwala−ją to zrealizować!Rys. 3.16 ilustruje sposób, w jaki dowzmocnienia prądu pobieranego z suwakapotencjometru można użyć tranzystora npn.W układzie tym napięcie wyjściowe jest wy−zna<strong>cz</strong>ane przez pozycję suwaka potencjo−metru, natomiast prąd wyjściowy, pobierany zemitera (e) tranzystora, jest równy prądowi do−pływającemu do bazy (b) tranzystora, pomno−żonemu przez jego wzmocnienie prądowe.Trzeba jednak pamiętać, że baza tranzystoranpn zawsze utrzymuje napięcie o 0,7V wy−ższe od napięcia emitera. Innymi słowy, wukładzie jak na rys. 3.16, napięcie emitera bę−dzie zawsze utrzymywało się o 0,7V poniżejnapięcia suwaka potencjometru. W rezultacienapięcie wyjściowe może być zmieniane tylkow zakresie od 0V do pełnego napięcia we−jściowego mniej 0,7V.Szeregowy rezystor ograni<strong>cz</strong>a do bez−pie<strong>cz</strong>nego natężenia prąd bazy, jaki mógł−by popłynąć przy maksymalnym napięciuwejściowym.Układ może jednak wywoływać pewnetrudności w przypadku dużych prądów.Tranzystory dużej mocy mają zazwy<strong>cz</strong>ajniewielkie wzmocnienie. Potrzebny jestzatem tranzystor dużej mocy i o dużymwzmocnieniu. Rozwiązanie ułatwia omó−wiony w <strong>cz</strong>ęści 1 tranzystor Darlingtona(rys. 1.13b). Jest to para tranzystorów, je−den o dużym wzmocnieniu, a drugi o du−żym prądzie. Wygodnie jest używać ich wjednej obudowie, wyglądają jak tranzystormocy. Trzeba jednak pamiętać, że napię−cie emitera drugiego tranzystora paryDarlingtona utrzymuje się o 1.4V poniżejnapięcia bazy pierwszego tranzystora.Schemat układu z parą Darlingtona jestpokazany na rys. 3.17. Typowe elementytego układu to potencjometr 10kW , rezys−tor szeregowy 1kW i tranzystor Darlingto−na TIP121 lub TIP122. Jeżeli stosuje sięRys. 3.16. Potencjometry<strong>cz</strong>ny regulatornapięcia zbuforowany tranzystorem.Rys. 3.17. Potencjometry<strong>cz</strong>ny regulatornapięcia zbuforowany tranzystoremDarlingtona.osobne tranzystory, to może to byćBC184L lub podobny tranzystor o wyso−kim wzmocnieniu i tranzystor mocyTIP41A.Podsumowanie regulatorów napięcia zrys. 3.16 i rys. 3.17 jest następujące:Zalety:napięcie wyjściowe jest dokładnie regulo−wane potencjometrem,napięcie wyjściowe da się zredukować do0V,napięcie wyjściowe w niewielkim stopniuzależy od prądu,prąd wyjściowy, zależnie od zastosowa−nego tranzystora, może osiągać kilka am−perów,stosuje się mały i tani potencjometr.Wada:maksymalne napięcie wyjściowe jest niż−sze od napięcia wejściowego.Inne możliwościJesz<strong>cz</strong>e dokładniejszą regulację napięciaumożliwiają nowo<strong>cz</strong>esne układy scalone sta−bilizatorów napięcia. Ich wybór jest tak szero−ki, że zainteresowanych tym rodzajem stero−wania <strong>cz</strong>ytelników trzeba skierować do ob−szernych katalogów. Jednakże większośćstabilizatorów nie daje możliwości obniżanianapięcia wyjściowego do 0V. Jest to poważ−ną wadą w przypadku sterowania silnikami,<strong>cz</strong>y jasnością lamp.Część <strong>cz</strong>wartaW <strong>cz</strong>ęści 4 tego cyklu zostaną omówio−ne: przerzutnik astabilny, li<strong>cz</strong>nik dziesięt−ny, rezystory szeregowe dla LED orazprojekt konstrukcyjny elektroni<strong>cz</strong>nychkości do gry o zmiennej szybkości.Projekt konstrukcyjnyPrzykładowym projektem konstrukcyj−nym jest automaty<strong>cz</strong>ny system panora−mi<strong>cz</strong>nego sterowania kamerą, opisany wkolejnym artykule w tym numerze EdW.Pokazuje on jak można prakty<strong>cz</strong>nie wy−korzystać moduły opisane w tym artykule.Max HorseyArtykuł publikujemy na podstawie umowylicencyjnej z angielskim miesię<strong>cz</strong>nikiem Ev−eryday Practical Electronics.18ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96