Praktyczny_kurs_elektroniki_cz_14.pdf

Na warsztacie

PRAKTYCZNY

KURS

ELEKTRONIKI

cz. 14

Oto czternasta część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w MT 2/2013 i będziemy

kontynuować w kolejnych wydaniach. Zainteresowanie kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydowaliśmy się umoż-

liwić czytelnikom dołączenie do niego w dowolnym momencie. Wszystkie poprzednie części są dla wszystkich do-

stępne w formacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Można z nich korzystać w komputerze lub sobie je wydrukować.

Można też kupić wszystkie archiwalne numery MT na www.ulubionykiosk.pl. Publikacja każdej kolejnej części jest

zawsze poprzedzona jedną stroną wstępnych informacji (jest to właśnie ta strona), żeby nowi czytelnicy mogli zapo-

znać się z zasadami KURSU i dołączyć do kursantów. ZAPRASZAMY!

Oto czternasta część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w MT 2/2013 i będziemy

Jeśli nie masz bladego pojęcia o elektronice, ale chętnie

byś poznał jej podstawy, to nadarza Ci się niepowtarzalna

okazja. We współpracy z bratnią redakcją miesięcznika

„Elektronika dla Wszystkich” publikujemy w „Młodym

Techniku” cykl fascynujących lekcji dla zupełnie początku-

jących. Jest to Praktyczny Kurs Elektroniki (PKE) z akcen-

tem na Praktyczny , gdyż każda lekcja składa się z projektu

i wykładu z ćwiczeniami , przy czym projekt to konkretny

układ elektroniczny samodzielnie montowany i urucha-

miany przez „kursanta”. Pewnie myślisz sobie – pięknie,

ale jak ja mam montować układy, nie mając lutownicy ani

żadnych części elektronicznych. Otóż jest rozwiązanie.

Lutownicy nie będziesz w ogóle używać, gdyż wszystkie

układy będą montowane na płytce stykowej , do której

wkłada się „nóżki” elementów na wcisk.

I rzecz najważniejsza! Wydawnictwo AVT przy-

gotowało zestaw EdW09 , zawierający płytkę stykową

i wszystkie elementy, jakie będą potrzebne do wykonania

kilkunastu projektów zaplanowanych w PKE. Zestaw

EdW09 można kupić w sklepie internetowym

www.sklep.avt.pl lub w sklepie ﬁ rmowym AVT

(Warszawa, ul. Leszczynowa 11) – cena brutto 47 zł.

Ale Ty nie musisz kupować! Dostaniesz ten zastaw

za darmo , jeśli jesteś prenumeratorem MT lub wykupisz

wkrótce prenumeratę. Wystarczy wysłać na adres:

prenumerata@avt.pl dwa zdania:

„Jestem prenumeratorem MT i zamawiam bezpłatny

zestaw EdW09. Mój numer prenumeraty: ......................”

Jeśli otrzymamy to zamówienie przed 28 marca

2014 roku, to zestaw EdW09 wyślemy Ci w połowie

kwietnia 2014, wraz z majowym numerem MT.

Uwaga uczniowie!

Szkoły prenumerujące MT otrzymują Pakiety Szkolne

PS EdW09 , zawierające po 10 zestawów EdW09 (każdy

zestaw EdW09 zawiera komplet elementów z płytką sty-

kową) skalkulowane na zasadach non proﬁ t w promocyj-

nej cenie 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, czy

Twoja szkoła prenumeruje MT (niemal wszystkie szkoły

ponadpodstawowe i wiele podstawowych otrzymują

MT w prenumeracie sponsorowanej przez Ministerstwo

Nauki i Szkolnictwa Wyższego) i przekaż nauczycielom

informację o Praktycznym Kursie Elektroniki z promo-

cyjnymi dostawami Pakietów Szkolnych PS EdW09

do ćwiczeń praktycznych.

Zestaw EdW09 zawiera następujące

elementy (specyﬁ kacja rodzajowa):

Diody prostownicze

4 szt.

2. Układy scalone

4 szt.

3. Tranzystory

8 szt.

Fotorezystor

1 szt.

5. Przekaźnik

1 szt.

6. Kondensatory

22 szt.

Mikrofon

1 szt.

8. Diody LED

11 szt.

Przewód

1 m

10. Mikroswitch

2 szt.

11. Piezo z generatorem

1 szt.

12. Rezystory

64 szt.

13. Srebrzanka

1 odcinek

14. Zatrzask do baterii 9V

1 szt.

15. Płytka stykowa prototypowa

840 pól stykowych

1 szt.

Cena zestawu EdW09 – 47 zł brutto

(www.sklep.avt.pl)

Uwaga Szkoły

Tylko dla szkół prenumerujących

„Młodego Technika”

przygotowano Pakiety Szkolne

zawierające

10 zestawów EdW09

(PS EdW09) w promocyjnej

cenie 280 zł brutto,

tj. z rabatem 40%.

Autorem Praktycznego Kursu Elektroniki jest Piotr

Górecki , redaktor naczelny kultowego w świecie hob-

bystów – elektroników miesięcznika „Elektronika dla

Wszystkich” i autor legendarnych cykli artykułów i ksią-

żek uczących elektroniki od podstaw.

76 m.technik - www.mt.com.pl

PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI

Projekt 14

Wzorcowy generator

sinusoidalny

Na fotografii wstępnej pokazany jest model generatora sygnału sinusoidalnego. Jak wiadomo,

matematyczny przebieg sinusoidalny jest przebiegiem podstawowym, elementarnym, „pierwotnym”

i w pewnym sensie czystym. Wbrew pozorom, wygenerowanie takiego przebiegu nie jest wcale pro-

ste – każdy realny przebieg jest w pewnym stopniu zniekształcony. W wielu przypadkach potrzebny

jest generator przebiegu sinusoidalnego o jak najmniejszych zniekształceniach. My w ramach kursu

PKE z racji ograniczonego składu zestawu EdW09 realizujemy tylko proste układy. Jednak nawet za

pomocą skromnych środków możemy zrealizować układy o zaskakująco wysokich parametrach, na

100 µ F

2,2k

LED5

nieb.

100nF lub 1 µ F

100 Ω

LED6

ziel.

22k

R F =10k+4,7k

U1B

LM358

BC548

R1 22k

+ U1A

U1A

LM358

R8 100 Ω

BC558

Pot

R14

BC558

C F

LED2

żółta

* patrz tekst

R12

47k

100 µ F

R10

22k

R11

22k

LED3

biała

1 µ F

R13

4,7k

10k

R F

220 Ω R15

R A

R F =10k+4,7k

C F

sztuczna masa

BC548

BC558

100nF

BAT

BC548

LED4

nieb.

R10

2,2k

10k

D1-D3

1N4148

100nF

LED1

biała

Na warsztacie

R S (R1)

przykład generator bardzo czystego „sinusa” według rysunku A . Taki

autonomiczny generator może być znakomitą pomocą przy pomiarach,

głównie sprzętu audio. Wprawdzie czysty sygnał sinusoidalny można

dziś wygenerować za pomocą karty dźwiękowej komputera, ale lepiej

jest, jeśli generator będzie oddzielnym urządzeniem, najlepiej zasila-

nym z baterii, a nie z zasilacza, a komputer może być wykorzystany do

pomiarów jako analizator, a nie jako generator.

Opis układu dla „zaawansowanych”

Chcemy zbudować generator o wysokich parametrach zasilany z bate-

rii 9V, dlatego na wszelki wypadek zastosujemy stabilizator napięcia

z tranzystorami T1, T2. Zasadniczo taki stabilizator nie jest konieczny,

ale zasadą jest, że wszelkie precyzyjne układy zasilamy napięciem

stabilizowanym, a nie napięciem wprost z baterii, które znacznie się

zmienia podczas wyładowania.

Aby w pełni wykorzystać baterię, zastosowaliśmy prosty stabilizator typu LDO (Low Drop Out

– o małym minimalnym spadku napięcia), który utrzymuje na wyjściu około 7V, gdy napięcie bate-

rii jest o co najmniej 0,1V większe. Tylko 0,1V między wejściem i wyjściem stabilizatora wystarczy

do jego prawidłowej pracy. Rezystor „rozruchowy” R1 jest potrzebny, bo bez niego taki stabilizator

nie zacznie pracować po dołączeniu baterii. Zasadniczo tego typu stabilizatory realizuje się we-

dług idei z rysunku B z trzema tranzystorami. Napięcie wyjściowe ustala tu dzielnik R A , R B . Dioda

Zenera wytwarza stabilne napięcie odniesienia U REF , a układ dąży do tego, by napięcie U A było rów-

ne U REF . Gdy napięcie na wyjściu jest za duże, bardziej otwiera się tranzystor T A i przejmuje więcej

prądu, płynącego przez rezystor R E . Zmniejsza tym samym prąd płynący przez T B , czyli prąd bazy

tranzystora T C . Zmniejszenie prądu bazy zmniejsza też prąd kolektora T C , a to zmniejsza napięcie

wyjściowe i przywraca równowagę.

W modelu zamiast diody Zenera DZ, źródłem napięcia odniesienia jest szeregowe połączenie

krzemowej diody D2 i białej diody LED, co daje napięcie o wartości nieco powyżej 3,5V. Obwód

ten jest też wykorzystywany jako sztuczna masa, niezbędna przy zasilaniu generatora pojedynczym

napięciem jednej baterii. W układzie wykorzystane są wszystkie tranzystory z zestawu EdW09 i po

prostu zabrakło jeszcze jednego tranzystora do stabilizatora (T A ). Dlatego układ jest uproszczony

i zamiast T A i dzielnika R A , R B włączone są dwie diody świecące (LED2, LED3), które pełnią funkcję

diody Zenera.

Podczas pracy stabilizatora mocno świeci biała dioda LED1, przez którą płynie znaczny prąd

około 3mA. Słabiej świecą też diody LED2, LED3, które przy okazji są też monitorem stanu baterii

– gdy nie świecą, napięcie jest za niskie i baterię trzeba wymienić.

Najważniejszą częścią projektu jest wyróżniony żółtą podkładką klasyczny generator z mostkiem

Wiena, zbudowany na wzmacniaczu operacyjnym U1A. Częstotliwość generatora wyznaczają pary

jednakowych elementów R F , C F : (f = 1/2πR F C F ). Rezystory R4, R5 gwarantują, że układ zacznie wy-

twarzać drgania po włączeniu zasilania. Sygnał sinusoidalny z wyjścia oscylatora U1A podawany

jest na wtórnik U1B i dalej na wyjście. Na wyjściu można włączyć potencjometr (1kΩ...2,2kΩ), a ja

w modelu dodałem dzielnik R14, R15 i podałem zeń sygnał na wejście liniowe laptopa audio, który

wraz z odpowiednim programem posłuży jako oscyloskop i analizator.

W każdym generatorze z mostkiem Wiena potrzebny jest układ stabilizacji amplitudy wytwarza-

nego przebiegu. W zasadzie generator mógłby mieć prosty schemat, jak na rysunku C , gdzie wyko-

rzystany jest prosty stabilizator-ogranicznik z diodami krzemowymi D X , D Y .

Gdy wartość R5 jest zbyt duża, generator chce wytworzyć przebieg o dużej amplitudzie, a wtedy

w szczytach sinusoidy przez diody D X , D Y płynie prąd i następuje ograniczanie amplitudy drgań

– przebieg wyjściowy jest jednak znacząco zniekształcony. Jeśli zmniej-

szymy wartość R5, generator chce wytwarzać przebieg o mniejszej

amplitudzie – diody D Y , D X , również przewodzą, ale ich prąd, a także

zniekształcenia przebiegu są mniejsze. Czym mniejszy prąd diod,

tym mniejsze zniekształcenia przebiegu sinusoidalnego. Gdy jednak

nadmiernie zmniejszymy wartość R5, generator przestanie wytwarzać

drgania i nie zacznie pracy po włączeniu zasilania.

W takich prostych generatorach Wiena ze stabilizacją diodo-

wą w roli R5 stosuje się potencjometr i tak ustawia jego wartość,

żeby niezależnie od zmian temperatury i innych czynników zagwa-

rantować szybkie powstanie i utrzymanie drgań, a jednocześnie

T C (T1)

R A

R R

(T2)

T B

T A

U REF

U A

R E

(R3)

R B

ok. 20k

R F

R S

C F

D X

D Y

R F

10k

C F

78 m.technik - www.mt.com.pl

PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI

by zniekształcenia nie były zbyt duże.

Cała sztuka budowy i regulacji takiego generatora

polega na dobraniu jak najmniejszej wartości R5:

– nie może ona być za mała, bo generator po włącze-

niu zasilania nie zacznie pracować;

– nie może być za duża, bo przebieg będzie

zniekształcony.

W Internecie można znaleźć mnóstwo schematów

podobnych do tego z rysunku C, ale trudno byłoby zna-

leźć rozwiązanie z dwoma monitorami, jak w naszym

projekcie. My nie mamy w zestawie ani jednego poten-

cjometru, który umożliwiłby taką regulację, więc po-

trzebną rezystancję uzyskamy, dołączając równolegle do

R5 rezystor R6 lub kilka rezystorów o większej wartości. Aby to zrobić bez przyrządów, mamy też

w układzie dwa monitory, kontrolujące parametry wytwarzanego przebiegu sinusoidalnego.

Monitor amplitudy zbudowany jest na tranzystorach T7, T8. Jeśli na wyjściu generatora wystąpi

przebieg o amplitudzie powyżej 0,6V, zaświeci się zielona dioda LED6.

Monitor zniekształceń zawiera tranzystory T3, T4, których złącza baza-emiter pełnią funkcję

diod D Y , D X z rysunku B. Ściślej biorąc, prąd baz tych tranzystorów odpowiada prądom, płynącym

przez diody D Y , D X . Ponieważ zniekształcenia wytwarzanego przebiegu są proporcjonalne do prą-

dów baz, sprawdzamy, czy prądy te nie są zbyt duże. Wykorzystujemy do tego prądy kolektorów T3,

T4, które są proporcjonalne do prądów baz. Jeśli zniekształcenia, a tym samym prądy baz i kolekto-

rów T3, T4 będą zbyt duże, spadki napięcia na R9 i R10 będą otwierać tranzystory T5, T6 i zaświe-

cać niebieskie diody LED4, LED5. Próg zadziałania monitora zniekształceń wyznaczają rezystory

R9, R10.

Rysunek D – zrzut z ekranu oscyloskopu – pokazuje, że w układzie modelowym uzyskujemy

ładny przebieg sinusoidalny o częstotliwości 107,8Hz i wartości międzyszczytowej 1,56V, co daje

amplitudę 0,78V i wartość skuteczną 0,55V. Jeśli świeci zielona dioda LED6, a nie świecą niebieskie

LED4, LED5, to wytwarzany przebieg ma zniekształcenia poniżej 1%. Staranny dobór rezystancji

R5 pozwala uzyskać dużo mniejsze zniekształcenia.

W naszym układzie mamy do dyspozycji nieprecyzyjne elementy, w tym rezystory o tolerancji

5%. Dlatego dobór optymalnej wartości rezystancji R5 polega na dołączaniu równolegle do niej re-

zystora R6 lub kilku rezystorów. Zapewne bez rezystora R6 będą świecić i LED6, i niebieskie LED4,

LED5. Należy dołączyć R6 o nominale 100kΩ. Zapewne wszystkie te diody wtedy zgasną – wypad-

kowa rezystancja jest za niska. Nominał 100kΩ trzeba odłączyć i wstawić 220kΩ. Jeśli po dołącze-

niu R6 = 220kΩ zielona dioda LED6 zgaśnie, trzeba zastosować R6 = 470kΩ. Najprawdopodobniej

jednak po dołączeniu R6 = 220kΩ dioda LED6 będzie nadal świecić. Jeśli zgasną przy tym niebie-

skie LED4, LED5, procedurę można byłoby zakończyć. Jednak niezależnie od stanu niebieskich

diod warto równolegle do R5, R6 dodać kolejny rezystor (470kΩ, 1MΩ, 2,2MΩ, 4,7MΩ, 10MΩ) lub

szeregowe ich połączenie, przy którym zielona LED6 świeci, a po dołączeniu baterii zaświeca się

w czasie nie dłuższym niż jedna sekunda. Tak dostrojony układ będzie wytwarzał sinusoidę o za-

skakująco małych zniekształceniach.

Uwaga! Po każdej zmianie w układzie, w szczególności zmianie R F i C F , procedurę dobierania

rezystancji należy powtórzyć!

Jak pokazuje fotografia wstępna, w modelu z kondensatorami C F = 100nF do R5, oprócz rezystan-

cji R6 = 220kΩ, równolegle dołączone są też dwa rezystory o sumarycznej wartości 5,7MΩ

(4,7MΩ + 1MΩ).

Tego rodzaju generator możesz z powodzeniem wykorzystywać do pomiarów. Dla ciekawości

sprawdź, jak brzmi czysta sinusoida i jak ucho odbiera zniekształcenia – w tym celu do wyjścia

generatora dołącz słuchawki przez rezystor o wartości 470Ω lub 1kΩ.

Wykład z ćwiczeniami 14

Poznajemy elementy i układy elektroniczne

W projekcie wstępnym wykorzystaliśmy generator oparty na mostku Wiena, według idei z rysun-

ku 1 . Uważni Czytelnicy spostrzegli też, że podobny generator wykorzystywaliśmy już wcześniej

Na warsztacie

U wy = 0 przyczęstotliwości

– patrz wykład 9, rysunki 11

i 12. Dwa jednakowe rezystory R F

i kondensatory C F tworzą obwód

selektywny, który przy często-

tliwości f = 1/2πR F C F najmniej

tłumi sygnał (trzykrotnie) i nie

przesuwa wtedy fazy. Sprzężenie

zwrotne przez ten obwód jest

dodatnie, ale aby skompensować

trzykrotne tłumienie, w genera-

torze potrzebne są rezystory R A ,

2R A , które zapewnią wzmocnie-

nie równe 3, by wzmocnienie

wypadkowe wynosiło 1 i by

układ wytwarzał drgania.

Z uwagi na zmiany tempe-

ratury i innych czynników,

„początkowe” wzmocnienie

powinno być nieco większe

od jedności, a po powstaniu

drgań powinno być na bieżąco

regulowane, by miało wartość

dokładnie równą jedności, co

zagwarantuje wytwarzanie

niezniekształconego przebiegu

sinusoidalnego. W praktyce układ generatora musi zawierać obwód stabilizacji amplitudy wytwa-

rzanego przebiegu. W literaturze znajdziesz rozmaite rozwiązania takiej stabilizacji. W zasilanej

napięciem symetrycznym wersji z rysunku 2a zwykła żaróweczka (o jak najmniejszym prądzie)

ma dodatni współczynnik cieplny. Gdy powstaną drgania, przez żarówkę popłynie prąd zmienny ,

co rozgrzeje włókno, zwiększy jego rezystancję i tym samym zmniejszy wzmocnienie, stabilizując

amplitudę wytwarzanego „sinusa”. Tego rodzaju proste generatory z żarówką były dawniej bardzo

często wykorzystywane, nawet w sprzęcie profesjonalnym. W wersji z rysunku 2b do stabilizacji

amplitudy służy termistor o ujemnym współczynniku cieplnym (NTC), który po powstaniu drgań

pod wpływem prądu i nagrzewania zmniejsza swoją rezystancję, zmniejszając wzmocnienie.

Jeżeli masz w domu żaróweczkę o naprawdę małym prądzie, np. od choinki lub telefoniczną

o prądzie 20mA, możesz spróbować zrealizować prościutki generator według rysunku 2a, zasila-

ny napięciem symetrycznym ±4,5V … ±9V. Z uwagi na bardzo małą rezystancję zimnego włókna

żarówki potrzebna wartość rezystancji R X wyniesie kilkanaście do kilkudziesięciu omów, a wtedy

problemem okaże się mała wydajność prądowa wzmacniacza operacyjnego.

Powtarzalność i dobre parametry zapewnia obwód regulacyjny z tranzystorem polowym złą-

czowym (JFET) – prosty przykład na rysunku 3a . Jeszcze lepsze, znikomo małe zniekształcenia

można uzyskać w generatorze z transoptorem zawierającym fotorezystor według idei z rysunku 3b .

Dopracowane wersje takich generatorów z odpowiedniej jakości wzmacniaczem operacyjnym po-

zwalają wytworzyć bardzo czysty, niemal idealny przebieg sinusoidalny o zawartości zniekształceń

rzędu tysięcznych części

procenta.

Przy okazji wspomnij-

my, że zniekształcenia

nieliniowe to realne

zniekształcenia. To każde,

jakiekolwiek odkształcenie

przebiegu sinusoidalne-

go, który, jak wiemy, jest

przebiegiem podstawo-

wym, elementarnym. Co

bardzo ciekawe i ważne

w praktyce, każdy przebieg

okresowy, powtarzalny,

jest „zniekształconym

2 π

R F

C F

f =

2 π

R F C F

R F

2R A

C F

U wy

C F

R A

R F

R A

C F

Generator z mostkiem Wiena

R F

C F

R F

_ U

żaróweczka

R X

dobierany

termistor (NTC)

o jak najmniejszym

prądzie

UWAGA! ZASILANIE NAPIĘCIEM SYMETRYCZNYM!

R F

C F

R F

C F

R F

10k

1 N4148

22 µ

dobierany

ok. 5k

transoptor

z fotorezystorem

układ

sterujący

T1- JFET N

80 m.technik - www.mt.com.pl

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: