Praktyczny_kurs_elektroniki_cz_24.pdf

(5073 KB) Pobierz
Na warsztacie
PRAKTYCZNY
KURS
cz. 24
ELEKTRONIKI
Nasz cykl dobiega już końca. Oto ostatnia, dwudziesta czwarta część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który
zainaugurowaliśmy w MT 2/2013. Zainteresowanie kursem było olbrzymie, a nasi Czytelnicy mogli dołączać do niego
– i dołączali! – w dowolnym momencie. Wszystkie części są i będą dostępne bezpłatnie w formacie PDF na stro-
nie www.mt.com.pl. Można z nich korzystać w komputerze lub sobie je wydrukować. Warto też kupić archiwalne
numery MT na www.ulubionykiosk.pl. Mamy nadzieję, że wielu z Was zainteresowaliśmy elektroniką, a dzięki nam
zdobyliście nowe, fascynujące, pełne wyzwań hobby. Zachęcamy Was do tworzenia własnych projektów i oczywiście
do wysyłania ich realizacji do nas.
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” przygotowaliśmy 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 trzeba w ogóle używać, gdyż wszystkie
układy montuje się 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 są potrzebne do wykonania
kilkunastu projektów zaprezentowanych w PKE. Zestaw
EdW09
można kupić w sklepie internetowym
www.sklep.avt.pl
lub w sklepie firmowym AVT
(Warszawa, ul. Leszczynowa 11) – cena brutto 47 zł.
Ale Ty nie musisz kupować!
Dostaniesz ten zestaw
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 stycznia
2014 r., to zestaw
EdW09
wyślemy Ci w połowie lutego
2015 r., wraz z marcowym numerem MT.
Szkoły prenumerujące MT otrzymują
Pakiety Szkolne
PS EdW09,
zawierające po 10
zestawów EdW09
(każdy
z nich zawiera komplet elementów z płytką stykową),
skalkulowane na zasadach non profit w promocyjnej
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.
Poziom tekstu: średnio trudny
SZKOŁA
Zestaw EdW09 zawiera następujące
elementy (specyfikacja rodzajowa):
1. Diody prostownicze
4 szt.
2. Układy scalone
4 szt.
3. Tranzystory
8 szt.
4. Fotorezystor
1 szt.
5. Przekaźnik
1 szt.
6. Kondensatory
22 szt.
7. Mikrofon
1 szt.
8. Diody LED
11 szt.
9. Przewód
1m
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 uczniowie!
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
hobbystów – elektroników miesięcznika „Elektronika
dla Wszystkich”, autor legendarnych cykli artykułów
i książek uczących elektroniki od podstaw.
Uwaga Szkoły
96
m.technik – www.mt.com.pl – nr 2/2015
– www.mt.com.pl – nr
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
Projekt 24
Elektroniczna ruletka
i szalony kręciołek
Fotografia tytułowa pokazuje układ prostej ruletki elektronicznej, której schemat zamieszczony jest
na rysunku
A.
Naciśnięcie przycisku S1 spowoduje szybkie wirowanie i migotanie punktu świetlnego,
czemu towarzyszy charakterystyczny terkot. Po zwolnieniu przycisku prędkość wirowania zmniejsza się,
a po kilku sekundach punkt świetlny się zatrzymuje. Częstotliwość terkotania zmniejsza się, ponieważ
pojedynczy stuk występuje wtedy, gdy zaświeca się kolejna dioda LED. Działanie układu można zoba-
czyć na filmie, umieszczonym w Elportalu (www.elportal.pl/pke).
Opis układu dla „zaawansowanych”
Na schemacie z rysunku A możemy wyróżnić szereg bloków, znanych nam już z poprzednich wykładów.
Mamy tu licznik 4017 (U2), który zlicza impulsy podawane na nóżkę 14 i zaświeca kolejne diody LED,
dołączone do wyjść. Diody te powinny być tak ułożone, żeby tworzyły kształt okręgu.
Bramka U1A wraz z elementami D1, R2, T1, R3 tworzy znany z poprzedniego wykładu prze-
twornik napięcia na częstotliwość. Po naciśnięciu przycisku S kondensator C1 zostaje nałado-
wany, a pełne napięcie zasilające podane jest na dzielnik R5, R4. Napięcie na bazie T1 wynosi
około 18% napięcia zasilającego, a tranzystor T1 jest źródłem prądowym. Znaczny prąd tego źró-
dła powoduje, że częstotliwość generatora jest dość duża. Po zwolnieniu przycisku S1 konden-
sator zaczyna się rozładowywać przez R5 i R6. Napięcie maleje, maleje też prąd tranzystora T1
V+
+
V+
13
V+
F
12
E
C4
10µF
V+
11
6
C
10
5
9
D
8
14
13
CL
Q0
Q1
MR
EN
Q3
Q5
Q6
Q2
Q4
Q7
Q8
S1
1000µF
Y1
R5
22k
piezo
R2 2,2k 1N4148
1
A
R1
10k
4
B
3
2
4
7
10
1
5
6
9 11
C1
R4 4,7k
R3 100k
4,7k
lub
10k
T1
BC
548
D1
2
3
R7
10k
R8
2,2k
X
A
R6
*
C2
100n
U1
40106
LED1...LED10
ułożone w postaci
okręgu
Q9
+
C3 100n
U2=4017
licznik
+
97
Na warsztacie
15
15
15
SZKOŁA
14
13
CLOCK
RESET
14
13
CE
Q0 Q1 • • •
4017
Q8 Q9
CLOCK
RESET
14
13
CE
Q0Q1 • • •
4017
Q8 Q9
CLOCK
RESET
CE
Q1 • • •
4017
Q8 Q9
9 wyjść
CLOCK
pierwszy stopień
8 wyjść
8 wyjść
Poziom tekstu: średnio trudny
drugi stopień
ostatni stopień
B
V+
V+
i zmniejsza się częstotliwość generatora oraz prędkość wirowania punktu
świetlnego. W pewnym momencie tranzystor zostaje zatkany i punkt
100k
świetlny się zatrzymuje.
100k
S1
Każde aktywne narastające zbocze na wejściu CL licznika 4017 powo-
duje nie tylko zaświecenie kolejnej diody, ale też wywołuje krótki impuls
dźwiękowy, stuk brzęczyka Y1.
Oczywiście możesz zmieniać wartości elementów. Stała czasowa R1C3
decyduje o głośności i tonie stuku. Częstotliwość głównego generatora,
*
czyli maksymalna szybkość „wirowania”, wyznaczona jest głównie przez
do
elementy C2 i R3. Czas trwania cyklu możesz regulować, zmieniając
nóżki 13
wartość R6.
(EN) U2
R5
W tej podstawowej, bardzo prostej wersji ruletka jest 10-pozycyjna.
C1
Można dowolnie zwiększyć liczbę diod, zwiększając pojemność licznika.
T1
Trzeba wtedy zastosować więcej niż jedną kostkę 4017 i połączyć je w spo-
R6
sób, pokazany w karcie katalogowej licznika 4017 – rysunek
B.
R4
Aby otrzymać pełnowartościową ruletkę elektroniczną, należałoby
R3
jeszcze dodać obwód skutecznego „zatrzymywania”. W przedstawionej
najprostszej wersji na końcu cyklu może się zdarzyć, że punkt świetl-
ny dodatkowo przeskoczy o jedną pozycję po pewnym czasie, z uwagi
na płynne zatykanie tranzystora T1. Aby temu zapobiec, należałoby dodać obwód zatrzymujący zlicza-
nie, na przykład według
rysunku C.
Wartość rezystora oznaczonego gwiazdką należy dobrać, zależnie
od napięcia zasilania, żeby zatrzymanie ruchu punktu świetlnego następowało podobnie jak w klasycz-
nej ruletce.
Na bazie prezentowanego układu można też zrobić inne efekty świetlne. Można na przykład wykorzy-
stać generator przebiegów pseudoprzypadkowych, wykorzystany wcześniej w wykładzie 22 w elektro-
nicznej świeczce. W układzie z rysunku
D
z trzech dotychczas niewykorzystanych inwerterów buduje-
my taki generator, który będzie zmieniał częstotliwość generatora VCO na bramce U1A. Otrzymujemy
„szalony kręciołek”, w którym częstotliwość wirowania diod zmienia się w dziwny sposób.
Fotografia E
pokazuje model, a w Elportalu można znaleźć filmik, prezentujący jego działanie. Zmiany częstotliwości
byłyby skokowe – aby je „złagodzić”, między punkt X i masę został włączony kondensator C8 o pojemno-
ści 100uF. Także i tu możesz zmieniać wartości elementów RC.
+
C
V+
13
C5 1µF
V+
11
+
C6 10µF
V+
+
R8 2,2M
F
12
R5
V+ V+
6
+
Y1
piezo
100k
T1
BC 548
R3 100k
C
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
E
10
R2 2,2k 1N4148
D1
2 3
A
R1
10k
EN
3
2
4
7
10
1
5
6
9 11
R10
1M
D
R6 100k
R7
100k
+
9
8
X
1
C2
100n
4
B
R11
10k
R12
2,2k
C7 10µF
C8
100µF
R4
4,7k
LED1...LED10
ułożone w postaci
okręgu
Q9
R9 1M 100k
5
C3
100n 14 CL
13
MR
U2=4017
licznik
D
98
m.technik – www.mt.com.pl – nr 2/2015
– www.mt.com.pl – nr
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
E
Poznajemy elementy i układy elektroniczne
1
W poprzednim wykładzie wspomnieliśmy o tym, że dziś realizacja w jednym układzie scalonym tysię-
cy, milionów, a nawet miliardów bramek nie jest problemem i że istnieje mnóstwo układów o bardzo
skomplikowanej strukturze wewnętrznej, które są swego rodzaju „półproduktami”, ponieważ można je
samodzielnie zaprogramować, by pełniły potrzebne, często bardzo skomplikowane zadania.
Dowiedziałeś się, że dwie główne grupy to: układy PLD oraz dużo popularniejsze mikroprocesory.
Programowanie układów PLD polega na takim połączeniu elementarnych „cegiełek”, by uzyskać struk-
turę logiczną, która będzie realizować postawione zadanie. Natomiast programowanie mikroprocesorów
nie polega na zmianie ich struktury wewnętrznej, tylko na wpisaniu do ich pamięci programu, przepisu
działania, który będzie realizował postawione zadanie z wykorzystaniem dostępnych w danym proceso-
rze struktur.
Do realizacji prostszych funkcji wystarczą mikroprocesory 8-bitowe, w których przetwarzane są dane
ośmiobitowe. Większe możliwości i większą szybkość realizacji zadań zapewniają procesory 16-bitowe,
a w komputerach stosowane są procesory 32- i 64-bitowe. O wydajności (mocy obliczeniowej) decyduje
zarówno liczba jednocześnie przetwarzanych bitów, jak też częstotliwość sygnału zegarowego. Wydajne
procesory, stosowane w komputerach, a także coraz częściej w tabletach i smartfonach, jako główne
zadanie mają przeprowadzanie obliczeń matematycznych. Można powiedzieć, że takie „duże procesory”
to tylko szybka i wydajna „goła maszynka do obliczeń matematycznych”. W sposób matematyczny prze-
twarzane są zarówno sygnały obrazu, dźwięku, jak też inne.
Natomiast do wykonania wielu innych zadań wystarczą „małe” procesory 8-bitowe, co najwyżej 16-bi-
towe. Już od dawna, dla wygody konstruktów, takie prostsze procesory, w jednym układzie scalonym,
oprócz „gołej maszynki obliczeniowej”, zawierają też
dodatkowe bardzo pożyteczne bloki pomocnicze,
dzięki czemu w jednym układzie scalonym
mamy wszystko, co potrzeba do wyko-
nania nawet dość złożonego zadania.
Są to mikroprocesory jednoukładowe,
a ponieważ zawierają dodatkowe bloki,
często są nazywane mikrokontrolerami
jednoukładowymi. Najpopularniejsze mikro-
kontrolery jednoukładowe zasilane są napię-
ciem w zakresie 1,8...6V, zwykle 3...5V, a ich
ceny wynoszą od kilku do najwyżej kilkudziesięciu
złotych.
Mikrokontrolery jednoukładowe zawierają tzw. pamięć
operacyjną, potrzebną podczas pracy procesora oraz pamięć
programu, gdzie trwale przechowywany jest „przepis działania”
oraz szereg bloków, które nie są bezpośrednio związane z oblicze-
niami matematycznymi.
Fotografia 1
pokazuje jednoukładowy mikroprocesor ATmega32 popu-
larnej rodziny AVR firmy Atmel w obudowie przewlekanej DIL.
Rysunek 2
pokazuje schemat blokowy tego procesora. Żółtą podkładką wyróżniony jest
99
Na warsztacie
„właściwy procesor”, oznaczo-
ny CPU (Central Processing
Unit). Zawiera on między
innymi jednostkę ALU
(Arithmetic Logic Unit), gdzie
na liczbach 8-bitowych doko-
nywane są wszelkie operacje
logiczne i matematyczne.
Warto dodać, że nazwy „mikro-
kontroler” i „mikroprocesor”
są stosowane wymiennie, choć
ściślej biorąc, procesorem
należałoby nazywać jedynie
jednostkę CPU.
Z CPU współpracują
trzy pamięci (na rysunku 2
wyróżnione kolorem czer-
wonym). Pamięć operacyjna
SRAM (Static RAM) to pamięć
o bardzo dużej szybkości
zapisu/odczytu, ale ulotna – jej
zawartość znika po wyłączeniu
zasilania. Pamięć ta ma wiele
wspólnego ze znanymi nam
przerzutnikami, można powie-
dzieć, że składa się z mnóstwa
przerzutników.
ANALOG
COMPARATOR
Drugi główny rodzaj to po-
wolniejsza pamięć nieulotna,
która zachowuje zawartość
po wyłączeniu zasilania przez
dziesiątki, a może i setki lat.
W mikrokontrolerach są to pa-
mięć FLASH dla programu
i nieulotna pamięć pomocnicza
EEPROM do trwałego pamię-
tania niewielkiej ilości danych.
Pamięci nieulotne EEPROM, FLASH opierają swoje działanie na dość prostej zasadzie, a mianowicie
elementem pamiętającym jest tam... pojedynczy tranzystor MOSFET, gdzie, jak wiesz, elektrodą sterującą
jest bramka. Napięcie bramki decyduje o tym, czy tranzystor przewodzi, czy jest zatkany. Jednocześnie
wiemy, że obwód bramkowy MOSFET-a jest maleńkim kondensatorem, co możemy zobrazować jak
na rysunku 3a. I właśnie w pamięciach nieulotnych elementami pamiętającymi są w sumie tranzystory
MOSFET, choć nietypowe, mające bramkę, ale... bramkę niepodłączoną, zwaną bramką pływającą. Taki
tranzystor pamiętający ma jakby wbudowany „kondensator bramkowy” (CGS), jak pokazuje
rysunek 3b.
Można powiedzieć w uproszczeniu, że jeżeli ten kondensator jest naładowany, to tranzystor pozostaje
otwarty. Gdy „kondensator bramkowy” jest rozładowany – tranzystor jest zatkany. W ten sposób mamy
możliwość trwałego zapamiętania (na wiele lat) dwóch stanów. Pomimo braku elektrycznego połączenia
takiej bramki, można ją „zdalnie” naładować i rozładować. W grę wchodzą tajemnicze zjawiska kwanto-
we (tunelowe), ale w uproszczeniu można powiedzieć, że zmianę stanu naładowania pojemności bram-
kowej uzyskuje się za pomocą specjalnych obwodów sterujących i podwyższonych napięć, które jakby
„przebijają” cieniutką warstewkę izolatora pływającej bramki. Jeden taki tranzystor może zapamiętać
(co najmniej) jeden bit informacji, a we współczesnych urządzeniach cyfrowych wykorzystujemy pamię-
ci o pojemności wielu megabajtów, a nawet gigabajtów. Zapewne i Ty masz małego pendrajwa (pendrive),
który jest właśnie tego rodzaju pamięcią nieulotną FLASH. Jeżeli przykładowo jego pojemność wynosi
„tylko” 1GB (około 1 miliarda bajtów), czyli 8 miliardów bitów, to może on zawierać kilka miliardów
takich tranzystorów pamiętających. Natomiast w małych 8-bitowych mikroprocesorach jednoukłado-
wych, powszechnie wykorzystywanych przez hobbystów, nieulotna pamięć programu FLASH zwykle
jest wielokrotnie mniejsza i ma pojemność w zakresie 1kB do 256kB. Ulotna pamięć operacyjna SRAM
jest jeszcze mniejsza i zwykle ma pojemność od kilkuset bajtów do kilku kilobajtów.
Poziom tekstu: średnio trudny
SZKOŁA
2
100
m.technik – www.mt.com.pl – nr 2/2015
– www.mt.com.pl – nr

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin