PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI cz. 12
Transkrypt
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI cz. 12
Poziom tekstu: średnio trudny SZKOŁA Na warsztacie PRAKTYCZNY KURS cz. 12 ELEKTRONIKI Oto dwunasta część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w MT 2/2013 i będziemy kontynuować w kolejnych wydaniach. Zainteresowanie tym kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydowaliśmy się umożliwić czytelnikom dołączenie do kursu w dowolnym momencie. Po prostu, wszystkie poprzednie części są dla wszystkich dostępne w formacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Można z nich korzystać w komputerze lub wydrukować sobie. 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 zapoznać się z zasadami KURSU i dołączyć do kursantów. ZAPRASZAMY! Jeśli nie masz bladego pojęcia o elektronice, ale chętnie byś poznał jej podstawy, to nadarza Ci się jedyna, niepowtarzalna okazja. We współpracy z bratnią redakcją miesięcznika Elektronika dla Wszystkich publikujemy w Młodym Techniku cykl fascynujących lekcji dla zupełnie początkujących. Jest to Praktyczny Kurs Elektroniki (PKE) z akcentem na Praktyczny, gdyż każda lekcja składa się z projektu i wykładu z ćwiczeniami, przy czym projekt to konkretny układ elektroniczny samodzielnie montowany i uruchamiany 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 przygotowało 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 firmowym 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: [email protected] dwa zdania: „Jestem prenumeratorem MT i zamawiam bezpłatny zestaw EdW09. Mój numer prenumeraty: ......................” Jeśli otrzymamy to zamówienie przed 31 stycznia 2014 roku, to zestaw EdW09 wyślemy Ci w połowie lutego 2014 wraz z marcowym 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 stykową) skalkulowane na zasadach non profit w promocyjnej cenie 280 zł brutto za jeden pakiet PS EdW09 (tj. z rabatem 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 promocyjnymi dostawami Pakietów Szkolnych PS EdW09 do ćwiczeń praktycznych. 74 m.technik - www.mt.com.pl Zestaw EdW09 zawiera następujące elementy (specyfikacja rodzajowa): 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. Diody prostownicze 4 szt. Układy scalone 4 szt. Tranzystory 8 szt. Fotorezystor 1 szt. Przekaźnik 1 szt. Kondensatory 22 szt. Mikrofon 1 szt. Diody LED 11 szt. Przewód 1m Mikroswitch 2 szt. Piezo z generatorem 1 szt. Rezystory 64 szt. Srebrzanka 1 odcinek Zatrzask do baterii 9V 1 szt. 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 hobbystów elektroników miesięcznika „Elektronika dla Wszystkich” i autor legendarnych cykli artykułów i książek uczących elektroniki od podstaw. PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI Projekt 12 Podsłuchiwanie niesłyszalnego + + A fotorezystor + W poprzednim wykładzie proponowałem, żebyś nie demontował ostatnio budowanego dwustopniowego wzmacniacza. Ja wprawdzie zmontowałem ten układ jeszcze raz, co widać na fotografii tytułowej, ale Ty do wstępnych eksperymentów możesz wykorzystać ostatni układ z poprzedniego ćwiczenia (wg rysunku 31 i fotografii 32) z innymi czujnikami/przetwornikami na wejściu. Dobrze byłoby jednak, gdybyś wymienił kondensatory C2, C3, C4 z 10 mF na 100 mF – w związku z tą zmianą, po włączeniu zasilania mu+UZAS 9_15V sisz odczekać kilka, Z R10 T3 BC548 C6 CF R2 a może nawet po47k 1000µF 100k C4 + * LED1 nad dziesięć sekund 10µF BLUE na ich naładowanie R1 Y BC548 + U1B R7 * R8 47k i dopiero potem 4,7k 5 7 8 T1 + układ będzie praC1 R9 2 1 + 6 100n (2,2k) widłowo pracował. R5 47k FT 3 100Ω R4 W razie potrzeby C5 U1A 100k 4 1000µ będziesz zmieniał LM358 T2 czułość wzmacniaR6 BC558 cza, wymieniając 1k R6 (100 V...10 kV) R3 C3 C2 i R7 (1 kV...10 kV), 220k 10µF 10µF X ewentualnie także R1 (1 kV...100 kV). 75 fotod i od a m.technik - www.mt.com.pl T3 BC548 R2 R10 + LED1 BLUE C4 R4 C1 100n C2 5 6 + U1B 7 R5 R6 R3 + 76 Na wejściu możesz włączyć najróżniejsze przetworniki, które Z zamieniają rozmaite wielkości fizyczne na sygnał elektryczny. Oto kilka moich propozycji: R1 Na rysunku A niebieską podkładką zaznaczony jest nasz 1k. . . 1M Y czuły wzmacniacz słuchawkowy, a literami X, Y, Z oznaczone są „punkty wejściowe”. Ten wzmacniacz będziemy wykorzystywać we wszystkich eksperymentach tego wykładu, dlatego na kolejnych schematach zamiast pełnego schematu znajFD K dziesz tylko niebieską podkładkę z punktami wejściowymi X, A Y, Z. Dołączając do wejścia fotorezystor w miejsce mikrofonu, możesz „podsłuchiwać światło”. Przy świetle sztucznym, w słuchawkach usłyszysz bardzo głośny terkot – przydźwięk sieci z żarówek i świetlówek X (będzie to brum o częstotliwości 100 Hz). Możesz też spróbować „podsłuchać”... płomienie ognia w kominku, ale efekt najprawdopodobniej nie będzie rewelacyjny. Układ może też pełnić jak najbardziej pożyteczną rolę – jest też testerem pilotów zdalnego sterowania od sprzętu RTV – wystarczy skierować podczerwoną diodę nadawczą pilota na fotorezystor i nacisnąć dowolny przycisk. Jeśli pilot pracuje, w słuchawkach pojawi się charakterystyczny terkot. W układzie testera pilotów lepiej byłoby zamiast fotorezystora zastosować fotodiodę według rysunku B. Jednak w zestawie EdW09 nie mamy fotodiody, czyli diody czułej na światło. Rolę fotodiody, ale o małej czułości i nie do testowania pilotów, mogłaby od biedy pełnić czerwona dioda LED, włączona w kierunku zaporowym – do tego szczegółu jeszcze wrócimy. Po eksperymentach z fotoelementami zdemontuj rezystor polaryzujący R1. Prawdopodobnie u siebie lub u kogoś bliskiego znajdziesz mikrofon dynamiczny (np. tani mikrofon do karaoke). Mikrofonem dynamicznym jest też każdy klasyczny głośnik, co zresztą już wykorzystywaliśmy wcześniej (w wykładzie 9, fotografia 20). Możesz więc wykorzystać głośnik w roli mikrofonu według rysunku C. Co ciekawe, odwracalnym przetwornikiem elektroakustycznym jest też membrana piezoelektryczna. Jeżeli znajdziesz jakąś membranę piezo, np. od zem garka, grającej kartki jakiejś zabawki czy od syreny alarmowej, koniecznie wypróbuj ją w roli mikrofonu według rysunku D. Ale nie chodzi o brzęczyk piezo z zestawu EdW09, tylko o samą membranę – szczegóły w dalszej części wykładu. Membranę piezo możesz też wykorzystać w roli mikrofonu kontaktowego, wykrywającego drgania metalowych rur wodociągowych, szyb, betonowych ścian, itp. Fotografia E pokazuje układ z membraną piezo z tubą – jest to przetwornik rodziny PCA-100, przeznaczony do syren alarmowych. W tym przypadku czułość jest ogromna, większa niż w wersji z mikrofonem elektretowym, dlatego potrzebne może okazać się zwiększenie rezystancji R6. A teraz kluczowe propozycje tego wykładu: wykorzystaj nasz zasilany z baterii podsłuch w nietypowej roli wykrywacza zmiennego pola magnetycznego i aparatu słuchowego. Zamiast mikrofonu włącz cewkę, zawierającą co najmniej kilka zwojów (czym więcej, tym lepiej) izolowanego drutu o dowolnej grubości – rysunek F. Jak widać na fotografii tytułowej, ja wykorzystałem cewkę o średnicy około 5 cm, zawierającą tylko 4 zwoje. Już te cztery zwoje dały dobry efekt, jednak jeżeli to możliwe, Twoja cewka powinna mieć więcej zwojów – układ będzie jeszcze czulszy. + Poziom tekstu: średnio trudny SZKOŁA Na warsztacie C3 B b ez rezystora R1 Z Y Dow ol ny głośnik b ez rezystora R1 d w u s to p n io w y w zm a c n i a c z ze X C Z d w u s to p n io w y a c n ia c z ze Y w zm em b ra na p i ezo X D E PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI b ez Z rezystora R1 io G ni U o H io d w u s to p n io w y w z m a c n ia c z ni U ow y d w u s to p n io w y w z m a c n ia c z F Zasil układ z baterii i zwracaj uwagę na dźwięk w słuchawkach zbliżając sondę – cewkę do różnego rodzaju urządzeń elektronicznych i elektrycznych, w szczególności do różnych zasilaczy. d w u s to p n io w y Przekonasz się, że w ich pobliżu nasila się dźwięk – brum w słuw zm a c n i a c z chawkach. Pewien problem w tym, że indukowany w cewce pod ze Y wpływem zmiennego pola magnetycznego sygnał najczęściej ma częstotliwość sieci energetycznej, czyli tylko 50 Hz. Jest to bardzo niski dźwięk, głębokie buczenie. Tak niskiego dźwięku nie X usłyszysz w małym głośniczku. Masz szansę usłyszeć go w słuc ew ka chawkach. Do takich eksperymentów, bardzo ważnych dla praktyka, jeszcze wrócimy. A wcześniej możesz zrealizować kolejne zaskakujące ćwiczenie. Jeżeli masz w zapasach żarówkę samochodową 12 V/21 W lub 12 V/10 W, to dołącz o ł on ko n ją do wyjścia domowego wzmacniacza audio, odłączając współpracujące głośniki/kolumny. Stwórz pętlę, w której Z k będzie płynął prąd zmienny i badaj pole magnetyczne o o o Y wewnątrz i na zewnątrz pętli. Aby pętla miała sensowną 12V 21W X l u b 12V 10W wielkość, koniecznie wykorzystaj pojedynczy, jednożyłoo ł k wy przewód, a nie dwużyłowy kabel według rysunku G. Możesz też wykorzystać dłuższy pojedynczy przewód p oj ed ynczy p rzew ó d i zwinąć go w pętlę – cewkę o 2...5 zwojach według rysunku H. Wzmacniacz mocy audio dobrze byłoby nastawić na taką głośność, żeby żarówka leciutko się żarzyła, ale moc wyjo ł on ko n ściowa może też być mniejsza i efekt będzie zaskakująco k o o o dobry. W każdym razie przekonasz się, że wewnątrz i w po12V 21W l u b 12V 10W bliżu pętli nasz podsłuch z cewką odbiera dźwięk ze wzmacniacza mocy. Dokładnie tak działa tzw. pętla indukcyjna Z dla słabosłyszących. Jeśli ktoś z Twojej rodziny (dziadek, Y babcia) ma aparat słuchowy z trzypozycyjnym przełączniX kiem M, T, 0, przełącz aparat w pozycję T i wypróbuj w pętli z rysunku G lub H. ki k oo Wykład z ćwiczeniami 12 Poznajemy elementy i układy elektroniczne 1 Podczas ćwiczeń wstępnych zachęcałem do wykorzystania membrany piezo w roli mikrofonu. Membrany piezo są powszechnie wykorzystywane w roli głośniczków – brzęczyków oraz syren alarmowych – przykłady na fotografii 1. Membrany piezo znajdziesz w zegarkach, w „grających kartkach”, w multimetrach i wielu innych urządzeniach. Ale uwaga – brzęczyk piezo (buzzer) oprócz membrany zawiera układ elektroniczny – fotografia 2 pokazuje wnętrze brzęczyka z membraną piezo. Pod względem elektrycznym membrana piezo jest rodzajem kondensatora (o zncznej pojemności rzędu 100 nF), gdzie dielektrykiem jest materiał piezoelektryczny umieszczony między metalowymi okładkami. Materiał 77 Poziom tekstu: średnio trudny SZKOŁA Na warsztacie 78 piezoelektryczny to taki, który odkształca się pod wpływem przyłożonego napięcia (pola elektrycznego), natomiast odkształcany wytwarza napięcie (pole elektryczne). Membrana piezo jest więc przetwornikiem odwracalnym – dwukierunkowym. Biegunowość nie ma znaczenia. Niektóre membrany mają przymocowaną tubę metalową lub plastikową, która zapewnia wytworzenie głośniejszego dźwięku, co można zilustrować jak na rysunku 3a i 3b. Natomiast brzęczyk piezo z zestawu EdW09, oprócz membrany piezo z trzema wyprowadzeniami, zawiera generator sterujący z tranzystorem i jest elementem (układem) biegunowym. Przykładowy schemat masz na rysunku 3c – porównaj z fotografią 2. Na pozór podobnie działa przetwornik dźwięku w mikrofonie elektretowym – tam też między okładkami kondensatora umieszczony jest „dziwny materiał”, ale nie piezoelektryk, tylko tak zwany elektret – materiał trwale naelektryzowany, elektryczny odpowiednik magnesu trwałego. Jednak zasady działania membrany piezo i przetwornika elektretowego są inne. Przetwornik piezo do pracy zarówno w roli głośnika, jak też mikrofonu nie wymaga żadnych dodatkowych elementów. Natomiast przetwornik mikrofonu elektretowego to kondensator o bardzo małej pojemności; rysunek 4 pokazuje schemat wewnętrzny i układ pracy typowego mikrofonu elektretowego, gdzie kluczowym elementem jest tranzystor polowy JFET. Wstępne ćwiczenia udowodniły, że nasz dwustopniowy układ jest uniwersalnym wzmacniaczem, który może znaleźć szereg interesujących zastosowań. Jednak skupmy się na ostatnich eksperymentach. Otóż dołączając do naszego podsłuchu cewkę, wykonaliśmy czujnik zmiennego pola magnetycznego. Wcześniej, w wykładzie 7 + a ) c ) dowiedzieliśmy się, że zakłócenia, w tym brum sieci 50 Hz, mogą przedostawać się przez pole elektryczne i wszechobecne maleńkie pojemnoi k k ści. Teraz przekonaliśmy się, że zakłócenia i brum i i o k n go mogą przedostawać się także przez pole magb ) netyczne (i wszechobecne indukcyjności). Pole magnetyczne powstaje wszędzie tam, gdzie płynie _ Y prąd. „Odbiornikami” i „nadajnikami” pola magk i o netycznego są wszelkie cewki, w tym wszelkie m em b ra ny p i ezo pojedyncze pętle, czyli cewki jednozwojowe. Każda cewka, a także każdy przewód, którym +UB płynie prąd (stały lub zmienny), wytwarza pole magnetyczne – stałe p rzetw orni k RL lub zmienne. Z drugiej strony, jeśli w zmiennym polu magnetycznym el ektretow y typ . 2,2k umieścimy dowolną cewkę (pętlę) to zaindukuje się w niej napięcie i może popłynąć prąd. Taki jest mechanizm przenoszenia za pomocą w y pola magnetycznego zarówno niepożądanych zakłóceń, jak też dźwięku + JF ET D w instalacji dla słabosłyszących. G T1 C UB Umieszczając blisko siebie dwie cewki (często dodatkowo na wspólS nym rdzeniu magnetycznym), otrzymujemy transformator. Zasada zilustrowana jest na rysunku 5a. Prąd zmienny płynąc przez jedną z cem i krofon el ektretow y wek wytwarza pole magnetyczne. W tym polu umieszczona jest druga cewka, w której zmienne pole indukuje napięa ) b ) c ) cie i umożliwia przepływ prądu, gdy obwód n i i zostanie zamknięty. W rzeczywistości uzwoi nn jenia zawierają zwykle wiele zwojów, dlatego i nn wykorzystujemy symbol transformatora jak na rysunku 5b. Większość transformatorów zawiera rdzeń magnetyczny, co zaznaczamy m.technik - www.mt.com.pl 2 3 4 5 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI Iw a ) e 7 8 A y Uw e N = Uw y N y Uw Uzw oj eni e A N A - zw oj ó w Uw Uzw oj eni e B N B - zw oj ó w y y e y Uw b Uw Uw e a Iw Uw e Uw Uzw oj eni e A N A - zw oj ó w e Uw 6 B1 jak na rysunku 5c. Nie ma transformatorów prądu stałego, ponieważ napięcie w uzwojeniu wtórB nym indukuje się tylko pod wpływem zmian pola RL magnetycznego. N B Uw e Uw y= Zgodnie z nazwą, transformator służy do N A G transformacji, czyli przekształcania, przemiany – Uw y Iw y= w praktyce do zmiany wartości napięcia według RL B2 prostej zasady: wartości napięć (przemiennych) A 2 na wejściu i wyjściu są proporcjonalne do liczu zw oj eni e u zw oj eni e p i erw otne w tó rne by zwojów uzwojeń, jak obrazuje to rysunek 6. A 1 Iw y Transformator może pracować „w obu kierun) B1 Iw e Uw e N B kach”, przy czym uzwojeniem pierwotnym nazy= Uw y N A wamy to, które jest podłączone do źródła napięcia RL zmiennego, natomiast uzwojenie wtórne to te, do którego jest dołączone obciążenie. Stosunek N A Uw e U w y= N B liczby zwojów uzwojenia pierwotnego do liczby G Uw y zwojów uzwojenia wtórnego jest nazywany przeIw y= B2 RL kładnią transformatora. Zazwyczaj transformator A 2 służy do podwyższania lub obniżania napięcia, ale są też transformatory o przekładni 1:1, które ) Iw e Iw y nie zmieniają wartości napięcia, a ich jedynym zadaniem jest oddzielenie galwaniczne dwóch obwodów, potrzebne z uwagi na bezpieczeństwo (transformatory separacyjne 230 V/230 V 50 Hz) lub zmniejszenie wpływu zakłóceń (np. transformatorP P w e RL w y ki separacyjne w profesjonalnym sprzęcie audio). W idealnym transformatorze cała moc dostarczona do uzwojenia pierwotnego zostałaby bez strat dostarczona do uzwojenia wtórnego i dalej do otoczenia – rysunek 7a. Z uwagi na straty w rezystancji miedzianych uzwojeń, a takP w e = Uw e * I w e P w y = Uw y * I w y że straty w rdzeniu, część mocy, zwykle kilka procent, jest marnowana w transformatorze w postaci ciepła, jak ilustruje P w y= P w e w tra nsform a torze i d ea l nym rysunek 7b. Sprawność transformatorów, oznaczana małą literą grecką eta (h = Pwy/Pwe), wynosi zwykle ponad 90%. ) Iw e Iw y Między innymi po to, by zmniejszyć straty i poprawić inne właściwości; w transformatorze cewki są umieszczone bardzo blisko siebie i dodatkowo często zastosowany jest rdzeń. Transformatory niskich częstotliwości, zarówno zasilające P w y RL P w e sieciowe 50 Hz, jak i transformatory audio (20 Hz...20 kHz), mają rdzenie z blach magnetycznych, często z tzw. permaloju. Dla częstotliwości rzędu kiloherców i pojedynczych megaherców są to rdzenie z różnego rodzaju ferrytu – twardego ceramicznego spieku materiałów o właściwościach ferromagP str stra ty netycznych. Natomiast w zakresie wysokich częstotliwości, P w e = Uw e * I w e P w y = Uw y * I w y +P str) rzędu wielu megaherców, często wykorzystujemy transformaw tra nsform a torze rzec zyw i stym P w y < P w e tory bez rdzenia (z rdzeniem powietrznym). P w y Co ważne także z uwagi na zakłócenia, część pola mag(P w e = P w y+P str) noś P w e netycznego, wytwarzanego przez uzwojenie pierwotne transformatora, nie obejmuje uzwojenia wtórnego, tylko niejako „ucieka na zewnątrz”. Jest to szkodliwe tzw. pole rozproszenia, będące przyczyną zakłóceń – brumu w licznych układach. Fotografia 8 pokazuje różne transformatory zasilające (50 Hz) oraz inne transformatory (impulsowe), Uzw oj eni e B N B - zw oj ó w b A 1 79 80 2 x BC558 CA ,CB = 1nF. . . 10nF T1 CA CB + L c ew ka 1 Y T3 RC1 10k RB1 b ez Z rezystora R1 d w u s to p n io w y w z m a c n ia c z z e RS 1k RC2 10k B1 K T2 RB2 RC3 10k + B2 c ew ka 2 BC548 pracujące przy wyższych częstotliwościach. Największe pole rozproszenia mają klasyczne transformatory z rdzeniem EI, a najlepsze, najmniej „śmiecące” są transformatory toroidalne. Podczas ćwiczeń tego wykładu możesz przekonać się o tym osobiście. Temat jest bardzo ważny dla praktyka, więc w następnym wykładzie zajmiemy się tym zagadnieniem znacznie dokładniej. A teraz w ramach ćwiczeń zrealizujmy najprawdziwszy transformator powietrzny. Do wejścia naszego wzmacniacza dołącz kilkuzwojową cewkę (rysunki A i F). Dodatkowo zrealizuj też prosty generator według rysunku 9. Dodatkowy tranzystor T3 jest „stopniem mocy”, a prąd wyjściowy ogranicza rezystor RS. Mój model pokazany jest na fotografii 10. Kondensatory CA, CB mogą mieć po 1 nF (102) lub 10 nF (103) – w moim X 2 x 220k 9 2 x BC558 CA ,CB = 1nF. . . 10nF T1 CA CB + RC2 10k B1 T2 K L RS 1k T3 RC1 10k RB1 RB2 RC3 10k 2 x 220k m.technik - www.mt.com.pl BC548 Poziom tekstu: średnio trudny SZKOŁA Na warsztacie LED1 LED RG B LED2 Z d w u s to p n io w y Y w z m a c n ia c z z e R1 100k X + B2 ! @ PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI 2 x BC558 modelu jeden ma 1 nF, drugi 10 nF. Do punktów K, L dołącz kilkuzwoT2 LED1 T1 jową cewkę. CA CB L Aby uniknąć wzajemnego RS wpływu obu układów, zasil + 1k RC2 wzmacniacz i generator z dwóch 10k Z B1 oddzielnych źródeł. Żółte strzałki T3 na fotografii 10 wskazują miejsca, gdzie pomiędzy poziomymi listwaRC1 RB1 RB2 RC3 d w u s to p n io w y 10k + mi zasilania jest przerwa, umoż2x 10k w zm a c n i a c z 220k liwiająca zasilanie obu bloków F ze Y B2 E z oddzielnych źródeł. Gdy zbliżysz D Y cewki do siebie, w słuchawkach X usłyszysz pisk generatora, przeX A B C chodzący przez prymitywny transformator powietrzny. U mnie uzwojenie pierwotne ma 6 zwojów, wtórne 4 zwoje. Właśnie z uwagi na to ćwiczenie przebudowałem nasz dwustopniowy wzmacniacz – układ podsłuchowy z poprzedniego wykładu, by miał jak najbardziej zwartą, kompaktową budowę i aby był na skraju płytki, z dala od generatora. Na początku niniejszego wykładu wspomniałem, że rolę fotodiody może pełnić dioda LED. „Prawdziwa”, krzemowa fotodioda reaguje na światło widzialne i podczerwień. Dioda LED będzie reagować na światło o długości fali mniejszej, niż ona sama wytwarza. Dlatego musiałaby to być czerwona dioda LED, bo inne będą jeszcze mniej czułe, ale soczewka powinna być bezbarwna, by przepuszczała światło o wszystkich długościach fali. Zbuduj układ według rysunku 11, gdzie rolę fotodiody pełni czerwona struktura trzykolorowej diody RGB z zestawu EdW09. Dioda ta jest włączona w kierunku wstecznym, struktury zielona i niebieska nie są wykorzystane. Wartość rezystora polaryzacyjnego R1 zwiększamy do 100 kV i dołączamy go od strony masy (diodę LED RGB i rezystor R1 można byłoby równie dobrze zamienić miejscami). Nasza improwizowana „fotodioda” (LED2) będzie reagować na światło niebieskiej diody LED1, dołączonej do punktów K, L generatora. Niebieskie światło zmienia wartość tzw. prądu wstecznego naszej fotodiody, co wywołuje zmiany napięcia na wejściu Y wzmacniacza podsłuchowego. Dla pewności również zasilaj wzmacniacz i generator z oddzielnych źródeł. W słuchawkach, zależnie od wartości pojemności CA = CB w generatorze (1 nF...1 mF), usłyszysz pisk lub terkot. Mój model pokazany jest na fotografii 12. A jeżeli mamy do dyspozycji wzmacniacz o ogromnym wzmocnieniu, to możemy zająć się kolejnym ważnym zagadnieniem. Zapomniane rezystancje. Rysując na schemacie ideowym połączenia między elementami milcząco, zakładamy, że mają zerową oporność. Nie zastanawiamy się nad tym, że przecież będą one fizycznie zrealizowane w postaci przewodów czy ścieżek na płytce drukowanej, a tym samym, że ich oporność nie będzie zerowa. Faktem jest, że w większości obwodów nie trzeba zwracać szczególnej uwagi na oporności połączeń. Jednak niezerowe, często stosunkowo duże oporności ścieżek i przewodów, mogą mieć bardzo negatywny wpływ na parametry wielu układów, zwłaszcza wszelkich (przed)wzmacniaczy oraz układów pomiarowych. Warto pamiętać, że warstewka miedzi na płytce drukowanej jest bardzo cienka, zwykle ma grubość 0,035 mm. Programy do komputerowego projektowania płytek często jako domyślnie proponują ścieżki o szerokości 10 milsów, czyli 0,254 mm (1 mils to 1/1000 cala, czyli 0,0254 mm). Przekrój wynosi wtedy tylko 0,009 mm2. 10 centymetrów takiej ścieżki ma rezystancję około 200 miliomów, czyli 0,2 V, a przepływ prądu 100 mA wywołałby na niej spadek napięcia aż 20 mV. W wielu zastosowaniach to niedopuszczalnie dużo! Przy projektowaniu płytek drukowanych trzeba pamiętać o tej ważnej sprawie! Oto inny przykład z życia wzięty: cienki drucik miedziany o średnicy 0,5 mm ma przekrój 0,2 mm2 i 10 cm takiego drutu ma rezystancję około 0,0085 V, czyli 8,5 mV. Prąd 100 mA wywoła na tej rezystancji spadek napięcia 0,85 mV. Na pozór niewiele, jednak nawet tak małe spadki napięcia mogą być przyczyną kłopotów. Co ciekawe takie, a nawet jeszcze mniejsze spadki napięć możemy mierzyć za pomocą wzmacniacza operacyjnego. Superczuły miernik prądu. Wykorzystajmy teraz nasz czuły wzmacniacz do „podsłuchiwania prądu”, a ściślej do badania spadków napięć na przewodach i stykach. Będziemy monitorować zmiany poboru prądu naszego prostego multiwibratora z diodą LED, mierząc spadek napięcia na maleńkiej rezystancji, jaką ma kilkucentymetrowy odcinek drutu w układzie z rysunku 13. Abyś K BC548 CA ,CB = 1nF. . . 10nF # 81 82 $ m.technik - www.mt.com.pl % Uos= 2m V nie miał żadnych wątpliwości, część pomiarowa + U1B R8 100kΩ powinna być zasilana z jednej baterii, a generator R7 5 7 T1 + z diodą LED – z innej. Wykorzystaj dwie baterie R9 2 1 6 10Ω R5 (akumulatory) o napięciu 7...15 V, ale nie podłączaj 3 100Ω zasilacza, bo będziesz miał kłopot z dodatkowymi U1A 100kΩ T2 R6 zakłóceniami, przychodzącymi przez zasilacz z sieLM358 10Ω ci (jeśli nie wierzysz – sprawdź). Mam nadzieję, że przy zwarciu punktów wejściowych X, Y, wzmacniacz nie wzbudzi się, a w słu+1,000V +1,000V chawkach będziesz słyszeć tylko nieunikniony szum, + + ale bez żadnego pisku czy terkotu. Gdyby przy zwarciu wejścia pojawił się terkot lub pisk, trzeba zmontować układ w inny sposób i inaczej poprowadzić obwód masy, by usunąć problemy, które mają być badane w tym ćwi+0,998V +1,002V czeniu. W moim modelu, pokazanym na fotografii 14, nieprzypadkowo zasilanie wzmacniacza zostało dołączone do punktów, wskazanych niebieskimi strzałkami. Do tych eksperymentów zmieniłem też miejsce dołączenia kondensatora filtrującego C6. Taki model nie sprawiał kłopotów przy zwarciu punktów X, Y i można było dołączyć te punkty do punktów C, D generatora. Po włączeniu zasilania generatora w słuchawkach pojawia dość głośny głośny pisk – wzmocniony spadek napięcia na kawałeczku drutu. W obwodzie masy generatora celowo umieściliśmy dodatkową rezystancję kawałka drutu. U mnie jest to około 5cm drutu o średnicy 0,5 mm (w zielonej izolacji), więc spodziewana rezystancja wynosi około 4 miliomów (0,004 V), co przy prądzie rzędu 10 mA daje spadek napięcia około 40 mikrowoltów (0,00004 V). Wyraźny dźwięk w słuchawkach świadczy, że nasz wzmacniacz – podsłuch dobrze radzi sobie ze wzmacnianiem bardzo maleń0 V w e kich napięć zmiennych! G = 10 + Zwróć uwagę, że przy połączeniu według rysunku 13 i fotografii 14, 2m V nasz podsłuch monitoruje spadek napięcia tylko na rezystancji drutu 1k 9k (w zielonej izolacji), czyli między punktami C – D. A rezystancja płytki stykowej i spadek napięcia na niej? -2 0 m V 0V - 2m V Dołącz punkt Y do punktu A – wtedy sprawdzisz spadek napięcia na rezystancjach płytki stykowej między punktami A – C. I co? Jesteś 0 V w e G = 100 + zaskoczony? 2m V Tak, to kolejny temat ogromnie ważny dla każdego praktyka, więc starannie zbadaj spadki napięć w obwodzie masy, dołączając wejścia 1k 99k X, Y do dowolnych punktów generatora oznaczonych literami A, B, C, D, E, F. Przy zasilaniu wzmacniacza i generatora z oddzielnych baterii, -2 0 0 m V 0V - 2m V punkty X, Y możesz też dołączać do dowolnych innych ścieżek i sty0 V w e ków układu generatora, by zbadać występujące na nich spadki napięć. G = 1000 + A może chciałbyś jeszcze bardziej wzmocnić sygnał? 2m V Teoretycznie wystarczyłoby zmienić wartości R5 … R8 według 1k 999k idei z rysunku 15. Oba stopnie miałyby wzmocnienie po 10000 razy (80 dB), co w sumie dałoby gigantyczne wzmocnienie 100 milionów -2 V 0V - 2m V razy (160 dB). Uos= 2m V Poziom tekstu: średnio trudny SZKOŁA Na warsztacie ^ & - 2m V w e -2 2 m V 1k 10k 2m V + G 0 V - 2m V w e 100k 2m V + - 2m V -2 ,0 0 2 m V 1k 1M 2m V + G 0V * = _ 100 G 0V w e 10 -2 0 2 m V 1k 0 V _ = 0V w e _ = 1000 + C w y R2 R1 R2 R1 w e C + ( w y ) VC C a ) + + _ R2 R1 ś i o + G N D + q VE E Niestety, nie uda się to, i to z kilku powodów, które omówimy w dalszych wykładach. A na razie omówmy tylko jeden, wynikający ze wspomnianego wcześniej wejściowego napięcia niezrównoważenia (offsetu) wzmacniaczy operacyjnych. Jak wiemy, niedoskonała symetria stopni wejściowych wzmacniacza operacyjnego objawia się tym, że podczas normalnej pracy wzmacniacza operacyjnego, napięcie między wejściami nie jest równe zeru, tylko musi tam występować niewielkie napięcie stałe, dodatnie lub ujemne Jak już wiesz z wykładu 11, w kostkach LM358 według katalogu typowo wynosi ono 2 mV, maksymalnie w nielicznych egzemplarzach do 7...9 mV. Rysunek 16 pokazuje „dodatnie” i „ujemne” napięcie niezrównoważenia w dwóch przykładowych egzemplarzach wzmacniacza, pracujących w roli wtórnika. Problem w tym, że to napięcie niezrównoważenia jest wzmacniane. (Wejściowe) napięcie niezrównoważenia dla danego egzemplarza jest niezmienne (pomijając jego dryft cieplny), ale na wyjściu musi się ustalić odpowiednie napięcie stałe, aby zapewnić prawidłową pracę wzmacniacza, Przykładowa sytuacja dla wzmacniacza nieodwracającego jest pokazana na rysunku 17. Jak widać, przy dużym wzmocnieniu, na wyjściu potrzebne byłoby spoczynkowe napięcie stałe o niedopuszczalnie dużej wartości. Ten sam problem dotyczy wzmacniacza odwracającego – rysunek 18. Problem można łatwo wyeliminować, gdy ma to być wzmacniacz sygnałów zmiennych – wystarczy włączyć kondensator o odpowiednio dużej pojemności według rysunku 19 – wtedy dla prądów stałych wzmacniacz jest wtórnikiem i problemu offsetu praktycznie nie ma – patrz rysunek 16. W naszym wzmacniaczu podsłuchowym pierwszy stopień już pracuje w takiej konfiguracji, więc wystarczy w drugim stopniu dodać kondensator C7 w szereg z rezystorem R7. Oczywiście pojemności C3, C7 muszą być odpowiednio duże, żeby dolna częstotliwość graniczna była odpowiednio niska. I oto nauczyliśmy się zręcznie omijać problem napięcia niezrównoważenia, ale tylko we wzmacniaczu napięć zmiennych. Jednak trzeba z nim walczyć inaczej, gdybyśmy chcieli zrealizować bardzo czuły wzmacniacz napięć stałych, na przykład do wzmacniania napięcia z termopar, służących do pomiaru temperatury. Termopara to połączenie dwóch różnych metali, dające na wyjściu niewielkie napięcie stałe. Fotografia 20 pokazuje cztery różne termopary. Niestety, czułość przetwarzania termopar jest mała, wynosi od 10 mV/°C do co najwyżej 100 mV/°C, więc napięcie stałe, uzyskiwane z termopary też jest małe, często rzędu pojedynczych VC C miliwoltów. Do jego wzmocb ) + nienia potrzebne są precy+ zyjne i stabilne wzmacniacze o napięć stałych. W najprost+ szym przypadku może to być wzmacniacz stałoprądowy, _ zasilany napięciem symeR1 R2 trycznym, na przykład według rysunku 21a, a jeśli użyjemy G N D wzmacniacza, którego wejście i wyjście może pracować na poziomie ujemnej szyny zasilania (np. nasz LM358), ś i 0 V 83 Na warsztacie Poziom tekstu: średnio trudny SZKOŁA Tabela 1. Wzmacniacze operacyjne Parametr napięcie niezrównoważenia Uos [mV] dryft cieplny Uos [mV/°C] stabilność długoczasowa Uos [mV/miesiąc] LM358 typ. max 2000 7000 7 ? ? ? klasyczne OP07 typ. max 30 75 0,3 1,2 0,3 1,5 OP177F typ. max 10 25 0,1 0,3 0,3 ? z obwodami autozerowania MAX44251 OPA734 typ. max typ. max 3 6 1 5 0,005 0,019 0,01 0,05 nie dotyczy VC C VC C możemy zasilać napięciem pojedynczym według rysunku 21b. W takich wzmacniaczach stałoprądowych problem N . C. 7 (not co nnect ed ) 7 napięcia niezrównoważenia występuje z całą ostrością. 3 3 + 8 + 8 Przede wszystkim trzeba jednak wiedzieć, że praktycznie 1 6 6 we wszystkich pojedynczych wzmacniaczach operacyjnych dwie z trzech „wolnych” końcówek (nóżki 1, 5, 8 – patrz 1 2 2 5 rysunek 5 w wykładzie 11) przeznaczone są do korekcji sy4 4 metrii i tym samym do zerowania napięcia niezrównoważenia. Rysunek 22 pokazuje sposoby włączenie potencjometru korekcyjnego w popularnych wzmacniaczach TL061/TL071/ VE E VE E TL081 oraz OP27 i NE5534. TL 0 6 1/ 0 7 1/ 0 81 O P 2 7 , N E 5534 W praktyce stosuje się też inne sposoby. We wzmacniaczu odwracającym i wszelkich pokrewnych zasilanych w e napięciem symetrycznym stabilizowanym, natua ) ralny wydaje się sposób z rysunku 23a, gdzie na R2 R1 w y wejście nieodwracające wprost podaje się napięcie l u b korekcyjne, równe napięciu niezrównoważenia Uos. Uos + W praktyce napięcie takie uzyskuje się w układzie + Uos z rysunku 23b na małym rezystorze RA w dzielniku, zasilanym z potencjometru montażowego. Jednak w praktyce najprostszy okazuje się sposób VC C z rysunku 23c. We wzmacniaczu nieodwracającym b ) należałoby podać napięcie równe napięciu niezrówR2 w e noważenia według rysunku 24a. W praktyce można R1 + w y to zrealizować według rysunku 24b, a we wtórniku 100k R B według rysunku 24c, pamiętając o wpływie dodatkowych rezystancji na wartość wzmocnienia. P ot Trudniejsze może się okazać wykorzystanie pokaza10- 100k nych sposobów przy zasilaniu napięciem pojedynRA czym, ponieważ napięcie niezrównoważenia może 100Ω być „dodatnie” lub „ujemne” – wtedy warto skorzyVE E stać ze sposobu z rysunku 22. VC C c ) Proste sposoby z rysunków 22...24 likwidują problem napięcia niezrównoważenia, jednak nie R2 w e usuwają pokrewnego problemu dryftu cieplnego naR1 + w y pięcia niezrównoważenia. W popularnych wzmacRB niaczach dryft ten ma wartość około 10 mV na stopień Celsjusza, więc przy zmianie temperatury P ot o 20 stopni napięcie niezrównoważenia zmieni się 10- 100k VE E o 0,2 mV. Na pozór niewiele, ale zostanie to pomnożone przez wzmocnienie stałoprądowe. W praktyce właśnie dryft napięcia niezrównoważenia ogranicza od dołu zakres mierzonych napięć stałych. Nie ma prostego sposobu na dryft cieplny. Teoretycznie można by wzmacniacz umieścić w termostacie, ale i to nie wyeliminowałoby kolejnego problemu – drobnych długookresowych zmian napięcia niezrównoważenia wskutek starzenia. W niektórych katalogach podawane są informacje także o stabilności długoczasowej napięcia niezrównoważenia (w mikrowoltach na miesiąc). Dotyczy to jednak tak zwanych wzmacniaczy precyzyjnych. W tabeli 1 podane jest porównanie wchodzących tu w grę parametrów kilku wzmacniaczy, w tym naszego wzmacniacza LM358 i popularnych precyzyjnych OP07 i OP177F. Dwa ostatnie (MAX44251 i OPA734) to precyzyjne wzmacniacze operacyjne z dodatkowymi wewnętrznymi obwodami, które podczas pracy na bieżąco korygują w + 84 m.technik - www.mt.com.pl e w y R2 lu b Uos + R1 Uos + b ) + w e VC C w e + P ot w y RB R2 R1 RA 10- 100Ω RB 1000* RA VE E c ) VC C w e + P ot w y RB RA 1k RB 1000* RA r VE E a ) R1 100kΩ D UT + R2 100Ω m a sa V + b ) D UT + R2 100Ω + t R1 100kΩ B1 9- 12V B2 9- 12V napięcie niezrównoważenia i kompensują jego zmiany cieplne, a przy okazji także część szumów. Jeśli masz woltomierz (multimetr) i chcesz sprawdzić wartość i „biegunowość” napięcia niezrównoważenia swojego wzmacniacza, możesz wykorzystać układ według rysunku 25a lub ewentualnie według rysunku 25b, byle tylko wyjście nie weszło w stan nasycenia. W układzie z rysunku 25b wzmacniacz oznaczony X jest wtórnikiem, wytwarzającym napięcie sztucznej masy na poziomie połowy napięcia zasilania. Skrót DUT (Device Under Test) wskazuje testowany wzmacniacz. Jego wejściowe napięcie niezrównoważenia jest wzmacniane 1000-krotnie (teoretycznie 1001-krotnie, zgodnie z rysunkiem 18, ale tolerancja rezystorów R1, R2 uniemożliwia taką dokładność). Fotografia 26 pokazuje, że jeden z moich wzmacniaczy LM358, testowany w układzie według rysunku 25a, ma napięcie niezrównoważenia około 1,3 mV (1309 mV/1000). Tylko jeden z kilkunastu badanych wzmacniaczy miał napięcie niezrównoważenia większe (1,7 mV), natomiast wszystkie pozostałe miały napięcie niezrównoważenia poniżej 1mV, niektóre około 0,1...0,2 mV. W następnym wykładzie będziemy się zajmować problemem zakłóceń i szumów, a także kolejnymi aspektami niedoskonałości wzmacniaczy operacyjnych. Piotr Górecki D UT ( D . U. T. ) = D e v i c e Un d e r Te s t sztu czn a m a sa R3 100k + V X + a ) B1 9- 24V R4 100k y 85
Podobne dokumenty
Whisper, czyli superpodsłuch - Sklep AVT
wszystkich dostępne w formacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Można z nich korzystać w komputerze lub wydrukować sobie. Można też kupić wszystkie archiwalne numery MT na www.ulubionykiosk.pl. Publik...
Bardziej szczegółowo