Zadanie 37
Transkrypt
Zadanie 37
Szkoła konstruktorów ozwiązanie zadania powinno zawierać schemat elektryczny i zwięzły opis działania. Model i schematy montażowe nie są wy− magane. Przysłanie działającego modelu lub jego fotografii zwięk− sza szansę na nagrodę. Ponieważ rozwiązania nadsyłają czytelnicy o różnym stopniu zaawansowa− nia, mile widziane jest podanie swego wieku. Ewentualne listy do redakcji czy spostrzeżenia do erraty powinny być umieszczone na oddzielnych kartkach, również opatrzonych nazwiskiem i pełnym adresem. Prace należy nadsyłać w terminie 45 dni od ukazania się numeru EdW (w przy− padku prenumeratorów – od otrzymania pisma pocztą). R Zadanie 37 Temat zadania 37 ma swe źródło w ankie− tach: ubiegłorocznej i tegorocznej. Pewna liczba Czytelników chciałaby zobaczyć na ła− mach EdW projekt układu sygnalizującego niezapięcie pasów bezpieczeństwa w samo− chodzie. Zamiast od razu projektować taki układ w Redakcji, najpierw potraktujemy go jako za− danie w Szkole Konstruktorów. Oto oficjalny temat zadania 37: Zaprojektować sygnalizator niezapiętych samochodowych pasów bezpieczeństwa lub układ przypominający o konieczności ich za − pięcia. Tym razem zadanie nie jest trudne. Układ elektroniczny ma zasygnalizować niezapięcie pasów w przypadku, gdy silnik jest urucho− miony. Wystarczy wykorzystać napięcie ze stacyjki, pojawiające się dopiero po prze− kręceniu kluczyka. Odpowiedni obwód łatwo będzie odszukać w instalacji. Do tego po− trzebny będzie jakiś czujnik informujący, że pasy nie są zapięte. Ze strony elektronicznej nie powinno tu być trudności. Czujnik może być fotoelektryczny, magnetyczny, a nawet mechaniczny. W przypadku styku mechani− cznego (rozwieranego w momencie zapięcia pasów) cały układ składałby się tylko z jedne− go czujnika oraz brzęczyka piezo. I taka najprostsza wersja niewątpliwie ma sens. Ale po chwili zastanowienia nasuwa się wniosek, że sygnalizator powinien posia− dać co najmniej dwa czujniki, by sygnalizo− wał niezapięcie pasów pasażera obok kie− rowcy, a może także pasażerów na tylnym siedzeniu. I tu zaczyna się problem. Czasem kierow− ca jeździ sam, a czasem ma komplet pasaże− rów. Jeśli układ ma sygnalizować niezapięcie któregokolwiek pasa, jak zareaguje, gdy kie− rowca będzie jeździł sam? Czyżby wszystkie nieużywane pasy miałyby być w czasie jazdy zapięte? Co o tym myślicie? A może nie sto− sować czujników pasów na tylnym siedze− niu, tylko dwa czujniki przy przednich fote− lach? I jak wtedy rozwiązać problem pasów pasażera obok kierowcy? Czy trzeba dodać (chyba niezbyt prosty) układ sprawdzający najpierw obecność pasażera, a dopiero po− tem ewentualnie sygnalizujący niezapięcie pasów? Czy nie jest to zbyt skomplikowane? A może zamiast sygnalizatora zastosować jakiś stały “przypominacz” o konieczności zapięcia pasów i włączenia (zimą) świateł? Mógłby to być układ z mówiącą kostką ISD, albo prostszy z jakimkolwiek brzęczykiem. Jeśli uznacie, że “przypominacz” będzie bardziej praktyczny i łatwiejszy w realizacji niż sygnalizator, zaproponujcie stosowny ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99 układ – to również będzie dobre rozwiązanie postawionego zadania. W każdym razie przeanalizujcie problem. Warto rozważyć, czy optymalne nie okaże się rozwiązanie z jednym mechanicznym przełącznikiem dla kierowcy i ewentualnie do tego prosty “przypominacz” dla pasażera(− ów). Uważam, że nawet najprostszy układ z je− dnym stykiem mechanicznym może być wy− starczającym rozwiązaniem. Jest tylko jeden warunek: w żadnym wypadku nie wolno zmieniać jakiejkolwiek konstrukcji związanej z pasami bezpieczeństwa. Nie można więc wiercić otworów w zamku, w którym za− trzaskuje się metalowa wsuwka pasa. Nie wolno tego zamka przerabiać, bo mogłoby to zmniejszyć bezpieczeństwo. Przerabiać nie można, ale na pewno trzeba coś dodać: jakiś w miarę prosty czujnik, który nie osłabiałby fabrycznej konstrukcji, a jednocześnie nie przeszkadzałby w normalnym użytkowaniu pasów. Wbrew pozorom, podstawowym problemem będzie tu nie układ elektroni− czny, tylko konstrukcja czujnika. Wiadomo, że jeśli czujnik będzie niedbale zamontowa− ny “na drutach”, a wychodzące z niego luź− ne przewody będą się plątać, to wcześniej czy później (raczej wcześniej) coś się urwie i zepsuje. Łatwo sobie wyobrazić, że osoba nie przyzwyczajona do danego samochodu, 29 Szkoła Konstruktorów zapinająca pasy po ciemku, nie trafi tam gdzie trzeba, i urwie wszelkie luźne druty (to również jest argument na rzecz “przypomi− nacza” zamiast sygnalizatora). Podane wskazówki nie oznaczają, że trze− ba eliminować rozwiązania “elektroniczne”, a zastosować jedynie brzęczyk piezo i styki do sprawdzania czy pasy są zapięte. W naj− prostszym przypadku sygnalizator dźwięko− wy włączałby się zaraz po przekręceniu klu− czyka w stacyjce. Może jednak warto dodać prosty układ opóźniający włączenie sygnali− zatora o kilka czy kilkanaście sekund? Wiem, że wielu kierowców zapina pasy po włącze− niu silnika. Może nie należy ich straszyć i skłaniać do zmiany przyzwyczajeń. Niech mają te kilka...kilkanaście sekund na zapięcie pasów. Do tego potrzeba już trochę elektro− niki. Na pewno niektórzy dojdą do wniosku, że zamiast styku mechanicznego trzeba zasto− sować jakiś układ fotoelektryczny. Wtedy na przykład na czarnym pasie bezpieczeństwa mógłby być namalowany (naklejony?) biały znaczek, by światło mogło się od niego odbi− jać. A może ktoś zaproponuje jeszcze inne czujniki? Może jednak zrobić inteligentny sygnalizator, sprawdzający (za pomocą styku pod fotelem, bariery świetlnej lub ultra− dźwiękowej) obecność pasażera? A może pozostać przy wariancie najprostszym? Nie zlekceważcie tego zadania, uznając iż jest zbyt łatwe. Nawet gdyby zaproponowa− ny przez was układ elektroniczny nie był skomplikowany, to nic nie szkodzi. Tym ra− zem zwróćcie szczególną uwagę na problem obudowy, mocowania, prowadzenia przewo− dów, itd. Zarówno dotychczasowe prace nadsyłane do naszej Szkoły, jak również inne projekty trafiające do Redakcji, niedwuzna− cznie wskazują, że duża część młodych kon− struktorów nie docenia tego jakże ważnego zagadnienia. Koncentrują się oni tylko na sa− mym układzie elektronicznym, a takie “dro− biazgi” jak konstrukcja mechaniczna czy obu− dowa, praktycznie nie są brane pod uwagę. Właśnie niniejsze proste zadanie jest dobrą sposobnością, by “dopieścić” układ pod względem niezawodności mechanicznej. Gdzie i jak mają być mocowane czujniki; jak przebiegać będą przewody? W każdym razie przed zaplanowaniem części elektrycznej warto sprawdzić, jakie są możliwości zastosowania różnego typu czuj− ników w różnych samochodach. A może, jeśli już weźmiecie się do pracy, zaprojektu− jecie sygnalizator wielofunkcyjny, to znaczy wyposażycie go w dodatkowe obwody i do− datkowe właściwości. Wtedy nie będzie to jedynie prościutki układzik do sygnalizowa− nia niezapięcia pasów bezpieczeństwa kie− rowcy. Bardziej rozbudowany układ zasygna− lizuje zimą, iż podczas ruchu pojazdu światła nie są włączone (oszczędność mandatu lub co najmniej upomnienia). Z kolei po zgasze− niu silnika przypomni, że światła nie zostały wyłączone (zapobiegnie wyładowaniu aku− mulatora). Może taki wielofunkcyjny sygnali− zator powinien też sygnalizować, że podczas ruchu pojazdu któreś drzwi nie są domknię− te? Przemyślcie, jaki układ chcielibyście mieć w swoim samochodzie i zaprojektujcie coś takiego! Co udziału w rozwiązaniu tego zadania za− praszam też młodych i mniej doświadczo− nych elektroników. Abym mógł sprawiedli− wie ocenić prace, podajcie, proszę, swój wiek oraz od jak dawna zajmujecie się elek− troniką. Czekam nie tylko na kompletne roz− wiązania układowe, ale także na głosy w dys− kusji na temat sygnalizatora, “przypomi− nacza” oraz innych zagadnień związanych z sygnalizacją w samochodzie. Jak zwykle za− chęcam do nadsyłania propozycji na− stępnych zadań do Szkoły Konstruktorów. Autorzy zaprezentowanych zadań otrzymają nagrody rzeczowe. Rozwiązanie zadania 33 Tematem zadania numer 33 było zaprojek − towanie zasilanego z baterii przyrządu, peł − niącego w szkolnej pracowni fizyki rolę gal − wanometru. Zadanie okazało się bardzo trudne. Poten− cjalni uczestnicy być może obawiali się, czy aby ich układy zdadzą praktyczny egzamin, by zamiast “złapać” dodatkowe punkty z fi− zyki, nie narazić się nauczycielowi. O tym, iż zadanie do najłatwiejszych nie należało, świadczą tylko dwa rozwiązania, ja− kie otrzymałem. Oczywiście ma to swoje za− lety, bo mam mniej pracy przy sprawdzaniu, a dwaj uczestnicy, niezależnie od poziomu nadesłanych prac, dzielą między siebie całą pulę nagród. Gratuluję! Nagrody otrzymują P a w e ł K o r e j w o z Jaworzna (który także na− desłał model) i Marcin Wiązania z Gacek. Je− stem święcie przekonany, że inni koledzy też wzięli się za rozwiązanie tego zadania i zape− wne przeprowadzili próby, ale doszli do wniosku, iż uzyskane wyniki są za słabe, by je wysyłać do Redakcji. Obaj koledzy, którzy przysłali prace, zapro− ponowali urządzenia spełniające z grubsza warunki zadania. Obaj popełnili jednak istot− ne błędy, które przekreślają praktyczną uży− teczność proponowanych rozwiązań. Nie jest to jednak żaden powód do wstydu, bo je− steśmy w Szkole Konstruktorów. Jest to zresztą jedna z niewielu szkół, gdzie nie ma ocen niedostatecznych, a uczestników na− gradza się pomimo błędów i wpadek. Prze− cież naszym wspólnym celem jest nauka, a nie można zostać konstruktorem bez ćwi− czeń praktycznych i związanych z nimi błędów. 30 zmniejszyłby się o prąd płynący przez R2 (o około 1,5mA). W układzie pomiarowym Pawła Korejwy pracuje kostka LM3914 oraz dwa tranzysto− ry. “Liniowy” układ LM3914 obsługuje linijkę diod LED pracującą w trybie punktowym. W stanie spoczynku świeci środkowa dioda (żółta). Pojawienie się na wejściu napięć do− datnich lub ujemnych spowoduje zapalenie którejś z czerwonych diod “wyższych” lub “niższych”. Model wykonany przez Pawła pokazany jest na fotografii 1. Układ pracuje. Zbliżanie i oddalanie magnesu od rdzenia cewki powo− Ry s. 1 Obw ód czasowy Obaj koledzy zastosowali niemal identy− czne obwody czasowe. Urządzenie włączane jest przez naciśnięcie przycisku, a wyłącza się automatycznie po określonym czasie. Układ zawiera przerzutnik RS, blok opóźniaj− ący w postaci licznika CMOS4060 i tranzy− stor. Na rysunku 1 pokazany jest układ Paw− ła Korejwy, który do wykonania przerzutnika RS wykorzystał bramki NAND (4011). Przy wykorzystaniu bramek NOR, nie byłaby po− trzebna bramka UC, ponieważ stanem akty− wnym wejść byłby wtedy stan wysoki, i im− puls z któregoś wyjścia licznika 4060 bezpoś− rednio wyzerowałby przerzutnik. Gdyby w u− kładzie z rysunku 1 zastosowany był tranzy− stor MOSFET N, pobór prądu w stanie pracy duje chwilowe i słabe, ale zauważalne za− świecanie sąsiednich diod. Schematu ideowego obwodów wejścio− wych nie podaję, ponieważ Paweł zastoso− wał układ wejściowy z tranzystorami w ukła− dzie Darlingtona i pewne niedoróbki spowo− ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99 Rys. 2 Układ podstawowy Rys. 2 Proponowany schemat galwnometru dowały, że układ ma małą czułość, choć po− winien mieć większą. W sumie model Pawła działa, ale jego czu− łość jest zbyt mała. Marcin Wiązania przysłał schemat układu, którego z braku czasu nie zdążył wykonać. Według założeń jest to komparator okienko− wy, zbudowany z dwóch wzmacniaczy ope− racyjnych. Przy napięciach na wejściu blis− kich zeru, nie świeci żadna z dwóch diod LED. Gdy napięcie wejściowe jest większe od kilku miliwoltów, zapala się jedna z diod LED, sygnalizując biegunowość napięcia. Za− proponowany układ nie będzie działał według podanego opisu, ponieważ Marcin popełnił kilka istotnych błędów. Gdyby pomysłodaw− ca wykonał ten układ w praktyce, niektóre z tych błędów ujawniłyby się natychmiast i można by je poprawić (zmieniając konfigu− rację układu). Inne błędy są subtelniejsze i dałyby o sobie znać dopiero podczas użytko− wania przyrządu. W takiej sytuacji też nie przedstawiam schematu. Wspomniane błędy popełnione przez najaktywniejszego i najpracowitszego uczestnika naszej Szkoły jeszcze dobitniej wskazują, że cykl o wzmac− niaczach operacyjnych jest wręcz konieczny. Wobec tak małej liczby rozwiązań spróbuj− my zmierzyć się z postawionym zadaniem wspólnie. W roli wyłącznika czasowego za− stosujmy poprawny układ z rysunku 1. Za− mienimy tylko tranzystor bipolarny na MOS− FET−a N (BS170) i usuniemy niepotrzebny wtedy rezystor R2. Z układu Pawła weźmiemy także wskaźnik – linijkę diod LED sterowaną układem LM3914. Od początku zaprojektujemy układy wej− ściowe. Według warunków zadania opor− ność wejściowa przyrządu powinna wynosić 100kΩ. Czułość musi być duża, rzędu poje− dynczych miliwoltów. Dobrze byłoby też za− stosować skalę logarytmiczną, by uzyskać szerszy zakres wskazań. Układ nie musi pre− cyzyjnie pokazywać wartości napięcia (i prądu) wejściowego – wystarczy by pokazał kierunek (biegunowość) i przybliżoną war− tość. Obwód wejściowy musi być odporny na podanie przez 1 minutę pełnego napięcia sie− ci 220V (właściwie 230V). Po chwili zastanowienia decydujemy się na wykorzystanie wzmacniacza operacyjne− go w konfiguracji odwracającej. Ze względu na znaczne oporności oraz małe prądy i na− pięcia, powinien to być wzmacniacz opera− cyjny z wejściami FET lub MOSFET. Zasto− sujmy coś z popularnej rodziny TL08X, TL07X lub lepiej TL06X. Podstawowy układ będzie wyglądał jak na rysunku 2. Na razie przyjmijmy, że układ jest zasilany napięciem symetrycznym (U+, U−). W czasie normalnej pracy napięcie na wejściu odwracającym (punkt B) zawsze jest równe potencjałowi masy i rezystancja wejściowa wynosi 100kΩ. Gdy na wejściu (punkt A) pojawi się jakieś napięcie, prąd popłynie przez rezystor R1, a dalej przez rezystor R2 i którąś z diod D1, D2 do (lub z) wyjścia wzmacniacza ope− racyjnego (punkt C). Napięcie w punkcie C będzie mieć przeciwną biegunowość, niż na− pięcie wejściowe. Gdyby nie było diod D1, D2, a rezystor R2 miałby również 100kΩ, na− pięcie wyjściowe byłoby równe napięciu wejściowemu (i miałoby przeciwną bieguno− wość). Gdyby rezystor R2 miał wartość więk− szą niż R1, sygnał wyjściowy będzie większy niż wejściowy – wykorzystajmy to do pomia− ru małych napięć. Z kolei obecność diod powoduje, że przy wyższych napięciach wejściowych, napięcie wyjściowe zostanie ograniczone. Napięcie wyjściowe będzie wyznaczone napięciem przewodzenia jednej z diod D1, D2, a jak wia− domo zależność tego napięcia od prądu prze− wodzenia jest logarytmiczna. Mamy więc układ logarytmujący i, co ważne, pracujący przy dowolnej biegunowości. Przybliżoną za− leżność napięcia wyjściowego od wejścio− wego pokazuje rysunek 3. Jak z tego widać, Rys. 3 Charakterystyka układu podstawowego ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99 nawet przy bardzo dużych zmianach na− pięcia wejściowego, napięcie na wyjściu może zmieniać się w wąskim zakresie ±0,6V...±0,7V (czyli w sumie 1,2...1,4V). Przy bardzo małych napięciach i prądach wejścio− wych napięcie wyjściowe będzie wyznaczo− ne przez rezystancję R2 i charakterystyka będzie liniowa, a przy większych – przez cha− rakterystyki diod D1 i D2, przy czym charak− terystyka będzie logarytmiczna. Od wartości rezystora R2 będzie zależeć, w jakim zakre− sie napięć wejściowych charakterystyka ma być liniowa. Kondensator ma zadanie tłumić zmienne zakłócenia, jakie ewentualnie poja− wią się na wejściu. Przy (przypadkowym) podłączeniu wejścia do sieci energetycznej, szczytowy prąd, jaki popłynie przez rezystor R1 wyniesie (230V * 1,41) / 100kΩ = 324,3V / 100kΩ = 3,243mA. Nie jest to dużo i nawet wyjście energo− oszczędnego wzmacniacza TL061 może do− starczyć taki prąd. Tu nie powinno być nie− spodzianek. Trzeba natomiast obliczyć, jaka moc wydzieli się w rezystorze R1 przy pod− łączeniu wejścia do sieci energetycznej: P = U2 / R P = (230V)2/ 100kΩ = 0,529W Czyli rezystor R1 powinien mieć moc 0,5W lub więcej. Układ z rysunku 2 trzeba teraz przystoso− wać do zasilania napięciem pojedynczym i do współpracy z układem LM3914. Trzeba wprowadzić obwód sztucznej masy. Zamiast dwóch jednakowych rezystorów dzielących, napięcie zasilające na pół, wykorzystajmy na− pięcia wzorcowe wytwarzane przez kostkę LM3914. Między nóżkami 7, 8 tej kostki wy− stępuje napięcie wzorcowe o wartości około 1,28V. Ponieważ nasz przyrząd ma mieć zero na środku skali, wykorzystamy połowę tego napięcia wzorcowego. Nie będzie to jednak napięcie +0,64V względem masy, ponieważ wzmacniacz operacyjny rodziny TL0XX nie może pracować w takich warunkach. Doda− nie rezystora między nóżką 8 układu LM3914 a masą pozwoli dowolnie podnieść to napię− cie. Odczep dzielnika rezystorowego nie może jednak być obwodem sztucznej masy, ponie− waż jak stwierdziliśmy, szczytowy prąd pły− nący w obwodzie wejściowym może prze− kroczyć 3mA. Dlatego trzeba dodać drugi wzmacniacz operacyjny pracujący w charak− terze wtórnika−bufora. Ze względu na nieu− nikniony rozrzut napięć niezrównoważenia wzmacniaczy operacyjnych trzeba jeszcze dodać obwód korekcji napięć niezrównowa− 31 żenia. Ostateczny układ pomiarowy pokaza− ny jest na rysunku 4 . Oczywiście “rasowy” konstruktor musiałby przeprowadzić szereg dodatkowych obliczeń. Powinien zbadać wpływ dryftu wejściowego napięcia niezró− wnoważenia wzmacniaczy operacyjnych (ka− talogowo typ. 10mV/K) oraz przeliczyć przy jakim minimalnym napięciu zasilania układ będzie jeszcze pracował. Powinien też obli− czyć wartość rezystora R2 dla założonego za− kresu wskazań liniowych i logarytmicznych. Mógłby także przeliczyć, czy zakres zmian napięcia na wyjściu wzmacniacza pomiaro− wego (suma napięć przewodzenia diod D1 i D2 przy prądzie 3,25mA w temperaturze +18°C) nie będzie większy niż napięcie wzor− cowe kostki LM3914 (1,28V). Jeśliby tak by− ło, należy zmodyfikować układ: albo zwię− kszyć napięcie wzorcowe, albo prościej – za− stosować diody D1, D2 o większym prądzie nominalnym. Dlaczego najprawdopodobniej wystarczy dać diody o większym prądzie no− minalnym? Na to pytanie niech uczestnicy Szkoły odpowiedzą sami. Układ z rysunku 4 należy dołączyć do blo− ku automatycznego wyłączania (rysunek 1), dodać pojemności filtrujące zasilanie i układ powinien działać. Zastrzegam jednak, że taki układ nie był sprawdzony w praktyce. Tyle odnośnie zadania 33. Pulę nagród podzielą między siebie Paweł Korejwo i Mar − cin Wiązania . Aktualną punktację Szkoły znaj− dziecie w tabeli. Piotr Górecki 32 Punktacja Szkoły Konstruktorów Marcin Wiązania − 13 Tomasz Sapletta − 8 Marek Grzeszyk − 6 Bartosz Niżnik − 6 Mariusz Nowak − 6 Marcin Przybyła − 6 Tomasz Gacoń i Paweł Kuchta − 6 Paweł Korejwo – 5 Roland Belka − 4 Czesław Szutowicz − 4 Norbert Jaroszewicz − 3 Jarosław Kempa − 3 Filip Rus − 3 Jarosław Skotnicki − 3 Bogusław Stojak − 3 Jarosław Tarnawa − 3 Marcin Barański − 2 Jarosław Chudoba − 2 Dariusz Minior − 2 Kosma Moczek − 2 Mariusz Ratyna − 2 Artur Gołębiewski − 1 Barbara Jaśkowska − 1 Dariusz Knull − 1 Sebastian Maleńczuk − 1 Leszek Pietrukaniec − 1 Tomasz Walczak − 1 Co tu nie gra? Oto kolejne zadanie dla początkujących kon− struktorów. Na rysunku pokazano fragment układu nades− łanego jako rozwiązanie zadania 33. Jest to prze− rzutnik RS z bramkami NOR (CMOS4001). Poja− wienie się stanu wysokiego na wyjściu Q otwiera tranzystor T1, MOSFET N – BS107 i tym samym podaje na właściwy układ pomiarowy napięcie ba− terii (pomniejszone o niewielki spadek napięcia na rezystancji RDSon otwartego tranzystora). Układ z jakichś powodów jest nieprawidłowy. Czekam na krótkie wyjaśnienie, dlaczego przed− stawiony układ lub jego fragment jest błędny. Mi− le widziane są też propozycje poprawy błędu, by układ działał tak, jak podaje opis. Odpowiedzi nad− syłajcie do połowy kwietnia 1999. Na kopertach lub kartkach pocztowych dopiszcie gdzieś z boku: “Szkoła 37” lub “Szko37”. Osoby, które nadeślą prawidłowe odpowiedzi, wezmą udział w losowa− niu nagród, którymi będą drobne kity AVT. ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99