SSzzzkkkooołłłaa KKooonnnssstttrrruuukkktttooorrróóóww

Szkoła
Konstruktorów
Każdy Czytelnik Elektroniki dla Wszystkich może nadesłać rozwiązane jednego, dwóch lub wszystkich trzech zadań
Szkoły z danego numeru. Rozwiązania można nadsyłać zwykłą pocztą albo mailem. Paczki z modelami i koperty
zawsze adresujcie: AVT – EdW ul. Burleska 9 01-939 Warszawa i koniecznie podawajcie na kopercie czy paczce zawartość, np. Szko130, Jak12, NieGra130, #12, itd.
Osoby, które nadsyłają rozwiązanie e-mailem, powinny wysłać je na adres: [email protected] (szkola,
a nie szkoła). W tytule maila i w nazwach wszystkich załączników oprócz nazwy konkursu i numeru zadania umieśćcie
także nazwisko (najlepiej bez typowo polskich liter), na przykład: Szko130Kowalski, Policz130Zielinski, NieGra130Malinowski,
Jak12Krzyzanowski.
Regularnie potwierdzam otrzymanie wszystkich e-maili kierowanych na adres [email protected]. Jeśli więc w terminie kilku dni po wysłaniu
maila do Szkoły nie otrzymacie mojego potwierdzenia, prześlijcie pliki jeszcze raz (do skutku).
Bardzo proszę wszystkich uczestników, także osoby nadsyłające prace e-mailem, żeby podawały imię, nazwisko, adres zamieszkania oraz wiek.
Jest to pomocne przy opracowywaniu rozwiązań, ocenie prac oraz wysyłce upominków i nagród. Jeśli na łamach czasopisma nie chcecie ujawniać swoich danych – napiszcie, a zachowam dyskrecję, podając tylko imię i pierwszą literę nazwiska, ewentualnie miejscowość zamieszkania.
Jeśli nadsyłacie model, zawsze dołączajcie własnoręcznie podpisane i opatrzone datą oświadczenie: Ja, niżej podpisany, oświadczam, że projekt/
artykuł pt.: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ,
który przesyłam do redakcji Elektroniki dla Wszystkich, jest moim osobistym opracowaniem i nie był wcześniej nigdzie publikowany.
Mam też prośbę: na schematach podawajcie wartości elementów, a dodatkowo dołączcie Wykaz elementów w postaci pliku tekstowego.
Zadanie główne nr 130
Niedawno do redakcji nadszedł e-mail o takiej treści: Witam! Pewnego dnia przeglądając jeden ze starszych numerów (bodajże
rocznik 2003), zobaczyłam galerię osób biorących udział w Szkole Konstruktorów. Kilka
osób jako zainteresowania podała modelarstwo. Ja także interesuję się modelarstwem
(a dokładniej modelami RC). Dlatego chciałabym zaproponować temat zadania „SK”:
zaprojektuj układ przydatny w modelarstwie
RC. Poniżej przedstawiam propozycje:
- regulator silnika: prąd 15A (dla silnika wielkości 540 wystarczy), zmiana kierunku przekaźnikiem lub tranzystorem.
- wskaźnik napięcia pakietu zasilającego
odbiornik (najczęściej 4*NiCd - zakres wskazań 4,2-5,1 V)
- miernik obrotów (układ przydatny dla modelarzy lotniczych)
- miernik temperatury
- moduły dźwiękowe (np. generator dźwięku
silnika diesla dla modelu kutra)
Myślę, iż jest to dobry temat na zadanie (ze
względu na obszerność tematu). Oczywiście
aparatura sterująca odpada (niezawodność,
trudne do uruchomienia w warunkach amatorskich). W załączniku wysyłam zdjęcia przykładowych układów. Z wyrazami szacunku
Irena Koseda
Rzeczywiście temat jest obszerny i doskonale nadaje się jako zadanie naszej Szkoły.
Oto temat zadania 130:
Zaprojektuj układ elektroniczny przydatny w modelarstwie.
Rozszerzam zadanie o tyle, że rozwiązanie
nie musi dotyczyć modeli zdalnie sterowanych. Może to być jakikolwiek, nawet drobny
układ pomocniczy, przydatny w szeroko pojętym modelarstwie. Ale może też być kompletny system elektroniczny do modelu zdalnie
sterowanego lub innego. W grę wchodzą też
przeróbki istniejących modeli, a także zaba-
wek. Wiem, że nawet młodzi elektronicy dokonują rozmaitych modyfikacji w posiadanych zdalnie sterowanych zabawkach. Autorka zadania napisała też: ciekawym działem
jest modelarstwo kolejowe. Myślę, iż można
by opracować wiele przydatnych modułów np.
dźwiękowych, sterowniki czasowe, automatyzacja ruchu na makiecie, że nie wspomnę
o zasilaczach i cyfrowym sterowaniu.
W ramach tego zadania proszę także o nadsyłanie nie tyle rozwiązań, co problemów do
rozwiązania: jeśli ktoś potrzebowałby układu
elektronicznego, spełniającego określoną
funkcję, niech napisze i określi wymagania
i funkcje układu. Może zajmiemy się tym
przy rozwiązaniu tego zadania, ewentualnie
postawię to jako kolejne zadanie Szkoły, albo
też znajdzie się ktoś, kto taki układ zrealizuje
i opisze jako projekt w EdW.
Zachęcam do udziału zarówno doświadczonych modelarzy, jak też początkujących!
wielkich umiejętności. Tymczasem uczestnicy
naszej Szkoły potrafią bez trudu zaproponować i zrealizować nieporównanie lepsze rozwiązania.
I zaproponowali! Bardzo się cieszę,
że w zadaniu udział wzięli zarówno bardzo
młodzi uczestnicy, jak i doświadczeni praktycy. Z przyjemnością kieruję aż dziesięć projektów do sprawdzenia i publikacji, a do jednego uczestnika napisałem, żeby jeszcze szerzej opisał swój bardzo interesujący projekt.
Propozycje teoretyczne
Rozwiązanie zadanie głównego 125
Temat wakacyjnego zadania 125 brzmiał:
Zaproponuj układ(-y) elektronicznego tuningu roweru. Zgodnie z oczekiwaniami nadeszło dużo więcej rozwiązań niż zwykle. Jak
pisałem wcześniej: impulsem do ogłoszenia
takiego zadania była przypadkowo znaleziona
strona internetowa, gdzie młody miłośnik
roweru prezentował z ogromną dumą swoje
proste rozwiązanie wykorzystujące diody LED
do „tuningu” roweru. Zaskoczyła mnie ta
wielka duma z najdelikatniej mówiąc, niezbyt
32
Jacek Rączka z Połomi przypomniał ideę
sprzed wielu lat, ideę wyświetlania znaków
i napisów. Teraz ekranem ma być matryca
LED 20x7, na której normalnie wyświetlane
będą dwa kółka, ewentualnie strzałka-kierunkowskaz oraz napis STOP – patrz rysunek 1.
W liście czytamy: (…) W starych konstrukcjach [z torpedem] do wykrywania hamowania
wykorzystywano fakt, że napina się łańcuch.
(…) Dzisiaj 90% rowerów ma przerzutki. (…)
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
dałoby się wmontować przełącznik NC, normalnie naciskany przez dźwignie hamulca.
(…) Inny sposób (…) [to] czujnik szybkości.
Wystarczy wykorzystać fakt zmiany szybkości
roweru. (...) Gdy się zatrzymamy (…),
wyświetlanie STOP przez 3 sekundy wystarczy. (…).
Rys. 1
Jacek proponuje wykorzystanie czterech
gotowych matryc 7x5 i mikroprocesora.
Pomysł jest bardzo interesujący i ma rację
bytu, a podczas hamowania przed skrętem
strzałkę-kierunkowskaz można wyświetlać na
przemian z napisem STOP. Zamiast dwóch
przycisków dla kierunkowskazów wystarczy
zastosować jeden trzypołożeniowy.
Wojciech Pękul z Myszadeł przysłał dwa
schematy: jeden ze starej literatury (dzwoneksłowik na UL1111), drugi to prosty efekt
świetlny. Maciej Głód z Wadowic napisał: To
mój pierwszy udział w Szkole konstruktorów.
(…) Jeden pomysł to dwa alarmy oparte na
jednym układzie.
- pierwszy układ to Tranzystorowy OE, w którym zamiast Rc wstawiamy generator z piezo,
a zamiast pierwszego rezystora dzielnika
mamy gausotron z rezystorem ograniczającym prąd bazy. Na widełkach roweru mamy
gausotron, a na jednej szprysze mamy magnes
trwały (np. neodymowy). Ustawiając rower
np. pod sklepem lub na klatce schodowej, zadbamy, aby magnetorezytor był jak najbliżej
magnesu. Rower ruszony przez potencjalnego
złodzieja wyda dźwięk syreny piezo. Jeżeli
zbocznikujemy gausotron switchem, to już
mamy elektroniczny dzwonek.
- drugie rozwiązanie ma na uwadze mieszkańców bloku, którzy rower trzymają w piwnicy.
(…) Układ różni się tylko czujnikiem (fotodioda). Gdy zostanie zaświecone światło, to
układ zacznie „piszczeć”, co wystraszy złodzieja.
(…) [Inny] pomysł to układ dwójnika złożonego z baterii 9V oraz magnetorezystora
(wraz z magnesem na kole) oraz rezystora
o dużej wartości rzędu dziesiątek kiloomów
i kondensatora elektrolitycznego. Układ służyłby jako mało dokładny licznik przebytej
drogi, którego odczyt sprawdzalibyśmy multimetrem. (…) Automatyczna regulacja oświetlenia sterowana fotorezystorem. Układ
pozwalałby oszczędzić baterie, gdy jeździmy
raz po oświetlonej drodze (ulica), a raz po
ciemnych zaułkach.
Piotr Słowik z Brwinowa napisał: Chcę
poruszyć dwa tematy, niestety tylko teoretycz-
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
nie z nadzieją, że komuś uda się rozwiązać, problemem jest pewne i trudne do demontażu
mocowanie do kierownicy (…), problemem
problemy, na których ja się zatrzymałem.
I/Migające światełka działające na podob- jest dostęp do przycisków i przełączników
nej zasadzie jak dawna pozytywka. Tylko oraz ich uszczelnienie. (…)
Jacek Konieczny z Poznania znów zazamiast bębna z wystającymi kropkami byłyby
magnesy zamocowane na szprychach. W za- skoczył mnie propozycją systemu wykryleżności od ich ułożenia oraz od ilości kontak- wającego, że w pewnej odległości przed rowetronów z nimi współpracujących mogłyby za- rem znajduje się „łacha” piaskowa (lub
palać się diody świecące (pływające podmokły, zabagniony odcinek drogi). Mianoświatełko jak w samochodzie Niezwy- wicie należałoby wykrywać, czy tak jak koła,
ciężonego, w rytmie jakiejś melodii obraca się też niewielkie kółko, zamocowane
na końcu swego rodzaju teleskopowej „antelub w jeszcze innym). (…)
II/Deska rozdzielcza do roweru ny”, wysięgnika umieszczonego przed rowezawierająca wszystkie niezbędne (oraz rem. Ilustruje to pochodzący z listu, autorski
rysunek 2. Ja swego czasu bardzo dużo jeźzbędne) gadżety do roweru:
1.Licznik rowerowy fabryczny lub dziłem na rowerze i mam wyrobione zdanie
własnej konstrukcji z diodami ułożo- na temat celowości oraz możliwości wykorzystania takiego dodatku, zwłaszcza w terenymi w koło.
2.Termometr wykorzystujący np. ww. diody nie. Czytelnicy mogą mieć własne zdanie,
prędkościomierza (niebieskie –, biała 0 stopni, czerwone+)
Rys. 2
3.Światło przednie z diod białych
(przednie) i żółtych (kierunkowskazy)
wkomponowanych w przednią część
deski rozdzielczej.
4.Światło tylne i kierunkowskazy
(zasilanie i włączniki).
5.Dzwonek o przełączanych
melodiach.
6.Układ alarmowy sygnalizujący
kradzież roweru (np. nagrana na
cyfrowy magnetofonik „papuga”
informacja o skradzeniu roweru).
7.Zasilanie, najlepiej z akumulatorków w kształcie baterii np. R6.
8.Układ ładujący najlepiej
zewnętrzny (ze względu na
wagę).
9.Radio, TV, odtwarzacz muzyki
(MP3), filmów (MPEG4).
Oprócz ostatniej pozycji
można by się pokusić o realizację takich funkcji przez mikroprocesor Atmel. Barierą nie do przekroczenia (dla mnie) jest obudowa (estetyczna, a zarazem mocna
Fotografia trójwymiarowa - oglądać w okularach anaglifowych
i wodoszczelna). (…) Drugim
Fotografia trójwymiarowa - oglądać w okularach anaglifowych
33
Szkoła Konstruktorów
w każdym razie pomysł jest wielce oryginalny, a Autor wspomina o „kole Blumricha”,
mogącym się obracać w dwóch prostopadłych
osiach.
Bardzo się cieszę, że rozwiązanie nadesłał
Jarosław Chudoba z Gorzowa Wlkp., biorący udział w Szkole od wielu już lat. Schemat
pokazany jest na rysunku 3. Bramki B1, B2
to niezależne generatory kierunkowskazów.
Alarm zbudowany jest na przerzutniku JK
z kostki 4027. Do wejścia zegarowego dołączony jest kontaktron współpracujący z magnesem umieszczonym na kole. Do obsługi
służą przyciski S3, S4 sterujące przerzutnikiem RS, na bramkach B3, B4. Naciśniecie
P4 rozpoczyna czuwanie alarmu. Obrót koła
na chwilę zewrze kontaktron i uruchomi
alarm akustyczny (B5…B7) i świetlny (B8,
T6). Alarm można wyłączyć tylko za pomocą
dobrze ukrytego P3. Przycisk P5 włączy
generatory i głośnik w charakterze dzwonka,
a tylne migające czerwone światło można też
włączyć na czas jazdy przełącznikiem P6.
Filip Rus z Zawiercia po wyczerpujących
zajęciach na studiach postanowił podejść do
zadania 125 „z dystansem i luzem”, a przy
okazji zapoznać się z procesorami AVR
(ATMega162). Przysłał schemat (rysunek 4),
projekt płytki i większą część programu.
Układ nie został praktycznie sprawdzony.
Miałby to być licznik rowerowy, wyposażony
dodatkowo w dziennik pokładowy, zapisujący
co niewielki odstęp czasu parametry jazdy
podobnie do tachometru: (…) prędkość: chwilową, maksymalną, średnią (…), dokładny jest
pomiar dystansu całkowitego i przejechanego
w tej sesji oraz czasu przejazdu. Pojemność
proponowanej pamięci pozwala na zapis
około 10 godzin jazdy, przy czym zapamiętywanie następuje jedynie podczas poruszania
się roweru, a podczas postoju następuje wyłączenie układu dla zaoszczędzenia energii i pamięci. Dodatkowo urządzenie mierzy temperaturę. (…) W rozbudowanej wersji można by
jeszcze dodać funkcje higrometru, a nawet
czujnik tętna, choć to już inna para kaloszy
kę należałoby zmniejszyć, używając mikrokontrolera w wersji SMD (…) i zamienić
wyświetlacz na niewielki graficzny od starszych telefonów komórkowych i tym samym
zbliżyć się do gabarytów oferowanych obecnie liczników.
We wrześniowym numerze EdW zawarta
była cenna uwaga dotycząca ambitnych projektów, które czasem kończą się niepowodzeniem. Zgadzam się z tym i dlatego jakiś czas
temu odłożyłem projekt systemu Ambilight
i teraz powracając do niego po przerwie, od
razu na świeżo zauważyłem kilka nowych
problemów, ale i rozwiązań. Prawdopodobnie
pójdę za radą Pana Redaktora i dalsze prace
przeprowadzę stopniowo. Mam już nawet
nowy zarys, ale o tym mam nadzieję w niedługim czasie. Ostatnio dla „odsapnięcia” dokończyłem niewielki projekcik „potencjometru pseudoanalogowego” (…), dokończyłem
urządzonko będące częścią mojego wzmacniacza lampowo-MOSFET-owego (w dużej
części podobnego do układów prezentowanych na łamach EdW). Jest to układ prosty,
a przy tym posiadający wiele zalet i jak tylko
sklecę jakiś sensowny opis, prześlę go do
Redakcji ze zdjęciami działającego u mnie
egzemplarza lub z nowym modelem. (…)
Z przyjemnością zaprezentuję tego rodzaju
sprawdzone konstrukcje na łamach EdW.
A niedokończone materiały będące rozwiązaniem zadania 125 dostępne są w Elportalu
jako Rus.zip.
Rozwiązania praktyczne
Rys. 3
Rys. 4
34
11-letni Teodor Woźniak z Łodzi po nieudanych eksperymentach z kostką 4017 wykonał
pokazany na fotografii 1 rowerowy imitator
dźwięku motocykla, zrealizowany według
rysunku 5. Szprychy zwierające styki oznaczone Szpr1-Szpr2 powodują, że z głośnika
wydobywa się terkot. Co prawda układ jest
niedoskonały, jednak młodziutkiemu uczestnikowi przydzielam nagrodę. Aby zwiększyć
głośność dźwięku, wystarczy zmniejszyć wartość R2, jednak należałoby dodać jakiś obwód
zabezpieczający przed rozładowaniem baterii,
gdyby podczas postoju roweru szprycha
zwarła na dłużej styki.
(takie urządzenia na rynku
osiągają ceny około 250
PLN). Być może zająłem się
jak na pierwsze spotkanie
z procesorami AVR zbyt
ambitnym zadaniem. Nie
mam w tej chwili czasu na
dalsze zajmowanie się
układem ze względu
na prowadzone prace
nad kilkoma innymi
w tym w ramach koła
naukowego ale może
kiedyś po nabraniu doświadczenia powrócę do
tego tematu. Docelowo płyt-
Fot. 1 Imitator Teodora Woźniaka
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
19-letni Marek Osiak ze Starogardu Gd.
napisał: Przepraszam, że nie pokazywałem się
w Szkole Konstruktorów. (…) Moja propozycja elektronicznego tuningu roweru to nie
oświetlenie, (…) ale sprzęt nagłaśniający.
Każdy wie, że podróże z muzyką w tle są
o wiele przyjemniejsze, a jadąc rowerem, nie
odczuwa się zmęczenia. Muzyka powoduje też
ciekawy efekt, który polega na zwiększeniu
prędkości średniej, co przekłada się bezpośrednio na czas pokonywania danej drogi.
Widziałem wiele osób, które jadąc rowerem,
słuchają muzyki z odtwarzacza mp3 za pomocą słuchawek. Jest to dosyć wygodne, ale też
niebezpieczne, bo nie słyszy się nic dookoła.
Rozwiązałem tę niedogodność niewielkim
głośnikiem o mocy 3W umieszczonym wraz ze
wzmacniaczem opartym na kostce TDA1517
w obudowie od „podwórkowego” halogenu
150W. Zasilanie dostarcza akumulator żelowy
12V 7Ah przymocowany do koszyka na bagażRys. 5
Fot. 2 Instalacja Marka Osiaka
niku w niewielkim pudełku plastikowym dostępnym w sklepach Fot. 3 Migacz Mariusza Jaglarza
z artykułami gospodarstwa domowego. Akumulator taki na
jednym naładowaniu pozwala
na przejechanie wielu kilometrów (sam trzy razy odwiedziłem
kolegę mieszkającego w Tczewie, a jedna „wycieczka” to
około 70–80 kilometrów). Do
wzmacniacza dodałem
przedwzmacniacz oparty na wieko- czone są w Elportalu jako Jaglarz.zip.
Fotografia 4 pokazuje Laserowe koło
wej kostce 741, bo okazało się, że
sygnał z odtwarzacza jest zbyt słaby, wykonane przez Martę Mrozowicz z Ostrożeby w pełni wysterować końcówkę wca Św. według schematu z rysunku 7.
mocy. Odtwarzacz jest zasilany ze Marta napisała: Głównie moim hobby jest
elektronika, lecz interesuję się również robo„swojej” baterii.
Rysunek 6 i fotografia 2 poka- tyką, informatyką i komputerami. Do Elektrozują dalsze szczegóły, a w Elportalu niki dla Wszystkich piszę i przesyłam projekt
można znaleźć kilka dodatkowych po raz pierwszy, wcześniej jakoś nie miałam
odwagi, aż w końcu się przełamałam. (…) Jest
fotografii jako Osiak125.zip.
16-letni Mariusz Jaglarz z to urządzenie mające na celu poprawę bezpieChrzanowa wykonał układ migacza czeństwa i poprawę wyglądu – tuningu roweLED pokazany na fotografii 3. ru w postaci urządzenia generującego cykJest to klasyczny multiwibrator licznie światło za pomocą diod LED superjasna dwóch tranzystorach. Dwie nych czerwonych i niebieskich. Model urządodatkowe fotografie umiesz- dzenia montowany jest na szprychach koła
Fot. 4 Laserowe koło Marty Mrozowicz
Rys. 6
Rys. 7
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
35
Szkoła Konstruktorów
rowerowego. Podczas obracania się koła,
a zarazem urządzenia widać jedynie smugę
światła niebieskiego i czerwonego, a miejscami nawet fioletowego. (…)
Superjasne diody o wąskim kącie świecenia istotnie dają efekt porównywalny z laserem. Mało brakowało, a układ trafiłby do
publikacji. W każdym razie Marta otrzymuje
nagrodę, a kto chciałby zrealizować taki
układ, znajdzie w Elportalu szerszy opis i rysunek płytki do obudowy Z-14 jako plik Mrozowicz125.zip.
17-letni Dariusz Iwanoczko z Brzegu
Dolnego przysłał schemat pokazany na
rysunku 8 oraz fotografię 5. W liście napisał:
(…) Ostatnio zacząłem się bawić mikrokontrolerami AVR typu ATmega8515 oraz ATmega8. (…) Postanowiłem zbudować cyfrowy
układ prędkościomierza do roweru z wyświetlaczem LED. Planowo układ ma także spełRys. 8
niać zadanie
licznika kilometrów, zegara czasu
j a z d y ,
obrotomierza, licznika obrotów
oraz alarmu,
który sygnalizowałby
chociażby
młodemu
zapominalskiemu nastolatkowi, że trzeba
wracać z rowerowej wycieczki na obiad. (…)
Malutkie napięcie z cewki zostaje wzmocnione oraz zamienione na krótkie impulsy dla
mikrokontrolera. Ten zaś, znając obwód koła,
wykonuje już stosowne obliczenia i wyświetla
odpowiedni wynik na czterocyfrowym wyświetlaczu LED. (…) Schematy te są jeszcze
dosyć „niedopracowane” i
nie są one zapewne finalną
wersją mojego
układu. Chciałem
jednak
wziąć udział w
tym
zadaniu
szkoły i dlatego
przysyłam te zalążki
mojego
projektu. (…)
Zarówno
Dariusz, jak i
wcześniej
wspomniany
Filip Rus, podjęli się bardzo
ambitnego zadania. Praktyczna
przydatność
komputerka
rowerowego z
wyświetlaczami
LED jest niewielka, choćby z
uwagi na rozmiary, duży pobór prądu oraz
Punktacja Szkoły Konstruktorów
Rafał Kuchta Skrzyszów . . . . . . . . . . . . . 136
Szymon Janek Lublin . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Jakub Borzdyński Glinik . . . . . . . . . . . . . . 98
Robert Jaworowski Augustów . . . . . . . . . . 77
Jarosław Chudoba Gorzów Wlkp. . . . . . . . 69
Radosław Krawczyk Ruda Śl. . . . . . . . . . . 69
Jarosław Tarnawa Godziszka . . . . . . . . . . . 68
Jakub Sobański Rudka . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Arkadiusz Zieliński Częstochowa . . . . . . . 53
Kamil Kozłowski Gdańsk . . . . . . . . . . . . . . 43
Mateusz Ulfik Przezchlebie . . . . . . . . . . . . 42
Dariusz Iwanoczko Brzeg Dolny . . . . . . . . 41
Tomasz Jadasch Kęty. . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Dawid Lichosyt Gorenice . . . . . . . . . . . . . . 38
Jacek Konieczny Poznań . . . . . . . . . . . . . . 36
Paweł Karcz Kraków . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Witold Kardyś Pabianice . . . . . . . . . . . . . . 32
Bartek Czerwiec Mogilno . . . . . . . . . . . . . 30
Dawid Kozioł Elbląg . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
36
Piotr Raczyński Gdynia . . . . . . . . . . . . . . . 29
Tomek Chronowski Mała Wieś . . . . . . . . . 28
Piotr Bechcicki Sochaczew. . . . . . . . . . . . . 27
Jakub Jagiełło Gorzów Wlkp. . . . . . . . . . . 27
Marcin Kopa Kleosin . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Piotr Dereszowski Chrzanów . . . . . . . . . . . 25
Jakub Siwiec Tarnów . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Michał Gołaszewski Lubiszewice . . . . . . . . 23
Przemysław Korpas Skierniewice . . . . . . . 23
Łukasz Kwiatkowski Kraków . . . . . . . . . . 23
Piotr Nowicki Ćmielów . . . . . . . . . . . . . . . 23
Paweł Knioła Lubiewo . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Marcin Rekowski Brusy . . . . . . . . . . . . . . . 20
Filip Rus Zawiercie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Paweł Szwed Grodziec Śl. . . . . . . . . . . . . . 20
Dominik Ciurej Trzemesna . . . . . . . . . . . . 19
Mariusz Jaglarz Chrzanów . . . . . . . . . . . . 18
Jakub Cieśliński Świętochłowice . . . . . . . 17
Adam Ples Jaworzno . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Maciej Grzanka Pogórze . . . . . . . . . . . . . . 16
Marek Jankiewicz Połczyn Zdr. . . . . . . . . . 16
Marcin Dyoniziak Brwinów . . . . . . . . . . . . 15
Paweł Świtalski Siedlce . . . . . . . . . . . . . . . 15
Tomasz Albrecht Koluszki . . . . . . . . . . . . . 14
Piotr Diaków Kraków . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Ryszard Pichl Gdynia . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Marcin Piotrowski Białystok . . . . . . . . . . . 14
Szymon Snarski Czeladź . . . . . . . . . . . . . . 14
Jakub Zając Suchoraba . . . . . . . . . . . . . . . 13
Mateusz Dołgoszej Ełk . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Przemysław Musz Trzebnica . . . . . . . . . . . 12
Tomasz Olszewski Pszczółczyn . . . . . . . . . 12
Marek Osiak Starogard Gd. . . . . . . . . . . . . 12
Jacek Rączka Połomia . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Karol Sikora Koszalin . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Przemysław Szpiler Oleśnica . . . . . . . . . . . 12
Rafał Kobyłecki Czarnowo . . . . . . . . . . . . . 11
Marcin Pazdro Borowa . . . . . . . . . . . . . . . 11
Bartosz Wesołowski Tarnowałaka . . . . . . . . 11
Adrian Wojtaszewski Łódź . . . . . . . . . . . . 11
Fot. 5 Model Dariusza Iwanoczko
Fot. 6 Mrygacz Radosława Krawczyka
zerową widzialność
wskazań w silnym
słońcu. Tego rodzaju
projekty należy traktować jedynie jako
ćwiczenia, niezmiernie pożyteczne dla
Autora zdobywającego doświadczenie,
ale niezbyt przydatne w praktyce.
Poniżej bardzo
krótko zaprezentowane są projekty,
które z przyjemnością
kieruję
do
sprawdzenia i do
publikacji.
I tak fotografia
6 przedstawia Rowerowy mrygacz
Radosława Krawczyka z Rudy Śląskiej. Na fotografii 7
można
zobaczyć
Rowerową gwiazdę
14-letniego Adama
Kulpińskiego z Sanoka. Autor bardzo
starannie wykonał
zarówno dokumentację, jak i model,
za co dodatkowo
otrzymuje nagrodę.
Adam Kulpiński Sanok . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Michał Urbaniak Dębogóra . . . . . . . . . . . . 10
Marcin Dobrogowski Gajowniki . . . . . . . . . 9
Arkadiusz Kocowicz Czarny Las . . . . . . . . . 9
Jarosław Łangowski Bydgoszcz . . . . . . . . . . 9
Marcin Połomski Kraków . . . . . . . . . . . . . . 9
Sławomir Wanecki Poznań . . . . . . . . . . . . . 9
Aleksander Bernaczek Magnuszowice. . . . . 8
Leszek Szczepaniak Lublin . . . . . . . . . . . . . 8
Janusz Telega Gdańsk . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Michał Waśkiewicz Białystok . . . . . . . . . . . 8
Radosław Borowicz Poznań . . . . . . . . . . . . . 7
Adam Kawa Częstochowa . . . . . . . . . . . . . . 7
Michał Koziak Sosnowiec . . . . . . . . . . . . . . 7
Rafał Kozik Bielsko-Biała . . . . . . . . . . . . . . 7
Wojciech Macek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Piotr Masłowski Wrocław . . . . . . . . . . . . . . 7
Marcin Szatkowski Ciechanów . . . . . . . . . . 7
Bartosz Tarnowski Katowice . . . . . . . . . . . . 7
Piotr Tatoń Kęty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Paweł Konopacki Gliwice . . . . . . . . . . . . . . . 6
Piotr Kuranty Sól . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Piotr Łaskarzewski Lewin Brzeski . . . . . . . 6
Eryk Michałowski Lublin . . . . . . . . . . . . . . 6
Łukasz Oszmaniec Żory. . . . . . . . . . . . . . . . 6
Adam Robaczewski Wejherowo . . . . . . . . . . 6
Adam Władziński Górzno . . . . . . . . . . . . . . 6
Teodor Woźniak Łódź . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Dawid Arendarski Bogunice . . . . . . . . . . . . 5
Piotr Cieśliński Kraków . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Filip Grabarek Opole . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Damian Jasik Kończyce . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Piotr Krzyżaniak Rybnik . . . . . . . . . . . . . . . 5
Marta Mrozowicz Ostrowiec Św. . . . . . . . . . 5
Marcin Nosal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Bartłomiej Ogryczak Kościan . . . . . . . . . 5
Anna Przybysz Szczecin . . . . . . . . . . . . . . . 5
Kacper Rogalski Zielona Góra . . . . . . . . . . . 5
Andrzej Szulda Olsztyn . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Mateusz Wiśniewski Wisznice . . . . . . . . . . . 5
Paweł Wojewoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
Fot. 7 Układ Adama Kulpińskiego
Fot. 8 Lampka Mateusza Ulfika
Fotografia 8 pokazuje Dwukolorową
lampkę rowerową Mateusza Ulfika z Przezchlebia. Fotoelement po oświetleniu zewnętrznym światłem zmienia kolor świecenia
diod. Jakub Borzdyński z Glinika wykonał
Fot. 9 Model Jakuba Borzdyńskiego
Półinteligentką lampkę rowerową, pokazana
na fotografii 9.
Paweł Karcz z Krakowa zrealizował
pokazany na fotografii 10 Alarm (nie tylko)
rowerowy, mający także dodatkowe funkcje.
Z kolei Mateusz Dołgoszej z Ełku przysłał
trzy projekty: Speed meter, Zwariowaną linijkę i Kierunkowskazy. Wszystkie trzy modele
pokazane są na fotografii 11.
Dwóch Kolegów przysłało szersze opisy
instalacji swoich rowerów. Fotografia 12
pokazuje pojazd 18-letniego Radosława
Borowicza z Poznania. Natomiast fotografia
13 przedstawia „widmowy napis” uzyskany
przez 17-letniego Łukasza Kwiatkowskiego
z Krakowa (HORMON to jego osiedlowy
pseudonim). Autor napisał: To zadanie to
strzał w dziesiątkę, ponieważ na nikim nie
zrobi wrażenia własnoręcznie zrobiony ściemniacz, termometr czy wzmacniacz – takie rzeczy można kupić w sklepie. Natomiast tuning
rowerów to dziedzina nowa, niezwykle efektowna i mało popularna, praktycznie nieobecna. (…) Układzik oparłem na mikroprocesorze AT TINY 2313, po włączeniu steruje on
sześcioma niebieskimi diodami, tak że gdy
jadę, na kole pojawia się moja ksywka. (…)
Zasilam go z baterii litowej. Wszystko jest
przyklejone za pomocą kleju do pistoletów
klejowych.
Łukasz przysłał jedynie niezbyt długi opis,
jednak wszystko wskazuje, że po rozbudowaniu może to być znakomity projekt okładkowy w jednym z wiosennych numerów EdW.
Napisałem do Autora w tej sprawie.
Podsumowanie
Gratuluję wszystkim, którzy wzięli udział
w rozwiązaniu tego zadania! Przykro mi, że
z uwagi na szczupłość puli nagród nie mogę
Fot. 12 Rower Radosława Borowicza
Fot. 10 Alarm Pawła Karcza
Fot. 11 Modele Mateusza Dołgoszeja
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
37
Szkoła Konstruktorów
wtedy, gdy temat jest mniej atrakcyjny.
Ogromnie się cieszę, że w sumie 10 projektów ośmiu Autorów mogę skierować do
sprawdzenia i publikacji. Jestem pod dużym wrażeniem
Fot. 13 Efekt Łukasza Kwiatkowskiego
postępu, jaki zrobili niektórzy
nastoletni uczestnicy naszej
Szkoły.
Nagrody za zadanie 125
otrzymują: Teodor Woźniak,
Marta Mrozowicz i Adam
Kulpiński. Upominki otrzymują: Jarosław Chudoba,
Marek Osiak, Dariusz Iwanoczko, Mateusz Dołgoszej
i Łukasz Kwiatkowski.
Honoraria autorskie po publikacji swoich prac w EdW
otrzymają: Radosław Kraw-
obdarować wszystkich, którzy na to zasługują. Ale taka jest prawidłowość – łatwo zdobyć
nagrodę wtedy, gdy jest mało prac, czyli
czyk, Adam Kulpiński, Mateusz Ulfik,
Jakub Borzdyński, Paweł Karcz, Mateusz
Dołgoszej, Radosław Borowicz i Łukasz
Kwiatkowski.
Na koniec prośba – przypomnienie dla
osób przysyłających materiały w postaci elektronicznej: bardzo proszę o przysyłanie schematów, projektów płytek i innych rysunków
w popularnych formatach, na przykład PDF,
JPG, GIF czy PNG, i to także wtedy, gdy
przysyłacie źródłowy plik z danego programu
projektowego.
Jak zwykle pozdrawiam serdecznie
wszystkich sympatyków Szkoły i zapraszam
do udziału w rozwiązaniu jej zadań.
Wasz Instruktor
Piotr Górecki
Druga klasa Szkoły Konstruktorów
Co tu nie gra? - Szkoła Konstruktorów klasa II
Zadanie 130
Na rysunku A pokazany jest schemat zamka
szyfrowego, nadesłany jako rozwiązanie
zadania głównego przez 12-letniego uczestnika. Młodziutkiemu Koledze trzeba pogratulować pomysłu i wnikliwości oraz zachęcić do
dalszych działań. Niemniej z uwagi na młody
wiek nie należałoby się dziwić, jeśli układ
zawierałby usterki. Oto fragment opisu:
W podanym schemacie, aby wyłączyć alarm,
należy nacisnąć 3 razy P1, a następnie 3 razy
P2. Jeśli naciśnie się cztery razy P1 lub P2,
wtedy włączy się brzęczyk piezo z generatorem. (Można też domontować przekaźnik
i dołączyć do centralki alarmowej). Aby włączyć alarm, należy nacisnąć P3.
Jak zwykle pytanie brzmi:
Co tu nie gra?
Rys. A
38
Bardzo proszę o możliwie krótkie odpowiedzi. Kartki, listy i e-maile oznaczcie
dopiskiem NieGra130 i nadeślijcie w terminie 60 dni od ukazania się tego numeru EdW.
Autorzy najlepszych odpowiedzi otrzymają
upominki.
Rozwiązanie zadania 125
W EdW 7/2006 na stronie 40 pokazany był
rysunek B, schemat swego rodzaju radaru
podczerwieni i dość obszerny opis, nadesłane kiedyś przez 15-, czy 16-letniego wówczas uczestnika naszej Szkoły. Zadanie znalezienia wszystkich usterek okazało się dość
trudne, a niektórzy napisali wprost, iż nie
zrozumieli niejasnego i nieprecyzyjnego
opisu. W każdym razie wychwyciliście szereg usterek i błędów. Już na pierwszy rzut
oka widać dwa elementarne błędy. Jeden to
odwrotne włączenie fotodiody D3. Oczywiście musi ona być włączona w kierunku zaporowym. Na marginesie można dodać, że
HFD3033 jest przeznaczoną do transmisji
światłowodowej ultraszybką fotodiodą
o czasie reakcji 1,2ns i oczywiście w takim
układzie nie ma potrzeby stosowania tak
bardzo szybkiego elementu.
Drugą oczywistą usterką jest zaproponowany „odwrotny” sposób włączenia tranzystora T4 typu PNP. Jak słusznie wskazali
wszyscy uczestnicy, obwód z głośnikiem nie
będzie pracował. Naładowany kondensator
C3 nie miałby się jak rozładować (ani przez
T4, ani przez R14). Domyślam się, że niemający praktycznego doświadczenia Autor
celowo tak włączył T4 w związku z nietypowym
Rys. B
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
sposobem sterowania. Nawet w przypadku
„klasycznego” włączenia T4 emiterem do
emitera T3 układ nie mógłby pracować, bo do
wysterowania T4 potrzebny byłby wtedy
wypływający prąd bazy, a przez R14 prąd
może płynąć tylko w jednym kierunku.
Nawet gdyby te dwa błędy potraktować
jako pomyłki przy rysowaniu schematu, znaleźliście szereg innych usterek. Wątpliwości
kilku uczestników wzbudził obwód z diodą
D4 i R15 o znacznej wartości. Nie jest to jednak błąd – co najwyżej poważnie zmniejszyłoby to głośność dźwięku z 8-omowego głośniczka. Wątpliwości wzbudziły wartości C2
i R13 – rzeczywiście z co najmniej dwóch
powodów pojemność należałoby zwiększyć,
a rezystancję zwiększyć. Pisaliście, że generator U2B niepotrzebnie cały czas pracuje
i zużywa prąd, a mógłby być włączany tylko
na czas pracy głośnika. Rzeczywiście, taki
sposób pracy byłby lepszy i łatwiejszy
w realizacji, natomiast drobne oszczędności
prądu są nieistotne, jeśli cały czas pracuje
nadajnik z diodami D1, D2.
Oto fragment jednej z prac: Autor słusznie
zastosował kluczowanie prądu diod nadawczych D1, D2 za pomocą generatora. Cóż z tego,
jeśli nie ma to żadnego znaczenia w odbiorniku, który reaguje też na wszelkie sygnały,
także na poziom oświetlenia stałego, (…) czyli
kluczowanie na nic się nie przyda.
Rzeczywiście, jest to istotna niekonsekwencja, ponieważ opis sugeruje, iż impulsy światła
mają zmieniać poziom napięcia stałego na R5
(powyżej 0,9V). Tymczasem wystąpi tam
jakiś przebieg tętniący, ponieważ do fotodiody dotrą impulsy, ale też światło (podczerwień) z otoczenia. Na R5 wystąpią niewielkie
impulsy nałożone na jakieś napięcie stałe,
którego wartość będzie zmieniać się w szerokich granicach, zależnie od oświetlenia tła.
Jak najbardziej słuszne są wnioski uczestników, którzy proponują, by oddzielić składową zmienną i w ten sposób zredukować
wpływ oświetlenia tła. Można to zrobić za
pomocą obwodu rezonansowego LC, filtru
aktywnego albo nawet prościutkiego obwodu
RC, odcinającego składową stałą.
Z fotodiodą współpracuje typowy wzmacniacz odwracający (a nie wzmacniacz różnicowy), który po pierwsze, będzie reagował
nie tylko na impulsy, ale przede wszystkim na
światło tła. Po drugie, jest to wzmacniacz
odwracający, więc wzrost napięcia na R5 spowodowałby zmniejszenie niemal do zera
napięcia na bazie T2. A według założeń miało
być odwrotnie. Autor pisze, że wzmocnienie
jest równe 10, a więc nie jest to pomyłka przy
oznaczaniu wejść wzmacniacza operacyjnego
U2A.
Bardziej dociekliwym i zaawansowanym
Czytelnikom można tu też zwrócić uwagę,
że zaproponowany wzmacniacz odwracający
ma oporność wejściową równą R6 (1kΩ),
natomiast fotodioda z zasady jest źródłem
prądowym o dużej rezystancji wewnętrznej.
Tymczasem prądy pracy są małe, a ustawiona
wartość R5 może być dużo większa niż 1kΩ.
W efekcie wzmacniacz wcale nie będzie miał
wzmocnienia 10, tylko będzie przetwornikiem prąd/napięcie o współczynniku przetwarzania wyznaczonym przez R9. Obwody fotodiody i wzmacniacza wymagają więc radykalnej zmiany.
Z opisu zdaje się wynikać, że tranzystor
T2 ma być kluczem, łączącym generator U2B
ze wzmacniaczem głośnikowym. Idea na
pozór słuszna. Tylko że tak włączony tranzystor nie nadaje się do takiej roli. Trzeba na
przykład wziąć pod uwagę oczywisty fakt, że
złącze baza-kolektor tranzystora T2 będzie
działać jak zwyczajna dioda. Mianowicie gdy
na wyjściu U2A napięcie będzie wysokie,
a na wyjściu U2B – niskie, wtedy między
tymi wejściami popłynie duży prąd właśnie
przez złącze baza-emiter T2. Paradoksalnie da
to znaczne wahania napięcia na bazie T2, ale
taki sposób jest niedopuszczalny z uwagi na
marnotrawstwo prądu.
Nikt z uczestników nie zwrócił uwagi na
inny fakt: otóż generator U2B i nieprawidłowy
klucz w postaci T2 mogą okazać się… zupeł-
nie niepotrzebne. Przecież do głośnika można
doprowadzić wzmocnione impulsy odebrane
przez fotodiodę. Trzeba tylko zastosować R1,
C1 o wartości, która da przebieg o częstotliwości akustycznej, najlepiej 1…4kHz. Wystarczy zapewnić, że do głośnika dotrą tylko
impulsy o odpowiednio dużej amplitudzie. Do
tego wystarczy wykorzystać zwykły tranzystor i rezystor między bazą a emiterem, by
przechodziły przezeń impulsy o amplitudzie
większej niż napięcie baza-emiter.
Celowo zamieściłem wcześniej obszerny
opis schematu, a teraz szczegółowo przeanalizowałem schemat. Przy okazji chciałem pokazać, że ładnie narysowany schemat i obszerne, na pozór wnikliwe wytłumaczenie może
na kimś niezorientowanym wywrzeć wrażenie, że jest to dobry układ doświadczonego
konstruktora. Tymczasem układ wymaga
radykalnej przeróbki. Nie ma szans na poprawną pracę, ponieważ zawiera mnóstwo większych i mniejszych błędów.
W sumie młodziutkiego Autora można nawet pochwalić za próbę zmierzenia się z niełatwym wbrew pozorom tematem, a na usprawiedliwienie mogę przytoczyć fragment pierwotnego opisu, kończącego się następująco:
(…) Wspominam, że jest to tylko pomysł, który nie został sprawdzony w praktyce, więc nie
jestem pewien, czy coś takiego by zadziałało.
Niech omówiony przykład zarówno dla
Autora, jak i wielu innych Czytelników EdW
będzie ostrzeżeniem przed pokusą zostania
„niepoprawnym teoretykiem” oraz kolejną
zachętą do działań praktycznych – prawie
wszystkie omówione usterki wyszłyby natychmiast na jaw po zbudowaniu modelu.
Warto też zaczynać od układów jak najprostszych – mogłoby się okazać, że niedoświadczony kandydat na konstruktora zniechęci się
przed doprowadzeniem układu do postaci
nadającej się do praktycznego użycia.
Upominki za uwagi dotyczące omawianego schematu otrzymują: Michał Olejniczak –
Łodź, Ryszard Pichl – Gdynia, Marcin
Waszczuk – Sosnowiec.
Trzecia klasa Szkoły Konstruktorów
o wzmocnieniu około 1V/V według ogólnej idei
z rysunku A. Bufor może zawierać 1 do 3 tranzystorów i ma być zasilany napięciem 5V.
W
żadA
nym wypadku nie chodzi
o eksperymentalne dobranie elementów układu ani o odszukanie w literaturze podobnego rozwiązania,
tylko o samodzielne obliczenie wartości elementów. Dlatego w rozwiązaniu należy podać:
1. schemat układu
2. wartości elementów ale dobrze byłoby także:
3. zwięźle wyjaśnić, dlaczego wartości elementów są takie, a nie inne.
Rozwiązania powinny być możliwie krótkie,
ale ważne jest, by podać wyjaśnienie, dotyczące
przyjętych wartości elementów. Najlepiej, gdyby
praca zawierała zwięzły opis przebiegu obliczeń.
Nagrodami będą kity AVT lub książki.
Wszystkie rozwiązania nadsyłane w terminie 60
dni od ukazania się tego numeru EdW powinny
mieć dopisek Policz130 (na kopercie, a w tytule
maila dodatkowo nazwisko, np.: Policz130Jankowski). Z uwagi na specyfikę zadania, bardzo
proszę o podawanie swojego wieku oraz miejsca
nauki czy pracy.
Zapraszam do rozwiązania tego zadania
zarówno doświadczonych, jak i początkujących
elektroników, którzy nie potrafią przeanalizować wszystkich subtelności układu. Można też
jeszcze nadsyłać rozwiązania zadania Policz129
z poprzedniego miesiąca.
Policz 130
Przeprowadzamy eksperymenty z sygnałem
telewizyjnym. Chcemy „podkradać” sygnał
m.cz. i w tym celu zbudujemy bufor. Jego wejście ma być podłączone do pracującego toru
telewizyjnego m.cz. i aby nie obciążyć tego
źródła, bufor powinien mieć oporność wejściową powyżej 750Ω. Bufor będzie obciążony bardzo długim kablem antenowym (75-omowym)
z dołączoną na końcu rezystancją Ro=75Ω, więc
dla uzyskania dopasowania ma mieć rezystancję
wyjściową 75Ω. Minimalne pasmo przenoszenia
bufora to 50Hz…6MHz. Chcemy zbudować
możliwie prosty wtórnik tranzystorowy
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
39
Szkoła Konstruktorów
W ramach trzeciej klasy Szkoły Konstruktorów
zajmujemy się przykładami praktycznych obliczeń. Są to zazwyczaj nieskomplikowane obliczenia, z jakimi mamy do czynienia na co
dzień. Przy okazji jest to też praktyczna nauka
korzystania z kart katalogowych.
Rozwiązanie zadania
Policz 125
W EdW 7/2004 przedstawione było zadanie
z serii Policz, które brzmiało: Budujemy prościutką przystawkę do pomiaru prądów stałych. Wykorzystamy połówkę popularnego
wzmacniacz operacyjnego LM358. Ponieważ
zależy nam na małym spadku napięcia na
rezystorze pomiarowym, wzmocnienie musi
wynosić 40dB. Wzmocnione napięcie będzie
mierzone popularnym cyfrowym woltomierzem (multimetrem) na zakresie 2V a może
nawet 200mV. Zaprojektuj prosty układ takiego wzmacniacza według idei z rysunku B.
Wartość rezystora pomiarowego Rx jest nieistotna – będzie wynosić 1Ω lub mniej. Należy
podać schemat i wartości elementów bloku
zaznaczonego kolorem niebieskim. Jeśli ktoś
uzna to za potrzebne, może wykorzystać drugą
połówkę układu scalonego LM358 – można
przyjąć, że obie mają identyczne wszystkie
parametry.
B
Proste obliczenia
Pierwszym krokiem musi być przeliczenie
podanej w decybelach wartości wzmocnienia
napięciowego. Można było skorzystać z przekształconej zależności:
K[dB] = 20log(Uwy/Uwe).
Jeśli 40dB = 20 log10(Uwy/Uwe)
to 40/20 = log10(Uwy/Uwe)
czyli 2 = log10(Uwy/Uwe)
a to oznacza, że:
Uwy/Uwe = 102 = 100
na kalkulatorze Windows (wersja naukowa)
można to zrealizować, wprowadzając:
10 klawisz potęgowania x^y 2 klawisz =
albo jako odwrotność logarytmu:
2 zaznaczyć okienko Inv, klawisz log
Wzmocnienie stało- i zmiennoprądowe ma
wynosić 100.
Dwa proste schematy realizujące warunki
zadania pokazane są na rysunku C. Rezystory w miarę możliwości powinny być precyzyjne, o tolerancji 1%, a dodatkowo warto zastosować potencjometr, który pozwoli uzys-
40
kać wzmocnienie dokładnie równe 100, niezależnie od tolerancji rezystorów. Dla uzyskania wzmocnienia równego 100 należy zachować stosunek Ra/Rb=99, ponieważ wykorzystujemy wzmacniacz nieodwracający, którego wzmocnienie określone jest wzorem
Ku = Ra/Rb +1
C
Wartości Ra, Rb mogą być dobrane w szerokim zakresie, od kilkuset omów do kilkudziesięciu, a nawet kilkuset kiloomów.
Gratulacje należą się wszystkim uczestnikom, którzy nadesłali podobne odpowiedzi.
Takie prościutkie rozwiązania są prawidłowe
i można by je było praktycznie wykorzystać
w wielu zastosowaniach.
Dodatkowe czynniki
Przedstawiona dalej analiza zakłada dobrą
znajomość podstawowych parametrów
wzmacniacza operacyjnego. Początkujący
Czytelnicy mogą mieć trudności ze zrozumieniem wszystkich podanych zależności, jednak
nie powinni się tym stresować. Podany opis
pokazuje wnikliwe podejście do zagadnienia,
charakterystyczne dla profesjonalnych konstruktorów oraz najbardziej doświadczonych
hobbystów, którzy chcą uwzględnić wszystkie
szczegóły.
Materiał ten wzbogaci wszystkich, którzy
rozumieją parametry wzmacniacza operacyjnego, natomiast zupełnie początkującym ma
tylko pokazać, ile jeszcze muszą się nauczyć,
żeby zostać dobrymi konstruktorami.
Otóż jeśli omawiany układ miałby być precyzyjnym miernikiem prądu, należałoby
wziąć pod uwagę kilka dodatkowych czynników. Omawiany układ to przystawka do
pomiaru prądu stałego. Gdyby woltomierz dołączyć wprost do rezystora Rx,
to spadek napięcia na Rx
musiałby wynosić 2V lub co
najmniej 200mV. W praktycznych układach, na przykład
w zasilaczach zależy nam,
żeby ten spadek napięcia był
jak najmniejszy i dlatego chcemy zastosować wzmacniacz.
W treści zadania była wzmianka, że wzmocnienie naszego
wzmacniacza ma wynosić
100. Jeśliby współpracujący
woltomierz był 2-woltowy,
to maksymalny spadek napięcia na Rx sięgnie
20mV. Jeszcze korzystniej byłoby w przypadku woltomierza o zakresie 200mV, bo wtedy
maksymalny spadek napięcia na Rx wyniósłby
tylko 2mV, co jest wręcz pomijalną wartością.
Oznacza to jednocześnie, że rezystancja Rx
miałaby bardzo małą wartość – być może
nawet można byłoby mierzyć spadek napięcia na
kawałku ścieżki.
Zmniejszanie spadku
napięcia na Rx to znakomita idea. Wszystko byłoby pięknie, tylko niestety
wzmacniacz operacyjny
nie jest doskonały. Jeśliby
maksymalny sygnał wejściowy z rezystora Rx
miał tylko kilka miliwoltów, koniecznie należałoby uwzględnić niedoskonałość wzmacniacza,
a konkretnie przeanalizować wpływ, a także
możliwości redukcji wpływu: napięcia niezrównoważenia, prądów wejściowych, dryftów termicznych. Co istotne, nie mamy żadnego wpływu na dryft termiczny wejściowego
napięcia niezrównoważenia, ale być może
moglibyśmy zredukować wpływ napięcia niezrównoważenia i prądów wejściowych.
Trzeba zajrzeć do katalogu. Wybrałem
sposób zaprezentowania danych, pochodzący
z katalogu Fairchild Semiconductor, ponieważ w katalogach niektórych innych firm
występują dodatkowe opcje, odmienne wartości parametrów i opis bywa mniej jednoznaczny. Podstawowe parametry podane są na
rysunku D.
W tabeli w ogóle nie ma wielkości dryftu
cieplnego wejściowego napięcia niezrównoważenia. Informacje podane na rysunku D
dotyczą bowiem temperatury pokojowej
(+25oC). Trzeba sięgnąć do innej tabelki,
która pokazuje parametry w całym zakresie
temperatur pracy, jakim dla kostki LM358 jest
0…+70oC. Informacje takie pokazane są na
rysunku E.
Średnia wartość dryftu cieplnego wejściowego napięcia niezrównoważenia wynosi 7
mikrowoltów na stopień Celsjusza. Nasz
wzmacniacz ma wzmocnienie równe 100,
więc trzeba liczyć się z dryftem na wyjściu
D
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
wynoszącym 700 mikrowoltów, czyli 0,7mV
na stopień. Jeśli temperatura otoczenia podczas pracy naszego układu pomiarowego
zmieniałaby się na przykład od +15 do 30oC,
czyli o 15 stopni, trzeba liczyć się z faktem, że
napięcie wyjściowe pod wpływem temperatury może zmieniać się o około 10mV
(0,7mV/oC*15oC =10,5mV). Jeśli dołączony
woltomierz będzie pracował w zakresie 2V,
oznacza to błąd 0,5% pełnej skali (10mV/
2000mV=0,005). Gorzej, gdyby był to woltomierz o zakresie 200mV – wtedy błąd wynikający z dryftu cieplnego wyniósłby aż 5%
pełnej skali.
Niestety, nie ma na to rady - aby zmniejszyć dryft cieplny, należałoby zastosować
inną kostkę, choćby OP777 czy podwójną
OP727, które też mogą pracować w takim
układzie pracy, a mają dryft termiczny napięcia niezrównoważenia odpowiednio 0,3 i 0,4
mikrowolta na stopień Celsjusza, czyli mniej
więcej dwudziestokrotnie mniejszy.
Już teraz widać, że jeśli jednak mamy
pozostać przy popularnym wzmacniaczu
LM358 i wzmocnieniu 100x, to powinniśmy
zastosować woltomierz 2-woltowy, a to oznacza, że na rezystorze pomiarowym Rx spadek
napięcia sięgnie 20mV. Jest to zupełnie przyzwoite osiągnięcie. Jeśliby natomiast współpracujący woltomierz miał zakres 200mV, to
z uwagi na niedoskonałość wzmacniacza nie
powinniśmy pracować ze wzmocnieniem
100x, tylko obniżyć je do wartości 10…20x.
Te wstępne wnioski wyciągnęliśmy, biorąc
pod uwagę tylko jeden parametr – dryft cieplny. Warto przyjrzeć się także innym parametrom, bo wnoszone przez nie błędy mogą być
jeszcze większe.
I tak zgodnie z rysunkiem D prąd wejściowy, wypływający z wyjść wzmacniacza operacyjnego w temperaturze +25oC, typowo
wynosi 45nA, a maksymalnie może wynosić
F
Przy małej wartości Rb, mniej więcej do
100Ω, nie mają znaczenia podane w katalogu
prąd niezrównoważenia, mogący sięgać
0,15uA, oraz dryft cieplny prądu niezrównoważenia, wynoszący 10pA/oC. Miałyby one
znaczenie tylko przy dużych wartościach
współpracujących rezystorów.
Analiza prądów wejściowych to jeszcze
nie wszystko. Słusznie kilku uczestników
zwróciło uwagę na wejściowe napięcie niezrównoważenia, nazywane też napięciem
przesunięcia (offset voltage). Typowo wynosi ono około 3mV, ale może sięgnąć 7mV,
a przy zmianach temperatury nawet 9mV. Już
nawet typowa wartość rzędu 3mV pomnożona przez 100 daje na wyjściu aż 300mV, czyli
15% pełnej skali przy woltomierzu 2V. Co
gorsza, nie jest to błąd proporcjonalny do
mierzonej wartości. To stały błąd przesunięcia, który może być „dodatni” albo „ujemny”.
Może się więc okazać, że w jednym egzemplarzu przy zerowym prądzie Ix na wyjściu
wystąpi napięcie stałe 300mV, a prąd Ix
będzie to napięcie zwiększał. W innym
egzemplarzu biegunowość napięcia niezrównoważenia będzie odwrotna i napięcie na wyjściu będzie równe zeru nie tylko przy zerowym prądzie Ix, ale też przy małych prądach,
250nA. Rysunek E wskazuje, że w pełnym
zakresie temperatur może on sięgnąć nawet
500nA, czyli 0,5uA. Prąd ten, przepływając
przez rezystory, wywoła dodatkowy spadek
napięcia. W praktyce interesuje nas tylko spadek napięcia na rezystancji Rb. Na pewno nie
będzie ona większa niż 10kΩ, bo oznaczałoby
to konieczność zastosowania Ra o niepraktycznie dużej wartości rzędu 1MΩ. Błąd, jaki
wywołałby prąd 0,5uA płynący przez rezystancję 10kΩ, wyniesie 5mV, co po wzmocnieniu dałoby na wyjściu wzmacniacza 500mV –
wartość absolutnie nie do zaakceptowania! Dlatego należy zastosować Rb o znacznie mniejszej wartości, co da też korzystniejszą, mniejszą
wartość Ra. Ponadto w praktyce prąd wejściowy nie będzie aż tak duży. Jeśli Rb wyniesie
około 1kΩ, a typowo prąd wejściowy wynosi
45nA, to typowy błąd na wejściu wyniesie
45uV, a na wyjściu 4,5mV, co byłoby do przyjęcia. Patrząc z tego punktu widzenia, warto
zastosować Rb o jeszcze mniejszej wartości, na
przykład 10Ω, jak w drugiej wersji na rysunku
C. Wtedy Ra będzie mieć wartość rzędu 1kΩ i
przy napięciu 2V na wyjściu popłynie przezeń
2mA prądu, ale to nie problem,
bo wyjście wzmacniacza ma
dużo większą wydajność.
E
R
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
E
K
L
A
M
A
41
Szkoła Konstruktorów
G
H
J
gdy spadek napięcia na Rx będzie mniejszy
niż 3mV. Dopiero prąd, który spowoduje spadek napięcia na Rx powyżej 3mV, spowoduje
wzrost napięcia na wyjściu wzmacniacza
powyżej zera. Woltomierz byłby wtedy „martwy” przy prądzie Ix o wartościach 0…15%
wartości nominalnej.
Podane 300mV na wyjściu to wartość
typowa, więc z takim błędem trzeba liczyć się
w każdym egzemplarzu. W skrajnych przypadkach błąd przesunięcia może sięgnąć aż
700…900mV, co absolutnie wyklucza użycie
woltomierza o zakresie 200mV. W sumie
nawet w wersji z woltomierzem 2-woltowym
42
stały błąd przesunięcia rzędu 300mV też jest
nie do zaakceptowania! Znów prosiłoby się
użyć bardziej precyzyjnego wzmacniacza,
choćby wspomnianego OP777 czy OP727,
gdzie typowo wejściowe napięcie niezrównoważenia jest rzędu 20…30 mikrowoltów,
a maksymalnie 100…160uV, jak pokazuje
rysunek F.
Chcąc zastosować popularny LM358
i uzyskać w miarę precyzyjny układ pomiarowy,
należałoby zastosować
jakiś sposób na wyeliminowanie głównego winowajcy - wejściowego napięcia niezrównoważenia.
Trzeba znaleźć sposób
korekcji czy kompensacji
napięcia niezrównoważenia. W podwójnej kostce
LM358 nie ma końcówek
do korekcji takiego napięcia, a popularnej precyzyjnej kostki OP07
czy OP77 nie możemy zastosować,
bo nie może ona pracować w takich
warunkach przy zasilaniu pojedynczym napięciem. Można byłoby
wykorzystać wspomnianą pojedynczą kostkę OP777, wyposażoną
w końcówki do korekcji napięcia
niezrównoważenia. W przypadku
LM358 należałoby wykorzystać
jakiś nietypowy sposób kompensacji
napięcia offsetu. Wśród nadesłanych
prac nie było takich propozycji. Ja
też nie będę analizował możliwych
rozwiązań. Wspomnę tylko, że jednym z nietypowych sposobów mogłoby być użycie drugiego wzmacniacza z kostki w roli „wzmacniacza
odniesienia” o takim samym
wzmocnieniu, z wejściem „dodatnim” zwarL
tym do masy i pomiar
napięcia woltomierzem
nie względem masy, ale
między dwoma wyjściami, jak pokazuje rysunek G. Sposób sprawdziłby się jednak tylko
dla połowy egzemplarzy
kostek – tych mających „dodatnie” napięcie
niezrównoważenia i to przy założeniu,
że oba wzmacniacze z jednej kostki mają
identyczne parametry, a co do tego
można mieć wątpliwości. Inną możliwością, jaką można byłoby wziąć pod
uwagę, jest zastosowanie wzmacniacza
odwracającego, potencjometru i rezystora o dużej wartości według którejś
z uproszczonych wersji pokazanych na
rysunku H. Tu widać możliwość kompensacji napięcia niezrównoważenia
o obu biegunowościach przez wlutowanie jednego z rezystorów RK1, RK2.
Ale nawet gdyby w ten czy inny sposób
udało się całkowicie wyeliminować „wrodzone” napięcie przesunięcia danego egzemplarza układu LM358, trzeba liczyć się
z wcześniej omówionym dryftem napięcia
niezrównoważenia (7uV/oC), co jak obliczyliśmy, może skutkować napięciem przesunięcia 10mV. Oczywiście taką wartość można
bez trudu zaakceptować na zakresie 2V.
Na koniec wspomnę, że zamiast wzmacniacza o wzmocnieniu 100 jak najbardziej
można zastosować dwa o wzmocnieniu 10,
jak pokazuje rysunek J. Polepszy to właściwości dynamiczne, ale niestety nie zredukuje
omówionych wcześniej błędów. Podobnie
można też zastosować wzmacniacz różnicowy według rysunku K, co jednak w tym
przypadku nie jest konieczne, ale pozwoli łatwiej zapanować nad problemem prądów wejściowych i wejściowego prądu niezrównoważenia.
K
Kilka osób zasygnalizowało możliwość
i potrzebę uśrednienia sygnału, co byłoby
potrzebne, gdyby prąd miał charakter impulsowy, a woltomierz byłby cyfrowy. Wtedy
jednak, z uwagi na prąd polaryzacji wejścia
zamiast prostego rozwiązania z filtrem RC na
wejściu nieodwracającym, lepiej byłoby
zastosować uśrednianie po wzmocnieniu, jak
pokazuje rysunek L.
Wszystkie nadesłane odpowiedzi uznałem
za prawidłowe. Oczywiście większość zawierała tylko elementarne obliczenia przedstawione na początku.
Upominki za rozwiązanie zadania
Policz125 otrzymują:
Janusz Gwóźdź – Wola,
Piotr Raczyński – Gdynia,
Krzysztof Turek – Jasło.
Piotr Górecki
R
E
K
L
A
M
A
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h