Na warsztacie
PRAKTYCZNY
KURS
cz. 7
ELEKTRONIKI
Oto siódma część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w numerze lutowym MT
iśmy w numerz l
i będziemy kontynuować przez kilkanaście miesięcy. Zainteresowanie tym kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydo-
waliśmy 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 każ-
dej 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, niepowta- Zestaw EdW09 zawiera następujące
rzalna okazja. We współpracy z bratnią redakcją miesięcz-
elementy (specyfikacja rodzajowa):
nika Elektronika dla Wszystkich publikujemy w MÅ‚odym
1. Diody prostownicze 4 szt.
Techniku cykl kilkunastu fascynujących lekcji dla zupełnie
początkujących. Jest to Praktyczny Kurs Elektroniki (PKE) 2. Układy scalone 4 szt.
z akcentem na Praktyczny, gdyż każda Lekcja składa się
3. Tranzystory 8 szt.
z projektu i wykładu z ćwiczeniami, przy czym projekt
4. Fotorezystor 1 szt.
to konkretny układ elektroniczny samodzielnie monto-
wany i uruchamiany przez kursanta . Pewnie myślisz
5. Przekaznik 1 szt.
sobie pięknie, ale jak ja mam montować układy nie mając
6. Kondensatory 22 szt.
lutownicy ani żadnych części elektronicznych. Otóż jest
7. Mikrofon 1 szt.
rozwiązanie. Lutownicy nie będziesz w ogóle używać, gdyż
wszystkie układy będą montowane na płytce stykowej,
8. Diody LED 11 szt.
do której wkłada się nóżki elementów na wcisk.
9. Przewód 1 m
I rzecz najważniejsza! Wydawnictwo AVT przygo-
towało zestaw EdW 09, zawierający płytkę stykową 10. Mikroswitch 2 szt.
i wszystkie elementy, jakie będą potrzebne do wykonania
11. Piezo z generatorem 1 szt.
kilkunastu projektów zaplanowanych w PKE. Zestaw
12. Rezystory 64 szt.
EdW 09 można kupić w sklepie internetowym
www.sklep.avt.pl lub w sklepie firmowym AVT
13. Srebrzanka 1 odcinek
(Warszawa, ul. Leszczynowa 11) cena brutto 47 zł.
14. Zatrzask do baterii 9V 1 szt.
Ale Ty nie musisz kupować! Dostaniesz ten zastaw
15. PÅ‚ytka stykowa prototypowa
za darmo, jeśli jesteś prenumeratorem MT lub wykupisz
wkrótce prenumeratę. Wystarczy wysłać na adres:
840 pól stykowych 1 szt.
prenumerata@avt.pl dwa zdania:
Cena zestawu EdW09 47 zł brutto
Jestem prenumeratorem MT i zamawiam bezpłatny
zestaw EdW09. Mój numer prenumeraty: ...................... (www.sklep.avt.pl)
Jeśli otrzymamy to zamówienie przed 31. sierpnia
2013 roku, to zestaw EdW09 wyślemy Ci w połowie
Uwaga Szkoły
września wraz z pazdziernikowym numerem MT.
Tylko dla szkół prenumerujących
Uwaga uczniowie!
MÅ‚odego Technika przygotowano
Szkoły prenumerujące MT otrzymują Pakiety Szkolne
Pakiety Szkolne zawierajÄ…ce
PS EdW09, zawierające po 10 zestawów EdW09 (każdy
zestaw EdW09 zawiera komplet elementów z płytką sty-
10 zestawów EdW09
kowÄ…) skalkulowane na zasadach non profit w promocyj-
(PS EdW09) w promocyjnej
nej cenie 280 zł brutto za jeden pakiet PS EdW09 (tj. z ra-
batem 40% 28 zł brutto za pojedynczy zestaw EdW09, cenie 280 zł brutto,
którego cena handlowa wynosi 47 zł). Upewnij się, czy
t.j. z rabatem 40%.
Twoja szkoła prenumeruje MT (niemal wszystkie szkoły
ponadpodstawowe i wiele podstawowych otrzymujÄ…
MT w prenumeracie sponsorowanej przez Ministerstwo Autorem zaplanowanego na ponad rok Praktycznego
Nauki i Szkolnictwa Wyższego) i przekaż nauczycielom Kursu Elektroniki jest Piotr Górecki, redaktor naczelny
informację o Praktycznym Kursie Elektroniki z promo- kultowego w świecie hobbystów elektroników miesięcz-
cyjnymi dostawami Pakietów Szkolnych PS EdW09 nika Elektronika dla Wszystkich i autor legendarnych cy-
do ćwiczeń praktycznych. kli artykułów i książek uczących elektroniki od podstaw.
74 m.technik - www.mt.com.pl
m
.
t
e
c
h
n
i
k
SZKOAA
Poziom tekstu: średnio trudny
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
A
Projekt 7
Tajemniczy sensor
zbliżeniowy
Na fotografii wstępnej przedstawiony jest układ tajemniczego sensora zbliżeniowego. Wyposażony
jest on w izolowaną antenkę (niebieski drut z lewej strony). Zbliżenie ręki do tej antenki po pierwsze
powoduje zaświecanie niebieskiej diody LED i terkot brzęczyka. Po drugie zaczyna pracować efektowny
wielobarwny wąż świetlny, składający się z pięciu różnokolorowych diod LED.
Układ jest tajemniczy dlatego, że reakcja następuje na odległość wystarczy samo zbliżenie ręki. Nie
trzeba niczego dotykać. Wykorzystujemy prosty sensor, czyli czujnik pojemnościowy.
Działanie prezentowanego układu możesz obejrzeć na filmiku, dostępnym w dwóch wersjach (o różnej
jakości i objętości), w Elportalu pod adresem www.elportal.pl/pke
W trakcie filmiku podawane są informacje o warunkach pracy i sposobach zasilania układu. Jak widać,
czułość sensora bardzo się zmienia, zależnie od różnych czynników. Czułość jest najmniejsza przy zasila-
niu z baterii, jednak zależy między innymi od tego, czy w pomieszczeniu są włączone jakieś urządzenia
elektryczne, choćby żarówki. Czułość zdecydowanie wzrasta, jeżeli obwód masy zostanie uziemiony,
czyli dołączony elektrycznie do ziemi za pośrednictwem sieci wodociągowej czy nawet instalacji central-
nego ogrzewania. Zdecydowanie większą, nawet zbyt dużą czułość, układ uzyskuje przy zasilaniu z zasi-
lacza, dołączonego do sieci energetycznej.
Nie zdziw się więc, że gdy zrealizujesz taki układ i zaczniesz go testować, jego czułość zapewne będzie
trochę inna niż w poka-
+UZAS
zanym na filmie moim
LED6
modelu.
R2
+
B
10k
UWAGA! W ŻADNYM
R1
WYPADKU nie dołą-
1k
9V
antena - Y1
16
czaj układu wprost
9
izolowany
RX
drut do jakiegokolwiek
punktu sieci energe-
4017
P
tycznej. W domowej
T3
1 8
T2 sieci energetycznej
2 x
X
występuje śmiertelnie
T1 BC558
BC548
LED1
D1 grozne dla życia na-
masa
pięcie 230 V!
Z
1N4148 LED2 LED3
0
75
LED4
LED5
+
Na warsztacie
Jedynym wyjątkiem jest użycie do zasilania stabilizowanego fabrycznego zasilacza sieciowego, np.
wtyczkowego, o napięciu 7,5...12 V.
Zaskakujące działanie prezentowanego nieskomplikowanego układu oparte jest na prostych, ale słabo
rozumianych zasadach. Dlatego warto potraktować ten i inne opisane dalej układy i ćwiczenia nie tyl-
ko jako ciekawostki, ale jako znakomitą sposobność do praktycznego zapoznania się z zarysami bardzo
ważnego problemu zakłóceń pojemnościowych , dotyczącego wszystkich układów elektronicznych,
w szczególności występujących w ulubionych przez hobbystów układach audio.
Wykład i proponowane ćwiczenia udowadniają, że wbrew potocznym wyobrażeniom, w elektronice
nie ma działania żadnych tajemnych sił nieczystych. Są tylko ścisłe, niepodważalne prawa fizyki oraz
skomplikowana rzeczywistość, w której czasami trudno ogarnąć wszystkie szczegóły.
Opis układu dla zaawansowanych
Schemat tajemniczego sensora jest pokazany na rysunku A. Wejściem jest punkt
X. Tranzystory T1-T3 tworzÄ… supertranzystor o ogromnym wzmocnieniu prÄ…do-
wym. Gdy popłynie choćby znikomo maleńki prąd bazy T1, zostanie on wzmoc-
niony. W obwodzie kolektora T1 popłynie taki wzmocniony prąd, a potem zosta-
nie on jeszcze wzmocniony najpierw przez T2, potem przez T3. Wzmocnienie
prądowe takiego supertranzysotra może być większe niż milion, więc już zniko-
mo mały prąd bazy T1, rzędu nanoamperów, czyli miliardowych części ampera,
spowoduje zaświecenie niebieskiej diody LED6 i reakcję brzęczyka piezo Y1.
Wcześniejsze informacje o tranzystorach wskazują, iż reakcja taka nastąpi, gdy
w punkcie X pojawi się napięcie dodatnie.
Jak udowadnia umieszczony w Elportalu film, po zbliże- B
niu ręki do izolowanej anteny, dioda LED6 będzie migotać,
a brzęczyk Y1 wyda przerywany, terkoczący dzwięk. Przy
zbliżaniu ręki do izolowanej antenki, w punkcie X pojawia
się napięcie, ale nie stale, tylko zmienne, o czym świadczy
terkot i migotanie. Dodatnie połówki tego napięcia zmienne-
go powodują przepływ prądu przez złącze baza-emiter tran-
zystora T1, natomiast ujemne połówki, powodują przepływ
prÄ…du przez diodÄ™ D1.
Uwaga! Z uwagi na ogromne wzmocnienie zestawu trzech
tranzystorów i na tzw. prądy zerowe tranzystorów, może się
zdarzyć, że w spoczynku brzęczyk Y1 będzie wydawał cichy
ciągły dzwięk, a dioda LED6 będzie się leciutko świecić.
Gdyby się tak zdarzyło, należy dołączyć rezystor o jak naj-
większej wartości (10 MV lub mniej) między emiter tranzy-
stora T3 i bazÄ™ tranzystora T3 albo T2 - na rysunku A jest to
narysowany szarym kolorem rezystor Rx.
W zwiÄ…zku z przerywanÄ… pracÄ…, na emiterze T3, czyli
C
w punkcie P występuje przebieg pulsujący, który powodu-
je migotanie diody LED6 i terkot brzęczyka. Ten przebieg
pulsujący jest podany na wejście układu scalonego U1 typu
CMOS4017. Dodatkowy rezystor R2 podciąga napięcie w punkcie P, gdy tranzystory są zatkane (bez nie-
go stan wysoki ograniczałoby napięcie przewodzenia diody LED6). Układ 4017 to licznik, zliczający od
0 do 9. Ma on 10 wyjść, z których wykorzystujemy 5, dołączając do nich różnokolorowe diody LED1...
LED5. Gdy w punkcie P pojawi się pulsujący przebieg (zmiany napięcia), licznik zaczyna liczyć. Każdy
impuls w punkcie P powoduje zwiększenie stanu licznika i stan wysoki pojawia się na kolejnym z jego
dziesięciu wyjść. Stany wysokie, pojawiające się na pięciu wykorzystanych wyjściach powodują zaświe-
canie linijki LED1...LED5, dając efekt płynącej fali .
Montując układ na płytce stykowej zwróć uwagę na sposób wygięcia nóżek i włożenia w płytkę tranzy-
storów, a zwłaszcza tranzystora T1 (BC548), co jest pokazane na fotografii B.
W tym układzie po raz pierwszy wykorzystujesz układ scalony w obudowie zwanej DIL (dual-in-line).
Zapamiętaj raz na zawsze, że w tego typu obudowach numeracja nóżek jest standardowa: patrząc na
obudowę od góry tak, żeby napisy oznaczenia były normalnie czytelne, z lewej strony zawsze masz
znak szczególny wycięcie. I zawsze nóżka nr 1 jest przy tym wycięciu z lewej strony na dole. Ilustruje
to rysunek C.
Uwaga! Przed realizacją projektu tytułowego, najpierw starannie zapoznaj się z zamieszczonym dalej
wykładem.
76 m.technik - www.mt.com.pl
m
.
t
e
c
h
n
i
k
SZKOAA
Poziom tekstu: średnio trudny
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
Wykład z ćwiczeniami 7
Poznajemy elementy i układy elektroniczne
W tym wykładzie zajmiemy się przebiegami zmiennymi, zaczynając nietypowo od problemu zakłóceń.
Proponowane ćwiczenia pozwolą zapoznać się z tym ogromnie ważnymi, a bardzo słabo rozumianymi
problemami zewnętrznych zakłóceń, przedostających się do układów elektronicznych z zewnątrz.
Sensor dotykowy. Możesz zbudować układ według rysunku 1a. Gdy będziesz montować go na płytce
stykowej, z co najmniej dwóch względów zwróć uwagę na dołączenie nóżek tranzystora T1, jak pokazuje
wcześniejsza fotografia B. Gdy w układzie z rys. 1 jednocześnie dotkniesz jednym palcem do punktu X,
drugim do punktu Y, dioda LED zaświeci się ciągłym światłem i głośno odezwie się brzęczyk Y1. Nasza
skóra ma jakąś (zwykle dużą) rezystancję, więc dotykajc palcami punkty X, Y włączamy między te punk-
ty rezystor. Tranzystor T1 wzmacnia maleńki prąd płynący przez rezystancję naszego ciała, T2 wzmacnia
prąd tranzystora T1, a T3 wzmacnia prąd T2. Diody LED na pewno nie zaświeci jednoczesne dotkniecie
punktów X i Z, czyli włączenie rezystancji ciała między te punkty.
Przy okazji: połączenie według rysunków 1b to tak zwany układ Darlingtona, a według rysunku 1c
układ Sziklai ego. Wzmocnienie prądowe (b=IC/IB) jest równe iloczynowi wzmocnień obu tranzysto-
rów (b=b1*b2),
C
b) npn E
w praktyce
a)
B
1500...500000
+UZAS
razy. Zwróć
LED
B
+ też uwagę na
niebieska
pnp C
E
wartości UBE,
R1
RB
niezbędne do ich
1k
E
C
Y1 c)
otwarcia.
npn
Y
My w układzie
P B
B
RA
B
tytułowym i na
T3
pnp
rysunku 1a rea-
T2
I 2 x
CE0
9V E C
lizujemy bardzo
BC558
X
T1 czuły sensor, łą-
C
C1 d)
BC548
czÄ…c trzy tranzy-
B
R1
story: pojedynczy
10M&!
10nF
(103)
npn T1 i układ
Z
Darlingtona
npn
E T2+T3. Możesz
1
też wykorzystać
inne kombinacje trzech tranzystorów, w tym wersję z rysunku 1d - potrójnego darlingtona , ale do ot-
warcia takiego potrójnego darlingtona potrzebne jest napięcie UBE o potrójnej wielkości (około 1,5 V).
Na fotografii 2 pokazany jest układ w wersji z rysunku 1a. Tranzystory BC548B i BC558B typowo mają
wzmocnienie prądowe około 300 lub trochę więcej, więc teoretycznie uzyskujemy supertranzystor
o niebotycznej wartości wzmocnienia prądowego, rzędu 27 milionów. W praktyce bardzo dużo, ale nie
aż tyle, z uwagi na zmniejszone wzmocnienie prądowe tranzystora T1 przy maleńkich prądach. Ponadto
tranzystory T2, T3 będą wzmacniać tak zwany
prÄ…d zerowy kolektora tranzystora T1, w kata-
logach oznaczany ICE0, o wartości rzędu nano-
amperów. W zależności od wielkości prądu ICE0
oraz wzmocnienia T2, T3 może się zdarzyć, że
w układzie z rysunku 1a w spoczynku i brzę-
czyk i dioda LED będą leciutko pracować. Aby
w takim przypadku tranzystor T3 w spoczynku
nie przewodził, należy go znieczulić , by małe
prądy bazy go nie otwierały. Zapewnia to rezy-
stor włączony między emiterem a bazą. Można
go włączyć jako RA między bazę i emiter T3,
albo między bazę T2 i emiter T3 jako RB ma-
lutkie prądy płyną wyłącznie przez taki rezy-
stor, a prąd bazy jest równy zeru, dopóki spadek
2 napięcia (U=I*R) jest mniejszy od napięcia
77
BE
1,2V
U
BE
U
1,2V
BE
U
0,6V
BE
U
0,6V
BE
U
>1,5V
+
Na warsztacie
+UZAS
progowego UBE.
Y
Przebadałem w ten sposób kilkanaście tranzystorów
+
i tylko w jednym przypadku potrzebny był rezystor
znieczulający wystarczył RB o wartości 10 MV.
R1
W takim czujniku wszystko jest jasne do zadziałania
1k
RX Y1
*
wykorzystujemy rezystancję naszego ciała włączaną
między punkty X, Y. Mniej jasne jest zachowanie nieco
P
B
zmodyfikowanych wersji układu... C1 T3
10nF T2
Na początek usuń rezystor R1=10 MV. Gdy na chwilę
2 x
X
9V
dotkniesz palcami punktów X, Y, włączysz diodę LED BC558
T1
i brzęczyk na długi czas. Naładujesz C1 o maleńkiej po-
BC548
jemności 10 nF i potem będzie się on zaskakująco długo
D1
rozładowywał znikomym prądem bazy T1. Świadczy to, 1N4148
Z
3
że do zadziałania układu wystarczy znikomo mały prąd
bazy T1.
A teraz włóż R1=10 MV, a za to usuń C1. Dotknij
tylko punktu X, nie dotykajÄ…c ani punktu Y ani Z.
Najprawdopodobniej zaobserwujesz coÅ› zaskakujÄ…-
cego dotknięcie tylko jednego punktu spowoduje
reakcję układu. Gdybyś zmniejszył wartość R1,
zmniejszysz tym czułość układu. Zbadajmy to do-
kładniej, bo to bardzo ważne zagadnienie.
Sensor pojemnościowy - zbliżeniowy.
Zmodyfikuj układ według rysunku 3, nie zapo-
minając o zamontowaniu tranzystora T1 według
fotografii B (chodzi m.in. o to, żeby obwód bazy nie
sąsiadował bezpośrednio z kolektorem). Rezystor
4
R1 zastępujemy diodą D1 włączoną odwrotnie .
W razie potrzeby dobierz jak największy rezystor
R1 R1
RX, żeby w spoczynku brzęczyk nie wydawał cią-
głego pisku. Najpierw dołącz do punktu X an-
obwód
+ + obwód
tenkę w postaci kawałeczka drutu BEZ izolacji.
przepływu R2 przepływu R2
Nie dotykaj do punktu Y, ani do punktu Z, ani
pr du
pr du
do żadnego innego punktu w układzie, a jedynie
dotknij palcem do punktu X. Najprawdopodobniej
zacznie migotać dioda LED1, a brzęczyk Y1 wyda pr d płynie przez
R3
obwód masy
5
nie ciągły dzwięk, tylko terkot.
Następnie wymień antenkę : zastosuj kawałek
drutu w izolacji jak na fotografii 4. Nie dotykaj innych punktów układu, tylko ściśnij dwoma palcami
taką izolowaną antenkę brzęczyk też powinien wydać terkot, a prawdopodobnie zaświeci się także
dioda LED. Czułość będzie jednak zależna od różnych czynników.
Takie eksperymenty i zamieszczony w Elportalu film nie tylko dziwią, ale na pozór podważają podsta-
wowe zasady elektroniki. Po pierwsze dziwimy się, dlaczego tranzystory zostają otwarte po dotknięciu,
a nawet tylko przy zbliżeniu ręki do antenki ? Z wcześniej zdobytych informacji zdaje się wynikać, że
przez kondensator nie może płynąć prąd. Teraz wszystko wskazuje, że przez kondensator C1 prąd jednak
płynie i to ten prąd otwiera tranzystor T1.
Pod drugie, powszechnie wiadomo, choćby ze szkolnych zajęć fizyki, że prąd elektryczny zawsze pły-
nie w zamkniętych obwodach, pętlach, jak ilustruje to rysunek 5. Tymczasem jak mówić o przepływie
prądu w zamkniętej pętli, gdy jeden palec dotyka lub tylko zbliża się do punktu X? Nie widać tu żadnej
drogi powrotnej dla prÄ…du.
Być może sądzisz, że nasza antena i układ reagują na fale radiowe. Nie w tym przypadku odebrane
fale radiowe dają bardzo maleńkie napięcia, rzędu mikrowoltów, najwyżej pojedynczych miliwoltów.
Może też przypomnisz sobie o napięciach wytwarzanych przez ludzkie ciało, o badaniach EKG i EEG
i o bioprądach. Też nie tędy droga to też byłyby napięcia rzędu miliwoltów. A przecież my mamy na
wejściu tranzystor T1, a jak wiemy, do jego otwarcia potrzebne jest napięcie UBE około 600...700 mV
(0,6...0,7 V). W tym przypadku wystarczy znikomo mały prąd bazy, który popłynie już przy napięciu
rzędu 0,5 V, a może nawet troszkę mniej. W każdym razie do otwarcia tranzystorów T1...T3 potrzebne
jest dodatnie napięcie w punkcie X o wielkości około +0,5 V względem masy i oczywiście dodatni prąd
bazy, płynący od punktu X przez kondensator C1 i złącze baza-emiter T1.
78 m.technik - www.mt.com.pl
m
.
t
e
c
h
n
i
k
SZKOAA
Poziom tekstu: średnio trudny
+
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
Nasz układ nie reaguje na znikomo małe napięcia rzędu mi-
230V 50Hz
+325V
liwoltów. Reaguje natomiast na znikome nawet prądy. Mamy
230V
tu czujnik pojemnościowy, reagujący głównie na... przebiegi
dodatnia
połówka
t
z domowej sieci elektroenergetycznej.
Właśnie dlatego reakcja układu będzie silnie zależeć od
ujemna czas
połówka
otoczenia. Gdy przeprowadziłem opisany test w sypialni, reak-
10ms=0,01s
cja układu była bardzo słaba. Gdy jednak, pisząc ten artykuł,
-325V
20ms=0,02s
położyłem układ blisko włączonego monitora LCD (30 cm),
6
nawet nie trzeba było ściskać ani dotykać antenki - wy-
starczyło zbliżyć palec do antenki na odległość 5 mm, by
brzęczyk terkotał i by zaczęła migotać dioda LED. Mało
tego taką samą reakcję powodowało dotkniecie punktu Y,
Z czy jakiegokolwiek innego punktu układu, a nawet zbli-
żenie dłoni do baterii na odległość kilku milimetrów.
Reakcja byłaby też bardzo silna przy zasilaniu układu
z zasilacza sieciowego, (przy czym nawet odwrotne wło-
żenie wtyczki zasilacza do gniazdka może mieć wpływ na
działanie). Natomiast ogólnie biorąc, przy zasilaniu z bate-
rii układ reaguje znacznie słabiej. Jeżeli jednak dołączysz
punkt Z (masę układu) lub punkt Y, jakimkolwiek przewo-
7
dem do uziemienia, na przykład do kranu wodociągowego,
ewentualnie do kaloryfera, wtedy nawet przy zasilaniu z baterii reakcja nastąpi już przy zbliżaniu do
czujnika ręki na odległość 1..2 cm.
Zacznijmy wyjaśnianie działania układu. Do tej pory mówiliśmy głównie o napięciach stałych z bate-
rii czy zasilacza, a w domowej w sieci energetycznej mamy napięcie zmienne, sinusoidalne o wysokim,
śmiertelnie groznym napięciu nominalnym 230 V i czasie powtarzania 20 ms (0,02 s), czyli 50 razy na
sekundę. Mówiąc fachowo, o częstotliwości 50 herców (50 Hz). Napięcie w sieci i płynący tam prąd
zmienia nie tylko wartość, ale i kierunek: przez 10 milisekund napięcie jest dodatnie i płynie w kierunku,
powiedzmy dodatnim, a przez następne 10 ms napięcie jest ujemne i prąd płynie w kierunku ujemnym,
jak pokazuje rysunek 6. I właśnie dodatnie połówki przebiegu przemiennego, mającego początek w sieci
50 Hz powodują przepływ maleńkiego prądu przez złącze baza-emiter T1 naszego układu z rysunku 3.
Natomiast podczas ujemnych połówek prąd płynie przed diodę D1. W każdym razie tranzystory są ot-
wierane i zamykane przez przebieg sieci energetycznej 50 Hz, dlatego dioda LED migocze, a Y1 terkocze.
Rysunek 7 to zrzut z ekranu oscyloskopu, pokazujący przebieg w punkcie P podczas pracy układu z foto-
grafii tytułowej. Niewątpliwie ma on związek z przebiegiem sieci energetycznej.
Rysunek ten udowadnia też, że przyczyną działania układu NIE są tak zwane ładunki statyczne, które
się wytwarzają wskutek elektryzowania, np. przez pocieranie ubrań z sztucznych włókien, np. polaru.
Przy zdejmowaniu polaru często wręcz przeskakują iskierki, co znaczy, że tak wytwarzane napięcia są
bardzo duże, rzędu tysięcy woltów. Owszem, ubrany w polar, dodatnio naelektryzowany człowiek, do-
tykając punktu X spowoduje, że dioda LED zaświeci się na pewien czas światłem ciągłym i brzęczyk Y1
wyda ciągły dzwięk. Jednak z uwagi na ogromne napięcia, nie eksperymentuj z elektryzowaniem ubrań,
bo możesz nieodwracalnie uszkodzić tranzystory.
I w układzie tytułowym, i układzie z rysunku 3 podstawą działania i przyczyną dziwnych zachowań
są właśnie prądy ładowania i rozładowania kondensatorów, płynące z przewodów sieci 230 V przez
różne pasożytnicze pojemności. Te pasożytnicze pojemności (niczym małe kondensatorki) występują
pomiędzy wszystkimi przewodzącymi ciałami, które są rozdzielone izolatorem. Kondensator to w sumie
dwie przewodzące okładki, przedzielone izolatorem dielektrykiem. Przewodzące ciała to wszelkie dru-
ty, dowolne przedmioty metalowe, przewodzące ciało człowieka oraz ziemia, która też przewodzi prąd.
Natomiast izolatory to przede wszystkim powietrze, ale także tworzywa sztuczne, papier, szkło, drewno.
Potoczna opinia głosi, że prąd nie może przepływać przez ten izolator. Jednak kondensator może się
ładować i rozładowywać, a to ładowanie i rozładowywanie to nic innego jak przepływ prądu w dwie
strony czyli przepływ prądu zmiennego, ściślej przemiennego.
Wcześniej słusznie traktowaliśmy kondensator jako maleńki zbiornik energii. Teraz widzimy drugą
ważną rolę kondensatorów nie przepuszczają prądów stałych, ale przepuszczają przebiegi zmienne, co
wynika z ładowania i rozładowywania tych zbiorników energii. Czym większa pojemność, tym większe
sÄ… te prÄ…dy.
W domowej sieci energetycznej jeden spośród dwóch przewodów prowadzących do żarówki (a dwa
spośród trzech prowadzących do gniazdka) jest uziemiony, czyli dołączony do ziemi. Napięcie w tym
przewodzie, mierzone względem ziemi jest równe lub bliskie zeru dlatego taki dołączony do ziemi
79
325V
650V
warto ć
325V
mi dzyszczytowa
Na warsztacie
przewód
a) 230V 50Hz 230V 50Hz
b)
nazywamy
przewód fazowy
zerowym
male kie
przewód fazowy
pr dy paso ytnicze
male ka
lub neu-
pojemno ć
ródło
tralnym.
paso ytnicza
C
napi cia
M
Natomiast
przemiennego
G
w drugim male ki
230V 50Hz
C C C C
pr d
przewodzie
paso ytniczy
pojemno ci paso ytnicze
napięcie
ródło
zmienne
G
napi cia
względem
przemiennego
R
230V 50Hz
ziemi
przewód neutralny
wynosi
~0V wzgl dem ziemi
~0V wzgl dem ziemi
230 V na-
przewód neutralny
ziemia
zywamy go
(uziemienie)
uziemienie
8
przewodem
fazowym.
Pomiędzy przewodem fazowym a przewodem zerowym włączone są odbiorniki, np. żarówki czy
silniki. Ale oprócz tego, pomiędzy przewód fazowy, a przewód zerowy i ziemię. włączonych jest mnó-
stwo pasożytniczych odbiorników pojemnościowych. Otóż pomiędzy wszelkimi przewodzącymi ele-
mentami (także ciałem człowieka), występują maleńkie pojemności (często rzędu pojedynczych piko-
faradów) jakby maleńkie kondensatorki, co w pewnym uproszczeniu ilustruje rysunek 8a. Zwykle są
one niepożądane, stąd nazwa pojemności pasożytnicze, inaczej parazytowe. I przez te pasożytnicze
pojemności płyną maleńkie prądy zmienne są to prądy ładowania i rozładowywania tych konden-
satorków . Wartość tych prądów jest znikoma, nieodczuwalna, zwykle poniżej 0,000001 ampera. Ale
jeśli te znikome prądy po drodze przepływają przez rezystancję o dużej wartości, wtedy wywołują
na tej rezystancji spadki napięcia o wartości U = I*R jak ilustruje to rysunek 8b. Po prostu tworzą się
dzielniki napięcia, zawierające pojemności i rezystancje. Czym większa rezystancja, tym większy spa-
dek napięcia. I właśnie dlatego, że te pojemności i prądy są małe, wywołują znaczące spadki napięć
tylko na rezystancjach o dużej i bardzo dużej wartości. A jest to możliwe, ponieważ duże jest napięcie
zasilajÄ…ce w sieci 230 V.
Zapewne miałeś już do czynienia z tzw. próbnikiem fazy wkrętakiem z wbudowaną neonówką
(fotografia 9). Neonówka zaświeca się, gdy dotkniesz do przewodu fazowego prąd płynie z przewodu
fazowego przez neonówkę,
wbudowany rezystor ograni-
czajÄ…cy i dalej przez pojem-
ność między ciałem człowieka
do ziemi.
W testowanym przez nas
układzie terkot brzęczyka
9
świadczy, że przyczyną jest
sieć energetyczna. Teraz już możemy określić, jak płyną prądy zmienne (dwukierunkowe) w układzie
z rysunku 3 i w układzie tytułowym.
Ilustruje to rysunek 10a. Jakaś bardzo maleńka pojemność CA występuje między przewodem fazo-
wym, gdzie występuje przemienne napięcie sieci 230 V 50 Hz, a małą antenką . Jakiś prąd tam płynie,
ale jest tak mały, że nie powoduje reakcji układu. Spowodowałby reakcję, gdyby większe rozmiary
przewód fazowy 230V 50Hz
przewód fazowy 230V 50Hz
a) b)
zasilacz
CA układ
sieciowy
układ CA
sensora
sensora
CB C1 G CB G
CZ
T1
X
T1
ciało ciało
CC
człowieka człowieka
D1 Z 230V 230V
CC
D1
przewód
CG zerowy przewód zerowy
jest izolacja galwaniczna
ziemia ziemia
ale wyst puje pojemno ć
-
80 m.technik - www.mt.com.pl
m
.
t
e
c
h
n
i
k
SZKOAA
U = I * R
Poziom tekstu: średnio trudny
= 9V
~230V
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
miała antenka i gdyby większa była jej pojemność CA względem przewodu fazowego, o czym możesz
się samodzielnie przekonać, dołączając do punktu X znacznie dłuższą i większą antenkę .
Ale w naszym układzie celowo antenka i jej pojemność jest maleńka. Wielokrotnie większa (choć
też mała) pojemność CB występuje między przewodem fazowym, a powierzchnią Twojego przewo-
dzącego prąd ciała. Jeżeli zbliżysz palec do antenki , to dodatkowo między Twoim palcem (ciałem)
powstanie znacząca pojemność CC. Prąd zmienny popłynie z przewodu fazowego najpierw przez
pojemność CB do Twojego ciała, potem przez pojemność CC między palcem i antenką do punktu X,
a następnie przez kondensator C1. Dodatnie połówki tego przebiegu zmiennego popłyną przez złącze
baza-emiter T1, a ujemne przez diodÄ™ D1.
Prąd musi się zamknąć w pętli musi popłynąć dalej do masy układu elektronicznego (punkt Z)
i dalej do ziemi i przewodu zerowego neutralnego sieci energetycznej.
Jeżeli nasz układ zasilany jest z baterii, to prąd ten popłynie dalej przez pojemność między masą
układu a ziemią, jak ilustruje to rysunek 10a. Ta pojemność (oznaczona CG) też jest maleńka, więc prąd
ładowania i rozładowania takiego zestawu szeregowo połączonych pojemności jest znikomy, dlatego
mieliśmy wrażenie, że przy zasilaniu bateryjnym słaba jest czułość sensora. Gdy masę naszego ukła-
du połączyliśmy z uziemieniem, czyli gdy punkt Z dołączyliśmy przewodem wprost do ziemi, wtedy
zaobserwowaliśmy zdecydowany wzrost czułości . W rzeczywistości czułość naszego sensora jest
niezmienna. Uziemiając masę naszego układu, ominęliśmy pojemność CG, skróciliśmy łańcuch pojem-
ności , przez co zwiększyliśmy płynące prądy.
Podobnie jest przy zasilaniu naszego sensora nie z baterii, tylko z zasilacza sieciowego. Wprawdzie
dla bezpieczeństwa w każdym zasilaczu obwody dołączone do sieci 230 V są galwanicznie oddzielone
od obwodów wyjściowych, jednak jak ilustruje to rysunek 10b, między nimi zawsze występuje pojem-
ność CZ, dużo większa od zaznaczonej na rysunku 10a pojemności CG. Przepływ naszych maleńkich
prądów czujnikowych przez taką dużą pojemność CZ nie napotyka przeszkód.
Zwróć uwagę, że zależnie od konstrukcji zasilacza i innych czynników, na przykład kierunku wło-
żenia wtyczki zasilacza w gniazdko , omawiane maleńkie prądy mogą płynąć różnymi drogami. I tak
na przykład prąd może popłynąć według rysunku 11a od przewodu fazowego przez CB, ciało człowie-
ka, CC, punkt X, C1, T1+D1, punkt Z i dalej przez CZ do ziemi. Ale maleńki prąd zmienny może też
popłynąć według rysunku 11b: od przewodu fazowego przez pojemność CZ do punktu Z (masy), przez
T1+D1, C1, CC do ciała człowieka, a dalej przez CD do ziemi i przewodu zerowego. Co ciekawe, po-
jemność CD zwykle jest większa od pojemności CB, a w rezultacie przy zasilaniu z zasilacza sieciowego
czułość może być większa, niż zasilaniu bateryjnym i uziemieniu według rysunku 10a.
Rysunki 10 i 11 są bardzo uproszczone. W rzeczywistości nie chodzi o pojedyncze pojemności,
tylko o skomplikowaną i nieprzewidywalną sieć mnóstwa pojemności rozproszonych wszystkiego
ze wszystkim , przez co tworzą się najrozmaitsze konfiguracje, dzielniki i drogi przepływu prądu.
Właśnie dlatego zachowanie omawianych układów może się wydawać dziwne, a wręcz sprzeczne
z logikÄ….
W ramach takich testów możesz sprawdzić działanie układu bez diody D1, modyfikując wejście
przewód fazowy 230V 50Hz
py przewód fazowy 230V 50Hz
a) b)
CB
G
sensor G
G
sensor
C1 C1
CZ
ciało
T1 człowieka T1
a
ciało
CZ
człowieka X X
CC CC
D1 D1
Z Z
CD
przewód zerowy
przewód zerowy
!
2 x
a) b) c) d)
BC558
2 x
2 x 2 x
T3
BC558
BC558 BC558
T2
C1
T3 T3 T3
T2
T2
T2
C1 C1 1N4148
10nF
D1
T1
D1
C1 BC548
T1 T1
RX
10nF
T1
BC548 BC548
1N4148
BC548
C2 1µF
@
81
Na warsztacie
według rysunku 12a bez diody. Teoretycznie nie powinien działać,
T2
+
bowiem kondensator nie ma się jak rozładować. Tak samo, a nawet
BC558
tym bardziej, nie powinna działać wersja z rysunku 12b dioda
R1
w szereg z kondensatorem, ponieważ kondensator ewidentnie nie ma
1k
Y1
się jak rozładować. Jednak u mnie takie wersje też działają dzięki pew-
nym niedoskonałościom tranzystorów, pojemności wewnętrznej diod,
T2 B
innym pasożytniczym pojemnościom i ogromnej czułości układu.
BC558
W układzie z rysunku 1a, aby zlikwidować wpływ takich zmien-
9V
D1
T1 BC548
nych zakłóceń, włączyliśmy kondensator C1 między bazę T1 i masę.
#
Znikome prądy zmienne nie są w stanie go nałado-
wać do napięcia rzędu 0,5V, a wtedy nie otwierają
tranzystora T1. Podobnie będzie, gdy w układzie
z rysunku 3 dodasz taki kondensator wersja z ry-
sunku 12c przestanie być czujnikiem pojemnościo-
wym, ponieważ kondensator C2 o dużej pojemności
niejako zwiera przebiegi zmienne do masy te ważne
zagadnienia omówimy w jednym z następnych wy-
kładów. Dla ciekawości usuń kondensator i według
rysunku 12d między bazę i emiter T1 włącz rezystor
RX, zaczynajÄ…c od 10 MV, potem 1 MV i 100 kV.
Czułość się obniży, ponieważ małe prądy nie wy-
$
wołają na rezystancji RX spadku napięcia rzędu 0,5 V,
niezbędnego do otwarcia tranzystora.
Działanie mojego modelu z fotografii wstępnej oraz z fotografii 4 możesz obejrzeć na filmie, dostęp-
nym w Elportalu pod adresem www.elportal.pl/pke
Jednak u Ciebie najprawdopodobniej będzie nieco inaczej. Działanie zależy m.in. od wielkości
(powierzchni) antenki , od rozmieszczenia przewodów energetycznych w mieszkaniu i innych
czynników.
Niemniej podstawowa idea jest prosta. Zapamiętaj, że do każdego układu elektronicznego przez
różne pasożytnicze pojemności przenikają zakłócenia. Zagadnienie to jest bardzo obszerne i skom-
plikowane, ale też bardzo ważne w praktyce. Dlatego zachęcam do przeprowadzenia testów, nawet
jeśliby takie testy dały dziwne wyniki, na pozór niewytłumaczalne.
Wykład 6 poświeciliśmy ważnym i trudnym zagadnieniom przenikania zakłóceń przez pasożytnicze
pojemności (przez pole elektryczne). Całkowicie pominęliśmy natomiast odrębny, także ważny temat
przenikania zakłóceń przez indukcyjności wzajemne (przez pole magnetyczne).
Na koniec jeszcze trzy propozycje układów o bardziej użytecznym charakterze.
Praktyczny szukacz kabli to nieco uproszczona odmiana sensora zbliżeniowego. Uproszczona, bo
zawierająca tylko dwa tranzystory według rysunku 13. Wypróbuj antenki różnej wielkości i kształtu.
Mój model na płytce stykowej pokazany jest na fotografii 14. Proponuję, żebyś wykonał taki szukacz
w bardziej zwartej postaci i żebyś wykorzystał go do eksperymentów i poszukiwania przebiegu kabli
w ścianach. Zadanie może być o tyle trudne, że niektóre materiały budowlane zawierają nieco wilgoci
i już to powoduje, iż nie są izolatorami, a raczej bardzo kiepskimi przewodnikami, co rozmywa sytua-
cjÄ™ i utrudnia pomiary.
Praktyczny czujnik pojemnościowy. W układzie według rysunku 15 mamy wyróżniony różową pod-
kładką generator, który wytwarza przebieg o częstotliwości dużo większej, niż częstotliwość sieci (około
30000 Hz). Zieloną podkładką wyróżniony jest układ czujnika. Oba te układy połączone są sensorem
pojemnościowym. Fotografia 16 pokazuje cały model. Tranzysotr T3 ma nóżki wygięte według wstępne-
go rysunku B.
Na filmie,
sensor
T1,T2 BC558 R8
dostępnym
pojemno ciowy R10
R5
470k
w Elportalu
10k
100k T5
* C6
(www.elportal. T3 9V
BC
T4 10µF
BC
558
pl/pke), moż-
BC
548
C1 1nF C2 1nF
548
na zobaczyć
(102) (102) C4 R11
Bat
2 x +
C3 10nF
działanie mo- 1k
R4
R3 22k
(103)
jego modelu
A B 10nF
C5
R6
(103)
z rezystorem R9
R1 1nF
R2
47k LED1
Y1
10k
R8=470 kV, 4,7k (102)
R7 1k
4,7k
zarówno przy
%
82 m.technik - www.mt.com.pl
m
.
t
e
c
h
n
i
k
antenka
SZKOAA
1N4148
Poziom tekstu: średnio trudny
+
+
zasilaniu z zasilacza wtyczko-
wego, jak i z baterii.
Między punktami A, B
występuje jakaś mała po-
jemność Cx. Gdy zbliżymy
(bez dotykania) palec do
obu pól czujnika, pojemność
Cx zwiększy się. Zasada
działania jest mniej więcej
taka, że gwałtowna zmiana
napięcia w punkcie A powo-
^
duje ładowanie pojemności
Cx (i dużo większej C3). Aadowanie powoduje
przepływ przez chwilę prądu. Wielkość takiego
impulsu zależy od pojemności Cx. W stanie
spoczynku impulsy prądowe są na tyle małe,
że nie powodują otwarcia tranzystorów T4, T5.
Zbliżenie palca do sensora zwiększa pojemność
Cx i w takt sygnału generatora otwierane są
tranzystory T4, T5, co uruchamia brzęczyk Y1
i zaświeca diodę LED1. Rysunek 17 pokazuje
przebieg z generatora w punkcie A oraz wielo-
krotnie mniejsze i krótsze impulsy w punkcie B
w spoczynku i po zbliżeniu palca do sensora.
Omawiane impulsy prądowe są małe i bardzo
krótkie. Najkrócej mówiąc, aby je przedłużyć,
&
dodane sÄ… kondensatory C5 i C6. Natomiast tran-
zystor T3 pełni rolę tzw. wtórnika bufora.
Wszystkie omawiane układy po pierwsze realizujemy na
płytce stykowej, po drugie wykorzystujemy tylko elementy
z zestawu EdW09. Oba te czynniki bardzo ograniczajÄ….
Projektując praktyczny czujnik pojemnościowy, zwiększy-
libyśmy częstotliwość i zastosowalibyśmy innej konstruk-
cji sensor. To uprościłoby układ. W związku z ogranicze-
niami, a zwłaszcza problemem pasożytniczych pojemności
między polami i listwami stykowymi, nie sposób na płytce
wykonać sensora o dobrych parametrach. Właśnie z uwagi
na pasożytnicze pojemności płytki, elektrody A, B sensora
zostały zrealizowane nietypowo z szeregu zwór, łączących
*
pola stykowe, a jedna listwa stykowa pomiędzy nimi musi
być dołączona do masy, jak pokazuje fotografia 18. Wprawdzie to połączenie do masy zmniejsza pojem-
ność Cx, ale za to procentowe zmiany tej pojemności przy zbliżeniu palca są większe.
Pojemność Cx sensora w spoczynku jest na tyle mała, że impulsy w punkcie B, a także na bazie
i emiterze wtórnika T3 są mniejsze niż 0,6 V. Impulsy te podawane są na bazę tranzystora T4, ale
w spoczynku są za małe, żeby otworzyć T4. Po zbliżeniu palca do sensora impulsy te stają się większe
niż 0,6 V i otwierają T4, co otwiera też T5. Tak jest przy zasilaniu bateryjnym. Jak widać na dostęp-
nym w Elportalu filmie, układ zasilany z baterii działa nawet bez rezystora R8. Natomiast przy zasi-
laniu z sieci energetycznej za pomocą zasilacza wtyczkowego, w grę wchodzą dodatkowe pojemności
i czułość układu obniża się. Wtedy przy zbliżaniu palca do sensora impulsy w punkcie B są za małe,
by otworzyć T4. Aby zwiększyć czułość, można wstępnie podwyższyć napięcie stałe na bazie T4
o 0,1 V...0,4 V, co spowoduje, że mniejsze impulsy będą otwierać T4. W praktyce należy tak dobrać
R8 o jak najmniejszej wartości, by w spoczynku brzęczyk i LED1 nie pracowały (można łączyć rezy-
story równolegle i szeregowo). Wtedy układ ma największą czułość, ale może pracować niestabilnie.
W moim modelu taką minimalną wartością R8 okazało się 230 kV (220 kV+10 kV), ale przy wartości
R8=220 kV odzywał się brzęczyk. Dla bezpieczeństwa w modelu zastosowałem R8=470 kV. W Twoim
modelu może to wyglądać nieco inaczej.
Zachęcam do wykonanie opisanych ćwiczeń! Nawet gdybyś wszystkiego nie rozumiał lub nie uzy-
skał takich wyników jak ja, zdobyta wiedza przyda Ci się w przyszłości.
Piotr Górecki
83
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Praktyczny kurs elektroniki cz16Praktyczny kurs elektroniki cz13Elektronika Praktyczna W głośnikowym żywiole Cz 04Silniki elektryczne w praktyce elektronika, cz 3Silniki elektryczne w praktyce elektronika, cz 1Elektronika Praktyczna W głośnikowym żywiole Cz 03Silniki elektryczne w praktyce elektronika, cz 2Krzan Katarzyna Praktyczny kurs pisarstwaSuworin Aleksiej Praktyczny kurs leczenia głodemPraktyczny kurs pisarstwaPraktyczny kurs programowania w Delphiwięcej podobnych podstron