PKE – Praktyczny Kurs Elektroniki (2) Praktyczne układy alarmowe

Na fotografii tytułowej pokazane są dwie wersje układu alarmowego. Schemat ideowy obu wersji alarmu widoczny jest na rysunku A.

W spoczynku punkty X, Y są zwarte  cienkim drutem, który tworzy tzw. linię dozorową. Przerwanie linii dozorowej przez włamywacza powoduje zaświecenie czerwonej lampki LED1 i włączenie brzęczyka piezo Y1.

Linia dozorowa może być zrealizowana na wiele sposobów: może to być cieniuteńki jak włos drucik miedziany, wydzielony z grubszego przewodu (linki). Mogą to być łatwe do rozerwania połączone odcinki (izolowanych) przewodów. Może to też być dowolny styk (np. dwie blaszki lub fabryczny wyłącznik), który w spoczynku jest zwarty, a jego rozwarcie spowoduje alarm.

Wersja prosta z powodzeniem znajdzie wiele interesujących zastosowań, na przykład jako prosty alarm do garażu, a latem do ochrony namiotu czy roweru na kempingu.

Natomiast wersja wzbogacona to kompletny ministystem alarmowy, przydatny na przykład do ochrony piwnicy lub w domu, gdzie będzie sygnalizować, że ktoś niepowołany (np. młodsze rodzeństwo) choćby na chwilę otworzył drzwi do pokoju lub szufladę w biurku. Oprócz wywołania alarmu na określony czas, urządzenie zapamięta fakt „włamania” i poinformuje właściciela światłem lampki. Do zasilania można wykorzystać baterie lub  akumulatorki o napięciu 6…12V, ewentualnie fabryczny zasilacz stabilizowany.

Realizując taki alarm, pomyśl nie tylko o sensownym sposobie realizacji linii dozorowej, ale też o tym, jak taki alarm obsługiwać (włączać i wyłączać) w niekłopotliwy sposób, na przykład za pomocą sprytnie ukrytego wyłącznika. Gdyby jeden lub drugi alarm miał być wykorzystywany w praktyce, układ elektroniczny oraz linię dozorową trzeba zabezpieczyć przed wilgocią.

Opis układu dla „zaawansowanych”

W obu układach z rysunku A przez rezystor R1 stale płynie prąd o bardzo małej wartości. W stanie czuwania punkty X i Y są zwarte i prąd płynie między nimi „najkrótszą drogą”, przez linię dozorową, bezpośrednio do masy, omijając tranzystor T1. Rezystor R1 ma dużą wartość, dlatego pobór prądu podczas czuwania jest znikomy (około 10uA=0,00001A) i nawet zwykła 9-woltowa bateryjka wystarczy na co najmniej rok.

Gdy linia dozorowa zostanie przerwana, czyli gdy punkty X, Y zostaną rozwarte, to prąd rezystora R1 popłynie przez obwód bazy tranzystora T1 i tranzystor ten zostanie otwarty.

W wersji prostej otwarte zostaną tranzystory T1 i T2, co włączy brzęczyk Y1 – wtedy pobór prądu wyniesie 3–8mA. Opcjonalnie można także dodać, narysowane kolorem szarym, kontrolkę LED1 oraz przekaźnik REL1 z diodą D1, którego styki (wyjście pomocnicze) mogą wysterować dodatkowy sygnalizator, np. lampę czy syrenę.

W wersji wzbogaconej w spoczynku wszystkie tranzystory są zatkane. Po naruszeniu linii dozorowej najpierw zostanie otwarty tranzystor T1. Napięcie na jego kolektorze obniży się i przez chwilę popłynie prąd przez kondensator C2 i obwód bazy tranzystora T2. Ten krótki impuls otworzy tranzystory T4 i T5, co włączy brzęczyk Y1 oraz opcjonalnie przekaźnik REL1. Jednocześnie kondensator C3 zacznie się pomału ładować przez rezystor R5 i obwód bazy T3. Tranzystor T3 zostanie otwarty i podtrzyma przewodzenie T4 także po zakończeniu krótkiego impulsu z tranzystora T2. W miarę ładowania C3, prąd płynący przez bazę T3 będzie coraz mniejszy. Gdy prąd ten zmniejszy się poniżej pewnej wartości, nastąpi wyłączenie wszystkich tranzystorów T3-T5, brzęczyka Y1 i przekaźnika. Dzięki temu, niezależnie od czasu przerwania linii dozorowej (na stałe, lub tylko na chwilkę), brzęczyk Y1 da sygnał dźwiękowy o czasie wyznaczonym przez R5 i C3. Natomiast czerwona dioda LED2, informująca że nastąpiła próba włamania, zaświeci się na stałe. Otwarcie choć na chwilę tranzystora T5 spowoduje też przepływ prądu przez R8 i obwód bazy tranzystora T6, co włączy także tranzystor T7. Między tranzystorami T6, T7 występuje bardzo silne dodatnie sprzężenie zwrotne i w efekcie obwód ten „zatrzaśnie się” jak tyrystor. Przerwanie choć na chwilę linii dozorowej spowoduje więc trwałe włączenie tranzystorów T6, T7, co trwale zaświeci kontrolkę LED1. Skasowanie wskaźnika alarmu i powrót do pierwotnego stanu nastąpi po wyłączeniu i ponownym włączeniu zasilania.

Elementy R12, C6 okazały się potrzebne, by alarm nie został uruchomiony przy włączaniu zasilania. W modelu z rezystorami R4=R5=1MΩ czas alarmu wynosi około 5 sekund. Czas ten możesz wydłużyć, usuwając R4 i zwiększając wartość R5 do 2,2MΩ, 4,7MΩ lub nawet 10MΩ. Możesz też zwiększyć pojemność C3 do 2uF, dołączając równolegle drugi kondensator 1uF, który masz w zestawie elementów do tego kursu.

Uwaga! Wersja z przekaźnikiem REL1 powinna być zasilana napięciem 12V, np. z akumulatora lub zasilacza stabilizowanego.

Poznajemy elementy i układy elektroniczne

Poniższe informacje i wskazówki są znakomitą okazją, by dobrze poznać i „poczuć” działanie tranzystorów – elementów, które są podstawą dzisiejszej elektroniki. Ale samo przeczytanie to zdecydowanie za mało. Dlatego nie żałuj czasu i skrupulatnie zrealizuj wszystkie przedstawione ćwiczenia.

Tranzystory. Na schematach tranzystory są oznaczane literą T (za granicą często literą Q). Istnieje kilka głównych rodzajów tranzystorów. Historycznie najwcześniejsze są tak zwane tranzystory bipolarne, typu npn oraz typu pnp, których elektrody (końcówki) to: emiter (E), baza (B) oraz kolektor (C). Fotografia 1 pokazuje popularne tranzystory małej mocy, wykorzystywane w naszym kursie. Strzałka w symbolu tranzystora oznacza emiter (E) i pokazuje kierunek przepływu prądu.

Rysunek 2 przedstawia rozpływ prądu w tranzystorach npn i pnp.

Zasada pracy tranzystora bipolarnego jest… beznadziejnie prosta. W warunkach „normalnej” (tzw. liniowej) pracy:

1 – prąd kolektora jest b-krotnie większy od prądu bazy, gdzie b to współczynnik wzmocnienia prądowego, wynoszący kilkadziesiąt do kilkuset, zależnie od egzemplarza tranzystora.

2 – napięcie między bazą a emiterem wynosi 0,6…0,8V.

Zbadajmy tę pierwszą zależność. Zestaw układ według dowolnego ze schematów z ilustracji 3 – jak widać, tranzystory npn i pnp są w pewnym sensie odwrotne, a także dopełniające, czyli komplementarne.

UWAGA! Błędne dołączenie nóżek oraz zastosowanie tranzystora niewłaściwego typu uniemożliwi pracę urządzenia. Rezystory R1, R2 nie dopuszczą do przepływu nadmiernego prądu, który doprowadziłby do uszkodzenia. Wkładaj kolejno w miejsce Rx rezystory 10MΩ (brązowy, czarny, niebieski, złoty), 1MΩ (brązowy, czarny, zielony, złoty), 100kΩ (brązowy, czarny, żółty, złoty), 10kΩ (brązowy, czarny, pomarańczowy, złoty) i 1kΩ (brązowy, czarny, czerwony, złoty). Zwracaj uwagę na jasność obu diod – tranzystor niewątpliwie wzmacnia prąd. Warto też analogicznie zbadać układ z rysunku 4.

Zanim zbadamy zależności napięciowe w tranzystorze, najpierw zbudujmy monitor napięcia według rysunku 5a – czym wyższe napięcie w punkcie X, tym większa jest jasność diody LED1 (wprawdzie nasze oko ma logarytmiczną charakterystykę czułości, niemniej jasność diody świadczy o wielkości napięcia). Mając monitor, jak na fotografii 5b, zbadajmy różne dzielniki napięcia.

Tu warto dodać, że zazwyczaj mierzymy napięcia w różnych punktach układu względem masy (którą zwykle jest ujemny biegun zasilania), co ilustruje rysunek 6a. Monitor z rysunku 5 pozwala mierzyć napięcie w danym punkcie względem masy. Ale czasem mierzymy też (np. za pomocą woltomierza) napięcie na danym elemencie – przykłady na rysunku 6b.

Zgodnie z prawem Ohma, prąd I przepływając przez rezystancję R, wywołuje na niej spadek napięcia:

U = I * R

Czym większa rezystancja R, tym większe napięcie U. Znajduje to odzwierciedlenie w pracy dzielników napięcia.

Na rysunku 5 masz kilka dzielników napięcia. Dołączaj punkt X kolejno do punktów A, B, C, D, E – napięcie jest coraz wyższe. Napięcie w punktach F1 i F2 jest równe połowie napięcia zasilania (napięcia baterii): napięcie zostaje podzielone na połowy, bo pary rezystorów są jednakowe, niezależnie od ich wartości – różna jest tylko wartość prądów I₂, I₃.

Natomiast napięcie w punkcie G będzie zależeć od oświetlenia. Spróbuj najpierw dobrać wartość rezystora R9, żeby w spoczynku napięcie w punkcie G (zależne od oświetlenia i czułości fotorezystora) było zbliżone do napięcia w punktach F1, F2. Później zmieniaj oświetlenie fotorezystora – czym silniej jest oświetlony, tym mniejsza jest jego rezystancja, a to powoduje zmniejszenie napięcia w punkcie G – otrzymaliśmy dzielnik napięcia o zmiennym współczynniku podziału.

Nie żałuj czasu – spróbuj „poczuć” zależności w dzielniku, wkładając w miejsce R_Y rezystory o różnej wartości, w tym także rezystor o wartości zero, czyli zworę z drutu, jak też rezystor o nieskończenie wielkiej wartości, czyli usuwając R_Y, możesz też zmieniać wartość R_X, ale na nie mniej niż 1kΩ z uwagi na wartość prądu dzielnika.

Suma napięć na elementach dzielnika zawsze jest równa napięciu zasilania (co bardziej precyzyjnie określa tzw. napięciowe prawo Kirchhoffa), a napięcia na poszczególnych rezystorach są proporcjonalne do ich rezystancji (co z kolei wynika z prawa Ohma). Czym większa wartość R_Y w stosunku do R_X, tym większe będzie napięcie w punkcie H. Zależność napięcia z dzielnika od stosunku wartości rezystorów R_X, R_Y  pokazana jest na rysunku 7. Jeśli posiadasz woltomierz (multimetr), możesz zmierzyć napięcia, a potem sprawdzić tę zależność dla różnych posiadanych rezystorów (uwzględniając ich tolerancję, czyli fakt, że nie mają wartości idealnie równej nominalnej).

A teraz sprawdź jeszcze, jakie są napięcia przewodzenia różnych diod. W układzie z rysunku 5 dołącz punkt X do punktu F1, usuń R6 i w jego miejsce kolejno wstawiaj diody: najpierw krzemową diodę 1N4148, potem diody LED wszystkich kolorów. Napięcie przewodzenia zwykłych diod krzemowych (np. 1N4148) wynosi 0,6…0,8V, a w diodach świecących jest zależne od długości wytwarzanego promieniowania i wynosi od 1,6…2V dla niektórych diod czerwonych, do 3…3,5V w diodach LED niebieskich i białych. Możesz zmieniać wartość R5 – przekonasz się, że napięcie przewodzenia diody niewiele zależy od płynącego przez nią prądu.

Dołącz jeszcze punkt X do punktu J. Naciśnij przycisk S1. Kondensator zacznie się ładować i napięcie na nim będzie rosnąć. Gdy zwolnisz S1 i naciśniesz S2, kondensator będzie się szybko rozładowywał przez rezystor R11 (przy zwolnieniu obu przycisków będzie się powoli rozładowywał przez R12 i R13). Przebiegi, czyli zmiany napięcia w czasie, będą takie jak na rysunku 22 z poprzedniego wykładu. A teraz zbadajmy dokładniej…

Właściwości tranzystora. W układzie z rysunku 8 i fotografii 9 diody LED poinformują o wartościach i prądów, i napięć. Jeśli masz do dyspozycji dwa woltomierze – dołącz je. Włączony na stałe rezystor R1 o bardzo dużej wartości (10MΩ) daje znikomo mały prąd bazy T1, poniżej 1 mikroampera. Niemniej dioda LED2 zauważalnie świeci, ponieważ wzmocnienie prądowe (β) tranzystora wynosi 200…400 razy. Jasno świeci także dioda LED3 – napięcie U_CE jest duże.

Zwiększaj teraz prąd bazy, dołączając równolegle do R1 rezystor R_X o wartości najpierw 1MΩ, potem 100kΩ, 10kΩ i 1kΩ. Uważnie obserwuj, co się dzieje z jasnością wszystkich diod. Po dołączeniu rezystora R_X=1MΩ prąd kolektora (I_C) znacznie wzrośnie, co pokaże LED2, a napięcie na kolektorze (U_CE) znacząco się obniży – co zobrazuje LED3. Dołączenie R_X=100kΩ jeszcze zwiększy prąd kolektora, natomiast napięcie (U_CE) zmniejszy się praktycznie do zera. Dołączane rezystory R_X=10kΩ i mniejsze będą wyraźnie zwiększać prąd bazy, ale nie będą już zwiększać prądu kolektora ani zmniejszać bliskiego zeru napięcia na kolektorze.

Zwróć uwagę, że nawet duże zmiany prądu bazy wywołują małe, praktycznie niezauważalne zmiany napięcia U_BE (wynoszącego 0,6…0,8V), co sygnalizuje dioda LED4.

Zauważ też, że rezystor R2 i tranzystor T1 tworzą dzielnik napięcia, a wyjściem jest punkt Y. W zasadzie tranzystor (transistor = transfer resistor) można by potraktować jako zmienny rezystor, którego rezystancja zmienia się od nieskończoności do zera, ale takie wyobrażenie bardziej przeszkadza, niż pomaga. Nie wyobrażaj sobie, że tranzystor to zmienny rezystor. Zapamiętaj raczej, że: obwód kolektora tranzystora to tzw. źródło prądowe. Tranzystor to w istocie źródło prądowe, sterowane prądem bazy. Najczęściej nie zastanawiajmy się nad rezystancją tranzystora, interesuje nas tylko prąd kolektora, który płynie też przez rezystor kolektorowy R2.

Ogólnie biorąc, gdy zwiększamy prąd bazy (I_B), zwiększa się prąd kolektora (I_C), a napięcie na kolektorze (U_CE) obniża się. Wraz ze wzrostem prądu kolektora napięcie U_CE dąży do zera. W normalnych warunkach, podczas pracy w zakresie liniowym, prąd kolektora jest b-krotnie większy od prądu bazy. Prąd kolektora, płynąc przez rezystor R2, powoduje powstanie na tym rezystorze napięcia (spadku napięcia), o wartości zgodnej z prawem Ohma U = I_C*R2. Jak pokazuje rysunek 10, napięcie U_CE jest różnicą między napięciem zasilania U_ZAS i napięciem na R2: U_CE = U_ZAS – U₂ = U_ZAS – I_C*R2.

Przy niedużych prądach prąd kolektora jest proporcjonalny do prądu bazy – wtedy tranzystor pracuje w zakresie liniowym. Wtedy niewątpliwie jest wzmacniaczem, ponieważ w tym zakresie liniowym:

– małe zmiany prądu bazy I_B powodują duże zmiany prądu kolektora I_C,

– małe zmiany napięcia U_BE  powodują duże zmiany napięcia U_CE.

Czy zwróciłeś uwagę, że w układzie z rysunku 8, już przy Rx=100kΩ dioda LED2 osiąga maksymalną jasność, a LED3 świadczy, że U_CE jest bliskie zeru? Dalsze zwiększanie prądu bazy nie powoduje już zwiększania prądu kolektora – mówimy wtedy, że tranzystor się nasycił, inaczej że wszedł w stan nasycenia. Prąd I_C nie może wzrastać dowolnie – nawet gdybyśmy uznali, że rezystancja w pełni otwartego tranzystora jest równa zeru, prąd ograniczy wartość rezystora R2: Imax = U_ZAS/R2. W stanie nasycenia napięcie na kolektorze (U_CE) jest bliskie zeru  (w praktyce 0,01…0,5V), a spadek napięcia na rezystorze R2 jest bliski U_ZAS.

Możesz też wprowadzić tranzystor w stan odcięcia – zatkania, zablokowania. W tym celu zmniejsz prąd bazy do zera, wyjmując diodę LED1. Zmniejszy to prąd kolektora, też praktycznie do zera. Prąd bazy możesz też zmniejszyć do zera inaczej. Wstaw LED1 na swoje miejsce, możesz dołączyć R_X=2,2kΩ…100kΩ i kawałkiem drutu zewrzyj bazę z emiterem tranzystora T1 – fotografia 11. Niezależnie od prądu płynącego przez D1 i R1, zwarcie złącza baza-emiter zmniejszy napięcie U_BE  do zera, prąd I_B do zera i na pewno wyłączy, czyli zablokuje, zatka tranzystor. Prąd kolektora będzie wtedy równy zeru, więc spadek napięcia na R2 też będzie równy zeru, a więc napięcie na tranzystorze (U_CE) będzie równe U_ZAS.

A teraz pokrewna ważna sprawa…

Problem mocy.  Jeśli na elemencie (rezystorze, tranzystorze, diodzie) występuje napięcie U i przez ten element płynie prąd I, to w tym elemencie wydziela się ciepło, co zwykle traktujemy jako niepożądane straty. Moc strat wynosi P=U*I i jest wyrażana w watach. Podczas pracy tranzystora T1 i rezystora R2 też wydziela się w nich moc strat. O wielkości strat decyduje wartość rezystora kolektorowego R2.  Zbyt duża moc strat spowodowałaby przegrzanie i uszkodzenie tranzystora i rezystora.

W stanie odcięcia (zatkania) przez tranzystor i rezystor R2 prąd nie płynie, więc moce strat są równe zeru. Największa moc w rezystorze kolektorowym R2 wydziela się w stanie nasycenia, największa moc w tranzystorze wydziela się wtedy, gdy napięcie na nim jest równe połowie napięcia zasilania (w połowie liniowego zakresu pracy). W sytuacji nasycenia z rysunku 12a prąd kolektora wynosi 90mA. W rezystorze R2 wydzieli się moc P=9V*90mA=810mW=0,81W. To dość duża moc i mały rezystor z zestawu elementów do tego kursu zrobiłby się gorący, a po pewnym czasie mógłby się nawet spalić (dla małych rezystorów maksymalna dopuszczalna moc strat wynosi 0,25W…0,4W). Moc strat w tranzystorze jest malutka, wynosi P=0,2V*90mA=18mW=0,018W. Natomiast w sytuacji z rysunku 12b, w połowie zakresu liniowego, prąd kolektora jest mniejszy i wynosi 46mA. Na rezystorze występuje napięcie U_R2=46mA*100Ω=4600mV=4,6V

i wydziela się moc

P=4,6V*46mA=211,6mW~0,2W.

W tranzystorze tak samo

P = 4,6V*46mA=211,6mW~0,2W

(w zasadzie powinniśmy do tego doliczyć moc w obwodzie bazy P_B=I_B*U_BE, ale jest ona rzędu pojedynczych miliwatów). W każdym razie takie warunki pracy są jak najbardziej dopuszczalne dla tranzystora typu BC548, dla którego katalog podaje I_Cmax=100mA, P_Dmax=625mW. Przy mniejszej rezystancji kolektorowej R2 moc byłaby większa i trzeba byłoby zastosować tranzystor o większej mocy, umieszczony w innej obudowie.

Fotografia 13 pokazuje nasz znajomy tranzystor małej mocy BC548 oraz tranzystory mocy w obudowach umożliwiających przykręcenie do metalowego radiatora, zdecydowanie polepszające odprowadzanie ciepła do otoczenia. W ramach naszego kursu takich tranzystorów nie będziemy wykorzystywać.

W następnym odcinku zajmiemy się kolejnymi układami, realizowanymi z zastosowaniem tranzystorów.

Piotr Górecki