PKE – Praktyczny Kurs Elektroniki (4) Nocny dręczyciel – elektroniczny świerszcz

Na powyższej fotografii pokazany jest model Nocnego dręczyciela. Jest to układ do robienia dowcipów. Aby zrobić komuś dowcip, należy podrzucić to urządzenie do jego sypialni w miejsce niewidoczne i trudno dostępne, na przykład na szafę (regał).

Układ wyposażony jest w fotorezystor, przez co rozpoczyna działanie dopiero wtedy, gdy zrobi się ciemno – w praktyce, gdy ofiara dowcipu zgasi światło. Wtedy co jakieś dziesięć sekund wytwarza  krótki, niezbyt głośny pisk. Dobrze słyszalne kolejne piski są nie tylko intrygujące, ale wręcz irytujące.

Gdy jednak zaintrygowana, a może już także zirytowana ofiara zaświeci światło, żeby poszukać dokuczliwego „owada”, fotorezystor wyłączy dźwięk. Układ będzie milczał do czasu, gdy nieszczęśnik znów zgasi światło. Dręczenie zacznie się od nowa…

UWAGA 1! Z powodu nieuniknionych różnic oświetlenia i rozrzutu parametrów, być może konieczne będzie dostosowanie czułości dręczyciela na światło – jest to prosta czynność, dokładnie opisana dalej.

Dźwięk słychać, ale ponieważ jest to dość wysoki pisk i trwa krótko, bardzo trudno jest zlokalizować źródło tego dźwięku na słuch. Ofiara takiego dowcipu zapewne kilka razy zgasi i zaświeci światło, zanim wreszcie po żmudnych poszukiwaniach ze zdziwieniem odkryje, że nie jest to żaden świerszcz czy inny owad, tylko dziwny układ elektroniczny.

A wtedy biada temu, kto podrzucił taki gadżet do sypialni…

UWAGA 2! Na takie żarty można sobie pozwolić wyłącznie względem zaprzyjaźnionych osób, mających duże poczucie humoru. W przeciwnym wypadku układ może zostać zniszczony, a autor dowcipu naraża się na poważną awanturę, a być może sam stanie się ofiarą rękoczynów.

Opis układu dla „zaawansowanych”

Nocny dręczyciel  jest prostym układem elektronicznym, o schemacie pokazanym na rysunku A. Na schemacie wyróżnione są poszczególne bloki, po części omówione we wcześniejszych wykładach. Podstawą jest popularny multiwibrator z tranzystorami T1, T2, wyróżniony żółtą podkładką. Bardzo duża wartość współpracujących rezystorów powoduje, że generator ten pobiera bardzo mało prądu, około 0,02 miliampera, dzięki czemu nawet zwykła bateria wystarczyłaby na tysiące godzin pracy (o ile układ wcześniej nie zostałby zniszczony przez porywczą ofiarę nękania).

Po włączeniu zasilania multiwibrator pracuje stale, niezależnie od poziomu oświetlenia. Duże stałe czasowe R2C1 i R3C2 powodują, że cykl pracy trwa około dziesięciu sekund.

Obwód kształtowania krótkich impulsów wyróżniony jest różową podkładką. Podczas przełączania, gdy na kolektorze T2 pojawia się opadające zbocze, obwód R6C3 wytwarza ujemny impuls, który otwiera tranzystory T3 i T4. Impuls ten jest bardzo krótki, trwa około 5 milisekund (0,005 s). W punkcie A pojawia się wtedy napięcie o wartości około (U_ZAS–0,7 V). Napięcie to zasila obwód z tranzystorami T5, T6 tylko w tym krótkim czasie kilku milisekund. Wtedy po pierwsze obwód czujnika świetlnego sprawdza, czy jest ciemno. Gdy jest jasno, fotorezystor ma małą rezystancję, napięcie na dzielniku R7, FR jest małe i tranzystory T5, T6 pozostają zatkane. Brzęczyk Y1 nie pracuje.

Gdy natomiast jest ciemno, wtedy rezystancja fotorezystora FR jest bardzo duża. Napięcie na dzielniku R7FR staje się na tyle duże, że tranzystory T5, T6 zostają otwarte, co uruchamia brzęczyk. Brzęczyk celowo zasilany jest obniżonym napięciem, przez szeregowy rezystor R8, żeby jego dźwięk nie był za głośny, a przez to zbyt łatwy do zlokalizowania.

Podane na rysunku A wartości rezystorów R7=10 MΩ i R8=2,2 kΩ okazały się optymalne w przedstawionym modelu, jednak należy liczyć się z dużym i nieuniknionym rozrzutem parametrów brzęczyka Y1, a zwłaszcza fotorezystora FR. Właśnie z uwagi na rozrzut właściwości poszczególnych typów i egzemplarzy fotorezystora oraz na różne warunki oświetleniowe w sypialniach, najprawdopodobniej konieczne będzie, żebyś indywidualnie dobrał wartość rezystora R7, który wyznacza próg zadziałania. Nie obawiaj się, jest to łatwe.

Proponuję, żebyś najpierw zmontował układ z według rysunku A, jednak z następującymi zmianami: na razie nie montuj FR, a jako C1, C2 wstaw wstępnie kondensatory 100 nF (0,1 uF), a nie 1 uF. Multiwibrator będzie pracował z dziesięciokrotnie większą częstotliwością i będzie dawał impuls co około sekundę. Teraz w razie potrzeby możesz śmiało zmienić wartość R8 (0…10 kΩ), żeby uzyskać optymalną Twoim zdaniem głośność dźwięku – pamiętaj jednak, że w sypialni będzie cicho i sygnał nie może być zbyt głośny. Powinieneś uzyskać krótkie „świerknięcia”. Jeżeli uznasz, że te „ćwierknięcia” są za krótkie, możesz dodać równolegle do C3 drugi kondensator 10 nF.

Na początek rezystor R7, wyznaczający czułość, może mieć wartość 1 MΩ (brązowy, czarny, zielony, złoty).

Dalsze czynności wykonaj wieczorem lub w nocy: Najpierw przy włączonym świetle włóż fotorezystor FR. Gdyby brzęczyk od razu się odezwał, zwiększ wartość R7, bowiem przy włączonym oświetleniu brzęczyk musi milczeć. Wyłącz światło. Brzęczyk powinien wydawać dźwięk.

Uwaga! Ustawienie czułości najlepiej byłoby przeprowadzić w planowanym „miejscu akcji”. Może się bowiem okazać, że np. w danej sypialni nigdy nie robi się zupełnie ciemno z uwagi na pobliską lampę za oknem, albo odwrotnie: oświetlenie w sypialni może być słabe i dręczyciel zostałby włączony przed wyłączeniem światła. Dlatego warto w płytkę wpiąć szereg zapasowych rezystorów, żeby w razie potrzeby szybko skorygować czułość. Zasada jest prosta: jeżeli brzęczyk pracuje przy włączonym świetle – zwiększ wartość R7. Jeżeli natomiast nie chce się włączyć po zgaszeniu światła – wartość R7 należy zmniejszyć.

Zastosowanie w moim modelu R7=10 MΩ powoduje, że sygnały dźwiękowe pojawiają się dopiero wtedy, gdy zrobi się naprawdę ciemno.

Gdy za pomocą R7 ustawisz pożądaną czułość, a za pomocą R8 – głośność, wymień kondensatory C1, C2 na 1uF. Jeśli chcesz, możesz zmienić odstęp między impulsami, dobierając wartości R2, R3 w zakresie 1…15 MΩ.

Uwaga! Dobierając wartości rezystorów, być może stwierdzisz, że dany rezystor daje efekt za mały, a następny z posiadanych – za duży. Wtedy połącz dwa rezystory o „sąsiednich” wartościach – uzyskasz wartość pośrednią. Przykładowo masz elementy 220 kΩ i 470 kΩ, a potrzebowałbyś wartość pośrednią. Możesz do większej z tych wartości dołączyć równolegle rezystor o większej wartości. I tak łącząc równolegle 470 kΩ i 1 MΩ, uzyskasz 320 kΩ, a łącząc 470 kΩ i 2,2 MΩ, uzyskasz około 390 kΩ. Natomiast łącząc szeregowo mniejsze nominały 220 kΩ i 100 kΩ, uzyskasz 320 kΩ, a łącząc 220 kΩ i 47 kΩ, uzyskasz około 270 kΩ. W ten sposób możesz dobrać praktycznie dowolną rezystancję „pośrednią”.

Układ modelowy, pokazany na fotografii wstępnej, został zmontowany na płytce stykowej. Kto chciałby mieć model „w wersji użytkowej” o zdecydowanie mniejszych rozmiarach, może zmontować układ inaczej, niekoniecznie na płytce drukowanej. Początkujący mogą montować proste układy bez lutowania, na przykład wykorzystując kawałek sztywnego kartonu, robiąc szpilką dziurki na końcówki elementów. Wystające z drugiej strony końcówki elementów można skręcić ze sobą i z przewodami łączącymi poszczególne punkty, dokładnie według schematu ideowego.

Poznajemy elementy i układy elektroniczne

Badając tranzystor  w ramach wykładu 2, sprawdziliśmy, że nawet przy dużych zmianach prądu bazy i prądu kolektora, napięcie U_BE zmienia się bardzo niewiele i wynosi około 0,6…0,7 V  – w uproszczeniu możemy przyjąć, że jest niezmienne. Często można przyjąć taki uproszczony wniosek, jednak w rzeczywistości napięcie baza-emiter w tranzystorze, a także napięcie na zwykłej diodzie i na diodach LED w pewnym niezbyt dużym stopniu zależy od prądu. O ile w rezystorze zależność między prądem i napięciem jest liniowa (U=I*R), o tyle w diodach jest logarytmiczna.

Rysunek 1  pokazuje tę samą zależność prądu i napięcia popularnej diody 1N4148, tylko narysowaną raz w skali logarytmicznej, i dwa razy w skali liniowej (dla różnych zakresów prądu). Dawniej wykorzystywano diody oraz złącza baza-emiter tranzystorów w tzw. komputerach analogowych (tak, były takie) do przeprowadzania matematycznych operacji logarytmowania i alogarytmowania, a także do mnożenia, dzielenia, podnoszenia do potęgi i wyciągania pierwiastków. Jednak w większości przypadków nie interesuje nas logarytmiczna zależność napięcia i prądu, a jedynie fakt, że zmiany napięcia na diodzie lub złączu baza-emiter, wynoszącego zwykle 600…700 mV, są niewielkie. Rysunek 1 wskazuje, że duże zmiany prądu powodują godne uwagi zmiany napięcia – o około 100 mV (60…120 mV) przy dziesięciokrotnym zwiększeniu lub zmniejszeniu prądu. Natomiast przy dwukrotnej zmianie prądu (podwojeniu lub zmniejszenie do połowy), napięcie zwiększy się lub zmniejszy tylko o 30 mV, czyli o około 5%. Natomiast przy wzroście lub zmniejszeniu prądu o 10%, napięcie zwiększy się lub zmniejszy o około 4mV, czyli o około 0,6%. Nie jest to wprawdzie stabilizacja idealna, ale dość przyzwoita.

Bardzo podobnie, a nawet lepiej, jest z diodami LED, które dość często wykorzystujemy w roli źródeł napięcia odniesienia. Rysunek 2 pokazuje przybliżone charakterystyki prądowo-napięciowe niektórych diod LED, dotyczące temperatury pokojowej. Niestety, do tego dochodzą znaczące zmiany napięcia pod wpływem zmian temperatury. Tym aspektem zajmiemy się w następnym wykładzie.

Wtórnik. Możemy przyjąć, że napięcie między bazą i emiterem podczas normalnej, liniowej pracy tranzystora zmienia się bardzo mało, prawie wcale. A to znaczy, że w układach z rysunku 3 podczas normalnej pracy napięcie na emiterze będzie podążać za napięciem na bazie (wtórować) – dlatego taki układ nazywany wtórnikiem. W typowych warunkach (liniowej) pracy wtórnika z rysunku 3a, napięcie na emiterze jest o około 0,7 V niższe od napięcia na bazie, a we wtórniku z rysunku 3b – o około 0,7 V wyższe.

Możemy też zbudować wtórnik podwójny według rysunku 4. Różnica napięć między wejściem i wyjściem będzie mniejsza niż 0,1V (z uwagi na niejednakowe zwykle wartości R1, R2, prądy tranzystorów i niejednakowe napięcia U_BE).

Dwa takie podwójne wtórniki dają układ z rysunku 5a, który czasem bywa wykorzystywany w praktyce. Częściej używane są odmiany komplementarnego wtórnika z dwoma diodami według idei z rysunku 5b.

Zamiast dwóch diod, częściej wykorzystywany jest dodatkowy tranzystor, na przykład według rysunku 6a – stosunek rezystorów R_A, R_B decyduje, jaki prąd płynie przez tranzystory T1, T2 w spoczynku. W praktyce często spotykamy rozwiązanie wtórnika według rysunku 6b, gdzie tranzystor T3 i potencjometr P1 pozwalają płynnie nastawić napięcie polaryzujące Ux, a tym samym prąd, który w spoczynku płynie przez tranzystory T1, T2. Czasem stosowana jest też wersja z rysunku 6c, gdzie w spoczynku oba tranzystory są zatkane.

Tylko po co komu takie wtórniki, które nie wzmacniają napięcia? Otóż tranzystory mają duże wzmocnienie prądowe: prąd wejściowy jest wielokrotnie mniejszy od prądu wyjściowego. Dlatego fachowo mówimy, że wtórniki mają dużą rezystancję wejściową i małą wyjściową. Często mówimy, że wtórnik jest buforem.

Oto przykład:

Na rysunku 7a mamy dzielnik R1=R2=100 kΩ. Woltomierz, dołączony równolegle do rezystora R2 w moim modelu pokazał 4,49 V, czyli mniej więcej połowę napięcia zasilania. Po dołączeniu do tego dzielnika rezystora R_L=10 kΩ, zgodnie z rysunkiem 7b, napięcie na wyjściu dzielnika, w punkcie A wyniosło tylko 0,78 V! Po dołączeniu rezystora R3 za pośrednictwem wtórnika npn, napięcia były takie, jak pokazuje rysunek 7c. Dołączenie podwójnego wtórnika dało znakomite wyniki pokazane na  rysunku 7d. Fotografia 8 prezentuje układ z rysunku 7d podczas testów.

Uwaga!  Do dokładnych pomiarów dwóch napięć potrzebne są dwa mierniki, trzeba bowiem pamiętać, że woltomierz stanowi jakąś rezystancję. Tanie mierniki mają rezystancję wewnętrzną 1 MΩ, a lepsze – 10 MΩ. I już dołączenie (rezystancji) miernika zmienia w znaczącym stopniu napięcie dzielnika.

Różnego rodzaju wtórniki – bufory są wykorzystywane jako „cegiełka” do budowy rozmaitych wzmacniaczy. I nie tylko wzmacniaczy.

Równoległy stabilizator napięcia. Wiemy, że stabilność napięcia U_F na diodach oraz stabilność napięcia U_BE w tranzystorze nie jest doskonała. Jednak w mniej wymagających zastosowaniach z powodzeniem wykorzystujemy napięcie U_BE oraz napięcie przewodzenia różnych diod jako napięcie wzorcowe i zakładamy, że jest niezmienne. Na rysunku 9a masz przykład prościutkiego tzw. stabilizatora równoległego. Napięcie wyjściowe zależy od liczby i koloru diod LED. Rezystor R1 należy tak dobrać, żeby prąd I₁ nie przekroczył 20 mA, bezpiecznego dla diod LED i żeby był 2…10 razy większy od spodziewanego prądu wyjściowego – prądu obciążenia I_L. Elementem stabilizującym mogą być diody LED lub zwykłe diody – rysunek 9b.

Przy wyższych wymaganiach stosujemy tzw. diody Zenera, w których stabilność napięcia jest dużo lepsza. Na ilustracji 10 pokazane są typowy układ pracy i wygląd diod Zenera o różnych napięciach stabilizacji (od 2,1 V do nawet 160 V, przy czym w oznaczeniu z reguły zamiast przecinka, stosuje się literę V, stąd np. 5V1=5,1 V). Trzeba podkreślić, że dioda Zenera jest włączana „odwrotnie” – w kierunku wstecznym. Natomiast włączona w kierunku przewodzenia, zachowuje się jak zwykła dioda krzemowa ze spadkiem napięcia około 0,7 V.

Obecnie, zamiast diod Zenera, w funkcji precyzyjnych źródeł napięć odniesienia powszechnie wykorzystujemy układy scalone, np. typu TL431 czy LM385, zawierające w jednej strukturze wiele elementów. Na schematach oznaczamy je jak pojedyncze diody Zenera. Przykład masz na ilustracji 11. Zapewniają one znakomitą stabilizację. W przypadku TL431 rezystory R2, R3 pozwalają dowolnie ustawić wartość napięcia wyjściowego.

Szeregowy stabilizator napięcia. Mając źródło napięcia odniesienia i wtórnik, możemy zrealizować stabilizator napięcia, o zwiększonym prądzie wyjściowym. Układ z rysunku 9a wzbogaciliśmy o wtórnik – przykład na rysunku 12. Nawet przy znacznych zmianach napięcia U_ZAS oraz prądu I_L, napięcie na szeregowo połączonych diodach zmienia się niewiele, napięcie U_BE tranzystora T1 też niewiele zależy od prądu – zmiany napięcia na obciążeniu R_L są nieduże.

Znacznie lepsze parametry można uzyskać, dodając tranzystor według rysunku 13a. Inny przykład masz na rysunku 13b. Tranzystor T2 pełni funkcję tzw. wzmacniacza błędu: porównuje napięcie wyjściowe z napięciem wzorcowym i tak steruje tranzystorem T1, żeby minimalizować błąd (różnicę napięć). Wartość napięcia wyjściowego określają dzielniki R2, R3. Fotografia 14 pokazuje stabilizatory z rysunku 13.

W praktyce od dawna nie wykorzystujemy takich rozwiązań z pojedynczymi tranzystorami. Obecnie powszechnie stosujemy dużo bardziej skomplikowane stabilizatory scalone – ilustracja 15 pokazuje typowe schematy aplikacyjne bardzo popularnych stabilizatorów z rodziny 78xx (gdzie xx określa napięcie wyjściowe oraz układu LM317). Rzadziej stosujemy podobne stabilizatory napięć ujemnych z rodziny 79xx oraz LM337.

Stabilizator prądu. Często chcemy utrzymać niezmienną wartość prądu. Można do tego wykorzystać układ z rysunku 12, gdzie na wyjściu mamy niezmienne napięcie Uwy, więc włączenie tam rezystora spowoduje, że prąd tranzystora T1 będzie niezmienny. Rysunek 16 pokazuje dwie wersje prostego układu źródła prądowego. Przy znacznych zmianach napięcia zasilania Uwe, znacznie będzie się zmieniał prąd I₁, jednak praktycznie niezmienne będą napięcia U_F na diodach i U_BE tranzystora T1, więc niezmienne będzie też napięcie na rezystorze R2, przez który popłynie niezmienny prąd I_E=U₂/R2. Prąd emitera jest sumą prądu bazy i prądu kolektora (I_E=I_B+I_C), ale prąd bazy jest malutki, dlatego przyjmujemy w uproszczeniu I_E=I_C. Prąd kolektora nie zależy też od oporności obciążenia R_L i napięcia na kolektorze (byle tranzystor T1 nie wszedł w stan nasycenia).

W praktyce zdecydowanie częściej wykorzystujemy układ, pokazany na rysunku 17 i fotografii 17. Przez rezystor R2 płynie niewielki prąd, który otwiera T1. Tranzystor T2 sprawdza spadek napięcia na R1. Gdy rośnie prąd T1 i napięcie na R1, otwiera się tranzystor T2 i jego kolektor „zabiera” część prądu, płynącego przez R2, a tym samym zmniejsza prąd bazy, kolektora i emitera T1. Tym samym zmniejsza napięcie na R1.

Gdyby jednak prąd tranzystora T1 i napięcie na R1 z jakichkolwiek powodów znacznie się zmniejszyły, T2 zostanie zatkany, prąd jego kolektora zmniejszy się do zera i cały prąd R2 będzie prądem bazy T1, co momentalnie zwiększy prąd T1 i spadek napięcia na R1. Mamy tu „czuwający” układ, w którym tranzystor T2 cały czas stara się utrzymać na rezystorze R1 jednakowy spadek napięcia, a tym samym niezmienny prąd kolektora T1. Rezystor R1 trzeba dobrać zależnie od napięcia zasilania i prądu I_C. Obciążeniem R_L może być np. dioda LED, jak na fotografii – jej prąd będzie niezmienny, bardzo mało zależny od napięcia zasilania.

Sterowane źródła prądowe. Źródłem prądowym jest też obwód kolektorowy „gołego” tranzystora. Na rysunku 18a pokazany jest najprostszy, niestosowany w praktyce układ źródła prądowego, sterowanego zarówno prądem I_B, jak i napięciem U_BE. Na rysunku 18b żółtą podkładką wyróżnione jest źródło prądowe sterowane napięciem. Prąd źródła prądowego zależy nie tylko od wartości rezystancji R1, ale też od napięcia na bazie T1. Ulepszony układ mógłby wyglądać jak na rysunku 18c.

Tego rodzaju układ sterowanego napięciem źródła prądowego według rysunku 19 wykorzystaliśmy w monitorze napięcia w wykładzie 2. Aby zmniejszyć prąd wejściowy, mamy tu „podwójny” wtórnik T1, T2 (tzw. układ Darlingtona). Drugi analogiczny wtórnik powoduje, że na rezystorze R1 mamy napięcie zbliżone do napięcia wejściowego Uster. Z uwagi na drobne różnice napięć na złączach baza-emiter i na diodzie, dodajemy rezystor R3, by przy zerowym napięciu Uster dioda LED nie świeciła. W wykładzie 2, na rysunkach 4 i 6, zamiast T4 zastosowaliśmy diodę.

Kontrolę prądu kolektorowego źródła prądowego możemy realizować w różny sposób, niekoniecznie za pomocą napięcia. Bardzo popularny jest też układ z rysunku 20a. Na chwilę pomińmy prądy baz tranzystorów, które są kilkaset razy mniejsze od prądów kolektorów. Zakładamy, że tranzystory są jednakowe, ich temperatura jest jednakowa, napięcia U_BE są identyczne, więc „wyjściowy” I_C będzie taki sam, jak prąd „wejściowy” Ister. Mamy tu źródło prądowe sterowane prądem, które w literaturze znacznie częściej nazywane jest lustrem (zwierciadłem) prądowym.

W praktyce spotyka się też lustra prądowe o niejednakowych prądach, z tranzystorami o różnej wielkości wewnętrznych struktur, oraz zrealizowane z użyciem dodatkowych rezystorów – przykłady na rysunku 20b…20d.

Na koniec tego wykładu jeszcze kilka prostych i atrakcyjnych propozycji układów do samodzielnej budowy.

Symulator alarmu. Nie zawsze gotowi jesteśmy chronić swoje mienie za pomocą urządzeń alarmowych. Często do odstraszenia potencjalnego złodzieja chcemy zainstalować jedynie symulator alarmu, wytwarzający impulsy świetlne i dźwiękowe. „Inteligentny” symulator z trójkolorową diodą LED, dający nietypową sekwencję kolorowych impulsów świetlnych, możesz zrealizować według rysunku 21 i fotografii 22.

Lampa błyskowa – stroboskop.

Możesz też zrealizować interesującą  lampę błyskową – stroboskop z dwiema białymi i dwiema niebieskimi diodami LED według rysunku 23 i modelu pokazanego na fotografii 24.

Mała bateryjka, 9-woltowy bloczek, ma niewielką wydajność prądową. Jednak dzięki magazynowaniu energii w kondensatorach C1, C2, prąd podczas krótkich impulsów będzie miał dużą wartość. Przekonasz się, że nawet przy prawie całkiem zużytej baterii można uzyskać jasne błyski diod LED

UWAGA! Nie należy świecić diodami prosto w oczy, ponieważ silne impulsy mogą być szkodliwe dla wzroku!

Gra zręcznościowa – Kto szybszy? to nic innego, jak tester refleksu dla dwóch uczestników, pokazany na rysunku 25 i fotografii 26. Mamy tu zwyczajny multiwibrator, pracujący z bardzo małą częstotliwością oraz dwie omawiane wcześniej struktury tyrystorowe, a do tego trzy diody LED. Gdy zaświeci się czerwona dioda LED3, każdy uczestnik jak najszybciej naciska swój przycisk. Wygrywa ten, kto zaświeci „swoją” zieloną diodę LED. Zamiast diody LED3 (lub równolegle do niej) można włączyć brzęczyk piezo.

Zachęcam Cię gorąco do wykorzystywania podanych rozwiązań oraz do samodzielnej modyfikacji dotychczas poznanych układów i obwodów w jeszcze innych konstrukcjach własnego pomysłu.

Piotr Górecki