Łamigłówki elektroniczne – sierpień
Poniżej przedstawione są rozwiązania łamigłówek zamieszczonych w numerze sierpniowym (ZE 8/2023).
Aktualnie ani dla Autorów nadesłanych łamigłówek, ani dla uczestników, którzy je prawidłowo rozwiążą, nie przewiduje się honorariów czy upominków. Nagrodą dla Autorów oraz uczestników jest satysfakcja oraz nieprzemijająca sława wynikająca z faktu zaistnienia w naszym wspólnym czasopiśmie.
Rozwiązanie – Zagadka 2308
W sierpniu postawione zostało następujące zadanie konkursowe:
Na fotografiach 1 i 2 pokazany jest pewien element elektroniczny, jak napisał Autor brutalnie potraktowany Proxxonem.
Fotografia 1
Fotografia 2
Pytania konkursowe są takie:
- Co to za element?
- Do czego służy lub służył?
Konkurs jest zamknięty – rozwiązania można było nadsyłać do końca sierpnia. Oto rozwiązanie konkursu. Jego Autor napisał: To filtr SAW (Surface Acoustic Wave Filter) wylutowany ze starego telewizora i brutalnie potraktowany Proxxonem.
Autorem tego zadania konkursowego jest Paweł Pawłowicz z Wrocławia ¤
Rozwiązanie – Kwestie energetyczne 2308
W sierpniu postawione zostało następujące zadanie konkursowe:
Kwestie energetyczne nabierają coraz większego znaczenia, i to w różnych aspektach. Jednym z nich są aspekty finansowe. W tym zadaniu chcemy zająć się prostą kwestią.
Pytania konkursowe są takie:
Ile kosztuje 1 watogodzina energii pochodzącej z baterii:
- bloczka 9-woltowego?
- „małych paluszków”, czyli ogniw AAA (R03)?
- alkalicznych „paluszków”, czyli ogniw AA (LR6)?
Konkurs jest zamknięty – rozwiązania można było nadsyłać do końca sierpnia 2023. Oto rozwiązanie konkursu.
Zadanie nie było łatwe, ponieważ pojemność baterii i ogniw nie jest ściśle ustalona. Zależy między innymi od składu chemicznego (baterie zwykłe, chlorkowo-cynkowe oraz alkaliczne) oraz od prądu rozładowania. Także ceny nie są ustalone i występuje duży rozrzut. Jednak warto zastanowić się nad ceną energii, zawartej w rozmaitych ogniwach i bateriach. I porównać je z ceną energii z sieci.
Otóż w rozliczeniach z zakładem energetycznym i dostawcą energii płacimy za „kilowatogodziny”. W ostatnich miesiącach głośna i gorąca jest kwestia podwyżek cen energii. Nie wchodząc w szczegóły, w pierwszym zgrubnym przybliżeniu możemy przyjąć, że obecnie 1 kilowatogodzina (1 kWh = 1000 Wh) energii elektrycznej pobranej z sieci kosztuje mniej więcej złotówkę. A więc możemy przyjąć, że jedna watogodzina (1 Wh) takiej energii kosztuje około 0,1 grosza.
W przypadku akumulatorów i baterii z reguły producent nie podaje informacji o zawartej w nich energii, ale podaje pojemność, zwykle w miliamperogodzinach. Oto przybliżone, szacunkowe dane.
Bloczek 9-woltowy, czyli ogniwo oznaczane 6F22 albo 6R61 w wersji alkalicznej ma pojemność 500…600 mAh. Natomiast w rzadko spotykanej wersji zwykłej 300…400 mAh, ale to można pominąć. Podobnie możemy pominąć zwykłe, chlorkowo-cynkowe ogniwa AA i AAA. Pozostańmy przy alkalicznych.
Ogniwa alkaliczne AAA czyli LR03 mają pojemność 850…1200 mAh. Najpopularniejsze ogniwa AA (LR6, R14500) alkaliczne maj pojemność 1800…2700 mAh.
Przyjmijmy jakieś dobre, pośrednie wartości pojemności: dla 9-woltowego bloczka 550 mAh (0,55 Ah), dla AAA 1000 mAh (1 Ah), dla AA niech będzie 2400 mAh czyli 2,4 amperogodziny.
Teraz można policzyć zawartość energii. W najprostszym przypadku mnożąc pojemność przez napięcie znamionowe. Otrzymamy:
- bloczek 9 V zawiera około 5 watogodzin (0,55 Ah × 9 V = 4,95 Wh),
- ogniwo AAA zawiera około 1,5 watogodziny,
- ogniwo AA zawiera około 3,6 Wh.
Największy problem jest z cenami. Bloczki 9-woltowe są kosztowne. Często płacimy za nie kilkanaście złotych. Ale w marketach zdarzają się ceny od 6 złotych. Przyjmijmy 10 złotych za bloczek 9 V.
Jeszcze większy kłopot jest z ceną ogniw AAA i AA. Rozrzut cen jest duży. Przyjmijmy, że kupujemy większe zestawy, w których jedno ogniwo AAA i jedno ogniwo AA kosztuje złotówkę – przy odrobinie wysiłku można to zrealizować. Ale możemy przyjąć cenę i ogniw AAA i AA równą 1,5 zł.
Jeżeli tak, to wyliczymy cenę 1 watogodziny energii. I tak energia z kosztującej 10 złotych, zawierającej 5Wg kosztuje około 2 złote za watogodzinę.
Energia z „małego paluszka” AAA kosztuje około 1 złoty za watogodzinę.
Natomiast energia z najpopularniejszych „dużych paluszków” AA jest zdecydowanie najtańsza, bo kosztuje poniżej 0,5 złotych za watogodzinę.
Natomiast 1 watogodzina pobrana z sieci energetycznej kosztuje około 0,1 grosza… ¤
Rozwiązanie – Jak odpowiesz? 2308
W sierpniu postawione zostało następujące zadanie konkursowe:
Wstępnie szykujemy się do pomiarów bardzo małych prądów. Chcemy do tego wykorzystać jakiś wzmacniacz operacyjny w roli przetwornika prąd / napięcie, według rysunku 1.
Rysunek 1
Potrzebny więc będzie jakiś wzmacniacz operacyjny o jak najmniejszym prądzie polaryzacji wejść. Wiemy, że istnieją wzmacniacze z tranzystorami bipolarnymi na wejściach, wyposażone w obwód kompensacji prądu polaryzacji. Zapewne jednak do takiego zastosowania lepiej będzie wykorzystać jakiś wzmacniacz z tranzystorami polowymi na wejściach. Zastanawiamy się Jaki niezbyt drogi wzmacniacz do tego wykorzystać?
Niezmienne zadanie konkursowe brzmi: Jak odpowiesz na tak postawione pytanie?
Konkurs jest zamknięty – rozwiązania można było nadsyłać do końca sierpnia roku 2023.
Oto nadesłane rozwiązania:
(…) Można spróbować TL061, ale raczej nie będzie to dobry wybór. To powinien być jakiś wzmacniacz typu MOSFET, na przykład CA3130 albo CA3140 (…)
Mikołaj
(…) proponuję TLC271 (…)
Kamil Nowak
(…) Jeden z popularnych i stosunkowo niedrogich wzmacniaczy operacyjnych CMOS, który może być przydatny, to np. „MCP6001” firmy Microchip. Jest to jednokanałowy wzmacniacz z niskim prądem poboru oraz szerokim zakresem napięcia zasilania. Inne to AD8615, droższy AD8656, LMV321.
Aż by się chciało zastosować AD549 ale nie jest tani i w Polsce może być trudno osiągalny.
Tadeusz Susfał
(…) ostatnio gdzieś czytałem, że mały prąd wejścia mają wzmacniacze TS272.
Czytelnik
(…) uważnie czytam ZE i coś mi się wydaje, że to może być LMC662.
Rafał Tomaszewski
(…) nie ma kłopotu. Wystarczy wejść na stronę analoga [Analog Devices – www.analog.com] i we wzmacniaczach operacyjnych poszukać Low Input Bias Current Op Amps (≤100 pA) – załatwione. Na pierwszym miejscu jest ADA4530. Nie ma takiego wyboru na stronie teksasa (Texas Instruments, www.ti.com] i tu trzeba by było trochę porzeźbić.
Andrzej
Istotnie, aktualnie najmniejszy prąd polaryzacji wejść ma Analog Devices ADA4530-1, typowo poniżej 1 fA, i to do temperatury aż +80 stopni. Tak, poniżej 1 femtoampera, czyli 0,001 pikoampera. Nie ma problemu z zakupem (np. Mouser), ale tam taka kostka kosztuje ponad 120 złotych. Teksas Instruments próbuje promować OPA928, ale o znacznie większym prądzie.
Ekonomicznym rozwiązaniem jest wykorzystanie niemłodego LMC662, ale z poprawionymi parametrami. Typowo jego prąd wejściowy to 2 femtoampery. Oczywiście w temperaturze pokojowej, bo prądy polaryzacji tranzystorów polowych szybko rosną ze wzrostem temperatury. W ramach inicjatywy „Zrozumieć Elektronikę” spróbujemy wykorzystać tę kostkę do budowy femtoamperomierza. Podwójny wzmacniacz LMC662 jest dostępny bez problemu i zaskakująco tani. W ofercie TME dostępne są cztery wersje w średniej cenie około 10 złotych. ¤
Rozwiązanie – Usterka 2308
W sierpniu postawione zostało następujące zadanie konkursowe:
Chcemy zbudować źródło prądowe o dużym prądzie i dużej mocy strat. Ponieważ jeden MOSFET ma za małą dla naszych potrzeb moc strat, chcemy zastosować rozwiązanie pokazane na rysunku 1.
Rysunek 1
Pytanie konkursowe jest takie:
- Czy w układzie widzisz jakiś problem, usterkę?
Konkurs jest zamknięty – rozwiązania można było nadsyłać do końca sierpnia 2023. Oto nadesłane rozwiązania:
Witam,
tak nie można połączyć MOSFET-ów.
Jacek
(…) MOSFET-y można łączyć równolegle, ale tylko w niektórych układach cyfrowych. Tu jest analogowy i to nie będzie działać, bo musiałyby być idealnie takie same napięcia otwierania i charakterystyki wejściowe.
Andrzej
Witam!
Widzę podstawowy problem – to połączenie równoległe MOSFET-ów. Trzeba zastosować jeden większy, a nie dwa małe.
Mikołaj
(…) Problemem jest symetryczna praca tranzystorów MOSFET w połączeniu równoległym. Problem jest wynikiem różnic między poszczególnymi tranzystorami. Tranzystory MOSFET, nawet jeśli są identyczne, mogą mieć pewne różnice w charakterystykach, co może prowadzić do nierównomiernego podziału prądu w układzie równoległym. W tym przypadku (sterowanie
bramek stałą wartością napięcia powyżej wartości VGS(th)) chodzi głównie o rezystancję RDS(on). Napięcie progowe VGS(th) jest tu mniej istotne (przypadek pracy statycznej). MOSFET z najniższym RDS(on) będzie przewodzić większy prąd. W miarę nagrzewania wzrasta wartość RDS(on), przenosząc część prądu do innych tranzystorów. Temperatury złączy równoległych tranzystorów z dobrym sprzężeniem termicznym będą mniej więcej takie same. Podział prądu nadal zależy od rezystancji włączenia każdego tranzystora i będzie mieścić się w granicach tolerancji RDS(on) określonych w arkuszu danych MOSFET.
(…) [W układach cyfrowych, a nie analogowych] MOSFETy w połączeniu równoległym wymagałyby dobrego sprzężenia termicznego, aby zapewnić równowagę prądową i termiczną pomiędzy sobą. Można je zamontować na wspólnym radiatorze, aby utrzymać jednakową temperaturę. Do pracy w takim układzie powinny być wybrane tranzystory MOSFET o jak najmniejszej wartości RDS(on).
Rezystor Rs powinien być precyzyjny, dużej mocy, o niskiej wartości rezystancji (jego wartość określa prąd) i powinien mieć niski współczynnik temperaturowy.
Tadeusz Susfał
Wszyscy uczestnicy konkursu słusznie stwierdzili, że w układach analogowych nie można łączyć równolegle tranzystorów MOSFET.
Nikt z uczestników nie wspomniał, że układ można łatwo poprawić. Zastosować dwa MOSFET-y, ale pracujące w dwóch niezależnych źródłach prądowych, których prądy się zsumują. Do układu trzeba więc dodać jeden tranzystor NPN i dwa rezystory. ¤
