No title

Dìjiny pøenosu Z dìjin vìdyzpráv dálku ana techniky ROÈNÍK XII/2007. ÈÍSLO 3

Historie elektøiny a magnetizmu Evangelista Torricelli a barometr

ROÈNÍK LVI/2007. ÈÍSLO 3

V TOMTO SEŠITÌ Z dìjin vìdy a techniky ...................... 1 PRAKTICKÁ ZAPOJENÍ Z ELEKTRONIKY Využití solární energie ......................... 3

Regulátor k solárnímu panelu ................. 3 Mìnièe DC/DC ....................................... 5 Nf zesilovaèe .......................................... 9

Síové multifunkèní relé ..................... 13

Spínaè a zdroj ...................................... 14 Indikátor pøepìtí a podpìtí sítì ............. 16 Indikátor stability kmitoètu ................... 19 Univerzální øídicí obvod ......................... 21 Indikátor sledu fází ............................... 23 Èasovaè, zpožïovací obvod ................. 24 Indikátor velikosti síového napìtí ......... 25

Elektronika pro dílnu i domácnost ..... 26

Mìøiè délky telefonních hovorù ............. 26 Sinusový nf generátor ........................... 27 Regulátor k pájecímu peru .................... 32 Mìøiè rychlosti reakce .......................... 35 Závìr, Literatura .................................... 35

ZAJÍMAVÁ A PRAKTICKÁ ZAPOJENÍ

Nf technika ......................................... 36 Radiotechnika .................................... 39 KONSTRUKÈNÍ ELEKTRONIKA A RADIO Vydavatel: AMARO spol. s r. o. Redakce: Zborovská 27, 150 00 Praha 5, tel.: 2 57 31 73 11, tel./fax: 2 57 31 73 10. Šéfredaktor ing. Josef Kellner, sekretáøka redakce Eva Marková, tel. 2 57 31 73 14. Roènì vychází 6 èísel. Cena výtisku 36 Kè. Rozšiøuje PNS a. s., Transpress spol. s r. o., Mediaprint & Kapa a soukromí distributoøi. Pøedplatné v ÈR zajišuje Amaro spol. s r. o. - Michaela Hrdlièková, Hana Merglová (Zborovská 27, 150 00 Praha 5, tel./fax: 2 57 31 73 13, 2 57 31 73 12. Distribuci pro pøedplatitele také provádí v zastoupení vydavatele spoleènost Mediaservis s. r. o., Zákaznické centrum, Moravské námìstí 12D, P. O. BOX 351, 659 51 Brno; objednávky tel: 541 233 232; fax: 541 616 160; e-mail: [email protected]; reklamace - tel.: 800 800 890. Objednávky a predplatné v Slovenskej republike vybavuje MAGNET-PRESS Slovakia s. r. o., Šustekova 8, 851 04 Bratislava, tel.: 00421 2 / 6720 1931 - 33 email: [email protected] ; www.press.sk Podávání novinových zásilek povoleno Èeskou poštou - øeditelstvím OZ Praha (è.j. nov 6005/96 ze dne 9. 1. 1996). Inzerci v ÈR pøijímá redakce, Zborovská 27, 150 00 Praha 5, tel.: 2 57 31 73 11, tel./fax: 2 57 31 73 10. Inzerci v SR vyøizuje MAGNET-PRESS Slovakia s. r. o., Šustekova 8, 851 04 Bratislava, tel.: 00421 2 / 6720 1931 - 33 ; www.press.sk Za pùvodnost a správnost pøíspìvkù odpovídá autor (platí i pro inzerci). Nevyžádané rukopisy nevracíme.

http://www.aradio.cz; E-mail: [email protected] ISSN 1211-3557, MK ÈR E 7443

© AMARO spol. s r. o.

Evangelista Torricelli se narodil poblíž italské Faenzy 15. 10. 1608. Mìl svého velmi osvíceného kmotra, který jej pøivedl k matematice, když jej zapsal ke studiu na jezuitské koleji. V roce 1627 odejel do Øíma, kde studoval matematiku u žáka a pøítele Galileo Galilea, profesora Benedetta Castelliho. Ovlivnìn pracemi Galilea a jeho prací o pohybu sepsal svá pozorování a názory v knize „Traktát o pohybu“, která byla vydána v roce 1640. V roce 1641 se pak sám stal pøímo Galileovým žákem a následovníkem, a na poslední tøi mìsíce Galileova života v roce 1642 dokonce jeho sekretáøem (Galileo byl v té dobì za své názory v „domácím vìzení“). Po Galileovì smrti se stal profesorem na katedøe matematiky a filozofie univerzity ve Florencii. Podrobným studiem prací Galilea se dopracoval k poznání, které publikoval v roce 1643, že i vzduch má svou váhu a že nelze pomocí podtlaku vzduchu vytáhnout vodní sloupec do vìtší výšky, než asi 10 m. Je tøeba si uvìdomit, že doba, ve které žil Galileo a Toriccelli a s nimi další badatelé, byla doba køesanského tmáøství. Od dob Aristotela bylo nemyslitelné uvažovat o tom, že by mohlo existovat vzduchoprázdno (i když Démokritos z Abdery a Lukrecius uvažovali, že mezi jednotlivými prvoèásticemi hmoty - atomy - musí existovat prázdný prostor), a teorii neexistence vzduchoprázdna pak ve 13. století oficiálnì vyslovil TomᚠAkvinský (1225 až 1274). Tato teorie se stala oficiálním církevním (køesanským) dogmatem na dlouhou dobu. „Doba temna“ byla ukonèena teprve pøijetím Koperníkovy heliocentrické teorie, a teprve poté byl možný vìdecký rozvoj. Galileovy knihy byly vyškrtnuty z církevního seznamu zakázaných knih až v roce 1757! Církev pak oficiálnì uznala pravdivost jeho teorií až nedávno - v roce 1992. Galileo vynalezl mj. sací pumpu, a tvrdil, že prostor mezi pístem jeho pumpy a povrchem vody je vzduchoprázdno, které se voda snaží vyplnit. Snažil se vysvìtlit, jak je to možné, jenže vycházel z nesprávných pøedpokladù. Proè nelze sloupec vody vytáhnout libovolnì vysoko vysvìtloval tím, že se voda „pøetrhne“ podobnì, jako velmi tenký drát spuštìný svisle, vlastní va-

hou. Pokusy se sloupcem vody v olovìné rouøe provádìl i Gasparo Bertie kolem roku 1640, a to za spoluúèasti dalších vìdcù té doby, pøi stavbì vodovodního potrubí v novostavbì domu. Výsledky tìchto pokusù však byly publikovány až po jeho smrti. Torricelli se inspiroval pokusy Bertieho a v polovinì roku 1644 popsal v dopise svému pøíteli Ricciemu, jakým zpùsobem pøi svých pokusech postupuje. Spolu s dalším svým spolupracovníkem použili delší sklenìnou trubièku na jednom konci zaslepenou a naplnili ji rtutí. Trubièku pak postavili zaslepeným koncem vzhùru a druhý, otevøený konec zùstal trvale ponoøený v nádobce se rtutí. Hladina rtuti v trubièce poklesla a to do výšky pøibližnì 76 cm. Dovodil z toho, že prostor v trubièce nad hladinou rtuti je „prázdný“, a aby to dokázal, uèinil další pokus - na hladinu rtuti v nádobì nalil vodu a pomalu trubièku zvedal. Jakmile se její spodní konec dostal nad rozhraní rtu - voda, voda okamžitì vtekla do trubièky a rtu vyplnila trubièku až po horní konec. Z prvních zápisù, které o tìchto pokusech byly uèinìny, lze odvodit, že jak existenci prázdna - èi vzduchoprázdna, tak princip barometru objevil Torricelli v roce 1643. Byl prvním, kdo vakuum dokázal trvale udržet. Prostor nad rtutí pak byl nazván „Torricelliho prázdnota“. Torricelli správnì z pokusu odvodil, že v prvním pøípadì to byl tlak vzduchu (ve svých dopisech, které si s Riccim posléze vymìòoval, nazýval atmosférický tlak „povìtøím“), který nedovolil, aby hladina rtuti klesla níže, a v druhém, ponìvadž je voda o mnoho lehèí než rtu, tlak vzduchu ji do trubièky natlaèil. Pokusy pak byly opakovány dalšími vìdci, ale ještì Blaise Pascal (1623 až 1662) tvrdil o dva roky pozdìji, že prostor nad rtutí vyplòuje „povìtøí“, které se do trubièky natlaèí pøes póry ve skle. Pøi delším soustavném pozorování navíc Torricelli zjistil, že výška rtuového sloupce se den ode dne nepatrnì mìní a zmìny výšky hladiny rtuti závisí na poèasí. Usoudil z toho, že výška hladiny je dána tlakem okolního vzduchu, který se mìní v závislosti na povìtrnostní situaci. Pøístroj, který sestavil, byl tedy prvním barometrem, i když tento název (složený z øeckých slov baros a metron) použil poprvé až Robert Boyle nìkdy kolem roku 1663.

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

1

Torricelli se ovšem nezabýval jen tìmito pokusy. Ještì pøedtím zformuloval zákon vytékání kapaliny v závislosti na velikosti otvoru ve stìnì otevøené nádoby a odvodil napø. rovnici urèující rychlost vytékání kapaliny (Torrricelliho rovnice). Další jeho objevy se týkaly pøevážnì matematiky - napø. odvodil výpoèet cykloidy a další zajímavé vztahy, které popsal v knize „Opera Geometrica“ z roku 1644. Zemøel v øíjnu 1647 ve Florencii a v rùzných pramenech se data úmrtí liší - od 22. do 25. øíjna. Dnes víme, že atmosférický tlak se mìní nejen v závislosti na poèasí, ale také na nadmoøské výšce pozorovatele. Pro øadu nevýhod (cena, rozmìry, jedovatost rtuti) se již rtuové barometry pøíliš nepoužívají, atmosférický tlak se v souèasnosti mìøí pøevážnì aneroidem. Prameny: Encyclopedia Britannica, Encyclopedia Wikipedia, Andrzej Maciazek: Pomiary (sta pojednávající o atmosférickém tlaku uveøejnìná na internetu).

Antonio Santi Giuseppe Meucci Tak zní celé jméno málo známého italského objevitele, chemika, konstruktéra a emigranta. V kapitolách všech uèebnic na svìtì, kde se hovoøí o telefonu, najdete zmínku o tom, že vynálezcem tohoto zaøízení k pøenosu hlasu na dálku je Graham Bell, který 7. 3. 1876 získal patent na „telegrafickou metodu pøenosu hlasu...“. Již ménì je známa skuteènost, že na princip pøišel døíve Elisha Gray, který se se svým objevem svìøil Bellovi a ukázal mu i dokumentaci, kterou mìl pøipravenu k podání patentu. Bell ji okopíroval a pomocí známostí zajistil, že zápis o podání jeho patentové pøihlášky byl zaregistrován o dvì hodiny døíve, než Grayovy. Na zkoumání možností, jak pøenášet hlas, pracovaly ještì další známé osobnosti té doby, jako napø. J. P. Reis nebo Edison. Prakticky nikdo, nebo jen velmi malý okruh zasvìcených ví, že prvním, kdo skuteènì ohlásil nový vynález a nechal si toto ohlášení soudnì potvrdit, byl Antonio Meucci již v roce 1871. Toto ohlášení platilo po dobu jednoho roku a muselo se každoroènì obnovovat, bìhem doby platnosti nemohl nikdo pøihlásit patent na stejný princip. Meucci z finanèních dùvodù (za registraci ohlášení se vybíralo 10 dolarù) v roce 1874 své ohlášení neprodloužil a tak vlastnì umožnil Bellovi získat patent. Pøesto na základì nepochybných dùkazù pøijal americký senát dne 11. èervna 2002 usnesení, že jediným a pravým vynálezcem telefonu je Antonio Meucci. Osobnì si ale dovolím pochybovat o tom, že by vydavatelé uèebnic tuto skuteènost nìkdy v budoucnu akcepto-

2

vali. Podívejme se na Meucciho struèný životopis. Narodil se v Itálii, v San Fredianu poblíž Florencie v dubnu 1808. Studoval chemii a mechaniku na florentinské akademii a pak pracoval jako technik v rùzných divadlech ve Florencii až do roku 1835. 7. 8. 1834 se oženil a krátce nato se zapletl do politických sporù, které provázely sjednocování Itálie. Byl dokonce na nìkolik mìsícù uvìznìn. Tyto problémy zpùsobily, že Florencii opustil a pøijal místo divadelního scénického výtvarníka v kubánské Havanì. Ve volném èase se však zabýval „vynalézáním“ - objevil napø. nový zpùsob galvanizace kovù, kterou pak Kubánci používali pro vojenské úèely, stal se známým pøedvádìním elektrických šokù a jejich využitím pro léèebné úèely. Ke vzájemnému dorozumívání s pøítelem, který sedìl v sousední místnosti, zøídil drátové vedení a domlouvali se pomocí nìèeho, co bychom dnes nazvali sluchátko, zapojeným na obou koncích drátù. Tehdy ještì v okruhu nepoužíval baterii. V roce 1850 se pøestìhoval do Ameriky a blízko New Yorku na Staten Island se usadil. Jeho ohromnou nevýhodou bylo, že se nebyl schopen domluvit jinak než italsky, a ponìvadž žil pøevážnì v italské spoleènosti dalších emigrantù, nemìl potøebu se anglicky uèit. Jeho èinnost spoèívala v nejrùznìjší pomoci krajanùm, kteøí tehdy do Ameriky pøijíždìli a zakládali tam rùzné továrny. Meucci vylepšoval používané technologie a podal 14 patentù uplatòujících se pøi výrobì piva, papíru, svíèek, šáv z ovoce, sestrojil mìøiè vlhkosti apod. Jeho manželka byla ale vážnì nemocná a od roku 1855 byla prakticky pøipoutaná na lùžko. Meucci si tehdy vzpomnìl na své pokusy v Havanì a zøídil fungující telefonní spojení mezi jejím lùžkem a dalšími místnostmi v domì a také s dílnou, kterou mìl v budovì opodál. Své zaøízení dokonce veøejnì pøedvádìl a jeho pokusy byly popisovány i tiskem - bohužel v novinách, které byly pro italské pøistìhovalce vydávány v New Yorku italsky. Jeho finanèní situace však byla velmi špatná. Meuccimu se pøihodilo i neštìstí - když na parníku Westfield vybuchl kotel, ocitl se v nemocnici. Jeho manželka tehdy vìtšinu prototypù jeho vynálezù prodala za šest dolarù do bazaru, aby mìla na obživu - mezi nimi byly i pøístroje k telefonování. Když se uzdravil, nepøetržitì pracoval na tom, aby pøístroje, o které pøišel, znovu sestrojil. Potøeboval také peníze na definitivní patentovou pøihlášku telefonu. Chtìl svùj telefon pøedvést na pøedsednictvu telegrafní spoleènosti Western Union, ovšem tam si na nìj bìhem celého roku 1874 neudìlali èas, a tak se Meucci znechucen vzdal dalšího snažení. Když se dozvìdìl o tom, že na telefon na stejném principu, jaký použil

sám, získal patent Bell, podal prostøednictvím právníkù protest. Bohužel, všechny listiny, které by mohly potvrdit jeho prvenství, se na patentovém úøadì ve Washingtonu ztratily, údajnì i zde zapracovaly Bellovy známosti. Ani Western Union nemìla zájem na tom, aby se o Meuccim hovoøilo, ponìvadž Bell s nimi uzavøel dohodu o podílu na zisku ve výši 20 % za využívání „jeho“ vynálezu po dobu 17 let. Podívejme se zpìt na historii zaèátkù telefonu: zaèala v roce 1849, když Meucci svùj první systém použil v Havanì. O pìt let pozdìji jen popsal princip telefonu (aniž by sestrojil pøístroj) Charles Bourseul. V roce 1854 pøedvádí telefon Meucci v New Yorku. V roce 1860 Johann P. Reis pøedvádí „pøerušovaný zpùsob pøenosu hlasu“ (membrána rozechvívaná zvukem se dotýká kontaktu a na druhé stranì je použito elektromagnetické sluchátko). O rok pozdìji Reis na svém principu pøenáší hlas na vzdálenost asi 50 m. V letech 1873 až 1875 Edison zjišuje, že uhlíková zrníèka v krabièce uzavøené z jedné strany tenkou vodivou membránou mìní svùj odpor, když se membrána rozechvìje zvukem, a sestrojuje jednostranné zaøízení na pøenos zvuku. Roku 1876 Bell získává patent a Edison zkouší první uhlíkový mikrofon. V roce 1877 pak Edison získává nìkolik patentù na telefon jako prakticky použitelný pøístroj a o rok pozdìji zøizuje telefonní linku mezi New Yorkem a Filadelfií v délce pøes 200 km. Meucci ze svého vynálezu telefonu nikdy nezískal ani dolar. Zemøel v bídì roku 1889 a na Staten Island bylo péèí organizace „synù Itálie“ vybudováno muzeum, kde jsou vystaveny památky po nìm a demonstrovány jeho vynálezy. 11. èervna, kdy bylo pøijato usnesení senátu USA, každoroènì italští radioamatéøi vyhlašují tzv. Meucciho den. Podle internetových stránek www.garibaldimeuccimuseum.org a dalších internetových pramenù sestavil QX

Øez vložkou Meucciho pøístroje

Literatura [1] Locci, M.: Istorija fiziki. Mir, Moskva 1970. [2] Netoliczka, E.: Illustrierte Geschichte der Elektrizität. Pichler´s Witwe & Sohn, Wien 1886.

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

PRAKTICKÁ ZAPOJENÍ Z ELEKTRONIKY Ing. Jiøí Vlèek Toto èíslo KE je vìnováno dvìma vìtším tématùm - izolované (ostrovní) sítí malého napìtí napájené solárním panelem, akumulátorem nebo motorgenerátorem, a dále kontrolním a øídicím obvodùm pro silnoproudá zaøízení - tzv. multirelé. Nechybìjí návody pro domácí dílnu a rùzná jednoduchá zapojení. U všech konstrukcí jsem se snažil o co nejjednodušší øešení a snadnou zhotovitelnost.

Využití solární energie

(obvody pro izolované sítì napìtí) Následující tématický celek se zabývá nejen problematikou využití solární energie, ale také mìnièi napìtí a nf zesilovaèi používanými v sítích, které jsou napájeny z alternativních zdrojù energie. Popisované mìnièe a nf zesilovaèe jsou použitelné také v zaøízeních napájených z autobaterie, v chatách bez elektrické pøípojky, v karavanech nebo na lodích. Solární energii mùžeme využívat k pøímé výrobì elektrické energie pomocí fotovoltaických èlánkù. Tuto možnost volíme pøedevším v místech bez pøipojení na elektrickou sí. Solární energie je využitelná na celé Zemi i ve vesmíru. Fotovoltaický panel je soustava èlánkù zapojených do série, popø. serioparalelnì. Tyto èlánky mohou být: • Monokrystalické - úèinnost 14 až 16 %, zvýšení úèinnosti se dosahuje povrchovým strukturováním a antireflexní vrstvou na pøední stranì. • Multikrystalické - úèinnost 11 až 14,5 %, vyrábìjí se z køemíku. • Tenkovrstvé - vyrábìjí se z teluritu kademnatého, slitiny CIS (Cu In Se). Fotovoltaické panely se standardnì vyrábìjí pro napìtí 12 nebo 24 V. Rozsah výkonu je od 0,7 do 110 W. Z obr. 1 mùžeme snadno poznat jejich nejdùležitìjší vlastnosti. Chovají se podobnì jako zdroje napìtí s proudovým omezením. Maximální odebíraný proud je témìø lineárnì závislý na svìtelném pøíkonu. Vyrábìjí se systémy, které kromì napájení vlastních spotøebièù mohou dodávat proud do elektrorozvodné sítì. Oznaèují se „on-grid”. Do r. 2010 má v naší republice vzrùst podíl elektøiny vyrobené z obnovitelných zdrojù na 8 % její celkové výroby. Elektøina se vykupu-

je v cenì od 13,20 Kè/1 kWh. Tato cena je garantována po dobu 15 let. K vytvoøení støídavého napìtí kompatibilního s napìtím sítì (synchronizovaný kmitoèet a fáze, shodná amplituda) je možné používat jenom schválené zaøízení. To musí splòovat bezpeènostní normy a musí se automaticky odpojit pøi poklesu napìtí sítì nebo jeho výpadku. Je ovládané digitálním øídicím systémem. Umožòuje zaznamenávat a zobrazovat provozní stav (proud, napìtí, energie dodanou do sítì apod.). Solární energie se však zatím vìtšinou využívá v tzv. ostrovních aplikacích „off-grid”, které jsou nezávislé na veøejné elektrorozvodné síti. Hlavní oblastí využití jsou odlehlé chaty, karavany, lodì, mikrovlnné rádiové stanice, monitorování vody a životního prostøedí, èerpání pitné a užitkové vody, zavlažování, svìtelná návìstí, atd. Nejjednodušší systémy tvoøí pouze solární panel a spotøebiè. Dokonalejší systémy umožòují s pomocí akumulátoru využívat elektøinu i v noci nebo pøi nepøíznivých klimatických podmínkách. Kromì solárního panelu obsahují i akumulátor a regulátor. V takových sítích je nejvýhodnìjší používat spotøebièe na malé napìtí (12

nebo 24 V). Odpadají problémy s bezpeèností a ztráty energie pøi pøemìnì stejnosmìrného napìtí na støídavé. Vyrobit z 12 V síové napìtí (nízké napìtí) není velký problém. Nejjednodušší zapojení tohoto typu jsem publikoval v KE 4/2003. Použil jsem zde obvod NE555 jako zdroj kmitoètu 50 Hz a ètyøi spínací tranzistory MOS zapojené do mùstku. V jeho diagonále bylo primární (pùvodnì sekundární) vinutí síového transformátoru. V izolované síti není nutné dodržet pøesnì kmitoèet ani sinusový tvar signálu. Filtraci pùvodnì obdélníkového signálu na prùbìh podobný sinusovému obstarává transformátor. Existují i tzv. hybridní sítì, ve kterých v pøípadì nedostatku solární energie a vybitého akumulátoru se zapíná motorgenerátor. Ten vyrábí støídavé napìtí a pøípadnì dobíjí akumulátor. Solární panel se pøi malém zatížení chová jako zdroj napìtí. Pøi vìtším zatížení (jmenovitým proudem) se chová jako zdroj proudu, jeho výstupní napìtí klesá. Velikost maximálního výstupního proudu závisí pøevážnì na osvìtlení.

Regulátor k solárnímu panelu Cílem následující konstrukce je vytvoøit jednoduchý regulátor pro ostrovní sí na malé napìtí (na 12 V, pøípadná úprava na 24 V je snadná). Pøedpokládám použití olovìného akumulátoru

Obr. 1. VA charakteristiky fotovoltaických èlánkù. a) závislost odebíraného proudu na svorkovém napìtí pøi rùzných teplotách, b) závislost odebíraného proudu na svorkovém napìtí pøi rùzných hodnotách svìtelného pøíkonu

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

3

(stejného jako v automobilu) o kapacitì 40 až 50 Ah, což považuji za nejlevnìjší øešení. Regulátor zapojujeme mezi solární panel, akumulátor a zátìž. Regulátor musí: • zajišovat nabíjení akumulátoru ze solárního èlánku tak, aby se nepøebíjel a neplynoval. Vzroste-li napìtí na 14,4 V  (2,4 V/èlánek), musí se nabíjení ukonèit, • zabraòovat vzniku zpìtného proudu z akumulátoru do solárního panelu (napø. v noci, když panel nedodává energii), • zajišovat dodávku energie do zátìže ze solárního panelu i z akumulátoru, • ukonèovat vybíjení, když napìtí akumulátoru klesne pod 10,5 V (1,75 V/èlánek). Jinak by nastala sulfatace elektrod a ztráta kapacity a akumulátor by se nevratnì poškodil, • omezovat proud z akumulátoru do zátìže v pøípadì zkratu na vedení nebo na zátìži, aby se nepoškodil akumulátoru, vedení nebo regulátor. Nebo se zdroj musí úplnì vypnout, • orientaènì indikovat napìtí akumulátoru. Proud ze solárního panelu není vhodné omezovat, zmenšovala by se tak zbyteènì úèinnost celého zaøízení. Kapacita akumulátoru musí být dostateèná vzhledem k výkonu solárního panelu. Dále pøedpokládám, že maximální proud solárního panelu v ampérech by nemìl být vìtší než jedna desetina kapacity akumulátoru v ampérhodinách. Potom tento problém nemusíme øešit. Jinak by bylo nutné nabíjecí proud hlídat a omezovat. Pøípadnì by bylo možné termistorem kontrolovat teplotu akumulátoru a pøi jejím vzrùstu nabíjení odpojit (vyžadovalo by to jeden OZ navíc). Schéma regulátoru k solárnímu panelu je na obr. 2. Obvod nabíjení tvoøí tranzistor T1 (PMOS, volíme typ s  malým odporem v otevøeném stavu). Øídí jej komparátor IO1d, který porovnává napìtí solárního panelu s napìtím akumulátoru. Pøi nízké úrovni napìtí na výstupu komparátoru se tranzistor T1 otvírá. Rezistor R6

zajišuje malou hysterezi. Tranzistor T1 díky klopnému charakteru komparátoru mùže být buï sepnutý nebo vypnutý, nemùže nikdy zùstat v polootevøeném stavu. Proto na nìm nejsou velké výkonové ztráty a nepotøebuje chladiè. Zenerovu diodu D14 zapojíme jako ochranu tranzistoru pøed pøepìtím, pokud pracujeme s napìtím vyšším než 15 V. Jinak ji mùžeme vynechat. LED D1 indikuje režim nabíjení baterie. Je-li baterie nabitá, otevøe se pøes Zenerovu diodu D13 tranzistor T3 a pøes rezistor R3 se rozsvítí LED D4. IO1d se pøeklopí do vysoké úrovnì napìtí na svém výstupu a tranzistor T1 se zavøe. Nabíjení se ukonèí. Napìtí, pøi kterém se toto má stát, je vhodné nastavit na 13,8 až 14,4 V. Protože Zenerovy diody mají pøíliš velký rozptyl parametrù, doporuèuji místo rezistoru R9 použít odporový trimr a požadovanou velikost napìtí jím pøesnì nastavit. Tranzistor T2 obdobným zpùsobem øídí proud z baterie do zátìže. T2 je podobným zpùsobem jako T1 ovládán komparátorem s hysterezí IO1a. Zkratový proud akumulátoru má velikost stovek ampér. Tavná pojistka, která se používá napø. v automobilu, k ochranì tranzistoru T2 nestaèí. Je pøíliš pomalá, proto radìji použijeme elektronickou pojistku. Je vhodnìjší, aby tato pojistka pøi pøekroèení mezního proudu obvod natrvalo vypnula a aby jeho opìtovné spuštìní musela zajistit obsluha. Pokud by proudová pojistka pouze proud omezovala, tranzistor T2 by pracoval v polootevøeném stavu nebo by kmital a snadno by se mohl pøehøát. Vzroste-li vlivem zkratu na zátìži úbytek napìtí na rezistoru R26, pøeklopí se komparátor IO1c do vysoké úrovnì a pøes diodu D8 pøeklopí IO1a do vysoké úrovnì a vypne tranzistor T2. Dioda D9 drží obvod IO1c v tomto stavu až do odpojení napájecího napìtí. Diody D11 a D12 zajišují spuštìní obvodu pøi zapnutí. Operaèní zesilovaèe se èasto chovají „podivnì”, je-li na jejich vstupech napìtí blízké nule nebo napájecímu napìtí. Pøi vypnutím tranzistoru T2 by se jinak IO1c mohl pøi za-

pnutí pøeklopit do úrovnì H a obvod by vùbec nezaèal pracovat. K bezproblémovému zapnutí obvodu je nutné zapojit do série s diodou D9 rezistor R7, jinak by se po zapnutí OZ IO1c pøeklopil natrvalo do vysoké úrovnì napìtí. Z hlediska úèinnosti potøebujeme, aby na rezistoru R26 byl minimální úbytek napìtí. Rezistory s odporem menším než 1 Ω se vyrábìjí pouze ve výkonovém provedení. Proto jsem tento rezistor realizoval radìji meandrem plošného spoje. Odpor spoje R vypoèítáme podle vztahu: R = ρ·l/S, kde ρ je mìrný odpor mìdi 0,0178 Ω·mm2/m, l je délka spoje [m] a S je prùøez spoje [mm2]. Délka meandru je 35 mm pøi typické tloušce mìdìné fólie 35 µm, pøi tloušce fólie 70 µm bychom museli výpoèet opravit. Spoj musí být pouze lakovaný, nesmíme jej cínovat. Potom bude mít R26 vyleptaný podle pøedlohy na obr. 3 odpor 0,0356 Ω. Zvolíme maximální proud zátìže napø. 15 A (volíme jej s rezervou pro nábìhové špièky proudu nìkterých spotøebièù - žárovka, motor). Na rezistoru R26 vznikne pøi proudu zátìže 15 A úbytek napìtí 0,534 V. Úbytek napìtí ze snímacího rezistoru R26 se pøivádí na vstupy komparátoru IO1c pøes dìlièe R25, R24 a R27, R28. Pomocný rezistor R23 zvìtšuje dìlicí pomìr prvního dìlièe tak, aby právì pøi úbytku napìtí 0,534 V na R26 dosáhla napìtí na obou vstupech komparátoru IO1c shodných velikostí a komparátor se pøeklopil. Po pøeklopení komparátoru se vypne tranzistor T2 a zátìž se odpojí. Odpor 330 kΩ rezistoru R23 odpovídá zvolenému maximálnímu proudu zátìže 15 A. Pokud zvolíme jiný maximální proud, musíme odpor rezistoru R23 upravit (nejlépe zkusmo). Komu uvedený zpùsob realizace rezistoru R26 nevyhovuje, mùže samozøejmì tento rezistor zhotovit jinak, koupit nebo navinout odporovým drátem.

Obr. 2. Regulátor k solárnímu panelu

4

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

Obr. 3. Obrazec plošných spojù regulátoru k solárnímu panelu (mìø.: 1 : 1) LED D10 indikuje vypnutí regulátoru po zkratu na výstupu. Schottkyho dioda D2 zajišuje tok proudu ze solárního panelu do zátìže i pøi vybitém nebo odpojeném akumulátoru. Úbytek napìtí na ní nepøesáhne 0,5 V. Použitý typ vydrží trvalý proud až 3 A. Pøi vìtším proudu mùžeme zapojit dvì tyto diody paralelnì. Je potøeba je umístit tìsnì k sobì, aby mìly stejnou teplotu. Na DPS je pro nì místo. LED D5 a D6 indikují velikost napìtí akumulátoru. Zesilovaè IO1b pracuje ve spojitém režimu, jeho zesílení napìtí je dáno vztahem AU = 1 + (R12/R13). Pøi napìtí akumulátoru 12 až 12,6 V je na výstupu 7 IO1b napìtí okolo 6 V a obì LED svítí. Pøi zvìtšení nebo zmenšení napìtí akumulátoru o 0,8 V se na vývodu 5 IO1b zmìní napìtí o 0,4 V. Napìtí na výstupu se zmìní o více než 4 V a jedna LED zhasne. Pokud svítí pouze zelená, je baterie úplnì nabitá. Pokud èervená, je baterie tìsnì pøed vybitím. Svit obou LED signalizuje bìžný provozní stav - jmenovitou velikost napìtí akumulátoru. Pokud nebude ze solárního panelu delší dobu doplòována energie, je potøeba akumulátor odpojit spínaèem S, aby se zbyteènì nevybíjel. Odbìr obvodu naprázdno je 10 až 15 mA. S použitím OZ IO1 typu TL064 s malým pøíkonem, LED s vìtší úèinností, pøedøadných rezistorù LED s vìtším odporem a zvìtšením odporù rezistorù R14, R15 a R16 by bylo možné odbìr dále zmenšit. Všechny souèástky vèetnì LED jsou umístìny na jedné desce s plošnými spoji (DPS), pøívody jsou vyvedeny na svorkovnici s rozteèí vývodù 5 mm. Obrazec spojù je na obr. 3, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 4. Pøi oživování pøipojíme místo baterie laboratorní zdroj napìtí a ovìøíme odpojení zátìže pøi napìtí 10,5 V a odpojení solárního panelu pøi napìtí 13,8 až 14,4 V, pøípadnì toto napìtí trimrem R9 nastavíme. Zkontrolujeme obvod indikace napìtí. O správné funkci proudové pojistky se nejjednodušeji pøesvìdèíme zmìøením napìtí na vstupech IO1c a pøivedením kladného napìtí na jeho invertující vstup. V takovém pøípadì obvod

Obr. 4. Rozmístìní souèástek na desce regulátoru k solárnímu panelu

musí vypnout. Je to jednodušší a bezpeènìjší než obvod zkoušet zkratem.

Seznam souèástek R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R20 R21 R22 R23 R24, R25 R26 R27, R28 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8, D9 D10 D11 D12 D13, D14 T1, T2 T3 IO1

120 kΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní 1,5 MΩ, miniaturní 43 kΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní 2,5 kΩ,trimr PT10HK002.5 2,7 kΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní 1,2 MΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 3,3 kΩ, miniaturní 620 Ω, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní 200 Ω, miniaturní 680 kΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní viz text (330 kΩ) 30 kΩ, miniaturní viz text 30 kΩ, miniaturní LED (zelená) 1N5821 BZX83V013 LED (èervená) LED (èervená) LED (zelená) BZX83V006.2 1N4148 LED (žlutá) BZX83V010 1N4148 BZX83V015 IRF9530N BC547B TL074

DPS stojí 39 Kè, souèástky 190 Kè

Mìnièe DC/DC Pøi návrhu ostrovní sítì máme možnost zvolit si její provozní napìtí 12 nebo 24 V. Na obì napìtí jsou k dispo-

zici fotovoltaické panely, vhodné akumulátory i spotøebièe. Je výhodné, aby solární panel, akumulátor a všechny spotøebièe pracovaly se stejným napájecím napìtím. Pokud to z nìjakých dùvodù není možné, použijeme DC/DC mìniè. Dále proto uvádím návody na snižující i na zvyšující mìniè. Musíme si ale uvìdomit, že jejich maximální úèinnost dosahuje zhruba 80 %, což znamená, že jejich provoz zmenšuje úèinnost celého systému. Mìniè použijeme pouze tehdy, když z vážných dùvodù není možné, aby všechny spotøebièe pracovaly se stejným napájecím napìtím. Následující konstrukce jsou urèeny pro proudy øádu jednotek ampér. Podobnou konstrukci pro vìtší proudy jsem publikoval v KE 4/2003, kde je vysvìtlen princip funkce snižujících, zvyšujících a invertujících mìnièù napìtí. Je tam i podrobnì popsán obvod UC3843. Nyní jej proto popíši pouze velmi struènì. Jedná se o obvod, který je urèen pro použití ve spínaných zdrojích. Obsahuje referenèní zdroj napìtí +5 V (vývod 8), oscilátor (vývod 4), ke kterému pøipojíme rezistor a kondenzátor urèující provozní spínací kmitoèet, chybový zesilovaè, jehož zesílení urèuje rezistor zapojený mezi vývody 1 a 2, dvojèinný výstup (vývod 6) a vypínací komparátor, který obvod vypne, je-li na vývodu 3 napìtí vìtší než 1 V. Komparátor se využívá pro konstrukci proudové pojistky nebo vypínacího obvodu (napø. pøi poklesu napìtí baterie pod minimální velikost). Kmitoèet oscilátoru vypoèítáme podle vzorce f = 1,72/(R2·C4), viz dále uvedené schéma zvyšujícího mìnièe (obr. 5). Obvod pracuje na principu pulsní šíøkové modulace. Výstupní napìtí snížené dìlièem se porovnává s referenèním napìtím 2,5 V a šíøka pulsù se øídí tak, aby obì tato napìtí byla shodná. Obvody UC38xx pracují pouze pøi dostateèné velikosti napájecího napìtí. Obvod UC3843 a UC3845 mají zapínací napìtí 8,4 V a vypínací napìtí 7,6 V. Obvody UC3842 a UC3844 mají zapínací napìtí 16 V a vypínací napìtí 10 V.

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

5

Obvody 3842 a 3843 pracují se støídou 0 až 100 %, obvody 3844 a 3845 se støídou 0 až 50 %. Jako spínací souèástky použijeme tranzistory MOS, které musí být s dostateènou rezervou dimezovány na odebíraný proud. Aby jejich tepelná ztráta byla minimální, musí mít co možná nejmenší odpor kanálu v sepnutém stavu. Filtraèní kondenzátory musí mít minimální ekvivalentní sériový odpor (ESR) a malou indukènost. Proto se doporuèuje jich radìji zapojit více paralelnì než použít jeden s vìtší kapacitou. Vìtší povrch kondenzátorù snadnìji rozptýlí teplo, které v nich mùže vznikat. Filtraèní kondenzátory musí být umístìny i na vstupu každého mìnièe jako zásobárna elektrického náboje. Pøi vyšších kmitoètech radìji nebudeme akumulátor považovat za ideální zdroj napìtí (s nulovým vnitøním odporem). Použitá výkonová dioda musí být bezpodmíneènì typu Schottky. Bìžné køemíkové usmìròovací diody jsou pro svoji dlouhou zotavovací dobu na vyšších kmitoètech nepoužitelné. Akumulaèní cívku (na obr. 5 oznaèenou jako L1) volíme s indukèností 50 až 100 µH. Pro velké proudy (okolo 10 A) doporuèuji použít typ 51V32 z prodejny GES. Tato cívka má indukènost 80 µH, je navinuta na žlutém toroidním železoprachovém jádru a je urèena pro proud až 10 A. Její vnìjší prùmìr je 32 mm. Kmitoèet mìnièe je vždy urèitým kompromisem. V každém pøípadì musí být s dostateènou rezervou vyšší než 20 kHz, aby obvod ani pøi mimoøádných provozních stavech (pøetížení, chod naprázdno) nepískal ve slyšitelném pásmu. S rostoucím kmitoètem mùžeme použít menší indukènosti a kapacity. Zároveò ale rostou na diodì i na tranzistoru ztráty pøi pøepínání a klesá tak úèinnost. Rostou ztráty nejen v jádru cívky, ale i ve vinutí, kde se zaèíná

uplatòovat povrchový jev (skinefekt). Vinutí pak nelze realizovat tlustým drátem, ale speciálním lankem, které se skládá z vìtšího poètu tenkých izolovaných vodièù. V následujících konstrukcích jsem volil provozní kmitoèet 50 kHz, pøi nìm je hloubka vniku 0,3 mm. U zvyšujícího a snižujícího mìnièe platí mezi obvodovými velièinami následující vztah: U1·I1·η = U2·I2

[V, A; V, A],

kde: η je úèinnost (pokud jsme ji nemìøili, pøedpokládejme η = 75 až 80 %), U1, U2 jsou vstupní a výstupní napìtí a I1, I2 jsou vstupní a výstupní proud. Podle tohoto vzorce vypoèítáme pøedpokládaný vstupní proud a navrhneme vhodné jištìní.

Zvyšující mìniè 12/24 až 36 V Schéma mìnièe je na obr. 5. V mìnièi je použit øídicí obvod UC3843 (IO1). Dìliè R13 a R14 urèuje velikost výstupního napìtí U2 mìnièe. Upravuje výstupní napìtí tak, aby na vývodu 2 IO1 bylo napìtí 2,5 V. Platí vztah: U2 = 2,5·(R13 + R14)/R14 [V; V, Ω]. Hodnoty souèástek uvedené v rozpisce odpovídají výstupnímu napìtí mìnièe 32,5 V, které je optimální k napájení výkonového zesilovaèe s IO TDA2030A, který je popisován dále. Pokud bychom požadovali výstupní napìtí 24 V, vychází R13 = 1720 Ω (vytvoøí se paralelním spojenm odporù 1,8 a 39 kΩ). Pøípadným pøipojením paralelních rezistorù k R13 nebo R14 jemnì nastavíme výstupní napìtí mìnièe. Rezistory R13 a R14 zároveò pracují jako pøedzátìž, aby mìniè nikdy nebyl úplnì bez zátìže. Pøi poklesu napájecího napìtí U1 vzrùstá pøi konstantním výkonu dodávaném do zátìže vstupní napájecí proud I1. Zároveò vzrùstá úbytek napìtí

na vzrùstajícím vnitøním odporu akumulátoru a vstupní proud roste ještì více. Tím se vybíjení akumulátoru zrychluje. Pokud se jedná o autobaterii, kterou potom budeme chtít použít k nastartování vozidla, je to nepøíjemné. Proto je mìniè vybaven ochranným obvodem, kterým se vèas vypne. Ochranný obvod je tvoøen operaèním zesilovaèem (OZ) IO2a, který pracuje jako komparátor s hysterezí. Porovnává vstupní napìtí zmenšené dìlièem R4, R5 s referenèním napìtím na Zenerovì diodì D4. Hystereze je zde nutná, protože po vypnutí mìnièe se napìtí akumulátoru vždy trochu zvýší a obvod by se znova zapnul. Pøi vypínání by tak nastávaly zbyteèné zákmity. Hysterezi (kladnou zpìtnou vazbu) zajišuje rezistor R7, který tvoøí dìliè napìtí s diferenèním odporem Zenerovy diody (jednotky Ω). Proto je odpor rezistoru R7 tak malý. Pøi poklesu napájecího napìtí se výstup IO2a pøeklopí do vysoké úrovnì napìtí. Rozsvítí se LED D5 a mìniè se vypne. Pøeklápìcí úroveò vstupního napìtí mìnièe U1 by mìla být 11 až 11,5 V. Použijeme-li Zenerovu diodu D4 se Zenerovým napìtím 5,6 V, bude mít referenèní napìtí pøibližnì nulový teplotní souèinitel. Pøi vypnutí mìnièe nebude zátìž bez napìtí. Pouze se výstupní napìtí zmenší na úroveò vstupního (a dále bude zmenšeno o úbytek napìtí na pojistce Po, na diodì D3 a na cívkách L1 až L3). Pojistka Po na vstupu a dioda D7 chrání mìniè proti pøepólování napájecího napìtí. Pokud je tato situace vylouèena (pevné propojení nebo propojení konektorem, který pøepólování vyluèuje) mùžeme diodu D7 vynechat. Dioda D7 je urèena pro trvalý proud 1 A, krátkodobì (než se pøepálí pojistka) snese proud mnohonásobnì vìtší. Jako D7 je možné použít i diodu 1N5408, kterou pøipájíme na výšku.

Obr. 5. Zvyšující mìniè 12/24 až 36 V

6

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

Na výstupu mìnièe jsou dva filtraèní èlánky LC se souèástkami L2, C6 a L3, C7, které potlaèují zvlnìní výstupního napìtí. Úbytek ss napìtí na èinném odporu cívek L2 a L3, vyvolávaný výstupním proudem I2 mìnièe, je též využíván k omezení maximální velikosti výstupního proudu (na velikost I2 max) proudovou pojistkou. Obvod proudové pojistky obsahuje operaèní zesilovaè IO2b. Pøi malém nebo žádném odbìru výstupního proudu je na neinvertujícím vstupu IO2b napìtí menší než na invertujícím vstupu. Výstup OZ IO2b má nízkou úroveò napìtí, indikaèní LED D6 nesvítí a mìniè mùže pracovat. LED D5, která indikuje zapnutí mìnièe, mùže trochu prosvítat. Pokud by nám to vadilo, zapojíme do série s ní køemíkovou diodu, napø. 1N4148. Pøi zvìtšování výstupního proudu I2 se zvìtšuje úbytek napìtí na èinném odporu cívek L2 a L3 a klesá napìtí na invertujícím vstupu OZ IO2b. Když dostoupí I2 velikosti I2 max, napìtí na obou vstupech OZ IO2b dosáhnou shodné velikosti a výstup IO2b pøejde do vysoké úrovnì napìtí. Rozsvítí se LED D6 a pøi dalším zmenšování odporu zátìže se proud I2 již nebude dále zvìtšovat, ale bude se zmenšovat výstupní napìtí U2. S hodnotami souèástek podle schématu nastane omezování výstupního proudu pøi úbytku napìtí 1,33 V na cívkách L2 a L3. Omezený proud I2 max pak mùžeme vypoèítat podle Ohmova zákona z uvedeného úbytku napìtí a èinného odporu cívek. Kondenzátory C8 a C9 potlaèují spínací kmitoèet na vstupech OZ IO2b. V tomto mìnièi není velikost omezeného proudu nijak pøesnì urèena, proudová pojistka pøedevším chrání diodu D3 pøi zkratu na výstupu. Pokud bychom chtìli obvod proudové pojistky nastavit pøesnì na nìjaký zvolený omezený proud, museli bychom vhodnì upravit odpory rezistorù R9, R10, R11 a R12. Na velikost omezeného proudu má však znaèný vliv relativnì velká teplotní závislost èinného odporu mìdìného drátu, kterým jsou navinuty cívky L2 a L3. V jednodušších aplikacích mùžeme samozøejmì ochranné obvody vynechat, stejnì jako výstupní filtry L2, C6 a L3, C7. Rovnìž použití obvodu pro plynulý nábìh pøi zapnutí (D1, D2, R1, C3) není vždy nutné. Všechny souèástky mìnièe jsou umístìny na jedné DPS s jednostrannými plošnými spoji. Obrazec spojù je na obr. 6, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 7. Tlumivka L1 typu DPU100A3 (z GM Electronic) je navinuta na toroidním jádru, má indukènost 100 µH a je dimenzována na proud 3 A. Má odpor vinutí 0,06 Ω, vnìjší prùmìr 25 mm a výšku 12 mm. Tranzistor T1 a dioda D3 by mìly být (zvláštì pøi vìtším výstupním prou-

Obr. 6. Obrazec plošných spojù zvyšujícího mìnièe 12/24 až 36 V (mìø.: 1 : 1)

Obr. 7. Rozmístìní souèástek na desce zvyšujícího mìnièe 12/24 až 36 V du mìnièe) umístìny na chladiè (nejprve pøišroubovat, potom pøipájet). U diody D3 je prostor pro použití výkonnìjší dvojité diody. Pøedpokládám, že DPS bude pøipevnìna ke chladièi (z hliníkového plechu) nejen prostøednictvím uvedených souèástek, ale i pomocí malého úhelníku. Mechanické uspoøádání je kompatibilní s konstrukcí stereofonního zesilovaèe, který je popisován dále na stranì 11. Jako tlumivky L2 a L3 mùžeme použít buï stejný typ jako L1, nebo jiné typy s menšími rozmìry. Napø. DPU220A1 má indukènost 220 µH a je dimenzována na proud 1 A. Odpor vinutí má 0,196 Ω, prùmìr 15 mm a výšku 9 mm. Použití menšího typu cívky a její pøípadné pøesycení v této aplikaci nevadí, protože nemá vliv na celkovou úèinnost mìnièe. Tyto tlumivky si mùžeme snadno navinout, poèet závitù ani indukènost nejsou kritické. Mùžeme využít toroidní železoprachová jádra ze starých zdrojù k PC. Pokud cívky L2 a L3 navíjíme sami a jejich èinný odpor Rs bude souèasnì využit jako snímací odpor pro obvod proudové pojistky, vypoèítáme jej podle následujícího vzorce: Rs = ρ·l/S, kde ρ je mìrný odpor mìdi 0,0178 Ω·mm2/m, l je délka vodièe vinutí [m] a S je prùøez vodièe [mm2]. Jedná se o velmi malý odpor, který tìžko zmìøíme s dostateènou pøesností bìžným ohmetrem, výpoèet je pøesnìjší. Kapacity kondenzátorù C8 a C9 volíme podle konkrétní aplikace tak, aby obvod proudové pojistky nebyl zdrojem zákmitù na nízkých kmitoètech. V pøípadì, že by mìniè pøi malé zátìži pískal v akustickém pásmu, zmenšíme ponìkud hodnoty souèástek R2 a C4. Zvýšíme tak provozní kmitoèet.

Úèinnost mìnièe je okolo 80 %, jak je u tohoto typu zapojení obvyklé. Pøi oživování doporuèuji úèinnost ovìøit.

Seznam souèástek R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 D1, D2 D2 D3 D4 D5 D6 D7 T1 IO1 IO2 L1 L2, L3

1,2 MΩ, miniaturní 4,7 kΩ, miniaturní 30 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní 150 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 2,4 kΩ/1 %/0,6 W 200 Ω/1 %/0,6 W 2x 470 µF/16 V, radiální 100 nF, keramický 47 µF/16 V, radiální 3,3 nF, keramický 2x 470 µF/35 V, radiální 470 µF/35 V 470 µF/35 V, radiální 1N4148 1N5821 MBR1045 BZX83V005.6 LED (èervená) LED (žlutá) 1N4007 (1N5408) IRF530N UC3843 TL074 DPU100A3 viz text

DPS stojí 37 Kè, souèástky 278 Kè

Snižující mìniè 24/12 V Tento mìniè poskytuje výstupní proud øádu jednotek ampér a je urèen pro napájení spotøebièù, které nepotøebují pøíliš dobøe filtrované napájecí na-

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

7

Obr. 8. Snižující mìniè 24/12 V

pìtí (nabíjení autobaterií, rùzné motory apod.). Zapojení je proto co možná nejjednodušší (obr. 8). Podobný mìniè s výstupním proudem 10 až 20 A jsem publikoval v KE 4/2003. Stejnì jako u pøedcházejícího zvyšujícího mìnièe jsem použil pro øízení tohoto snižujícího mìnièe obvod UC3843 (IO1). Pro buzení spínacího tranzistoru PMOS musí být signál z IO1 invertován bipolárním tranzistorem T2, který pro zajištìní dostateèné rychlosti spínání je doplnìn Schottkyho antisaturaèní diodou D2. Vstup mìnièe je chránìn tavnou pojistkou Po a diodou D1 proti pøepólování napájecího napìtí. Výstupní napìtí mìnièe U2 je urèováno dìlièem R10, R11, který zmenšuje výstupní napìtí na velikost referenèního napìtí 2,5 V. Platí: U2 = 2,5·(R10 + R11)/R10

[V; V, Ω].

Pokud bychom chtìli nastavit výstupní napìtí pøesnì, pøidávali bychom k R10 nebo k R11 paralelnì další rezistory. Dìliè složený z rezistorù R1 a R4 zajišuje, aby napìtí UGE tranzistoru T1 nepøesáhlo 15 V. Paralelnì k rezistoru R1 se èasto zapojuje Zenerova dioda se Zenerovým napìtím 15 V. Obvod omezení výstupního proudu I2 mìnièe je tvoøen tranzistorem T3. Pokud je na emitoru T3 napìtí o 0,65 V vìtší než napìtí na bázi, tranzistor se otevøe a napìtí na vývodu 3 IO1 se zvìtší nad 1 V. Režim proudového omezení je indikován diodou LED D4. Proudová pojistka je pøedevším urèena k ochranì tranzistoru T1 pøed proudovým pøetížením pøi zkratu na výstupu. Tavná pojistka by na ochranu T1 nestaèila, je pøíliš pomalá. Velikost proudu I2 max, pøi kterém zaèíná proudová pojistka pracovat, je urèována odporem rezistoru R7 podle vztahu: I2 max = 0,65/R7

Obr. 10. Rozmístìní souèástek na desce snižujícího mìnièe 24/12 V stojato. Doporuèuji ji k desce vhodným zpùsobem upevnit, napø. Lukoprénem nebo epoxidem. Aby nebyla deska s chladièem mechanicky spojena pouze prostøednictvím vývodù souèástek T1 a D3, je na ní místo pro upevòovací úhelník.

Seznam souèástek

[A; V, Ω].

Rezistory s odporem menším než 1 Ω se vyrábìjí pouze ve výkonovém provedení. Nìkdy je proto lepší složit rezitor R7 z nìkolika rezistorù o odporu 1 Ω zapojených paralelnì. Obvod pro pomalý rozbìh jsem v této aplikaci vynechal. Všechny souèástky jsou na jedné DPS s jednostrannými spoji. Obrazec spojù je na obr. 9, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 10. Tranzitor T1 a diodu D3 pøišroubujeme k malému hliníkovému chladièi (nejdøív pøišroubovat, potom pøipájet). Montហtlumivky pøedpokládám na-

8

Obr. 9. Obrazec plošných spojù snižujícího mìnièe 24/12 V (mìø.: 1 : 1)

R1 R2 R3 R4 R5, R9 R6 R7 R8 R10 R11 C1 C2 C3 C4 D1

200 Ω/0,6 W 4,7 kΩ, miniaturní 30 kΩ, miniaturní 82 Ω/0,6 W 3,9 kΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní viz text 470 Ω, miniaturní 200 Ω, miniaturní 760 Ω, viz text 470 µF/35 V 3,3 nF, keramický 100 nF, keramický 470 µF/16 V 1N4007 (1N5408)

D2 D3 D4 T1 T2 IO1 L1

1N5818 MBR1045 LED (èervená) IRF9530 BC547 B UC3843 DPU100A3

DPS stojí 39 Kè, souèástky 188 Kè

Stabilizovaný zdroj pro malé výstupní proudy Èasto se stává, že ze zdroje ss napìtí 12 nebo 24 V potøebujeme nabíjet nebo napájet mobilní telefon, kameru, digitální fotoaparát, GPS nebo notebook a že k tomu potøebujeme zmenšit napìtí. Použití monolitických stabilizátorù je nejjednodušším øešením. V KE 5/2005 jsem takový zdroj s omezením výstupního proudu s obvodem MA7805 popsal.

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

Obr. 11. Stabilizovaný zdroj pro malé výstupní proudy

UOUT = 1,25·[1 + (R2/R1)]

Obr. 12. Obrazec plošných spojù stabilizovaného zdroje (mìø.: 1 : 1)

D2

DPS stojí 9 Kè, souèástky 35 Kè

Snižující mìniè pro malé výstupní proudy

Obr. 13. Rozmístìní souèástek na desce stabilizovaného zdroje Zde uvedu zapojení stabilizovaného zdroje s obvodem LM317, který vìtšina ètenáøù jistì dobøe zná. Schéma zdroje je na obr. 11. Výstupní napìtí U 2 vypoèítáme podle vzorce: U2 = 1,25·[1 + (R2/R1)]

[V; V, Ω].

Odpory rezistorù R1 a R2 volíme v øádu stovek Ω až jednotek kΩ. Vývodem ADJ IO1 teèe proud asi 50 µA, který na rezistoru R2 vyvolá urèitý úbytek napìtí. Ten pøipoèítáváme k výstupnímu napìtí. Pokud zdroj používáme jako nabíjeèku, mùžeme pomocí rezistoru R3 omezit výstupní nabíjecí proud I2 na libovolnou velikost. Obvod LM317 pracuje s minimálním rozdílem vstupního a výstupního napìtí 2 V. Proto platí: I2 = (U1 - U2 - 2)/R3

[A; V, Ω],

kde U1 je vstupní a U2 je výstupní napìtí zdroje. Pokud chceme, mùžeme diodou LED D1 detekovat ukonèení nabíjení. Na konci nabíjení se úbytek napìtí na rezistoru R3 zmenší a LED D1 zhasne. Rezistor R4 omezuje proud LED, který volíme asi ILED = 5 mA, úbytek na LED pøedpokládáme 2 V. Odpor rezistoru R4 vypoèteme podle vztahu: R4 = (U1 - U2 + 2 + 2)/ILED [Ω; V, A], Dioda D2 chrání obvod IO1 proti pøepólování napájecího napìtí. Pokud chceme, aby na ní byl malý úbytek napìtí, použijeme Schottkyho diodu (1N5818). Souèástky zdroje jsou pøipájené na DPS s jednostrannými spoji. Obrazec spojù je na obr. 12, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 13.

Seznam souèástek R1, R2, R3, R4 C1 IO1 D1

1N5818 nebo 1N4007

viz text 100 nF, keramický LM317T LED

Pøi vìtším a èastìjším odbìru proudu, zvláštì v síti 24 V, nám však mohou vadit velké tepelné ztráty vznikající ve zdroji s lineárním stabilizátorem. Monolitický lineární stabilizátor se chová jako promìnný odpor, který je v sérii se zátìží. Nìkdy ztráty na nìm mnohonásobnì pøesahují užiteèný výkon. Ztráty lze zmenšit použitím impulsního snižujícího mìnièe. Jeho úèinnost je pøibližnì 80 %, a je rozdíl vstupního a výstupního napìtí jakýkoliv. Schéma snižujícího mìnièe s malým výstupním proudem je na obr. 14. Tato konstrukce jistì najde uplatnìní na expedicích, kde je zdrojem energie malý solární panel, který lze pøipevnit i k batohu a kterým je možné za chùze nabíjet rùzné akumulátory. Takto získaná elektrická energie pak musí sloužit k nabíjení akumulátorkù s rùzným napìtím co nejhospodárnìji. Mìniè je realizován s integrovaným obvodem MC33063A (IO1), který pracuje pøi napájecím napìtí 3 až 40 V, umožòuje spínat maximální proud 1,5 A a má pracovní frekvenci do 100 kHz. Pøi kapacitì 1 nF kondenzátoru C4 je pracovní kmitoèet 33 kHz. Klidový napájecí proud IO1 je 100 µA. Èást výstupního napìtí je pøivedena na vývod 5 IO1, kde se porovnává s referenèním napìtím 1,25 V (pøesnost 2 %). Výstupní napìtí mìnièe UOUT vypoèítáme podle vztahu:

[V; V, Ω].

Vhodnou volbou odporu rezistorù R1 a R2 dosáhneme požadované výstupní napìtí. Na DPS je místo pro pøípadné pøidání paralelních rezistorù R1a a R2a pro pøesné nastavení výstupního napìtí. Je to spolehlivìjší než používat trimr. Odpor rezistorù R1 a R2 volíme v øádu stovek Ω až jednotek kΩ, aby zároveò tvoøily pro mìniè pøedzátìž. Mùžeme samozøejmì k regulaci výstupního napìtí použít potenciometr nebo pøepínaè. Vnitøní zapojení obvodu MC33063A bylo publikováno v KE 4/2003. Mezi jeho vývody 6 a 7 mùže být zapojen rezistor R3, kterým protéká vstupní proud. Je-li na nìm úbytek napìtí 0,3 V (0,25 až 0,35 V), vstupní proud se omezí. Snižující mìniè s tímto integrovaným obvodem má podle údajù výrobce úèinnost 83,7 %. Schottkyho dioda D2 chrání obvod IO1 proti pøepólování napájecího napìtí. V tomto mìnièi jsem vzhledem k malým požadavkùm na výstupní proud a také kvùli malým rozmìrùm použil tlumivku TL.100 µH z prodejny GM Electronic. Její parametry jsou: 100 µH, 1,7 Ω, 370 mA, Q = 40. Pøi oživování jsem zjistil, že úèinnosti okolo 80 % lze dosáhnout jen pøi dostateènì vysokém provozním kmitoètu, zhruba 100 kHz. Pøi polovièním kmitoètu (C1 = 1 nF) byla úèinnost zhruba 50 %, pravdìpodobnì vinou pøesycení cívky, která je navinuta na feritovém jádru. Souèástky zdroje jsou pøipájené na DPS s jednostrannými spoji. Obrazec spojù je na obr. 15, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 16.

Seznam souèástek R1, R2, R3 C1 C2 L1 D1 D2 IO1

miniaturní, viz text 470 pF, keramický 100 µF/10 V, radiální TL.100 µH 1N5818 (Sch. dioda) 1N5818 (Sch. dioda) MC33063A

DPS stojí 12 Kè, souèástky 48 Kè Obr. 15. Obrazec plošných spojù snižujícího mìnièe (mìø.: 1 : 1)

Obr. 16. Rozmístìní souèástek na desce snižujícího mìnièe

Napájení nf zesilovaèù z autobaterie 12 V Každý jistì ví, že maximální výkon zesilovaèe je v první øadì urèen jeho napájecím napìtím. Pro výkon P zesilovaèe platí: P = UZ ef2/RZ

[W; V, Ω],

Obr. 14. Snižující mìniè pro malé výstupní proudy

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

9

kde UZ ef je efektivní hodnota støídavého napìtí na zátìži a RZ je impedance (odpor) zátìže. Mezivrcholový rozkmit napìtí na zátìži je UZ mv = UZ ef·2√2. Tento mezivrcholový rozkmit napìtí je vždy menší než napájecí napìtí zesilovaèe, a to o souèet saturaèních napìtí obou koncových tranzistorù v zesilovaèi. Za ideálního pøedpokladu, že napìtí baterie bude 12 V a že saturaèní napìtí koncových tranzistorù bude nulové, by mohl zesilovaè do zátìže o odporu 4 Ω dodávat výkon maximálnì 4,4 W. Skuteèný výkon v praxi dosáhne maximálnì 3,5 W. Existují tøi zpùsoby, jak tento výkon zvìtšit: 1) Použije se mùstkové zapojení zesilovaèe a k nìmu se pøipojí zátìž s co nejmenší impedancí. Zapojením dvou koncových stupòù nf zesilovaèe do mùstku se výkon zeètyønásobí (pøi konstantním odporu zátìže), zmenšením odporu zátìže na polovinu se výkon dále zdvojnásobí (pøi konstantním rozkmitu napìtí na zátìži). Musíme si však uvìdomit, že do zátìže s malým odporem teèe znaèný proud, na který musí být tranzistory koncového stupnì dimenzovány! Použitím mùstkového zapojení zesilovaèe a zátìže s odporem 2 Ω mùžeme pøi napájecím napìtí 12 V dosáhnout v ideálním pøípadì maximálního výkonu 4,4·4·2 = 35,2 W. Skuteèný maximální dosažitelný výkon je však asi jen 25 W, protože pøi velkém rozkmitu proudu do zátìže se ve zvýšené míøe uplatòují saturaèní napìtí koncových tranzistorù a úbytky napìtí na vodièích. Pro použití v mùstkových zesilovaèích jsou vhodné integrované obvody øady TDA2003 až 2009 a novìjší øady TDA8560Q, TDA8563Q, TDA8566Q. U obvodù TDA85xxQ je zátìž vždy zapojena do mùstku. 2) Použije se zesilovaè pracující ve tøídì H, který si pro dosažení potøebného výkonu sám zvìtšuje napájecí napìtí. Na trhu je pro tento úèel k dispozici napø. obvod TDA1562Q. Zjednodušenì øeèeno, je to obvod, který je kombinací bìžného výkonového mùstkového nf zesilovaèe pracujícího ve tøídì AB a násobièe napìtí. Pøi malém výkonu a malé amplitudì vstupního napìtí pracuje obvod jako bìžný zesilovaè a kondenzátory C4, C5 (viz obr. 20) se nabíjejí napájecím napìtím (obr. 21, poloha A pøepínaèù). Pøi vìtším vybuzení se kondenzátory pøepnou tak, aby se jejich napìtí seèetlo s napájecím napìtím (obr. 22, poloha B pøepínaèù). Tím se zvìtší napájecí napìtí a výstupní výkon zesilovaèe. Tento princip èinnosti pøekvapivì nezvìtšuje zkreslení. Výrobce uvádí pøi výkonu 1 W zkreslení 0,03 %. Pøi napájecím napìtí 14,4 V a pøi zátìži 4 Ω dává zesilovaè TDA1562Q výkon 55 W pøi zkreslení 0,5 % a 70 W pøi zkreslení 10 %.

10

3) Zesilovaè se napájí napìtím vìtším než 12 V, které získáváme ze zvyšujícího mìnièe DC/DC. Vhodný mìniè 12/24 až 36 V je popsán v tomto èísle KE na str. 6. Jak již bylo øeèeno, maximální výkon zesilovaèe je zhruba úmìrný druhé mocninì napájecího napìtí. Použitím napájecího napìtí 30 až 36 V dosáhneme v ideálním pøípadì maximálního výkonu 40,5 W do zátìže 4 Ω a 20,25 W do zátìže 8 Ω. Jako výkonové zesilovaèe pak použijeme obvody TDA2030, TDA2040 nebo TDA2050. Zapojení s nimi jsem podrobnìji popsal již døíve v KE 4/2002. Pokud hovoøím o výkonu, mám na mysli výkon sinusový. To je takový výkon, který mùže dodávat zesilovaè do zátìže trvale. Mùžeme jej zmìøit pomìrnì snadno, staèí k tomu tónový generátor a osciloskop. Pokud nemáme k dispozici mìøiè zkreslení, staèí vìdìt, že zaèátek limitace signálu pozorovatelný osciloskopem odpovídá zkreslení asi 1 %. Nìkteøí výrobci hledají øešení problému s malým výkonem zesilovaèe v uvádìní extrémnì velkých špièkových výkonù. Jedná se èasto o hodnoty odporující fyzikálním zákonùm, u kterých není jasné, jak byly zmìøeny. Prý se jedná o výkon, který je zesilovaè schopen dodávat po zlomky sekund.

Dvoukanálový mùstkový nf zesilovaè s TDA8560Q Schéma velmi jednoduchého zesilovaèe s obvodem TDA8560Q (IO1) je na obr. 17. Obvod obsahuje dva zesilovaèe s celkem ètyømi koncovými stupni, z nichž vždy dva a dva tvoøí mùstkový výkonový zesilovaè. Výrobce udává pro napájecí napìtí 14,4 V, zkreslení 10 % a impedanci zátìže 4 Ω výkon 2x 25 W. Obvod mùže v mùstkovém zapojení pracovat i do zátìže 2 Ω s výkonem až 2x 40 W. Provozní napìtí obvodu TDA8560Q je 6 až 18 V, klidový proud je 115 mA, proud v režimu STANDBY je 0,1 µA, vstupní odpor 25 až 30 kΩ, zisk 40 dB, pouzdro SIL13.

Obr. 18. Obrazec plošných spojù nf zesilovaèe s TDA8560Q (mìø.: 1 : 1)

Obr. 19. Rozmístìní souèástek na desce nf zesilovaèe s TDA8560Q Integrovaný zesilovaè TDA8560Q je vybaven ochranami proti zkratu na výstupu, pøepìtí napájecího napìtí (do 30 V), odpojení zátìže, pøehøátí a zkreslení na výstupu. Aktivace ochran je indikována úrovní L (napìtím menším než 0,6 V) na výstupu diagnostika (DIAG). Velikostí napìtí pøivádìného na vstup MODE se pøepíná režim zesilovaèe. Napìtím 0 až 2 V na tomto vstupu je urèen režim STANDBY, napìtím 3,3 až 6,4 V je urèen režim MUTE (omezený výkon) a napìtím 8,5 V a vìtším je urèen režim plného výkonu. Obvod stojí 139 Kè (podle katalogu GM Electronic 2006). Souèástky zesilovaèe s obvodem TDA8560Q jsou pøipájené na malé DPS s jednostrannými spoji. Obrazec spojù je na obr. 18, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 19.

Seznam souèástek R1 C1, C2 C3 C4 IO1

10 kΩ, miniaturní 470 nF, keramický 100 nF, keramický 2200 µF/16 V, radiální TDA8560Q

DPS stojí 15 Kè, souèástky 269 Kè

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

Obr. 17. Nf zesilovaè s TDA8560Q

vstup L

vstup R

do zesilovaèe pro subwoofer

Obr. 25. Nejjednodušší kmitoètová výhybka pro subwoofer Obr. 20. Nf zesilovaè s TDA1562Q

Obvod stojí 170 Kè (podle katalogu GM Electronic 2006). DPS pro zesilovaè, kterou zde uvádím, je v jednokanálovém (monofonním) provedení. Obrazec spojù je na obr. 23, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 24. Tento jednokanálový zesilovaè mùže být použit k buzení subwooferu. Zapojení jednoduché výhybky, která sluèuje basové signály z levého (L) a pravého (P) stereofonního kanálu do zesilovaèe pro subwoofer, je na obr. 25.

Seznam souèástek Obr. 21. Nabíjení kondenzátoru C4 z obr. 20 napájecím napìtím +Un Obr. 23. Obrazec plošných spojù nf zesilovaèe s TDA1562Q (mìø.: 1 : 1)

R1 C1, C2 C3 C4, C5 C6 C7 IO1

10 kΩ, miniaturní 100 nF, keramický 10 µF/16 V, radiální 4700 µF/25 V, radiální 100 nF, keramický 2200 µF/16 V, radiální TDA1562Q

DPS stojí 28 Kè, souèástky 439 Kè

Stereofonní zesilovaè s obvody TDA2030A napájený z mìnièe DC/DC

Obr. 22. Zdvojnásobení napájecího napìtí zesilovaèe sériovým spojením napájecího napìtí +Un a napìtí na kondenzátoru C4

Jednokanálový nf zesilovaè ve tøídì H s TDA1562Q Schéma nf zesilovaèe s obvodem TDA1562Q, který pracuje ve tøídì H, je na obr. 20. Jedná se o velmi jednoduché katalogové zapojení. Princip zvyšování napájecího napìtí, charakteristický pro tøídu H, vyplývá z obr. 21 a obr. 22. Provozní napìtí obvodu TDA1562Q je 8 až 14,4 V, maximální napájecí napìtí je 18 V. Absolutní maximum napájecího napìtí, pøi kterém je už zesilovaè úplnì vypnutý, je 30 V. Klidový proud obvodu je 110 až 150 mA, proud v režimu STANDBY je 3 až 50 µA, vstupní odpor 90 až 150 kΩ, zisk 25 až 27 dB, pouzdro SIL17. Obvod je vybaven ochranami proti zkratu na výstupu, odpojení zátìže, pøehøátí a zkreslení na výstupu. Tyto provozní stavy jsou indikováním úrovní L (napìtím menším než 0,6 V) na výstupu diagnostika. Indikace zkreslení na výstupu (Dynamic distortion detektor - DDC) se používá k pøípadnému øízení zisku pøedzesilovaèe, který èasto obsahuje zvukový procesor. Pøi teplotì do 120 °C mùže zesilovaè pracovat ve tøídì H. Pøi vìtší tep-

Obr. 24. Rozmístìní souèástek na desce nf zesilovaèe s TDA1562Q lotì se automaticky pøepíná na menší výkon, aby se zmenšila jeho výkonová ztráta. Tento stav je signalizován støední úrovní napìtí na výstupu STATUS. Tento vývod mùže sloužit i jako vstup pro funkci snížení výkonu (fast mute). Bližší informace viz www.semiconductors.philips.com. Napìtím na vstupu MODE se pøepíná režim zesilovaèe. Napìtím 0 V je urèen režim STANDBY, napìtím 3,3 až 4,2 V je urèen režim MUTE (omezený výkon, tøída B) a vysokou úrovní napìtí je urèen režim plného výkonu. Pøipojením zpožïovacího èlánku RC s èasovou konstantou asi 1 s na vstup MODE zajistíme pomalý nábìh zesilovaèe. Vidíme, že k zapínání a vypínání tohoto zesilovaèe není vìtšinou potøebný výkonový spínaè dimenzovaný na proud 8 A. Proud v režimu STANDBY je vìtšinou zanedbatelný.

Následující konstrukèní návod je urèen tìm, kteøí chtìjí napájet nf zesilovaè z mìnièe 12/24 až 36 V popsaného v tomto èísle KE na str. 6. DPS obou konstrukcí jsou spolu mechanicky kompatibilní, šíøka obou DPS je shodná a umožòuje je upevnit k jednomu chladièi. Pro obvod TDA2030A udává výrobce následující parametry: napájecí napìtí 6 až 44 V, klidový proud 50 mA (max. 80 mA), maximální výstupní proud 3,5 A, zisk s otevøenou zpìtnovazební smyèkou 80 dB, vstupní odpor 5 MΩ (min. 0,5 MΩ), zkreslení pod 0,1 % pøi výkonu do 14 W, doporuèené max. napájecí napìtí 36 V, maximální sinusový výkon 18 W. Obvod má ochranu proti zkratu a tepelnou pojistku. V datasheetu je uvedeno i jeho mùstkové zapojení a zapojení s proudovým boosterem se dvìma komplementárními výkonovými tranzistory. Dále jsou na trhu velmi podobné obvody TDA2040 (doporuèené max. napájecí napìtí 40 V, výkon 20 W) a TDA2050 (doporuèené max. napájecí napìtí 44 V, výkon 25 W). Všechny tyto obvody pracují se stejným zapojením, liší se pouze maximálním povoleným napájecím napìtím a tím i maximálním výkonem. DPS bude pro všechny tyto typy IO stejná. Zesilovaè je možné použít i tam, kde je k dispozi-

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

11

ci napìtí 24 V, výkon bude ale pouze okolo 10 W. Zesilovaè mùžeme pochopitelnì využít i pro síové napájení, mùstkový usmìròovaè (napø. B250C1500) mùžeme umístit na DPS (místo kondenzátoru C8a) nebo jej pøipájíme na vývody napájecího síového transformátoru. Pøi napájení síovým napìtím, které není stabilizováno, radìji nezapomeneme na to, že kolísá v rozmezí +10 až -15 %. Abychom obvod neznièili, musíme ss napájecí napìtí volit radìji ponìkud nižší než je doporuèené max. napájecí napìtí IO. Pøi poklesu napájecího napìtí pak ale zesilovaè neposkytne plný výkon. Pøi napájení zesilovaèe z mìnièe se v mìnièi ztrácí èást energie. Není to ale pøíliš podstatné. Maximální výkon dává zesilovaè pouze krátkodobì, støední hodnota výkonu je pøi kvalitním poslechu nìkolikanásobnì menší. Ztráty v mìnièi nejsou energeticky pøíliš významné. Dále bychom nemìli zapomínat na skuteènost, že úroveò hlasitosti je daná nejen výkonem zesilovaèe, ale také citlivostí reproduktorových soustav. Pøírùstek hlasitosti zpùsobený zdvojnásobením výkonu odpovídá použití reproduktorových soustav s citlivostí vìtší o 3 dB. Ke zvìtšení hlasitosti o 10 dB musíme výkon zesilovaèe zdesateronásobit. Tam, kde není k dispozici síové napìtí, doporuèuji radìji používat citlivìjší reproduktorové soustavy, než se snažit získat maximální výkon zesilovaèe. V automobilu se z rozmìrových dùvodù dává pøednost vìtším výkonùm zesilovaèe a ménì citlivým soustavám, protože k dosažení dobré citlivosti je zapotøebí vìtší prùmìr reproduktorù. Spínané zdroje a mìnièe napìtí oproti zdrojùm s lineárními stabilizátory nebo nestabilizovaným pomaleji reagují na náhlé zmìny odbìru proudu. Zesilovaèe se zase vyznaèují náhlými zmìnami výkonu a tím i odbìru proudu. To vyvolává obavy ze zakmitávání napájecího napìtí, které by mohlo být pøíèinou zkreslení signálu. Èím je vyšší provozní kmitoèet mìnièe, tím rychleji mìniè reaguje na zmìny odbìru proudu. Pøípadné zákmity se dostanou do nadakustické oblasti kmitoètù. S rostoucí provozní frekvencí mìnièe však rostou ztráty a klesá úèinnost. Proto doporuèuji blokovat napájecí napìtí zesilovaèe kondenzátorem C8 s dostateènì velkou kapacitou øádu tisícù µF, která zpomalí náhlé zmìny napájecího napìtí. Zda je toto blokování skuteènì nezbytné, nemám možnost spolehlivì zjistit. Podrobný rozbor této problematiky by pøesáhl rozsah tohoto èlánku. Vìøím však, že se na stránkách tohoto èasopisu èasem objeví podrobnìjší analýza uvedeného problému. Schéma zesilovaèe je na obr. 26. Jedná se vlastnì o samotný výkonový zesilovaè (stereofonní) s obvody TDA2030A (IO1, IO11). Tyto IO jsou pravé operaèní zesilovaèe, princip jejich èinnosti a vzorce

12

Obr. 26. Stereofonní zesilovaè s obvody TDA2030A pro výpoèet zesílení jsou stejné, jako u bìžných OZ. Obvody TDA2030A jsou použity v neinvertujícím zapojení. Jejich zesílení je dáno vzorcem: AU L = 1 + (R2/R3)

[-; Ω, Ω],

resp.: AU P = 1 + (R12/R13)

[-; Ω, Ω],

Zesilovaè napìovì zesiluje asi 4x, což odpovídá použití zdroje signálu, který již v sobì obsahuje pøedzesilovaè s dostateèným zesílením, a poskytuje dostateènì silný signál. Menší zesílení výkonového zesilovaèe a vìtší zesílení pøedzesilovaèe bývá vìtšinou výhodnìjší z hlediska dosažení maximálního odstupu od rušivých napìtí (šum, brum). Pokud zdroj signálu nedokáže plnì vybudit výkonový zesilovaè, zvìtšíme zesílení výkonového zesilovaèe zvìtšením odporu rezistorù R2 a R12. Zesílení však nesmíme pøehánìt, pøi maximální velikosti vstupního signálu by mìl být výkonový zesilovaè tìsnì pøed hranicí limitace. Zesilovaè nemá regulátor hlasitosti, pøedpokládám, že zdrojem signálu bude diskman, pøehrávaè MP3 apod., tedy zaøízení, které již regulátor hlasi-

tosti obsahuje. Vstup zesilovaèe se pøipojí ke sluchátkovému výstupu zdroje signálu. Napájecí napìtí zesilovaèe je maximálnì 36 V, v našem pøípadì pøipadá v úvahu pouze nesymetrické napájení. Reproduktor musí být oddìlen od výstupu zesilovaèe vazebním kondenzátorem, to má však výhodu, že pøi eventuálním znièení koncového stupnì se neznièí reproduktor, na který nesmí být v žádném pøípadì pøivedeno stejnosmìrné napìtí. Další výhodou nesymetrického zapojení je trvalá jednoznaèná polarizace všech oddìlovacích elektrolytických kondenzátorù. Pøi symetrickém napájení by takový kondenzátor nemìl stejnosmìrné pøedpìtí a èasem by mohl ztratit kapacitu a zhoršit pøenos nízkých kmitoètù. Jedinou nevýhodou nesymetrického zapojení je pøechodový jev (lupnutí) pøi zapnutí nebo vypnutí zesilovaèe. Pøi nesymetrickém napájení se vytváøí odporovým dìlièem se souèástkami R5, R6 a C7 tzv. virtuální zem, která má pro výkonové OZ potenciál poloviny napájecího napìtí. Tento dìliè mùže být spoleèný pro více koncových stupòù. Nedoporuèuji ale, aby byl spoleèný i pro obvody pøípadného pøedzesilovaèe.

Obr. 27. Obrazec plošných spojù stereofonního zesilovaèe s obvody TDA2030A (mìø.: 1 : 1)

Obr. 28. Rozmístìní souèástek na desce stereofonního zesilovaèe s obvody TDA2030A

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

Velkou péèi musíme pøi stavbì koncového stupòù vìnovat stabilitì. To znamená blokovat napájecí napìtí keramickým kondenzátorem C5 a na výstup zapojit Boucherottùv èlen R4, C4. Nejdùležitìjší je umístit tyto souèástky co možná nejblíže integrovanému obvodu. Podle výrobce mùže mít kondenzátor C4 kapacitu buï 100 nF, nebo 220 nF. V pøípadì nestability zvolíme vìtší kapacitu. Na desce je místo pro pøípadné zapojení kondenzátorù C2 a C12, které potlaèují nadakustické kmitoèty a zabraòují oscilacím. Pøi oživování se mi ale tyto kondenzátory neosvìdèily, a proto jsem je nepoužil. Pozn. red.: Výrobcem doporuèené napìové zesílení obvodu TDA2030 je asi 20. Pøi menším zesílení má tento IO sklon ke kmitání, jednotkové zesílení nelze bez kmitání vùbec dosáhnout. Pokud by popisovaný zesilovaè pøi uvedeném zesílení 4x kmital, je nejjednodušší kmitání odstranit zvìtšením zesílení na 20 a nf signál na vstupu 5x zeslabit odporovým dìlièem (trimrem). Výrobcem doporuèené hodnoty souèástek ve zpìtnovazebním dìlièi pro zesílení 20x jsou: C3 (C13) = 2,2 µF/50 V, R3 (R13) = 4,7 kΩ a R2 (R12) = 100 kΩ, C2 (C12) odpadá. Na desce je rovnìž místo pro filtraèní kondenzátory C8 a C8a. Pøi napájení ze sítì je jeho dostateèná kapacita zárukou potlaèení brumu 100 Hz. Pøi malém zesílení se tento brum projevuje ménì než pøi velkém zesílení. Proto doporuèuji realizovat vìtší èást zesílení v pøedzesilovaèi, který je napájen stabilizovaným a lépe filtrovaným napìtím. Pøenos nízkých kmitoètù omezují èlánky R1C1, R3C3 a RzátìžeC6, pøenos vysokých kmitoètù omezuje èlánek R2C2. Mezní kmitoèty tìchto èlánkù vypoèítáme ze vztahu fm = 1/(2·π·R·C). Levý i pravý kanál zesilovaèe jsou zapojeny shodnì. Souèástky pravého kanálu mají èísla o desítku vyšší než souèástky levého kanálu. Souèástky spoleèné pro oba kanály (zdroj a obvod virtuální zemì) mají èíslo vždy menší než deset. Všechny souèástky zesilovaèe jsou pøipájeny na jedné DPS s jednostrannými spoji. Obrazec spojù je na obr. 27, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 28. Integrované obvody musí být pøišroubovány k chladièi. Nejprve k chladièi upevníme pomocí úhelníku DPS. Potom k chladièi pøišroubujeme IO, které nakonec pøipájíme do desky. Tepelné spojení integrovaných obvodù s chladièem zlepšíme pomocí tepelnì vodivé pasty, kterou lehce potøeme dosedací plochy. Obvody TDA2030 jsou vodivì spojeny s chladièem svým nejzápornìjším vývodem (vývod 3). Pøi oživování koncových zesilovaèù doporuèuji vždy maximální soustøedìní a opatrnost. Každá nepozornost se trestá spálením souèástek. Zvláštì za-

èáteèníkùm proto doporuèuji dodržovat následující zásady: Jednotlivé výkonové integrované obvody je vhodné napájet pøes zvláštní pojistku. Pøípadná porucha se snadnìji najde a opraví, oživování je jednodušší. Nejprve místo pojistky zapojíme rezistor (100 Ω/6 W) a kontrolujeme na nìm úbytek napìtí, který musí odpovídat pøedpokládanému klidovému proudu zesilovaèe (v našem pøípadì do 100 mA). Dále zkontrolujeme stejnosmìrné napìtí na výstupu integrovaného obvodu, které musí být rovno napìtí virtuální zemì. Rukou (brum 50 Hz) nebo generátorem zavedeme na vstup zkušební signál a reproduktorem pøipojeným na výstup zkontrolujeme, zda je zesilovaè „živý“. Místo reproduktoru mùžeme k výstupu pøipojit pøes rezistor sluchátka. Pokud je vše v poøádku, odpojíme z držáku pojistky rezistor a vložíme pojistku. Opìt zkontrolujeme pracovní bod integrovaného obvodu, na jehož výstupu musí být polovina napájecího napìtí. Do napájecího pøívodu zesilovaèe zapojíme ampérmetr a zkontrolujeme proudový odbìr. Ten by se nemìl zmìnit pøi pøipojení zátìže, pokud zesilovaè nekmitá. Podle možností zkontrolujeme výstupní signál zesilovaèe osciloskopem. Pokud tuto možnost nemáme, pozorujeme chvíli, jestli se pouzdro integrovaného obvodu pøíliš nezahøívá (což by bylo pøíznakem kmitání zesilovaèe).

Je-li vše v poøádku, pøipojíme zdroj nf signálu a reproduktor. Postupnì zvyšujeme úroveò signálu na vstupu zesilovaèe. Kontrolujeme teplotu integrovaného obvodu. Mezi ním a chladièem musí být dobrý tepelný kontakt. Souèasnì sluchem kontrolujeme kvalitu výstupního signálu. Použití osciloskopu a generátoru není pøi oživování zesilovaèe nezbytností. Je-li na výstupu integrovaného obvodu polovina napájecího napìtí, je zaruèená symetrická limitace signálu.

Seznam souèástek R1, R11 R2, R12, R3, R13 R4, R14 R5 R6 C1, C11, C2, C12 C3, C13 C4, C14, C5, C15 C6, C16 C7 C8 IO1, IO11

120 kΩ, miniaturní 390 kΩ, miniaturní, viz text 120 kΩ, miniaturní 1 Ω, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 100 nF, keramický viz text, nezapojovat 100 nF, keramický 100 nF, keramický, viz text 100 nF, keramický 1000 µF/25 V 100 µF/25 V 2200 až 4700 µF/35 V,   viz text TDA2030A

DPS stojí 29 Kè, souèástky 175 Kè

Síové multifunkèní relé Pod tímto názvem se vyrábìjí obvody, které monitorují kvalitu síového napìtí. Mìøí kmitoèet sítì, pøepìtí nebo podpìtí, kontrolují poøadí fází. V pøípadì poruchových stavù odpojí zátìž. Další obvody tohoto typu realizují èasové zpoždìní, pøipojují nebo naopak odpojují zátìž po urèité dobì od pøivedení povelového signálu. Ceny takových profesionálnì vyrobených obvodù se pohybují v øádu tisícù Kè. Pøitom náklady na jejich stavbu jsou minimální. Následující tématický celek pøedstavuje modulární koncepci multifunkèního relé, které obsahuje moduly: • napájecího zdroje a jednofázového nebo tøífázového spínaèe zátìže, • indikátoru pøepìtí a podpìtí sítì, • indikátoru síového kmitoètu, • univerzálního øídicího obvodu spolupracujícího se snímaèi teploty, svìtla apod., • indikátoru sledu fází, • èasovaèe a zpožïovacího obvodu, • indikátoru sledu fází a • indikátoru velikosti síového napìtí. Z uvedených modulù mùžeme sestavit øídicí obvody pro velké množství

rùzných aplikací a pro rùzné požadavky uživatelù. Jednotlivé moduly jsem dùkladnì popsal, aby pøípadná úprava jejich vlastností neèinila problémy. Konstrukèní návody jsou urèeny pokroèilejším zájemcùm, kteøí si je dovedou pøizpùsobit svým konkrétním požadavkùm a kteøí jsou schopni bezpeènì pracovat se síovým napìtím. Obvody modulù jsou galvanicky spojeny se sítí. Pøi jejich oživování je tøeba dbát zvýšené opatrnosti (nezamìnit fázový a nulový vodiè, nedotýkat se za provozu obvodu rukou, udržovat poøádek na pracovišti). Tam, kde je to možné z hlediska funkce, doporuèuji pøed pøipojením k síti zkontrolovat èinnost obvodu pøi napájení ze zdroje se síovým transformátorem. Moduly jsou zkonstruovány tak, aby na sebe navazovaly a bylo možné je umístit do univerzální krabièky, která se upevòuje na DIN lištu. Doporuèuji krabièku U-KPDIN3 o vnìjších pùdorysných rozmìrech 104 x 90 mm s maximální výškou 65 mm. Tato krabièka se vyrábí se i v provedení s výøezem pro prùhledný pøední panel. Tuto i další podobné krabièky najdete v katalogu GM Electronic z roku 2006. Délka DPS všech modulù je stejná a je 80 mm. Do uvedené krabièky mù-

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

13

žeme umístit nìkolik modulù vedle sebe, v pøípadì vìtší sestavy použijeme tyto krabièky dvì. K propojení jednotlivých modulù použijeme nejlépe šroubovací svorkovnice pro plošné spoje typu ARK 500/2 nebo ARK 500/3 s rozteèí vývodù 5 mm. Celý systém mùže být navržen v jednofázovém nebo tøífázovém provedení. Kde to bylo možné a nezkomplikovalo to návrh DPS, tam jsem umístil vstupy dole a výstupy nahoøe, jak je pøi konstrukci rozvadìèù zvykem. Vývody ss napájení (+12 V) a výstupu a vstupu, které se u jednotlivých modulù propojují, jsem, pokud to bylo možné, umístil pøibližnì v jedné rovinì. Tím je usnadnìno jejich vzájemné propojení.

Spínaè a zdroj Obvod spínaèe a zdroje je jádrem celého multifunkèního relé. Síovou zátìž mùžeme spínat buï mechanickým relé (stykaèem), nebo polovodièovým spínaèem SSR (= Solid State Rele) s optotriakem. Výhodou polovodièových spínaèù je minimální øídicí proud (5 až 10 mA), který protéká pøes budicí infraèervenou LED. Ta se rozsvítí a sepne triak øízený svìtlem. SSR umožòují spínat pøi prùchodu napìtí nulou, což odstraòuje rušivé impulsy vznikající pøi odpojování zátìže s indukèním charakterem. Spínání probíhá tiše, odpadá cvakání kontaktù, nejsou problémy s jejich opotøebením a životností. Jedinou nevýhodou polovodièových spínaèù je úbytek napìtí a výkonová ztráta na sepnutém spínaèi. Spínání vìtších proudù vyžaduje chlazení spínacích prvkù a odvod ztrátového tepla. Použití polovodièových spínaèù umožòuje zjednodušit konstrukci jejich budicích obvodù i napájecího zdroje. K získání proudu potøebného pro buzení SSR a pro napájení dalších obvodù multifunkèního relé (tj. proudu okolo 10 mA) nám staèí použít napájecí zdroj s pøedøadným kondenzátorem. Pro proud I, který pøedøadným kondenzátorem o kapacitì C teèe, platí pøibližnì vztah I = 2·π·f·C·U (za pøedpokladu, že výstupní napìtí zdroje je výraznì menší než síové napìtí). V uvedeném vztahu je f = 50 Hz a U = 230 V. Pøi spínání zátìže pomocí relé nebo stykaèe bychom potøebovali napájecí zdroj s transformátorem, protože proud cívkou relé nebo stykaèe mùže být až stovky mA, a pøedøadný kondenzátor by musel mít nevýhodnì velkou kapacitu. Ss napájecí zdroje s transformátorem, usmìròovaèem a filtraèním kondenzátorem se v provedení pro montហna DIN lištu bìžnì vyrábìjí. Jejich konstrukce je velmi jednoduchá a v literatuøe mnohokrát popsaná, proto ji zde neuvádím. Navíc v této oblasti nelze vytvoøit univerzální konstrukci, protože rozmìry transformátoru, filtraèního

14

Tab. 1. Maximální ss napájecí proud Imax, který lze odebírat ze zdroje, v závislosti na kapacitì pøedøadného kondenzátoru C1. C1

[nF]

100

220

330

470

680

Imax

[mA]

7

15

23

33

49

kondenzátoru a chladièe stabilizátoru závisejí na požadovaném proudovém odbìru. Dále jsou popsány spínaèe s SSR v jednofázovém a tøífázovém provedení a pøíslušné napájecí zdroje s pøedøadným kondenzátorem.

Jednofázový spínaè a zdroj Schéma jednofázového spínaèe a zdroje je na obr. 29. Nejprve si popíšeme zdroj, který je na obr. 29 nahoøe. Zdroj je urèen pro síové napájení spínaèe SSR a všech dalších modulù multifunkèního relé. Výstupní napìtí zdroje jsem zvolil +12 V, což je velikost, která dobøe vyhovuje jak operaèním zesilovaèùm, tak obvodùm CMOS. Vzhledem k tomu, že požadovaný výstupní proud zdroje je maximálnì nìkolik desítek mA, je použito zapojení zdroje s pøedøadným kondenzátorem C1. V tab. 1 je uveden maximální ss napájecí proud, který lze ze zdroje odebírat, v závislosti na kapacitì pøedøadného kondenzátoru C1. V popisovaném zdroji pøedpokládám použití kondenzátoru C1 o kapacitì 330 nF, popø. 470 nF. Kondenzátor C1 musí být s rezervou dimenzován na síové napìtí, jeho provozní napìtí, vyznaèené na pouzdru, musí být 275 VAC. Pøi pøipojení zdroje k síti vzniká pøechodový jev nabíjení kondenzátoru C1. Velikost nabíjecího proudu C1 omezuje rezistor R1. Nìkdy se k pøedøadnému kondenzátoru s vìtší kapacitou pøipojuje paralelnì vybíjecí rezistor o odporu asi 1 MΩ (na obr. 29 naznaèený èárkovanì), který zajišuje vybití kondenzátoru po odpojení zdroje od sítì.

Obr. 29. Jednofázový spínaè a zdroj

Støídavé napìtí usmìròujeme diodami D1 a D2 a filtrujeme elektrolytickým kondenzátorem C2. Maximální velikost usmìrnìného napìtí na kondenzátoru C2 je omezována na asi 30 V Zenerovou diodou D3. Výstupní napìtí zdroje 12 V je kvalitnì stabilizováno monolitickým stabilizátorem IO1. Maximální vstupní napìtí stabilizátoru IO1 je 35 V. Pøi malých nárocích na kvalitu napájení by bylo možné stabilizátor vypustit a výstupní napìtí zdroje stabilizovat pouze Zenerovou diodou D3, která by však musela mít Zenerovo napìtí 12 V. Pokud bychom požadovali galvanické oddìlení øídicích obvodù, museli bychom místo pøedøadného kondenzátoru C1 použít transformátor (viz obr. 30). V takovém pøípadì bychom vynechali rezistor R1 a místo diod D1 a D2 bychom použili mùstkový usmìròovaè B250C1500. Do dalších modulù bychom pøivádìli kladné a záporné napìtí z tohoto zdroje a nikoliv nulový vodiè síového napìtí (N). Schéma jednofázového spínaèe je na obr. 29 dole. Jako spínaè je použit polovodièový spínaè SSR Op1. V klidovém stavu, když není pøipojen øídicí signál, je spínaè Op1 sepnut. Spínaè Op1 je sepnut budicím proudem I1, který teèe do vstupu Op1 pøes rezistor R2 ze stabilizátoru IO1. Velikost budicího proudu I1 nastavíme podle doporuèení výrobce SSR vhodnou volbou odporu rezistoru R2. Za pøedpokladu, že na výstupu stabilizátoru IO1 je napìtí 12 V, a na infraLED, která tvoøí budicí èást spínaèe Op1, je úbytek napìtí 1 V, vypoèteme potøebný odpor R2 podle vztahu: R2 = (12 - 1)/I1

[Ω; V, A].

Spínaè Op1 se vypíná vysokou úrovní prvního øídícího signálu, který je pøivádìn mezi první øídicí vstup IN1 a zem (nulový vodiè sítì), nebo vysokou úrovní druhého øídicího signálu, který je

Obr. 30. Úprava zapojení zdroje z obr. 29 pøi použití síového transformátoru. Transformátor musí mít primární napìtí 230 V, sekundární napìtí 12 až 15 V a výkon podle požadovaného výstupního proudu. Usmìròovaè Usm. je mùstek s provozním napìtím minimálnì 100 V a jmenovitým proudem 1 A. Je též vhodné zvìtšit kapacitu kondenzátoru C2 na 220 µF/35 V nebo 470 µF/35 V

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

Tab. 2. Doporuèené typy polovodièových spínaèeù (SSR) se spínáním v nule a maximální efektivní støídavý proud IAC max, který mohou spínat. Typ SSR IAC max

[A]

S201S06V

S202S02

S202SE2

S202T02

S216SE2

3

8

8

2

16

Obr. 33. Vypínání zátìže støídavým napìtím Obr. 31. Spínání zátìže vysokou úrovní na øídicím vstupu IN2. Vstup je IN2 galvanicky oddìlen

Obr. 32. Spínání zátìže støídavým napìtím pøivádìn mezi kladnou a zápornou svorku druhého øídicího vstupu IN2. Vysokou úrovní øídicího signálu na vstupu IN1 se sepne tranzistor T1, který zkratuje vstup spínaèe Op1, takže SSR Op1 vypne. Podobnì vysokou úrovní øídicího signálu na vstupu IN2 se vybudí optoèlen Op2, jehož sepnutý výstupní fototranzistor rovnìž zkratuje vstup spínaèe Op1, takže SSR Op1 vypne. Díky optickému oddìlení mùžeme na vstup IN2 pøivádìt øídicí signál ze zdroje, který nesmí být galvanicky spojen se sítí, napø. z poèítaèe PC. Obvod se souèástkami T1 a Op2 realizuje funkci negace logického souètu (NOR) signálù ze vstupù IN1 a IN2. Pokud není na žádném z obou vstupù signál vysoké úrovnì, je spínaè Op1 sepnut. K vypnutí spínaèe postaèuje jeden signál vysoké úrovnì na kterémkoliv ze vstupù.

Na vstup IN1 se jako øídicí signál pøivádí logický souèet poruchových signálù z dalších modulù multifunkèního relé. Poèet pøipojených modulù je libovolný. Logický souèet poruchových signálù se vytváøí tak, že poruchové signály se vedou na vstup IN1 pøes oddìlovací diody, které mají katody pøipojeny na vstupní svorku IN1. Diody zabraòují vzájemnému ovlivòování výstupù jednotlivých modulù. Moduly indikují poruchový stav sítì vždy vysokou úrovní na svém výstupu. Pøi poruše kteréhokoliv ze sledovaných parametrù sítì se vysokou úrovní poruchového signálu vypne spínaè Op1 a zátìž se odpojí od sítì. Zapojení vstupních obvodù spínaèe lze podle potøeby rùznì modifikovat. Jednoduchou úpravou vstupních obvodù podle obr. 31 (kolektor fototranzistoru v Op2 se spojí s bází tranzistoru T1 a na vstup IN1 se pøivede +12 V) získáme opaènou funkci - vysokou úrovní na vstupu IN2 se spínaè Op1 sepne. V zapojení podle obr. 32 mùžeme spínaè Op1 spínat i støídavým napìtím 230 V, napø. v závislosti na sepnutí jiného spotøebièe Rz. Staèí kondenzátor C1 ve zdroji pøipojit k tomuto spotøebièi Rz. Kapacitu kondenzátoru C1 volíme v tomto pøípadì takovou, aby byl zdroj schopen vytvoøit dostateèný budicí proud pro spínaè Op1, postaèí kapacita zhruba 150 nF. Pokud chceme spínaè Op1 vypínat pøivedením støídavého napìtí 230 V, nebude úprava rovnìž složitá - viz obr. 33. Pøídavné souèástky umístíme na Obr. 34. Obrazec plošných spojù jednofázového spínaèe a zdroje (mìø.: 1 : 1)

Obr. 35. Rozmístìní souèástek na desce jednofázového spínaèe a zdroje

desku na místo vzniklé vypuštìním optoèlenu Op2. Pokud spínáme indukèní zátìž (motor, kompresor), doporuèuji používat jako spínaè Op1 výhradnì optotriaky se spínáním v nule. Jinak hrozí znièení spínaèe napìovými špièkami. Ceny optotriakù se spínáním v nule nejsou výraznì vyšší než ceny bìžných optotriakù. Proud optotriakem volíme podle požadavkù na spínaný výkon. V tab. 2 jsou uvedeny doporuèené typy polovodièových spínaèù (SSR) se spínáním v nule, které je v této konstrukci možné použít bez úprav desky s plošnými spoji, a maximální støídavý efektivní proud, který mohou spínat. Elektrická pevnost (prùrazné napìtí mezi øídicím a spínaným obvodem) se u spínaèù z tab. 2 udává 3 až 4 kV, prùrazné napìtí vlastního spínaèe (triaku) je 600 V, ss budicí proud, potøebný pro sepnutí spínaèe, je 8 mA (u typu S201S06V je to 16 mA). U SSR S202T02 jsem namìøil sepnutí pøi budicím proudu 4 mA, na sepnutém spínaèi byl úbytek napìtí 1 V pøi proudu 2 A. Z úbytku napìtí a spínaného proudu v konkrétní aplikaci vypoèítáme ztrátový výkon SSR a rozhodneme, zda k nìmu pøišroubujeme malý chladiè. Všechny souèástky modulu jednofázového spínaèe a zdroje jsou umístìny na jedné DPS s jednostrannými spoji, která umožòuje realizovat všechny popsané varianty zapojení, kromì použití síového transformátoru. Obrazec spojù je na obr. 34, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 35. Po osazení desky souèástkami a po dùkladné kontrole (pracujeme se síovým napìtím) funguje obvod na první zapojení a nevyžaduje žádné nastavení.

Seznam souèástek (základní varianta)

R1 R2 R3 R4 C1 C2 C3 D1, D2 D3 Op1 Op2 IO1

200 Ω/0,6 W 1,2 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 470 Ω, miniaturní 330 nF/275 VAC, fóliový 100 µF/35 V, radiální 100 nF, keramický 1N4007 BZX83V030, Zener. dioda 30 V/0,5 W S202T02 4N35 78L12

DPS stojí 26 Kè, souèástky 196 Kè

Tøífázový spínaè a zdroj Funkce tohoto obvodu (obr. 36) je témìø shodná s funkcí jednofázového spínaèe. Vstupy SSR Op1, Op2 a Op3 jsou zapojeny do série. Teèe jimi stejný budicí proud, který se tak využívá trojnásobnì. Zároveò je zajištìno souèasné

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

15

Obr. 37. Obrazec plošných spojù tøífázového spínaèe a zdroje (mìø.: 1 : 1)

Obr. 38. Rozmístìní souèástek na desce tøífázového spínaèe a zdroje

Obr. 36. Tøífázový spínaè a zdroj sepnutí všech SSR. Odpor rezistoru R2, pøes který teèe budicí proud, urèíme stejným zpùsobem jako u pøedcházejícího jednofázového spínaèe, pouze v pøíslušném vzorci odeèteme od napájecího napìtí 12 V souèet úbytkù napìtí na tøech infraLED, tj. napìtí 3 až 4 V. Trojfázový spínaè je vybaven funkcí odpojení zátìže v pøípadì výpadku jedné z fází. Tato funkce je potøebná u tøífázových motorù. Ty je nutné pøi výpadku jedné z fází vypnout, abychom pøedešli jejich poškození. Pøi výpadku fáze L1 spínaèe SSR vypnou automaticky, protože z této fáze se odebírá jejich budicí proud. Pøi výpadku fáze L2 nebo L3 se pøes diody D4 nebo D5 pøestanou nabíjet kondenzátory C4 nebo C5 a zavøe se

tranzistor T2 nebo T3. Tím se vypne budicí proud a SSR vypnou. Obvod odpojující zátìž pøi výpadku jedné z fází samozøejmì nemusíme zapojovat, pokud jej nepotøebujeme. Tranzistory T2 a T3 v takovém pøípadì nahradíme zkratem. Všechny souèástky tøífázového spínaèe a zdroje jsou umístìny na jedné DPS s jednostrannými spoji (obr. 37, obr. 38). Na DPS jsou navíc volné pájecí plošky pro pøípadné úpravy zapojení. Oživení tohoto modulu pøi pøedchozí peèlivé práci rovnìž neèiní problémy.

Seznam souèástek (základní varianta)

R1 R2 R3, R4 R5 R6 R7 R8 C1 C2 C3 D1, D2 D3 D4, D5

200 Ω/0,6 W 820 Ω, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 470 Ω, miniaturní 1,5 MΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 1,5 MΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 330 nF/275 VAC, fóliový 100 µF/35 V, radiální 100 nF, keramický 1N4007 BZX83V030 Zener. dioda 30 V/0,5 W 1N4007

Op1, Op2, Op3 OP4 IO1

S202T02 4N35 78L12

DPS stojí 29 Kè, souèástky 478 Kè

Indikátor pøepìtí a podpìtí sítì Tento indikátor zde uvádím v jednofázovém i tøífázovém provedení, funkce obou obvodù je shodná. Obì verze indikátoru jsou doplnìny obvodem svìtelné a zvukové výstrahy, který mùže být využit i ostatními moduly multifunkèního relé k indikaci mimoøádných provozních stavù. Svìtelná a zvuková výstraha spoèívá v blikání LED (s kmitoèetem zhruba 1 Hz) a v pøerušovaném pískání (o kmitoètu zhruba 1 kHz).

Jednofázový indikátor pøepìtí a podpìtí sítì Schéma tohoto indikátoru je na obr. 39. Síové napìtí pøivádìné na vstup L je zmenšováno dìlièem z rezistorù R1 a R2 a usmìròováno špièkovým

Obr. 39. Jednofázový indikátor pøepìtí a podpìtí a obvod svìtelné a zvukové výstrahy

16

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

tí, ve støedním bodì dìlièe je malé napìtí, multivibrátor s IO1c nekmitá a na výstupu IO1c je nízká úroveò. LED D33 nesvítí a Piezo nepíská, vystraha není aktivní. Pøi vysoké úrovni kteréhokoliv z chybových signálù se ve støedu dìlièe R33, R34 objeví pøibližnì polovina napájecího napìtí, takže multivibrátor s IO1c se rozkmitá a výstraha se aktivuje. Všechny souèástky indikátoru a výstražného obvodu jsou umístìny na jedné desce s jednostrannými plošnými spoji. Obrazec spojù je na obr. 40, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 41.

Obr. 40. Obrazec plošných spojù jednofázového indikátoru pøepìtí a podpìtí (mìø.: 1 : 1)

Obr. 41. Rozmístìní souèástek na desce jednofázového indikátoru pøepìtí a podpìtí usmìròovaèem se souèástkami D1 a C1. Na C1 se vytvoøí napìtí UC1: UC1 = [1,41·UL·R2/(R1 + R2)] - UD1 [V; V, Ω, Ω, V]

(1),

kde UL je efektivní napìtí fáze L a UD1 je úbytek napìtí na otevøené diodì D1. Rezistor R7 definuje proud diodou D1 a vybíjí kondenzátor C1. Pøi proudu øádu jednotek mikroampér, který teèe diodou D1 pøes rezistor R7, je úbytek napìtí UD1 na D1 asi 0,4 až 0,5 V. Podle pøedchozího vztahu vypoèítáme z požadovaného minimálního a maximálního napìtí sítì mezní velikosti napìtí na kondenzátoru C1, které chceme detekovat. Napìtí na C1 se porovnává s referenèními napìtími, která jsou vytváøena dìlièem R3, R4, P1 a P2. Jako komparátory jsou použity operaèní zesilovaèe IO1a a IO1b. Z jejich výstupù na jejich neinvertující vstupy jsou zapojeny rezistory R5 a R6, které zajišují slabou hysterezi komparátorù. Hystereze je nutná k tomu, aby se komparátor nerozkmital. Pøi absenci hystereze by se napø. po odpojení zátìže pøi podpìtí sítì zátìž zase ihned pøipojila, protože následkem odpojení zátìže by se napìtí sítì nepatrnì zvìtšilo. Po pøipojení zátìže by však napìtí sítì opìt pokleslo a zátìž by se odpojila atd. Toto kmitání by stále pokraèovalo. Výstup OZ1a se pøeklápí do vysoké úrovnì pøi pøepìtí sítì, výstup OZ1b se pøeklápí do vysoké úrovnì pøi podpìtí sítì. Stavy pøepìtí a podpìtí jsou indikovány diodami LED D2 a D3 a bìhem tìchto stavù je na výstupu OUT poruchového signálu vysoká úroveò. Chceme-li, aby se pøi pøepìtí nebo podpìtí sítì odpojila zátìž, pøipojíme poruchový výstup OUT tohoto modulu na øídicí vstup IN1 modulu jednofázového nebo tøífázového spínaèe a zdroje. Dioda D4, zapojená pøed výstup OUT, je souèástí obvodu logického souètu poruchových signálù, který má význam pøi použití více modulù. Aby mìl modul indikátoru pøepìtí a podpìtí co nejmenší spotøebu, jsou v nìm použity co nejúèinnìjší LED

(nejlépe supersvítivé), které dobøe svítí už pøi proudu 1 až 2 mA, a také operaèní zesilovaèe s malým pøíkonem (0,3 mA na jeden dílèí zesilovaè). Kapacita vyhlazovacího kondenzátoru C1 urèuje dynamické vlastnosti indikátoru. Vzhledem k tomu, že R1 >> R2, je vnitøní odpor dìlièe R1, R2 pøibližnì roven odporu rezistoru R2. Èasová konstanta R2·C1 urèuje, jak rychle bude indikátor reagovat na zvýšení síového napìtí. Pøedpokládám, že obvod nemá reagovat na krátké špièky nebo poklesy napìtí, které vznikají pøi zapínání a vypínání spotøebièù. Rezistor R7 zajišuje vybíjení kondenzátoru C1. Èasová konstanta C1·R7 urèuje, jak rychle bude indikátor reagovat na zvýšení síového napìtí Odpor rezistoru R8 volíme tak, aby proud tekoucí LED D2 nebo D3 byl 2 až 3 mA. Pokud tyto LED použijeme s vìtší úèinností a pokud potøebujeme šetøit proudem (pøi malé kapacitì kondenzátoru C1 v modulu spínaèe a zdroje), mùžeme odpor rezistoru R8 zvìtšit na 3,9 kΩ. Souèástí modulu indikátoru pøepìtí a podpìtí sítì je obvod svìtelné a zvukové výstrahy, jehož schéma je v pravé èásti obr. 39. Souèástky výstražného obvodu mají èísla vìtší než 30. Výstražný obvod obsahuje dva astabilní multivibrátory s operaèními zesilovaèi IO1c a IO1d. Kmitoèet multivibrátorù je urèován èasovými konstantami R31·C31 a R38·C32. K výstupu IO1c je pøipojena LED D33 pro optickou výstrahu. Proud LED D33 je dán odporem rezistoru R35, který volíme obdobnì jako odpor rezistoru R8. LED D33 by mìla být supersvítivá. K výstupu IO1d je pøipojen elektroakustický mìniè Piezo pro zvukovou výstrahu. Výstražný obvod se aktivuje pøes diodu D32 vysokou úrovní chybového signálu z indikátoru pøepìtí a podpìtí sítì. Mùže však být aktivován i chybovými signály z dalších modulù multifunkèního relé, které pøivedeme na vstup IN1 výstražného obvodu. Pøi nízké úrovni všech chybových signálù jsou diody D31 i D32 zavøené, horní bod dìlièe R33, R34 je bez napì-

Oživení a nastavení Ideální je použít regulovatelný zdroj síového napìtí (napø. autotransformátor 0 až 280 V). Nastavíme dolní mezní napìtí sítì (napø. 195 V) a otáèíme trimrem P2 tak, aby se rozsvítila LED D3. Potom nastavíme horní mezní napìtí sítì (napø. 255 V) a otáèíme trimrem P1 tak, aby se rozsvítila LED D2. Pokud regulovatelný zdroj síového napìtí nemáme, musíme si poradit jinak. Po osazení DPS souèástkami pøipojíme napájecí napìtí +12 V a na jezdcích potenciometrù nastavíme pøedem vypoètené velikosti mezních napìtí. Po pøipojení fázového napìtí k vývodu L zmìøíme velikost fázového napìtí a velikost napìtí na kondenzátoru C1 a zkontrolujeme, že platí vztah (1) (úbytek napìtí na D1 a tolerance odporu rezistorù jej mohou výpoèet ponìkud ovlivnit). Napìtí na C1 musíme mìøit voltmetrem s velmi velkým vstupním odporem (alespoò 10 MΩ), protože vnitøní odpor dìlièe R1, R2 není zanedbatelný. Podle namìøených napìtí upravíme vypoètené velikosti dolního a horního mezního napìtí na kondenzátoru C1. Podle tìchto mezních napìtí pak nastavíme na jezdcích trimrù P1 a P2 referenèní napìtí. Pøi síovém napìtí 195 V (tj. pøi poklesu jmenovitého síového napìtí 230 V o 15 %) bylo namìøeno na kondenzátoru C1 ss napìtí 5,0 V, pøi jmenovitém napìtí sítì 230 V bylo na C1 napìtí 6,0 V a pøi napìtí sítì 253 V (tj. pøi vzrùstu jmenovitého napìtí sítì o 10 %) bylo na C1 napìtí 6,65 V. Pro tyto velikosti napìtí na C1 mùžeme místo trimrù P1 a P2 použít v dìlièi pevné rezistory s odpory R3 = 16 kΩ, R4 = 15 kΩ a R9 = 4,95 kΩ (složit z paralelnì spojených odporù 5,6 kΩ a 43 kΩ) a ušetøit si tak nastavování obvodu (jeden z odporù zvolíme, ostatní dopoèítáme). Obdobnì mùžeme postupovat i pøi jiných požadovaných velikostech mezních napìtí.

Seznam souèástek

(indikátor pøepìtí a podpìtí) R1 R2 R3, R4 R5, R6

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

1,5 MΩ/0,6 W 30 kΩ, miniaturní 6,8 kΩ, miniaturní 680 kΩ, miniaturní

17

Obr. 42. Tøífázový indikátor pøepìtí a podpìtí R7 R8 P1, P2 C1 D1 D2, D3 D4 IO1

1,5 MΩ, miniaturní 2,7 až 3,9 kΩ, miniaturní 5 kΩ, PT6VK005, trimr 6 mm, ležatý 100 µF/35 V, radiální 1N4007 LED s vìtší úèinností 1N4148 TL064

(obvod svìtelné a zvukové výstrahy) R31, R32 R33, R34 R35 R36, R37

120 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 2,7 až 3,9 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní

Obr. 43. Obrazec plošných spojù tøífázového indikátoru pøepìtí a podpìtí (mìø.: 1 : 1)

Obr. 44. Rozmístìní souèástek na desce tøífázového indikátoru pøepìtí a podpìtí

18

R38, R39 C31 C32 D31, D32 D33 piezo

120 kΩ, miniaturní 10 µF/35 V, radiální 10 nF, keramický 1N4007 LED s vìtší úèinností KPT1540W

DPS stojí 29 Kè, souèástky 149 Kè

Tøífázový indikátor pøedpìtí a podpìtí sítì Schéma indikátoru je na obr. 42. Pracuje na stejném principu jako jednofázový indikátor, vznikl jeho ztrojením. Pro vìtší pøehlednost se odpovídající souèástky jednotlivých kanálù liší vždy o èíslo 10. V indikátoru jsou použity dva ètyønásobné operaèní zesilovaèe s malým napájecím proudem. Rezistor R8 urèuje proud tekoucí indikaèními LED D2, D3, D12, D13 atd. Napø. pøi podpìtí všech fází svítí souèasnì LED D3, D13 a D23. Když má rezistor R8 odpor 2,7 kΩ podle schématu, protéka každou z tìchto LED proud asi 1 mA. Aby LED mìly dostateèný jas, musí být supersvítivé. Pokud požadujeme vìtší jas a nemusíme šetøit napájecím proudem, zmenšíme pøimìøenì odpor R8. Indikátor je opìt doplnìn výstražným obvodem s èísly souèástek nad 30. Všechny souèástky indikátoru i výstražného obvodu jsou pøipájeny na jedné DPS s jednostrannými spoji. Obrazec spojù je na obr. 43, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 44. Modul oživujeme a nastavujeme stejným zpùsobem jako jednofázový indikátor pøepìtí a podpìtí.

Seznam souèástek

(indikátor pøepìtí a podpìtí) R1, R11, R21 1,5 MΩ/0,6 W R2, R12, R22 30 kΩ, miniaturní

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

R3, R4 R5, R15, R25 R6, R16, R26 R7, R17, R27 R8 P1, P2 C1, C11, C21 D1, D11, D21 D2, D12, D22, D3, D13, D23 D4 IO1, IO2

Obr. 45. Indikátor stability síového kmitoètu

15 kΩ, miniaturní 680 kΩ, miniaturní 680 kΩ, miniaturní 1,5 MΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní, viz text 5 kΩ, PT6VK005, trimr 6 mm, ležatý 100 µF/35 V, radiální 1N4007 LED supersvítivá LED supersvítivá 1N4148 TL064

(obvod svìtelné a zvukové výstrahy) R31, R32 R33, R34 R35 R36, R37 R38, R39 C31 C32 D31, D32 D33 piezo

120 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 2,7 až 3,9 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 10 µF/35 V, radiální 10 nF, keramický 1N4007 LED supersvítivá KPT1540W

DPS stojí 39 Kè, souèástky 195 Kè

Indikátor stability síového kmitoètu V dnešní dobì je na rozdíl od minulosti síový kmitoèet pøesnìjší. Všichni výrobci elektrické energie v EU pracují v jedné síti, všechny generátory spolu musí být sfázovány. V této síti je dodáván dennì vždy stejný poèet period støídavého napìtí. Drobné odchylky kmitoètu od jmenovité hodnoty 50 Hz v prùbìhu dne jsou øádu setin procenta. Pøi zvìtšujícím se zatížení sítì (ve špièkách pracovního dne) kmitoèet klesá, pøi nízkém odbìru roste. Jiná je situace v izolovaných (ostrovních) sítích. Ty jsou napájeny nejèastìji z motorgenerátoru. Tyto sítì nejsou synchronizovány s veøejnou elektrorozvodnou sítí. S mìnícím se odbìrem energie se mìní zátìž spalovacího motoru a tím se mìní jeho otáèky i kmitoèet sítì. Pøi velkém poklesu kmitoètu je vhodné nìkteré ménì dùležité spotøebièe odpojit. Pokud je síové napìtí vytváøeno polovodièovým mìnièem z malého napìtí (baterie, solární panel), nejsou se stabilitou kmitoètu problémy. Tyto mìnièe jsou vždy øízeny krystalem. Popisovaný indikátor stability síového kmitoètu mìøí kmitoèet v rozsahu 41 až 60 Hz. Snažil jsem se jej navrhnout co možná nejjednodušší i za cenu menšího komfortu mìøení. Pro komfortní mìøení bychom samozøejmì použili bìžný èítaè, jaký jsem publikoval napø.

KE 4/2004. Pokud bychom chtìli mìøit kmitoèet s rozlišením 0,1 Hz, potøebovali bychom, aby doba otevøení hradla èítaèe byla 10 s. Indikátor stability kmitoètu, jehož schéma je na obr. 45, je mnohem jednodušší než èítaè. Fázové napìtí, jehož kmitoèet mìøíme, se pøivádí na vstupní svorku L1. Fázové napìtí je nejdøíve omezováno rezistorem R3 a Zenerovou diodou D3. D3 z nìj také odstraòuje záporné pùlvlny. Pak je omezené støídavé napìtí tvarováno Schmittovým klopným obvodem (SKO) tak, aby mìlo obdélníkový prùbìh. SKO je vytvoøen ze dvou invertorù IO3F a IO3E. Hystereze SKO je vytvoøena kladnou zpìtnou vazbou, která je zavedena rezistorem R5. Na výstupu invertoru E2 je obdélníkový signál s dokonale strmými vzestupnými a sestupnými hranami. Tento signál je pøivádìn na derivaèní èlánek se souèástkami C3 a R4 s èasovou konstantou τ = R4·C3 = 39 µs. Na výstupu derivaèního èlánku jsou úzké impulsy, ze kterých další SKO s invertory IO3D a IO3C vytváøí pravoúhlý signál. Získali jsme tak úzké impulsy, které mají periodu rovnou periodì sítì. Dále indikátor obsahuje krystalový taktovací oscilátor s kmitoètem 2 MHz, který je tvoøen invertory IO3A a IO3B, a ètrnáctistupòový binární èítaè 4020 (IO1). Binárním èítaèem jsou èítány taktovací impulsy vždy po dobu jedné periody sítì. Delší periodì sítì, a tudíž niž-

šímu kmitoètu sítì, odpovídá vìtší poèet naèítaných taktovacích impulsù, kratší periodì sítì, a tudíž vyššímu síovému kmitoètu, odpovídá menší poèet naèítaných impulsù. Tím je zpùsobováno urèité nepohodlí z hlediska vyhodnocování kmitoètu sítì. Naèítané impulsy se každou periodu sítì pøenášejí z èítaèe IO1 do pamìti IO2, která je tvoøena šestinásobným klopným obvodem D typu 40174. Poté se èítaè vynuluje. Krátké zpoždìní urèované èasovou konstantou C2·R6 zajišuje spolehlivost této funkce, aby se IO1 vynuloval skuteènì až po zapsání informace do IO2. Poèet naèítaných impulsù vyhodnocujeme nejjednodušším možným zpùsobem, a to pøevodem na analogové napìtí pomocí váhových rezistorù R9 až R14 pøipojených k výstupùm pamìti IO2. Analogové napìtí je odvozováno z napájecího napìtí +12 V dìlièem napìtí složeným z váhových rezistorù. Ty jsou podle stavu klopných obvodù v IO2 pøipojeny buï na napájecí napìtí +12 V nebo na zem. Významnìjším bitùm odpovídají menší odpory váhových rezistorù. Analogové napìtí je vyhlazováno kondenzátorem C1. Pro každý kmitoèet sítì mùžeme vypoèítat napìtí na kondenzátoru C1. Postup si ukážeme pro kmitoèet sítì fS = 50,0 Hz. Za jednu periodu sítì, tj. za 1/50 s, se naèítá NCLK = 40 000 kmitù taktovacího signálu o kmitoètu 2 MHz (40 000 = 2 000 000/50). Pøitom uvažujeme, že

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

19

pøesnost krystalového oscilátoru je mnohonásobnì vìtší než je potøeba a šíøku nulovacího impulsu zanedbáme. Z naèítaného èísla N CLK urèíme stav výstupù binárního èítaèe tak, že dekadické èíslo 40 000 pøevedeme na binární. Platí: 40 000 = 1·215 + 0·214 + 0·213 + + 1·212 + 1·211 + 1·210 + 0·29 + + 0·28 + 0·27 + 1·26 + 0·25 + 0·24 + + 0·23 + 0·22 + 0·21 + 0·20 = = 32 786 + 4 096 + 2048 + 1024 + 64. Øádu 215 odpovídá výstup èítaèe Q15, øádu 214 výstup Q14 atd., až øádu 20 odpovídá výstup Q0. Z binárního vyjádøení obsahu èítaèe mùžeme urèit logické stavy jednotlivých výstupù binárního èítaèe: Q15 = 1, Q14 = 0, Q13 = 0, Q12 = 1, Q11 = 1, Q10 = 1, Q9 = 0, Q8 = 0 atd. V popisované konstrukci využíváme pouze výstupy Q8 až Q13, což pro tuto aplikaci z hlediska požadované pøesnosti vyhovuje. Nepøedpokládáme vìtší kolísání kmitoètu než 41 až 60 Hz, proto nepotøebujeme výstupy Q15 a Q14, jejichž stav se v uvedeném rozmezí kmitoètù nemìní. Rovnìž nevyužíváme výstupy Q7 a nižší, protože z hlediska požadované pøesnosti mìøení to není zapotøebí. Stavy výstupù èítaèe IO1 po naèítání èísla NCLK jsou pøeneseny na výstupy Q8 až Q13 pamìti IO2, kde jsou k dispozici po celou další periodu sítì. Pøi kmitoètu sítì 50 Hz je tedy na výstupech Q12, Q11 a Q10 pamìti IO2 úroveò „log. 1“, tj. napájecí napìtí +12 V a na výstupech Q13, Q9 a Q8 je úroveò „log. 0“, tj. potenciál zemì. Znamená to, že na rezistory R11, R12 a R13 je pøivádìno napájecí napìtí +12 V a rezistory R9, R10 a R14 jsou zemnìny. Do støedu dìlièe z tìchto rezistorù je pøipojen kondenzátor C1. Mùžeme si pøedstavit, že napìtí UC1 na kondenzátoru C1 je odvozováno z napájecího napìtí +12 V odporovým dìlièem s rezistory RL a RH a s dìlicím pomìrem RL/(RH + RL), pøièemž odpor RL je výsledný odpor tìch rezistorù z R9 až R14, které jsou pøipojeny pøes výstupy pamìti IO2 na zem, a odpor RH je výsledný odpor tìch rezistorù z R9 až R14, které jsou pøipojeny pøes výstupy pamìti IO2 na napájecí napìtí +12 V. Pøi kmitoètu sítì 50 Hz je odpor RL roven odporu paralelní kombinace rezistorù R9, R10 a R14 a odpor R H je roven odporu paralelní kombinace rezistorù R11, R12 a R13. Dìlicí pomìr R L /(R H + R L ) je v tom pøípadì 0,45 a na kondenzátoru C1 je napìtí UC1 = 5,4 V. Jak je vidìt, je výpoèet výstupního napìtí indikátoru pomìrnì zdlouhavý. Uvedeným zpùsobem mùžeme vypoèítat napìtí U C1 na kondenzátoru C1 i pro jiné kmitoèty sítì. Vypoètené hodnoty UC1 pro celistvé kmitoèty sítì

20

Tab. 3. Závislost nìkterých velièin v indikátoru stability síového kmitoètu na kmitoètu sítì fS. Èíslo NCLK vyjadøuje dekadicky obsah binárního èítaèe, který po dobu jedné periody sítì 1/f S èítal taktovací impulsy o kmitoètu 2 MHz. V dalších sloupcích jsou logické stavy výstupù Q8 až Q15 binárního èítaèe s obsahem NCLK. U jednotlivých výstupù jsou pøipsány jejich binární øády. Zlomek RL/(RH + RL) vyjadøuje dìlicí pomìr odporového dìlièe s rezistory R9 až R14 na výstupu binární pamìti IO2 (bližší vysvìtlení viz text). UC1 je napìti na kondenzátoru C1, které je odvozováno dìlièem s rezistory R9 až R14 z napájecího napìtí +12 V. Stavy výstupù binárního èítaèe pøi NCLK

RL/ UC1 Q15 Q14 Q13 Q12 Q11 Q10 Q9 Q8 /(RH + RL) [Hz] 2 000 000/ fS 32 768 16 384 8 192 4 096 2 048 1 024 512 256 [V] fS

NCLK

41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

48 780 47 619 46 511 45 454 44 444 43 478 42 553 41 666 40 816 40 000 39 215 38 461 37 735 37 037 36 363 35 714 35 087 34 482 33 898 33 333

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

od 41 do 60 Hz jsou spolu s dalšími velièinami shrnuty v tab. 3. Odpory rezistorù R9 až R14 jsou dostateènì velké ve srovnání s vnitøním odporem výstupù obvodù CMOS. U obvodu 40174 jsem namìøil výstupní odpor 250 Ω, který mùžeme pøièítat k odporùm rezistorù R9 až R14. Pøedpokládáme, že se obvody CMOS chovají jako témìø ideální spínaèe, které pøipojují výstup buï na zem, nebo na kladné napájecí napìtí. Úbytky napìtí na vnitøním odporu spínaèe mùžeme pøípadnì zanedbat. Pøesnost odporù rezistorù R9 až R14 ovlivòuje výslednou pøesnost mìøení. Tyto rezistory jsem volil z øady E24 a snažil jsem se, aby je nebylo nutné skládat z vìtšího poètu kusù nebo je nastavovat odporovými trimry. Napìtí UC1 z kondenzátoru C1 je vedeno na výstup OUT1 modulu pøes oddìlovací sledovaè napìtí IO4. Výstupní napìtí mùžeme mìøit analogovým nebo digitálním voltmetrem nebo jej mùžeme zpracovávat okénkovým diskriminátorem s LED v modulu Univerzální øídicí obvod (viz následující konstrukce). Modul Indikátor stability síového kmitoètu dále obsahuje vypínací obvod s operaèním zesilovaèem IO4b, který generuje na svém výstupu OUT2 poruchový signál s vysokou úrovní, pokud je

1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0

1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0

1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0

1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1

0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0

0,98 0,92 0,835 0,796 0,72 0,655 0,607 0,54 0,47 0,45 0,37 0,344 0,297 0,246 0,176 0,163 0,139 0,097 0,064 0,033

11,80 11,03 10,06 9,55 8,64 7,86 7,29 6,48 5,64 5,40 4,44 4,13 3,56 2,96 2,11 1,96 1,67 1,17 0,77 0,39

kmitoèet sítì pøíliš nízký. Poruchovým signálem je možné vypnout jednofázový nebo trojfázový spínaè, který odpojí zátìž. Operaèní zesilovaè IO4b je zapojen jako komparátor, u kterého je pomocí rezistoru R16 nastavena hystereze zabraòující rozkmitání regulaèního systému. Pøi vypnutí spotøebièe se sí odlehèí, kmitoèet vzroste, a bez hystereze komparátoru by se spotøebiè znovu zapnul. Tím by se sí znovu zatížila, její kmitoèet by se snížil a spotøebiè se vypnul. Tak by se soustava rozkmitala. Rozhodovací úroveò komparátoru ve vypínacím obvodu, tj. mezní dolní kmitoèet sítì, pøi kterém se vygeneruje poruchový signál, se nastavuje potenciometrem P1. Všechny souèástky modulu jsou umístìny na jedné DPS s jednostrannými spoji. Obrazec spojù je na obr. 46, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 47. Indikátor stability kmitoètu nemá nastavovací prvky a pøi správném zapojení bude pracovat na první zapojení. Zkontrolovat funkci modulu mùžeme i bez pøipojení k síti. Napájíme jej ze zdroje +12 V a na vstup L pøipojíme støídavé napìtí ze sekundárního vinutí síového transformátoru (staèí napø. napìtí 8 V ze zvonkového transformátoru). Pøi oživování doporuèuji pomocí osciloskopu nebo èítaèe pøipojeného na

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

Obr. 46. Obrazec plošných spojù indikátoru stability síového kmitoètu (mìø.: 1 : 1)

Obr. 47. Rozmístìní souèástek na desce indikátoru stability síového kmitoètu výstup 4 invertoru IO3B zkontrolovat, zda správnì kmitá krystal 2 MHz. Pokud krystal kmitá øádnì, zùstává jeho kmitoèet konstantní i pøi doteku pouzdra krystalu rukou nebo pøi poklepání na nìj. Pokud máme možnost, kontrolujeme kmitoèet krystalu pøesným èítaèem, pøípadnì kmitoèet doladíme pøesnì na 2 MHz zmìnou kapacity kondenzátoru C5 nebo dalších souèástek. Po pøipojení støídavého napìtí o kmitoètu 50 Hz na vstup L1 zkontrolujeme stav výstupù obvodu IO2 a napìtí na výstupu operaèního zesilovaèe IO4a. Pokud bychom mìøili napìtí pøímo na kondenzátoru C1, nebyl by namìøený údaj pøesný, protože by byl velký vnitøní odpor zdroje mìøeného napìtí zatížen vstupním odporem voltmetru.

Seznam souèástek R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R9a R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 P1 C1 C2, C3 C4 C5 C6 Krystal D1 D2 D3

viz text viz text 1,5 MΩ/0,6 W 3,9 kΩ, miniaturní 4,7 MΩ, miniaturní 200 Ω, miniaturní 1,5 MΩ, miniaturní 43 kΩ, miniaturní 1,2 MΩ/1 %, miniaturní 4,7 MΩ, miniaturní 470 kΩ/1 %, miniaturní 240 kΩ/1 %, miniaturní 120 kΩ/1 %, miniaturní 62 kΩ/1 %, miniaturní 30 kΩ/1 %, miniaturní 3,9 kΩ, miniaturní 680 kΩ, miniaturní 5 kΩ, PT6VK005, trimr 6 mm, ležatý 100 µF/16 V, radiální 10 nF, keramický 100 nF, keramický 22 pF, keramický 100 pF, keramický 2 MHz, HC 49U LED s vyšší úèinností 1N4148 BZX83V012 Zener. dioda 12 V/0,5 W

IO1 IO2 IO3 IO4

CMOS 4020 CMOS 40174 CMOS 4069 TL062

DPS stojí 34 Kè, souèástky 159 Kè

Univerzální øídicí obvod Univerzální øídicí obvod se skládá ze tøí dílèích obvodù: z komparátoru IO1b s odporovým mùstkem (obr. 48a až obr. 48d), z komparátoru IO1a se zdrojem referenèního napìtí, které urèuje rozhodovací úroveò komparátoru IO1a (obr. 49), a obvodu svìtelné a zvukové výstrahy (obr. 50). Do odporového mùstku lze zapojit napø. odporové èidlo teploty nebo fototranzistor a signálem z výstupu komparátoru IO1b lze pak regulovat teplotu nebo osvìtlení. Pøi použití pøíslušných èidel lze regulovat i øadu dalších fyzikálních velièin. Komparátor IO1a je urèen pro zpracovávání analogového napìtí, které nese informaci o regulované velièinì. Tento komparátor lze také po úpravì plošných spojù propojit s komparátorem IO1b a vytvoøit tak okénkový komparátor pro dvoustupòovou regulaci. Výstražný obvod je stejný jako v již popsaném modulu Indikátoru pøepìtí a podpìtí sítì. Poskytuje výstrahu v situaci, když poruchový signál z výstupù komparátorù IO1b, IO1a nebo i z jiných modulù pøejde do vzsoké ùrovnì. Ve funkci komparátorù i ve výstražném obvodu je použit ètyønásobný OZ s malou spotøebou typu TL064.

Regulace teploty Pro regulaci teploty použijeme komparátor IO1b a odporovým mùstkem. Pro pøesná mìøení teploty doporuèuji použít èidlo PTC typu KTY81-20,

jehož odpor roste s teplotou. V katalogu GM Electronic najdeme graf a tabulku vyjadøující závislost odporu tohoto èidla na teplotì, tolerance odporu je zhruba 2 %. Na základì tìchto údajù mùžeme obvod komparátoru navrhnout tak, aby pracoval na první zapojení bez jakéhokoliv nastavování. Odpor èidla pøi teplotì 25 °C je 2 000 Ω, doporuèený pracovní proud èidla je 1 mA. Zapojení èidla PTC do mùstku je na obr. 48a. Komparátor IO1b je k mùstku pøipojen tak, že pøi rùstu odporu èidla PTC pøi pøekroèení urèité hranice pøejde výstup komparátoru z nízké do vysoké úrovnì. Hranièní velikost odporu èidla se nastavuje trimrem P1. Komparátor má rezistorem R5, který je zapojen v obvodu kladné zpìtné vazby, nastavenou urèitou hysterezi. Na výstupu komparátoru je signál nazývaný poruchový. Tento signál se vede z výstupu komparátoru pøes oddìlovací diodu D2 na výstup OUT1. Vysoká úroveò poruchového signálu je indikována diodou LED D1. Když výstup OUT1 tohoto modulu propojíme se vstupem IN1 modulu spínaèe a zdroje, bude celek fungovat tak, že pøi rùstu teploty pøi pøekroèení urèité hranice (nastavené trimrem P1) spínaè vypne a odpojí se zátìž. Pøi poklesu teploty o míru danou hysterezí komparátoru pøejde poruchový signál do nízké úrovnì a spínaè opìt zapne zátìž. Takový regulaèní obvod lze použít napø. k øízení vytápìní (zátìží je v tom pøípadì elektrické topné tìleso).

Obr. 48a. Mùstek s komparátorem IO1b v modulu univerzálního øídicího obvodu. V mùstku je zapojeno teplotní èidlo PTC. Pøi pøekroèení nastavené maximální teploty pøejde výstup poruchového signálu OUT1 z nízké do vysoké úrovnì

Obr. 48b. Mùstek s komparátorem IO1b v modulu univerzálního øídicího obvodu. V mùstku je zapojeno teplotní èidlo PTC, pøi pøekroèení nastavené maximální teploty pøejde výstup poruchového signálu OUT1 z vysoké do nízké úrovnì

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

21

Na obr. 48b je stejný mùstek s èidlem PTC, ke kterému je však komparátor IO1b pøipojen tak, aby pøi rùstu odporu èidla PTC pøi pøekroèení urèité hranice pøešel výstup komparátoru z vysoké do nízké úrovnì. S takto zapojeným komparátorem bude regulaèní obvod fungovat tak, že pøi vzrùstu teploty se zátìž zapne a pøi poklesu teploty se vypne. Takový regulaèní obvod použijeme pro ovládání klimatizace nebo ventilátoru. Místo trimru P1, kterým se nastavuje rozhodovací úroveò komparátoru, mùžeme použít pevný rezistor. Mùstek je navržen tak, aby èidlo bylo spojeno se zemí, což je lepší z hlediska bezpeènosti. Místo èidla PTC mùžeme zapojit i bìžný termistor s negativním teplot-

Obr. 48c. Mùstek s komparátorem IO1b v modulu univerzálního øídicího obvodu. V mùstku je zapojen fototranzistor Ft, pøi pøekroèení nastavené maximální intenzity osvìtlení pøejde výstup poruchového signálu OUT1 z nízké do vysoké úrovnì

Obr. 48d. Mùstek s komparátorem IO1b v modulu univerzálního øídicího obvodu. V mùstku je zapojen fototranzistor Ft, pøi pøekroèení nastavené maximální intenzity osvìtlení pøejde výstup poruchového signálu OUT1 z vysoké do nízké úrovnì

Obr. 50. Obvod svìtelné a zvukové výstrahy v modulu univerzálního øídicího obvodu

ním souèinitelem odporu (èidlo NTC). Funkce obvodu je potom opaèná, než bylo uvedeno. Výhodou èidel NTC je vìtší citlivost (jejich odpor se zdvojnásobí pøi snížení teploty o 20 °C) a možnost použít vìtší odpory a tím i menší proud èidlem. Nevýhodou je nutnost zkalibrování obvodu v provozních podmínkách. Výrobní tolerance odporu termistorù jsou pøíliš velké, vlastnosti zapojení je obtížnìjší pøedem pøesnì vypoèítat. Odpor rezistoru R3 volíme pøi použití èidla PTC tak, aby jím tekl proud pøibližnì 1 mA. To znamená, že by rezistor R3 mìl mít odpor 10 kΩ. Na èidle bude napìtí zhruba 2 V. Tomu odpovídá i pomìr odporù souèástek R1, R2 a P1. Celkový odpor tìchto souèástek volíme øádu stovek kΩ, aby tato vìtev mùstku neodebírala zbyteènì velký proud. Volíme napø. R1 = 120 kΩ, R2 = 10 kΩ, P2 = 25 kΩ. Pøi použití èidla NTC by bylo lepší, aby se komparátor pøeklápìl v okamžiku, když je na èidle NTC pøibližnì polovina napájecího napìtí, tj. +6 V. Zvolíme odpor termistoru 100 kΩ, stejnì jako odpory rezistorù R1, R2 a R3. Má-li být nastavení pøesné a dlouhodobì stabilní, mìl by být odpor trimru P1 podstatnì menší než odpor rezistoru R2. Odpor rezistoru R5, který vytváøí hysterezi, volíme zhruba o dva øády vìtší, než je odpor rezistoru R3. Vývody 5 a 6 operaèního zesilovaèe IO1b je nutné pøipojit k dalším souèástkám (R1 a R2) kapkami cínu tak, aby obvod realizoval požadovanou funkci (úpravou spojù se zamìní invertující a neinvertující vstup OZ).

Regulace osvìtlení Pokud v mùstku zapojíme místo teplotnì závislého odporu fototranzistor, získáme obvod, který mùže øídit výkonový spínaè v závislosti na intenzitì osvìtlení. Na obr. 48c je k mùstku s fototranzistorem Ft pøipojen komparátor IO1b tak, že pøi vzrùstu intenzity osvìtlení (pøi poklesu napìtí na fototranzistoru Ft) pøejde výstup komparátoru z nízké do vysoké úrovnì (a pomocí dalšího modulu se odpojí zátìž). Takto zapojený mùstek s komparátorem využijeme napø. pro spínání noèního osvìtlení. Zámìnou invertujícího a neinvertujícího vstupu komparátoru IO1b (obr. 48d) bychom získali regulátor, který zátìž odpojí, setmí-li se. Mùstek je nutné navrhnout a zkalibrovat podle použitého fototranzistoru (napø. typu SFH309-5, který pracuje jak ve viditelném, tak v infraèerveném pásmu 380 až 1150 nm). V mùstku mùžeme použít i jiné typy èidel. Komparátor s IO1a mùžeme použít buï samostatnì pro zpracování vstupního analogového napìtí, nebo jej mùžeme pøipojit jako druhý k mùstku na mìøení teploty atd. Získáme tak obvod, který umožòuje dvoustupòovou regulaci. Pøi poklesu teploty se sepne napø. jeden topný okruh, pøi dalším poklesu se sepne druhý okruh, pøípadnì se pomocí výstražného obvodu vyvolá poplach. Rozhodovací úroveò komparátoru s IO1a mùže být nastavena trimrem P2 ponìkud jinak než u komparátoru

Obr. 49. Komparátor IO1a s nastavitelnou rozhodovací úrovní v modulu univerzálního øídicího obvodu

22

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

Obr. 51. Obrazec plošných spojù univerzálního øídicího obvodu (mìø.: 1 : 1)

Obr. 52. Rozmístìní souèástek na desce univerzálního øídicího obvodu

s IO1b. K buzení obou tìchto komparátorù použijeme spoleèný termistor. Odpory rezistorù R9, R10 a trimru P2 zvolíme tak, aby navazovaly na hodnoty souèástek R1, R2 a P1. Rezistor R6 by mìl mít odpor øádu desítek kΩ, rezistor R8 øádu jednotek MΩ. Všechny souèástky jsou umístìny na jedné DPS s jednostrannými spoji, na které je možné realizovat všechny uvedené varianty zapojení univerzálního øídicího obvodu. Plošné spoje je nutné modifikovat pøípadnými drátovými propojkami nebo pøerušením spojù tak, aby propojení souèástek odpovídalo požadovanému zapojení (schématu). Pøi oživování a nastavování obvodu doporuèuji používat zdroj malého napìtí +12 V. Seznam souèástek obou komparátorù neuvádím, jejich hodnoty je potøebné navrhnout v souladu s pøedchozími pokyny podle konkrétních požadavkù. Operaèní zesilovaè IO1 je typu TL064, LED D1 a D3 jsou s vìtší úèinností, P1 a P2 jsou ležaté trimry 6 mm (PT6V). Seznam souèástek obvodu svìtelné a zvukové výstrahy odpovídá seznamu na stranì 18, DPS stojí 27 Kè.

Indikátor sledu fází Schéma indikátoru sledu fází je na obr. 53. Základem tohoto indikátoru je šestinásobný invertor se Schmittovými klopnými obvody (SKO) (IO1). Napìtí jednotlivých fází (L1 až L3) omezujeme pomocí rezistorù R1 až R6 a vnitøních ochranných upínacích diod na vstupech invertorù a dále je tvarujeme Schmittovými klopnými obvody IO1A až IO1C. Mají-li rezistory R1 až R6 dostateènì velký odpor, nehrozí znièení integrovaného obvodu, protože ochranné upínací diody na jeho vstupech snesou proud nìkolika desítek mA. Kvùli dostateèné napìové pevnosti jsou rezistory na vstupech pro jistotu vždy po dvou v sérii. Princip detekce poøadí fází ilustrují èasové prùbìhy vybraných signálù na obr. 54. Signál U2 na výstupu 2 IO1A je Obr. 55. Obrazec plošných spojù indikátoru sledu fází (mìø.: 1 : 1)

Obr. 53. Indikátor sledu fází

Obr. 54. Princip detekce poøadí fází. L1 a L2 jsou fázová napìtí, U2, U4 a UR8 jsou napìtí na výstupech 2 a 4 IO1 a na R8 (viz obr. 53) omezené a invertované napìtí fáze L1, signál U4 na výstupu 4 IO1B je omezené a invertované napìtí fáze L2. Derivací èlánkem C1, R8 je od sestupné hrany impulsu U2 odvozen úzký impuls nízké úrovnì, který je na obr. 54 oznaèen jako signál UR8. Prostøednictvím diod D1 a D2 se signály UR8 a U4 logicky sèítají a souètový signál se pøivádí na vstup invertoru IO1F. Jsou-li fáze ve správném poøadí podle obr. 54, vyskytuje se impuls nízké úrovnì signálu UR8 v dobì stavu vysoké úrovnì signálu U4, takže na vstupu invertoru IO1F je trvale vysoká úroveò. Na výstupu IO1F je tedy trvale nízká úroveò.

Je-li sled fází nesprávný a záporná pùlvlna fáze L2 pøedbíhá zápornou pùlvlnu fáze L1, vyskytuje se impuls nízké úrovnì signálu UR8 v dobì stavu nízké úrovnì signálu U4, takže na vstupu invertoru IO1F se objeví úzké impulsy nízké úrovnì odpovídající signálu UR8. Na výstupu IO1F pak budou úzké impulsy vysoké úrovnì. Obdobným zpùsobem je vyhodnocován obvodem s invertory IO1B, IO1C a IO1E sled fází L2 a L3. Je-li sled tìchto fází správný, je na výstupu IO1E trvale nízká úroveò, pøi nesprávném sledu fází jsou na výstupu IO1E úzké impulsy vysoké úrovnì. Je-li sled všech tøí fází správný, jsou na výstupech obou invertorù IO1F i IO1E trvale nízké úrovnì, tranzistor T1 je vypnutý a poruchový signál na výstupu invertoru IO1D i na výstupu OUT celého indikátoru je v nízké úrovni. Pøi nesprávném sledu fází impulsy na výstupech invertorù IO1F a IO1E nabíjejí pøes diody D5 a D6 kondenzátor C3, tranzistor T1 je sepnutý a poruchový signál má vysokou úroveò. Aktivní stav poruchového signálu je indikován svitem LED D7. Spojíme-li výstup OUT tohoto indikátoru se vstupem IN1 modulu spínaèe a zdroje, vypne se pøi nesprávném sledu fází napø. motor, který je pøipojen pøes spínaèe k síti. Dioda D8 je oddìlovací, dovoluje pøipojit ke vstupu spínaèe více výstupù poruchových signálù z rùzných modulù souèasnì Všechny souèástky indikátoru sledu fází jsou umístìny na jedné DPS s jednostrannými spoji. Obrazec spojù je na obr. 55, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 56. Indikátor neobsahuje žádné nastavovací prvky a pøi peèlivé práci funguje „na první zapojení“.

Seznam souèástek Obr. 56. Rozmístìní souèástek na desce indikátoru sledu fází

R1 až R6 R7 R8, R9 R10 až R12 R13 C1, C2 C3, C4

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

1,5 MΩ/0,6 W 1,5 MΩ, miniaturní 240 kΩ, miniaturní 1,5 MΩ, miniaturní 3,9 kΩ, miniaturní 6,8 nF, keramický 100 nF, keramický

23

D1 až D6 D7 D8 IO1 T1

1N4148 LED s vìtší úèinností 1N4148 CMOS 40106 BC547B

DPS stojí 29 Kè, souèástky 75 Kè

Èasovaè, zpožïovací obvod Tento obvod umožòuje zpoždìnì zapínat nebo vypínat spotøebièe. Referenèním zdrojem èasu je síový kmitoèet, jehož pøesnost je pro vìtšinu aplikací dostateèná. Schéma èasovaèe je na obr. 57. Síové napìtí, jehož kmitoèet využíváme, pøivádíme ze vstupní svorky L na taktovací vstup CP prvního èítaèe (IO1). Je to dvanáctistupòový asynchronní binární èítaè typu 4040, který je využíván jako dìlièka kmitoètu. Síové napìtí se pøivádí na vstup CP IO1 pøes pøedøadné rezistory R1 a R2 o velkém odporu. Nezbytné je vstup IO1 chránit Zenerovou diodou D26. Její Zenerovo napìtí volíme zhruba stejné nebo ponìkud menší než napájecí napìtí +12 V. Bez této diody by se IO1 sice neznièil (díky vnitøní ochranì vstupù diodami), ale nepracoval by spolehlivì (velká kapacita Zenerovy diody zøejmì potlaèuje rùzné rušivé impulsy). V prvním èítaèi IO1 dìlíme síový kmitoèet buï 50x (pøi volbì základní jednotky èasování 1 sekunda) nebo 3 000x (pøi volbì základní jednotky èasování 1 minuta). Požadovaný dìlicí pomìr je nastaven propojením výstupù èítaèe pøes diody D2 až D4 nebo D5 až D11 s jeho nulovacím vstupem MR. Diody D2 až D4 tvoøí obvod logického souètu, který vyhodnocuje poèet naèítaných impulsù síového kmitoètu. Po padesáti impulsech je vnitøní stav èítaèe 50, takže na výstupech Q1 (s vahou 2 1 = 2), Q4 (s vahou 2 4 = 16) a Q5 (s vahou 25 = 32) jsou vysoké úrovnì

(2 + 16 + 32 = 50). Katody diod D2 až D4 jsou pøipojeny právì k tìmto výstupùm, takže po naèítání padesáti impulsù se všechny tyto diody uzavøou. Jejich anody pøejdou do vysoké úrovnì a pøes pøepínaè S13 a oddìlovací diodu D12 se IO1 vynuluje. Po vynulování pøejdou všechny výstupy èítaèe IO1 do nízké úrovnì, nulování se ukonèí a zaène nové èítaní impulsù síového kmitoètu. Pro nastavení dìlicího pomìru 3 000 jsou podobným zpùsobem využity diody D5 až D11. Obvod logického souètu s tìmito diodami vyhodnocuje vnitøní stav èítaèe 3 000, tj. pøítomnost vysokých úrovní na výstupech Q3 (s vahou 2 3 = 8), Q4 (s vahou 2 4 = 16) a Q5 (s vahou 25 = 32), Q7 (s vahou 2 7 = 128), Q8 (s vahou 2 8 = 256), Q9 (s vahou 2 9 = 512) a Q11 (s vahou 2 11 = 2 048). Pro kontrolu si mùžeme spoèítat, že skuteènì platí: 8 + 16 + 32 + 128 + 256 + 512 + 2 048 = 3 000. Pøi dosažení stavu 3 000 se èítaè vynuluje a èítá opìt od nuly. Èasování po sekundách nebo po minutách pøepínáme pøepínaèem S13. Nulovací impuls je pøiveden také na taktovací vstup CP druhého èítaèe IO2 - nulovací impuls prvního èítaèe je zároveò taktovacím impulsem druhého èítaèe. Jako diodu D12 jsem úmyslnì použil usmìròovací diodu typu 1N4007, která je pomalá a má velkou kapacitu, aby nejdøív pøišel impuls do IO2 a teprve potom se vynuloval IO1. K rezistoru R9 by kvùli stejnému úèelu bylo možné paralelnì pøipojit kondenzátor o kapacitì jednotek pF. Pomocí spínaèù S1 až S12 volíme požadovanou dobu zpoždìní, kterou mùžeme nastavit od 1 sekundy nebo minuty do 4 096 sekund (1 hod 8 minut) nebo minut (více než 68 hodin). Pokud se na všech sepnutých spínaèích objeví vysoká úroveò, bude tato úroveò i na výstupu OUT, kde je využijeme k zapnutí nebo vypnutí zátìže (spotøebièe).

Zároveò se pøes diodu D13 vynuluje první èítaè IO1. Èasovaè pak zùstane v tomto stavu trvale, až do vynulování druhého èítaèe IO2 nebo do vypnutí napájecího napìtí (mùže se to stát i náhodným výpadkem síového napìtí). Druhý èítaè IO2 mùžeme vynulovat (a tím uvést èasovaè opìt v èinnost) pøivedením kladného napìtí +12 V (vysoké úrovnì) na vstup MR IO2. To mùžeme udìlat nìkolik zpùsoby: 1. Tlaèítkem Tl, jehož pøipojení k èasovaèi je na obr. 57 naznaèeno èárkovanì. 2. Zapnutím jiného síového spotøebièe Rz spínaèem S. Pøes diodu D1 se nabije kondenzátor C1 a kondenzátorem C2 se vytvoøí kladný impuls, který vynuluje èítaè IO2. 3. Zapnutím jiného síového spotøebièe se obvod vynuluje, po jeho vypnutí a vybití kondenzátoru C1 se zaène odpoèítávat doba zpoždìní, kondenzátor C2 je zkratován. Pøi realizaci èasovaèe použijeme pouze ty spínaèe S1 až S12 a diody D14 až D25, které budeme pro konkrétní aplikaci potøebovat. Pokud realizované zpoždìní nebude potøebné mìnit, mùžeme spínaèe vynechat a nahradit je drátovými propojkami. Pøepínaè S13, pokud jej budeme potøebovat, umístíme mimo DPS, jinak jej nahradíme drátovou propojkou. Odpor rezistoru R8 volíme podle navazujícího obvodu, který budeme z výstupu OUT èasovaèe ovládat. Pokud tento výstup pøipojíme ke vstupu IN1 modulu spínaèe a zdroje, mùže mít R8 odpor okolo 10 kΩ (a LED D28 by musela být supersvítivá). Kdybychom však z výstupu OUT èasovaèe chtìli pøímo budit optotriak (SSR), zvolili bychom odpor rezistoru R8 okolo 1 kΩ. LED D28 indikuje stav obvodu. Svítí, když je na výstupu OUT nízká úroveò. Dioda D27 oddìluje výstup od dalších obvodù. Pokud bychom chtìli, aby indikaèní LED svítila v dobì, kdy probí-

Obr. 57. Èasovaè, zpožïovací obvod

24

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

Obr. 58. Obrazec plošných spojù èasovaèe (mìø.: 1 : 1)

Obr. 59. Rozmístìní souèástek na desce èasovaèe

há zpoždìní, zapojili bychom ji na místo D27. Modul èasovaèe spojíme s modulem spínaèe a zdroje tak, abychom realizovali požadovanou funkci. Typickým pøíkladem uplatnìní èasovaèe je ovládání ventilátoru na toaletì. Ventilátor se zapíná sepnutím spínaèe osvìtlení a je v chodu ještì nìkolik minut po jeho vypnutí. Všechny souèástky jsou umístìny na desce s jednostrannými spoji. Obrazec spojù je na obr. 58, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 59. Èasovaè nemá žádné nastavovací prvky, pøi správném zapojení bude pracovat na první zapojení. Zkontrolovat funkci tohoto obvodu mùžeme i bez pøipojení k síti. Napájíme jej ze zdroje +12 V a na vstup L pøipojíme støídavé napìtí ze sekundárního vinutí síového transformátoru (postaèí i napìtí 8 V ze zvonkového transformátoru). Zapojení obvodu 4040 bylo pøevzato z odborné literatury. Pøi ovìøování zapojení jsem se setkal se tøemi obvody, které mu však úplnì neodpovídaly. Na výstupu Q0 (vývod 9) byla u nich trvale nízká úroveò, na výstupu Q1(vývod 7) byl hodinový kmitoèet vydìlen 2x a ne 4x. Na výstupu Q2 byl hodinový kmitoèet vydìlen 4x atd. Obvody mìly oznaèení HEF4040BP AG724 Un03523. S takovými obvody je potom doba zpoždìní polovièní než uvádím, základní jednotkou není minuta, ale pùlminuta.

Seznam souèástek R1, R2, R3 R4 R5 R6, R7 R8 R9 C1 C2 C3

1,5 MΩ/0,6 W 30 kΩ, miniaturní 1,5 MΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní viz text 1,5 MΩ, miniaturní 2,2 µF/50 V, radiální 10 µF/35 V, radiální 100 nF, keramický

D1 D2 až D11 D12 D13 D14 až D25 D 26 D27 D28 IO1, IO2

1N4007 1N4148 1N4007 1N4148 1N4148 BZX83V011, viz text Zener. dioda 11 V/0,5 W 1N4148 LED (supersvítivá) CMOS 4040

DPS stojí 37 Kè, souèástky 109 Kè

Indikátor velikosti síového napìtí Schéma tohoto indikátoru je na obr. 60. Jedná se o univerzální bodový indikátor velikosti malého ss napìtí s pìti LED (v pravé èásti obr. 60), který je doplnìn odporovým dìlièem (R11, R12) a usmìròovaèem (D7, R13 a C1), aby mohl indikovat velikost síového napìtí. Indikátor mùžeme použít jako doplnìk multifunkèního relé k hrubé indikaci stavu síového napìtí nebo (bez usmìròovaèe) k indikaci velikosti libovolného ss napìtí. Jedná se o bìžné zapojení okénkového diskriminátoru, ve kterém je ke komparaci napìtí použita ètveøice operaèních zesilovaèù TL064 (IO1) s malým napájecím proudem. Pøi zvìtšování ss napìtí pøivádìného na vstup IN pøecházejí postupnì výstupy operaèních zesilovaèù z vysoké do nízké úrovnì napìtí a postupnì se rozsvìcejí LED D5 až D1. Svítí vždy pouze jedna LED. Rozhodovací úrovnì, tj. úrovnì vstupního napìtí, pøi kterých se mìní stav výstupù operaèních zesilovaèù a LED se rozsvìcejí a zhasínají, urèuje dìliè napájecího napìtí +12 V s rezistory R1 až R5. Vìtšinou volíme rezistory R2, R3 a R4 stejné, pokud požadujeme lineární prùbìh indikace.

Dolní mez indikace (tj. velikost vstupního napìtí, pøi které zhasne LED D5) a horní mez indikace (tj. velikost vstupního napìtí, pøi které se rozsvítí LED D1) urèíme volbou odporù rezistorù R1 a R5. Zvolíme proud dìlièem napø. 0,1 mA (aby se to dobøe poèítalo) nebo podle rezistorù, které máme k dispozici. Podle požadovaných rozhodovacích úrovní pak vypoèítáme podle Ohmova zákona odpory rezistorù R1 až R5. Barvy jednotlivých LED volíme podle jejich významu. Zelená se používá pro indikaci bìžného provozního stavu, žlutá pro indikaci mírnì zvýšených nebo snížených hodnot, èervená pro indikaci poruch nebo vypnutého stavu. Diody LED použijeme s vyšší úèinností (nejlépe supersvítivé), aby spotøeba indikátoru byla minimální (zhruba 4 mA). Dioda D6 je použita proto, aby LED D5 ve vypnutém stavu neprosvítala. Prahové napìtí èervené LED bývá totiž nìkdy nižší než záporné saturaèní napìtí operaèního zesilovaèe. Výpoèet usmìròovaèe, ze kterého urèíme velikost usmìrnìného napìtí na kondenzátoru C1 v závislosti na napìtí fáze L a na parametrech ostatních souèástek usmìròovaèe, je uveden v popisu indikátoru pøepìtí a podpìtí sítì na str. 17. Jeden z výstupù operaèních zesilovaèù IO1a, IO1b, IO1c nebo IO1d mùžeme propojit se vstupem IN1 modulu jednofázového spínaèe a zdroje a vypnout tak zátìž pøi pøedpìtí nebo podpìtí. Tento obvod nám pak mùže nahradit døíve popsaný indikátor pøepìtí a podpìtí sítì a navíc umožní sledovat stav síového napìtí.

Obr. 60. Indikátor velikosti síového napìtí

Obr. 61. Úprava zapojení operaèních zesilovaèù v indikátoru z obr. 60

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

25

Obr. 62. Obrazec plošných spojù indikátoru velikosti síového napìtí (mìø.: 1 : 1)

rozmístìní souèástek na desce je na obr. 63. Pokud nepoužijeme rezistory Ra a Rb, nahradíme Ra zkratem (drátovou propojkou) a pozice Rb necháme volné. Rezistor R3 je nutné pøipájet buï shora nebo zespodu k vývodùm IO1. Pokud bude umístìn zespodu, mùže být v provedení SMD. Pøi oživování napájíme modul ss napìtím 12 V a promìnné vstupní napìtí pøivádíme z laboratorního regulovatelného zdroje.

Obr. 63. Rozmístìní souèástek na desce indikátoru velikosti síového napìtí

Seznam souèástek

Pokud zmenšíme napìové zesílení operaèních zesilovaèù z témìø nekoneèného na asi stonásobné tím, že ke každému z nich pøipojíme rezistory Ra a Rb podle obr. 61, budou se jednotlivé LED rozsvìcet a zhasínat postupnì. Místo pìti tak získáme devìt zobrazovaných úrovní, dvì sousední LED mohou svítit souèasnì. Výsledné napìové zesílení operaèního zesilovaèe je pøibližnì urèeno po-

mìrem odporù Rb/Ra. Odpor rezistoru Ra volíme co možná nejvìtší (desítky až stovky kΩ), aby se zbyteènì nezmenšoval vstupní odpor indikátoru, a odpor rezistoru Rb pak stanovíme jako stonásobek Ra (pro zesílení 100x). Odpor Rb vyjde øádu jednotek MΩ, což je ještì realizovatelné. Všechny souèástky vèetnì LED jsou na jedné DPS s jednostrannými spoji. Obrazec spojù je na obr. 62,

R1 R2, R3, R4 R5 R6 až R10 R11 R12 R13 C1 D1 až D5 D6, D7 IO1

viz text 3,9 kΩ, miniaturní viz text 3,9 kΩ, miniaturní 1,5 MΩ/0,6W 30 kΩ, miniaturní 1,5 MΩ, miniaturní 100 µF/10 V, radiální LED s vyšší úèinností 1N4148 TL064

DPS stojí 26 Kè, souèástky 75 Kè

Elektronika pro dílnu i domácnost Mìøiè délky telefonních hovorù Dlouhé telefonnní hovory jsou znaènì nákladné. Následující pøípravek je urèen pøedevším tìm, kterým se pøi telefonovaní èas zastavuje. Umožnuje opticky i akusticky sledovat délku telefonního hovoru a upozoròuje tak na narùstající prohovoøenou èástku. K èinnosti obvodu je využíváno mìøení stejnosmìrného napìtí na telefonní lince, které je v klidovém stavu pøibližnì 60 V. Pøi vyzvánìní a pøi hovoru se zmenší témìø na nulu, èehož se využívá k aktivaci mìøièe. Schéma mìøièe je na obr. 64. Snažil jsem se o co možná nejjednodušší zapojení a o minimální spotøebu proudu. Základem mìøièe je obvod CMOS 4521 (IO1), který plní funkci oscilátoru i dìlièky kmitoètu. Pøesnost kmitoètu oscilátoru, a tím i odmìøeného èasu, není pøíliš velká, ale pro informativní a orientaèní úèely je plnì vyhovující. Kmitoèet oscilátoru fo je urèen vztahem: fo = 1/(2,3·R1·C1)

však, že by takové zapojení bylo zbyteènì složité. Zmìnou hodnot souèástek R1 a C1 mùžeme samozøejmì získat i jiné èasové rozlišení. Napø. po zvìtšení kapacity kondenzátoru C1 na 3,3 nF by to byla zhruba 1 minuta. Pokud chceme kmitoèet oscilátoru nastavit pøesnì, mùžeme k R1 a C1 paralelnì pøidávat další souèástky. Mìøiè je také vybaven akustickou signalizací, která pípne v okamžiku rozsvícení LED D3 a D4. K vytvoøení tónu signalizace je s výhodou využíván kmitoèet oscilátoru. Piezomìniè Piezo je k výstupu oscilátoru (4 IO1) pøipojován tranzistorem T1, který je spínán pøes

[Hz; Ω, F]

a v našem pøípadì je 2131 Hz. Na výstupu Q19 IO1 je kmitoèet fo vydìlìn 524 288x na 0,004 065 Hz, tj. signál na tomto výstupu má periodu 246 s. Za polovinu této periody, tj. pøibližnì za 2 minuty po spuštìní obvodu, se rozsvití LED D2. Na dalším výstupu Q20 IO1 je signál s periodou 492 s, takže po ètyøech minutách se rozsvítí LED D3 a zhasne LED D2. Po uplynutí

26

šesti minut budou svítit LED D3 i D2 souèasnì. Osmou minutu zaène svítit pouze LED D4, která je pøipojena k výstupu Q21 IO1 atd. Protelefonovaný èas je tedy indikován binárnì tøemi diodami LED s krokem asi 2 min do maximální délky 16 min. Pak se indikace opakuje znova od nuly. Zobrazení èasu v binárnm kódu považuji pro tuto aplikaci za pøípustnou. Domnívám se, že pøi rùzné barvì LED je snadno pochopí i laik. Bylo by samozøejmì také možné k zobrazení èasu použít dekodér jedna z deseti typu CMOS 4028 s øadou LED na výstupu. Každá LED by odpovídala odbìhlým dvìma minutám. Myslím

Obr. 64. Mìøiè délky telefonních hovorù

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

pracovat peèlivì a nezpùsobit zkrat na telefonní lince. Rezistory R6, R7 a R8 jsou zvoleny s ohledem na minimální zatížení telefonní sítì, které je v tomto pøípadì srovnatelné s bìžnými hodnotami svodových proudù. Vzhledem k nepatrnému odbìru nemùže proto tento obvod pøi správném zapojení narušit èinnost telefonní sítì. Mìøiè délky telefonních hovorù je realizován na desce s jednostrannými plošnými spoji. Obrazec spojù je na obr. 65, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 66. Desku mùžeme umístit napø. do univerzální plastové krabièky KM22, ve které je místo i na baterii 9 V.

Obr. 65. Obrazec plošných spojù mìøièe délky telefonních hovorù (mìø.: 1 : 1)

Seznam souèástek R1 R2 R3, R4, R5

Obr. 66. Rozmístìní souèástek na desce mìøièe délky telefonních hovorù kondenzátory C2 a C3 pøi vzestupných hranách signálu na výstupech Q20 a Q21 IO1. Piezomìniè tak pípá každì ètyøi minuty. Po úpravì plošných spojù a po pøipojení C2 a C3 k výstupùm Q19 a Q20 IO1 by pøístroj pípal každé dvì minuty. Tranzistor T1 se sepnut vždy po dobu, než se kondenzátory C2 nebo C3 nabijí. Velikostí kapacity tìchto kondenzátorù tedy mùžeme volit délku písknutí (pøi kapacitì 1 µF je to asi 0,5 s až 1 s). Èítaè v IO1 je nulován pøi vysoké úrovni napìtí na telefonní lince (asi 60 V) pøes dìliè s rezistory R6 a R7. Pøi zahájení hovoru (nelze rozlišit,kdo je volající) se napìtí na telefonní lince zmenší na jednotky voltù a èítaè v IO1 zaène èítat. Po ukonèení hovoru se èítaè opìt vynuluje. Mìøiè je napájen z baterie 9 V. Pokud je èítaè nulován a oscilátor nekmitá, je napájecí proud asi 8 µA. Když IO1 není nulován a kmitá oscilátor, je napájecí proud zhruba 130 µA. K tomu musíme pøipoèítat i odbìr svítících LED, které by pro omezení spotøeby bylo nejvhodnìjší použít supersvítivé. Proud diodami LED volíme velikostí odporu rezistorù R3, R4 a R5. Pøi odporu 3,3 kΩ by diodami LED tekl proud asi 2 mA. Odbìr v klidovém stavu mùže být kryt napájením obvodu z telefoní linky pøes rezistor R8. Pøi vhodné volbì jeho odporu se baterie také trochu dobíjí a udržuje se v nabitém stavu. Tím se výraznì prodlouží její životnost, v zaøízení mùže vydržet nabitá i nìkolik let. Je tøeba upozornit, že pøipojení neschválených a nehomologovaných zaøízení k telefonní lince není dovoleno. Tìm, kteøí si budou tento obvod pøesto chtít postavit, chci pøipomenout nutnost

30 kΩ, miniaturní 10 kΩ, miniaturní 1,2 kΩ, miniaturní, viz text R6 1,5 MΩ, miniaturní R7 8,2 MΩ, miniaturní R8 3,9 MΩ, miniaturní C1 6,8 nF, keramický C2 1 µF/6,3 V, radiální C3 2,2 µF/6,3 V, radiální C4 100 nF, keramický D1 1N4007 D2 LED èervená D3 LED žlutá D4 LED zelená D5 1N4148 Usm B250C1500 T1 BC547B IO1 CMOS 4521 piezo KPT1540 W klips na baterii 9 V DPS stojí 19 Kè, souèástky 89 Kè

Sinusový nf generátor V èasopise Electusu 2001 jsem publikoval nìkolik zapojení mìøicích pøístrojù pro domácí dílnu s jednotnou mechanickou konstrukcí, o které byl velký zájem. Jejich základem byla skøíòka, kterou tvoøil hliníkový profil ve tvaru U o rozmìrech 50 x 50 mm o tloušce stìny 3 mm a o délce 219 mm. Na uzavøenou skøíòku byl doplnìn plechovými boènicemi. DPS byla vždy pøipevnìna k pøednímu panelu o rozmìrech 225 x 56 mm. Výkres této skøíòky je na obr. 3 na str. 17 v uvedeném èasopise Electus 2001. Jednalo se o napájecí zdroj 29V/ /0,005 až 1 A, generátor funkcí do 1 MHz a 5místný èítaè s obvodem CMOS 4534. Tento obvod se pøestal vyrábìt, a proto jsem v KE 4/2004 popsal 6místný èítaè v téže skøíòce. Nyní jsem stejným zpùsobem realizoval nf generátor sinusového signálu se šesti kmitoètovými rozsahy. Každý rozsah (kromì nejvyššího) má pøeladìní 1 : 10. Schéma tohoto generátoru je na obr. 68. Použil jsem osvìdèené zapo-

jení s Wienovým èlánkem a s tranzistory, známé už od 70. let minulého století, které jsem pøizpùsobil moderní souèástkové základnì. Myslím, že toto zapojení by nemìlo upadnout v zapomnìní. Jak dále vysvìtlím, náhrada tranzistorù integrovaným obvodem dává horší výsledky. V souèasnosti se sinusové nf prùbìhy vytváøejí generátorem funkcí aproximací  trojúhelníkového prùbìhu diodoodporovou maticí. Nebo z obdélníkového prùbìhu pomocí digitálního filtru s velkou strmostí odfiltrujeme vyšší harmonické. Pøípadnì sinusovou funkci programujeme mikroprocesorem, kterým øídíme A/D pøevodník. Zapojení podle obr. 67 je však jednodušší a ménì nákladné. Cena tranzistorù je výraznì nižší než cena speciálních integrovaných obvodù. Pøi správném nastavení má výstupní signál harmonické zkreslení pod 1 % (u generátorù tohoto typu se udává obvykle 0,1 %). Sinusový signál se zde pøímo vytváøí a nemusí se získávat z jiného prùbìhu. Jedinou nevýhodou je, že k ladìní potøebujeme tandemový potenciometr a k pøepínání rozsahù dvojitý pøepínaè. K pochopení funkce tohoto generátoru nejprve zopakuji princip èinnosti oscilátorù a stabilizace jejich amplitudy. Každý oscilátor se skládá ze zesilovaèe s napìovým zesílením A a ze zpìtnovazebního obvodu s pøenosem napìtí k (viz obr. 67a). Pokud se signál ze vstupu zesilovaèe zesílí a projde zpìtnovazebním obvodem zpátky na vstup zesilovaèe se stejnou amplitudou a fází, bude obvod kmitat. Signál se v nìm udrží trvale, takový obvod se nazývá oscilátor. Oscilátor je zesilovaè s kladnou zpìtnou vazbou. Tento stav v teorii zesilovaèù popisuje Nyquistovo kritérium stability, v teorii oscilátorù amplitudová a fázová podmínka oscilací. Obojí hovoøí o tom samém jevu. Graficky si jej mùžeme znázornit pomocí fázorového diagramu (obr. 67b). V komplexní rovinì znázorníme pøenos zesilovaèe se zpìtnovazebním obvodem pro kmitoèty od 0 do nekoneèna. Je-li bod (1,0) uvnitø této charakteristiky, obvod kmitá. Podmínka oscilací musí být alespoò pro jeden kmitoèet splnìna. Pokud tomu tak není (A·k < 1), kmity se rychle utlumí (viz obr. 67c). Pokud

Obr. 67a. Blokové schéma oscilátoru

Obr. 67b. Fázorový diagram zesilovaèe se zpìtnou vazbou

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

27

Obr. 67c. Tlumené kmity v obvodu, ve kterém je A·k < 1 Obr. 67d. Omezované kmity v obvodu, ve kterém je A·k > 1 Obr. 67e. Ustálené sinusové kmity v obvodu, ve kterém je A·k = 1 je A·k > 1, amplituda kmitù stále narùstá, signál se po prùchodu obvodem stále zesiluje. Nakonec je signál omezován (viz obr. 67d). Vzniká tak generátor obdélníkového (lichobìžníkového) prùbìhu, který nazýváme astabilní multivibrátor. Kladná zpìtná vazba je zde velmi silná. Pro vytvoøení sinusového prùbìhu potøebujeme, aby A·k = 1. Po zapnutí oscilátoru se však kmity musí vybudit, tj. v okamžiku zapnutí musí být A·k > 1. Jak však amplituda kmitù narùstá, musí se souèin A·k zmenšovat, a pro urèitou amplitudu kmitù, pøi které ještì není signál omezován, musí být A·k = 1 (viz obr. 67e). V bìžných LC oscilátorech se jako zesilovaè používá tranzistor (bipolární, JFET) a potøebná kladná zpìtná vazba je zavedena rezonanèním obvodem LC, jehož rezonanèní kmitoèet urèuje kmitoèet oscilací. Tìsnì po zapnutí napájení pracuje tranzistor v lineární oblasti, A·k > 1 a oscilátor se vlivem vnitøních šumù rozkmitá. Amplituda kmitù postupnì vzrùstá. Sinusové napìtí z rezonanèního obvodu se usmìròuje na pøechodu báze-emitor tranzistoru a usmìrnìným napìtím se tranzistor po èást periody kmitù uzavírá. S rostoucí amplitudou kmitù je tak rezonanèní obvod tranzistorem buzen stále užšími proudovými impulsy. Následkem toho se pro první harmonickou kmitù souèin A·k postupnì zmenšuje a amplituda kmitù se nakonec ustálí na takové úrovni, pøi které je pro první harmonickou A·k = 1. Vlivem selektivity je napìtí na rezonanèním obvodu LC sinusové (pøi správném návrhu!), i když je buzen nesinusovým proudem. Pro použití v nf generátoru není LC oscilátor vhodný, protože kapacita a indukènost v rezonanèním obvodu by byly nevýhodnì velké. Pro akustické kmitoèty dáváme pøednost RC oscilátorùm. Jako zpìtnovazební obvod používáme buï Wienùv èlánek nebo T èlánek, což jsou obvody s malou selektivitou, které samy neodfiltrují první harmonickou signálu. Tyto

28

oscilátory potøebují proto obvody pro stabilizaci amplitudy, kterými se budeme dále zabývat. Nejlépe princip RC oscilátorù pochopíme na zapojení s operaèním zesilovaèem (OZ) podle obr. 67f. Wienùv èlánek zavádí z výstupu OZ do jeho neinvertujícího vstupu kladnou zpìtnou vazbu. Za pøedpokladu, že R1 = R2 = R a C1 = C2 = C, je pøenos Wienova èlánku roven jedné tøetinì (k = 0,33). Aby bylo na výstupu OZ sinusové napìtí, musí být splnìna podmínka A·k = 1, takže zesilovaè s OZ musí mít zesílení A pøesnì 3. To zajišuje obvod záporné zpìtné vazby s rezistorem R3 a žárovkou. Žárovka se chová jako èinný odpor s kladným teplotním souèinitelem (PTC). S rostoucím støídavým napìtím pøivádìným z výstupu OZ se vlákno žárovky ohøívá a roste jeho odpor. Napìové zesílení AU neinvertujícího zesilovaèe s OZ vypoèítáme podle vzorce: AU = 1 + (R3/PTC)

Obr. 67f. Nf oscilátor s Wienovým mùstkem a stabilizací amplitudy kmitù žárovkou (PTC)

Obr. 67g. Stabilizace amplitudy kmitù termistorem (NTC)

[-; Ω, Ω].

Odpor rezistoru R3 volíme tak, aby pøi minimálním odporu PTC (pøi studeném vláknu žárovky) bylo zesílení AU mírnì vìtší než 3. Po zapnutí napájecího napìtí se tak oscilátor podle obr. 67f rozkmitá a amplituda kmitù narùstá. S rostoucí amplitudou kmitù se vlákno žárovky ohøívá a zvìtšuje se jeho odpor. Zesílení klesá a pøi AU = 3 se amplituda kmitù ustálí. Kmitoèet oscilací f o vypoèítáme podle vzorce:

Obr. 67h. Stabilizace amplitudy kmitù øízeným odporem tranzistolru FET

Obr. 67i. Stabilizace amplitudy kmitù diodami (vyznaèuje se vìtším zkreslením než u pøedchozích zapojení)

fo = 1/[2·π·√(R1·R2·C1·C2)] [Hz; Ω, F]. Aby stabilizace amplitudy fungovala kvalitnì, musí být doba ohøevu vlákna žárovky výraznì delší než nejdelší možné perioda signálu oscilátoru. Na kmitoètu okolo 1 Hz to je již obtížnì splnitelné, musíme zde poèítat s urèitým zkreslením signálu. První sekundy po zapnutí nebo pøeladìní oscilátoru musíme rovnìž poèítat s kolísáním amplitudy, než se teplota vlákna ustálí. Typ použité žárovky volíme s ohledem na výstupní odpor zesilovaèe. Žárovka musí mít co možná nejvìtší odpor vlákna (žárovky 12 V/50 mA nebo 24 V/50 mA mají odpor studeného vlákna okolo 100 Ω) a musí pracovat v nelineární èásti své charakteristiky. Pravdìpodobnì nebude svítit, pøípadnì bude pouze slabì žhnout. Žárovky pro menší napìtí a vìtší proudy nejsou vhodné. Výstupní signál by byl tvarovì zkreslený, žárovku bychom museli budit zesilovaèem s velmi malým výstupním odporem. Jako rezistor R3 použijeme odporový trimr (1 kΩ), kterým nastavíme vhodný pracovní režim žárovky. To znamená dostateènou, ale ne pøíliš velkou amplitudu signálu na výstupu OZ a jeho minimální zkreslení. Obojí souèasnì lze dosáhnout jen obtížnì. Radìji zvolíme menší amplitudu (asi 1 V), protože zesílit výstupní signál není problém, zatím co zkreslení se už dále zmenšit nedá.

Na podobném principu funguje stabilizace amplitudy s NTC termistorem (viz obr. 67g). S rostoucí amplitudou signálu se termistor zaène zahøívat, jeho odpor se zmenší, zesílení se zmenší a amplituda kmitù se ustálí. Odpor termistoru zvolíme øádu stovek ohmù, aby se napìtím øádu jednotek voltù zaèal ohøívat a aby se jeho odpor zaèal mìnit. Místo rezistoru, který vede z invertujícího vstupu OZ na zem, mùžeme zapojit rovnìž trimr, kterým nastavíme pracovní bod termistoru, a tím i požadovanou amplitudu výstupního napìtí. Èasová konstanta ohøevu termistoru bude delší než u vlákna žárovky. Amplituda kmitù bude více závislá na teplotì prostøedí, která odpor termistoru ovlivòuje. Proto se toto zapojení tak èasto nepoužívá. Vyzkoušel jsem kombinaci žárovky a termistoru. Použití dvou nelineárních souèástek, pokud by obì pracovaly v optimální èásti své charakteristiky (v oblasti zakøivení), by mohlo zvìtšit rozsah stabilizace amplitudy. Ukázalo se však, že oscilátor, který má ve zpìtné vazbì dvì nelineární souèástky s rùznými èasovými konstantami, je

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

náchylný k parazitním oscilacím na nízkých kmitoètech. Rovnìž se používá stabilizace amplitudy s unipolárními tranzistory, které se chovají v pootevøeném stavu jako øízené lineární odpory. Výstupní napìtí OZ usmìrníme a filtrujeme. Usmìrnìným napìtím øídíme odpor unipolárních tranzistorù. Jedná se o aktivní souèástky, které se otvírají pøi napìtí øídicí elektrody G vùèi emitoru okolo 3 V a které mají velkou strmost. Na obr. 67h je zapojení s tranzistorem JFET, který je bez napìtí na øídicí elektrodì otevøen a zavírá se pøipojením záporného øídicího napìtí 2 až 3 V. Pøivøením tranzistoru poklesne zesílení zesilovaèe s OZ a amplituda kmitù se ustálí. Zapojení obvodu pro stabilizaci amplitudy kmitù s diodami (obr. 67i) nechci pøes jeho jednoduchost doporuèovat, protože bude mít vìtší zkreslení. Diody jsou nelineární souèástky, které na zmìnu napìtí reagují okamžitì. Použít operaèní zesilovaè v širokopásmovém RC oscilátoru není nejvhodnìjší. OZ v sobì obsahují minimálnì 15 tranzistorù. Každý z nich má urèitou parazitní kapacitu, která je pøíèinou fázového posuvu zesilovaného signálu. Aby byla splnìna podmínka stability (Nyquistovo kritérium), nesmí existovat kmitoèet, pøi kterém je zesílení vìtší než 1 a fázový posun 360 °. Jinak by se OZ samovolnì rozkmital na kmitoètu øádovì 1 MHz. Proto OZ mají kmitoètovou kompenzaci, která omezuje pøenos vysokých kmitoètù. Z toho dùvodu bychom s OZ mohli realizovat pouze generátor nižších kmitoètù, nad 20 kHz by byly problémy s udržením kmitù. Zapojení se tøemi tranzistory má lepší vlastnosti. Popišme si nyní podrobnìji schéma generátoru na obr. 68. Zesilovaè nf oscilátoru je tvoøen tranzistory T1 až T3. Tranzistory T1 a T2 pracují v zapojení se spoleèným emitorem, tranzistor T3 je zapojen se spoleèným kolektorem. Všechny tranzistory jsou pøímo vázány. Aby mìl tento obvod optimální vlastnosti (aby byly obì pùlvlny výstupního støídavého napìtí stejnì omezovány), musí být na emitoru tranzistoru T3 polovina napájecího napìtí. Pøedpìtí rovné polovinì napájecího napìtí se získává odporovým dìlièem R1, R2 a pøivádí se do báze tranzistoru T1. Pracovní bod zesilovaèe je stabilizován stejnosmìrnou zápornou zpìtnou vazbou zavedenou dìlièem R6, R9. Pokud na emitoru T3 vzroste napìtí, pøivøou se tranzistory T1, T2 i T3 a napìtí na emitoru T3 poklesne. Tranzistor T2 má ještì vlastní stabilizaci pracovního bodu pomocí rezistoru R7 (vzroste-li proud tranzistorem, zvìtší se úbytek napìtí na R7, tranzistor se pøivøe a napìtí na emitoru se zmenší). Rezistor R7 je pøemostìn kondenzátorem C14, aby se zbyteènì nezmenšovalo zesílení støídavých signálù. Kladná zpìtná vazba, která zajišuje rozkmitání oscilátoru, je zavedena

Obr. 68. Sinusový nf generátor Wienovým èlánkem z emitoru T3 na bázi T1. Hodnoty souèástek Wienova èlánku urèují kmitoèet oscilací. K ladìní kmitoètu je použit tandemový potenciometr P2. Rezistory R3 a R4 omezují pøeladitelnost na pomìr 1 : 10. Potenciometr P2 je logaritmický, aby byl zajištìn pøibližnì lineární prùbìh stupnice kmitoètu.

Za pøedpokladu, že R3 = R4, P2a = = P2b a C1 = C7, C2 = C8 atd., vypoèítáme kmitoèet oscilací fo ze vztahu: fo = 1/[2·π·(R3 + k·P2a)·C]

[Hz; Ω, F],

kde k je relativní poloha bìžce potenciometru P2a, která se pohybuje v rozmezí 0 až 1, a C je kapacita kondenzá-

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

29

torù C1 až C11 právì zapojených pøepínaèem S1a a S1b. S hodnotami souèástek podle schématu má generátor rozsahy: 1,5 až 16 Hz, 15 až 160 Hz, 150 Hz až 1,6 kHz, 1,5 až 16 kHz, 15 až 160 kHz a 150 až 500 kHz. Nejvyšší rozsah je tøeba považovat za doplòkový, není možné realizovat pøeladìní až do 1,6 MHz. Poèet rozsahù si samozøejmì mùžeme zvolit podle vlastního uvážení (s podobnými hodnotami souèástek). Odpor rezistoru R10 musí být co nejmenší, aby emitorový sledovaè s T3 mohl dodávat do zátìže dostateèný proud i v záporných pùlvlnách výstupního napìtí. Jinak by byly záporné pùlvlny oøezané. Tranzistorem T3 teèe pomìrnì velký klidový proud, a proto se tento tranzistor i rezistor R10 zahøívají. Plošné spoje jsou navrženy tak, aby odvod tepla z uvedených souèástek usnadòovaly. Pokud bychom použili vyšší napájecí napìtí, zvolíme R10 a T3 výkonnìjších typù. Amplitudu výstupního signálu nastavujeme lineárním potenciometrem P1. Za potenciometrem je zaøazen výstupní odporový atenuátor se 3 výstupy, ze kterých lze odebírat maximální napìtí (efektivní) 1 V, 100 mV a 10 mV. Všechny výstupy mají stejný výstupní odpor 600 Ω. Zapojení výstupního atenuátoru si každý mùže zjednodušit podle libosti. Nejnižší rozsah se pøíliš èasto nepoužívá, takže je napø. možné vynechat rezistory R17, R17a, R14 a R14a. Pokud jsme postavili generátor sinusového prùbìhu, stojí za to jej doplnit tvarovaèem, abychom získali i generátor obdélníkového signálu. Náklady a složitost zapojení se zvìtší pouze minimálnì. Ve schématu mají souèástky obdélníkového tvarovaèe èísla vìtší než 40. K tvarování sinusového prùbìhu na obdélníkový jsem zapojil tranzistory T40 a T41 jako Schmittùv klopný obvod (SKO). Antisaturaèní Schottkyho diody D42 a D43 zvyšují rychlost spínání tranzistorù. Výstupní napìtí z tvarovaèe je pøipojeno na výstupní zdíøku pøes ochranný rezistor R48, abychom výstupní tranzistor neznièili pøi náhodném pøipojením výstupu ke kladnému napájecímu napìtí. Je tøeba si však uvìdomit, že se vstupní kapacita pøipojeného mìøeného objektu tvoøí s odporem R48 integraèní èlánek (dolní propust), který omezuje pøenos vyšších kmitoètù a zaobluje tak hrany výstupního signálu. Odpor rezistoru R48 proto nesmí být pøíliš velký. Rozkmit obdélníkového signálu ovládáme zmìnou napájecího napìtí tvarovaèe. Jako regulátor napájecího napìtí jsem použil regulovaný stabilizátor LM317L (IO40). Výstupní napìtí stabilizátoru se reguluje v rozmezí asi 2,5 až 15 V lineárním potenciometrem R40. Mezi vývody ADJ a OUT IO40 je referenèní napìtí 1,25 V. Výstupní napìtí UOUT stabilizátoru mùžeme pøibližnì urèit podle vztahu:

30

UOUT = 1,25·(1 + [(k·P40 + R41)/R40]) [V; V, Ω], kde k je relativní poloha bìžce potenciometru P40, která se pohybuje v rozmezí 0 až 1. Proud z vývodu ADJ do zemì, který je asi 50 µA, ponìkud zvìtšuje úbytek napìtí na potenciometru P40 a tím i výstupní napìtí UOUT oproti uvedenému výpoètu. Tvarovaè se pøeklápí pøibližnì pøi úrovni napìtí 0,6 V na bázi tranzistoru T40. Dìlièem z rezistoru R42 a diod D40 a D41 je vytváøeno referenèní napìtí asi 1,2 V, které pøes potenciometr P41 a rezistor R43 pøivádíme jako pøedpìtí na tranzistor T40. Lineárním potenciometrem P41 ovládáme velikost tohoto pøedpìtí a tím øídíme støídu obdélníkového signálu na výstupu tvarovaèe. Pøi nastavení bìžce potenciometru P41 do støedu odporové dráhy je støída výstupního signálu pøibližnì 1 : 1. Rezistor R43 musí mít dostateènì velký odpor ve srovnání s odporem žárovky Ž, aby potenciometr P41 nemìl vliv na amplitudu generovaného signálu. LED D40 svým jasem indikuje rozkmit obdélníkového signálu na výstupu tvarovaèe a na nejnižším kmitoètovém rozsahu mùžeme podle jejího blikání i pøibližnì nastavit støídu signálu. Pøitom takto nastavená støída zùstane zachována i po pøepnutí na vyšší rozsahy. LED D40 zároveò indikuje zapnutí pøístroje. Napájecí napìtí U OUT z výstupu stabilizátoru IO40 je vyvedeno na výstupní zdíøku Uout. Mùžeme ho používat pro napájení logických obvodù, do kterých souèasnì zavádíme obdélníkový signál z tvarovaèe. Výhodou je, že za tìchto okolností velikost napájecího napìtí vždy odpovídá rozkmitu výstupního obdélníkového signálu, jak to logické obvody vyžadují. Stabilizátor IO40 má tepelnou ochranu, takže jej pøípadným pøetížením neznièíme. Jeho ztrátový výkon Pztrát, který je urèen vztahem: Pztrát = (UIN - UOUT)·IOUT

[W; V, A],

by nemìl pøesáhnout 0,5 W. Výstupní proud IOUT stabilizátoru typu LM317L mùže být maximálnì 100 mA. Pokud bychom chtìli z IO40 odebírat vìtší proud, použili bychom obvod LM317T, který bychom izolovanì upevnili na hliníkový profil tvoøící zadní stìnu krabièky. Pøi vìtším odbìru proudu bychom také mìli zvìtšit kapacitu filtraèního kondenzátoru C19. Generátor napájíme stabilizovaným ss napìtím Unap = +15 V, které pøivádíme z laboratorního napájecího zdroje na svorku Unap. V tom pøípadì stabilizátor IO1 nezapojíme a nahradíme ho drátovou propojkou. Generátor je možné napájet i støídavým napìtím ze síového transformátoru, pro ten pøípad je na DPS místo pro

usmìròovaè, filtraèní kondenzátor C19 a stabilizátor napìtí IO1. Požadavky na velikost napájecího napìtí nejsou pøíliš pøísné. Generátor mùžeme napájet ss napìtím až 24 V bez úprav zesilovaèe s tranzistory T1 až T3. Pracovní body tìchto tranzistorù se zmìní jen minimálnì. Pøi vìtším napájecím napìtí bude výstupní napìtí ménì zkreslené. Napájecí napìtí by nemìlo být zvlnìné, aby generovaný signál nebyl parazitnì amplitudovì modulován. K filtraci napájecího napìtí pøispívá kondenzátor C17. Souèástky sinusového generátoru s výstupním atenuátorem i obdélníkovým tvarovaèem vèetnì všech potenciometrù, pøepínaèe rozsahù a LED jsou umístìny na jedné DPS s jednostrannými spoji. Obrazec spojù je na obr. 69, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 70. DPS je pøipevnìna k pøednímu panelu skøíòky tøemi šroubky M3 pøes distanèní podložky o délce 15 až 20 mm. Na pøedním panelu jsou také umístìny všechny vstupní a výstupní zdíøky. Pøi oživování nejprve zkontrolujeme pracovní body tranzistorù T1 až T3. Trimr R12 nastavíme nejprve tak, aby oscilátor nekmital. Pøi napájecím napìtí +15 V bychom bez signálu mìli proti zemi namìøit tato napìtí: 6,8 V na emitoru T1, 12,9 V na kolektoru T1, 13,5 V na emitoru T2, 7,5 V na kolektoru T2 a 6,9 V na emitoru T3. Je tøeba si uvìdomit, že tranzistory jsou pøímo vázány. V takovém obvodu vše souvisí se vším. Najít pøípadnou chybu nebo upravit uvedená napìtí mùže být v takovém zapojení pro zaèáteèníka problém. Jsou-li stejnosmìrná napìtí v poøádku, nastavíme trimrem R12 efektivní napìtí kmitù asi 1 V (tj. mezivrcholový rozkmit 2,83 V). Osciloskopem zkontrolujeme sinusový tvar signálu na jednotlivých rozsazích a pøi pøelaïování kmitoètu. Ustálení amplitudy signálu pøi pøeladìní trvá obvykle 2 až 3 s. Pokud je na nìkterém rozsahu signál zkreslen nebo zeslaben, zmìníme nastavení trimru R12 a kontrolu zopakujeme pro všechny rozsahy. Nakonec ovìøíme funkci tvarovacího obvodu. Pokud potøebujeme, aby generátor poskytoval signál s vìtším napìtím nebo menším výstupním odporem (napø. pro buzení reproduktorù), pøipojíme k výstupu generátoru koncový stupeò s výkonovým monolitickým zesilovaèem TDA2030 (IO30), který je použitelný pro celé akustické pásmo. Souèástky koncového stupnì mají ve schématu na obr. 68 èísla od 30 do 39. Napìové zesílení AU koncového stupnì lze urèit podle vztahu: AU = 1 + (R34/R33)

[-; Ω].

S hodnotami souèástek podle schématu je AU asi 5. Kdyby zesilovaè tvrdošíjnì kmital, zvìtšíme jeho zesílení

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

Obr. 69. Obrazec plošných spojù sinusového nf generátoru (mìø.: 1 : 1)

Obr. 70. Rozmístìní souèástek na desce sinusového nf generátoru podle poznámky redakce na str. 13 u zesilovaèe se stejným IO TDA2030. Maximální efektivní výstupní napìtí Uvýst ef mùžeme pøibližnì urèit z velikosti napájecího napìtí Unap podle vztahu: Uvýst ef·2·√2 < Unap – 4

[V; V].

Výstupní výkon Pvýst do zátìže RZ je pak: Pvýst = Uvýst ef2/RZ

[W; V, Ω].

Pøi napájení koncového stupnì napìtím Unap = +30 V mùžeme dosáh-

Obr. 71. Obrazec plošných spojù koncového stupnì k sinusovému nf generátoru (mìø.: 1 : 1)

nout výkonu 10 až 15 W (podle vnitøního odporu napájecího zdroje) pøi zkreslení pod 1 %. Dùležité je dobré oddìlení napájecích obvodù koncového stupnì a generátoru, nejlépe pomocí stabilizátoru IO1, popø. pomocí kaskády filtraèních èlánkù RC. Jinak by mohla vzniknout mezi koncovým stupnìm a generátorem kladná zpìtná vazba pøes napájení (generátor vybudí koncový stupeò, vzroste odbìr proudu, poklesne napájecí napìtí, ovlivní se èinnost generátoru), která se projevuje samovolným rozkmitáním na velmi nízkých kmitoètech. Koncový stupeò je umístìn na samostatné DPS s jednostrannými plošnými spoji. Obrazec spojù je na obr. 71, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 72. Desku upevníme k zadnímu panelu skøíòky pomocí úhelníku a obvodu IO30. Umístíme ji do levé èásti skøíòky, kde jsou zdíøky, aby nepøekážela hlavní desce generátoru. Zadní panel skøíòky slouží pro IO30 jako chladiè. IO30 nemusí být od skøíòky izolován, pro lepší pøestup tepla však potøeme styèné plochy IO30 i panelu tepelnì vodivou pastou. Zesilovaè zásadnì neprovozujeme bez pøipevnìní IO30 k chladièi.

Seznam souèástek

(sinusový a obdélníkový generátor) Obr. 72. Rozmístìní souèástek na desce koncového stupnì k sinusovému nf generátoru

R1, R2 R3, R4 R5 R6

15 kΩ, miniaturní 1 kΩ, miniaturní 43 kΩ, miniaturní 30 kΩ, miniaturní

R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R14a R15 R16 R16a R17 R17a R18 R18a R40 R41 R42 R43 R44 R45 R46 R47 R48 P1 P2 P40, P41 Ž S1 C1, C7 C2, C8 C3, C9 C4, C10

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

220 Ω, miniaturní 910 Ω, miniaturní 10 kΩ, miniaturní 100 Ω/0,6W 270 Ω, miniaturní 100 Ω, trimr 10 mm ležatý (PT10V) 10 kΩ, miniaturní 680 Ω, miniaturní 47 Ω, miniaturní 470 Ω, miniaturní 6,8 kΩ, miniaturní 68 kΩ, miniaturní 6,8 kΩ, miniaturní 68 kΩ, miniaturní 680 Ω, miniaturní 47 Ω, miniaturní 1 kΩ, miniaturní 1 kΩ, miniaturní 10 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 10 Ω, miniaturní 10 Ω, miniaturní 680 Ω, miniaturní 3,9 kΩ, miniaturní 47 Ω, miniaturní 1 kΩ/N, potenciometr lineární (TP 160) 2x 10 kΩ/G, tandemový potenciometr logaritmický (TP 169) 10 kΩ/N, potenciometr lineární (TP 160) žárovka 24 V/50 mA (ZH1) nebo 12 V/50 mA(ZG1) P-DS2 330 pF, keramický 1 nF, keramický 10 nF, keramický 100 nF, keramický

31

C5, C11 C6, C12 C13 C14, C15 C16, C17 C18 C19 C40 D40, D41 D42, D43 D44 Usm T1 T2 T3 IO1 IO40

1 µF/16 V, radiální 10 µF/16 V, radiální 220 µF/16 V, radiální 47 µF/16 V, radiální 220 µF/16 V, radiální 100 nF, keramický 220 µF/25 V, radiální 100 nF, keramický 1N4007 1N5818 LED s vìtší úèinností B250C1500 BC547B BC557B BC547B (viz text) 78L15 LM317L

Regulátor napájený støídavým napìtím

DPS stojí 78 Kè, souèástky 459 Kè (koncový zesilovaè) R30,R31 R32,R33 R34 R35 C30 C31, C32 C33, C34 C35 IO30

120 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 470 kΩ, miniaturní 1,8 Ω, miniaturní 47 µF/16 V, radiální 100 nF, keramický 100 nF, keramický 1000 µF/16 V, radiální TDA2030

DPS stojí 25 Kè, souèástky 67 Kè

Regulátory k pájecímu peru V prodejnì GES jsem zakoupil miniaturní pájecí pero od firmy STANNOL, které má výkon 7,5 W a napájecí napìtí 12 V. Je použitelné nejen pro pájení souèástek SMD, ale i pro pájení klasických integrovaných obvodù, menších rezistorù, kondenzátorù a diod. Pájeèka s tímto perem je vhodná i pro práci ve školních dílnách. Pero se také vyznaèuje pøíznivou maloobchodní cenou 150 Kè. Pøi napìtí 12 V odebírá toto pájecí pero proud 0,625 A. Mùže být napájeno ss i støídavým napìtím. Odpor topného tìlíska a tím i proud se s teplotou mìní jen minimálnì, takže tyto zmìny nelze využít pro regulaci teploty hrotu. Tu mùžeme mìnit pouze zmìnou velikosti napájecího napìtí. Urèitou nevýhodou pájeèky je nutnost èekat po zapnutí asi 30 s, než bude mít hrot správnou teplotu. Cín se zaène tavit zhruba 25 s po pøipojení napájecího napìtí 12 V. Dalším problémem je, že uživatelé zapomínají po použití pájecí pero vypínat. Hrot se tak zbyteènì opaluje a hrozí i nebezpeèí požáru. Popisované regulátory umožòují rychlejší nahøátí pájecího pera a jeho automatické vypínání, a tím zlepšují komfort využívání tohoto výrobku. Jsou zpracovány dvì konstrukce regulátorù: se stejnosmìrným a se støídavým napájecím napìtím.

32

Tento návod je urèený pøedevším pro školní dílny a laboratoøe, kde bývá nejèastìji k dispozici støídavé napìtí 12 až 24 V. Pokud použijeme vìtší napájecí napìtí než pøedepsaných 12 V, zkrátíme tím dobu ohøevu. Pøi napájecím napìtí 17 V bude doba ohøevu na provozní teplotu pøibližnì polovièní, tj. asi 15 s. Po uplynutí této doby musíme ale napájecí napìtí bezpodmíneènì snížit na 12 V, jinak se bude pøepalovat cín a bude hrozit poškození pájeèky nadmìrnou teplotou. Pøi napájecím napìtí 17 V má pájecí pero 2x vìtší výkon, než když je napájeno napìtím 12 V (výkon se zvìtšuje se druhou mocninou napìtí. Schéma regulátoru, pøes který napájíme pájecí pero støídavým napìtím, je na obr. 73. Pøi napájecím napìtí 17 V mùžeme regulaci zajistit velmi jednoduchým zpùsobem: Do pájeèky je pøes diodu D1 trvale pøivádìna záporná pùlvlna støídavého napìtí. Po dobu asi 15 s po pøipojení napájecího napìtí je otevøen tyristor Ty1. Ten propouští do pájeèky i kladné pùlvlny støídavého napìtí, takže na pájeèce je plné napìtí 17 V, a ta se bìhem tìchto 15 s staèí plnì nahøát. Tyristor se otevírá kladným napájecím napìtím pøivádìným na jeho øídicí elektrodu pøes diodu D2 a rezistor R2. Asi po 15 s od zapnutí napájecího napìtí se pøes rezistor R3 nabije kondenzátor C1 a pøes LED D3 se otevøe tranzistor T1. Následkem toho se tyristor zavøe a do pájeèky teèou pouze záporné pùlvlny støídavého proudu. To odpovídá trvalému napájecímu napìtí 12 V, které udržuje správnou teplotu hrotu. K indikaci stavu regulátoru nejlépe použijeme dvoubarevnou LED D4 se dvìma vývody, která rozliší fázi zahøívání, kdy svítí oranžovì, od provozního stavu, kdy svítí zelenì (popø. èervenì). LED D3 jsme použili pouze pro posuv napìtí místo Zenerovy diody, která by mìla pøi malém Zenerovì napìtí velmi špatné vlastnosti. Proud, který LED teèe, je pøíliš malý, takže svítit nemùže. Regulátor nedovolí poškodit pájeèku ani pøi jejím èastém zapínání a vypínání. Po vypnutí napájení se bude kondenzátor C1 pomalu vybíjet pøes rezistor R3, zatímco hrot pájeèky chladne. Pøi opakovaném zapnutí pájeèky bude fáze rychloohøevu kratší. Tento regulátor mùžeme použít tam, kde si mùžeme støídavé napìtí nastavit na velikost 17 V. Tam, kde máme k dispozici støídavé napìtí jiné velikosti (nejèastìji 24 V), musíme takové napìtí nejdøíve usmìrnit a potom využít následující regulátor napájený ss napìtím. Všechny souèástky jsou pøipájené na DPS s jednostrannými plošnými spoji (obr. 74, obr. 75), kterou mùžeme umístit napø. do univerzální plastové krabièky KM1 o vnìjších rozmìrech 43 x 32 x 22 mm. Krabièka díky svým

Obr. 73. Regulátor k pájecímu peru napájený støídavým napìtím

Obr. 74. Obrazec plošných spojù regulátoru napájeného støídavým napìtím

Obr. 75. Rozmístìní souèástek na desce regulátoru napájeného støídavým napìtím rozmìrùm nezabírá na pracovním stole témìø žádné místo. Vstupní a výstupní vodièe zajistíme proti vytržení uzlíkem, DPS pøišroubujeme ke krabièce.

Seznam souèástek R1 R2 R3 R4 D1 D2 D3 D4 C1 Ty 1 T1

2,7 kΩ, miniaturní 10 kΩ, miniaturní 240 kΩ, miniaturní 1,8 kΩ, miniaturní 1N4007 1N4148 LED èervená LED dvoubarevná se dvìma vývody 220 µF/6,3 V, radiální MCR100-8 BC547B

DPS stojí 15 Kè, souèástky 45 Kè

Regulátor napájený ss napìtím K napájení pájeèky mùžeme využít libovolný stejnosmìrný zdroj o napìtí 12 až 24 V. Pøi použití zdroje 12 V budeme 30 s èekat na zahøátí pájeèky. Èím vìtší použijeme napájecí napìtí, tím bude doba zahøívání kratší. Špatná funkce regulaèního obvodu by ale mohla být pøíèinou pøehøátí a znièení pájeè-

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

Obr. 76. Regulátor k pájecímu peru napájený stejnosmìrným napìtím ky. Pøi návrhu regulaèního obvodu nesmíme zapomenout, že výkon je úmìrný druhé mocninì napájecího napìtí. V popisovaném regulátoru používáme pulsní šíøkovou modulaci (PWM). V ustáleném stavu zde musí platit: (12/Unap)2 = tzap/T

[V; s]

(2),

kde èíslo 12 je požadované napìtí na pájecím peru, Unap je napájecí napìtí, T je perioda øídicího signálu a t zap je èást periody øídicího signálu, kdy do zátìže teèe proud. Odpor topného tìlíska je R = U2/P = = 19,2 Ω, kde jsme za U dosadili 12 V a za P dosadili 7,5 W. Zdroj, ze kterého

pájeèku napájíme, musí bez omezení dávat proud I = U nap/19,2 [A; V]. Schéma regulátoru PWM je na obr. 76. Jeho základem je astabilní multivibrátor s OZ IO1b øízený stejnosmìrným napìtím. Jedná se o obvod, který má mnoho rùzných aplikací a je velmi jednoduchý. Rád bych zde proto podrobnìji popsal jeho vlastnosti. Jejich znalost se mùže hodit i pøi jiných konstrukcích. Závislosti pomìru tzap/T (støídy impulsù) na vstupním (øídicím) napìtí Uvst (resp. na pomìru vstupního a napájecího napìtí Uvst /Unap) jsou v tab. 4 (pøi napájecím napìtí Unap = 15 V) a v tab. 5 (pøi napájecím napìtí 24 V).

Tab. 4. Závislost støídy impulsù tzap/T na vstupním øídicím napìtí Uvst pøi napájecím napìtí Unap =15 V Uvst

[V]

4

6

8

10

10,5

12

Uvst/Unap

0,27

0,40

0,53

0,67

0,70

0,80

tzap/T

0,34

0,44

0,52

0,60

0,64

0,69

Tab. 5. Závislost støídy impulsù tzap/T na vstupním øídicím napìtí Uvst pøi napájecím napìtí Unap =24 V Uvst

[V]

3,23

4

6

8

10

12

14

16

Uvst/Unap

0,13

0,17

0,25

0,33

0,41

0,50

0,58

0,67

tzap/T

0,25

0,27

0,34

0,39

0,44

0,50

0,54

0,60

Údaje z obou tìchto tabulek jsem zmìøil v zapojení podle schématu na obr. 76. Dioda D4 nebyla zapojena a k levému vývodu R8 byl místo dìlièe R6, R7 pøipojen regulovatelný zdroj øídicího napìtí Uvst . Z tab. 4 vidíme, že závislost støídy impulsù výstupního signálu na velikosti vstupního napìtí je v oblasti, ve které je vstupní napìtí blízké polovinì napájecího napìtí, témìø lineární. Vstupnímu øídicímu napìtí, které se rovná polovinì napájecího napìtí, odpovídá støída impulsù tzap/T = 0,5. Pro napájecí napìtí 15 V potøebujeme støídu tzap/T = 0,64 (velikost støídy 0,64 vychází ze vztahu (2) po dosazení Unap = 15 V). Støídy 0,64 je dosaženo pøi vstupním øídicím napìtí 10,5 V, které získáme napø. dìlièem s R6 = 18 kΩ a R7 = 43 kΩ. Proudový odbìr z napájecího zdroje je 0,8 A. Pro napájecí napìtí 17 V potøebujeme støídu tzap/T = 0,5, které je dosaženo pøi vstupním øídicím napìtí 7,5 V. Toto napìtí získáme napø. dìlièem napìtí s R6 = R7 = 120 kΩ. Potøebný napájecí proud je 0,9 A. Pro napájecí napìtí 24 V potøebujeme støídu tzap/T = 0,25, které je dosaženo pøi vstupním øídicím napìtí 3,23 V. Toto napìtí získáme napø. dìlièem napìtí s R6 = 68 kΩ a R7 = 10 kΩ. Potøebný napájecí proud je 1,25 A. Pro jiná napájecí napìtí mùžeme využít tab. 4 a tab. 5 k pøibližnému návrhu zapojení. Napø. pro napájecí napìtí 20 V bude podle vztahu (2) støída t zap /T = 12 2 /20 2 = 144/400 = 0,36. Z tab. 5 pro U nap = 24 V odhadneme pomìr U vst /U nap = 0,28, který odpovídá vstupnímu øídicímu napìtí (napìtí na dìlièi R6, R7) Uvst = 5,6 V. Odpory rezistorù R6 a R7 volíme øádu kΩ a vybíráme je z øady E12 nebo E24. Kmitoèet regulátoru je urèován souèástkami C2 a R10. Není kritický, mùžeme jej zvolit od 0,1 do 1 kHz. Pøi oživování nejprve diodu D4 nezapojíme. Ss voltmetrem zmìøíme støední hodnotu napìtí na pájecím peru, která by mìla být Ustø = Unap·tzap/T. Mìøíme pouze velmi krátce, aby se v pøípadì velkého rozdílu mezi namìøenou a pøedem vypoètenou velikostí støední hodnoty napìtí pájeèka neznièila. Požadovanou velikost napìtí na pájeèce nastavíme pøidáváním paralelních rezistorù k R6 (napìtí se zvìtší) nebo k R7 (napìtí se zmenší). Na DPS je pro nì pøipraveno místo. Kontrolou správnosti zapojení je, že pájeèka má stejné vlastnosti jako pøi napájení ze zdroje ss napìtí 12 V, což znamená provozuschopnost zhruba po 30 s. Nakonec nastavíme obvod zpoždìní s OZ IO1a tak, aby rychloohøev skonèil døív, než se pájeèka pøehøeje. Pro napájení 24 V je to asi 8 s, pro napájení 17 V asi 15 s, pro napájení 15 V asi 20 s. Tuto dobu urèují rezistor R1 a kondenzátor C1 (jejich hodnoty uvedené ve schématu odpovídají napájecímu napìtí 15 až 17 V). Po zapnutí bude kondenzátor C1 vybitý a na výstupu komparátoru IO1a bude vysoká úroveò napìtí.

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

33

Touto vysokou úrovní je pøes diodu D4 zablokován multivibrátor IO1b a jeho výstup je držen rovnìž ve vysoké úrovni. Po uplynutí doby t = 0,7·R1·C1 se kondenzátor C1 nabije na polovinu napájecího napìtí a výstup komparátoru IO1b se pøeklopí do nízké úrovnì. Multivibrátor pak zaène kmitat a výstupní napìtí regulátoru se zmenší na požadovaných 12 V. Rovnìž tento regulátor zabraòuje poškození pájeèky pøi jejím èastém zapínání a vypínání. Po vypnutí napájení se bude kondenzátor C1 pomalu vybíjet pøes rezistor R1, zatímco hrot pájeèky chladne. Pøi opakovaném zapnutí pájeèky bude fáze rychloohøevu kratší. Jako spínací souèástka je v regulátoru použit levný tranzistor MOS s kanálem N typu IRF510 (5,6 A, 43 W, 0,54 Ω), který pro tuto aplikaci vyhovuje víc než dostateènì. Výhodou tranzistorù MOS je malý odpor v sepnutém stavu. Tepelné ztráty jsou proto minimální. Nepotøebujeme pro nì chladiè a nemáme problémy s odvodem tepla z krabièky. Obvod IO2 pracuje jako èasovaè, který pájeèku po urèité dobì automaticky vypne, aby ji uživatel nenechával zbyteènì zapnutou. Obsahuje v sobì oscilátor a 24stupòovou dìlièku kmitoètu. Kmitoèet oscilátoru je urèován souèástkami R12 a C5 podle vztahu: f = 1/(2,3·R12·C5) = 532 Hz. Na výstupu dìlièky bude tento kmitoèet dìlen èíslem 220, tj. 1 048 576x. Polovina periody výstupního signálu z dìlièky, tj. doba, za kterou se na výstupu Q20 IO2 objeví úroveò H, bude zhruba 16,5 minut. Zmìnou odporu rezistoru R12 a kapacity kondenzátoru C5 si ji mùžeme libovolnì nastavit. Po uplynutí této doby se rozsvítí LED D5 a otevøe se tranzistor T2. Tím se výstup IO1b dostane trvale do nízké úrovnì. Tranzistor T1 se uzavøe a pájeèka se odpojí. Po pøeklopení výstupu Q20 IO2 do úrovnì H se oscilátor v IO2 zablokuje pøes diodu D6. Tento stav je trvalý. Restartovat mùžeme obvod vypnutím a zapnutím napájecího napìtí, popø. pøivedeném vysoké úrovnì na vstup Reset (vývod 2) IO2. Kladným impulsem, který se vytvoøí derivaèním èlánkem C3, R11 pøi zapnutí napájecího napìtí, se vynuluje èítaè IO2. Vypnutí pájeèky mùže být indikováno krátkým písknutím. Nábìžnou hranou vznikne na kondenzátoru C6 krátký impuls, který otevøe tranzistor T3. Signál pro piezomìniè odebíráme z oscilátoru IO2. Obvody CMOS pracují s maximálním napájecím napìtím +15 V. Když je napájecí napìtí U nap vìtší, musíme je

zmenšit stabilizátorem s R15 a Zenerovou diodou D7 se Zenerovým napìtím 15 V. Odpor rezistoru R15 volíme tak, aby jím tekl proud pøibližnì 5 mA (R15 = (U nap - 15)/0,005 [Ω; V]). Odpory pøedøadných rezistorù R4, R5 a R14 pøed LED volíme podle napájecího napìtí a podle typu LED (bìžné LED potøebují 5 mA, LED s vyšší úèinností 2 mA). Odpory uvedené ve schématu odpovídají napájecímu napìtí 24 V a použití LED s vyšší úèinností. Kmitoèet multivibrátoru s IO1b není kritický, stejnì jako hodnoty kondenzátoru C2 a rezistorù R8, R9 a R10. Kondenzátor C4 blokuje napájecí napìtí pro IO2, nedoporuèuji jej vynechat. Obvod vypínání s IO2 není povinnou souèástí pøístroje. Výraznì svítící LED D1 (8 nebo 10 mm, popø. samoblikající) jej mùže èásteènì nahradit. Pokud máme k dispozici pro napájení tohoto regulátoru pouze støídavé napìtí 24 V (což je ve školních dílnách èastý pøípad), musíme toto napìtí nejprve usmìrnit, abychom mohli regulátor použít. V zapojení regulátoru podle obr. 76 musíme také udìlat malou úpravu podle obr. 77. Pøedevším musíme doplnit usmìròovací mùstek Usm. Pro napájení pájeèky nepotøebujeme filtrované napájecí napìtí, proto pomocí diody D8 a kondenzátoru C7 filtrujeme napájecí napìtí pouze pro regulátor. Pøi efektivní hodnotì Uef napájecího napìtí 24 V bude na kondenzátoru C7 špièková hodnota Um tohoto napìtí (Um = 1,4·Uef) zmenšená o úbytek napìtí na usmìròovaèi a na diodì D8. Regulátor proto bude napájen ss napìtím zhruba 32 V. Bude nutné zvìtšit odpory rezistorù R4, R5 a R15. Odpory rezistorù R6 a R7 upravíme tak, abychom na pájecím peru s odpojenou diodou D4 namìøili ss voltmetrem napìtí Ustø = 6 V. Odpory rezistorù uvedené v rozpisce a ve schématu se pøíliš nezmìní. Zvìtší se napìtí na dìlièi R6, R7 a souèasnì napájecí napìtí multivibrátoru, takže støída výstupního signálu se zmìní jen minimálnì. I pro doplnìné souèástky je místo na DPS. Všechny souèástky regulátoru jsou umístìny na DPS s jednostrannými spoji (obr. 78, obr. 79), kterou mùžeme umístit napø. do univerzální plastové krabièky KM29 o vnìjších rozmìrech 90 x 65 x 29 mm. Vstupní a výstupní vodièe zajistíme proti vytržení uzlíkem, DPS pøišroubujeme ke krabièce. Piezomìniè mùže být buï souèástí DPS (je umístìn nad IO2 ze strany souèástek a pøišroubován dvìma šroubky M2), nebo mùže být v krabièce upevnìn samostatnì. V krabièce je dost místa i na pøípadné konektory pro vstupní a výstupní napìtí.

Obr. 78. Obrazec plošných spojù regulátoru napájeného ss napìtím (mìø.: 1 : 1)

Obr. 79. Rozmístìní souèástek na desce regulátoru napájeného ss napìtím

Seznam souèástek R1 R2,R3 R4, R5 R6 R7 R8 R9, R10 R11 R12 R13 R14 R15 C1 C2, C3 C4 C5 C2 C6 C7 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 Usm T1, T2 IO1 IO2 Piezo

Obr. 77. Úprava regulátoru z obr. 76 pro napájení støídavým napìtím 24 V

34

240 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 6,8 kΩ, miniaturní 91 kΩ, miniaturní, viz text 15 kΩ, miniaturní, viz text 120 kΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 1,5 MΩ, miniaturní 120 kΩ, miniaturní 10 kΩ, miniaturní 6,8 kΩ, miniaturní 2,7 kΩ, miniaturní, viz text 100 µF/16 V, radiální 10 nF, keramický 100 nF, keramický 6,8 nF, keramický 10 nF, keramický 4,7 µ/16 V, radiální 100 µF/16 V, rad., viz text LED zelená 1N4148 LED èervená 1N4148 LED žlutá 1N4148 BZX83V015 Zener. dioda 15 V/0,5 W 1N4148, viz text B250C1500 BC547B TL072 CMOS 4521 KPT1540 W

DPS stojí 29 Kè, souèástky 149 Kè

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

Obr. 80. Mìøiè rychlosti reakce

Mìøiè rychlosti reakce Pøi rùzných soutìžních hrách, napø. na dìtských táborech, se uplatní zaøízení, která vyhodnotí nejrychlejšího úèastníka. Popisovaný mìøiè rychlosti reakce je maximálnì pro 4 soutìžící, ale je možné jej snadno rozšíøit pro libovolný poèet úèastníkù. Obsahuje 4 tlaèítka a 4 LED. Po stisknutí libovolného tlaèítka se rozsvítí pøíslušná LED, která pak svítí trva-

Obr. 81. Obrazec plošných spojù mìøièe rychlosti reakce (mìø.: 1 : 1)

Obr. 82. Rozmístìní souèástek na desce mìøièe rychlosti reakce

Obr. 83. Šablona pro vrtání pøedního panelu krabièky mìøièe rychlosti reakce (mìø.: 1 : 1)

le. Pozdìjší stisknutí dalších tlaèítek již žádné LED nerozsvítí. Do klidového stavu, kdy žádná LED nesvítí, se obvod vrátí po vypnutí a zapnutí pøepínaèem Pø1 nebo stisknutím nulovacího tlaèítka, pokud je použito. Schéma mìøièe je na obr. 80. V mìøièi je použit 4násobný OZ (IO1), všechny dílèí OZ jsou zapojeny shodnì. V klidovém stavu po zapnutí napájení je na invertujících vstupech OZ zhruba desetina napájecího napìtí (z dìlièe R9, R10). Napìtí na neinvertujících vstupech OZ je nulové a výstupy OZ jsou v nízké úrovni napìtí. Stisknutím libovolného tlaèítka Tl se na neinvertujícím vstupu pøíslušného OZ objeví pìtina napájecího napìtí, OZ se pøeklopí a jeho výstup pøejde do vysoké úrovnì. Pøes D1 (D3, D5, D7) se tento stav stabilizuje i po uvolnìní tlaèítka. Proud tekoucí pøes D2 (D4, D6, D8) a R10 rozsvítí pøíslušnou LED. Napìtí na invertujících vstupech OZ se zvìtší, takže žádné další OZ se pøi stisknutí dalších tlaèítek již nemohou pøeklopit. Odpory rezistorù R9 a R10 jsou zvoleny tak, aby pøi minimálním klidovém proudu diody LED dostateènì svítily. Je použit OZ s malým pøíkonem. Celková spotøeba je 1,9 mA pøi napájecím napìtí 9 V. Proud všech LED je urèován rezistory R10. K správné funkci obvodu je nezbytný kondenzátor C1, který pøi zapínání mìøièe pøivede na invertující vstupy OZ kladný impuls a pøeklopí výstupy OZ do nízké úrovnì. Jinak by se pøi zapnutí rozsvìcely nahodilé LED. Paralelnì k C1 je možné zapojit nulovací tlaèítko. Všechny souèástky kromì tlaèítek jsou na jedné DPS (obr. 81, obr. 82), kterou je možné umístit napø. do krabièky KM 22, kam se vejde i destièková baterie 9 V. Ke krabièce staèí DPS pøipevnit pomocí pøepínaèe Pø1, který je do DPS zapájen. Šablona pro vrtání pøedního panelu krabièky je na obr. 83. Pro snadné rozlišení úèastníkù použijeme rùznobarevná tlaèítka a LED, pøitom vždy tlaèítko a LED, pøíslušející ke stejnému OZ, musí mít stejnou barvu. Kablíky od tlaèítek zajistíme proti vytržení. Aby se pøi výmìnì baterie omylem nemohlo pøepólovat napájecí napìtí a neznièil se integrovaný obvod, mùžeme paralelnì k napájecím pøívodùm pøipojit závìrnì polarizovanou diodu (1N4007). Na schématu uvedena není, ale na DPS je pro ní místo nad C1. Pøístroj nemá žádné nastavovací prvky a funguje na první zapojení již od napájecího napìtí 4 V. Kdyby po zapnu-

tí zùstávala nìkterá LED svítit, doporuèuji zmenšit odpor rezistoru R9.

Seznam souèástek R1, R3, R5, R7 R2, R4, R6, R8 R9 R10 C1 D1, D3, D5, D7 D2, D4, D6, D8 T1 IO1 Pø1 Tl

120 kΩ, miniaturní 30 kΩ, miniaturní 8,2 kΩ, miniaturní 680 Ω, miniaturní 47 µF/10 V, radiální 1N4148 LED BC547B TL 064 páèkový pøepínaè B069E tlaèítka P-M312 rùzné barvy, celkem 4 kusy

DPS stojí 22 Kè, souèástky 197 Kè

Závìr Objednávky stavebnic konstrukcí ze všech kapitol a dotazy ke všem kapitolám vyøizuje autor na adrese: Ing. Jiøí Vlèek, Tehov 122, 251 01 Øíèany u Prahy. Tel.: 323 641 563 veèer Mobil: 723 799 875 E-mail: [email protected] Internet: www. vlcek.aktualne.cz

Literatura [1] Vlèek, J.: Elektronické konstrukce, BEN - technická literatura, Praha. [2] Vlèek, J.: Základy elektrotechniky, BEN - technická literatura, Praha. [3] Vlèek, J.: Moderní elektronika, BEN - technická literatura, Praha. [4] Vlèek, J.: Jednoduchá elektronika, BEN - technická literatura, Praha. [5] Vlèek, J.: Elektronické pøístroje, BEN - technická literatura, Praha. [6] Vlèek, J.: Zajímavé integrované obvody, BEN - technická literatura, Praha. [7] Vlèek, J.: Elektronické konstrukce pro pokroèilé, BEN - technická literatura, Praha. [8] Vlèek, J.: Modulace a pøenos signálu, BEN - technická literatura, Praha. [9] Vlèek, J.: Praktické konstrukce z analogové techniky. KE2/2000. [10] Vlèek, J.: Nìkolik mìøicích pøístrojù s jednotnou mechanickou konstrukcí. Pøíloha PE Electus 2001.

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

35

ZAJÍMAVÁ A PRAKTICKÁ ZAPOJENÍ V této kapitole jsou uvedena zapojení z oblasti nízkofrekvenèní techniky a radiotechniky pøevzatá ze zahranièních èasopisù. Popsané konstrukce je vhodné brát pøedevším jako podnìt a inspiraci k další tvùrèí èinnosti a k vlastnímu laborování.

Nízkofrekvenèní technika Hybridní nf zesilovaè pro sluchátka V posledních letech se v zahranièních èasopisech stále více objevují konstrukce nf zesilovaèù s elektronkami, protože podle mínìní autorù dodávají reprodukovanému zvuku nenapodobitelný a velmi pøíjemný charakter. Jednou z tìchto konstrukcí je stereofonní zesilovaè pro sluchátka, jehož schéma je na obr. 1 (na schématu je uveden pouze jeden kanál, druhý je zcela identický). Jedná se o nenároèný pøístroj, který obsahuje jen jednu dvojitou triodu ECC82 (E1). V každém kanálu je využita jedna polovina této elektronky, a to jako vstupní katodový sledovaè. Z katody E1 je buzen koncový stupeò s Darlingtonovým tranzistorem T3. Koncový stupeò pracuje ve tøídì A, tranzistor T3 je zapojen jako emitorový sledovaè. Emitor T3 je napájen ze zdroje proudu s tranzistory T1 a T2 proudem asi 30 mA. Velikost tohoto proudu je urèována odporem rezistoru R5 - proud je tak velký, aby vytváøel na R5 úbytek napìtí o velikosti asi 0,65 V, kterým se pootevírá T1 a svádí do zemì

nadbyteènou èást proudu tekoucího pøes R6 do báze T2. LED D1 zøejmì nemá na funkci zdroje proudu podstatný vliv a pouze indikuje zapnutí zesilovaèe. V pùvodním prameni o ní není žádná zmínka. Napìové zesílení celého zesilovaèe je pøibližnì jednotkové, takže pøi linkové úrovni vstupního signálu (efektivní napìtí Uvst = 775 mV) je na výstupu též pøibližnì linková úroveò (U výst = = 775 mV) a výkon Pvýst dodaný do sluchátka o impedanci Zs = 32 Ω je maximálnì: Pvýst = Uvýst2/Zs = 0,7752/32 = = 0,018

[W; V, Ω]

Pro kvalitní citlivá sluchátka je dosažitelný výkon 18 mW v každém kanálu naprosto dostaèující. Nf signál se pøivádí na øídicí møížku E1 ze vstupní svorky J1 pøes oddìlovací kondenzátor C1, který musí být kvalitní fóliový. Na výstupní svorku J3 je signál veden z emitoru T3 pøes další oddìlovací kondenzátor C4, který vzhledem k požadované velké kapacitì musí být elektrolytický. S kapacitami kondenzátorù C1 a C4 podle schématu je dolní mezní kmitoèet celého zesilovaèe asi 2 Hz. Pokud bychom se spo-

Obr. 1. Jeden kanál stereofonního hybridního nf zesilovaèe pro sluchátka

36

kojili s dolním mezním kmitoètem okolo 10 Hz, mohli bychom zmenšit kapacitu C1 na 2,2 µF a C4 na 470 µF. Zesilovaè je napájen hrubì stabilizovaným ss napìtím 12 V z vnìjšího zdroje (napø. síového adaptáru), které je využito i jako anodové a žhavicí pro elektronku. Výhodou je jednoduchost a bezpeènost, a i pøi tomto malém napìtí ma elektronka použitelné parametry. Dioda D2 chrání zesilovaè pøed pøepólováním napájení. Napájecí napìtí je filtrováno tranzistorem T5, v jehož bázi je zapojen integraèní èlánek se souèástkami R7 a C5. Kromì filtrace zajišuje T5 také „mìkký start“ zesilovaèe - po zapnutí vnìjšího napájecího napìtí se C5 pomalu nabíjí a napìtí na emitoru T5 se zvìtšuje jen pozvolna, takže ve sluchátkách se neozve žádné lupnutí. Vnitøní napájecí napìtí, tj. i napìtí na anodì E1 proti zemi, je asi +10 V. Na møížku E1 je zavedeno oddìlovacím rezistorem R1 pøedpìtí asi +5 V (proti zemi) z dìlièe R4, R2, který je zablokován kondenzátorem C3 (redaktor nechápe, proè má R1 odpor jen 10 kΩ. Kdyby mìl odpor napø. 100 kΩ, který je jako møížkový svod zcela vyhovující, mohl by mít C1 pøi zachování dolního mezního kmitoètu daleko pøijatelnìjší kapacitu 1 µF). Napìtí na katodì E1 není v pùvodním prameni specifikováno, mohlo by být okolo +6 V proti zemi. Anodový proud E1 je urèen odporem rezistoru R3 a je asi 0,4 mA. Mezi vývody 4 a 5 má E1 žhavicí napìtí 12,6 V a žhavicí proud 0,15 A. Je žhavena pøes emitorový sledovaè s tranzistorem T4 ss napìtím asi 9 V. Báze T4 je pøipojena k emitoru filtraèního tranzistoru T5, takže pøi zapnutí napájení se se žhavicí napìtí zvyšuje jen pomalu. Podžhavení spolu s pozvolným nábìhem žhavicího proudu po zapnutí zesilovaèe údajnì prodlužuje životnost elektronky. Napájení žhavicího vlákna dùkladnì filtrovaným ss napìtím též pøispívá k dobrému odstupu užiteèného nf signálu od rušivých signálù, protože se pøípadné rušení z vnìjšího zdroje nemùže pøenášet parazitní kapacitou mezi žhavicím vláknem a katodou do signálové cesty. Elektor, 7-8/2006

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

Generátor zvuku moøe Popisovaný pøístroj je zvuková høíèka, která má v pohodlí domova navodit atmosféru moøského pobøeží se zvukem jemného pøíboje. Tento zvuk je velmi uklidòující a pùsobí jako balzám na naše nervy. Pro ovìøení funkce a kvùli subjektivnímu posouzení kvality zvuku byl vzorek generátoru postaven na desce s plošnými spoji a vyzkoušen. Fotografie desky se souèástkami je na obr. 2. Ukázalo se, že generovaný zvuk je pøekvapivì vìrný, k èemuž pøispívají i pøirozenì pùsobící nahodilosti v rytmu a barvì zvuku pøíboje.

Popis funkce Schéma generátoru zvuku moøe je na obr. 3. Základem pøístroje je generátor šumu s tranzistorem T1 a operaèním zesilovaèem (OZ) IO1D. Šum je generován pøechodem emitor-báze tranzistoru T1, kterému je vnucen proud v závìrném smìru. Šum je pak asi 15x napìovì zesilován v zesilovaèi s OZ IO1D. Z výstupu IO1D je šum veden do napìtím øízeného filtru (VCF), který je tvoøen souèástkami R20 až R22, P1, C6 a D4. R20 a C6 tvoøí jednoduchou dolní propust. Pravý vývod kondenzátoru C6 je pøipojen pøes diodu D4 ke sbìrnici s pøedpìtím +6 V, která pro nf signál pøedstavuje uzemnìní. Modulaèní signál, kterým se filtr øídí, je pøivádìn na horní vývod rezistoru R22. V závis-

Obr. 2. Generátor zvuku moøe losti na velikosti okamžitého napìtí modulaèního signálu se mìní dynamický odpor diody D4, pøes který je C4 z hlediska nf signálu uzemnìn, a tím se mìní kmitoètová charakteristika dolní propusti. Zmìnou kmitoètové charakteristiky filtru se mìní „barva“ zvuku šumu - od „oblého“ až po „ostrý“. Pracovní bod VCF se nastavuje trimrem P1. Za VCF je zaøazen napìtím øízený útlumový èlánek (VCA) se souèástkami C7 až C9, R23 až R28, P2 a D5, který moduluje amplitudu šumu. Modulaèní signál se pøivádí na horní vývod rezistoru R25. Útlum èlánku se opìt mìní zmìnou dynamického odporu diody D5. Pracovní bod VCA se nastavuje trimrem P2. Signál pro modulaci VCF a VCA je generován tøemi multivibrátory s OZ IO1A až IO1C. Diody D1 až D3 upravují støídu generovaných pravoúhlých signálù tak, aby byly náležitì asymetrické. Signály s multivibrátorù se sluèují odporovou sítí s rezistory R5, R6, R11

a R16 a pomocí kondenzátoru C16 se tvarují na pøibližnì trojúhelníkový prùbìh. Na záporném pólu C16 je výsledný modulaèní signál tvoøený posloupností „trojúhelníkù“, které mají „nahodilou“ délku a rozkmit, jak to odpovídá nahodilému rytmu a výšce pøíbojových vln. Modulací amplitudy a kmitoètového spektra šumu nepravidelnými „trojúhelníky“ je dosaženo vìrného pøiblížení zvuku pøíboje. Z VCA se vede modulovaný šum pøes trimr P3 pro ovládání hlasitosti do výkonového zesilovaèe LM386 (IO3). K výstupu zesilovaèe se pøes svorky J3 a J4 pøipojuje reproduktor o impedanci 8 Ω. IO3 má napìové zesílení asi 20 a pokytuje výkon asi 0,5 W. Generátor je napájen ss stabilizovaným napìtím 12 V ze síového adaptéru. Tímto napìtím je napájen výkonový zesilovaè IO3 a asymetricky všechny OZ pøes filtr R29, C11. Potøebné pøedpìtí +6 V pro vstupy OZ, rovné pøibližnì polovinì napájecího napìtí, obstará-

Obr. 3. Generátor zvuku moøe

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

37

Obr. 4. Obrazec plošných spojù generátoru zvuku moøe (mìø.: 1 : 1, rozmìry 96,5 x 49,5 mm)

Obr. 5. Rozmístìní souèástek na desce generátoru zvuku moøe

Obr. 6. Celková konstrukce generátoru zvuku moøe vá stabilizátor 78L06 (IO2). Napájecí proud je 10 až 35 mA v závislosti na nastavené hlasitosti zvuku. Aby byly obvody generátoru chránìny proti pøípadnému pøepólování napájecího zdroje, je vhodné zapojit do kladného pøívodu napájení Schottkyho diodu 1N5819 (na schématu na obr. 3 není nakreslena).

38

Konstrukce a oživení Generátor zvuku moøe je zkonstruován z vývodových souèástek na desce s jednostrannými plošnými spoji. Obrazec spojù je na obr. 4, rozmístìní souèástek na desce je na obr. 5. Souèástky osazujeme na desku od nejnižších (drátové propojky, rezistory atd.) až po nejvyšší (trimry, radiální

elektrolytické kondenzátory). Dbáme peèlivì na správnou polaritu diod a elektrolytických kondenzátorù. Drátové propojky jsou ètyøi a jsou zhotoveny z odstøižených vývodù rezistorù. Obvody IO1 a IO3 jsou vloženy do objímek, aby je bylo pøípadnì možné v budoucnosti využít i v jiných pøístrojích. K desce osazené souèástkami pøipojíme provizornì reproduktor o impedanci 8 Ω a napájecí napìtí 12 V. Ovìøíme, že na výstupu stabilizátoru IO2 je napìtí +6 V. Pøi oživování pøedevším zkontrolujeme osciloskopem (staèí i logickou sondou nebo diodou LED s rezistorem), že kmitají všechny tøi multivibrátory. U realizovaného vzorku kmital multivibrátor s OZ IO1A s periodou asi 12 s, pøièemž výstup 1 IO1A byl vždy po dobu asi 10 s ve vysoké a asi 2 s v nízké úrovni. Multivibrátor s OZ IO1B kmital s periodou asi 5 s, výstup 7 IO1B byl vždy po dobu asi 3 s ve vysoké a asi 2 s v nízké úrovni. Koneènì multivibrátor s OZ IO1C kmital s periodou asi 7,5 s, výstup 8 IO1C byl vždy po dobu asi 0,5 s ve vysoké a asi 7 s v nízké úrovni. Uvedené èasy byly jen zhruba odhadnuty, protože pro mìøení analogovým osciloskopem jsou pøíliš dlouhé a pro mìøení stopkami zase pøíliš krátké. Osciloskopem také zkontrolujeme, že na výstupu 14 OZ IO1D je šum o mezivrcholovém rozkmitu asi 1 V. Je-li vše v poøádku, nastavíme trimry P1 až P3. Trimrem P3 nastavíme plnou hlasitost. Trimrem P1 se nastavuje „ostrost“ šumu, optimální nastavení u zkoušeného vzorku generátoru bylo asi uprostøed odporové dráhy. Trimrem P2 se nastavuje hloubka amplitudové modulace šumu. Na pravém krajním dorazu (tj. na dorazu pøi otáèení ve smìru pohybu hodinových ruèièek) je šum zcela potlaèen, z pravého krajního dorazu otáèíme trimrem doleva tak, aby šum byl potlaèován jen v krátkých úsecích. U zkoušeného vzorku byl P2 optimálnì nastaven asi v jedné tøetinì odporové dráhy od pravého dorazu. Nakonec trimrem P3 nastavíme pøimìøenou hlasitost. Pøes pomìrnou složitost obsahuje generátor jen nezáludné a „chodivé“ obvody, vzorek generátoru fungoval na první zapojení. Urèitou trpìlivost vyžaduje nastavení trimrù, seøizujeme je podle sluch tak, aby výsledný zvuk co nejlépe odpovídal zvuku pøíboje, jak si jej pamatujeme z pobytu u moøe. Oživenou desku vestavíme do plastové skøíòky (napø. U-KP6), která poslouží i jako ozvuènice pro reproduktor. Realizovaný vzorek generátoru byl zkonstruován co nejjednodušším zpùsobem (viz obr. 6). Reproduktor a distanèní sloupky pro uchycení desky byly upevnìny k hornímu dílu skøíòky tavným lepidlem a na panel skøíòky byl umístìn pouze napájecí konektor s ochrannou Schottkyho diodou. V pøístroji, který bychom chtìli bìžnì využívat, by bylo vhodné umístit na panel i vypínaè s kontrolkou napájení a též potenciometr pro ovládání hlasitosti (10 kΩ, logaritmický, který by se zapojil

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

místo trimru P3), abychom mohli ovládat hlasitost i pøi zavøené skøíòce. Také mùžeme do skøíòky pouze vyvrtat díru pro ovládání trimru P3 šroubovákem. K reprodukci zvuku generátoru též mùžeme použít domácí audiozaøízení. V takovém pøípadì vypustíme ze zapojení generátoru výkonový nf zesilovaè IO3 a signál z trimru P3 vyvedeme na vhodný konektor (DIN, CINCH apod.).

Seznam souèástek R1, R6, R7, R27, R28 R2 R3, R8, R14 R4, R9, R15 R5, R10, R13

68 kΩ/0,6 W/1 %, metal. 270 kΩ/0,6 W/1 %, metal. 56 kΩ/0,6 W/1 %, metal. 100 kΩ/0,6 W/1 %, metal. 22 kΩ/0,6 W/1 %, metal.

R11, R24 R12 R16, R18, R23 R17 R19 R20 R21, R25, R26 R22 R29, R30 P1, P2 P3 C1, C2, C3, C17 C4

33 kΩ/0,6 W/1 %, metal. 220 kΩ/0,6 W/1 %, metal. 10 kΩ/0,6 W/1 %, metal. 680 kΩ/0,6 W/1 %, metal. 150 kΩ/0,6 W/1 %, metal. 1 kΩ/0,6 W/1 %, metal. 47 kΩ/0,6 W/1 %, metal. 39 kΩ/0,6 W/1 %, metal. 10 Ω/0,6 W/1 %, metal. 50 kΩ, trimr 10 mm, ležatý 10 kΩ, trimr 10 mm, ležatý 47 µF/16 V, radiální 100 nF/J/63 V, fóliový

Radiotechnika Pøímozesilující pøijímaè pro pásma 80, 40 a 20 m Øada „hamù“ si ráda nìco staví, ale nesmí to být pøíliš složité. Proto se v zahranièních èasopisech stále setkáváme s rùznými variantami pøímozesilujících pøijímaèù, které jsou jednoduché, a pøitom už je na nì možné zachytit rùzné zajímavé stanice. Jednou z takových konstrukcí je popisovaný pøijímaè, jehož schéma je na obr. 7. Pøijímaný signál z drátové nebo prutové antény se pøivádí pøes vazební kondenzátory C1 nebo C2 na vstupní rezonanèní obvody LC urèující pøijímaný kmitoèet. Pøijímaè obsahuje tøi rezonanèní obvody pro pásma 80, 40 a 20 m,

které se pøepínají dvoupólovým tøípolohovým posuvným pøepínaèem S1. Jako cívky jsou v tìchto obvodech použity bìžnì dostupné axiální tlumivky, které mají vyhovující èinitel jakosti Q (asi 80) i teplotní stabilitu. Obvody jsou pøelaïovány v rozmezí amatérských pásem dvojitým varikapem D1 typu BB204G (je to varikap používaný ve vstupních jednotkách pøijímaèù FM). Napìtí pro ovládání varikapu je odebíráno z lineárních potenciometrù P1 a P2 pro hrubé a jemné ladìní. Potenciometry jsou napájeny stabilizovaným napìtím +5 V ze stabilizátoru IO2. Jako audion (demodulátor) je v pøijímaèi použit tranzistor MOSFET typu BF961 (T1) se dvìma øídicími elektrodami. Pøijímaný signál z rezonanèních obvodù se pøivádí na první øídicí elektrodu, na druhou øídicí elektrodu je z dìlièe

C5, C13 100 nF, keramický C6, C14 47 nF/J/100 V, fóliový C7 10 µF/16 V, radiální C8, C9 220 nF/J/63 V, fóliový C10 10 nF/J/100 V, fóliový C11 100 µF/16 V, radiální C12 1000 µF/16 V, radiální C15, C16 220 µF/16 V, radiální D1 až D5 1N4148 T1 BC546B IO1 LM324 (DIL 14) IO2 78L06 IO3 LM386 objímka precizní DIP 8 1 kus objímka precizní DIL 14 1 kus deska s plošnými spoji è. KE02K3 Elektor, 7-8/1991 R3, R4 pøivádìno takové pøedpìtí, aby T1 mìl maximální strmost. Vhodný kolektorový proud T1, který není v pùvodním prameni nijak specifikován, ale mohl by být okolo 1 mA, se nastavuje trimrem P3 zapojeným v emitoru T1. Kladnou zpìtnou vazbu má audion zavedenu pomocným tranzistorem T2. Stupeò vazby se ovládá lineárním potenciometrem P4, kterým se reguluje zesílení tranzistoru T2. Díky vtipnému zapojení zpìtnovazebního obvodu není potøebný obvyklý zpìtnovazební kondenzátor, který je obtížnì dostupný, ani vazební vinutí na cívkách rezonanèních obvodù. Detekovaný nf signál je z audionu veden pøes dolní propust se souèástkami C13, R9 a C14 do nf pøedzesilovaèe s tranzistorem T3. Z pøedzesilovaèe je nf signál veden pøes logaritmický potenciometr P5 pro ovládání hlasitosti do výkonového zesilovaèe LM386 (IO1). Kondenzátorem C18 má obvod LM386 nastaven své maximální napìové zesílení 200. IO1

Obr. 7. Pøímozesilující pøijímaè pro pásma 80, 40 a 20 m

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007

39

poskytuje výkon asi 0,5 W, který je dostateèný i pro vybuzení reproduktoru. Vhodnìjší je však poslech na sluchátka o impedanci 32 Ω, používaná k pøenosným pøehrávaèùm hudby. Pøijímaè je napájen nestabilizovaným napìtím 9 V z baterie nebo ze síového adaptéru. Spoøeba není v pùvodním prameni uvedena, ale mùže být podle hlasitosti až 100 mA. Napìtím 9 V je pøímo napájen výkonový zesilovaè IO1 a pøedzesilovaè s T3. Audion a ladicí potenciomery jsou napájeny stabilizovaným napìtím +5 V, které je získáváno ze stabilizátoru 78L05 (IO2). V pùvodním prameni jsou všechny souèástky pøijímaèe umístìny na desce s jednostrannými plošnými spoji o rozmìrech asi 142 x 61 mm. Pøijímaè však bude dobøe pracovat i tehdy, když souèástky se zkrácenými vývody umístíme na stranì spojù na malé destièky s univerzálními plošnými spoji, které pájením pøichytíme na vìtší desku se souvislou mìdìnou fólií sloužící jako zemì. Desku s obvody pøijímaèe je vhodné vestavìt do kovové stínìné skøíòky, na jejímž pøedním panelu budou všechny ovládací potenciometry. CQ DL, 4-2005

Tiché ladìní antény šumovým mùstkem Anténa krátkovlnné radioamatérské stanice se anténním tunerem (ATU) obvykle ladí se zapnutým vysílaèem na minimum PSV. Aby nebyli pøíliš obtìžováni ostatní amatéøi na pásmu, ladí se pøi sníženém výkonu a s vysílaèem pøeladìným na kmitoèet, na kterém právì

není provoz. Takové ladìní antény chvíli trvá a operátorovi mùže „utéct“ vzácný DX. Proto novozélanïan Kelvin, ZL3KB, navrhl šumový impedanèní mùstek, pomocí kterého lze naladit anténu velmi rychle (bez pøelaïování vysílaèe a snižování jeho výkonu) a bez pøípadného obtìžování ostatních úèastníkù provozu. Schéma tohoto šumového mùstku je na obr. 8. Mùstek je tvoøen vf transformátorem TR1, normálovým odporem 50 Ω složeným ze dvou paralelnì spojených rezistorù R12 a R13 s odpory 100 Ω a impedancí antény. Souèástí mùstku je i pøepínaè S1 (PROVOZ MÙSTKU), kterým se mùstek zaøazuje mezi anténní konektor transceiveru TRX a koaxiální kabel k anténì s ATU. V poloze VYP. pøepínaèe S1 je mùstek vyøazen z provozu a anténní kabel je pøipojen pøímo k výstupu transceiveru. V poloze ZAP., ve které pomocí mùstku ladíme anténu, tvoøí anténa souèást mùstku (symetrickou k rezistorùm R12, R13) a anténní konektor transceiveru je pøipojen ke støednímu vývodu 6 + 4 sekundárního vinutí TR1. Mùstek je buzen amplitudovì modulovaným širokopásmovým šumem, který se pøivádí mezi vývody 1 a 8 primárního vinutí TR1. Pøi ladìní antény musí být transceiver na pøíjmu. Pøi obecné impedanci antény odlišné od èinného odporu 50 Ω jsou krajní vývody 3 a 5 sekundárního vinutí TR1 spojeny se zemí pøes rozdílné impedance, takže mùstek není vyvážen. Ze støedního vývodu sekundárního vinutí TR1 proto proniká do pøijímaèe modulovaný šum. Pomocí ATU dolaïujeme anténu tak, aby modulovaný šum byl co nejslabší. Pokud se podaøí anténu naladit ideálnì tak, aby se její impedance rovnala èinnému odporu 50 Ω, budou oba krajní vývody sekundárního vinutí TR2 spojeny se zemí pøes stejné

èinné odpory 50 Ω, takže na nich bude šumový signál se shodným prùbìhem a rozkmitem, ale opaènou polaritou. Ve støedu sekundárního vinutí se bude nacházet rozdíl tìchto dvou opaèných šumových signálù, který je nulový. Pøi ideálním naladìní antény tedy poklesne síla pøijímaného modulovaného šumu na nulu. Šum se pro buzení mùstku používá proto, že má souvislé kmitoètové spektrum, takže jej lze slyšet v pøijímaèi naladìném na jakýkoliv kmitoèet kteréhokoliv pásma. Nf kmitoètem je šum pro buzení mùstku amplitudovì modulován proto, aby jej bylo možné odlišit od šumu pøijímaného anténou, který má sílu témìø nezávislou na naladìní antény. Transformátor TR1 je navinut na feritovém toroidním jádru Amidon FT50-61 ètyømi mìdìnými lakovanými vodièi o prùmìru 0,3 mm. Vodièe mají délku 180 mm a jsou navzájem zkrouceny do jednoho pramene. Poèet zkrutù je asi 40 pravidelnì po celé délce. Pramenem je na jádru navinuto 10 závitù (tj. 10 prùchodù otvorem jádra) rovnomìrnì rozprostøených po obvodu jádra. Konce vodièù odizolujeme, pomocí ohmmetru identifikujeme jednotlivá vinutí a oznaèíme je barvou pro pozdìjší správné pøipojení. Vinutí mezi vývody 2 a 7 není využito, zlepšuje však symetrii transformátoru. Šum je generován závìrnì pólovaným pøechodem emitor-báze tranzistoru T3 (kterým prochází proud jako Zenerovou diodou) a je zesilován tøístupòovým zesilovaèem s T4 až T6. Modulaèní nf signál generuje multivibrátor s T1 a T2, který mìní zesílení stupnì s T5. Mùstek je napájen vnìjším ss napìtím 12 V (ze síového adaptéru nebo akumulátoru), které je stabilizováno na 9 V Zenerovou diodou D4. RadCom, duben 2001

Obr. 8. Šumový mùstek pro tiché ladìní KV antény

40

Konstrukèní elektronika A Radio - 3/2007