VPP2 – zápis ze cvičení 1. cv. - Opakování zákonů Ohmův zákon – vyjadřuje vztah mezi el. napětím, el. proudem a el. odporem U =R.I , resp.
I=
U , resp. R
R=
U . I
kde I je elektrický proud, U je elektrické napětí a R je elektrický odpor. Pomocí Ohmova zákona lze počítat úbytek napětí na rezistoru při daném procházejícím proudu a velikosti odporu.
I. Kirchhoffův zákon – popisuje zákon zachování elektrického náboje: pro každý uzel v obvodu platí, že součet proudů přitékajících do uzlu se rovná součtu proudů z uzlu vytékajících. Matematicky:
∑ I =0 II. Kirchhoffův zákon – popisuje zákon zachování energie: součet úbytků napětí na spotřebičích se v uzavřené části obvodu (smyčce) rovná součtu elektromotorických napětí zdrojů v této části obvodu. Matematicky:
∑ U =0 Aplikace v praxi:
Na obrázku vidíme jednoduchý obvod složený ze zdroje napětí Uo a dvou rezistorů s odpory R1 a R2. Jelikož obvod neobsahuje žádné větvení (žádný uzel), protéká konstantní proud ze zdroje od plusu k mínusu a uzavírá se přes rezistory R1 a R2. Velikost proudu je dána poměrem napětí zdroje a součtem rezistorů: I=
Uo R1R2
Pokud zformulujeme II.KZ pro tento obvod (v tomto případě metodou smyček), dostaneme:
U1U2−Uo=0
Napěťový zdroj působí proti směru smyčky, proto má záporné znamínko. Úbytky na rezistorech jsou ve směru smyčky, proto mají znaménko kladné. Tuto rovnici můžeme upravit, přičemž vyjádříme Uo:
Uo=U1U2 Upravená rovnice říká, že napětí zdroje se rozloží do jednotlivých úbytků na rezistorech. Další příklad obvodu: LED diodu chceme připojit ke zdroji napětí. Máme dány tyto parametry: LED 2V/2mA Zdroj 5V Protože dioda je na 2V a my jí chceme připojit na 5V zdroj, budeme muset vložit do série s diodou předřadný rezistor. Schéma obvodu je na následujícím obrázku:
Napětí zdroje a úbytek na diodě máme daný. Je nutné tedy dopočítat hodnotu předřadného rezistoru. Protože jsou spotřebiče zapojeny se zdrojem sériově, bude protékat obvodem konstantní proud. Jeho velikost je dána dovoleným proudem diody. Pokud se tento proud překročí, LED se spálí :) Nejprve zjistíme úbytek na rezistoru Ur. Pomůže nám II.KZ:
Ur=Uo−Ud Velikost odporu vypočítáme Ohmovým zákonem: R1=
Ur Uo−Ud 5−2 = = =1500 =1.5k −3 I I 2.10
Výsledný odpor vyšel tedy 1k5. Pokud by vyšla taková hodnota odporu, která není dostupná v nějaké dané řadě odporů, použijeme nejbližší vyšší hodnotu odporu – procházející proud bude menší a dioda se nespálí. Schéma zapojíme na univerzální destičku a změříme úbytek na diodě a na rezistoru. Jejich součet odpovídá napájecímu napětí, které také změříme. Naměřené hodnoty: Ur=3,1V, Ud=1,9V, Uo=5V Součet úbytků odpovídá napájecímu napětí. Použitá dioda má ve skutečnosti úbytek 1,9V. Zkontrolujeme procházející proud obvodem výpočtem: I=
Ur 3,1 = =2,07 mA R1 1500
Velikost procházejícího proudu je v pořádku, LED se nespálí.
2.cv. - Tranzistor Na tomto cvičení jsme si zopakovali funkci bipolárního tranzistoru a zapojili jej jako spínač. Parametry tranzistoru jsme hledali v jeho datasheetu. Datasheet – česky katalogový list. Obsahuje zpravidla informace o součástce, její parametry, bloková schémata, typickou aplikaci součástky a informace o jejích pouzdrech. Datasheety bývají volně ke stažení na webu výrobce součástky, popř. jinde na internetu, např. datasheetarchive.com, alldatasheet.com a nebo google.com. Bipolární tranzistor – proudem řízený zdroj proudu. Tranzistor = transfered rezistor – proměnný rezistor. Malým proudem do báze se řídí velký proud kolektoru. Dva druhy – NPN (šipka ven) a PNP. Je to dvoubran (čtyřpól), ale má pouze tři vývody = jeden vývod je společný pro vstupní i výstupní obvod – z toho vyplývají 3 různá zapojení (SE,SB,SK). Obsahuje dva PN přechody, které se dají představit jako dvě polovodičové diody (viz. obrázek). Pokud máme diodový tester, nebo nějakou zkoušečku (akustická zkoušečka VPP2), popř. multimetr, který měří diody, můžeme snadno určit typ tranzistoru (NPN nebo PNP). Zapojení SE,SB a SC jsou vidět na dalším obrázku. Více informací o funkci tranzistoru naleznete v literatuře.
Tranzistor jako spínač zátěže (v našem případě LED diody) – jsou dvě možnosti, jak zátěž spínat. Jedna je, zapojit tranzistor jako zdroj proudu. To vyžaduje nastavit pracovní bod tak, aby tranzistor propouštěl pouze nastavený proud. Proto je nutné znát přesně zesilovací činitel, nebo zapojit do báze proměnný odpor a nastavit jej za provozu. Dále vzniká na tranzistoru nějaký úbytek a při průchodu proudu také výkonová ztráta a tím se tranzistor ohřívá. Druhá možnost je omezit proud zátěží předřadným rezistorem a otevřít tranzistor naplno. Na něm vznikne při průchodu proudu úbytek velikosti saturačního napětí a proto také menší výkonová ztráta, než v předchozím případě. Toto zapojení si ukážeme a pak v praxi vyzkoušíme.
LED 1,9V/2mA Nejprve spočítáme odpor rezistoru R1. Úbytek na něm bude: Ur=Ucc−Ud−U Tsat Ucc a Ud známe, Utsat je saturační napětí tranzistoru, které nalezneme v datasheetu. V našem případě je to přibližně 0,1V. Ohmovým zákonem vypočítáme odpor rezistoru: R1=
Ur Ucc−Ud −U Tsat 5−1,9−0,1 = = =1,5 k I I 2.10−3
Nyní spočítáme rezistor R2. K tomu je potřeba znát proudový zesilovací činitel h21e tranzistoru. Ten je pro každý tranzistor jiný, resp. dopředu neznáme jeho přesnou hodnotu. Dokonce se jeho hodnota mění se změnou některých veličin. V datasheetu nalezneme buď typickou hodnotu, nebo rozmezí hodnot, popř. graf. Nejlépe je počítat s nejhorším případem, tedy s nejmenším zesílením. V našem případě je to podle katalogového listu 110. Zesilovací činitel je vyjádřen jako poměr proudu kolektoru ku proudu báze. Pro náš případ by měl být proud báze 110x menší než proud kolektoru. Spočítáme tedy proud báze: Ic 2.10−3 I b= = =18,2 A h21e 110 Známe proud, ale pro výpočet odporu ještě potřebujeme znát úbytek napětí. Protože je odpor R2 zapojen mezi kladnou svorku zdroje a přechod báze-emitor, bude na něm úbytek: Ur=Ucc−Ube kde Ube je úbytek na přechodu báze-emitor. Ten zjistíme opět v datasheetu. V našem případě je jeho typická hodnota 0,7V. Nyní známe všechny potřebné veličiny a tak můžeme spočítat odpor R2: R2=
Ur Ucc−Ube 5−0,7 = = =236 264 Ib Ib 18,2.10−6
Abychom měli jistotu, že bude přes všechny okolnosti tranzistor otevřený naplno, zvolíme hodnotu odporu ještě menší. Nejbližší nižší v řadě E12 je 220k. Hodnota by mohla být ještě mnohem nižší, ale je potřeba dodržet max. dovolený proud bází (viz. datasheet) a také bychom zbytečně odebírali vyšší proud ze zdroje. Zapojení vyzkoušíme na univerzální desce.
Zkusíme zapojení upravit tak, že k bázi tranzistoru připojíme proti zemi tlačítko:
Zapojení se teď chová jako „analogová“ negace, to znamená, že když je tlačítko tisknuto, LED nesvítí, naopak když je tlačítko uvolněné, LED svítí. Je to proto, že při stisklém tlačítku prochází veškerý bázový proud tlačítkem a do báze neteče proud žádný. Při nulovém bázovém proudu je tranzistor zcela uzavřen a proto se chová jako rozpojený kontakt a neprochází jím žádný kolektorový proud. Zapojení opět upravíme. Tentokrát místo tlačítka zapojíme kondenzátor. Budeme předpokládat, že je vybitý. Pro stejnosměrný proud se vybitý kondenzátor chová jako zkrat a začne se nabíjet (přechodový děj po připojení zdroje napětí). V předchozím zapojení jsme měli k bázi připojené tlačítko. Při přechodovém ději bychom vybitý kondenzátor mohli přirovnat ke stisknutému tlačítku.
Z toho vyplývá, že tranzistor bude zavřený a LED tedy nebude svítit. Průchodem proudu se kondenzátor postupně nabíjí a tedy roste na něm napětí. Jakmile se napětí začne blížit Ube, začne téci do tranzistoru bázový proud a tranzistor se otevře. Nabitý kondenzátor se chová jako rozpojené svorky a to můžeme tedy přirovnat k puštěnému (nestisknutému) tlačítku. Doba, za kterou se dostane napětí na kondenzátoru z 0 na Ube lze vypočítat řešením exponenciální rovnice přechodového děje. −t
Ube=Ucc.1−e kde =R .C, t je potřebný čas. Jeho vyjádřením dostaneme: t =RC .ln
Ucc Ucc−Ube .
Výsledkem je, že po připojení zdroje napětí se rozsvítí LED se zpožděním. V praxi většinou chceme vypočítat hodnotu kondenzátoru pro nějaký zvolený čas. Vyjádřením kapacity C z předchozího vzorce dostaneme žádaný vzorec. t
C= R . ln
Ucc Ucc−Ube
V našem případě (R2=220k, Ucc=5V, Ube=0,7V) pro zpoždění dlouhé 1 sekundu vychází hodnota kondenzátoru přibližně 30F. Zapojení vyzkoušíme na univerzální desce.
Zesilovač 2x40W Popis z anotace: Stereo zesilovač původně určený do auta je vhodný pro výkonové zesílení hudebního signálu. Napájení je možné z 12V nesymetrických. Výkon závisí na připojené zátěži. Pro 4 zátěž je výstupní sinusový výkon necelých 20W. Zesilovač je vhodný pro ozvučení počítače, popř. pro stavbu kytarového komba, aktivních reproduktorových boxů apod. Podrobný popis: Základem zesilovače je obvod TDA8560Q od PHILIPS. Jde o výkonový zesilovač napájený nesymetrickým napětím max. 18V, který obsahuje všechny součástky (kromě filtračního kondenzátoru) v pouzdře. Malý počet okolních součástek umožňuje stavbu i méně zkušeným konstruktérům. Obsahuje dva kanály (stereo). Reproduktory jsou zapojeny do můstku. Podrobnější informace o obvodu naleznete v datasheetu. Základní parametry obvodu (vybrané z datasheetu): ●
Minimum vnějších součástek
●
Vysoký výstupní výkon
●
Práce do 2 a 4 zátěže
●
Malý výstupní napěťový offset
●
Pevně nastavené zesílení
●
Diagnostický výstup
●
Přepínání režimů (standby, mute, operate)
Schéma zapojení
Na obrázku je úplné schéma zapojení zesilovače. Základem je integrovaný obvod (IO) TDA8560Q, který je napájený ze svorek H1 a H2. Napájecí napětí je filtrováno kondenzátory C3 a C4. Tyto kondenzátory by měli být připojeny co nejblíže IO. Vstupní signál jednoho kanálu je přiveden na svorku X1, signál druhého na X2. Kondenzátory C1 a C2 stejnosměrně oddělují zesilovač od předchozího stupně (předzesilovače). Rezistory R1 a R2 definují úroveň v případě nepřipojených vstupů. Výstupy zesilovače jsou vyvedeny na svorky (nejsou zakresleny). Obvod s tranzistorem zajišťuje zpožděné připojení reproduktorů. Dioda D1 umožní rychlé vybití kondenzátoru C5 při odpojení napájení.
Diagnostický výstup DIAG je aktivní v nízké úrovni, pokud zkreslení signálu překročí asi 10%, pokud je zkrat na výstupech proti sobě, zemi a napájení, nebo pokud teplota na čipu přesáhne cca 150°C. Tento výstup je s otevřeným kolektorem. Pro jednoduchou indikaci poruchy můžeme zesilovač doplnit indikační diodou LED (viz. obrázek). Při návrhu DPS (desky plošných spojů) je nutné volit tloušťky vodičů s ohledem na procházející proud. Seznam součástek R1,R2 R3,R4 R5 C1,C2 C3 C4 C5 T1 D1 IC1 konektory
47k 10k 100k 470n/fóliový 2200µ/16V 100n 47µ/16V BC548 1N4148 TDA8560Q
Hra – postřeh Popis z anotace: Zapojení s dvěma klopnými obvody typu D. Každý hráč má své tlačítko, které musí stisknout dříve než protihráč. Indikace vítěze je realizována dvěma LED diodami. Stisk jednoho tlačítka znemožní překlopení klopného obvodu protihráče. Základní předpoklad pro práci s číslicovou technikou je porozumění Booleovské logice a základním kombinačním obvodům (viz. doporučená literatura). Z cvičení: NOT – negace OR – logický součet AND – logický součin NOR – logický součet s negovaným vstupem NAND – logický součin s negovaným výstupem Pravdivostní tabulka: A,B jsou vstupy. A
B
OR
NOR
AND
NAND
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
0
1
0
Negace – obrací (neguje) logickou hodnotu vstupního signálu KO – klopný obvod – překlápí výstupní stav (stavy) za určitých podmínek Obvod 4013 –
dvojitý klopný obvod typu D, vyrobený technologií CMOS. Napájení: 3 až 18V každý KO má samostatné vstupy D (Data), S (přímé nastavení Set), R (přímé nulování Reset) , . hodiny C (Clock) a výstupy Q a Q
Pravdivostní tabulka:
1. 2. 3. 4. 5. 6. X – jakákoli hodnota (nemá význam) † – změna úrovně
Schéma zapojení
Na obrázku vidíme schéma zapojení hry na postřeh s integrovaným obvodem (IO) 4013. Vstup D je trvale připojen k napájení, vstup S je trvale uzemněn. To odpovídá 2. řádku v pravdivostní tabulce, resp. také řádku 3 a 4. Po zapnutí napájení mohou být KO v nedefinovaném stavu. Předpokládáme, že po zapnutí napájení stiskneme tlačítko S3. Tím se přivede přes diody D2 a D3 na vstupy R (reset) obou KO kladný pulz, čímž se KO nastaví do definovaného stavu = řádek 4. v pravdivostní . tabulce. Tento stav budeme nazývat „výchozí“. Z 4. řádku můžeme vyčíst stavy výstupů Q a Q Výstup Q je ve vysoké úrovni (log. 1) a proto připojená dioda LED1, resp. LED2 nesvítí. Výstup Q je v nízké úrovni, proto dioda D1, resp. D4 je zavřena a neovlivňuje vstup R (reset). Protože tlačítko S3 již není stisknuté, jsou vstupy R v nízké úrovni (jsou uzemněny přes odpory R3 a R4). Hodinové vstupy jsou v nízké úrovni, dokud není stisknuté tlačítko S1 a S2 (také přes odpory R1 a R2). Tento stav odpovídá řádku 3, ve kterém jsou výstupy v nezměněném stavu (takže v předchozím stavu, což byl 4. řádek). Hráči odstartují kolo a snaží se co nejrychleji stisknout své tlačítko (S1 jeden hráč a S2 druhý). Jeden z nich stiskne tlačítko dříve, např. první hráč, tedy tlačítko S1. Stiskem tlačítka S1 se přivede kladný pulz na hodinový vstup C horního KO (IC1A). Vstupy S a R jsou v log. 0, D je v log. 1 a pulz na vstupu C představují 2. řádek pravdivostní tabulky, tedy stav, do kterého překlopí jeden z KO z výchozího stavu (v našem případě IC1A). V tomto stavu je (dle pravdivostní tabulky) v log. 0, tedy nízké úrovni a dioda LED1 svítí. Zároveň je na výstupu Q log. 1, která výstup Q přes propustně polarizovanou diodu D4 udržuje na vstupu R druhého KO log. 1 a tím jej blokuje (uvádí do výchozího stavu = 4. řádek) a tento stav trvá. Proto ani pozdější stisk tlačítka S2 nezmění stav druhého KO. Oba KO zůstanou v tomto stavu (jeden KO nastaven, druhý ve výchozím stavu), dokud není stisknuto tlačítko S3, které překlopí oba KO do výchozího stavu. Vítěz je indikován příslušnou LED diodou a vždy svítí jen jedna dioda. Současný stisk obou tlačítek NIKDY není současný a i kdyby ano, vždy bude jeden z KO rychlejší a překlopí se, čímž zablokuje druhý KO. Pozn.: Odpor v sérii s LED diodami dopočítejte pro zvolené napájení.
Seznam součástek R1,R2,R3,R4 100k R5,R6 viz. text C1 100n/keramický D1-D4 1N4148 LED1,LED2 LED dle vlastního výběru IO1 CMOS 4013 DIL S1-S3 tlačítka dle vlastního výběru konektor na baterii dle vlastního výběru
Akustická zkoušečka Popis: Zkoušečka měří zkraty, odpory, polovodičové přechody a kondenzátory větších kapacit. V závislosti na proudu součástkou se mění výška tónu piezo-krystalového měniče. Podle výšky tónu lze zjistit, zda je součástka v pořádku. Na následujícím obrázku je schéma zapojení akustické zkoušečky. Základem je astabilní klopný obvod (multivibrátor) tvořený jedním hradlem obvodu CMOS 4093, kondenzátorem C1 a trimrem R2. Obvod 4093 obsahuje čtyři dvouvstupová hradla NAND se Schmittovými vstupy. Schmittovy vstupy jsou vlastně vstupy s hysterezí a proto jim nevadí proměnné analogové napětí.
Z datasheetu můžeme vyčíst maximální napájecí napětí obvodu 4093 a tím i max. napětí celého obvodu 18V. Dále zde najdeme další informace jako překlápěcí hladiny Schmittových vstupů, vnitřní zapojení odvodu, pravdivostní tabulku atd. Na dalším obrázku vidíme samostatný relaxační generátor. Spojením vstupů u hradla NAND dostaneme invertor, v tomto případě invertor se Schmittovým vstupem. Na výstupu se střídá log. 1 a 0 podle napětí na vstupu. Předpokládejme, že je generátor už nějakou dobu spuštěný. Na výstupu je právě log. 1. Přes odpor R2 se nabíjí kondenzátor C1. Pokud jeho napětí stoupne k horní rozhodovací úrovni, změní se výstup do log. 0 a kondenzátor se přes odpor R2 vybíjí, až jeho napětí klesne pod spodní rozhodovací úroveň, výstup se přepne do log. 1 a celý děj se periodicky opakuje. Frekvence generátoru je daná velikostí odporu a kondenzátoru a napájecím napětím. Pokud porovnáme předchozí zapojení se schématem akustické zkoušečky, je relaxační generátor doplněn o antiparalelně zapojené diody D1 a D2 s tím, že obvod s diodou D1 je rozpojen a vývody jsou připojeny k měřícím sondám. Pokud jsou sondy spojeny, prochází výstup z hradla IC1A střídavě přes jednu nebo druhou diodu a funkce generátoru se nemění. Generátor kmitá na základní frekvenci. Pokud jsou sondy rozpojeny, projde pouze log. 0 přes diodu D2, kondenzátor se vybije a IC1A přejde na výstupu do log. 1. D2 je zapojena v tuto chvíli v závěrném směru a D1 „nikam“ nevede. Generátor se tedy zastaví. Výstup generátoru je přes invertor IC1B, který funguje pouze jako oddělovač (sledovač) signálu na další dva invertory – budiče. Jeden budí indikační LED diodu, druhý budí piezokrystalový měnič. Odporem R3 se nastavuje hlasitost. LED i piezo jsou zapojeny proti kladnému pólu baterie, kvůli menším ztrátám v obvodu IC1. Celý obvod je zapojen tak, aby při rozpojených svorkách sondy zůstala LED zhaslá a na piezo měniči bylo nulové napětí. Propojením sond začne generátor kmitat na základní frekvenci. Vložením odporu mezi sondy začne generátor pracovat na nižší frekvenci. Připojením PN přechodu v propustném směru generátor kmitá, v závěrném nakmitá. Připojením vybitého elektrolytického kondenzátoru frekvence generátoru postupně klesá od základní frekvence do nuly. Připojením nabitého kondenzátoru kmitá nejprve generátor na vyšší frekvenci, která postupně klesá přes základní frekvenci až k nule. Připojením malého napětí na svorky sondy, kmitá generátor na vyšší frekvenci oproti základní. Seznam součástek R1 dle vašeho výpočtu R2 trimr 10k R3 trimr 1k C1 1uF/25V D1,D2 1N4148 IC1A CMOS 4093 DIL LED1 dle vlastního výběru piezo dle vlastního výběru klips nebo držák na baterii
