Elektryczne klocki

Drogi Czytelniku! Jeśli myślisz, że pisać nie ma o czym... Skoro ciągle piszę, żem się wypisał, to rację masz poniekąd. Poniekąd bezmiar wzburzonego oceanu wiedzy-niewiedzy się przed nami rozciąga.

Chyba już kilka razy o tym pisałem: jak to było możliwe, że w dawnych zamierzchłych czasach, gdy zbójcy czatowali na drogach, a w Dzierżoniowie były wielkie zakłady radiowe, uczniowie „radiówki” potrafili wkuć na pamięć schemat telewizora? Ano prawda jest taka, że... wkuwali. Aliści niektórym wchodziło to do głowy samo.

Urządzenia techniczne są jak klocki lego. A właściwie klocki lego są jak urządzenia techniczne: funkcjonalnymi, niewielkimi kawałkami. Wówczas da się zapamiętać, jakie klocki wchodzą w skład urządzenia, a pamiętając, jak działają klocki, wszystko odtworzyć detalicznie. Działanie całej maszynerii polega na tym, że owe kawałki ze sobą współpracują. Dobrym pomysłem podczas projektowania jest takie budowanie urządzenia, by owe klocki były niezależne.

Oczywiście, wręcz: ależ oczywiście, są zależne! Przecież ze sobą współpracują! Tak. Rzecz jednak w tym, żeby współpracowały w sposób typowy. By połączone ze sobą były tylko te wejścia i wyjścia, które „normalnie” służą jako wejścia i wyjścia. Jeśli ktoś pyta, po co ta mowa, to jest mowa pogrzebowa dla konstrukcji typu wczesnych ruskich kolorowych telewizorów, gdzie wszystko było połączone ze wszystkim, wszystko wpływało na wszystko i pokręcenie potencjometrem jasności mogło spowodować przestrojenie głowicy na inną stację. Co prawda wówczas były tylko dwie stacje, ale siadało napięcie zasilania i piekielna skrzynia się rozstrajała, owszem, zaczynała odbierać „jakichś Ruskich” czy „pepików”.

Dobrze zrobiony projekt nie zawiera takich pułapek. Zaś jedną z najwdzięczniejszych cech elektroniki jest to, że łatwo owe klocki ze sobą daje się sprzęgać, dobrze to działa, tylko pod warunkiem, że trzymamy się zasady czystości projektu.

Cały ów wstęp jest właśnie po to, by przygotować ewentualnego kandydata na Elektrycerza, że w praktyce ciężko z ową czystością. W praktyce jest tak: trzeba umieć sobie samemu owe UKŁADY PODSTAWOWE wyodrębnić. Chcesz się nauczyć elektroniki? Musisz przerobić działanie iluś tam typowych schematów wzmacniaczy, przerzutników, układów generujących impulsy i tak dalej. W pewnym momencie zaczyna działać intuicja i jest łatwiej. Ale to nie sztuka i talent, ale mozolna, mięśniowa robota.

W dawnych czasach już omówiłem działanie układu „zwykłego” wzmacniacza tranzystorowego. Teraz przejdziemy do trochę dziwniejszych konstrukcji. Niestety, powiem to od razu: nie ma szans, by pojedynczy autor omówił pokrótce w systematycznym wykładzie owe „układy podstawowe”. Owszem, może się za to brać, ale ze stuprocentową gwarancją, że zanudzi ludzi. Tak więc dalej będzie tylko przykład, który pokaże, jak się za to brać i jak o tym myśleć.

Myślimy zaś „do czego się to nam przyda”? Wiemy już, jak zrobić z mikrusiego sygnału wychodzącego z mikrofonu znacznie mocniejszy, który poruszy na przykład słuchawki. Ale jak działają na przykład różne elektroniczne układy automatyki?

Na przykład „włącz-wyłącz”. Spójrz na rysunek.

Jest tu jakiś dziwny układ, z lekka bezsensowny, w którym połączono ze sobą dwa tranzystory – jeden typu pnp i drugi npn. Jeden jest wpięty w drugi. Wersję „ideową” masz w kwadracie otoczonym brązową obwódką po prawej, po lewej schemat czegoś, co może zadziałać. W praktyce często stosuje się ten układ bez oporników R1 i R2, połączony właśnie tak, jak po prawej stronie w kwadracie na brązowo, co jeszcze bardziej blokuje wyobraźnię młodego elektrety (pachołka elektrycerza), który próbuje zanalizować, jak też płyną prądy. .

No więc, jeśli podłączymy „po prostu” ów układ do prądu, to NIE PŁYNĄ. Tak jest, o ile układ działa prawidłowo. Dla zmyłki można przedstawić rozumowanie, które prowadzi do PRZECIWNEGO wniosku. Mianowicie, zerowy prąd tranzystora T1 jest wzmacniany poprzez tranzystor T2, bo płynie w całości przez bazę T2 i odwrotnie – cały zerowy prąd T2 płynie poprzez bazę T1 i także jest wzmacniany, wobec czego oba tranzystory natychmiast przejdą w stan nasycenia.

I układ niczego nie zrobi. Nie zadziała. „Normalnie” musi być tak, że po włączeniu zasilania tranzystory nie przewodzą. Dopiero zwarcie włącznika P1 powoduje, że poprzez bazę tranzystora T1 płynie prąd, który wysterowuje bazę T2 i dopiero poprzez cały układ przewodzi. Jaki to ma sens?

Zwróćmy uwagę, że po rozwarciu P1, o ile tranzystory są „normalne”, a oporniki rzędu kilkudziesięciu kiloomów, T1 jest wysterowany poprzez T2, zaś bazę T2 zasila prąd płynący przez kolektor T1. Układ „zapamiętał” naciśnięcie P1! Dodajmy: czas przejścia od stanu nieprzewodzenia do pełnego wysterowania tranzystorów jest bardzo krótki, rzędu ułamka mikrosekundy dla „zwykłych” krzemowych tranzystorów, a nawet rzędu nanosekundy, jeśli się postarać.

No dobrze... Tak to POWINNO DZIAŁAĆ. Przyciskamy P1 i tranzystory przewodzą. Nie kombinuj za wiele, Drogi Czytelniku, tylko to zapamiętaj. Układ bywa często nazywany „tyrystorym”, co też warto zapamiętać. Warunki pracy układu muszą być ustawione tak, by to zaszło. Jak długo nasza maszyneria pozostanie w tym stanie? Dopóki nie przerwiemy zasilania, na przykład za pomocą przełącznika P2. Możemy powiedzieć, że po chwilowym przerwaniu napięcia zasilania (P1 działa tak, że zwiera, gdy jest wciśnięty, P2 rozwiera na czas wciśnięcia) układ zapamiętał teraz fakt naciśnięcia P2.

Układ, który trzeba zapamiętać, został otoczony czerwoną przerywaną obwódką. Bywa często stosowany bez oporników R1 i R2. Ja je wrysowałem, bo jeśli zaczynamy eksperymentować, to bez nich łatwo konstrukcję zniszczymy.

Wiąże się to z drugą po umiejętności „zapamiętywania” cechą układu: wchodzi on w stan „mocnego” przewodzenia, czyli po prostu tranzystory są nasycone. Ponieważ prądy kolektorów przepływają poprzez złącza bazowe obydwu tranzystorów, przekroczenie zwykle niewielkiego dopuszczalnego prądu bazy zniszczy tranzystory.

Z tej przyczyny taki układ może być stosowany tylko do sterowania innych układów. Jeśli rezygnujemy z oporników R2 i R1, musimy w inny sposób ograniczyć prąd płynący przez zespół tranzystorów, np. umieszczając opornik w obwodzie zasilającym.

Ale po co to wszystko? Czy nie prościej, zamiast układu tranzystorów, zastosować „zwykły” jeden wyłącznik?

Układy tego typu stosuje się np. do sterowania tyrystorów. Warto zauważyć, że „załączenie” może nastąpić także za pomocą tranzystora T2, układ jest w tym symetryczny. Na bazę T1 musimy podać impuls ujemny, na bazę T2 dodatni. Jakie napięcie „wyzwoli” urządzenie? W okolicy napięcia przewodzenia tranzystora. Dla krzemowych tranzystorów około 0,5-0,7 woltów. Podobnie dla tranzystora T1 wystarczy, by na jego bazie pojawiło się napięcie niższe od napięcia jego emitera o około 0,5-0,7 woltów, i już nastąpi „pstryk”, przejście do stanu przewodzenia.

Jeśli baza któregoś z tranzystorów jest dodatkowo podłączona nie do przełącznika, ale do źródła napięcia o zmiennej wartości, wówczas po przekroczeniu napięcia przewodzenia układ „sam będzie się włączał”. Czyli będzie działał jak układ progowy, który po przekroczeniu zadanego napięcia coś załącza. Stosuje się to właśnie do sterowania tyrystorami. Na przykład na bazę T2 można podać poprzez potencjometr wyprostowane napięcie sieciowe. Potencjometr możemy ustawić tak, że na bazie T2 napięcie 0,7 wolta pojawi się, gdy napięcie sieciowe osiągnie np. 230 woltów. Dopiero wówczas układ zacznie przewodzić i włączy tyrystor. Cały układ jest zasilany pulsującym, wyprostowanym napięciem sieciowym (zmniejszonym do napięcia, które zniosą tranzystory, ok. 30-50 woltów) i gdy napięcie zasilania spada do zera, układ samoczynnie „gaśnie”. Potem pojawia się kolejna połówka napięcia sieciowego, układ załącza się i cały cykl się powtarza 100 razy na sekundę.

Dzięki temu, że tyrystor włącza się w każdej połówce napięcia z opóźnieniem, moc płynąca poprzez odbiornik może być regulowana. W rzeczywistych układach stosuje się układ RC, napięcie sieciowe ładuje kondensator, dopiero napięcie z kondensatora podajemy na bazę tranzystora w celu jego wysterowania. Ponieważ napięcie na kondensatorze zależy od czasu jego ładowania, możemy uzyskać opóźnienie załączenia tyrystora większe niż czas osiągnięcia maksimum napięcia każdej połówki sinusoidy; jak się postarać, to możemy uzyskać, że tyrystor załącza się w całym zakresie czasu trwania tej połówki i w rezultacie np. sterowana nim żarówka może się ledwo żarzyć albo świecić pełną mocą.

Teraz trochę filozofii. Przedstawiony na rysunku schemat jest „trochę do niczego”. W praktyce układ „tyrystorowy” bywa „cwanie” podłączany, mamy dzielniki bazowe, co powoduje, że wygląda to inaczej – i co najgorsze, ciężko wykoncypować, jakie też będą na nim napięcia. Jak już powiedziałem, rzadko się stosuje oporniki bazowe (R1 i R2), bo dramatycznie zwiększają czas przejścia tranzystorów do stanu nasycenia. Ale dalej to są ułamki mikrosekundy.

Wiele osób wierzy, że projektowanie układów elektronicznych graniczy z jakąś wiedzą tajemną. Spróbujmy. Zaczynamy od tego „po co?” Powiedzmy, że chcemy wykorzystać fotocelę do włączenia czegoś. Powiedzmy, że błyskamy lampą błyskową, a w efekcie rusza nam silnik. Taką mamy potrzebę tym razem. Taka fotocela działa tak, jak przełącznik P1, tyle że czas zwarcia jest bardzo krótki, rzędu 1 milisekundy. Jest więc jakiś powód do zastosowania takiego układu.

Ustalamy napięcie zasilania na 10 woltów. Oporniki R1 i R2 możemy trochę „z czuba” wsadzić po 10 kiloomów. Wówczas przez bazy tranzystorów będzie płynął prąd ok. 1 miliampera (trochę mniej) i nie powinno się im nic stać, o ile są to normalne tranzystory małej mocy, małej częstotliwości, typu BC 147 (npn) i BC 307 (pnp). Na podobnej zasadzie można oszacować wielkość opornika R5 w układzie wyzwalającym: ok. 10 kiloomów. Półprzewodniki? Już wiemy, BC 147, BC 307. Dodamy jeszcze oporniki R6 i R7 zwierające bazy tranzystorów do emiterów. W układach eksperymentalnych dość łatwo „wysadzić” tranzystory. Pozostawienie baz praktycznie w stanie nieprzewodzenia, „wiszących” w powietrzu, jest niebezpieczne. Wynika to i z właściwości tranzystorów, dla których napięcie przebicia przy „wiszącej” bazie jest wyraźnie niższe, i z niebezpieczeństwa podłączenia wysokiego napięcia poprzez rozproszone pojemności. „Zawodowy” elektronik może być nawet zdziwiony, ale niegłupie jest tu wsadzenie oporników np. 200 kiloomów. Na tym etapie możemy pominąć problem stabilizacji termicznej układu, do czego zwykle te oporniki „służą najbardziej”. Im mniejszą mają oporność, tym bezpieczniej. Musimy jednak pamiętać, że dzielnik napięcia utworzony poprzez oporniki R2 i R6 oraz R7 i R1 nie może doprowadzić do tego, by napięcie na baza – emiter tranzystorów było mniejsze od napięcia przewodzenia. Więc w praktyce wartość tych oporników (przy naszym napięciu zasilania) może się zmieniać w granicach od ok. 1 kilooma do kilkuset kiloomów. Przy kilkuset kiloomach możemy w obliczeniach zapomnieć o tych opornikach. Natomiast mogą one odegrać istotną rolę, gdy z jakichś powodów układ nam się od razu po włączeniu napięcia zasilania włącza. Wówczas może to oznaczać na przykład za wielkie prądy zerowe. Dzieją się takie rzeczy, jak opisałem na samym początku. Wtedy właśnie opornik baza-emiter przewodzi prądy termiczne i urządzenie ma szansę przejść do stanu wyłączonego. Jeśli urządzenie zachowuje się dziwnie, można właśnie zmniejszyć wartość tych oporników. Tak więc mamy już schemat, który prawie na pewno „nie sfajczy się” przy pierwszej próbie.

No ale jak się podłączyć do układu?

Robimy to za pomocą elementów T3 i R4. Do emitera Tranzystora T3 możemy dołączyć np. przekaźnik. Przekaźnik poradzi już sobie z uruchomieniem choćby i silnika. Trzeba pamiętać, że tranzystor T3 pracuje w układzie wtórnika emiterowego. Po „zapaleniu” układu tyrystorowego na bazie T3 pojawi się napięcie prawie równe napięciu zasilania. Tranzystor T3 stanowi dla odbiornika – inaczej: urządzenia wykonawczego (np. przekaźnika) – źródło zasilania o niskiej oporności, w związku z czym to urządzenie musi być dostosowane do napięcia zasilania 10 woltów. Opornik R4 można „na oko” dobrać o wartości kilka kiloomów. Jego wartość zależy od wartości prądu koniecznego do zasilenia urządzenia wykonawczego oraz wzmocnienia prądowego tranzystora T3. Pełni on funkcję zabezpieczenia podczas uruchamiania układu. Prąd płynący do bazy tranzystora T3 będzie miał wartość prądu odbiornika podzieloną przez wartość współczynnika prądowego tranzystora. Przy wartości oporności cewki rzędu 500 omów, współczynniku wzmocnienia 200 możemy się spodziewać wartości ok. 100 mikroamperów. Ponieważ tranzystor T1 pracuje w nasyceniu, nasz układ „nie poczuje” w ogóle tego prądu.

To jest właśnie metoda takiego projektowania układów, że nie wpływają nawzajem na swoje działanie. Przy zachowaniu takich zasad nie tylko da się zrozumieć, ale i łatwo przewidzieć zachowania nawet bardzo złożonego układu.

Ale to nie koniec spraw związanych z „klockowaniem”.

Spójrzmy na kolejny rysunek:

Zajmijmy się najpierw górnym schematem. Coś z pozoru całkiem innego pełni prawie dokładnie tę samą rolę. Analiza działania takiego układu „z marszu” jest karkołomna. Można wymyślić, że ustali się tu równowaga, równe napięcia na kolektorach, równe prądy bazy i kolektorów tranzystorów. Ale jest to taka równowaga, jak postawienie noża na ostrzu. Musi się gibnąć na którąś stronę. W rzeczywistości jest tak: jeden tranzystor przewodzi, jeden jest kompletnie zatkany. Wynika to z dodatniego sprzężenia zwrotnego wprowadzonego przez podłączenie obwodów bazy do oporników kolektorowych „lustrzanych” tranzystorów. Przewodzenie jednego tranzystora oznacza jednocześnie obniżenie napięcia zasilającego opornik bazowy i zmniejszenie prądu drugiego. To zaś powoduje podniesienie napięcia zasilającego opornik bazowy pierwszego tranzystora. W rezultacie mamy sytuację, że jeden z tranzystorów przewodzi i w „normalnie” zaprojektowanym układzie jest w nasyceniu, drugi zostaje całkowicie zatkany. W podręcznikowych opisach często pomija się dość istotny szczegół. Mianowicie, trzeba pamiętać, że złośliwie na nasyconym tranzystorze napięcie kolektor-emiter jest NIŻSZE od napięcia na złączu baza-emiter. Może ono wynosić ok. 0,1 wolta. Jak pamiętamy, do otwarcia złącza baza-emiter potrzeba ok. 0,5-0,7 wolta. Jak mamy tylko 0,1 wolta, złącze jest całkowicie zamknięte.

Przełączniki P1 i P2 mogą służyć do zmiany stanu urządzenia. Wciśnięcie P1 powoduje, że napięcie na kolektorze tranzystora T1 spada do zera. Spada do zera tym samym napięcie na oporniku R4 zasilającym bazę tranzystora T2. Natychmiast przestaje on przewodzić, jeśli wcześniej przewodził. Wówczas napięcie na oporniku R2 podnosi się i poprzez opornik R3 płynie prąd zasilający bazę tranzystora T1. Tranzystor T1 wchodzi w stan nasycenia. To jest niezależne od tego, czy na jego kolektorze jest napięcie czy nie. Po zwolnieniu przycisku P1 napięcie na kolektorze T1 podnosi się od „zera” do ok. 0,1 wolta. Tranzystor T2 pozostaje zatkany i stan się utrzymuje tak długo, jak długo nie naciśniemy przycisku P2. Wówczas napięcie zasilające bazę tranzystora T1 poprzez opornik R3 spadnie do zera i nam się on zatka. Za to zacznie przewodzić T2. A to dlatego, że w miejscu połączenia T1, opornika bazowego, R4 i R1 napięcie wzrośnie.

Zazwyczaj w opisach pomija się szczegóły dotyczące wartości elementów. Wartości R1 i R2 dla napięcia zasilania 5 do 12 woltów wybiera się w granicach 1-5 kiloomów. Wartości oporników R3 i R4 wynoszą zwykle 100-200 kiloomów. Co oznacza, że napięcia na opornikach zasilających bazy tranzystorów zmieniają się od prawie zera do napięcia zasilania. Zwróćmy uwagę, że podobnie jak poprzedni układ, i ten zapamiętuje wymuszony przyciskami stan. Podobnie jak poprzedni układ, może on się znajdować tylko w dwóch stanach.

Jaka płynie z powyższego przykładu? Że w tym samym miejscu układu mogą się znaleźć zupełnie różnie zbudowane klocki. Można nawet powiedzieć, że nie jest ważne, jak one są zbudowane. Ważne, jak działają.

Spójrzmy jeszcze na dolny schemat. Różni się tym, że zamiast R4 mamy kondensator C1. Ta asymetria powoduje, że tranzystor T2 nie może przewodzić dowolnie długo. Zwarcie przycisku P powoduje zatkanie tranzystora T1. Tranzystor T2 zaczyna przewodzić, lecz jego baza jest zasilana poprzez kondensator C1. Po naładowaniu się jego do napięcia bliskiego napięciu zasilania prąd przestaje płynąć i tranzystor zatyka się. Jednocześnie zaczyna przewodzić T1 i napięcie, które zasilało kondensator, gwałtownie maleje. Tak więc tranzystor T2 gwałtownie od stanu przewodzenia przechodzi do stanu zatkania. Przy właściwym doborze elementów czas trwania stanu pośredniego jest bardzo krótki.

Jest to układ generujący pojedynczy impuls . Czas jego trwania zależy od stałej czasowej R1 C1. Warto sprawdzić, tak na marginesie, że wymiar jednostki, jaki wynika z wymnożenia przez siebie faradów i omów, to sekundy. Uzyskiwane czasy w takich układach zawierają się w przedziale od ułamków mikrosekund do dziesiątek minut. Dioda D może być niezbędna do rozładowywania kondensatora. Do układu za pomocą R4 i T3 można podłączyć jakiś układ wykonawczy. W tym układzie wartość opornika R4 może wpłynąć na czas generowanego impulsu. Jeśli chcemy tego uniknąć, musimy wybrać oporność przynajmniej 10 razy większą od R1.