Praktyczny_kurs_elektroniki_cz15.pdf

Zestaw EdW09 zawiera nastpujce elementy (specyfikacja rodzajowa):1. Diody prostownicze 4 szt.2. Ukadyscalone 4szt.3. Tranzystory 8szt.4. Fotorezystor 1 szt.5. Przekanik 1szt.6. Kondensatory 22szt.7. Mikrofon 1 szt.8. DiodyLED 11szt.9. Przewd 1 m10. Mikroswitch 2 szt.11. Piezozgeneratorem 1szt.12. Rezystory 64 szt.13. Srebrzanka 1odcinek14. Zatrzaskdobaterii9V 1szt.15. Pytkastykowaprototypowa 840plstykowych 1szt.CenazestawuEdW0947zbrutto(www.sklep.avt.pl)

Uwaga SzkoyTylkodlaszkprenumerujcychModegoTechnikaprzygotowanoPakiety Szkolne zawierajce 10zestawwEdW09 (PS EdW09)wpromocyjnejcenie280zbrutto, tj.zrabatem40%.

PRAKTYCZNYKURSELEKTRONIKI

cz. 15

Jeli nie masz bladego pojcia oelektronice, ale chtnie by pozna jej podstawy, to nadarza Ci si niepowtarzalna okazja. We wsppracy zbratni redakcj miesicznika Elektronika dla Wszystkich publikujemy wModym Techniku cykl fascynujcych lekcji dla zupenie pocztku-jcych. Jest to Praktyczny Kurs Elektroniki (PKE) zakcen-tem na Praktyczny, gdy kada lekcja skada si zprojektu iwykadu zwiczeniami, przy czym projekt to konkretny ukad elektroniczny samodzielnie montowany iurucha-miany przez kursanta. Pewnie mylisz sobie piknie, ale jak ja mam montowa ukady, nie majc lutownicy aniadnych czci elektronicznych. Ot jest rozwizanie! Lutownicy nie bdziesz wogle uywa, gdy wszystkie ukady bd montowane na pytce stykowej, do ktrej wkada si nki elementw na wcisk.

Irzecz najwaniejsza! Wydawnictwo AVT przy-gotowao zestaw EdW09, zawierajcy pytk stykow iwszystkie elementy, jakie bd potrzebne do wykonania kilkunastu projektw zaplanowanych wPKE. Zestaw EdW09 mona kupi wsklepie internetowym www.sklep.avt.pl lub wsklepie firmowym AVT (Warszawa, ul. Leszczynowa 11) cena brutto 47 z.

Ale Ty nie musisz kupowa! Dostaniesz ten zastaw za darmo, jeli jeste prenumeratorem MT lub wykupisz wkrtce prenumerat. Wystarczy wysa na adres: [email protected] dwa zdania:

Jestem prenumeratorem MT izamawiam bezpatny zestaw EdW09. Mj numer prenumeraty: ......................

Jeli otrzymamy to zamwienie przed 28 kwietnia 2014r., to zestaw EdW09 wylemy Ci wpoowie maja 2014r., wraz zczerwcowym numerem MT.

Uwaga uczniowie!Szkoy prenumerujce MT otrzymuj Pakiety Szkolne

PS EdW09, zawierajce po 10 zestaww EdW09 (kady znich zawiera komplet elementw zpytk stykow) skalkulowane na zasadach non profit wpromocyjnej cenie 280 z brutto za jeden pakiet PSEdW09 (tj. zra-batem 40% 28 z brutto za pojedynczy zestaw EdW09, ktrego cena handlowa wynosi 47 z). Upewnij si, czy Twoja szkoa prenumeruje MT (niemal wszystkie szkoy ponadpodstawowe iwiele podstawowych otrzymuj MT wprenumeracie sponsorowanej przez Ministerstwo Nauki iSzkolnictwa Wyszego) iprzeka nauczycielom informacj oPraktycznym Kursie Elektroniki zpromo-cyjnymi dostawami Pakietw Szkolnych PS EdW09 do wicze praktycznych.

Oto pitnasta cz PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, ktry zainaugurowalimy wMT 2/2013 ibdziemy kontynuowa wkolejnych wydaniach. Zainteresowanie kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydowalimy si umo-liwi czytelnikom doczenie do niego wdowolnym momencie. Wszystkie poprzednie czci s dla wszystkich do-stpne wformacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Mona znich korzysta wkomputerze lub sobie je wydrukowa. Mona te kupi wszystkie archiwalne numery MT na www.ulubionykiosk.pl. Publikacja kadej kolejnej czci jest zawsze poprzedzona jedn stron wstpnych informacji (jest to wanie ta strona), eby nowi czytelnicy mogli zapo-zna si zzasadami KURSU idoczy do kursantw. ZAPRASZAMY!

Autorem Praktycznego Kursu Elektroniki jest Piotr Grecki, redaktor naczelny kultowego wwiecie hob-bystw elektronikw miesicznika Elektronika dla Wszystkich, autor legendarnych cykli artykuw iksi-ek uczcych elektroniki od podstaw.

75

Projekt15

Iluminofonia selektywna

A

+++

T4 B

C55

8BC548

LED1LED2biae

R1722k

U1BLM358

U1ALM358

C910F

R19R20

2 x 470

R1847k

D1

1N41

48

T3

+9V...15V

++

+

R7

R2100k

R4 1k

R6 10k

R84,7k

R10

R9

ME

R14,7k

R3100k

R510k

T1BC548

T2BC558

R12220kR11

R13220k

R15

R14

R16

10nF

C10

32 1

C2100F

C810F

C3100F

C11F

(62,5k)

(1,52k)

(3,59k)

(2,94k)

(6,94k)

(121k)

C4

C5

C6

C7

C4-C7=100nF

sztuczna masa

4,7k++2,2k

2,2k++470++220

2,2k++1k+

+470

1k+470

47k+10k+4,7k

100k+22k

*1k

56 7

8

4

+

Na fotografii wstpnej pokazany jest model selektywnej, pasmowej iluminofonii, reagujcy na dwiki zzakresu okoo 70...280 Hz. Powoduj one zawiecanie dwch biaych diod LED. Ukad zawiera skutecz-ny filtr pasmowy, ktry nie tylko przepuszcza, ale te okoo 10-krotnie wzmacnia sygnay wpamie prze-pustowym, asilnie tumi sygnay oinnych czstotliwociach. Wrezultacie ukad zupenie nie reaguje na sygnay oobcych czstotliwociach. Wyrnia si tym spord typowych ukadw iluminofonicznych, wktrych zreguy stosowane s proste imao skuteczne filtry, reagujce take na silne przebiegi obce. Wprezentowanym ukadzie czstotliwo filtru mona bardzo atwo zmienia przez wymian czterech jednakowych kondensorw. Czuo iluminofonii mona atwo korygowa za pomoc jednego rezysto-ra. Model zfotografii wstpnej ma du czuo. Przy gonej muzyce mona zmniejszy wzmocnienie, usuwajc zupenie R7, agdyby nadal byo za due, mona te zmniejszy warto R1.

WElportalu (www.elportal.pl/pke) zamieszczony jest filmik pokazujcy prac modelu zfotografii tytuowej.

Opis ukadu dla zaawansowanychSchemat ideowy jednokanaowej iluminofonii pasmowej pokazany jest na rysunkuA. Mikrofon elektre-towy ME pracuje wtypowym ukadzie pracy zrezystorem obcienia R1 ifiltrem R4C2. Sygna zmikro-fonu przechodzi przez C1 ijest wzmacniany wprzedwzmacniaczu ztranzystorami T1, T2. Wzmocnienie tego stopnia wyznaczone jest przez stosunek rezystorw R6/R7 imona je zmienia wszerokim zakresie, modyfikujc warto R7 (220V10kV).

Wzmocniony sygna podawany jest na dwustopniowy filtr ze wzmacniaczami operacyjnymi U1A iU1B. Jest to filtr pasmowy oczstotliwoci rodkowej 140Hz i3-decybelowym pamie przenoszenia

76 m.technik - www.mt.com.pl

Na warsztacieSZK

OA

Poziom

teks

tu:

redn

io trud

ny

CB

te wynoszcym 140Hz. RysunekB pokazuje charakterystyk amplitudow filtru ijego schemat. Na rysunkuB podane s idealne wartoci elementw, wyliczone przez program projektowy. Te wartoci s zaznaczone na rysunku Akolorem niebieskim. Odchyki od tych wartoci skutkuj nie tylko przesuni-ciem czstotliwoci, ale te zdeformowaniem charakterystyki. Wtakich filtrach zreguy stosuje si re-zystory otolerancji 1% ikondensatory omoliwie wskiej tolerancji, najlepiej dobierane. My stosujemy kondensatory C4C7 nieselekcjonowane, wprost zpudeka, apotrzebne wartoci rezystancji skadamy zdwch lub trzech rezystorw. Na rysunku Awartoci te podane s kolorem czerwonym.

Omawiany dwustopniowy filtr wydziela zodbieranych dwikw tylko skadniki oczstotliwociach ze swojego pasma. Sygnay te s podawane przez rezystor R17 ikondensator C9 na rezystor R18 ina aktywny prostownik ztranzystorem T3. Dioda D1 zapewnia symetryczn prac prostownika. Rezystor R18 jest potrzebny choby tylko po to, eby po wczeniu zasilania szybko naadowa C9 by zbyt dugo nie wieciy wtedy diody LED.

Jeeli sygnay zmienne zwyjcia wzmacniacza bd mie na bazie T3 amplitud powyej 0,6V, wtedy tranzystor ten bdzie otwierany wdodatnich szczytach sygnau. Przepyw prdu kolektora T3 otworzy wtrnik na tranzystorze T4 izawieci biae diody LED1, LED2. C10 jest filtrem tego aktywnego prostow-nika. Bez kondensatora C10 diody wieciyby tylko wdodatnich szczytach sygnau, ajego obecno przedua wiecenie diod LED. Warto C10 mona zmienia wedug upodobania (0nF1mF).

Filtr pasmowy ze wzmacniaczami operacyjnymi U1A, U1B jest tak zaprojektowany, eby mona byo atwo zmieni jego czstotliwo. Wystarczy zmieni jednakowe kondensatory C4...C7. Zkondensatora-mi opojemnoci 100nF czstotliwo rodkowa wynosi okoo 140Hz. Zmieniajc pojemnoci na 470nF, otrzymamy filtr najniszych czstotliwoci, reagujcy na sygnay zpasma 15Hz...60Hz. Wymieniajc C4...C7 na 22nF, otrzymamy filtr oczstotliwoci rodkowej 640Hz ipamie okoo 320Hz...1,28kHz. Zkondensatorami 4,7nF pasmo wyniesie okoo 1,5kHz...6kHz, azkondensatorami 1nF otrzymamy filtr najwyszych czstotliwoci opamie okoo 7kHz...28kHz. Poszczeglne pasma nie zachodz na siebie zachowana jest separacja kanaw, co pokazuje rysunek C.

My musielimy zastosowa kondensatory 100nF, bo wzestawie EdW09 mamy odpo-wiedni liczb tylko tego nominau. Trzeba te pamita, e wzmacniacze operacyjne zkostki LM358 zawartej wzestawie EdW09 s powolne inadaj si jedynie do filtrw

1k 10k 30k10010 3k30030Czstotliwo [Hz]

C1...C4100nF

C1...C422nF

C1...C41nF

C1...C44,7nF

C1...C4470nF

PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI

77


D

Wykadzwiczeniami15Poznajemy elementy iukady elektroniczne

niskich czstotliwoci (30Hz i140Hz, najwyej 640Hz). Realizujc filtry owyszych czstotliwo-ciach, trzeba zastosowa szybsze wzmacniacze opera-cyjne, aprzedwzmacniacz, zamiast na tranzystorach, te mona byoby zrealizowa na takim szybkim wzmacniaczu operacyjnym.

Ukad mona zmodyfikowa, zmieniajc wartoci ele-mentw prostownika istosujc tranzystor T4 owikszej mocy. Wtedy a prosi si zastosowa diody LED oduej mocy. Tak modyfikacj mona przeprowadzi wedug rysunkuD, dobierajc wedug upodobania C10 istosu-jc szeregowe rezystory ograniczajce prdu, stosownie do uytych diod LED. Trzeba te zadba oskuteczne chodzenie diod LED mocy popu-larne diody wobudowie Star (foto-grafiaE), niezalenie od ich mocy maksymalnej, bez dodatkowego radiatora mog rozproszy do 1W ciepa, czyli pracowa zprdem do 350mA.

Mona wykona oddzielne, auto-nomiczne moduy iluminofonii na rne pasma czstotliwoci izdio-dami ornych kolorach. Mona te zrealizowa wsplny przedwzmac-niacz zjednym mikrofonem oraz pi oddzielnych filtrw iukadw wykonawczych zrnokolorowymi lampami. Czuo poszczeglnych kanaw iluminofonii zapewne trze-ba bdzie dobra indywidualnie (za pomoc R7), zalenie od warunkw pracy irodzaju muzyki.

++PNPmocynp.BD244

*

*

BC548

LEDmocy

R172,2k

U1B

Filtr

C922F

R184,7k

D1

1N41

48

T3

+9V...15V

**

* - wartoci dobierane

E

Wwykadzie 10 mwilimy owspomaganiu, gdy omawialimy filtry drugiego rzdu. Realizowalimy tam filtry wkonfiguracji Sallena-Keya zwtrnikiem tranzystorowym.

Filtry VCVS. Poznane wczeniej filtry okonfiguracji Sallena-Keya mona zpowodzeniem zrealizo-wa na wzmacniaczu operacyjnym wedug rysunku1. S one odmian filtrw zwanych VCVS (Voltage Controlled Voltage Source), czyli ze rdem napiciowym sterowanym napiciem. Tym rdem ste-rowanym moe by nie tylko wtrnik, ale te wzmacniacz nieodwracajcy wtedy filtr bdzie dodatkowo wzmac-nia przepuszczane sygnay. Oglny schemat filtru VCVS pokazany jest na rysun-ku2a, arysunki2b, 2c i2d przedstawiaj filtry or-nych charakterystykach.

Filtry MFB. Filtr odanej charakterystyce mona zrea-lizowa na wiele sposobw. Prost ipopularn konfi-guracj maj filtry zwane

a)wywe

b)wywe

we we

wy wy

Sallen-Keya dolnoprzepustowy Sallen-Keya grnoprzepustowy

C2C1

R1 R2

C2C1

R1 R2

wtrnik

C2C1

R1 R2

wtrnik

+

+

C2C1

R1 R2

1


Na warsztacieSZK

OA

Poziom

teks

tu:

redn

io trud

ny

42

3

MFB (Multiple FeedBack), czyli filtry wieloptlowe, filtry zwielokrotnym sprzeniem zwrotnym. Oglny schemat filtru MFB pokazany jest na rysunku3a. Rysunki3b, 3c, 3d pokazuj filtry ornych charakterystykach.

Zwr uwag, e filtry zrysunku2d i3d s filtrami rodkowoprzepustowymi, ktre preferuj tylko jedn czstotliwo ich charakterystyka jest pojedyncz gr. Zalenie od wartoci elementw, szczyt tej gry moe by mniej lub bardziej stromy iwski. Bardziej wski istromy jest wfiltrach oduej dobroci (oznaczanej liter Q) rysunek4. Pocztkujcy na podstawie innych yciowych analo-gii czsto uwaaj, e czym wiksza dobro Q, czyli czym wsza charakterystyka czstotliwociowa, tym lepiej. Wrzeczywistoci sytuacja wcale nie jest tak prosta. Dua dobro oznacza jednoczenie

du skonno do dzwonienia po zaniku sygnau wejciowego, co wniektrych aplikacjach jest niedopuszczalne. Ponadto czsto bardzo wskie pasmo nie jest wcale zalet, bo potrzebne jest szersze pasmo przepustowe, ale jednoczenie wymagane s ostre, strome zbocza charakterystyki poza pas-mem przenoszenia. Potrzebnej charakterystyki nie mona uzyska wpojedynczym filtrze, zmieniajc jego dobro. Trzeba zastosowa dwa lub wicej filtrw onieduej dobroci, by wsplnie wyznaczyy charakterystyk. Wpraktyce poszczeglnych filtrw nie czy si rwnolegle, tylko kaskadowo jeden za drugim, czyli niejako wszereg, przy czym czstotliwoci rodkowe s odpowiednio rozsunite. czenie kaskadowe polepsza stromoci zboczy. Dla poszerzenia pasma rozsuwa si odpowiednio czstotliwoci poszczeglnych filtrw wedug rysunku5a, ewentualnie jeszcze bardziej, jeeli nie przeszkadza niewielkie siodo wedug rysunku5b. Przy odpowiedniej dobroci irozsuniciu cz-

stotliwoci filtrw skadowych mona uzyska szerokie, zupenie paskie pasmo, niejako paskowy oduej szerokoci. Jednak wtakich przypadkach szerokiego paskowyu by moe prociej bdzie zastosowa kaskadowe poczenie filtru dolno- igrnoprzepustowego wedug rysunku6.

Nie ma jednego jedynego, prostego wzoru na obliczenie wartoci elementw filtrw ozadanych parametrach. Zarwno dla filtrw VCVS (Sallena-Keya), jak te MFB iinnych, zalenie od wartoci ele-mentw, filtry otej samej czstotliwoci granicznej bd mie odmienne waciwo-ci, jeli chodzi oprzesunicie fazy, tzw. opnienie grupowe oraz dobro zwiza-n ze wspomnian wczeniej skonnoci do dzwonienia. Wzalenoci od stosun-ku wartoci elementw moemy otrzyma filtry otej samej czstotliwoci granicz-nej, ale ocharakterystykach Bessela,

+

a) b) c)

we

wyZ1

Z4

Z3

Z2

+

d)

we

wyC1

R2

C2

R1

+we

wy

C1R3R2

C2R1

+we

wy

R1C2

R2

C1

dolnoprzepustowyRARBRARB RARB

grnoprzepustowy pasmowy

RARB

+

a) b) c)

wewy

Z1 Z3

Z2

d)

C2+

wewyR1

C2

R2

C1 +

wewy

R1

C3R2

C1

C1 +

wewyR1

C2R3

R2

dolnoprzepustowy

Z5Z4

grnoprzepustowy

R3

pasmowy

20

25

30

450f01f01f0.0

35

Czstotliwo znormalizowana

0

5

10

15

Q = 10

Q = 1

|A|

Gai

n

dB

79


5

6

7

Butterwortha, Czebyszewa oraz jeszcze innych (patrz wykad 10 rysunek11).

Zrozumienie wystpujcych tu zalenoci jest spraw trudn. Zasadniczo projektowanie filtrw ookrelonych charakterystykach te nie jest zadaniem atwym. Jednak wpodrcznikach, aobecnie take wInternecie, mona znale rne recepty na projektowanie filtrw opodanych charakterystykach. Dostpne s te programy, ktre po wpisaniu potrzebnych parametrw podaj gotowy schemat wraz zwartociami elementw. Przyjazny program tego rodzaju dostpny jest na stronie synnej firmy Analog Devices:

http://www.analog.com/designtools/en/filterwizard/#/type

Najpierw trzeba wybra typ filtru (Low-Pass dolnoprze-pustowy, High-Pass grno-przepusowy lub Band-Pass pasmowy), potem wzakad-ce Specifications okreli klu-czowe parametry, wtym cz-stotliwoci charakterystyczne, wymagan stromo zboczy iskonno do dzwonienia. Wzakadce Component se-lection mona poda dalsze parametry, wtym wartoci kluczowych elementw. Program momentalnie poda schemat zgotowymi warto-ciami elementw ilicznymi charakterystykami.

Wnaszej tytuowej ilu-minofonii wykorzystalimy dwustopniowy filtr zsiod-em, projektowany wanie wtym programie. Rysunek7 pokazuje zrzut zekranu przy zadawaniu parametrw filtru. Chcielimy uzyska filtr dwustopniowy owzmocnieniu 1 (0dB), cz-stotliwoci rodkowej 140Hz ipasmie te okoo 140Hz. Dopucilimy siodo maksymaln dla tego programu nierwnomierno charakterystyki 3dB. Wdolnej czci rysunku podane s idealne warto-ci elementw przy wykorzystaniu pojemnoci 100nF. Wdalszych krokach projektowania okrelilimy tolerancj kondensatorw 10% irezystorw 5%, co dao ukad imoliwe rozrzuty charakterystyki jak na rysunku8. Ja wukadzie tytuowym wykorzystaem nieco inn wersj takiego filtru, ktra dziki

15

20

25

35100 1 k 10 k 100 k

5

0

5

1 M

10

30

f Czstotliwo Hz

filtr A filtr B

charakterystykawypadkowa

|A|

Wzm

ocni

enie

d

B

15

20

25

35100 1 k 10 k 100 k

5

0

5

1 M

10

30

f Czstotliwo Hz

filtr A filtr B

charakterystykawypadkowa

|A|

Wzm

ocni

enie

d

B

a) b)

HPF LPF

dolnoprzepustowygrnoprzepustowy

filtr pasmowy


Na warsztacieSZK

OA

Poziom

teks

tu:

redn

io trud

ny

-9

8

innym stosunkom rezystorw przy okazji wzmac-nia sygna 10-krotnie, czyli o20dB.

Nasza powolna kostka LM358 sabo nadaje si do filtrw na wysze czstotliwoci, gdzie naley stosowa szybkie wzmacniacze operacyj-ne, zwaszcza wfiltrach, ktre maj mie du dobro ijednoczenie wzmacnia sygnay uy-teczne. Dlatego te nasz filtr pasmowy wuka-dzie tytuowym pracuje wzakresie niszych czstotliwoci (65Hz...300Hz). Przy wyszych czstotliwociach powolny LM358 nie speniby oczekiwa. Dlatego te wopisywanej procedurze podany jest odpowiednio szybki typ wzmacnia-cza operacyjnego zoferty Analog Devices.

Rysunek9 pokazuje realizacj takiej procedu-ry, gdy potrzebny jest filtr pasmowy oczstotli-

woci granicznej 1kHz, pamie przepustowym oszerokoci 1kHz (618Hz...1,618kHz), zapewniajcy tumienie 45dB dla czstotliwoci 10kHz (i100Hz). Jeli dopucimy nierwnomierno charaktery-styki wpamie przepustowym 2dB, to zadanie to zrealizuje filtr dwustopniowy wedug rysunku10. Gdyby pasmo miaoby by mniej pofalo-wane, potrzebny bdzie filtr trzystopniowy.

Za pomoc tego typu pro-gramw mona samodzielnie projektowa filtry opo-danych charakterystykach. Uzyskanie odpowiedniej charakterystyki czstotli-wociowej jest atwe, ale

81


!

@

#

wniektrych zastosowaniach due znaczenie maj te charakterystyki fazowe oraz kwestia tzw. opnienia grupowego. Wtedy wymagane jest wicej wiedzy.

Znacznie wicej wiedzy wymaga te na przykad pro-jektowanie zwrotnic do kolumn gonikowych. Klasyczna zwrotnica to zestaw filtrw LC wsppracujcych zgo-nikami: nisko-, rednio- iwysokotonowym. Wnajprost-szym przypadku wkolumnach zawierajcych dwa go-niki, funkcj prymitywnej zwrotnicy peni kondensator opojemnoci kilku mikrofaradw. Wlepszej klasy ko-lumnach zwrotnica jest rozbudowana, zawiera trzy filtry dla trzech gonikw, aczasem te tzw. obwody Zobela (Zobel network) korygujce reaktancj. Takie klasyczne zwrotnice budowane s zuyciem foliowych kondensa-torw (C) iduych cewek (L), aczasem te rezystorw rysunek11. Dzi coraz czciej zamiast klasycznych zwrotnic LC wbudowanych wkolumn stosuje si tak zwane aktywne crossovery, czyli rnej konstrukcji fil-try aktywne, zbudowane woparciu na wzmacniaczach operacyjnych, agoniki zasilane s przez oddzielne wzmacniacze rysunek12. Iwanie budowa dobrych filtrw aktywnych crossoverw, wymaga duej wie-dzy idowiadczenia. Zwykle wykorzystywane s tam tzw. filtry Rileya-Linkwitza, ktrych wersje owikszych stromociach s odmian filtrw Butterwortha, majc na celu m.in. usunicie niewielkiego podbicia sumarycznej charakterystyki wpobli-u czstotliwoci podziau, co ilustruje rysu-nek13. Gotowe przykady crossoverw omniej ibardziej stromych zboczach charakterystyki mona znale wInternecie wystarczy wgra-fice poszuka: crossover schematic. Wnajlep-szych instalacjach celem jest nie tylko uzyska-nie paskiego pasma wypadkowego na granicy pasm poszczeglnych filtrw. Wgr wchodz te zalenoci fazowe iopnienia, wynikajce choby zumieszczenia gonikw wznacznej odlegoci (kilkadziesit cm) od sie-bie. S to bardzo obszerne, trudne zagadnienia, zwizane zsubtelny-mi waciwociami kolumn, propa-gacji dwiku ispecyfiki ludzkiego suchu. Iwanie midzy innymi wcrossoverach wykorzystywane s tak zwane filtry wszechprzepusto-we, ktrych charakterystyka ampli-tudowa jest zupenie paska, wywo-ujc zdziwienie iniedowierzanie pocztkujcych elektronikw.

Aby to wyjani, przeanalizujmy najpierw prosty ukad zrysun-ku14a zdwoma jednakowymi rezystorami RA, RB. Potencjometr P pozwala pynnie zmienia wzmoc-nienie wzakresie 1...0...+1. Wdolnym skrajnym pooeniu (rysunek14b) mamy zwyczaj-ny wzmacniacz odwracajcy owzmocnieniu1. Podkrelmy, e

30F

0,028mH3,3F

2,2F

10F

0,22F

7F

7FB

47

wysokotonowy

niskotonowy

30F1,3mH

L3

0,25mH

2mH10F

100F B

R210

redniotonowy

_

+

29

7,0mH 3,5mH

3x120F

80F

HP

BP

LPtrzy

wzmacniaczemocy

wysoko-tonowy

rednio-tonowy

niskotonowycrossover(zestaw filtrw)

zprzed-

wzmac-niacza

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

0,01 0,1 1 10 100

Wzm

ocni

enie

[dB

]

Czstotliwo

Butterworth

+3dB

-3dB-6dB

Linkwitz-Riley suma

Linkwitz-Riley

Butterworth suma


Na warsztacieSZK

OA

Poziom

teks

tu:

redn

io trud

ny

^%

$

odwrcenie sygnau to inaczej mwic przesunicie fazy op okresu, czyli o180 stopni. Wgrnym skrajnym pooeniu suwaka potencjometru mamy nieco dziw-ny ukad jak na rysunku14c, gdzie sygna wejciowy podawany jest bezporednio na wejcie nieodwracajce. Zasada dziaania wzmacniacza operacyjnego mwi, e pod-czas normalnej pracy wzmacniacz dy do wyrwnania napi na obu wyjciach.

Aby napicie na wejciu odwracajcym byo takie samo, jak na nieodwracajcym, spadek napicia na RA musi by rwny zeru. Ato oznacza, e przez RA iRB nie moe pyn prd inapicia wpunktach A, B, C musz by rwne. Aby tak byo, na wyjciu wzmacniacza musi wystpi taki sam przebieg, jak na wejciu, czyli ukad bdzie wtrnikiem owzmocnieniu +1.

Co ciekawe, jeeli zastpimy potencjometr obwodem RC, wedug rysunku15a, otrzymamy tak zwany przesuwnik fazy, inaczej mwic filtr wszechprzepustowy (all-pass filters), ktrego wzmoc-nienie wcaym pasmie jest stae, rwne jednoci, czyli 0dB, natomiast przesunicie fazy jest zalene od czstotliwoci. Przy bardzo maych czstotliwociach kondensator C1 ma ogromn reaktancj ipraktycznie jest rozwarciem, przerw, wic sytuacja wyglda jak na rysunku14b przesunicie fazy wynosi 180 stopni awzmocnienie jest rwne jednoci. Przy bardzo duych czstotliwociach reak-tancja kondensatora jest bliska zeru (zwarcie), wic sytuacja jest jak na rysunku14c wzmocnienie jest rwne jednoci, aprzesunicie fazy bliskie zeru. Dla czstotliwoci charakterystycznej f=1/2pRC wzmocnienie te wynosi jeden, aprzesunicie fazy to dokadnie 90 stopni. Zmieniajc warto staej czasowej obwodu RC, zmienimy czstotliwo charakterystyczn takiego przesuwnika. Zdecydowanie mniej popularna jest wersja przesuwnika zrysunku15b, ktra peni praktycznie takie same funkcje, tylko przesuwanie fazy jest wniej wpewnym sensie odwrotne.

Pocztkujcy zastanawiaj si, po co komu takie bezsensowne filtry, ktre nie filtruj...Ot wanie takie dziwne filtry wszechprzepustowe znajduj zastosowanie midzy innymi przy

budowie crossoverw, czyli aktywnych zwrotnic przeznaczonych do kolumn gonikowych wysokiej jakoci. Su tam do korekcji fazy iopnienia.

Innym bardzo interesujcym przykadem zastosowania przesuwnikw fazy jest efekt gitarowy znany jako fazer (phaser). Po pierwsze wfazerze wystpuje wiele ogniw przesuwnika fazy czym wicej, tym lepszy efekt, po drugie, czstotliwoci charakterystyczne ogniw przesuwnika nie s stae, tylko mona je zmienia ipo trzecie na wyjciu fazera wystpuje sygna bdcy sum przebiegu przesu-nitego ioryginalnego, przez co sygnay oposzczeglnych czstotliwociach dodaj si iodejmu-j, zalenie wanie od fazy, dajc efekt tzw. grzebienia oliczbie zbw zalenej od liczby ogniw

+

we

wy

Pot

+

we

wy

a) b)

+

we

wy

Pot

c)RAB CA

= RB RA

B CA

= RB RA

B CA

= RB

+

we

wy

R

C+

we

wyR

C

a) b)RA = RB RA = RB

++

+

we

wy

sumator

sygnaprzesunity

3...10 stopni przesuwania fazysygna oryginalny

RA RA RA RA RA

R

C

R

C

R

C

RA

+

83

*&

(

przesuwnika fazowego. Uproszczona idea fazera gitarowego pokazana jest na rysunku16, przy czym zamiast zespou sprzonych potencjometrw, stosowane s zmienne rezystancje, sterowane zazwy-czaj generatorem przebiegu trjktnego. Tymi zmiennymi rezystancjami s tranzystory polowe JFET albo fotorezystory wsppracujce zdiod LED lub arweczk wedug rysunku17. WInternecie mo-na znale mnstwo schematw fazerw wystarczy wpisa wwyszukiwark: phaser schematic.

Wzestawie EdW09 mamy tylko jeden fotorezystor, wic woparciu orysunki16 i17c moglibymy wykona fazer zjednym przesuwnikiem, przez co efekt byby mizerny.

Zrealizujmy natomiast filtr do subwoofera, czyli jak najwikszego gonika przeznaczonego do od-twarzania tylko najniszych tonw. Rysunek18 pokazuje schemat, afotografia19 model. Przy ideal-nych wartociach elementw czstotliwo graniczna (przy spadku o3dB) wynosi 167Hz. Do wej L, R doprowadzamy dowolny sygna stereo. Ukad U1B pracuje jako sumator idodaje sygnay zobu kanaw. Nastpnie filtr trzeciego rzdu na ukadzie U1A tumi iobcina sygnay oczstotliwociach powyej 167Hz. Sygna wyjciowy zpunktu Odoprowadzony jest do wzmacniacza mocy subwoofe-ra. Szarym kolorem zaznaczona jest dodatkowa cz potrzebna wtedy, gdy chciaby do sterowania gonika subwoofera wykorzysta wzmacniacz dwukanaowy, dowolny wzmacniacz stereo, pracujcy wpoczeniu mostkowym BTL (Bridge Tied Load). Wtedy dwa wzmacniacze sterowane s sygnaami oprzeciwnej fazie, napicie na goniku jest dwa razy wiksze, amoc teoretycz-nie moe by 4 razy wiksza.

Rysunek20 pokazuje charakterystyk nasze-go filtru subwoofera to krzywe zielone. Dla porwnania krzywe czerwone pokazuj charak-terystyk pojedynczego obwodu RC, czyli filtru pierwszego rzdu. Linie cige to charakterysty-ka amplitudowa, alinie przerywane fazowa. Moesz atwo zwikszy czstotliwo graniczna filtru, proporcjonalnie zmniejszajc wartoci kondensatorw C3, C4, C5. Na przykad przy wartociach C3 = 680nF, C4=68nF, C5 = 15nF czstotliwo graniczna wyniesie okoo 230Hz.

Rysunek20 pochodzi zkolejnego bardzo inte-resujcego ipoytecznego programu LTspiceIV udostpnionego bezpatnie przez znan firm Linear Technology (www.linear.com/designtools/

+

a) b) c)we

sygna sterujcyujemny wzgldem masy

JFET N

RA

R

C

RA

wy

+

we

sygna sterujcydodatni wzgldem masy

JFET P

RA

R

C

RA

wy

+

we

transoptorz fotorezystorem

RA

R

C

RA

wy

+

+

+ ++

LR1 47k

R2 47k

R5220k

R4220k

C1 100nF

(1k-100k)

R

R3 47k

X

+

X

6

5

7

2

31

+9V_15V

C210F

100k

wzmacniacz stereo

subwoofer

10

10k 10kC7

100n

R6 1k

C8100F R8 22k

C31F

R7 22k

C4 100nF

C520nF

(2x10nF)

R9100k

C610

+

wyU1BLM358

U1A

LM358 O


Na warsztacieSZK

OA

Poziom

teks

tu:

redn

io trud

ny

we

q

)

software). Ten program zrodziny SPICE to program do dokadnej symulacji ukadw elektronicznych. Wystarczy narysowa schemat, okreli wartoci elementw iich waciwoci, apotem dokona symulacji. Programy tego typu maj ogromne moli-woci ioprcz charakterystyk, jak na rysun-ku20, mona przez symulacj okreli wiele innych waciwoci danego ukadu.

Moglibymy te na wzmacniaczu opera-cyjnym zrealizowa tzw. filtr krokw, ktry wtorze mikrofonowym obcina sygnay onaj-niszych czstotliwociach, poniej 100Hz, ktrych nie ma wgosie czowieka, aktre czasem mocno przeszkadzaj, jak wanie odgos krokw na estradzie czy porywy wiatru. Jednak nasz wzmacniacz LM358 jest powolny iniebyt dobrze nadaje si do takich

zastosowa.Wspomnijmy jeszcze, e oprcz filtrw dolno-,

grno- ipasmowoprzepustowych, do czsto wy-korzystywane s filtry zaporowe, zwykle nazywane notch filters. Najczciej ich zadaniem jest usu-nicie jednej okrelonej czstotliwoci. Popularny podrcznikowy schemat filtru zwanego podwjne T

(TT) zrysunku21 okazuje si praktycznie bezuy-teczny, poniewa ma ma dobro, ajego dostrojenie do podanej czstotliwoci jest bardzo kopotliwe.

Opracowano mnstwo filtrw zaporowych olep-szych parametrach, wktrych strojenie czstotliwoci idobroci jest niezalene. Przykadem moe by poka-zany na rysunku22 filtr Fliegea, ktrego ukad iza-sady dziaania trudno wytumaczy intuicyjnie. Pary (wmiar) jednakowych rezystorw RF ikondensatorw CF wyznaczaj czstotliwo zaporow. Jednakowe

rezystory RQ okrelaj dobro. Rysunek23 pokazuje wpyw rezystancji RQ wprzykadowym filtrze oczstotliwoci zaporowej 50Hz (RF =3,2kV, CF =1mF, RS = 52kV). Wpraktyce elementy RF, CF, RQ mog mie tolerancj 5...10%, trzeba tylko skorygowa wartoci ktrego zelementw RF, eby dostroi si do po-trzebnej czstotliwoci. Take jednakowe rezystancje RS trzeba dobra jak najdokadniej, std obecno potencjometru.

Wliteraturze iwInternecie mona znale liczne sposoby realizacji najrniejszych filtrw.

Wnastpnym wykadzie poznamy kolejne interesujce zastosowania wzmacniaczy operacyjnych.

Piotr Grecki

C C

R2C

RR2

wy

f0

we1

2fRCf0=

12fRFCF

R

f0

Q

=

=0,5

+

+

CFRF

CFRF

RSRS

RQ

RQRQ

85

Praktyczny_kurs_elektroniki_cz15.pdf

Documents

Transcript of Praktyczny_kurs_elektroniki_cz15.pdf