Nekorektní blog Petra Kubáče na Blog.cz

Ne že bych byl pověrčivý, ale pokud ve 13 díle zveřejním návod na pulsní zdroj a skončí to sérií požárů - co budu jako chlap se snoubenkou a hypotékou na krku dělat ? Takže dnes si dáme něco jednoduchého a praktického.

Díky PWM a AD převodníkům je dolní propust asi nejpoužívanějším frekvenčním filtrem. Dolní propust má dvě pásma - propustné pásmo a nepropustné pásmo - hranici mezi nimi tvoří dělící kmitočet - který z definice je určen jako bod kde propustná křivka klesne o 3 deciBely - to je pokles signálu na polovinu..

Takže chceme generovat písničku mikrokontrolérem a budeme ji generovat pomocí 8 bitového PWM. PWM je Puslně šířková modulace, pokud zadáme do registru PWM 0 - pin procesoru bude celou dobu na 0V pokud tam zadáme maximum 255 - bude pin celou dobu na 5V a pokud tam zadáme třeba polovinu tak bude půlku času na 0 a pak se přepne na 5V - za tento pin dáme dolní propust která odfiltruje kmitočet spínání a budeme mít krásný analogový signál ....

Pusťmě se tedy do výpočtů - při 8 bitech je frekvence D/A převodu 256 x nižší než frejvence PWM čítače. Jednoduchá dolní propust z RC filtru má útlum 6 db na oktávu, aby rušení od PWM bylo aspoň o skromných 40dB pod užitečným signálem musí frekvence AD převodu být 7 oktáv nad horním přenášeným kmitočtem. Pokud to bude skromných 8 kHz vychází nám frekvence AD převodu 1 MHZ a frekvence PWM čítače - odvozená od frekvence krystalu na 256 MHz - zcela nereálná rychlost, takže musíme RC filtrů zapojit více za sebou, což se nazývá dolní propust druhého, třetího čtvrtého atd.... řádu.

Takže vlevo nahoře máme jednoduchou propust, o které jsme zjistili že nevyhovuje. Tak jako správní vidláci nic nepočítáme a dáme druhý stupeň stejný jako první (vpravo nahoře). Ale ouha - výstupní odpor prvního RC členu nám ovlivní dělící kmitočet druhého stupně (kondenzátor C3 "vidí" R2+R3) tím se dosteneme tam kde bychom byli kdybychom jenom zvětšili buď R1 nebo C1 což ani jedno nechceme (filtr musí nejen dobře filtrovat signál nežádoucí, ale nesnížovat signál žádoucí). Je tedy třeba nějak zajisit aby další stupeň příliš nezatěžoval předchozí stupeň a toho dosáhneme tím že další stupně zapojujeme dle mé milované řady E2- každý další stupeň má R 3.3x větší a C 3.3x menší - viz dolní část schématku .

Pokud máte zájem o křivky propustnosti všech tří filtrů jsou zde. Všimněte si že poslední fltr (červená barva) má lepší propustnost než dvoustupňový ze dvou sejných RC členů (zelená) a přitom má v nepropustném pásmu 2x větší strmost. Takže třeti filtr má strmost 18 dB na oktávu takže frekvence AD stačí 2.2 oktávy nad nejvyšší frekvencí to je 36 kHz a z toho vychází frekvence PWM čítače 9 MHZ - zcela reálná hodnota nejen pro "výkonné" AVR ale i pro "pomalé" PICky ;-))

Dají se přidávat další stupně, ale pozor na to že výstupní odpor takového zapojení dramaticky roste. navíc jednotlivé stupně se přece jenom ovlivňuí a zanášejí do signálu zpoždění které může obvod rozkmitat. (schválně se podívejte jak jsou zapojené harmonické RC oscilátory).

Navíc tenhle obvod je tak trochu můj vynález - nikdo jej nepoužívá a asi ví proč, takže pokud je vám inženýrský diplom drahý nezmiňute se nidy na elektrofakultě že tohle používáte - opravdu nebudu platit alimenty nikomu, kdo s tímto obvodem neobhájí diplomku ...

Na závěr ještě rada pro brunety - nebuďte jako blondýny - kupte si tanga a jděte studovat elektrofakultu - že tomu vůbec nerozumíte ? Ukážete tanga a hned se najde 100 uhrovitých dobrovolníků, kteří vás vezmou do "fázového závěsu" - navíc z vás budou natolik mimo, že na sex za napsané protokoly většinou ani nedojde - takže nakonec vystudujete s menší námahou než blondýny ekonomku.

Když blondýna neví co by, tak otravuje partnera tak dlouho až ten hádkou zažene nudu. Když inženýr ví že dva šrouby mají být 10-20 cm od sebe ale je mu jedno, kolik to přesně má být tak si vybere z takzvaných vyvolených čísel a zjistí, že v základní strojírenské řadě R5 je to 16 cm.

Je to úplně k ničemu, ale třeba za třicet let jiný zmatený inženýr si zvolí stejnou rozteč a pak jsou překvapení, že jim dvě součástky do sebe pasují.

Inženýři mají R5, R10 R20, Elektronici mají E6, E12, E24 atd - co to vlastně znamená ?

Takže obecně a globálně písmenu nerozumím, ale číslo je jasné - R5 překonává jeden řád pomocí 5 hodnot - vzdálenost sousedních hodnot je tedy v poměru 5 odmocnina z 10 to jest 1.584893192. Taková přesnost na 10 míst je nežádoucí, takže strojaří si řadu R5 zaokrouhlují na 1.00 1.60 2.50 4.00 6.30. Řada pak samozřejmě pokračuje v desítkách 10 16 25 40 a 63 atd...

V elektronice se používají řady E6 a nejčastěji E12. V našem případě to nejsou jenom tak nějaká vyvolená čísla - jedná se o vyráběné hodnoty součástek a minimálně řadu E6 je dobré umět jako když bičem mrská - schválně a bez dívání

E6 - 1K 1K5 2K2 3K3 4K7 6K8 , a že jsem frajer tak ještě zpaměti řadu hodnot E12

1K 1K2 1K5 1K8 2K2 2K7 3K3 3K8 4K7 5K6 6K8 8K2 To čumíte na sklerotika. je to jednoduché pamatujete si E6 a pak víte že mezi každými dvěma hodnotami E6 je ještě jena hodnota E12. Dovolím si jenom poznámku pro pána z Agelu - 2K7 znamená 2.7 kiloohmů (my elektronici neradi plýtváme inkoustem na desetinnou tečku).

Problém řad součástek je zaokrouhlení. Pokud potřebujete odporový dělič který vám bude dělit napětí v poměru 1:4 tak odpory v něm musí být v poměru 1:3 a které vyberete?

1k a 3K3 ? Tím že 3K3 je není 3000 ohmů tak budete mít 7.5% chybu - to většinou nevadí, ale pokud robot potřebuje vydělit napětí baterky nějakým rozumným poměrem ???

Pokud se signál zpracovává v mikrokontroléru můžete udělat děliče "jak vám ruka padne" a pak změřené výsledky násobit nemožnou konstantou typu 1.42857, ale je situace, do které sjem se dostal mnohokrát, kdy mikrokontrolér přepíná citlivost nějakého čidla a tam je vhodné mít dělicí poměr přesně v binárních hodnotách 1:2 1:4 1:8 1:16 atd aby se hodnoty jedné citlivosti daly na hodnoty jiné citlivosti přepočítat jenom násobením 2 (bitovým posunem).

Takže za léta experimentování s kalkulačkou jsem objevil jenom dva dělící poměry, které jsou binární, dosažitelné snadno v řadě hodnot E6 a navíc přesné

1. Dělič 1:2 který přirozeně vyrobíte tak že jako horní i dolní odpor dáte stejnou hodnotu

2. Dělič 1:16 který postavíte tak že horní odpor je 15K a dolní je 1K

Pak mám ještě dělič 1:8 ale ten není úplně přesný - horní odpor je 3K3 a dolní 470 ohm a schválně si přepočteme dělící poměr (3K3+470) / 470 = 8.0213.

Očekávám Karlovu poznámku, že jsem vůl protože v řadě E96 si hodnoty vybere každý, nebo že jeho sério-paralelně-sériové-3D zapojení zajistí jakýkoliv dělící poměr - nicméně jako člověk používající nejraději soukromou řadu E2 mi už použítí standardních hodnot E6 připadá jako příliš velká komplikace, nemluvě o stavění děliče z více než minimálně potřebných 2 odporů.

Na druhé straně pokud znáte hodnoty s jinými přesnými dělícími poměry - sem s nimi do diskuse, ať se i ostatní poučí (a já mám co obšlehnout).

Dnešní rada pro brunety - Pokud vám chlap nechce ukázat co dělá na svém notebooku, možná to není porno, třeba počítá v excelu odporové děliče a stydí se za to, že jej to vzrušuje více než porno ....

Opouštímke na chvíli svět oscilátorů, protože už od předminula mám pocit dluhu, vůči blondýnám i tomu dobrému muži z Agel a.s. co o mně informuje, že, jsem nakousl otázku "vedení signálu na nízké impedanci". Obvykle teď dávám link na nějakou teorii, ale buď je to informace tak elementární, nebo je to věc tak exotická, že jsem na internetu nic rozumného nenašel. Takže mi musíte věřit ža fakt nelžu, na holý pupek....

Tohle schémátko berte jako velice velice hrubý náznak nějakého skutečného obvodu. U2 je zdroj signálu, R1 je nějaký odpor ať reálný, nebo spíše nějaký komplexnější prvek (keramický filtr třeba), který má vlastní útlum signálu a U1 je přijímač. Obvod na horním řádku se od obvodu pod ním liší jenom polohou R1. V ideálních podmínkách by oba obvody byly stejné, ale nejsou.

Představame si výstupní odpor zdroje signálu - pokud je to moderní obvod typu operačního zesilovače, nebo CMOS digitálního obvodu takový výstup je schopen dodat klidně i 10 mA a jeho vnitřní odpor se blíží nule.

Naopak vstupní odpor moderních součástek založených na CMOS nebo JFET technologii je prakticky nekonečný. Takže na dolním řádku jde signál delší část své cesty po vedení které má odpor k zemi daný výstupem U2 - tedy 100 ohm řekněme, zatímco na horním řádku jde signál většinu své cesty po vedení které má "odpor proti zemi" 100K. Která varianta je lepší ?

Už nadpis článku jasně naznačuje že je lepší vést signál na "nízké impedanci" a je to pravda, ale na třetí řádek obrázku jsem namaloval schémátko na kterém si odvodíme proč.

R3 je vnitřní odpor zdroje signálu R6 je vnitřní odpor CMOS vstupu (protože můj editor nedovede nekonečno dal jsem tam 100 Giga). Teď si představte že se nám do drátu mezi R3 a R5 dostane rušení o obrovské amplitudě 1V. Vnitřní odpor výstupu R3 a R5 funguje jako dělič takže na vstupní odpor R6 se z 1 V dostane R3 / (R3+R5) = 200 / (100 200) = 2 miliVolty. Pokud se nám stejné rušení dostane do úseku R5-R6 dosane se na R6 v plné výši JASNÉ ?

Proto je žádoucí aby délka spoje mezi R5 a R6 byla co nejkratší aby možnost že tam pronikne rušení byla minimální. Někdy to není tak úplně snadné R5 někdy plní, mimo jiné, i úlohu ochranného odporu na výstupu zdroje signálu - v takovém připadě je vhodné R5 rozdelit na dva. Ochranný odpor v minimální nutné velikosti dát blízko výstupu a zbytek vypočteného odporu dát na druhý konec vedení - to je vedení signálu na "střední impedanci"

Robotikům jsou tyto věci často utajeny a vedou ke zbytečným frustracím nad nefungující analogovou elektronikou a zašumělými signály z čidel.

Dnešní rada pro brunety zní - pokud chcete maskovat, že jste bruneta - vede k tomu jediná cesta - zařiďte, aby vám chlap zepředu musel zírat do výstřihu a zezadu stejně upřeně na zadek - protože mužské zorné pole je tak malé, že při pohledu do výstřihu jsou vlasy už v té části sítnice, která špatně vnímá barvy.

Okamžitě když jsem dopsal minulý článek o krystalovém Pierceho oscilátoru uvědomil jsem si, že jsem skočil doprostřed věcí aniž bych zásadní záležitosti objasnil. proto dnešní kapitola bude mít formu otázek a odpovědí .

K čemu jsou krystalové oscilátory z diskrétních součástek ? Osobně nejčastěji generuju pravoúhlý signál tak, že nechám kmitat pin jednočipového procesoru - takovým způsobem se ale dají generovat jenom frekvence přibližně 1/2 - 1/4 frekvence krystalu daného procesoru. V případě mého milovaného AVR je nevyšší frekvence 1/3 rychlosti krystalu a ani se nedá dosáhnout sřídy 1:1 - tedy stejné doby vypnutí a zapnutí. Navíc 8 bitové RISC procesory typu AVR a PIC mají "synchronní periferie" výstupní piny jsou napojeny přes hradlo přímo na sběrnici procesoru - takže i když procesory jou pomalejší svými piny umí kmitat rychleji než 32 a 64 bitové procesory ARMy počínaje a nějakým Intel Core i7 konče.

Existuje možnost generovat kmitočty pomocí specializovaných obvodů a to buď na principu PLL (fázového závěsu) nebo DDS (přímé digitální syntézy), ale to je pro získání frekvence 10,7 MHz do trávoměru kanón na vrabce.

Proč jsou krystalové oscilátory stabilnější než LC nebo RC oscilátory ? Krystal je vybroušená destička, které piezoelektrickým jevem kmitá na určité frekvenci. Krystal opravdu mechanicky kmitá, a pokud bychom měli dostatečně citlivé ucho dokonce bychom ty kmity slyšeli jako pískání. Poslouchat pískání 10.7 MHz je blbost, ale na principu poslechu 32 kHz krystalu v hodinkách se měří jejich přesnost. Frekvence kmitů je jednoznačně určena vlastnostmi a rozměrem křemíku. Podíváme - li se na náhradní schéma krystalu - vidíme že krystal se dá brát jako kombinace sériového a paralelního RLC obvodu. Stabilitu RLC obvodu uurčuje jeho jakost "Q", která se počítá buď jako L1 / R1 nebo jako F0 / delta F - tedy poměr základní frekvence a šířky pásma.

Koeficient Q je u krystallů extrémně vysoký - radioamatéři používají krystalové filry které mají základní kmitočet 9 MHz a propustné pásmo méně než 3kHz to dává Q přes 3000. Jakost Q běžných LC obvodů zřídka dosahuje 100 - krystal tedy funguje jako LC obvod s obrovskou cívkou a nepatrnými kondenzátory - tak velkou že jako skutečná cívka by se taková nedala vyrobit - proto je tak stabilní a málo citlivý na parazitní vlivy.

Teorii kolem krystalů bychom mohli probírat roky. Je to přesně oblast, kde se z kluků stávají profesoři. Třeba takový Ivan Šolc. Začal jako radioamatér co si brousí vlastní krystaly a skočil jako optik vyrábějící extrémně úzkopásmové filtry na sluneční čáru H-alfa, a přitom celý život pracoval se stejným materiálem - oxidem křemičitým alias křemenem. Mezitím ještě stačil mít v roce 1988 přednášku na hvězdárně v Úpici a úplně mi tam zblbnout hlavu. Takže pro dnešek končíme blondýny už zývají.

Nicméně musím ještě vymyslet radu pro brunety: Napříkad - víte že vaše tmavá hříva patrně zahání bojaté blbce, kteří jsou dajní a snadno manipulovatelní ? Zeptejte se kamarádky - blondýny, uvidíte, že mám pravdu.

Minule jsme probírali schémátko primitivně jednoudchého RC oscilátoru založeného na Schmidtově klopném obvodu. Tehdy, jsem tvrdil, že pokud použijete 74HC14 bude vám oscilátor kmitat až ke 100 MHz. Dneska je na řadě stejně jednoduchoučký oscilátor s krystalem zvaný Pierceův oscilátor.

Když "umíme" RC oscilátor který umíme donutit kmitat od 0,1 Hz do 100 MHz proč se vůbec zabývat krystalovými oscilátory, zejména když sehnat krystaly ve stejně širokém rozmezí je prakticky nemožné ? Smysl Krystalových oscilátorů je ve stabilitě, a zejména v přesnosti kmitočtu, kdo už se někdy snažil donutit RC oscilátor kmitat na kulatém kmitočtu typu 4.000 MHz ví, že to není tak snadné a vánkem větérku nebo nepatrnou změnou teploty, nebo změnou polohy plošného spoje, který změní parazitní kapacity se nám obvod rozladí.

Předem upozorňuju na zásadní rozdíl oproti RC oscilátoru z minulého dílu - Invertor INV1 nesmí mít na vstupu Schmidtův klopný obvod - nesmí to být 74HC14 - musí to být prostý invertor 74HC04, přesně takový jaký jsem používal jako analogový zesilovač v Trávoměru.

Podobnost s analogovou elektronikou v trávoměru není čistě náhodná odpor Rf nám zesilovač převede do analogového režimu - bez krystalu by tedy výstup nebyl 0V ani 5 V ale něco kolem 2,5V. Krystal v tomto zapojení funguje jako sériový LC obvod - z výstupu Invertoru na jeho vstup pustí právě jenom frekvenci na kterou je naladěn a tím celý obvod rozkmitá. Doporučená hodnota odporu Rf je 1-10 mega Ohm. Osobně doporučuju držet se v oblasti 1M nebo 3M3 pokud máme používat moji "vidláckou" řadu hodnot E2. Odpor Rs bráno stejnou logikou doporučuju dát 1K nebo max 3K3 - jeho smysl je v oddělení výstupu hradla od krystalu - tím se kmitání krystalu stabilizuje a výstup oscilátoru je "nejlepší možný". Kondenzátory Ca a Cb bývají kolem 10 - 33 pF - hodnotou těchto kondenzátorů se dá frekvence krystalu posouvat o pár kHz - v tomto případě výjimečně doporučuju nepouživat moji milovanou řadu hodnot "E2" a dát tam dva kondy 18pF.

Pokud budete hledat shémátko Pierceova oscilátoru - velice často jej najdete bez druhého hradla INV2 - velice nedoporučuju jej vynechávat - krystal propouští sinusový signál, ze kterého hradlo INV1 fungující jako zesilovač udělá "přibližně pravoúhlý" signál. Dokonale pravoúhlý signál vznikne až dalším zesílením hradlem INV2, které navíc oddělí oscilátor od vlivu zbytku elektroniky.

Předpokládám, že nemusím zdůrazňovat obecné zásady - krystal musí být co nejblíže ke vstupu INV1, Ca a Cb co nejbliže u krystalu a oba odpory také co nejblíže VSTUPU hradla. Proč musí být všecno blízko vstupu si povímě nekdy příště v kapitole "vedení signálu na nízké impedanci". Samozřejmě, že celý integrovaný obvod má 6 hradel - nejméně 2 z nich divoce kmitají na frekvenci krystalu - tudíž při překlápění mají proudové špičky, které filtrujeme blokovacím kondenzátorem viz "svatá trojice" v kapitole o dokonalém napájení.

Ještě poslední upozornění - Pierceův oscilátor velice nerad kmitá na vyšších harmonických frekvencích krystalů - pokud máte krystaly na frekvenci vyšší než 20 Mhz - často to jsou krystaly určené k tomu aby kmitaly na 3 nebo 5 harmonické frekvenci (3x neb 5x násobek základní frekvence) proto se nedivte, že Pierceův oscilátor třeba s krystalem z RC soupravy pro 27 MHz bude kmitat na frekvenci 27 / 3 = 9 MHz.

No a na úplný závěr - jistě jste pochopili že oscilátory uvnitř jednočipových procesorů jsou udělány přesně takto.

Ještě oblíbená rada pro brunety - je skvělé balit chlapy na vysoké IQ, ale jenom "vodcamcaď pocamcaď", protože chlapi mají nevýslovnou hrůzu ze žen inteligentějších než oni sami.

Minule jsem z rozčilení nad tím, že NE555 prostě nejde vynechat ani neudělal žádný úvod.

Tedy největší ctností zesilovačů je pustit na vystup pokud možno jenom zesílenou verzi toho, co je na vstupu a nic více ani méně. Už od dávných dob se některé zesilovače "nepovedly" a rozkmitaly a tak staří radioamatéři vytvořili moře oscilátorových obvodů, které produkují signál jaký si jen můžete přát. Kolem oscilátorů a jejich vlastností je spousta teorie a bohužel taky spousta mýtů, ani v jednom ani v druhém se nevyznám, takže budeme všechno brát velice lehce abychom se z toho nezbláznili.

Takže první velká skupina oscilátorů, kterou dnes probírat nebudeme jsou oscilátory harmonické, které generují sinusový signál, ty se staví až do nejvyšších představitelných frekvencí (světlo je taky sinusové vlnění ;-() A je jich moře druhů a radioamatéři se do krve přou jestli je lepší Collpits nebo Clapp a pak nadávají, že američani neví, že nejlepší je Vačkář. Tak tyhle probereme příště.

Dneska se vrhneme na nejjdednodušší RC oscilátor, který produkuje pravoúhlý signál a právě díky jednoduchosti jej užívám velice často.

Jak už jsem psal mnohokrát - zjednodušujte si život a kupte si spoustu 74HC14 ze kterých pak budete stavět tento jednoduchoučký oscilátor až do smrti. Jak to tedy funguje ? Invertor na obrázku není jen tak obyčejný invertor ale Schmittův klopný obvod, který má jiné napětí pro překlopení dolů než pro překlopení nahoru. Prostě a jednoduše pokud vezmete HC14 tak ta se překlopí nahoru teprve když napětí na vstupu klesne pod 1/3 napájecího napětí a dolů se překlopí teprve když napětí na vstupu stoupne nad 2/3 napájecího - v oblasti mezi těmito dvěma prahy se neděje nic a obvod zůstává v původním stavu. Takže napětí na C kmitá mezi 1/3 a 2/3 napájení a jeho frekvence je díky tomu přibližně

Píšu přibližně , protože napětí při kterých se obvod překlopí jsou daná výrobou a mohou se lišit i u různých šarží stejného obvodu od stejného výrobce a tím se může lišit i frekvence. Stejně tak poku nekoupíte 74 HC .... ale třeba 74 HCT 14 .... je to jiná rodina, která bude kmitat jinak a dokonce protože HCT rodina má TTL přepínací úrovně tak si myslím že ani nebude střída 1: 1 jak by se zdálo srovnáním s NE555 z minula.

Dosažení střídy 1: 1 je vůbec složité a tak pokud potřebujete v této věci absolutní přesnost je lepší postavit oscilátor pro 2x vyšší frekvenci a výstup pak vydělit 2 nějakým čítačem (probereme až takové zapojení sám budu potřebovat a zorientuju se v tom, který čítač je dosti primitivní pro vidláka)

Proč tedy tento obvod tak miluju - kdo by neměl rád oscilátor jen se třemi součástkami, který navíc se 74HC14 velmi ochotě kmitá od 0.1 Hz až skoro do 100 MHz a navíc pokud se vezme fóliový nebo NPO keramický kondenzátor je i slušně stabilní...

Takže si přepište schémátko do sešitku a ještě rada pro brunety - i vy můžete použít "ženské zbraně", a protože se to od brunet běžně nečeká, můžete si dovolit více než blondýny a navíc díky momentu překvapení, to na chlapy bude i více účinkovat. Na druhou stranu to nepřehánějte, protože pověsti o blondýnách s nohama do praku se taky musely odněkud vzít ne ?

Už delší dobu jsem plánoval zabrousit do generátorů signálů a přitom se vyhnout NE555, protože ta dle mého názoru spadá do kategorie "pomalých obvodů" v akustickém pásmu, kterým jsme se věnovat neměli. Nicméně tento RC oscilátor je zásadní jako Beethoven v hudbě - můžete jej nenávidět, ale pokud jste muzikant raději ostatním muzikantům neříkejte, že nevíte kdo to je.

Takže si prostudujte alespoň datasheet od NE555 kde najdete, že to je RC oscilátor jehož základní astabilní - tedy kmitající zapojení vypadá nějak takto.

Pokud si ovšem odmyslíme diodu. NE 555 kmitá až tak do 300 KHz takže přece jenom k něčemu robotům je a doma mám jako stařičký "RC generátor" bastl, kde R1 i R2 jsou potenciometry a C1 je přepínací mezi třemi kapacitami v poměru 1: 10 : 100, takže mohu generovat frekvence od 0.1 HZ do 200 kHZ a pomocí změny poměru R1 a R2 měnit i střídu signálu.

Pokud takový bastl budete stavět - doporučuju neudětal tu chybu co já a dát NE555 do objímky - sice vydrží hodně, ale ne všechno a při jeho láci není nic horšího než se zdrržovat pájením nového když se ze starého "zakouří".

Tak a teďka otázka na co je ve schémátku ta dioda D ? Vtip a problém NE555 je totiž v tom, že výstup je ve stavu HIGH po dobu co se kondenzátor nabíjí přes R1 a R2 zatímco ve stavu LOW je jenom po dobu vybíjení přes R2. Ergo LOW je vždy kratši než HIGH a nelze dosáhnout stejného trvání obou stav a tedy střídy 1: 1, která je někdy dosti důležitá. Teoreticky pokud je R1 malinkatý a R2 obrovský pak R1+R2 se skoro rovná R2 a tím i střída se blíží 50% ale pak zase při vybíjení jde přes R1 veliký proud, který zbytečně vybíjí baterky a zahřívá 555.

Proto dioda D2 která přemostí při nabíjení R2 a při vybíjení se zase uzavře. takže pokud si odmyslíme nelinearitu diodového proudu pri napětích pod 0.7 V pak nabíjení je určeno prakticky jenom R1 a vybíjení jenom R2 a dosáhnout střídy signálu blížící se 1: 1 je daleko snazší.

Osobně když potřebuju z 555 vytlačit signál 1: 1 dělám to trošku jinak a to tak jak vidíte na obrázu - nabíjecí odpor je jenom jeden a je zapojen na výstup. Tím jde nabíjení i vybíjení přes stejný odpor a pokud není výstup tak zatížen (přetížen) že nekmitá úplně symetricky kolem poloviny napájení je LOW stejně dlouhé jako HIGH jak je to jenom možné.

Když teď máte nejjednodušší schémátka za sebou doporučuju (nebo možná ani ne) zadat heslo NE555 do Googlu a uvidíte, že vyjede záplava elektrickýh obvodů od rádia pro krátké vlny po časovače k bombám, nábojové pumpy, klinkající zvonky, a snad byste našli i pověstné elekronické zapalování do "Tráboše"

Takže NE555 máme z krku a zbývá jenom tradiční rada pro brunety - raději se moc neřehtejte vtipům o blondýnách - nikdy nevíte kdy se budete potřebovat přebarvit.

Už máme šestý díl a pořád jsme se nedostali k ničenu užitečnému, takže dneska si nachystejte sešitky do nich si pečlivě obkreslete následující schémátko.

Jedná se o, dle mého názoru, dokonale blbuvzdorný zesilovač, který má napěťové zesílení 10x. Vstupní odpor 2 Kohm výstupní odpor 1Kohm (R2). S tranzistorem BF 199 pracuje od DC (podle hodnoty vazebních kondenzátorů) až tak do 80MHz (nouzově i do 100 MHz) s tranzistorem BC 337 pracuje tak do 5 MHz.

Vtip tohodle zapojení je v tom, že pokud použijete téměř jakýkoliv tranzistor NPN tak bude fungovat. Jedná se totiž o kombinaci záporné zpětné vazby s Emitorového sledovače s normálním zesilovacím tranzistorovým stupněm. Takže rozebereme podrobně.

Zesílení je určeno poměrem R2/R1 což je 1000 / 82 - přibližně 12 x - jak je tedy možné že zesilovač zesiluje jenom 10x - něco málo zesílení si totiž vezme i druhá zpětná vazba (přes odpor R3), která zde určuje pracovní bod tranzistoru. Vtip toho proč funguje s každým tranzistorem je v tom, díky zpětné vazbě na R1 stačí aby tranzistor vydžel proud, který prochází přes R2 (což jsou 2 mA) a to vydrží všechny moderní bipolární tranzistory a aby měl proudové zesílení alespoň 5 x věžší než je R2/R1 což je kolem 60 (40 taky stačí) a to mají taky všechny tranzistory. Takže pokud nebudete používat výkonové tranzistory (mají často zeílení jen 10), nebo nic "z krabičky po děděčkovi" (před tím jsem už varoval) tak to bude fungovat.

Tedy berte to jako první malinkaté schémátko, ze kterých vznikají další složitejší. Samozřejmě nejsme jenom "stavěči dle schémátka" takže otázka pro blonďaté čtenářky - pokud budu chtít zesílení 5x - co na schémátku změním ? A odpověď je dám 2x větší R1 tedy 150 ohm atd...

Pokud však budu chtít zesílení větší než 10x je lepší přidat další zesilovací stupně, protože zmenšováním R1 dobré vlastnosti zpětné vazby (nazývané někdy Emitorová degenerace) mizí. Úplně bez R1 zesiluje zapojení 40x ale už se musí dávat pozor na vlastnosti tranzistoru a hodnotu R3 - tedy úplná blbuvzdornost už tam není ...

Na závěr oblíbená rada pro brunety, co dočetly až sem - chcete chlapovi oznámit, že je mezi vámi konec ? Přijďte domů v růžových minišatech, odbarvená na blond a on to pochopí i bez oznámení ...

Dnešní elektronici udělají opravdu cokoliv, včetně vraždy babičky aby se vyhnuli použití cívky. Někdy se jim nediivím, nicméně kromě odporů opravdovými odborníky zvanými též "rezistory" máme i další dvě pasivní součástky - kapacitu alias konenzátor a indukčnost alias cívku.

V minulých dílech jsem už naznačoval, že elektrický obvod - díky cívkám a kondenzátorům může vypadat úplně jinak pro signál na vysoké frekvenci a úplně jinak pro základní stejnosměrný proud

Extrémní případ tohoto principu vidíme na obrázku Z hlediska stejnosměrného proudu je cívka L1 jen kus smotaného drátu a tedy zkrat - kolektor je takto připojen rovnou na 5V naopak kondenzátor C1 je pro stejnosměrný proud nepropustný, proto se tlačí pres odpor R1 a naopak pro signál na vysoké frekvencí se L1 jeví jako odpor a C1 zase jako zkrat. Budete se divit, ale z důvodů korekce posuvů fází se takové zesilovače na vyšších frekvencích opravdu používají.

Už potřetí vložím stejnou čtveřici tranzistorových zesilovačů a upozorním laskavé čtenáře na kondenzátory 1nano které jsem tak úporně nakreslil ke všem vstupům a výstupům. Proč tam jsou ? Přesně proto aby se zesílený signál dostal dovnitř a ven a aby se přitom stejnosměrná napětí též zvaná pracovní bod tranzistoru nikam neposunula.

Kromě úlohy oddělovat stejnosměrné úrovně jednotlivých stupňů mají kondenzátory v cestě signálu úlohu lehce korigovat frekvenční spektrum signálu, ale hlavně NEŠKODIT!!

Co tím myslím ? Kondenzátor a cívka vytvářejí spolu s odpory RC a LC nebo obecně RLC obvody, kde díky kapacitám a indukčnostem dochází k posunům fáze (zpoždění) signálu. Dosáhne-li toto zpoždění určité hodnoty zesilovač se rozkmitá - což téměř nikdy není žádoucí.

Kondenzátor je nepropustný pro stejnosměrný proud - až do dnešních dnů mi občas pomáhá mechanícká analogie - představuju si kondenzátor jako gumovou membránu v potrubí, která umožňuje vodnímu sloupci kmitat tam a zpět, ale nedovolí mu trvale téct jedním směrem.

Kromě toho klade kondenzátor střídavému proudu relativní odpor - nazývaný vědecky "kapacitní reaktance". Nerad to říkám, ale vzoreček je potřeba umět

tedy čím větší frekvence tím menší odpor

Z odporu a kondenzátoru můžeme postavit dělič - stejně jako ze dvou odporů. Protože zdánlivý odpor kondenzátoru se mění s frekvencí bude se i napětí takového děliče měnit s frekvencí. Opět pro zmatní nepřítele se takovým děličům neříká dělič ale horní a dolní propust. Z obrátku vyplývá jednoduchá pomůcka - pokud je kondenzátor místo DOLNÍHO odporu - říká se tomu DOLNÍ PROPUST a to protože propouští především NÍZKÉ kmitočty. A naopak - pokud je kondenzátor místo HORNÍHO odporu říká se tomu HORNÍ PROPUST, která propouští především VYSOKÉ kmitočty. Na obrázku to máme nahoře namalováno názorně a dole tak jak se to většinou maluje.

Nás u Horní i dolní prousti zajímá frekvence kdy Xc - kapacitní reaktance je stejná jako odpor R. Při této frekvenci propouští propust jen polovinu signálu. Velmi zjednodušeně řečeno horní propust propouští frekvence nad tímto kmitočtem a blokuje frekvence pod ním, a dolní propust naopak blokuje frekvence nad Mezní frekvenci a propouští frekvence pod ní.

Pokud potřebujeme Mezní frekvenci přímo spočítat stačí dosadit do vzorečku

Xc = R

R = 1 / (2 * Pi * f * C)

Jednoduché jako facka na hodině matematiky.

Tenhle jednoduchý vzoreček ale svádí ke špatnostem. Představte si že máme zesilovač s výstupním odporem 1K a chceme poslat signál 100 kHz do druhého zesilovače, který má vstupní odpor taky 1K.

Jednoduchou logikou R = 1K + 1K = 2K ergo kapacita bude

C = 1 / (2 * Pi * f * R) = 800 pF (pikofaradů).

Skvělé, ale co jsme to vlastně udělali ? do obvodu s odpory 2x1K jsme zařadili kapacitní reaktanci taky 2x1K - tedy nám signál na vstupu klesl na polovinu. Tohle jsme opravdu chtěli ? Už víte jak může kondenzátor škodit ?

Takže pokud počítáme vazební kondenzátory, jejichž hlavní úlohou je být pro signál neviditelný tak musíme zase počítat s 10x nebo podle mně - pesimisticky aspoň 5x rezervou a dát do obvodu kondík 5x vyšší než vyšlo ze vzorečku - takže 4,7 nF - bude úplně fajn. Divné ? Pokud si myslíte, že ano tak si přečtěte tady - jak se tluču do hlavy že jsem to neudělal.

Neslibuju, že úplně příště, ale v budoucnosti probereme kondenzátory, které jsou záměrně použity jako frekvenční filtry - pro dnešek by to bylo moc únavné.

A opět tradiční rada pro brunety - zrzky jsou stejně nejlepší - tak se běžte i s blondýnami zahrabat ....

Nezdá se to ale pokud chcete dělat skutečnou analogovou elektroniku, budou to v 90% zesilovače a občas něco jiného. Ne že by zesilovače měly být cíl vašeho snažení ale používají se na tolika místech všech obvodů, že dříve, nebo později je budete umět jako když bičem mrská.

A opět apeluju na zdravý rozum - vyberte si pár zapojení, které máte prostě "pevně v ruce" a ty strkejte bez ostychu všude.

Ale teď rychle dokud jsou všichni mí čtenáří - to jest Blondýny, Brunety, asertivní borci z Agelu, mládež i obstarožní robotici ještě čerství ...

Vlevo nahoře vidíte nejjednodušší a pro vysoké frekvence vůbec né špatný zesilovač, který na rozdíl od emitorového, sledovače opravdu zesiluje

Pokusíme se spočítat oba odpory. R1 určíme od boku asi stejnou logikou jako jsme určovali odpor v emitorovém sledovači - to jest podle proudu, který máme k dispozici, frekvenci, velkosti vazebního kondenzátoru atd... volíme od 1K do 10K. Napětí před C2 by mělo být polovina napájení 2,5V - kvůli maximálmímu rozkmitu - takže R1 teče 2,5 /3300 = 0,76 mA takže potřebujeme aby do báze tranzistoru teklo 0,76 / 250 = 3 uA. Napětí na bázi tranzistoru je 0,7 V takže R2 potřebujeme mít (2,5 - 0,70) V / 3uA = 590K. Protože i na tomto parametru relativně nezáleží vybereme z mé řady "E2" 330K - a bude to fungovat, i když napětí na výstupu nebude přesně 2,5V. V tomto případě dopručuju R2 i nižší třeba 100K ale už ne vyšší kolem 1M - protože tam už je proud do tranzistoru malý a malé proudy automaticky znamenají vyšší šum.

Jaké jsou vlastnosti tohoto zapojení

Představme si, že potřebujeme dosáhnou přesného zesílení - třeba 10x, nebo že nám nulový vstupní odpor nevyhovuje. Pak použijeme zapojení nahoře vpravo rozdíl je v odporu R5, který zavede do zesilovače druhou zpětnou vazbu (kromě zpětné vazby přes R3) a navíc nám omezí maximální zesílení na hodnotu přibližně R4 / R5 - což je v našm případě 15 ale reálně to bude méně, asi tak 12, kvůli poklesu zesílení díky odporu R3.

Výstupní odpor je opět určen R4 - ted 3K3. Vstupní odpo spočteme jako u emitorového sledovače zesílení * R5 = 12 * 220 = 2600 ohmů.

Pokud se potřebujeme zbavit zpětné vazby z kolektrou do báze (R3) pak zapojíme obvod podle schématku vlevo dole. Pčítejte se mnou - na kolektoru tranzistoru potřebujeme mít 2.5 V takže nám přes R7 teče 0,76mA - to znamená že na emitoru je napětí 0,76 mA * R8 = 0,19 V, takže na bazi tranzistoru musí být o 0,7V více tedy 0,89V - spočteme dělič Z báze teče do země přes odpor 100K poud 8,9uA - to znamená, že od napájení k bazi to máme 4,1V / 8,9 uA = 470K.

Změnami děliče si můžeme pracovní bod tranzistoru posouvat kam chceme.

Víte kde jsem udělal chybu ? Pamatujete si z předminula ještě na příčný proud ? Je v tomto zapojení dostatečný ? Kolik by měly být R6 a R9 místo současných 470k a 100k ? Ne spíše 47K a 10K ?

Poslední varianta - všechno je stejné jenom potřebujeme dosáhnout úplně maximálního zesílení, které lze - tudíž se pro pracovní frekvenci potřebujeme zbavit i vazby přes odpor R11 - tak ho "přemostíme! kondenzátorem - všechny stejnosměrné napěťové úrovně zůstanou stejné jenom pro střídavý signál "neuvidí" odpor R11 ale jen "zdánlivý odpor" alias kapacitní reaktanci kondenzátoru C9.

O kondenzátorech a RC článcích budeme psát příště.

Na konec už tradiční rada pro brunety, co dočetly až sem - je to zrcadlově opačné než u blondýn - těm jsem dopručoval černou "paruku do postele" - vy si pořiďte blond - je vysoce pravděpodobné, že váš partner pak zůstane spíše doma než by se vydal na výpravu za blond erosenkami ...