Wykorzystanie przerzutników do sterowania przekaźnikiem

[mmuha]

A czy ma ktoś pomysł na następujące użycie sygnałów logicznych: mianowicie chciałbym sterować przekaźnikiem - sygnał wysoki - ON, niski - OFF. Tylko, że chciałbym żeby inny sygnał włączał przekaźnik a inny wyłączał (jeden sygnał nie jest negacją drugiego). Tzn. sterowanie przekaźnika odbywałoby się dwoma niezależnymi sygnałami. Czyli chciałbym sterować oddzielnie włączeniem przekaźnika i oddzielnie wyłączeniem. Oczywiście chodzi o projekt bez arduino bo nie ma problemu żeby to zaprogramować. Myślałem o użyciu kondensatora, bo generalnie chodzi o to żeby wyłączenie przekaźnika nastąpiło trochę czasu po zmianie stanu sygnału włączającego - ale nie wiem czy to wchodzi w grę bo myślę o zwłoce w wyłączeniu 0,5 - 1h (ale nie chodzi tu o czas tylko jakieś zdarzenie, które daje sygnał do wyłączenia).

[marek1707]

No to popatrz. Jeżeli chcesz, by jakiś sygnał włączał przekaźnik i aby przekaźnik pozostawał włączony po zaniku tego sygnału to już tutaj musisz mieć element pamiętający. Elementami pamiętającymi są w układach cyfrowych przerzutniki. Przerzutników jest kilka podstawowych rodzajów: RS, D, JK, czasem wyróżnia się jeszcze T czy JK-MS. Na pewno samodzielnie znajdziesz mnóstwo informacji o nich więc nie ma sensu bym robił tu jakiś wykład. W Twoim przypadku wystarczy najprostszy, asynchroniczny przerzutnik typu RS zbudowany z dwóch bramek NAND lub dwóch NOR - w zależności od tego jaką polaryzację sygnałów preferujesz. Masz tu dwa wejścia: R i S (co za zbieg okoliczności..). Jedno (Reset) służy do wyzerowania przerzutnika, drugie (Set) do jego ustawienia w stan 1. Dwa wyjścia - proste i zanegowane są miłym uzupełnieniem. Dzięki swojej konstrukcji przerzutnik RS pamięta który z sygnałów R/S pojawił się ostatnio i w takim stanie zostaje. Najważniejsze jest to, że sygnały nie muszą trwać - stany aktywne (0 w przypadku NAND, 1 dla NOR) mogą pojawić się tylko na kilkanaście nanosekund a przerzutnik to zauważy i zmieni swój stan (lub nie) odpowiednio do uaktywnionego wejścia. Jeżeli masz 74HC00 lub 74HC02, możesz zrobić dwa przerzutniki RS z każdego chipu :) Jeżeli żądasz dodatkowego podtrzymania pracy po wyłączeniu podstawowego przerzutnika, musisz użyć dalej tzw. przerzutnika monostabilnego. Niestety czasy powyżej minut są trudno osiągalne w pojedynczych układach z kondensatorami i opornikami, bo prądy stają się bardzo małe, kondensatory monstrualnie duże a oporniki sięgają megaomów. Dlatego w takich przypadkach preferowane są raczej rozwiązania na szybszym generatorze i liczniku. To także przedszkole cyfrówki. Naprawdę rekomenduję zakup i przeczytanie jakiejś książki o podstawach techniki cyfrowej. To nie boli a da Ci inną perspektywę patrzenia na takie banalne problemy. Jak już coś niecoś o przerzutnikach liźniesz i idea układu zacznie się wykluwać, zadawaj bardziej konkretne pytania.

[Treker (Damian Szymański)]

@mmuha, Twoje pytanie pasuje idealnie właśnie do przerzutników, o których wspomniał Marek. Temat ten nie był poruszany w naszym kursie techniki cyfrowej, więc wydzieliłem posty, aby łatwiej było prowadzić dalej dyskusję na ten temat 🙂

[mmuha]

Wielkie dzięki Marek! Oczywiście przerzutnik przyszedł mi jako pierwszy na myśl (po kursie Forbotowym :)) ale jak zrobiłem ten na kluczach tranzystorowych to jakoś mi nie działało. Na podwójnej bramce NAND chodzi idealnie - a że akurat miałem dwie wolne w jednym z IC to w zasadzie niczego nie musiałem dodawać - tylko kilka połączeń. Czyli wszystko potrzebne miałem pod nosem, tylko o tym nie wiedziałem. Ale teraz już wiem dzięki forum i życzliwym kolegom:)

A zastanawiam się jeszcze nad  bramką NAND w układzie CD4011. Korzystam z tego układu podając napięcie 5V jako stan wysoki na wejściu i na wyjściu bramki mam spadek napięcia o 2,7V czyli zostaje mi 2,3V. W dokumentacji nic takiego nie widzę i piszą że V wyjściowe powinno być 4.95V. Chciałem z wyjścia zasilać diodę i poradziłem sobie tak, że przepuściłem ten sygnał dwa razy przez bramkę NOT i to daje 4.95V dla diody. Tylko czy to jest normalny spadek napięcia? Dodam że z tego samego IC zrobiłem przerzutnik (z dwóch pozostałych bramek) i napięcie jest ok (4.95V na wyjściu przerzutnika).

Generalnie po uwagach Marka wiem że w układach TTL były spadki napięcia ale wydawało mi się że w CMOS powinno być na wyjściu z bramki zawsze w miarę "wysokie" - i tak też pisze Horowitz w "Sztuce elektroniki". Czy w TTLach były jakieś sposoby podwyższania napięcia żeby za bramką znowu mieć 5V? Mi przychodzi na myśl zastosowanie tranzystora jako wzmacniacza i jak popróbowałem to działało, ale to mój "lamerski" pomysł i nie wiem czy to tak się robiło.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[marek1707]

Przede wszystkim odpowiedz sobie na pytanie "Po co chcę podwyższać napięcie?". Układy logiczne sa tak projektowane, by w ramach rodziny wyjścia były kompatybilne z wejściami i odwrotnie. Oczywiste jest więc, że ograniczając się do jakiejś rodziny (np. tylko do bipolarnych 74LSxxx albo CMOS-owych 74HCxxx czy CD4xxx) możesz dowolnie szaleć z wyborem układów i podłączać wszystko do wszystkiego. Są co prawda pewne ograniczenia wynikające np. z liczby podłączonych wejść do jednego wyjścia, ale są to zwykle wielkości typu 10 więc rzadko są ograniczeniem w małych projektach. Oznacza to, że np. słaby wyjściowy stan wysoki bramek bipolarnych (znaczy względnie niskie napięcie, <3V przy zasilaniu 5V) nie przeszkadza innym bramkom bipolarnym, bo one na wejściu coś takiego akceptują. Nie jest to zatem obiektywna wada, to raczej cecha do której należy się przywyczaić.

Nie bardzo rozumiem w jakich warunkach mierzyłeś to swoje napięcie, ale generalną zasadą jest czytanie dokumentacji. Bramki CMOS mają słabe obciążalności prądowe. HCxxx to jeszcze jakoś dają radę, ale CD4xxx to już właściwie wspomnienie drivera a ich ulubionym obciążeniem na wyjściu jest NIC, woltomierz lub co najwyżej inna bramka CMOS. Właściwie - jeżeli chcesz uzyskiwać poprawne poziomy logiczne (np. tutaj bliskie 0V/5V) - to do ich wyjścia nie należy niczego podłączać co ciągnie/wpycha prąd. Kiedyś nawet diody LED (20mA) należały do tego przypadku. Wg producenta mamy bowiem ograniczenie na dosłownie pojedyncze miliampery. Jeżeli dasz małą diodkę zadowalającą się 1mA to OK, ale to wymaga opornika kilka kiloomów (nadal nie wiem jak wpisać tu omegę więc piszę słownie) np. 5.1...10k. Podłączając LEDa z opornikiem kilkaset omów (nie mówiąc już o bezpośrednim połączeniu - zgroza) wymuszasz przepływ zbyt dużego prądu i napięcie wyjściowe bramki spada jak ze słabej baterii. To jeszcze nie jest tragedia, od 5 czy 10mA nic układowi się nie stanie, ale nie wymagaj by w tym stanie mógł sterować inną bramką tej rodziny. Wejścia CMOSów rzeczywiście potrzebują napięć bliskich 0V/Vcc.

Do zabawy z CMOSami powinieneś zrobić sobie (ew. kupić gotową) tzw. sondę logiczną czyli rzecz wielkości ołówka z diodkami LED pokazującymi stany wysokie, niskie iew. obecność impulsów. Kiedyś było to popularne narzędzie, teraz w dobie oscyloskopów za 200zł jakoś zanikło. Były np. sondy z przełącznikiem TTL/CMOS zmieniające swoje poziomy wejściowe ale przede wszystkim narzędzia te nie obciążały badanego sygnału, bo pomiędzy wejściem a LEDami były jakieś tranzystory lub bramki. Gdy wpiszesz "logic probe schematic" to w zakładce Grafika przeglądarka pokaże Ci dziesiątki schematów 🙂 Wybierz któryś, pokaż tutaj i zrób. Inwestowanie w narzędzia zawsze się opłaca. Od biedy używaj woltomierza.

A wracając do obciążania wyjść: w przerzutniku RS wyjście każdej bramki jest zapętlone do wejścia jej koleżanki. W takim układzie nie możesz podłączać niczego prądożernego do wyjścia, bo zepsujesz działanie całości. Diodę LED czy przekaźnik musiusz sterować przez tzw. bufor czyli np. tranzystor lub inną bramkę. Do jego bazy doprowadzasz wtedy sygnał przez duży opornik (np. 10k) a dzięki wzmocnieniu, w kolektorze uzyskujesz prąd wystarczający do zapalenia nawet normalnego LEDa 20mA lub do odpalenia przekaźnika załączającego silnik. A czysty, tzw. rail-to-rail sygnał logiczny możesz wykorzystać gdzieś dalej. Tak więc stosuj metodę "niepsucia" zamiast |"naprawiania". Nie obciążaj wyjść nadmiernie to nie będziesz musiał ich potem wzmacniać. Choć oczywiście to też daje się robić.

BTW: W rodzinie CD4xxx istnieją specjalne bufory (CD4049/4050) mające podniesione obciążalności prądowe, ale jeśli spodziewasz się amperów to jednak nie.. Masz tutaj 3mA (wow!) zamiast 1-2mA w normalnej bramce 4011. Oczywiście te prądy nie są ograniczeniem niszczącym. Producent ma wciąż na uwadze utrzymanie poprawnego wyjściowego poziomu logicznego przeznaczonego dla wejścia kolejnej bramki z tej samej rodziny. I tak np. w stanie niskim (a dioda LED anodą przez opornik do Vcc) z 4050 (wykres w datasheet) dostajesz jakieś 0.4V dla 5mA, 0.6V dla 10mA i 1.4V dla 15mA. O ile 0.4V jeszcze jakoś mieści się "w okolicach 0V" to już o 1.4V tego powiedzieć nie można. A sporo gorzej jest w drugą stronę. Gdy bramka ma z siebie wypuszczać prąd (dioda LED stoi katodą na masie) to z 5V zasilania dostajesz już tylko ok. 3.4V dla 5mA. A mówimy tu wciąż o silnym buforze 4050...

[mmuha]

OK. Czyli obciążenie od układu logicznego podłączam przez tranzystor lub bufor. Na początku w moim układzie miałem zastosowany bufor inwerter 4049 i przez niego zasilane LEDy. Ale na nim też napięcie było już niskie i zamieniłem go na 4069 czyli tylko inwerter - i dawał ładne 5V w stanie wysokim możliwe do zasilania obciążeń układu. Ale rzeczywiście nie zwróciłem uwagę na prądy wynikające z obciążeń - przecież one także przechodzą przez bramki - a nie powinny. 

[marek1707]

"Czyli obciążenie od układu logicznego podłączam przez tranzystor lub bufor"

To jest dobry zwyczaj, ale nie traktuj tego jak regułę. Po prostu dobrze jest wiedzieć co się robi i rozumieć działanie układu zanim się go podłączy do prądu. Moje dywagacje dotyczyły bramek CMOS, bo z nimi miałeś problem. Gdybyś robił coś na bipolarnych 74LSxxx to sprawa wygląda dużo lepiej. Te elementy pracują bardziej prądowo (wejście potrzebuje wyssania z niego prądu by zrobić stan niski) a nie tylko napięciowo jak CMOSy. Dlatego też wyjścia bramek LS są mocniejsze - przecież muszą z definicji obsłużyć wiele wejść do nich podłączonych. Ponieważ jednak wejście nie potrzebuje prądu w stanie wysokim (jakieś uA), to i stopień wyjściowy LS jest słaby w stanie 1. Dlatego podłączając obciążenia do wyjść LS, robisz to w zasadzie wyłącznie do plusa: LED podłączony katodą do wyjścia i przez opornik anodą do Vcc. Stanem aktywnym wyjścia jest wtedy stan niski (zero zapala diodę) i tylko wtedy możesz jakiś sensowny prąd wepchnąć do bramki. Jeśli ograniczysz się do kilku mA (czyli LED spokojnie zadziała), to możesz z takiego wyjścia wciąż sterować wejścia innych bramek LS. Producenci gwarantują napięcie wyjściowe 0.2..0.4V przy prądzie wpływającym z zewnątrz na poziomie 4mA a przecież kolejnej bramce wystarczy <0.8V by rozpoznać poprawne zero logiczne. Jest więc nawet jakiś zapas.

Jeśli potrzebujesz sterowania jakichś większych obciążeń i to jeszcze z napięć wyższych niż Vcc układu cyfrowego, to pozostają tranzystory lub ich zestawy, np. kostki typu ULN2003 czy ULN2803. Czasem można też użyć bramek z tzw. otwartym kolektorem, np. 74LS07. Mimo zasilania z typowych 5V mają one na wyjściu wiszący wolno kolektor tranzystora wytrzymującego ponad 15V więc można tam podpiąć np. przekaźnik 12V. Takie bramki mogą też służyć do konwersji poziomów logicznych z typowego dla 74LSxxx 5V na dowolny, inny wyższy lub niższy. Niestety wadą takiego rozwiązania jest szybkość, ale dopóki sterujesz przekaźnikiem czy LEDem to to nie ma znaczenia.