Strona 1 PRAKTYCZNY KURS cz. 15 ELEKTRONIKI Oto piętnasta część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w MT 2/2013 i będziemy kontynuować w kolejnych wydaniach. Zainteresowanie kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydowaliśmy się umoż- liwić czytelnikom dołączenie do niego w dowolnym momencie. Wszystkie poprzednie części są dla wszystkich do- stępne w formacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Można z nich korzystać w komputerze lub sobie je wydrukować. Można też kupić wszystkie archiwalne numery MT na www.ulubionykiosk.pl. Publikacja każdej kolejnej części jest zawsze poprzedzona jedną stroną wstępnych informacji (jest to właśnie ta strona), żeby nowi czytelnicy mogli zapo- znać się z zasadami KURSU i dołączyć do kursantów. ZAPRASZAMY! Jeśli nie masz bladego pojęcia o elektronice, ale chętnie byś poznał jej podstawy, to nadarza Ci się niepowtarzalna Zestaw EdW09 zawiera następujące okazja. We współpracy z bratnią redakcją miesięcznika elementy (specyfikacja rodzajowa): „Elektronika dla Wszystkich” publikujemy w „Młodym Techniku” cykl fascynujących lekcji dla zupełnie początku- 1. Diody prostownicze 4 szt. jących. Jest to Praktyczny Kurs Elektroniki (PKE) z akcen- 2. Układy scalone 4 szt. tem na Praktyczny, gdyż każda lekcja składa się z projektu 3. Tranzystory 8 szt. i wykładu z ćwiczeniami, przy czym projekt to konkretny układ elektroniczny samodzielnie montowany i urucha- 4. Fotorezystor 1 szt. miany przez „kursanta”. Pewnie myślisz sobie – pięknie, 5. Przekaźnik 1 szt. ale jak ja mam montować układy, nie mając lutownicy 6. Kondensatory 22 szt. ani żadnych części elektronicznych. Otóż jest rozwiązanie! Lutownicy nie będziesz w ogóle używać, gdyż wszystkie 7. Mikrofon 1 szt. układy będą montowane na płytce stykowej, do której 8. Diody LED 11 szt. wkłada się „nóżki” elementów na wcisk. 9. Przewód 1m I rzecz najważniejsza! Wydawnictwo AVT przy- 10.Mikroswitch 2 szt. gotowało zestaw EdW09, zawierający płytkę stykową i wszystkie elementy, jakie będą potrzebne do wykonania 11.Piezo z generatorem 1 szt. kilkunastu projektów zaplanowanych w PKE. Zestaw 12.Rezystory 64 szt. EdW09 można kupić w sklepie internetowym 13.Srebrzanka 1 odcinek www.sklep.avt.pl lub w sklepie firmowym AVT (Warszawa, ul. Leszczynowa 11) – cena brutto 47 zł. 14.Zatrzask do baterii 9V 1 szt. Ale Ty nie musisz kupować! Dostaniesz ten zastaw 15.Płytka stykowa prototypowa za darmo, jeśli jesteś prenumeratorem MT lub wykupisz 840 pól stykowych 1 szt. wkrótce prenumeratę. Wystarczy wysłać na adres: [email protected] dwa zdania: Cena zestawu EdW09 – 47 zł brutto „Jestem prenumeratorem MT i zamawiam bezpłatny (www.sklep.avt.pl) zestaw EdW09. Mój numer prenumeraty: ......................” Jeśli otrzymamy to zamówienie przed 28 kwietnia 2014 r., to zestaw EdW09 wyślemy Ci w połowie maja Uwaga Szkoły 2014 r., wraz z czerwcowym numerem MT. Tylko dla szkół prenumerujących Uwaga uczniowie! „Młodego Technika” Szkoły prenumerujące MT otrzymują Pakiety Szkolne przygotowano Pakiety Szkolne PS EdW09, zawierające po 10 zestawów EdW09 (każdy zawierające z nich zawiera komplet elementów z płytką stykową) skalkulowane na zasadach non profit w promocyjnej 10 zestawów EdW09 cenie 280 zł brutto za jeden pakiet PS EdW09 (tj. z ra- (PS EdW09) w promocyjnej batem 40% – 28 zł brutto za pojedynczy zestaw EdW09, cenie 280 zł brutto, którego cena handlowa wynosi 47 zł). Upewnij się, czy Twoja szkoła prenumeruje MT (niemal wszystkie szkoły tj. z rabatem 40%. ponadpodstawowe i wiele podstawowych otrzymują MT w prenumeracie sponsorowanej przez Ministerstwo Autorem Praktycznego Kursu Elektroniki jest Piotr Nauki i Szkolnictwa Wyższego) i przekaż nauczycielom Górecki, redaktor naczelny kultowego w świecie hob- informację o Praktycznym Kursie Elektroniki z promo- bystów – elektroników miesięcznika „Elektronika dla cyjnymi dostawami Pakietów Szkolnych PS EdW09 Wszystkich”, autor legendarnych cykli artykułów i ksią- do ćwiczeń praktycznych. żek uczących elektroniki od podstaw. 75 Strona 2 SZKOŁA Poziom tekstu: średnio trudny Na warsztacie Projekt 15 Iluminofonia selektywna Na fotografii wstępnej pokazany jest model selektywnej, pasmowej iluminofonii, reagujący na dźwięki z zakresu około 70...280 Hz. Powodują one zaświecanie dwóch białych diod LED. Układ zawiera skutecz- ny filtr pasmowy, który nie tylko przepuszcza, ale też około 10-krotnie wzmacnia sygnały w paśmie prze- pustowym, a silnie tłumi sygnały o innych częstotliwościach. W rezultacie układ zupełnie nie reaguje na sygnały o „obcych” częstotliwościach. Wyróżnia się tym spośród typowych układów iluminofonicznych, w których z reguły stosowane są proste i mało skuteczne filtry, reagujące także na silne przebiegi „obce”. W prezentowanym układzie częstotliwość filtru można bardzo łatwo zmieniać przez wymianę czterech jednakowych kondensorów. Czułość iluminofonii można łatwo korygować za pomocą jednego rezysto- ra. Model z fotografii wstępnej ma dużą czułość. Przy głośnej muzyce można zmniejszyć wzmocnienie, usuwając zupełnie R7, a gdyby nadal było za duże, można też zmniejszyć wartość R1. W Elportalu (www.elportal.pl/pke) zamieszczony jest filmik pokazujący pracę modelu z fotografii tytułowej. Opis układu dla „zaawansowanych” Schemat ideowy jednokanałowej iluminofonii pasmowej pokazany jest na rysunku A. Mikrofon elektre- towy ME pracuje w typowym układzie pracy z rezystorem obciążenia R1 i filtrem R4C2. Sygnał z mikro- fonu przechodzi przez C1 i jest wzmacniany w przedwzmacniaczu z tranzystorami T1, T2. Wzmocnienie tego stopnia wyznaczone jest przez stosunek rezystorów R6/R7 i można je zmieniać w szerokim zakresie, modyfikując wartość R7 (220 V…10 kV). Wzmocniony sygnał podawany jest na dwustopniowy filtr ze wzmacniaczami operacyjnymi U1A i U1B. Jest to filtr pasmowy o częstotliwości środkowej 140 Hz i 3-decybelowym paśmie przenoszenia 100k+22k +9V...15V R4 1k C4 C4-C7=100nF T2 LED1 R1 R5 BC558 C6 (62,5k) 4,7k R12 LED2 R2 10k 4,7k+ R11 2,2k+ białe 100k +2,2k 220k 47k+ (121k) +1k+ R9 U1A +470Ω 10k+ R16 R19 T1 LM358 4,7k R20 BC548 (3,59k) C1 2 1 8 R17 2 x 470Ω R6 10k (6,94k) C5 1µF 6 7 22k 3 + + R14 C7 T3 + C3 C8 sztuczna masa 5 + + 100µF BC548 T4 BC558 10µF U1B C9 R10 + R3 R8 4 LM358 10µF (2,94k) + 100k 4,7k D1 10nF C10 ME R7 R13 R15 2,2k+ 1N4148 +470Ω+ 220k (1,52k) R18 C2 * 100µF 1k +220Ω 1k+470Ω 47k A 76 m.technik - www.mt.com.pl Strona 3 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI B też wynoszącym 140 Hz. Rysunek B pokazuje charakterystykę amplitudową filtru i jego schemat. Na rysunku B podane są idealne wartości elementów, wyliczone przez program projektowy. Te wartości są zaznaczone na rysunku A kolorem niebieskim. Odchyłki od tych wartości skutkują nie tylko przesunię- ciem częstotliwości, ale też zdeformowaniem charakterystyki. W takich filtrach z reguły stosuje się re- zystory o tolerancji 1% i kondensatory o możliwie wąskiej tolerancji, najlepiej dobierane. My stosujemy kondensatory C4–C7 nieselekcjonowane, „wprost z pudełka”, a potrzebne wartości rezystancji składamy z dwóch lub trzech rezystorów. Na rysunku A wartości te podane są kolorem czerwonym. Omawiany dwustopniowy filtr wydziela z odbieranych dźwięków tylko składniki o częstotliwościach ze „swojego” pasma. Sygnały te są podawane przez rezystor R17 i kondensator C9 na rezystor R18 i na aktywny prostownik z tranzystorem T3. Dioda D1 zapewnia symetryczną pracę prostownika. Rezystor R18 jest potrzebny choćby tylko po to, żeby po włączeniu zasilania szybko naładować C9 – by zbyt długo nie świeciły wtedy diody LED. Jeżeli sygnały zmienne z wyjścia wzmacniacza będą mieć na bazie T3 amplitudę powyżej 0,6 V, wtedy tranzystor ten będzie otwierany w dodatnich szczytach sygnału. Przepływ prądu kolektora T3 otworzy wtórnik na tranzystorze T4 i zaświeci białe diody LED1, LED2. C10 jest filtrem tego aktywnego prostow- nika. Bez kondensatora C10 diody świeciłyby tylko w dodatnich szczytach sygnału, a jego obecność przedłuża świecenie diod LED. Wartość C10 można zmieniać według upodobania (0 nF…1 mF). Filtr pasmowy ze wzmacniaczami operacyjnymi U1A, U1B jest tak zaprojektowany, żeby można było łatwo zmienić jego częstotliwość. Wystarczy zmienić jednakowe kondensatory C4...C7. Z kondensatora- mi o pojemności 100 nF częstotliwość środkowa wynosi około 140 Hz. Zmieniając pojemności na 470 nF, otrzymamy filtr najniższych częstotliwości, reagujący na sygnały z pasma 15 Hz...60 Hz. Wymieniając C4...C7 na 22 nF, otrzymamy filtr o częstotliwości środkowej 640 Hz i paśmie około 320 Hz...1,28 kHz. Z kondensatorami 4,7 nF pasmo wyniesie około 1,5 kHz...6 kHz, a z kondensatorami 1 nF otrzymamy filtr najwyższych częstotliwości o paśmie około 7 kHz...28 kHz. Poszczególne pasma nie zachodzą na siebie – zachowana jest separacja kanałów, co pokazuje rysunek C. My musieliśmy zastosować kondensatory 100 nF, bo w zestawie EdW09 mamy odpo- C1...C4 C1...C4 C1...C4 C1...C4 C1...C4 wiednią liczbę tylko tego nominału. Trzeba 470nF 100nF 22nF 4,7nF 1nF też pamiętać, że wzmacniacze operacyjne 10 30 100 300 1k 3k 10k 30k z kostki LM358 zawartej w zestawie EdW09 C Częstotliwość [Hz] są powolne i nadają się jedynie do filtrów 77 Strona 4 Na warsztacie +9V...15V niskich częstotliwości (30 Hz i 140 Hz, najwyżej * - wartości dobierane SZKOŁA 640 Hz). Realizując filtry o wyższych częstotliwoś- LED ciach, trzeba zastosować szybsze wzmacniacze opera- mocy cyjne, a przedwzmacniacz, zamiast na tranzystorach, Filtr też można byłoby zrealizować na takim szybkim R17 * * * 2,2k wzmacniaczu operacyjnym. Układ można zmodyfikować, zmieniając wartości ele- + + U1B C9 BC548 PNP mentów prostownika i stosując tranzystor T4 o większej 22µF mocy mocy. Wtedy aż prosi się zastosować diody LED o dużej T3 np. D1 BD244 mocy. Taką modyfikację można przeprowadzić według R18 1N4148 rysunku D, dobierając według upodobania C10 i stosu- 4,7k jąc szeregowe rezystory ograniczające prądu, stosownie * Poziom tekstu: średnio trudny do użytych diod LED. Trzeba też zadbać o skuteczne D chłodzenie diod LED mocy – popu- larne diody w obudowie Star (foto- grafia E), niezależnie od ich mocy maksymalnej, bez dodatkowego radiatora mogą rozproszyć do 1 W ciepła, czyli pracować z prądem do 350 mA. Można wykonać oddzielne, auto- nomiczne moduły iluminofonii na różne pasma częstotliwości i z dio- dami o różnych kolorach. Można też zrealizować wspólny przedwzmac- niacz z jednym mikrofonem oraz pięć oddzielnych filtrów i układów wykonawczych z różnokolorowymi lampami. Czułość poszczególnych kanałów iluminofonii zapewne trze- ba będzie dobrać indywidualnie (za pomocą R7), zależnie od warunków E pracy i rodzaju muzyki. Wykład z ćwiczeniami 15 Poznajemy elementy i układy elektroniczne W wykładzie 10 mówiliśmy o „wspomaganiu”, gdy omawialiśmy filtry drugiego rzędu. Realizowaliśmy tam filtry w konfiguracji Sallena-Keya z wtórnikiem tranzystorowym. Filtry VCVS. Poznane wcześniej filtry o konfiguracji Sallena-Keya można z powodzeniem zrealizo- wać na wzmacniaczu operacyjnym według rysunku 1. Są one odmianą filtrów zwanych VCVS (Voltage Controlled Voltage Source), czyli ze źródłem napięciowym sterowanym napięciem. Tym źródłem ste- rowanym może być nie tylko wtórnik, ale też wzmacniacz a) Sallen-Key’a dolnoprzepustowy b) Sallen-Key’a górnoprzepustowy nieodwracający – wtedy filtr we R1 R2 wy we wy będzie dodatkowo wzmac- niał przepuszczane sygnały. wtórnik wtórnik Ogólny schemat filtru VCVS C1 C2 C1 C2 pokazany jest na rysun- R1 R2 ku 2a, a rysunki 2b, 2c i 2d przedstawiają filtry o róż- R1 we R2 we C1 C2 nych charakterystykach. + + Filtry MFB. Filtr o danej wy wy charakterystyce można zrea- C1 C2 R1 R2 lizować na wiele sposobów. Prostą i popularną konfi- gurację mają filtry zwane 1 78 m.technik - www.mt.com.pl Strona 5 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI dolnoprzepustowy górnoprzepustowy pasmowy a) RB RA b) c) d) RB RA RB RA RB RA wy wy C1 C2 wy C2 wy Z1 Z3 R2 R1 we + we + we + we + R1 Z2 Z4 C1 C2 R1 R2 R2 R3 C1 2 MFB (Multiple FeedBack), czyli filtry wielopętlowe, filtry z wielokrotnym sprzężeniem zwrotnym. Ogólny schemat filtru MFB pokazany jest na rysunku 3a. Rysunki 3b, 3c, 3d pokazują filtry o różnych charakterystykach. Zwróć uwagę, że filtry z rysunku 2d i 3d są filtrami środkowoprzepustowymi, które preferują tylko jedną częstotliwość – ich charakterystyka jest pojedynczą „górą”. Zależnie od wartości elementów, szczyt tej „góry” może być mniej lub bardziej stromy i wąski. Bardziej wąski i stromy jest w filtrach o dużej dobroci (oznaczanej literą Q) – rysunek 4. Początkujący na podstawie innych życiowych analo- gii często uważają, że czym większa dobroć Q, czyli czym węższa charakterystyka częstotliwościowa, tym lepiej. W rzeczywistości sytuacja wcale nie jest tak prosta. Duża dobroć oznacza jednocześnie a) b) dolnoprzepustowy c) górnoprzepustowy d) pasmowy C3 C2 R3 R2 R3 Z4 Z5 C2 C1 Z1 Z3 R2 we we we we wy wy wy wy R1 R1 C2 C1 Z2 + C1 + R1 + + R2 3 dużą skłonność do „dzwonienia” po zaniku sygnału wejściowego, co w niektórych aplikacjach jest niedopuszczalne. Ponadto często bardzo wąskie pasmo nie jest wcale zaletą, bo potrzebne jest szersze pasmo przepustowe, ale jednocześnie wymagane są ostre, strome zbocza charakterystyki poza pas- mem przenoszenia. Potrzebnej charakterystyki nie można uzyskać w pojedynczym filtrze, zmieniając jego dobroć. Trzeba zastosować dwa lub więcej filtrów o niedużej dobroci, by wspólnie wyznaczyły charakterystykę. W praktyce poszczególnych filtrów nie łączy się równolegle, tylko kaskadowo – jeden za drugim, czyli niejako w szereg, przy czym częstotliwości środkowe są odpowiednio rozsunięte. Łączenie kaskadowe polepsza stromości zboczy. Dla poszerzenia pasma rozsuwa się odpowiednio częstotliwości poszczególnych filtrów według rysunku 5a, ewentualnie jeszcze bardziej, jeżeli nie przeszkadza niewielkie „siodło” według rysunku 5b. Przy odpowiedniej dobroci i rozsunięciu czę- 0 stotliwości filtrów składowych można uzyskać szerokie, zupełnie płaskie pasmo, –5 niejako „płaskowyż” o dużej szerokości. Jednak w takich przypadkach „szerokiego Q=1 płaskowyżu” być może prościej będzie –10 zastosować kaskadowe połączenie filtru dolno- i górnoprzepustowego według |A| — Gain — dB –15 rysunku 6. Nie ma jednego jedynego, prostego –20 wzoru na obliczenie wartości elementów filtrów o zadanych parametrach. Zarówno Q = 10 dla filtrów VCVS (Sallena-Keya), jak też –25 MFB i innych, zależnie od wartości ele- mentów, filtry o tej samej częstotliwości –30 granicznej będą mieć odmienne właściwo- ści, jeśli chodzi o przesunięcie fazy, tzw. opóźnienie grupowe oraz dobroć związa- –35 ną ze wspomnianą wcześniej skłonnością do „dzwonienia”. W zależności od stosun- –45 ku wartości elementów możemy otrzymać 0.1f0 f0 10f0 filtry o tej samej częstotliwości granicz- 4 Częstotliwość znormalizowana nej, ale o charakterystykach Bessela, 79 Strona 6 Na warsztacie a) 5 b) 5 filtr B filtr B SZKOŁA filtr A filtr A 0 0 charakterystyka charakterystyka wypadkowa wypadkowa |A| —Wzmocnienie — dB |A| —Wzmocnienie — dB –5 –5 –10 –10 –15 –15 –20 –20 –25 –25 Poziom tekstu: średnio trudny –30 –30 –35 –35 100 1k 10 k 100 k 1M 100 1k 10 k 100 k 1M f — Częstotliwość — Hz f — Częstotliwość — Hz 5 górnoprzepustowy dolnoprzepustowy Butterwortha, Czebyszewa oraz jeszcze innych (patrz wykład 10 rysunek 11). Zrozumienie występujących tu zależności jest sprawą trudną. HPF LPF Zasadniczo projektowanie filtrów o określonych charakterystykach też nie jest zadaniem łatwym. Jednak w podręcznikach, a obecnie także filtr pasmowy 6 w Internecie, można znaleźć różne recepty na projektowanie filtrów o pożądanych charakterystykach. Dostępne są też programy, które po wpisaniu potrzebnych parametrów podają gotowy schemat wraz z wartościami elementów. Przyjazny program tego rodzaju dostępny jest na stronie słynnej firmy Analog Devices: / designtools/en/filterwizard/#/ type Najpierw trzeba wybrać typ filtru (Low-Pass – dolnoprze- pustowy, High-Pass – górno- przepusowy lub Band-Pass – pasmowy), potem w zakład- ce Specifications określić klu- czowe parametry, w tym czę- stotliwości charakterystyczne, wymaganą stromość zboczy i skłonność do „dzwonienia”. W zakładce Component se- lection można podać dalsze parametry, w tym wartości kluczowych elementów. Program momentalnie poda schemat z gotowymi wartoś- ciami elementów i licznymi charakterystykami. W naszej tytułowej ilu- minofonii wykorzystaliśmy dwustopniowy filtr z „siod- łem”, projektowany właśnie w tym programie. Rysunek 7 7 pokazuje zrzut z ekranu przy zadawaniu parametrów filtru. Chcieliśmy uzyskać filtr dwustopniowy o wzmocnieniu 1× (0 dB), czę- stotliwości środkowej 140 Hz i pasmie też około 140 Hz. Dopuściliśmy „siodło” – maksymalną dla tego programu nierównomierność charakterystyki 3 dB. W dolnej części rysunku podane są idealne warto- ści elementów przy wykorzystaniu pojemności 100 nF. W dalszych krokach projektowania określiliśmy tolerancję kondensatorów 10% i rezystorów 5%, co dało układ i możliwe rozrzuty charakterystyki jak na rysunku 8. Ja w układzie tytułowym wykorzystałem nieco inną wersję takiego filtru, która dzięki 80 m.technik - www.mt.com.pl Strona 7 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI innym stosunkom rezystorów przy okazji wzmac- nia sygnał 10-krotnie, czyli o 20 dB. Nasza powolna kostka LM358 słabo nadaje się do filtrów na wyższe częstotliwości, gdzie należy stosować szybkie wzmacniacze operacyj- ne, zwłaszcza w filtrach, które mają mieć dużą dobroć i jednocześnie wzmacniać sygnały uży- teczne. Dlatego też nasz filtr pasmowy w ukła- dzie tytułowym pracuje w zakresie niższych częstotliwości (65 Hz...300 Hz). Przy wyższych częstotliwościach powolny LM358 nie spełniłby oczekiwań. Dlatego też w opisywanej procedurze podany jest odpowiednio szybki typ wzmacnia- cza operacyjnego z oferty Analog Devices. Rysunek 9 pokazuje realizację takiej procedu- ry, gdy potrzebny jest filtr pasmowy o częstotli- 8 wości granicznej 1 kHz, paśmie przepustowym o szerokości 1 kHz (618 Hz...1,618 kHz), zapewniający tłumienie 45 dB dla częstotliwości 10 kHz (i 100 Hz). Jeśli dopuścimy nierównomierność charaktery- styki w paśmie przepustowym 2 dB, to zadanie to zrealizuje filtr dwustopniowy według rysunku 10. Gdyby pasmo miałoby być mniej pofalo- wane, potrzebny będzie filtr trzystopniowy. Za pomocą tego typu pro- gramów można samodzielnie projektować filtry o pożą- danych charakterystykach. Uzyskanie odpowiedniej charakterystyki częstotli- 9 wościowej jest łatwe, ale - 81 Strona 8 Na warsztacie 30µF 0,22µF 2,2µF w niektórych zastosowaniach duże znaczenie mają też SZKOŁA charakterystyki fazowe oraz kwestia tzw. opóźnienia grupowego. Wtedy wymagane jest więcej wiedzy. 0,028mH B Znacznie więcej wiedzy wymaga też na przykład pro- 3,3µF 7µF jektowanie zwrotnic do kolumn głośnikowych. Klasyczna 10µF zwrotnica to zestaw filtrów LC współpracujących z głoś- 47Ω nikami: nisko-, średnio- i wysokotonowym. W najprost- szym przypadku w kolumnach zawierających dwa głoś- wysokotonowy L3 niki, funkcję prymitywnej zwrotnicy pełni kondensator o pojemności kilku mikrofaradów. W lepszej klasy ko- 1,3mH 0,25mH + 30µF 100µF lumnach zwrotnica jest rozbudowana, zawiera trzy filtry B dla trzech głośników, a czasem też tzw. obwody Zobela 7µF Poziom tekstu: średnio trudny (Zobel network) korygujące reaktancję. Takie klasyczne 2mH R2 zwrotnice budowane są z użyciem foliowych kondensa- _ 10µF 10Ω torów (C) i dużych cewek (L), a czasem też rezystorów – rysunek 11. Dziś coraz częściej zamiast klasycznych średniotonowy zwrotnic LC wbudowanych w kolumnę stosuje się tak 7,0mH 3,5mH zwane aktywne crossovery, czyli różnej konstrukcji fil- try aktywne, zbudowane w oparciu na wzmacniaczach 3x 29Ω operacyjnych, a głośniki zasilane są przez oddzielne 120µF wzmacniacze – rysunek 12. I właśnie budowa dobrych 80µF filtrów aktywnych – crossoverów, wymaga dużej wie- niskotonowy ! dzy i doświadczenia. Zwykle wykorzystywane są tam tzw. filtry Rileya-Linkwitza, których wersje o większych stromościach są odmianą filtrów Butterwortha, mającą na celu m.in. usunięcie niewielkiego podbicia sumarycznej charakterystyki w pobli- wysoko- żu częstotliwości podziału, co ilustruje rysu- tonowy HP nek 13. Gotowe przykłady crossoverów o mniej i bardziej stromych zboczach charakterystyki średnio- można znaleźć w Internecie – wystarczy w gra- tonowy z BP fice poszukać: crossover schematic. W najlep- przed- szych instalacjach celem jest nie tylko uzyska- wzmac- niacza nie płaskiego pasma wypadkowego na granicy LP pasm poszczególnych filtrów. W grę wchodzą trzy też zależności fazowe i opóźnienia, wynikające crossover wzmacniacze niskotonowy choćby z umieszczenia głośników w znacznej (zestaw filtrów) mocy @ odległości (kilkadziesiąt cm) od sie- bie. Są to bardzo obszerne, trudne zagadnienia, związane z subtelny- 10 mi właściwościami kolumn, propa- Butterworth suma gacji dźwięku i specyfiki ludzkiego +3dB Linkwitz-Riley suma 0 słuchu. I właśnie między innymi Wzmocnienie [dB] -3dB Linkwitz-Riley w crossoverach wykorzystywane są -6dB tak zwane filtry wszechprzepusto- Butterworth -10 we, których charakterystyka ampli- tudowa jest zupełnie płaska, wywo- łując zdziwienie i niedowierzanie -20 początkujących elektroników. Aby to wyjaśnić, przeanalizujmy najpierw prosty układ z rysun- -30 ku 14a z dwoma jednakowymi rezystorami RA, RB. Potencjometr P pozwala płynnie zmieniać wzmoc- -40 nienie w zakresie –1...0...+1. W dolnym skrajnym położeniu (rysunek 14b) mamy zwyczaj- -50 ny wzmacniacz odwracający 0,01 0,1 1 10 100 o wzmocnieniu –1. Podkreślmy, że Częstotliwość # 82 m.technik - www.mt.com.pl Strona 9 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI a) RA = RB b) RA = RB c) RA = RB we we we A B C A B C A B C wy wy wy + + + Pot Pot $ a) RA = RB b) RA = RB „odwrócenie sygnału” to inaczej mówiąc we we przesunięcie fazy o pół okresu, czyli o 180 stopni. W górnym skrajnym położeniu wy R wy suwaka potencjometru mamy nieco dziw- C + + ny układ jak na rysunku 14c, gdzie sygnał wejściowy podawany jest bezpośrednio na R wejście nieodwracające. Zasada działania C wzmacniacza operacyjnego mówi, że pod- % czas normalnej pracy wzmacniacz dąży do wyrównania napięć na obu wyjściach. Aby napięcie na wejściu odwracającym było takie samo, jak na nieodwracającym, spadek napięcia na RA musi być równy zeru. A to oznacza, że przez RA i RB nie może płynąć prąd i napięcia w punktach A, B, C muszą być równe. Aby tak było, na wyjściu wzmacniacza musi wystąpić taki sam przebieg, jak na wejściu, czyli układ będzie wtórnikiem o wzmocnieniu +1. Co ciekawe, jeżeli zastąpimy potencjometr obwodem RC, według rysunku 15a, otrzymamy tak zwany przesuwnik fazy, inaczej mówiąc filtr wszechprzepustowy (all-pass filters), którego wzmoc- nienie w całym pasmie jest stałe, równe jedności, czyli 0dB, natomiast przesunięcie fazy jest zależne od częstotliwości. Przy bardzo małych częstotliwościach kondensator C1 ma ogromną reaktancję i praktycznie jest rozwarciem, przerwą, więc sytuacja wygląda jak na rysunku 14b – przesunięcie fazy wynosi 180 stopni a wzmocnienie jest równe jedności. Przy bardzo dużych częstotliwościach reak- tancja kondensatora jest bliska zeru (zwarcie), więc sytuacja jest jak na rysunku 14c – wzmocnienie jest równe jedności, a przesunięcie fazy bliskie zeru. Dla częstotliwości charakterystycznej f=1/2pRC wzmocnienie też wynosi jeden, a przesunięcie fazy to dokładnie 90 stopni. Zmieniając wartość stałej czasowej obwodu RC, zmienimy częstotliwość charakterystyczną takiego przesuwnika. Zdecydowanie mniej popularna jest wersja przesuwnika z rysunku 15b, która pełni praktycznie takie same funkcje, tylko przesuwanie fazy jest w niej w pewnym sensie „odwrotne”. Początkujący zastanawiają się, po co komu takie „bezsensowne filtry”, które nie filtrują... Otóż właśnie takie dziwne filtry wszechprzepustowe znajdują zastosowanie między innymi przy budowie crossoverów, czyli aktywnych zwrotnic przeznaczonych do kolumn głośnikowych wysokiej jakości. Służą tam do korekcji fazy i opóźnienia. Innym bardzo interesującym przykładem zastosowania przesuwników fazy jest efekt gitarowy znany jako fazer (phaser). Po pierwsze w fazerze występuje wiele ogniw przesuwnika fazy – czym więcej, tym lepszy efekt, po drugie, częstotliwości charakterystyczne ogniw przesuwnika nie są stałe, tylko można je zmieniać i po trzecie na wyjściu fazera występuje sygnał będący sumą przebiegu „przesu- niętego” i oryginalnego, przez co sygnały o poszczególnych częstotliwościach dodają się i odejmu- ją, zależnie właśnie od fazy, dając efekt tzw. grzebienia o „liczbie zębów” zależnej od liczby ogniw 3...10 stopni przesuwania fazy sygnał oryginalny RA RA RA RA RA RA we + wy C + C C + + sumator R R R sygnał przesunięty ^ 83 Strona 10 Na warsztacie a) RA RA b) RA RA c) RA RA SZKOŁA we we we wy wy wy C C C + + + sygnał sterujący R R dodatni względem masy sygnał sterujący R transoptor ujemny względem masy z fotorezystorem JFET N JFET P & +9V_15V Poziom tekstu: średnio trudny R4 C4 100nF + (1k-100k) 220k R1 47k R3 47k L 2 U1A 10k 10k wzmacniacz C7 C8 stereo 6 1 100n 100µF R8 22k subwoofer + + 7 3 + + R C1 100nF C6 wy 10µ R2 47k 5 + U1B R6 1k R7 22k LM 10µ X LM358 358 O X + R5 C5 R9 100k 220k C3 20nF 100k C2 (2x10nF) 10µF 1µF * przesuwnika fazowego. Uproszczona idea fazera gitarowego pokazana jest na rysunku 16, przy czym zamiast zespołu sprzężonych potencjometrów, stosowane są zmienne rezystancje, sterowane zazwy- czaj generatorem przebiegu trójkątnego. Tymi zmiennymi rezystancjami są tranzystory polowe JFET albo fotorezystory współpracujące z diodą LED lub żaróweczką według rysunku 17. W Internecie moż- na znaleźć mnóstwo schematów fazerów – wystarczy wpisać w wyszukiwarkę: phaser schematic. W zestawie EdW09 mamy tylko jeden fotorezystor, więc w oparciu o rysunki 16 i 17c moglibyśmy wykonać fazer z jednym przesuwnikiem, przez co efekt byłby mizerny. Zrealizujmy natomiast filtr do subwoofera, czyli jak największego głośnika przeznaczonego do od- twarzania tylko najniższych tonów. Rysunek 18 pokazuje schemat, a fotografia 19 – model. Przy ideal- nych wartościach elementów częstotliwość graniczna (przy spadku o 3 dB) wynosi 167 Hz. Do wejść L, R doprowadzamy dowolny sygnał stereo. Układ U1B pracuje jako sumator i dodaje sygnały z obu kanałów. Następnie filtr trzeciego rzędu na układzie U1A tłumi i obcina sygnały o częstotliwościach powyżej 167 Hz. Sygnał wyjściowy z punktu O doprowadzony jest do wzmacniacza mocy subwoofe- ra. Szarym kolorem zaznaczona jest dodatkowa część potrzebna wtedy, gdy chciałbyś do sterowania głośnika subwoofera wykorzystać wzmacniacz dwukanałowy, dowolny wzmacniacz stereo, pracujący w połączeniu mostkowym BTL (Bridge Tied Load). Wtedy dwa wzmacniacze sterowane są sygnałami o przeciwnej fazie, napięcie na głośniku jest dwa razy większe, a moc teoretycz- nie może być 4 razy większa. Rysunek 20 pokazuje charakterystykę nasze- go filtru subwoofera – to krzywe zielone. Dla porównania krzywe czerwone pokazują charak- terystykę pojedynczego obwodu RC, czyli filtru pierwszego rzędu. Linie ciągłe to charakterysty- ka amplitudowa, a linie przerywane – fazowa. Możesz łatwo zwiększyć częstotliwość graniczna filtru, proporcjonalnie zmniejszając wartości kondensatorów C3, C4, C5. Na przykład przy wartościach C3 = 680 nF, C4=68 nF, C5 = 15 nF częstotliwość graniczna wyniesie około 230 Hz. Rysunek 20 pochodzi z kolejnego bardzo inte- resującego i pożytecznego programu LTspiceIV udostępnionego bezpłatnie przez znaną firmę Linear Technology (www.linear.com/designtools/ ( 84 m.technik - www.mt.com.pl Strona 11 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI software). Ten program z rodziny SPICE to program do dokładnej symulacji układów elektronicznych. Wystarczy narysować schemat, określić wartości elementów i ich właściwości, a potem dokonać symulacji. Programy tego typu mają ogromne możli- wości i oprócz charakterystyk, jak na rysun- ku 20, można przez symulację określić wiele innych właściwości danego układu. Moglibyśmy też na wzmacniaczu opera- cyjnym zrealizować tzw. filtr kroków, który w torze mikrofonowym obcina sygnały o naj- niższych częstotliwościach, poniżej 100 Hz, których nie ma w głosie człowieka, a które czasem mocno przeszkadzają, jak właśnie ) odgłos kroków na estradzie czy porywy wiatru. Jednak nasz wzmacniacz LM358 jest C C f0 powolny i niebyt dobrze nadaje się do takich zastosowań. Wspomnijmy jeszcze, że oprócz filtrów dolno-, 1 górno- i pasmowoprzepustowych, dość często wy- f0 = we R R wy 2πfRC R korzystywane są filtry zaporowe, zwykle nazywane 2 2C notch filters. Najczęściej ich zadaniem jest usu- q nięcie jednej określonej częstotliwości. Popularny podręcznikowy schemat filtru zwanego podwójne T + (TT) z rysunku 21 okazuje się praktycznie bezuży- CF 1 teczny, ponieważ ma małą dobroć, a jego dostrojenie RQ f0 = RF 2πfRFCF do pożądanej częstotliwości jest bardzo kłopotliwe. RF Opracowano mnóstwo filtrów zaporowych o lep- CF RQ szych parametrach, w których strojenie częstotliwości RQ i dobroci jest niezależne. Przykładem może być poka- Q =0,5 R + zany na rysunku 22 filtr Fliege’a, którego układ i za- sady działania trudno wytłumaczyć intuicyjnie. Pary (w miarę) jednakowych rezystorów RF i kondensatorów CF wyznaczają częstotliwość zaporową. Jednakowe RS RS rezystory RQ określają dobroć. w Rysunek 23 pokazuje wpływ rezystancji RQ w przykładowym filtrze o częstotliwości zaporowej 50 Hz (RF =3,2 kV, CF =1 mF, RS = 52 kV). W praktyce elementy RF, CF, RQ mogą mieć tolerancję 5...10%, trzeba tylko skorygować wartości któregoś z elementów RF, żeby dostroić się do po- trzebnej częstotliwości. Także jednakowe rezystancje RS trzeba dobrać jak najdokładniej, stąd obecność potencjometru. W literaturze i w Internecie można znaleźć liczne sposoby realizacji najróżniejszych filtrów. W następnym wykładzie poznamy kolejne interesujące zastosowania wzmacniaczy operacyjnych.  Piotr Górecki e 85