Bramki logiczne, czyli nowe znaczenie zera i jedynki, część 2

Poziom trudności: ***

W poprzedniej części kursu nasycaliśmy tranzystor i budowaliśmy
najprostszą bramkę logiczną – bramkę NOT. Dzisiaj zajmiemy się
czymś znacznie bardziej skomplikowanym. Opowiem o bramkach
AND, NAND, OR, NOR i na końcu, o najbardziej skomplikowanej –
bramce XOR. Pokażę również do czego można użyć bramek
logicznych. Zapraszam

Potrzebne będą:

  • Płytka stykowa (najlepiej 830 otw.)
  • tranzystory BC547 (10 szt.)
  • oporniki 10kΩ i 360Ω (po 10 szt.)
  • stabilizator napięcia 5V (L7805)
  • kondensatory ceramiczne 100nF (2 szt.)
  • koszyczek na 4 baterie AA
  • 4 baterie AA
  • multimetr
  • przewody krokodylkowe, łączówki, przewody połączeniowe

W potrzebnych częściach znalazły się dwie, nieznane nam pozycje.
Stabilizator napięcia i kondensatory. Co to takiego?
Otóż stabilizator napięcia, to złożony układ scalony, który zmienia
napięcie wejściowe (w naszym wypadku od 5 do nawet 35V!) na
praktycznie niezmienne napięcie wyjściowe (dla L7805 jest to 5V)
Stabilizatory napięcia mają 3 nóżki, wejście (input), wyjście (output) i
wspólną masę (GND):

20160117_205510

Input łączymy z + zasilania, output łączymy z naszym układem
(tam, gdzie podpięlibyśmy + baterii), GND łączymy z – zasilania i
miejscem w układzie, gdzie podpięlibyśmy – zasilania:

Do czego się one przydają? Ja na przykład zasilam większość
swoich testowych układów za pomocą tego:

Akumulator

Wam nie polecam tego robić. Chociaż to monstrum ma napięcie
raptem 12V, to przy zwarciu pali kable. Używanie tego jest dość
niebezpieczne dla początkującego elektronika i wcale nie chodzi o
możliwość porażenia użytkownika prądem:

20160117_213109

Stabilizator zmienia 12V z tego potwora na 5V idealne dla naszych
układów. A kondensatory?

20160117_213346

Są to części mające dużo zastosowań.
Przede wszystkim służą do przechowywania ładunku elektrycznego,
a wynikające ze sposobu ich pracy zjawiska bardzo pomagają
elektronikom. W naszym układzie kondensatory pełnią funkcję
wspomagające dla stabilizatora, który ma pewien defekt. Czasem
(bardzo rzadko) zdarza się, że stabilizatory się „wzbudzają”. Napięcie
wyjściowe wzbudzonego stabilizatora jest zmienne, zwykle o dość
małą wartość, ale jednak się zmienia i może zniszczyć co czulsze
układy, dlatego zawsze warto likwidować takie oscylacje. Kondensatory
łączy się ze stabilizatorem tak:

New-Project

Spokojnie. Używamy kondensatorów ceramicznych, nie elektrolitycznych.
Ten typ kondensatorów nie wybucha (a przynajmniej nie tak często, jak
kondensatory elektrolityczne i przy warunkach, które bardzo ciężko będzie
nam osiągnąć). Różnią się również tym, że kondensatory ceramiczne można
podpiąć dowolnie, a nie tylko w jedną stronę, jak kondensatory elektrolityczne.

Skoro już wiemy, co w naszym układzie robią stabilizator i kondensatory
możemy przejść do tworzenia bramek logicznych.

Bramka NOR

schemeit-project

 

Zaczniemy od bramki NOR. Jest to dość prosta bramka. Do jej złożenia
potrzebujemy dwóch tranzystorów BC547, dwóch oporników 360Ω i dwóch
oporników 10kΩ. Bramka ta ma dwa wejścia. Jeśli choć na jednym z nich
pojawi się napięcie (stan wysoki, 1), to na jej wyjściu napięcie zniknie (stan
niski, 0). Żeby zrozumieć, co tak właściwie się tam dzieje, musimy spojrzeć
na schemat bramki NOR:

schemeit-project (1)

W ten sposób prąd płynie, kiedy na obu wejściach jest stan niski:

schemeit-project (1)

Tranzystory są zatkane. Równie dobrze można by je wyjąć, bo
i tak nie przewodzą. A teraz zobaczmy co się stanie, jeśli choć na
jednym z wejść pojawi się stan wysoki:

schemeit-project (1)

Bum! Tranzystor natychmiast się nasyca, a spadek napięcia na nim
wynosi jakieś setne wolta. To znaczy, że zaznaczona symbolem L1
dioda czuje się, jakby była podłączona do baterii o takim napięciu.
Tak niskie napięcie nie jest w stanie zaświecić nawet diody czerwonej,
gdyż napięcie, przy którym zaczyna konkretnie świecić wynosi 1,2V.

Tak niskie napięcie zostanie uznane za stan niski przez znaczną większość
mikrokontrolerów.

No dobrze, to teraz czas na praktykę. Schemat już znamy, zbudujmy więc
cały układ, wykorzystując stabilizator napięcia. Zamieszczam schemat
uwzględniający naszą małą zmianę:

schemeit-project (2)

Mój układ wygląda tak:

20160118_205648

Bramka NAND

New-Project (2)

To kolejna, podstawowa bramka logiczna. Tutaj stan niski na wyjściu pojawia
się TYLKO wtedy, kiedy na obu wejściach jest stan wysoki. Mimo, że brzmi
dość przerażająco, jest to banalne. Naprawdę, są trudniejsze bramki.

Sęk w tym, że tak, jak wcześniej łączyliśmy tranzystory równolegle, to teraz
musimy je połączyć szeregowo, czyli tak:

New-Project (3)

W schemacie zamieściłem również stabilizator, żeby zaoszczędzić trochę
miejsca. W tym wypadku prąd płynie przez tranzystory tylko, kiedy oba są
otwarte, czyli na obu wejściach jest stan wysoki, prawda? Spadek napięcia
na tej bramce jest dwa razy większy od spadku na bramce NOR, ale i tak
jest wręcz znikomy i kompletnie nie przeszkadza nam w projektowaniu
naszych obwodów.

Tak wygląda moja bramka:

20160118_211854

No dobrze, teraz czas na coś troszkę trudniejszego.

Bramka OR

New-Project (4)

Bramka OR różni się od bramki NOR tym, że jest jej dokładną odwrotnością.
Tutaj, jeśli na którymkolwiek z wejść pojawi się stan wysoki, to na wyjściu też
pojawi się stan wysoki. Przy każdej z poprzednich bramek pokazywałem jej
symbol. W tym momencie musimy zauważyć pewną bardzo ważną rzecz, a
mianowicie – gdzie tak właściwie jest wyjście bramki? Otóż jest to to miejsce,
w którym na schemacie podłączyłem diodę LED – dla bramki NOR były to
połączone ze sobą kolektory tranzystorów, a dla bramki NAND – kolektor
pierwszego tranzystora. Teraz połączymy wyjście bramki NOR z wejściem
bramki NOT, a diodę LED podłączymy dłuższą nóżką do wyjścia bramki NOT,
a krótszą do masy (-):

schemeit-project (6)

Jak łatwo się domyślić dwa symbole z lewej strony schematu to wejścia,
a wielka, czarna strzałka po prawej stronie, to miejsce, gdzie należy
podłączyć – baterii (To też jest ogromne uproszczenie, ale na daną chwilę
wystarczy). Warto zauważyć, że na tym schemacie nie ma zaznaczonego
zasilania bramek, a jak wiemy, jest ono niezbędne do ich prawidłowej
pracy.

Tak to wygląda u mnie:

d

Bramka AND

schemeit-project (3)

Bramkę AND konstruujemy identycznie, jak bramkę OR, używając zamiast
bramki NOR, bramkę NAND więc nie będę się długo rozpisywał. Napiszę
tylko, że na wyjściu bramki AND jest stan wysoki tylko, jeśli na obu wejściach
jest stan wysoki.

Bramka XOR

schemeit-project (4)

Whoa! I tu zaczyna się prawdziwa zabawa. Bramka XOR wymaga nie jednego,
nie dwóch, ani trzech tranzystorów. Nasza bramka wymagać będzie ośmiu
tranzystorów. A może da się coś z tym zrobić? Da się 🙂 Ale po kolei

Bramka XOR to bramka, która zwraca (na jej wyjściu pojawia się) stan wysoki
TYLKO wtedy, gdy TYLKO na jednym z jej wejść jest stan wysoki. Jeśli stan
wysoki będzie na obu wejściach, lub nie będzie go na żadnym, bramka zwróci
stan niski.

Przy konstruowaniu tego typu bramek i ogólnie bardziej skomplikowanych
obwodów używa się logiki (działu matematyki). Nie umiem nauczyć nikogo
logiki na łamach tego kursu, bez informacji zwrotnej, więc nie będę tego
robić. Możliwe, że za jakiś czas pojawi się część kursu poświęcona
zastosowaniu logiki w konstruowaniu takich obwodów, ale niestety samej
logiki trzeba nauczyć się na własną rękę. Przepraszam 🙂

Bramka XOR składa się z bramek AND, NAND i OR połączonych w taki
sposób:

schemeit-project (5)

Za pomocą logiki można odzyskać na takiej bramce jeden tranzystor.
W takim wypadku łączymy dwie bramki NOR i bramkę AND w taki
sposób:

schemeit-project (7)

Nie wiem, czy do końca dobrze widać, co oznaczają te strzałki. Otóż
strzałki po lewej stronie to pierwsze i drugie wejście bramki XOR, a
strzałka po prawej – to jej wyjście.

Do czego można użyć bramek logicznych?

Może ktoś zauważył, że wszystkie obwody w tej części kursu nie
są układane na breadboardzie z 830 otworami, którego zawsze
używam. Łączy się to z faktem, że ta część Iskrowego Kursu
Elektroniki ukazuje się tak późno. Przez cały tydzień pracowałem
nad pewnym projektem, który chyba w miarę dobrze ukazuje
przydatność bramek logicznych:

krzak

To jest urządzenie dodające cyfry. Największe działanie, jakie może
wykonać to 3 + 3. Wynik wyświetla w systemie dwójkowym. Składa
się z 3 bramek XOR (2 bramki NOR i 1 bramka NAND), 1 bramki AND
i 4 bramek NAND, z czego jedna przyjmuje 3 wartości. Ten krzak
ma w sobie około 30 tranzystorów. To dopiero pokazuje, jak
niesamowitymi urządzeniami są komputery mające w swoich procesorach
miliardy tranzystorów.

Powodzenia w budowaniu własnych układów!

Paweł Urbański

←Poprzednia część                                                              Następna część→