Elektroniikkapaja – Osa8

Tällä kertaa jatkoimme liikeilmaisimen rakentelua (lisää tästä myöhemmin). Keskustelimme myös radiovastaanottimista, ja näytillä olikin usb-vastaanotin SDR (Software Defined Reciever). Mahdollisesti myöhemmin liikeilmaisimen jälkeen vvoimme koittaa rakennella jotain pienimuotoista radiolähetintä ja lukea sit tuontapaisella tietokonelisälaitteella (lainsäädäntö toki tiedostaen: Viestintäviraston radioluvat)

RaspberryPin kanssa tuollaisesta voi tehdä veikeän kannettavan yhdistelmän: https://learn.adafruit.com/freq-show-raspberry-pi-rtl-sdr-scanner

 

Rakentelua

Huomaa puuttuva operaatiovahvistin ja ajastinpiiri

Komponenttien juottaminen saatu valmiiksi. LDR ja se mitä releellä halutaan ohjata on jätetty myöhempää varten.

Kokosimme liikeilmaisimen tällä kerralla valmiiksi. Kun testasimme sitä, emme saaneet aikaan releen naksumista kun liikuimme ilmaisimen edessä tai heilutimme siinä kättä. Ilmaisimen edestä tosin puuttui tässä vaiheessa vielä Fresnel-linssi, mutta olisimme silti odottaneet jotakin reaktiota. Mittasimme piireiltä LM324 ja 555 käyttöjännitteet, jotka vaikuttivat olevan kunnossa (5.6 volttia), 9V paristokin oli aivan tuore. Irroitimme operaatiovahvistimen kannastaan ja kokeilimme oikosulkea diodien D2 ja D3 katodia nollatasoon simuloidaksemme komparaattorilta tulevaa signaalia.

Operaatiovahvistin LM324

Tehtaalta tullessa jalat harittavat vinoon, joten niitä täytyy suoristaa sopiakseen piirikantaan.

Rele vaikutti vetävän kerran, mutta toimintaa oli vaikea toistaa. Säädimme 555-ajastimen aikaviiveen mahdollisimman lyhyeksi trimmeripotentiometrillä R14, mutta vaikutusta ei tuntunut olevan. 555-piirin reset-nasta 4 ei noussut lähelle käyttöjännitettä (tai sitten emme odottaneet riittävän pitkään virran kytkemisen jälkeen) joten irroitimme 555-piirin myös. Sen antonastaa 3 kytkemällä käyttöjännitteeseen saimme releen vetämään. Totesimme siis kytkennän olevan kunnossa jännitteen vakavointipiirin ja releen ohjauskomponenttien osalta. Yksi epäilyksenalainen osa on kondensaattori C8, jonka vuotovirta voi olla niin suuri että transistori T1 ei mene täysin ”tukkoon” (johtamattomaksi). On myös tarkistettava että vastukset R18 ja R19 ovat oikeita arvoiltaan, sillä liian suuri R19 tai liian pieni R18 voisi aikaansaada tämän toimintavirheen. Voi myös olla, ettemme odottaneet riittävän pitkään käynnistämisen jälkeen. Tämän selvittelyä jatkamme vappua edeltävänä maanantaina.

Mittauksia – on/off-kytkimen kanssa sai olla tarkkana että onko laite päällä vai ei

 

Lisää teoriaa (toim. Jussi Saksa)

Jännitteenjakaja. Potentiometri.

Yläkuvassa on kahdesta vastuksesta koostuva jännitteenjakaja. Laskukaava pätee, jos jakajan lähtöä U2 ei kuormiteta virralla. Jos jännitettä mitataan esim. ”Avometerillä” (https://en.wikipedia.org/wiki/Avometer), kuormittaa mittari jännitteenjakajaa eikä näyttämä ole täysin oikea. Tarkempaa arvoa voi kuitenkin arvioida, jos mittarin aiheuttama kuormitus tunnetaan (ks. vastusten rinnankytkennän kaava).

Jännitteenjakaja saadaan, kun kaksi vastusta kytketään sarjaan kuvan mukaisesti. Vastusten välisen pisteen ja nollatason (jännitelähteen miinusnavan) välinen jännite saadaan kaavasta

U2 = U1*R2/(R1+R2)

eli lähtöjännite U2 vaimenee suhteessa (R2/R1+R2). Kaava pätee, jos lähtöjännitettä ei kuormiteta ottamalla siitä virtaa. Esimerkiksi mitattaessa suuri-impedanssisella volttimittarilla se näyttää varsin hyvin todellisuutta vastaavaa arvoa, jos mittarin tuloimpedanssi (tulovastus) on ainakin 100-kertainen jännitteenjakajan vastuksiin nähden. Jos mittari kuitenkin kuormittaa, mutta kuormitus tiedetään (esim. vanhanaikainen analoginen volttimittari), se otetaan laskukaavaan mukaan jolloin todellinen jänniteen arvo voidaan laskea. ”Ennenvanhaan” viisarimittareille ilmoitettiin herkkyys yksiköllä kohm/V (kilo-ohmia per voltti) [1].

Jännitteenjakajaa käytetään tyypillisesti transistorivahvistimissa transistorin kantaesijännitteen tuottamiseen. Liikeilmaisimessamme jännitteenjakajalla on tärkeä tehtävä PIR-ilmaisimelta tulevan vahvistetun liikettä ilmaisevan signaalin rajojen tunnistamisessa. Tällaisessa käytössä jännitteenjakajan olisi hyvä olla säädettävissä. Siinä käytetäänkin aseteltavaa säädettävää vastusta eli trimmeripotentiometriä. Operaatiovahvistinnelikko LM324:stä on kaksi operaatiovahvistinta kytketty komparaattoreiksi eli jännitevertailijoiksi. Kun ilmaisimelta tuleva, suodatettu ja vahvistetun liikesignaalin huippuarvo ylittää/alittaa jännitteenjakajalla asetetun rajan, vastaavan operaatiovahvistimen (joko OP3 tai OP4) anto menee 0-jännitteeseen ja käynnistää 555-piirillä toteutetun ajastimen. Tässä kytkennässä on ns. ikkunakomparaattori eli tietty ”jänniteikkuna”, rajojen välissä oleva arvo, aikaansaa jonkin toiminnan — tosin tässä toiminta on päinvastainen eli ikkunan sisälle jäävät signaalit jätetään huomioimatta. Ikkunan ylä- tai alapuoliset jännitteet sensijaan starttaavat ajastimen.

  • Potentiometri (käsisäätöinen) tai trimmeripotentiometri (työkalusääteinen) ei sovellu suurten virtojen säätämiseen. Jos halutaan tehdä esimerkiksi säädettävä teholähde, potentiometristä saatava asetusarvo täytyy vahvistaa ja ohjata tällä vahvistetulla virralla suurempia tehoja. Äänentoistolaitteiden voimakkuudensäädin sijaitseekin usein kytkennän keskivaiheilla.
  • Potentiometrit eivät yleensä ole tarkkuuskomponentteja. Jos rakentaa mainitun kaltaisen säädettävän teholähteen, voi potentiometrin nuppiin laittaa asteikko-osoittimen ja tehdä lähtöjännitteelle asteikon, mutta varmempaa olisi varustaa teholähde omalla mittarillaan.
  • 555-ajastimen yhteydessä käytetään usein potentiometriä kun ajastimesta on tehty pulssigeneraattori. Piirin nasta 7 kytkeytyy sisäisellä transistorilla nollatasoon ajastuskondensaattoria tyhjennettäessä. Tällöin, jos nastasta 7 käyttöjännitteeseen menevä potentiometri on kierretty ”nollille”, kulkee sisäisen transistorin läpi hetkellisesti suuri virta joka voi vioittaa piiriä tai potentiometriä. Nastaan 7 kannattaa siis aina kytkeä vähintään 100 ohmin vastus suojaksi.

Operaatiovahvistimen käyttötapoja.

Operaatiovahvistin sopii hyvin analogisen signaalin käsittelyyn. Sen nimikin juontaa juurensa aikaan, jolloin sähköisiä piirejä käytettiin laskemaan esimerkiksi lujuuslaskennassa tarvittavien differentiaaliyhtälöiden arvoja, siis tekemään matemaattisia operaatioita. Operaatiovahvistimista, tarkkuusvastuksista ja -kondensaattoreista ja potentiometreistä tehdyllä kytkennällä tehtiin yhteen- ja vähennyslaskua, integrointia ja derivointia. Tulokset piirrettiin piirturilla paperille.

Yksinkertaisin ja hyvin käyttökelpoinen kytkentä on jänniteseuraaja. Matemaattisesti ottaen piiri tuntuu aivan turhalta: sen lähtöjännite on sama kuin sen tulojännite. Käytännössä se on kuitenkin hyödyllinen, sillä operaatiovahvistimen suuri-impedanssinen tulo ei tarvitse juuri lainkaan virtaa kun taas lähtöä voidaan kuormittaa kohtalaisen suurellakin virralla.

Kahdella vastuksella ja operaatiovahvistimella voidaan toteuttaa vahvistin. Riippuen kytkentätavasta, siitä saadaan joko vaiheen säilyttävä eli ei-kääntävä tai vaiheen kääntävä vahvistin. Vaiheen kääntävässä vahvistimessa lähtöjännite on vastakkaismerkkinen kuin tulojännite. Jos esimerkiksi sisään tuodaan +20 millivolttia ja vahvistus on -100, on lähdössä -2 volttia. (Tässä tapauksessa negatiivisuus ei tarkoita vaimennusta).  Jotta lähtö voisi mennä negatiiviseksi, tarvitsee operaatiovahvistin sekä positiivisen että negatiivisen käyttöjännitteen. Käytännön kytkennöissä usein nollataso tehdään yksinapaisesta käyttöjännitteestä jännitteenjakajalla. Tällainen ns. virtuaalinen maataso saadaan, kun kahden yhtäsuuren vastuksen muodostamasta jännitteenjakajasta otetaan jänniteseuraajalla puskuroituna puolet käyttöjännitteestä vertailutasoksi. Liikeilmaisimessamme tullaan kuitenkin toimeen yhdellä käyttöjännitteellä.

Operaatiovahvistinkytkentöjä liikeilmaisimessa.

OP1 ja OP2 vahvistavat PIR-detektorin signaalia ja kondensaattoreiden C2…C5 avulla signaalista suodatetaan vain liikkeen aiheuttamat suhteellisen hitaat muutokset komparaattorien OP3 ja OP4 ilmaistavaksi. C2 aikaansaa sen, ettei OP1 vahvista tasajännitesignaalia (jonka C4 ”blokkaa” joka tapauksessa), C3 vähentää suurtaajuusvahvistusta samoin kuin C5.

[1] http://electronics.stackexchange.com/questions/214016/why-is-analog-voltmeter-sensitivity-is-defined-as-ohm-volt
[2] http://www.555-timer-circuits.com/common-mistakes.html

Elektroniikkapaja – Osa 6&7

Elektroniikkapaja porskuttaa, vaikka raportointi olisikin hieman jäljessä. Voimme yrittää täydentää juttuja lisää, esimerkiksi teorian osalta, sillä välillä myös jutun kirjoittajan taidot jää vielä pullonkaulaksi. Huomionarvoista on kuitenkin että ensi kerran jälkeen tulee pääsiäinen jolloin ei ole elektroniikkapajaa. Myöskin vappu aiheuttaa katkoksen.

Toissa maanantaina tulimme kokeilleeksi miten auton puolaa voi käyttää suurjännitekipinän aikaansaamiseksi. Tästä löytyy myös mielenkiintoinen videonpätkä missä tavallisella lyijykynällä on väritetty alue paperille, jonka yli kipinä muodostuu. Kyseinen pitkä kipinä johtuu siitä että sähkönjohtavuus on sen verran heikkoa että sähkö lyö yli mudostaen pieniä kipinöitä jotka ketjuttuvat.

Katso video!

Viime maanantaina taas aloitimme hieman teorialla siitä miten operaatiovahvistin toimii. Samalla päädyimme aloittamaan liikeilmaisimen rakentamisen, jonka onnistuessaan pystyy ilmoittamaan milloin jokin henkilö liikkuu alueella. Tätä voi toki käyttää sellaisenaan sytyttämään pihavaloa, mutta mahdollistaa myös liittämisen Raspberrypi-järjestelmään jolloin liikkeestä voi saada tiedon netin välityksellä haluamaansa tavoin (sähköposti, tekstiviesti, tai pelkästään loki-muistio tapahtumista).

Operaatiovahvistin

Operaatiovahvistimesta on kirjoitettu mielestäni hyvä juttu Wikipediaan, joten turha copypasteta kaikkea tänne. Lyhkäisyydessään kuitenkin operaatiovahvistin, tunnetaan myös  ”opparina” suomeksi ja ”opamp” englanniksi, on elektroniikan komponentti, joka vahvistaa kahden sisääntulonsa välistä jännite-eroa vahvistuskertoimella X. Teoriassa vahvistus on ääretön, mutta käytännössä X voi vaihdella yleisesti 100 000 ja 1 000 000 välillä.  Se mikä aluksi hämäsi oli käsitys siitä että opparissa on vain viisi jalkaa mutta fyysisenä komponenttina seiinä on usein kahdeksan. Seuraava kuva havainnollistaa asian, joka toki datalehdestä olisi myös selvinnyt, että 3 jalkaa on turhana.

 

Rakentelua

Olemme päätyneet rakentamaan yhdessä kouluelektroniikka.fi:stä tilatun liikeilmaisimen. Poikkeuksellisesti, kyseinen rakennussarja on erittäin hyvin dokumentoitu, mutta silti ymmärrystä on parempi kartuttaa yhdessä. ”Miksi tuossa on tuollainen vastus?”, ”Mitä pitäisi pystyä tulkitsemaan suoraan kytkentäkaaviosta?”. Kyseisen sarja on ostettavissa täältä. Meillä on erikseen hankittu LDR (Light Dependent Resistor, eli valovastus)  joka voidaan asentaa sarjaan mukaan jolloin laite toimii vain hämärässä/pimeällä (jos tarkoitus on sytyttää valo, tästä on hyötyä). Kyseisessä sarjassa LDR tulee logiikkapiirin resetjalkaan, jolloin valon saavuttaessa vastus katoaa ja yhdistää piirin resetoiden logiikkapiirin. Käytännössä laite on pois päältä resetin ollessa kytkettynä, eli silloin kun valoa on laitteen ympärillä.

Ehdimme aloittaa kolvaamisen siten, että jokainen vuorollaan sai lisätä joitain komponentteja esiporattuun piirilevyyn ja tämän jälkeen juottaa tinalla komponentit kiinni. Saimme kolvattua kaikki kiinteät vastukset sekä diodit. Seuraavalla kerralla jatketaan.