2001.02_Precyzyjny elektroskop.pdf

Elektor w EdW

Editorial items appearing on pages 24 − 27 are the copyright property of © Segment B. V. Beek, The Netherlands, 1998, which reserves all rights.

Precyzyjny elektroskop

Układ pozwala precyzyjnie mierzyć ładunki

elektryczne. Badany ładunek jest gromadzony

w wysokiej jakości (MKT) kondensatorze C1

o pojemności 1...2µF. Zgodnie z równaniem

U=Q/C napięcie na kondensatorze jest wprost

proporcjonalne do zgromadzonego ładunku.

Wzmacniacz operacyjny IC2 jest buforem od−

dzielającym to wysokoimpedancyjne źródło

od reszty układu. “Górna” okładzina konden−

satora C1 jest połączona z sondą pomiarową,

którą jest 5−centymetrowy odcinek drutu. Dru−

ga okładka jest połączona z masą i uziemiona

albo za pośrednictwem kawałka drutu, albo

przez metalową obudowę przyrządu, która bę−

dzie trzymana w ręku. Wzmacniacz operacyj−

ny IC3 wzmacnia maleńkie napięcie z wyjścia

IC2. Do wyboru są dwa zakresy pomiarowe:

S2 zwarty − wzmocnienie równe 5, S2 rozwar−

ty – wzmocnienie 10. Wskazówkowy miernik

magnetoelektryczny jest dołączony do wyj−

ścia IC3. Niezbędne jest użycie miernika z ze−

rem w środku skali (±100µA...±1mA), by

mierzyć zarówno ładunki dodatnie, jak i ujem−

ne. Opór wewnętrzny powinien wynosić oko−

ło 2,2k

, a razem z R7 – około 10k

Ω

masy. Pobór prądu

wynosi 5mA i jest wy−

znaczony głównie

przez prąd diody D1.

Zamiast IC2, IC3

można zastosować

podwójny wzmac−

niacz TLC272, za−

miast IC1 – TLC271

(n.8 do masy, n.1,5

niepodłączone). Do−

puszczane napięcie

zasilania wynosi wte−

dy 16V, można śmiało

usunąć D1 i zewrzeć

R8. Pobór prądu wy−

niesie około 3mA.

Wykorzystanie elek−

troskopu jest proste:

1. włączyć S1, za−

świeci się D2,

2. przed użyciem roz−

ładować C1 (dotyka−

jąc sondą do masy;

można dać przycisk

równolegle do C1)

3. dotknąć sondą

do naładowanego

miejsca,

4. odczytać na mier−

niku ładunek i jego

biegunowość.

5. po zakończeniu

pomiaru wyłączyć

zasilanie, by oszczę−

dzać baterię.

Peter Lay

Technologiebuero

(Ujemny) stabilizator równoległy

Układ z rysunku 1 jest prostym

stabilizatorem napięcia –2,5...

−36V, który może dostarczyć do

100mA prądu. Zapewnia to regu−

lator TL431 firmy Fairchild Se−

miconductor. Ponieważ jest to

stabilizator równoległy, powinien

pracować ze stałym obciążeniem.

Napięcie wyjściowe jest

wyznaczone przez dzielnik

R1, R2:

Uo=(1+ R1/R2)*Uref + R1*Iref

Gdzie Uref=2,495V

Iref=2µA

Proces dobierania rezysto−

rów należy rozpocząć od wy−

znaczenia prądu dzielnika R1,

R2, który powinien być dużo

większy od prądu Iref. Można

śmiało przyjąć, że 50−krotna

wartość Iref całkowicie wystar−

czy. Jeśli Iref=100µA można

wyznaczyć R1:

R1 = (Uo−Uref)/0,1mA

Elektronika dla Wszystkich

. Zamiast

miernika wskazówkowego można wykorzy−

stać wskaźnik cyfrowy – R7 będzie wtedy nie−

potrzebny. Niskoprądowa dioda LED D2 sy−

gnalizuje gotowość przyrządu do pracy.

W roli wzmacniacza operacyjnego wyko−

rzystano nowoczesną kostkę MAX4333 Maxi−

ma (www.maxim−ic.com), której zakres

(wspólnych) roboczych napięć wejściowych

obejmuje cały zakres napięcia zasilania. Tak sa−

mo wyjście jest typu Rail−to−Rail. Maksymalne

napięcie zasilania kostki wynosi 6,2V, dlatego

dioda D1 ogranicza całkowite napięcie zasila−

nia do 6,2V. Wzmacniacz IC1 symetryzuje na−

pięcie zasilania – wytwarza potencjał sztucznej

Ω

Elektor w EdW

Teoretycznie należałoby policzyć

wartość R2, uwzględniając prąd Iref:

R2=Uref / (IR1−Iref)

R2= Uref / [(Uo−Uref)/R1 – Iref]

W praktyce można pominąć

prąd Iref, zakładając, że prąd

płynący przez R2 też jest równy

0,1mA

R2= Uref/0,1mA

Aby kostka TL431 mogła po−

prawnie, pracować, prąd przez nią

płynący (Ic) musi mieścić się

w granicach 1mA...100mA, a prąd

obciążenia w miarę możliwości

nie powinien się zmieniać. Oba

prądy wyznaczają wartość R3:

(U Imin −Uo)/(Iomax+Icmin)>

> R3 >

> (U Imax −Uo)/ (Iomin+Icmax)

Należy też obliczyć wymaganą

obciążalność (moc) R3

P R3 =(U Imax −Uo) 2 / R3

Moc tracona w układzie scalo−

nym wyniesie

Pc=Uo*Icmax

Jeśli napięcie wyjściowe ma

wynosić 5V, obliczenia są znacz−

nie prostsze, a rezystory R1 i R2

mają być jednakowe. Przykład

źródła napięcia ujemnego

–5V pokazany jest na rysunku 2 .

Podane obliczenia rezystorów

R1, R2 dotyczą idealnej wartości

napięcia odniesienia Uref. Układ

scalony TL431 dostarczany jest

w wersjach różniących się tole−

rancją napięcia odniesienia. We−

rsja podstawowa (bez dodatko−

wych liter w oznaczeniu) ma do−

puszczalną odchyłkę napięcia

odniesienia aż o ±2%. Wersja

TL431A ma tolerancję ±1%,

a najdokładniejsza wersja

TL1431 tolerancję ±0,4%. Kartę

katalogową (zawierającą niestety

pewne błędy) można znaleźć pod

adresem www.fairchildsemi.

com/ds./TL/TL431.pdf

Interesujące regulatory o ustalo−

nych napięciach 5V, 3,3V i 3,0V,

z wbudowanymi dzielnikami

produkowane są przez firmę

MAXIM pod oznaczeniem

MAX6330 i MAX6331.

Klaus Thiesler

REKLAMA · REKLAMA · REKLAMA · REKLAMA · REKLAMA

Elektronika dla Wszystkich

Elektor w EdW

Ładunek elektrostatyczny,

czyli rady dla hodowców słoni

Ładunki elektrostatyczne przy−

czyniły się do przedwczesnej

śmierci niejednego układu scalo−

nego. Poniżej przedstawiamy

kilka praktycznych wskazówek,

w jaki sposób zapewnić długie

życie układowi scalonemu, i po−

wody, dlaczego słonie powinny

trzymać się z dala od wrażliwych

układów scalonych.

Na temat elektryczności sta−

tycznej ciągle jeszcze krążą po−

glądy, które przypominają stosu−

nek człowieka do pierwszej (pa−

rowej) kolei żelaznej w dziewięt−

nastym wieku. Nawet uznani

przyrodnicy byli wówczas zda−

nia, że przy prędkościach

100km/h i większych ciało ludz−

kie musiałoby się rozpaść. Tym−

czasem nauka wyjaśniła coś lep−

szego. Nie chodzi o prędkość, ale

o zmianę prędkości. Gdy jedzie

się samochodem z szybkością

100km/h, to nie jest to jeszcze

nic szczególnego. Jednak gdy je−

dzie się 100km/h w kierunku

muru, to z pewnością co nieco

może się wydarzyć, bo prędkość

zmniejszy się raptownie ze

100km/h do zera...

Z elektrycznością sprawa ma

się bardzo podobnie. Każdy już

kiedyś poczuł elektryczność sta−

tyczną na własnej skórze, gdy

spacerował po wykładzinie

podłogowej z włókien syntetycz−

nych. Ładowanie odbywa się

stopniowo i niezauważalnie, ale

jak tylko dotknie się klamki albo

poda dłoń gościowi, który jest

naładowany do innego potencja−

łu, dosłownie przeskakuje iskra.

W trakcie błyskawicznego

zmniejszania się ładunku,

w miejscu dotknięcia odczuwa−

my nieprzyjemne uszczypnięcie.

Ale przyczyną tego nie jest róż−

nica napięć, ale udar prądu, który

przepływa w wyniku tej różnicy.

Prąd rozładowania można

zmniejszyć, jeśli pierwszy kon−

takt z klamką lub ręką gościa

odbędzie się poprzez rezystor

o wartości 10k

Ω

lub 100k

Ω

przedwczesnej śmierci. Drogo

zdobyte układy scalone mają już

potem tylko wartość złomu.

Teraz nauka wyjaśniła już, że

potencjały na przyrządach pół−

przewodnikowych rzędu

1000V i więcej nie prowadzą do

ich zniszczenia, dopóki otocze−

nie ma taki sam lub podobny po−

tencjał, a więc nie ma żadnej lub

istnieje tylko niewielka różnica

potencjałów. Natomiast znacznie

różniące się potencjały mogą

spowodować spontaniczne prze−

bicie wewnętrznej warstwy izo−

lacyjnej układu scalonego, albo

przepływa tak duży prąd wyrów−

nawczy, że część półprzewodni−

kowej struktury dosłownie się

roztapia.

Uzbrojeni w tę wiedzę może−

my sformułować zasady bez−

piecznego obchodzenia się

z przyrządami półprzewodniko−

wymi. Najważniejsza z praktycz−

nego punktu widzenia reguła

mówi, że różnica potencjałów

między człowiekiem i chipem

musi zostać w bezpieczny spo−

sób wyrównana, zanim dłoń do−

tknie elementu.

Przykład: Kupiliśmy w skle−

pie komputerowym nowy moduł

pamięci do naszego peceta. To−

rebka, w którą jest zapakowany

moduł, ma nieznany potencjał

elektrostatyczny. Ponieważ jest

ona wykonana z przewodzącej

folii z tworzywa sztucznego, róż−

nica potencjałów między opako−

waniem i modułem jest wyrów−

nana. Po przyniesieniu do domu,

zapakowany moduł, transporto−

wany w kieszeni kurtki, ma naj−

prawdopodobniej inny potencjał

niż ręka, która właśnie tam sięga.

Wyrównania potencjałów doko−

nuje się mocno chwytając opako−

wanie. Dopiero teraz można bez−

piecznie wyjąć moduł z torebki.

Ponieważ potencjały zostały wy−

równane, można mocno chwycić

Wrażliwość

Przyrządy półprzewodnikowe są

jeszcze bardziej wrażliwe niż lu−

dzie. Co dla człowieka jest tylko

nieprzyjemnym uszczypnięciem,

w ich przypadku łatwo może do−

prowadzić do nienaprawialnego

uszkodzenia i w ten sposób do

Elektronika dla Wszystkich

Prąd jest wtedy wystarczająco

mały, aby nie było nieprzyjem−

nego uszczypnięcia, a jedynie

wyrównywanie potencjałów

trwa nieco dłużej.

Elektor w EdW

moduł bez ryzyka uszkodzenia.

Jest to nawet zalecane, ponieważ

dzięki przewodzącemu połącze−

niu, między ręką i modułem nie

może wytworzyć się żadna nowa

różnica potencjałów. Jest rów−

nież lepiej, gdy mocno chwyci−

my moduł palcami, niż będziemy

go ostrożnie wyciągać z opako−

wania przy pomocy izolowanej

pęsety!

Następnym krokiem jest

wmontowanie modułu do kom−

putera. Zarówno obudowa PC,

jak i jego masa mają nieznany

potencjał. Z tego powodu trzeba

teraz dotknąć obudowy PC drugą

ręką (nie tą z modułem!), tam,

gdzie możliwe jest przewodzące

połączenie. Plastikowa listwa al−

bo lakierowana ściana obudowy

jest naturalnie do tego nieodpo−

wiednia. Ponieważ ciało ludzkie

to (kiepski, bo kiepski, ale jed−

nak) przewodnik, różnica poten−

cjałów między komputerem

i modułem wyrównuje się. Pod−

czas gdy jedna ręka utrzymuje

przewodzące połączenie z kom−

puterem, druga może umieścić

moduł w podstawce.

Człowiek i słoń

Jak duży szok elektrostatyczny

może wytrzymać przeciętny

układ scalony? Na pytanie to nie

daje się odpowiedzieć dokładnie,

a jedynie w przybliżeniu.

Dla producentów półprzewo−

dników nie jest tajemnicą, że

wielu ich klientów to ludzie nie−

dbali i nieuważni. Mimo wszyst−

kich wskazówek i ostrzeżeń,

wiele układów ulegało kiedyś

uszkodzeniu przez to, że przy

transporcie obchodzono się z ni−

mi zbyt niedbale. Z tego powo−

du, praktycznie wszystkie wraż−

liwe przyrządy półprzewodniko−

we są dziś wyposażane w obwo−

dy zabezpieczające, zapobiegają−

ce uszkodzeniom przez “średnie”

ładunki elektrostatyczne ciała

ludzkiego. Jako przykład można

by wymienić układy logiczne

z serii HC(T): Te układy scalone

mogą wytrzymać bez szwanku

różnice potencjałów do 2000V!

Z dobrym przybliżeniem

można założyć, że ciało ludzkie

względem jego otoczenia ma

pojemność mniej więcej

100...150pF. Ten “kondensa−

tor” w styczności z układem

scalonym rozładowuje się.

Słoń, z powodu swej wielkości

i masy, ma większą pojemność,

czyli może zmagazynować

w swym “ciele−kondensatorze”

wielokrotnie większy ładunek.

Gdyby słoń w takich samych

warunkach dotknął układu sca−

lonego, ten miałby niewielkie

szanse przeżycia. Również jeśli

ciało ludzkie naładuje się

do znacznie większego poten−

cjału niż 2000V, jego kontakt

z układem scalonym bez wąt−

pienia go zniszczy.

Wewnętrzne obwody zabez−

pieczające układu scalonego

są z reguły tak zaprojektowane,

że wytrzymują prądy rzędu

kilkuset miliamperów przez

okres kilku mikrosekund. Prak−

tyka pokazała, że jest to wystar−

czające niemal we wszystkich

przypadkach.

Matka Ziemia?

Niektórzy praktycy zapytają te−

raz, czy nie lepiej byłoby naj−

pierw uziemić moduł? Ziemia

jest neutralna, więc później nic

właściwie nie powinno się zda−

rzyć. Na to pytanie obrazowo

można odpowiedzieć tak:

Pod wieżą Eiffla można po−

czuć się dokładnie tak samo do−

brze, jak na jej najwyższej plat−

formie, chyba że ktoś spadnie

stamtąd w dół. W tłumaczeniu na

układy scalone oznacza to, że

układowi scalonemu jest obojęt−

ne, jaki ma potencjał – tak długo,

póki potencjał ten pozostaje stały.

Gdy jest pewne, że zarówno kom−

puter, jak i zapakowany moduł są

na potencjale ziemi, nie trzeba

wyrównywać potencjałów. Poten−

cjał ziemi nie jest więc niezbędnie

konieczny, ale może uprościć ma−

nipulowanie układem.

REKLAMA

· REKLAMA

Elektronika dla Wszystkich

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: