Ledek és kapcsolók alkalmazása

A bemeneteket egyrészt szeretnénk ledekkel kijelezni, másrészt a kapcsolás bemenő jeleit vezérelni úgy, hogy a bemenetként használt három kapcsolóval a teljes összeadó X, Y, és Cin bemenetét és a teljes kivonó X, Y, Bin bemenetét is ellássuk jelekkel, és szeretnénk a kimeneteket is „ledesen” láthatóvá tenni.

Amikor egy ledes megjelenítést alkalmazunk, az azt jelenti, hogy a világító diódát (led – Light Emitting Diode) sorba kötünk egy ellenállással, és a dióda föld felé nyitott állapotban átengedi az áramot (amely egy szemléletes megközelítésben a pozitív saroktól folyik a negatív felé), és így világít. Vagyis a soros ellenállásból és a diódából álló alkatrész 2 végén, amikor a dióda világít, feszültségkülönbségnek kell lenni.

A diódán a pozitív jel felé eső (anód) oldalát egy kis „fül” jelzi (lásd ). Ha az ellenállás szabad végpontjára pl. 5 voltot kapcsolunk, akkor a led világítani fog. Ilyen kis részkapcsolással szeretnénk kiegészíteni a kapcsolásunkat, hogy lássuk, milyen bemenetekre milyen kimenetek adódnak. Az ellenállásra azért van szükség, mert a dióda ellenállása nagyon kicsi, és ha nem alkalmaznánk az ellenállást, akkor a 2 potenciál között ún.

rövidzárat hoznánk létre, ami a tápforrást tönkretenné, ugyanúgy, ahogyan a háztartásban például egy zárlatos vasaló.

436. ábra

-Mivel három bemenetünk van és négy kimenetünk, ezért a fenti kis led egységből (ellenállás+led) éppen hat darabra van szükségünk. Ezeket úgy kell elhelyeznünk, hogy akkor kapjanak az ellenállás szabad vége felőli oldalon pozitív feszültséget, amikor a később beszerelendő kapcsoló a bemenetre éppen 5 volt körüli jelet (úgy mondjuk: magas szintet) kapcsol.

A másik kiegészítésünk három kapcsoló (lásd ), ami a bemenetre vagy 0 voltot (úgy mondjuk: alacsony szintet), vagy magas szintet kapcsol. Itt szintén nem illik közvetlenül a magas szintet a bemenetre adni, ezért egy-egy ellenállással kapcsoljuk sorba a kapcsolókat. A kapcsoló tehát úgy működik, hogy az egyik állásában a jelvezetékre a földet (0 volt) kapcsolja, a másik állásban pedig az ellenálláson keresztül a magas szintet, vagyis 5 voltot. Ilyen kapcsolóból, figyelemmel arra, hogy a három-három bemenetet a teljes összeadón és a teljes kivonón is egy kapcsolóval oldjuk meg, csak három darab kell.

437. ábra

-A diódákkal és a kapcsolókkal kiegészítve tehát a szerinti eredményre jutunk.

438. ábra

-Ha már pontosan tudjuk, hogy mi lesz a kapcsolásunkban, akkor el kell készítenünk az alkatrészlistát, ami általában egy táblázat, ahol az alkatrészek és a darabszám-igény szerepel. Ez most a mi esetünkben a ban látható:

A kiegészített kapcsolási rajz birtokában megkezdhetjük a nyomtatott áramkör tervezését. Két rétegben gondolkodhatunk, az egyik rétegből a másikba a galvanizált belső palástú furatokon át jut a jel. A példa áramkörünk teljes összeadó részét kifejezetten szemléltetési okokból és csak most úgy terveztük meg, hogy lehetőleg az alkatrészoldalon követhető legyen a huzalozás. Ez persze azzal járt, hogy ezen az oldalon igen sűrűn vannak a jelvezetékek.

A teljes kivonónál már alkalmaztuk azt az általános tervezési ökölszabályt, hogy az egyes oldalakon lehetőleg azonos irányú (párhuzamos) vezetékezés legyen. Ezzel a módszerrel az egyes oldalakon sokkal egyszerűbb rajzolatok keletkeznek. A mostani tervezési technikánk, az ún. kézi tervezés, ma már nem számít korszerűnek, és főleg gazdaságosnak, s számítógéppel támogatott elektronikus tervezés korában a PCad, OrCad, KiCad szoftverek és társaik hihetetlenül leegyszerűsítik a tervezést.

Annak, hogy mi most mégis a kézi módszert választottuk, egész egyszerűen az az oka, hogy egyszer legalább lássuk, mi is az a feladat, amit egyébként rendesen ma már a tervezői rendszerekre bízunk, és ilyen szempontból nagyon hasznos, ha legalább egyszer mi magunk készítjük el a huzalozás tervét.

További bevallandó „bűnünk”, hogy a ledes meghajtást általában nem szoktuk a logikai kapuk magas szintjével közvetlenül meghajtani (sőt!), hanem a jelvezetéket a kimeneti terhelések csökkentése céljából nyelőként illesztjük a led–ellenállás párhoz (vagyis az ellenállás oldal (anód) közvetlenül a tápra van kötve, és a dióda katód oldalát kapcsolgatjuk a jellel.) A kétféle kapcsolást a alapján hasonlíthatjuk össze. (Amikor egy szabványos kapu kimenetén alacsony szint van, akkor az 0–0,5 volt közötti értéket jelent, szemben a magas (logikai 1) szinttel, amikor 3–4 volt, vagy még annál is nagyobb lehet.

439. ábra

-Ha a logikai kaput feszültségforrásként kötjük a led–ellenállás párhoz, mint ahogy kapcsolásunkban van, akkor az 7 milliamper terhelést jelent a kimenet számára, ezért össze tudnánk állítani olyan kapcsolást, amikor egy tok már nem bírná el kimenetein ezt a terhelést. Szabványos kapcsolás esetén a fogadó kapu csak 5 mikroamper terhelést jelent, ezért alkalmazzuk a valóságban ezt a led–ellenállás pár illesztést.)

Persze ez azzal a következménnyel jár, hogy a led akkor világít, amikor a jel alacsony szintű, vagyis épp fordítva, mint logikus lenne. Ha mégis a helyes ponáltságban akarjuk szemléltetni a jel állapotát (akkor világítson a led, amikor a jel magas), akkor be kellett volna iktatnunk egy-egy invertert és/vagy jelformálót a jelvezeték és a led–ellenállás pár elé (ami legalább még 2 tokot jelentett volna). Ezt azért kerültünk el, mert ezt a kifejezetten oktatási célból készült kapcsolást nem akartuk indokolatlanul túlbonyolítani.

A bemeneti jelek kapcsolását természetesen NYÁK-ba ültethető tolókapcsolókkal oldanánk meg a virtuális kapcsoláson, a szemléletesebb megjelenítés érdekében alkalmaztuk a hálózati lengőkapcsoló képét.

5.2. NYÁK lemez

Nézzük tehát az eredményt: enciánnal az alkatrészoldal, pirossal a forrasztási oldal huzalozása látható (lásd ).

440. ábra

-Hogy az alkatrészek elhelyezését is megmutathassuk, helyezzük fel a tokokat és a többi diszkrét alkatrészt a panelre (lásd ).

441. ábra

-Most jön a legfontosabb lépés, az ELLENŐRZÉS, amely sohasem hagyható ki, és amely mindig megtérül, még akkor is, ha nem találunk hibát, mert a huzalozásnak furattól furatig való követése sokszor adott már jó ötleteket a kapcsolás egyszerűsítése tárgyában. Az ellenőrzést úgy végezzük, hogy egy-egy bemeneti jelvezetéket a kapcsolásban végigkövetünk a kapcsolási rajzon és a huzalozáson.

442. ábra

-Példaként nézzük az X jel vezetékezésének egy rövid részletét a alapján. Az alkatrészeket csak olyan mértékig láttatjuk, hogy mintegy az alkatrészek „alá látva” követhessük a huzalozást. A legfelső kapcsoló az X jelet vezérli. Középső lábát a kapcsoló vagy földre, vagy tápra kapcsolja. Ellenőrizzük, hogy a 2 kapcsolópont valóban eljut a földre, illetve a tápra. Azt is ellenőriznünk kell, hogy a tápra a vezetékezés egy ellenálláson keresztül vezet. A kapcsoló középső jelvezetéke közvetlenül az első 74LS136-os IC első xor kapujának első bemenetére érkezik. Innen 2 irányban megy tovább az X jel. Egyrészt a kijelzés led–ellenállás egységére, másrészt a 74LS08 and kapu első bemenetére. Ellenőriznünk kell azt is, hogy az X led táplálásától az X jel elindul a teljes kivonó X bemenetére is, és így tovább.

5.3. Szerelés

Ha az ellenőrzéssel készen vagyunk, akkor legyárthatjuk, vagy legyártathatjuk a nyomtatott áramkörünket, amit a mutat maga fizikai valóságában a szükséges alkatrészekkel kiegészítve beültetés előtt.

443. ábra

-A szerelés a tápoldal, a tokok és a kapcsolók beültetésével kezdődik, majd az ellenállások és a többi diszkrét áramköri elem beültetésével folytatódik. Végül a ledek és az IC-k foglalatba helyezése következik. A szerelt

panelen helyet kapott egy feszültségátalakító, mivel az áramkörünk 5 volt feszültséggel működik, tápforrásként pedig egy 9 voltos elemet használunk. Az átalakításra a szerinti nagyon egyszerű kapcsolást alkalmazzuk.

444. ábra

-A kapcsolást úgy kell értelmezni, hogy a jobb oldalon az elempolaritás helyes bekötésével egy kapcsolón, majd az 1N5817 diódán keresztül jut a 9 volt a feszültségstabilizátor bemenetére. Ez a szabályozhatatlan ún.

feszültségstabilizátor a kimenetén mindig +5 voltot állít elő, ha a bemenet 7 volt és 20 volt közé esik, és az átfolyó áram nem haladja meg az 1ampert, nekünk most éppen ez kell. Fontos, hogy a feszültségstabilizátorra (a fémes oldalon) a hűtőbordát gondosan illesszük, és egy 3-as rövid csavarral és anyával szorosan rögzítsük.

A feszültségstabilizátort a szerint kell bekötni, ahol az egyes lábak: a bemenet az (1)-es jelű, a kimenet a (3)-as jelű, a föld a (2)-es jelű láb. A bemenet és a föld közötti 10 μF értékű elektrolitkondenzátorok olyan kapacitások, melyek bekötését szintén a polaritásaik szerinti helyes irányban kell elvégezni. Az elektrolitkondenzátorok negatív sarkát a paláston függőlegesen végigfutó jelzésből láthatjuk. Ha helyesen kötjük be, akkor a Vcc-vel jelzett kimeneten megjelenik a várt +5 volt feszültség.

445. ábra

-A tápoldal szerelését követően végezzünk egy mérést, hogy a kívánt 5 voltos feszültség valóban előáll, majd válasszuk le a lengőcsatlakózóról a 9 voltos elemet, és a többi alkatrész beültetésének idejére maradjon a tápoldal így.

A tápoldal beültetésénél az a gyakorlat, hogy minden alkatrész felhelyezésénél követjük az elvi kapcsolást végig a bemenettől a kimenetig. A tápoldalon célszerű elhelyezni egy világító diódát (és egy soros ellenállást [330 ohm]), ami a bekapcsolt állapotot jelzi. A teljes beültetés végén még egyszer tekintsük át a kapcsolást, ellenőrizzük a polaritás helyességét a ledek, a kapacitások, sőt az IC-k vonatkozásában is (a tokokban az IC-ket úgy helyezzük el, hogy az IC jobb felső sarka mindig a táp, a bal alsó sarka pedig a föld, ahogyan a án látható).

A továbbiakban megadjuk a kétoldalas nyomtatott áramköri panel szitázásra vagy fóliázásra alkalmas rajzát, és biztatunk mindenkit ennek a tanulságos kis kapcsolásnak a megépítésére (lásd és ).

447. ábra

-4-48. ábra - Alkatrészoldal

4-49. ábra - Forrasztási oldal

A teljes összeadó és kivonó kapcsolásnak a nyers anyagköltsége az alkatrészlista alapján 2850 Ft, az összeállításhoz szükséges egy kis teljesítményű forrasztópáka, némi cin, egy homlokcsípő- és egy blankolófogó, valamint egy feszültségmérő, vagy TTL-ceruza. A TTL-ceruza olyan mérőműszer, amely képes a kapcsoláson található NYÁK-vezetékeken és IC-lábakon megmutatni az éppen érvényes logikai jel szintjét. A TTL-ceruza működtetési feszültségét szintén ellátja a 9 voltos elem (0,2–0,3 A). (lásd )

450. ábra

-A kapcsolásunk áramfelvétele nem haladja meg az 500 m-A-t, ezért a panelen kialakított USB-csatlakozón keresztül a már kész kapcsolás egy PC-hez is köthető, ahol a virtuális kapcsolás és a fizikai megvalósítás működése szemléletesen összevethető (és igen jó móka). Ha USB-táplálásra váltunk, akkor a 9 voltos oldalt az erre a célra beültetett kapcsolóval ki kell kapcsolni, de még jobb, ha az elemet egyszerűen levesszük.

A kapcsolás a kötelező ellenőrzéssel együtt kényelmesen beültethető és feléleszthető 40-45 perc alatt, a végeredmény az szerinti lesz.

451. ábra

-Ha helyesen dolgoztunk, akkor a működő fizikai kapcsolásunk pontosan úgy működik, mint a virtuális (vagy fordítva), és elmondhatjuk, hogy ez alkalommal nem a fizikai valóságot virtualizáltuk, ahogy azt szokás

manapság, hanem (keményen megdolgozva az eredményért) egy virtuális valóságot realizáltunk. Ezt szemlélteti az . A digitális ismeretek második részében egy későbbi fejezetben megtervezünk és megépítünk egy egykártyás mikroszámítógépet a hozzá való mini operációs rendszerrel a fentiekhez hasonlóan. A virtuális programokat pedig megírjuk majd C# nyelven szintén egy későbbi fejezetben.

452. ábra