Sygnalizator biegunowości zasilania

Ciasno upakowane przewody, wszystkie w podobnych kolorach, na dodatek bez żadnych opisów. Albo nieznany zasilacz wtyczkowy, który nie ma narysowanej na obudowie polaryzacji napięcia na złączu. Takie sytuacje nie należą do rzadkości, a brak czujności może się skończyć spaleniem zasilanego układu. Można to zweryfikować multimetrem, lecz nie zawsze mamy go pod ręką albo wpatrywanie się w wyświetlacz jest z różnych względów utrudnione. Wtedy sprawdzi się opisany dalej niewielki układ. Jego obsługa jest banalnie prosta: należy podłączyć do niego napięcie stałe i obserwować reakcję. Jeżeli polaryzacja pokryje się z tą, która została oznaczona na płytce, układ odpowie pozytywnie. W przypadku pomyłki, reakcja będzie negatywna.

Budowa i działanie

Schemat ideowy omawianego układu znajduje się na rysunku 1. Do sygnalizacji wizualnej zostały wykorzystane dwie diody LED o różnych barwach świecenia, połączone antyrównolegle. W ten sposób, zawsze będzie świeciła się dokładnie jedna z nich, zaś druga pozostanie wygaszona. Napięcie wsteczne na jej złączu będzie wynosiło tyle, ile napięcie przewodzenia aktualnie świecącej diody (około 2 V), przez co mamy gwarancję, że nie dojdzie do przebicia złącza. Rezystor R1 ogranicza ich prąd. Warto zauważyć, że wybrane typy diod są nieprzypadkowe: L-53LGD (zielona) i L-53LID (czerwona) mogą świecić przy znacznie mniejszym prądzie przewodzenia niż typowe diody LED.

Rysunek 1. Schemat ideowy sygnalizatora biegunowości zasilania

Dalsza część układu wymaga ustalonej biegunowości zasilania, co wymusza mostek Grateza B1. Dioda Zenera D1 ogranicza jego wartość do około 5 V, co jest wartością stosunkowo niską, za to ogranicza zmienność napięcia zasilającego dalszą część układu w przedziale 3…5 V, o czym dalej. Rezystor R2 ogranicza natężenie prądu płynącego przez diodę D1, a kondensator C1 zmniejsza impedancję wewnętrzną takiego prostego zasilacza. Nie dodano tutaj kondensatora elektrolitycznego, ponieważ wtedy układ długo by go ładował po podłączeniu zasilania, jak również – z uwagi na znikomo mały pobór prądu – powoli go rozładowywał, co generowałoby irytujący efekt zanikającego piszczenia. Założono, że ten układ ma być możliwie szybki w działaniu, czyli podłączenie do badanego zasilacza daje natychmiastową odpowiedź.

Do generowania dźwięku służy prosty multiwibrator astabilny z bramką US1C, kondensatorem C3 i rezystorem R5. Sygnałem tym jest sterowany przetwornik piezoelektryczny. Bramka US1D służy do podwojenia wartości międzyszczytowej sygnału trafiającego na okładki przetwornika, zaś rezystor R6 ogranicza prąd płynący przez wyjścia obu tych bramek. W ten sposób jest generowany sygnał o wyższej częstotliwości, oznaczający poprawne podłączenie. Niższy ton oznacza pomyłkę. Skąd pomysł na takie skojarzenie? Z popularnego od wielu lat teleturnieju „Jeden z dziesięciu”, w którym poprawna odpowiedź uczestnika jest sygnalizowana wysokim dźwiękiem, a błędna – niskim.

Obniżenie częstotliwości wytwarzanego przez US1C sygnału jest możliwe poprzez dołączenie C2 równolegle do C3. Odbywa się to po nasyceniu tranzystora T1. Tranzystor ten jest sterowany przez dwie połączone kaskadowo bramki: US1B i US1A. Zadaniem tej pierwszej jest rozpoznanie potencjału jednego z przewodów wejściowych (niższy lub równy potencjałowi masy układu, za mostkiem Graetza), co ułatwia jej wysoka impedancja wejściowa. Rezystor R3 ogranicza prąd diod zabezpieczających wejścia bramki US1B o niewielkiej wartości, zaś wbudowany przerzutnik Schmitta pozwala na uzyskanie pewnego przełączenia. US1A wprowadza jedynie negację w działaniu bramki US1B.

W układzie zastosowano stary i dobrze znany układ CD4093. Pobiera bardzo mały prąd i można zasilać go napięciem z szerokiego przedziału, lecz w tej aplikacji został on zawężony do zaledwie 3…5 V. Powodem jest zależność generowanej częstotliwości od napięcia zasilania. Po przyłożeniu do zacisków wejściowych napięcia 3 V, a potem np. 6 V różnica jest znacząca, lecz między 6 V a znacznie wyższym, na przykład 20 V, znacznie mniejsza. Jest w tym zasługa diody Zenera, która zaczyna przewodzić przy napięciu na wejściu wyższym niż 5 V, ograniczając napięcie zasilające układ cyfrowy US1 i zatrzymując tym samym dalsze zmiany częstotliwości. Jednocześnie, napięcie zasilające o takiej wartości (5 V) daje satysfakcjonującą głośność układu.

Montaż i uruchomienie

Układ został zmontowany na jednostronnej płytce drukowanej o wymiarach 60×20 mm, której schemat został pokazany na rysunku 2.

Rysunek 2. Schemat płytki PCB

Nie zostały na niej uwzględnione otwory montażowe, aby gotowy układ był możliwie mały. Można go zacisnąć w rurce termokurczliwej o dużym przekroju. Montaż proponuję rozpocząć od elementów o najmniejszej wysokości obudowy, czyli rezystorów i diod. Pod układ US1 proponuję zastosować podstawkę. Rezystory R1 i R2 można wlutować na nieco dłuższych nóżkach, aby ułatwić ich chłodzenie. Jako ostatni powinien zostać przylutowany przetwornik piezoelektryczny, dla którego przewidziano dwa pola lutownicze na spodniej stronie płytki – fotografia 1.

Fotografia 1. Szczegóły montażu przetwornika piezoelektrycznego

Poprawnie zmontowany układ jest gotowy do działania i nie wymaga dodatkowych czynności uruchomieniowych. Napięcie stałe, którego polaryzację chcemy wykrywać, podłącza się do zacisków złącza J1. Jeżeli jest prawidłowa (plus do plusa, minus do minusa – według opisów na płytce), zaświeci się dioda zielona i układ zapiszczy wysokim tonem. Przy błędnej polaryzacji, będzie świecić dioda czerwona, zaś częstotliwość generowanego sygnału będzie około sześciokrotnie niższa. Przy niskich napięciach (rzędu kilku woltów), głośność i wysokość tonu będzie zależała od wartości tego napięcia, zaś przy wyższych ulegnie już stabilizacji na stałym pułapie. Zmienna będzie jasność świecenia diod, ponieważ ich prąd jest ustalany jedynie rezystorem.

Pobór prądu silnie zależy od napięcia zasilającego. Przy 3 V układ już w pełni reaguje na przyłożone napięcie, pobierając przy tym około 300 μA. Wartość ta rośnie mniej-więcej proporcjonalnie, aż do 100 V, które należy uznać za kres wytrzymałości tego układu, głównie z powodu ciepła wydzielanego w rezystorach.

Michał Kurzela, EP