Sekwencyjny włącznik oświetlenia (SWO) — diagnostyka bloku cyfrowego i analogowego, dobór elementów do wymiany

Zadanie egzaminacyjne

Lampa oświetlająca pomieszczenie, składająca się z dwóch niezależnych punktów świetlnych, jest sterowana za pomocą sekwencyjnego włącznika oświetlenia (w skrócie SWO). SWO jest wyposażony wyłącznie w jeden przycisk zwierny, za pomocą którego możliwy jest wybór jednej z trzech kombinacji działania poszczególnych punktów świetlnych (tzw. tryb pracy). W trybie pracy nr 1 (stan spoczynkowy) nie działa żaden punkt świetlny (oświetlenie wyłączone). W trybie pracy nr 2 działa jeden punkt świetlny. W trybie pracy nr 3 działają dwa punkty świetlne jednocześnie. Włączenie zasilania poszczególnych punktów świetlnych jest realizowane za pomocą zestyków zwiernych dwóch przekaźników PK1 i PK2, przy czym pojedynczy punkt świetlny jest sterowany zestykami zwiernymi wyłącznie jednego przekaźnika. Schemat zadziałania przekaźników w kolejnych trybach pracy prawidłowo działającego układu SWO zilustrowano w tabeli 1.

Zakładamy, że z chwilą włączenia napięcia zasilającego układ SWO rozpoczyna działanie w trybie pracy nr 1, natomiast po każdorazowym naciśnięciu przycisku zwiernego monostabilnego układ SWO przechodzi do kolejnego trybu pracy w następującej sekwencji: 1, 2, 3, 1, 2, 3, 1, 2… itd. Schemat ideowy układu SWO przedstawiono na rysunku 1, a szczegółową zasadę działania tego układu opisano w dalszej części arkusza egzaminacyjnego.

Przedstawiony układ SWO uległ uszkodzeniu, w wyniku którego przekaźniki PK1 i PK2 działają w nieprawidłowy sposób, tzn.:

• Przekaźnik PK1 nie załącza się w żadnym trybie pracy.
• Przekaźnik PK2 jest rozłączony w trybie pracy nr 1, ale załącza się w trybie pracy nr 2 i pomimo dalszego wielokrotnego naciskania przycisku zwiernego pozostaje załączony w sposób trwały. Jedynym sposobem rozłączenia tego przekaźnika jest odłączenie napięcia zasilającego. Po ponownym załączeniu zasilania objawy są identyczne.

Wykonano badania testowe uszkodzonego układu SWO poprzez:

• Pomiary przebiegów czasowych w bloku cyfrowym układu SWO (elementy B1, U1, U2) we wszystkich trybach pracy za pomocą analizatora poziomów logicznych. Wyniki pomiarów przedstawione są na rysunku 2.
• Pomiary wartości napięć w bloku analogowym układu SWO dla dwóch układów sterujących cewkami przekaźników (elementy R1, R2, T1, T2, D1, D2) pracujących w stanie pasywnym i aktywnym. W tym celu blok analogowy został odłączony od bloku cyfrowego w punktach pomiarowych A i B zaznaczonych na rysunku 1. Przy testowaniu tego bloku użyto sygnałów cyfrowych z zewnętrznego generatora poziomów logicznych dołączonego do punktów A i B. Wyniki pomiarów podane są w tabeli 2.
• Pomiary napięć na złączach p-n diod D1, D2 oraz tranzystorów T1, T2 (tzw. test diody) dla elementów wymontowanych z układu SWO. Wyniki pomiarów podane są w tabeli 3.

Znajdź usterkę oraz wskaż sposób jej usunięcia w układzie SWO, jeżeli wiadomo, że elementy: PK1, PK2, P1, C1, R3, R4, B2 są sprawne. W celu naprawy usterki wykorzystaj elementy elektroniczne dostępne na stanowisku badawczo-pomiarowym. Zadanie rozwiąż, wypełniając KARTĘ BADANIA UKŁADU SEKWENCYJNEGO WŁĄCZNIKA OŚWIETLENIA.

Wykaz elementów użytych do budowy układu SWO:

• R1, R2, R3: rezystor 10 kΩ/0,125 W
• R4: rezystor 100 Ω/0,125 W
• C1: kondensator elektrolityczny 10 μF/25 V
• D1, D2: dioda 1N4148
• T1, T2: tranzystor BC547C
• B1: układ scalony CD4081BP (1 szt.)
• B2: układ scalony CD40106BP (1 szt.)
• U1, U2: układ scalony CD4013BP (1 szt.)
• PK1, PK2: przekaźnik AZ6963 SPST-NO
• P1: przycisk zwierny monostabilny

Uwaga! Układy scalone CD4013BP, CD4081BP oraz CD40106BP wykonane są w technologii CMOS. Układ scalony CD4013BP zawiera w swej strukturze dwa przerzutniki typu D. Układ scalony CD4081BP zawiera w swej strukturze cztery bramki logiczne AND. Układ scalony CD40106BP zawiera w swej strukturze sześć bramek logicznych NOT typu Schmitta.

Opis zasady działania układu sekwencyjnego włącznika oświetlenia. Układ składa się z trzech zasadniczych części:

• generatora sygnału sterującego wyzwalanego ręcznie (elementy B2, P1, R3, R4, C1),
• bloku cyfrowego (elementy U1, U2, B1),
• bloku analogowego (elementy R1, R2, T1, T2, D1, D2, PK1, PK2).

Funkcją generatora sygnału sterującego jest formowanie impulsu prostokątnego sterującego wejścia zegarowe przerzutników U1 i U2. Elementy B2, R3, R4, C1 tworzą układ przerzutnika Schmitta, którego zadaniem jest wytworzenie pojedynczego impulsu prostokątnego w chwili naciśnięcia przycisku monostabilnego P1 i jednocześnie eliminowanie niepożądanych wielokrotnych krótkotrwałych impulsów powstałych na skutek drgania styków przycisku P1.

Funkcją bloku cyfrowego jest wytworzenie ściśle określonej sekwencji (kolejności) załączania przekaźników PK1, PK2 (patrz tabela 1). W rozważanym bloku zastosowano odpowiednio połączoną sieć przerzutników typu D (układy U1, U2) oraz bramkę logiczną AND (układ B1). Zasada działania każdego przerzutnika typu D polega na tym, że w chwili podania na jego wejście C zbocza narastającego impulsu zegarowego przenosi on poziom logiczny z wejścia D na wyjście Q. Natomiast na jego wyjściu Q̄ zawsze występuje poziom logiczny przeciwny do poziomu logicznego występującego na wyjściu Q. Z kolei w przypadku bramki logicznej AND (iloczyn logiczny) wysoki poziom logiczny na jej wyjściu występuje wyłącznie, gdy na obu jej wejściach znajdują się wysokie poziomy logiczne. Przedstawiona na rysunku 1 sieć połączeń przerzutników i bramek sprawia, że w chwili włączenia napięcia zasilającego na wyjściach wszystkich przerzutników występuje niski poziom logiczny (poziom L). Układ pracuje wtedy w trybie pracy nr 1. Przejście do kolejnego trybu pracy odbywa się po naciśnięciu przycisku monostabilnego P1, co powoduje wygenerowanie pojedynczego impulsu zegarowego sterującego wejścia zegarowe jednocześnie wszystkich przerzutników. Wartości poziomów logicznych występujących na wyjściach Q, Q̄ oraz wejściach D wszystkich przerzutników dla kolejnych trybów pracy wynikają z opisanych powyżej zasad działania przerzutnika typu D oraz bramki logicznej AND.

Funkcją bloku analogowego jest sterowanie załączaniem cewek przekaźników PK1, PK2 w zależności od wartości poziomów logicznych występujących na wyjściach Q1, Q2 i Q̄2 przerzutników D. Z uwagi na to, że blok analogowy zawiera dwa identyczne układy sterujące, opisano zasadę działania przykładowego układu sterującego z tranzystorem T1. W przypadku, gdy na wyjściu Q1 przerzutnika U1 występuje poziom L, co odpowiada wartości napięcia bliskiej zeru, tranzystor T1 jest zatkany i przez cewkę PK1 nie płynie prąd. Układ sterujący z elementami R1, T1, D1, PK1 znajduje się w stanie pasywnym. Natomiast w przypadku, gdy na wyjściu Q1 występuje poziom H (napięcie o wartości bliskiej wartości napięcia zasilania), tranzystor T1 przewodzi, co powoduje przepływ prądu przez cewkę przekaźnika PK1. Układ sterujący pracuje wtedy w stanie aktywnym. Zadaniem rezystora R1 jest ograniczenie prądu bazy tranzystora T1, natomiast funkcją diody D1 jest zabezpieczenie tranzystora T1 przed jego uszkodzeniem na skutek napięć indukowanych na cewce przekaźnika w trakcie przełączania.

Wykaz elementów elektronicznych dostępnych na stanowisku badawczo-pomiarowym przeznaczonych do usunięcia usterki:

• układ scalony CD4013BP – 5 szt.,
• układ scalony CD4081BP – 5 szt.,
• układ scalony CD40106BP – 5 szt.,
• tranzystor BC547C – 5 szt.,
• dioda 1N4148 – 5 szt.

Co masz zrobić:

• R.1 — wpisz aparaturę/przyrządy pomiarowe niezbędne do wykonania pomiarów, mierzoną wielkość/wykonywaną funkcję oraz liczbę – tabela 4,
• R.2 — dla wyjścia D2 bramki B1 w każdym trybie pracy wpisz stan logiczny odczytany z rysunku 2 i stan logiczny wynikający z zasady działania bramki AND oraz wniosek (zgodny lub niezgodny) – tabela 5,
• R.3 — dla przerzutników U1 i U2 w każdym trybie pracy wpisz stany logiczne Q i Q̄ wynikające z zasady działania przerzutnika typu D oraz wniosek (zgodny lub niezgodny) – tabela 6,
• R.4 — oceń zgodność wyników pomiarów napięć w bloku analogowym (tabela 7) oraz napięć na złączach p-n diod i tranzystorów (tabela 8) z wynikami przewidywanymi dla układu działającego poprawnie,
• R.5 — oceń sprawność wybranych elementów układu SWO (sprawny lub niesprawny) – tabela 9,
• R.6 — wpisz elementy przeznaczone do wymiany (nazwa i oznaczenie, typ) oraz typ elementu zastępczego – tabela 10.

Ocenie podlegać będzie 6 rezultatów:

• R.1 (10 pkt) — wykaz aparatury niezbędnej do wykonania pomiarów – tabela 4,
• R.2 (9 pkt) — ocena zgodności wyników pomiarów poziomów logicznych bramki B1 w bloku cyfrowym układu SWO ze stanami logicznymi sprawnej bramki AND – tabela 5,
• R.3 (6 pkt) — ocena zgodności wyników pomiarów poziomów logicznych przerzutników U1, U2 w bloku cyfrowym układu SWO ze stanami logicznymi sprawnego przerzutnika typu D – tabela 6,
• R.4 (10 pkt) — ocena zgodności wyników pomiarów napięć w bloku analogowym układu SWO z wynikami przewidywanymi dla układu działającego poprawnie – tabela 7 oraz ocena zgodności wyników pomiarów napięć na złączach p-n diod D1, D2 i tranzystorów T1, T2 z wynikami przewidywanymi dla układu działającego poprawnie – tabela 8,
• R.5 (7 pkt) — ocena sprawności wybranych elementów wchodzących w skład układu SWO – tabela 9,
• R.6 (9 pkt) — wybór elementów przeznaczonych do wymiany w celu naprawy usterki układu SWO – tabela 10.

⏱ Czas: 180 minut. Punktów: 51 · Próg zaliczenia: 75%.