docOśla łączka
download 
Reklamacja Transkrypt
Ośla łączka
37 A3 Ośla łączka Wyprawa trzecia − A3 Regulator temperatury, Tester refleksu, Bateria słoneczna, Krzesło elektryczne, Laserowe zdalne sterowanie, Elektroniczna klepsydra, Generator wysokiego napięcia, Laserowa bariera optyczna dalekiego zasięgu kondensatory rezystory tranzystory NPN diody krzemowe „zwykłe“ i Schottky`ego tranzystory PNP brzęczyk piezo fotodiody przyciski termistor tyrystor miniaturowy potencjometr z gałką przekażnik cewka 100 mH diody LED Gdy pierwszy raz w życiu stajesz na nartach, nie odbywa się to na szczycie Kasprowego. Szukasz jakiegoś łagodne− go, mało stromego stoku, jednym słowem − oślej łączki. Dopiero gdy na takiej oślej łączce nauczysz się podstaw, będziesz w stanie bezpiecznie zjechać z Kasprowego. Prąd elektryczny przepływający przez ciało czło− wieka nie jest obojętny dla zdrowia. Czym więk− sze napięcie, tym większy prąd i większy wpływ na organizm. Napięcia nie przekraczające 24V uznaje się za bezwzględnie bezpieczne. Napięcia rzędu 60V i więcej uznawane są za nie− bezpieczne. Napięcie w domowym gniazdku sie− ci energetycznej wynosi 220...230V – jest to więc napięcie groźne dla życia! Przeprowadzanie prób z układa− mi dołączonymi wprost do sieci grozi śmiercią! Aby zapobiec nieszczęściu, należy zasilać budo− wane układy z baterii albo z użyciem fabryczne− go, atestowanego zasilacza, który co prawda jest dołączany do sieci, ale zastosowane rozwią− zania zapewniają galwaniczną izolację od sieci i pełne bezpieczeństwo. Elektronika dla Wszystkich dwukolorowa dioda LED Niniejszy cykl jest odpowiednikiem wypraw na taką oślą łączkę. Poszczególne wyprawy pozwalają poznać ko− lejne najważniejsze zagadnienia elektroniki. Kurs został pomyślany, by przede wszystkim bawić, a przy okazji uczyć. Zabawa polega na wykonywaniu różnych poży− tecznych i ciekawych układów. W niniejszym cyklu wszelkie interpretacje fizyczne są mocno uproszczone (o ile w ogóle są), a główna uwaga jest skierowane na zagadnienia praktyczne. Uwydatnia to charakterystyczna struktura kursu − każdy odcinek zawie− ra cztery bloki, wyróżnione kolorami. Najważniejszy blok to umieszczone na białym tle ćwi− czenia praktyczne. Podane tu informacje całkowicie wy− starczą do zbudowania i uruchomienia opisanych ukła− dów. Nie lekceważ tych ćwiczeń! Samo przeczytanie te− kstu nie dostarczy Ci wszystkich najważniejszych infor− macji. Dopiero praktyczne wykonanie i zbadanie zapropo− nowanych układów pozwoli wyciągnąć wnioski i w pełni zrozumieć opisane zagadnienia. Wyróżniony niebieskim kolorem ELEMENTarz przybliża użyte w ćwiczeniach elementy oraz zawiera in− ne niezbędne wiadomości. Warto poświęcić trochę czasu i starannie przeanalizo− wać zamieszczone na żółtym tle TECHNIKALIA − czyli najważniejsze wyjaśnienia techniczne. Biblioteczka praktyka − czwarty blok, wyróżniony jest kolorem różo− wym, jest przeznaczony dla osób, które chcą projektować własne układy. W tej części prezentowane są podstawowe wiadomości niezbędne młodemu konstruktorowi. Niniejszy materiał jest trzecią wyprawą na oślą łącz− kę. Aby bezboleśnie rozpocząć swą przygodę z elektroni− ką, warto zacząć od lekcji pierwszej, oznaczonej A1. Po− dane są tam podstawowe informacje, w tym dotyczące montażu oraz kodu kolorowego, stosowanego do oznacza− nia rezystorów. Kolejne odcinki publikowane są w Elek− tronice dla Wszystkich, począwszy od numeru 10/2000. Archiwalne numery Elektroniki dla Wszystkich oraz zestawy wszystkich elementów oraz materiałów niezbęd− nych do przeprowadzenia ćwiczeń dostarczane są przez firmę AVT − szczegóły podano w ramce na końcu artyku− łu oraz na stronie 120 tego numeru. W czasie trzeciej wyprawy wykonasz kolejne wspa− niałe i pożyteczne układy. Znasz już podstawowe prawa elektroniki, a lutowanie nie jest Ci obce. Przyszła pora na zapoznanie się z cyfrowym miernikiem uniwersalnym − multimetrem. Zamiast niego możesz wykorzystywać uni− wersalny miernik wskazówkowy. Jeśli nie masz żadnego miernika, nie rozpaczaj − opisywane układy uruchomisz bez pomocy jakiegokolwiek miernika. Do wszystkich ćwi− czeń potrzebny będzie zasilacz stabilizowany 12V i prą− dzie co najmniej 150mA. Nie polecam baterii 9−woltowej, choć może zasilać niektóre układy. Zaczynajmy więc! Piotr Górecki 37 A3 ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz Potencjometr, rezystor zmienny T E C H N I K A L I A Ośla łączka Tajemnice dzielników napięcia Mówiąc najprościej, po− tencjometr to zmienny re− zystor. Wystarczy naryso− wać miękkim ołówkiem na kartce grubą kreskę. Cien− ka warstwa grafitu (odmia− na węgla) przewodzi prąd. Przesuwając sondy mierni− ka wzdłuż węglowej ścieżki można zmieniać rezystancję. Dokładnie tak działają potencjo− metry węglowe (w których ścieżka przewo− dząca jest zbudowana z grafitu). Dawniej kilka potencjometrów (węglo− wych) można było znaleźć w każdym radio− odbiorniku i telewizorze, gdzie służyły mie− dzy innymi do regulacji siły głosu. Dziś jest ich tam coraz mniej, bo są wypierane przez elektroniczne systemy regulacji. Nadal czę− sto stosowane są jedynie niewielkie poten− cjometry montażowe, wykorzystywane w procesie regulacji wstępnej, niedostępne dla użytkownika. Obok popularnych i tanich potencjometrów węglowych, stosowane są także zdecydowanie lepsze potencjometry cermetowe (cermet – ceramika + metal). Czasem spotyka się też potencjometry druto− we, a bardzo rzadko takie, gdzie warstwa czynna wykonana jest ze specjalnego, prze− wodzącego tworzywa sztucznego. Potencjometry montażowe nazywane są często peerkami. Ta zwyczajowa nazwa po− chodzi stąd, że na schematach oznacza się je często literami PR. Precyzyjne, wieloobroto− we cermetowe potencjometry montażowe na− zywane są helitrimami. Na fotografiach mo− żesz zobaczyć różne potencjometry. Każdy z nich zawiera przewodzącą ścieżkę oraz ru− chomy suwak. Fot. 1 Połączenie równoległe i szeregowe − rozkład napięć Ćwiczenie 1 Do tej pory zajmowaliśmy się głównie prądami. Pora zbadać, jak zmieniają się napięcia. Zestaw układ według rysun− ku 1. Rezystora Rx nie montuj na stałe, w jego miejsce włączaj kolejno rezysto− ry o wartościach 100Ω, 1kΩ, 10kΩ. Ja− sność diody DI wskazuje na wartość prądu, ale to tym razem jest mniej istot− ne. Chcemy badać jak zmienia się na− pięcie w punkcie A. Układ z tranzysto− rami TX, TY i diodą DU jest monito− rem napięcia – jasność diody DU wska− zuje wartość napięcia UA, czyli napię− cia na rezystorze Rx. Rys. 1 Rezystory R1, Rx tworzą dzielnik na− pięcia – za pomocą dwóch rezystorów możesz uzyskać dowolne napięcie UA, mniejsze od napięcia zasilającego Uzas. Dzielniki napięcia wykorzystujemy bar− dzo często. Przez oba rezystory płynie ten sam prąd. Czym większa rezystancja Rx, tym większe napięcie na niej występuje – jest to zgodne z prawem Ohma (U = I*R). Jak już wiesz, napięcie nie może zginąć − jeśli na rezystorze Rx wystąpi jakieś na− pięcie Ux, to na rezystorze R1 napięcie wyniesie UB−Ux. Suma napięć Ux, U1 zawsze będzie równa napięciu baterii. W układzie z rysunku 1 zmień war− tość R1 na 10kΩ, a zamiast Rx włącz termistor, (w skład zestawu A03 wcho− dzi termistor o rezystancji nominalnej 22kΩ). Tym razem napięcie w punkcie A zauważalnie zmienia się pod wpły− wem temperatury – podgrzej termistor dotykając go palcami albo lepiej zbliża− jąc doń gorący grot lutownicy (nie prze− sadź z podgrzewaniem, bo zniszczysz termistor). Jeśli posiadasz zestaw elementów do poprzedniego ćwiczenia (A02), w miej− sce Rx wstaw fotorezystor. Sprawdź jak zmienia się napięcie w punkcie A przy zmianach oświetlenia (od silnego świa− tła latarki do całkowitej ciemności). Za− miast fotorezystora możesz też wstawić fototranzystor. Uważaj na biegunowość (patrz poprzednie odcinki). Co się dzieje z napięciem tak powstałych dzielników? A teraz zwróć uwagę na rysunek 2, który pokazuje kilka szczególnych przy− padków. Jeśli rezystory są jednakowe, napięcia na nich też są jednakowe, więc w punkcie A wystąpi 1/2 napięcia zasila− jącego (względem minusa zasilania). Jeśli wartość jednego z rezystorów będzie dwukrotnie większa od wartości drugiego, napięcie na nim będzie dwu− Rys. 2 potencjometry Aby z większego napięcia uzyskać mniejsze, sto− sujemy dzielnik. Podstawowy, książkowy wzór na napięcie wyjściowe dzielnika podany jest na ry− sunku A. W ćwiczeniu 2 stwierdziliśmy, że taki sam podział można osiągnąć przy różnych warto− ściach rezystorów. W praktyce trzeba wziąć pod uwagę fakt, że dzielnik zawsze jest czymś obciążony (część prądu jest „podkradana”), i w rezultacie napięcie nie zga− dza się z podanymi powyżej obliczeniami. Precy− zyjne obliczenie napięcia na rzeczywistym dzielni− ku nie jest łatwe, bo zazwyczaj wartość prądu 38 38 „podkradanego”, na przykład prądu bazy tranzy− stora, znamy tylko w przybliżeniu. Z kilku wzglę− dów zaleca się, by prąd dzielnika był kilkadzie− Rys. A siąt, a co najmniej dziesięć razy większy od prą− du „podkradanego”. Przykładowo, jeśli prąd płynący przez rezysto− ry dzielnika będzie 100 razy większy od prądu „podkradanego, wtedy błąd w stosunku do poda− nych właśnie wyliczeń będzie maleńki, mniejszy niż 1% − porównaj rysunek B, gdzie teoretyczna wartość wyliczona ze wzoru wynosi dokładnie 1V. Jeśli jednak prąd „podkradany” z dzielnika będzie większy, błąd też będzie odpowiednio większy. W praktyce trzeba wziąć pod uwagę, że stosowane rezystory mają swą tolerancję, zwykle 5% . Obliczając dzielnik znamy wartość napięcia za− silającego i wiemy, jakie napięcie dzielnika chce− my uzyskać. Obliczenia powinniśmy zacząć Elektronika dla Wszystkich 39 A3 Czy wiesz, że... woltomierz zawsze włącza się do badanego obwodu równolegle. Weź jeszcze potencjometr i zbuduj układ według rysunku 3. Przestawiając suwak potencjometru, dowolnie zmienisz napię− cie na nim (Us) w zakresie od zera do peł− nego napięcia zasilania. W „dolnym” po− łożeniu suwaka napięcie Us jest najmniejsze − równe zeru, w „górnym” poło− żeniu – najwięk− sze, równe napię− ciu zasilającemu. A w połowie? Rys. 3 W zastawie A3 do tej lekcji znaj− dziesz potencjo− mer 10kΩ ozna− czony literą A, tak zwany liniowy. Jeśli w swoich zbiorach znaj− dziesz potencjo− Rys. 4 metry z literami B, C lub M+N lub jeszcze innymi, sprawdź, jakie napięcie występuje w po− łowie drogi suwaka – będzie inne niż po− łowa napięcia zasilania. Chyba to jest oczywiste, że pracują− cy potencjometr również jest regulowa− nym dzielnikiem napięcia – zobacz rysunek 4. Rozkład napięć Oporność wewnętrzna dzielnika Ćwiczenie 2 A teraz bardzo ważna sprawa praktycz− na. Na rysunku 5 znajdziesz cztery ko− lejne dzielniki napięcia. Nie buduj ukła− du, odpowiedz tylko, jakie będą napięcia w punktach A, B, C, D? Rys. 5 Elektronika dla Wszystkich Rys. B „peerki“ Fot. 3 helitrimy Diody krzemowe Dioda to dwu− końcówkowy element elek− troniczny. Na− zwa pochodzi jeszcze z epoki lamp elektro− nowych (dioda – lampa dwuelektrodowa). Obecnie zdecydowanie najczęściej wykorzy− stywane są nie diody świecące, znane Ci od początku cyklu, tylko „zwykłe” diody krze− mowe o symbolu pokazanym na rysunku obok. Nie ma problemu z identyfikacją koń− cówek – katoda oznaczona jest kolorowym paskiem – zwróć uwagę na fotografię, przed− stawiającą różne diody. Czasem na schematach daje się tylko oznaczenie Si (Si – symbol chemiczny krze− mu), co wskazuje, że można wykorzystać do− wolną „zwykłą” diodę krzemową (w prakty− ce stosujemy wtedy najpopularniejszego obe− cnie „szklaczka” – diodę 1N4148). Działanie „zwykłej” diody jest bezna− dziejnie proste − klasyczna dioda przewodzi prąd tylko w jednym kierunku. Jeśli dioda Rys. C 39 TECHNIKALIA od spodziewanej wartości prądu „podkradanego” – trzeba oszaco− wać jaki to będzie prąd. Potem wyznaczymy z grubsza prąd pły− nący przez rezystory dzielnika, który ma być kilkadziesiąt razy większy. Wiedząc, jakie napięcie chcemy osiągnąć i znając prąd dzielnika, obliczymy wartość jed− nego z rezystorów dzielnika. Zna− jąc napięcie na drugim rezystorze i prąd dzielnika, obliczymy rezy− stancję drugiego rezystora. Oto przykład. Mamy zaprojek− tować dzielnik napięcia jak na Tak jest, napięcia będą jednakowe i wyniosą 10/11 napięcia zasilającego! To czym tak naprawdę różnią się te cztery dzielniki? Jeśli chodzi o podział napięcia – nie różnią się niczym i można je stosować wymiennie. Różny jest natomiast pły− nący przez nie prąd. Na przykład w ja− kimś urządzeniu zasilanym z baterii, gdzie trzeba minimalizować pobór prą− du, być może będzie trzeba zastosować rezystory o możliwie dużej wartości (1MΩ, 10MΩ). Tak, ale... Niestety, w praktyce dzielnik zawsze pełni rolę sługi – wytwarza obniżone Fot. 2 ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz krotnie większe niż na tym drugim: na jednym wystąpi 1/3 napięcia zasilania, na drugim 2/3 napięcia zasilania. Jeśli wartość jednego rezystora bę− dzie trzykrotnie większa od drugiego, napięcie punktu B względem minusa za− silania wyniesie 3/4 napięcia zasilania – patrz napięcie w punkcie C. Podobnie dla dziewięciokrotnej różnicy – sprawdź napięcie w punkcie D. Zwróć uwagę na wartości rezystorów i na to, jaki ułamek napięcia na nich występuje. Czy już in− tuicyjnie czujesz sprawę podziału napię− cia? Tak czy inaczej, zajrzyj do części TECHNIKALIA. Ośla łączka A3 ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz przewodzi, występuje na niej spadek napię− cia, nazywany napięciem przewodzenia, oznaczany UF (dla najpopularniejszych diod wynosi on 0,6...0,8V). Jest to niekorzystna cecha diody – lepiej byłoby mieć diody, na których nie występuje spadek, czyli strata napięcia, ale takich diod nie ma. Dioda włą− czona „odwrotnie”, ściślej – w kierunku za− porowym praktycznie nie przewodzi prądu. Występuje na niej wtedy pełne napięcie za− silające (jest ono napięciem wstecznym, oznaczanym UR) i płynie przez nią jakiś zni− komo mały prąd wsteczny IR. Ilustruje to rysunek poniżej. T E C H N I K A L I A Ośla łączka rysunku C, by przy zasilaniu 12V napięcie na ba− zie tranzystora wynosiło 3V. Oznacza to, że napięcie na emiterze wyniesie około 2,4V. Przez rezystor R3 popłynie prąd IE równy 2,4mA. Wzmocnienie prądowe współcze− snego tranzystora małej mocy może wynosić 100...1000. Na wszelki wypadek przyjmujemy najmniejszą wartość: 100. Tym samym prąd bazy, „podkradany” z dzielnika (Ip) nie będzie większy niż 24µA (2,4mA/100). Niech prąd dzielnika, ści− ślej prąd I2 będzie około 30 razy większy od prą− du „podkradanego” 24µA*30=0,72mA – przyj− mijmy „okrągłą” wartość 0,7mA (oczywiście mo− gliśmy wybrać zupełnie inny prąd dzielnika, na przykład 0,24mA czy 2mA). Teraz obliczamy napięcia dla jakiegoś innego obwodu czy układu. Ten obwód czy układ jest dla naszego dzielnika obciążeniem i „podkrada” zeń prąd. Koniecznie wy− konaj układ z rysunku 6 i przekonaj się, w czym problem. Układ modelowy zmontowany na płytce stykowej pokaza− ny jest na fotografii 1. Teoretycznie oba dzielniki powinny zachowywać się tak samo – w punktach A, B napięcie po− winno być równe połowie napięcia zasi− lającego. I tak jest, gdy dzielnik nie jest obciążony. Za pomocą przełącznika S dołączamy tranzystor, czyli „podkra− damy” prąd z jednego lub drugiego dzielnika. Jasność diody jest proporcjo− nalna do aktualnego napięcia na bazie tranzystora. Co powiesz o jasności diody LED w obu pozycjach przełącznika? Je− śli masz woltomierz, dołącz go, jak po− kazuje rysunek i sprawdź napięcia. Rys. 6 Historycznie wcześniejsze diody wykona− ne z germanu (Ge) mają napięcie przewodze− nia niższe od diod krzemowych, ale za to wielokrotnie większy prąd wsteczny. Diody germanowe są stosowane rzadko i tylko w układach radiowych. Najważniejszymi parametrami „zwy− kłych” diod są maksymalny prąd przewo− dzenia (IF) i maksymalne napięcie wstecz− ne (UR). W zależności od przeznaczenia „zwykłe” diody krzemowe dzieli się na prostownicze, uniwersalne, impulsowe. Różnią się one głównie wartością maksymalnego prądu przewodzenia, szybkością i dopuszczalnym napięciem wstecznym. Fotografia z następ− nej strony pokazuje różne diody krzemowe. Najważniejszymi parametrami diod są: maksymalny prąd przewodzenia (od tego za− leży rozmiar diody), który dla najpopular− niejszych diod wynosi 50mA...6A, oraz ma− ksymalne napięcie wsteczne, dla najpopular− niejszych diod wynoszące 50....1000V. Obe− cnie zdecydowanie najczęściej używane są 40 40 Okazuje się, że napięcie na dzielniku z rezystorami 1MΩ katastrofalnie spada po dołączeniu tranzystora, natomiast przy rezystorach 1kΩ napięcie praktycz− nie się nie zmienia. W TECHNIKALIACH podany jest wzór na napięcie na dzielniku – pamię− taj, że dotyczy on dzielnika nieobciążo− nego. Tak samo rozważania z poprze− dniego ćwiczenia. W praktyce stosuje się regułę: przez re− zystory dzielnika musi płynąć prąd co naj− mniej dziesięciokrotnie większy niż prąd „podkradany” z dzielnika przez obciążenie. Dla ścisłości należałoby dodać, że dzielnik może być obciążony prądem wypływającym, jak w omawianych przypadkach, albo prądem dopływają− cym – przykłady pokazuje rysunek 7. Na dzielnik (a także wiele bardziej skomplikowanych obwodów) warto Rys. 7 Fot. 1 wartość R2 jako 3V/0,7mA=4,2857142kΩ, co za− okrąglamy do najbliższej wartości z szeregu 5− procentowego, czyli do 4,3Ω. Prąd I1, ściśle bio− rąc, będzie większy od prądu I2 o prąd bazy, czyli wyniesie około 0,724mA (0,7mA+0,024mA). Ponieważ na rezystorze R1 ma występować napię− cie 9V (12V−3V), wartość R1 wyniesie 9V/0,724mA=12.43094kΩ, co zaokrąglimy do naj− bliższej wartości z szeregu, czyli do 12kΩ. I to wszystko. Nie bój się zaokrąglać, ponie− waż w prostych układach precyzja nie jest po− trzebna. Napięcie dzielnika nie musi być idealnie równe 3V. Nie ma zresztą na to szans. Przecież użyte rezystory będą mieć 5−procentową toleran− cję, tranzystor zapewne będzie miał wzmocnienie większe niż 100, a napięcie zasilania nie będzie idealnie równe 12V. Cała masa masy... W ćwiczeniu 5 zajmowaliśmy się sprawą masy. Skąd ta nazwa? Pochodzi z epoki urządzeń lampowych. Mon− towane były one na podstawie wykonanej z dość grubej blachy. Ta blacha z otworami, na której mocowane były lampy, transformatory i inne większe elementy nosiła nazwę chassis (czytaj: szasi). Ujemny biegun głównego napięcia zasila− jącego podłączony był do tej blachy. Często masę uziemiano, na przykład łączono z rurą wodociągo− wą. Aby zmierzyć napięcie w jakimś punkcie Elektronika dla Wszystkich 41 A3 Ośla łączka Rys. 8 Ćwiczenie 3 małe „szklaczki” typu 1N4148 oraz jedno− amperowe diody 1N4001...4007. Przy okazji przypominam, że diody LED zbudowane nie są z krzemu, tylko ze związ− ków arsenu, galu, fosforu, glinu i indu. Dioda Schottky’ego Rysunek obok poka− zuje symbol tzw. dio− dy Schottky’ego (czytaj: szotkiego). Dioda Schottky’ego to w zasadzie „zwykła” dioda krzemowa. Różni się od najpopularniejszych diod krze− mowych wartością napięcia przewodzenia. O ile w typowych diodach wykonanych z krzemu napięcie przewodzenia wynosi 0,6...0,8V, o tyle w diodach Schottky’ego wynosi 0,3...0,5V. Oznacza to mniejsze stra− ty napięcia na diodzie. Oprócz tego diody Schottky’ego są bardzo szybkie i dlatego są stosowane w układach impulsowych. Jak widać na fotografii, diody Schott− ky’ego nie różnią się wyglądem od diod „zwykłych”; można je rozróżnić jedynie po oznaczeniu (numerkach). Dioda krzemowa Od początku kursu wykorzystujemy diody świecące. Oprócz nich, a raczej przede wszy− stkim, istnieją inne, „zwykłe” diody, które wprawdzie nie świecą, ale są bardzo poży− tecznymi i popularnymi elementami. Zba− dajmy różne diody. Pamiętaj, że katoda dio− dy oznaczona jest paskiem. Włączając bada− Elektronika dla Wszystkich Rys. D patrz na rysunek D. Można powiedzieć, że poten− cjał w punkcie A wynosi +10V, a w punkcie B –2,2V. Można też powiedzieć, że napięcia w tych punktach wynoszą odpowiednio +10V i –2,2V. W obu przypadkach na pewno cho− dzi o napięcie (potencjał) względem masy, bo na− pięcie mierzymy zawsze między dwoma punktami, a potencjał zawsze względem punktu odniesienia. Jeśli powiemy, że napięcie na rezystorze R3 wynosi 6,8V, mamy na uwadze napięcie między jego końcówkami. Nie powiemy jednak, że na− pięcie na rezystorze wynosi −6,8V. Nie powiemy też, że potencjał na rezystorze R3 wynosi 6,8V – to byłby ewidentny błąd. Możemy natomiast stwierdzić, że napięcie (potencjał) w punkcie B względem ujemnej szyny zasilania wynosi 6,8V. 85 T E C H N I K A L I A układu, należało dołączyć jeden przewód wolto− mierza do tego punktu, a drugi do... masy, czyli wspomnianej blachy. Choć konstrukcja dzisiejszych układów elek− tronicznych jest zupełnie inna, nadal jeden z obwo− dów traktuje się jak obwód masy, inaczej mówiąc jako obwód wspólny, punkt odniesienia. Bardzo często, ale nie zawsze, jest to obwód po− łączony z ujemnym biegunem baterii (zasilacza). Obwód masy rzeczywiście jest obwodem wspól− nym i nie jest przesadą stwierdzenie, że z kilku względów jest to najważniejszy obwód w układzie. Nie będziemy się w to wgłębiać. Na razie przyjmij do wiadomości, że w każdym układzie traktujemy jeden z obwodów jako obwód odniesienia, czyli masę. Tu warto wspomnieć o potencjale i napięciu. W sumie jest to to samo – chodzi o napięcie. Po− ną diodę krzemową diodę Dx według rysun− ków 9a i 9b przekonasz się, że rzeczywiście przepuszcza ona prąd tylko w jedną stronę. W rzeczywistości przy włączeniu „odwrotnym”, czyli w kierunku zaporo− wym według rysunku 9b przez diodę płynie jednak jakiś maleńki prąd wstecz− ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz spojrzeć także z innej strony. Zamknij− to rysunek 8b. Kolejne rysunki 8c, d, my baterię 6V i dzielnik (2kΩ, 2kΩ) e pokazują, że takie same właściwości w tzw. czarnej skrzynce, wyprowadzając będą mieć także inne obwody – jeśli na zewnątrz tylko punkty A, B – rysu− masz trochę cierpliwości i odpowiednie nek 8a. Dajmy to komuś do testów, elementy, sprawdź to doświadczalnie. by sprawdził, co jest Zapoznaliśmy się właśnie w środku, nie otwiera− z kolejnym bardzo istot− Czy wiesz, że... jąc skrzynki. zagadnieniem. amperomierz zawsze włącza się nym Ktoś taki może je− Użyłem określenia wi− do badanego obwodu dynie zmierzyć napię− dziane od strony zaci− szeregowo. cie między wyprowa− sków A, B. Przyzwyczaj się dzonymi na zewnątrz punkta− do takiego podejścia. Często nie mi A, B. Może też dołączać do nich re− musimy, a nawet nie chcemy znać szcze− zystory, mierząc prąd i napięcie. Jeśli gółów. Chcemy wiedzieć, co przedstawia jest odważny, zewrze punkty A, sobą dany obwód, „widziany” od strony B i zmierzy płynący wtedy prąd zwarcia. wybranych dwóch punktów. Okazuje się, Czy na podstawie tych pomiarów odga− że skomplikowany obwód zachowuje się dnie co jest w środku? jak połączenie źródła napięcia i jednego Zastanów się samodzielnie... rezystora – rysunek 8b. To widzimy od Szczegółów nie odgadnie. Dla niego strony tych wybranych zacisków. to „coś” w czarnej skrzynce, widziane od W podręcznikach możesz przeczytać strony zacisków A, B zachowuje się o zasadzie Thevenina. Znów nazwa stra− jak... 3−woltowa bateria o dużej rezystan− szy, a cała sprawa jest prosta – właśnie cji wewnętrznej (równej równoległemu w pewnym uproszczeniu przedstawiłem połączeniu R1 i R2, czyli 1kΩ). Ilustruje Ci to zagadnienie. A3 Ośla łączka T E C H N I K A L I A ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz Laser (dioda laserowa) Wkaźnika laserowego używali− śmy już na poprzedniej wypra− wie. Popularne i niedrogie wskaźniki laserowe, mające często kształt długopisu, za− wierają diodę laserową, będącą odmianą diody święcącej (LED). Oprócz laserów półprzewo− dnikowych, czyli diod lasero− wych, znane są także inne la− sery (rubinowe, neodymowe, helowo−neonowe, argonowe, itd.). Są one jednak znacznie większe, droższe i trudniejsze do sterowania. Niektóre z nich mogą mieć moc dużo większą niż diody laserowe. Lasery du− żej mocy są wykorzystywane na przykład do cięcia twardych materiałów. Lasery (LASER – Light Amplification by Simulated Emission of Radiation) to urzą− dzenia do wytwarzania wiązki światła o spe− cyficznych właściwościach. Hobbystę inte− resuje przede wszystkim fakt, że światło la− sera da się skupić w wąską wiązkę o dużej jasności. Specjaliści cenią światło lasera za spójność i czystość widmową – amator nie musi się zagłębiać w te zagadnienia. Hobbysta ma do czynienia przede wszy− stkim z półprzewodnikowymi diodami lase− rowymi. Mają one niewielką moc promie− niowania i na pewno nie nadają się do cięcia materiałów. Niemniej skupione światło wskaźnika laserowego niesie na tyle dużą energię, że może uszkodzić delikatne ko− mórki wzrokowe. Dioda laserowa jest jednym z najbardziej delikatnych elementów elektronicznych i bardzo łatwo ulega uszkodzeniu podczas montażu. Dioda wlutowana w układ jest już bezpieczna. Z tego względu początkującym nie zaleca się jakichkolwiek operacji z „goły− mi” diodami laserowymi, a jedynie wykorzy− stanie modułów (dioda plus sterownik) lub gotowych wskaźników. Obłaskawianie kolejnego, przerażającego upiora − zasada Thevenina Na poprzedniej wyprawie przekonałeś się, że groźnie wyglądające prawa Ohma i Kirchhoffa to naprawdę oczywista sprawa. Na tej wyprawie możemy rozprawić się z kolejnym upiorem, mę− czącym uczniów i studentów. W podręcznikach opisywane są różne metody analizy obwodów elektronicznych, w tym metoda Thevenina i me− toda Nortona. Opierają się one na zasadzie The− venina i zasadzie Nortona. Nie będę Cię katował 86 42 ny. Koniecznie przekonaj się, jaką war− nią rolę wskaźnika napięcia z tym, że tość ma ten prąd wsteczny. Sprawdzisz zmniejszyłem wartość RD, by dioda DU to w układzie z rysunku 10a, gdzie czu− świeciła jasno już przy małych napię− łym wskaźnikiem prądu będzie wzmac− ciach. Przełącznik pozwoli porównać niacz prądowy w układzie Darlingtona napięcia w różnych warunkach – to (przypomnij sobie ćwiczenia z wyprawy ukłon w stronę tych, którzy nie posiada− pierwszej − A1). Sprawdź prąd ją multimetru cyfrowego. Niech wsteczny wszystkich na początek R1, R2 mają posiadanych diod; jednakową wartość Czy wiesz, że... w zestawie A03 do dołączenie do obwodu woltomierza lub 10kΩ. Prąd płynący tej wyprawy znaj− amperomierza w mniejszym lub więk− przez badane diody dziesz pięć typów D1, D2 będzie wy− szym stopniu zmienia warunki diod. Włącz dla po− nosił około 1mA. Na pracy układu. równania zamiast Dx re− początku niech obie diody zystor 10MΩ (co da prąd ok. 1µA) D1, D2 będą typu 1N4148. W obu i przekonaj się, że prąd wsteczny diod pozycjach przełącznika S dioda DU po− krzemowych jest znikomy, dużo mniej− winna świecić jednakowo jasno. szy od jednego mikroampera. Jeśli jed− Zmień teraz R2, niech ma 1kΩ. Przez nak podgrzejesz końcówkę diody gorącą diodę D2 popłynie prąd o wartości oko− lutownicą, prąd wsteczny zauważalnie ło 10mA. Czy napięcie na diodzie wzro− wzrośnie. śnie dziesięciokrotnie? Koniecznie zestaw też układ według Zmień R2, niech ma 100kΩ, prąd rysunku 10b − pomocą będzie fotogra− diody wynosi teraz około 0,1mA. Czy fia 2. Będziemy mierzyć napięcie prze− napięcie na D2 radykalnie spadło? wodzenia różnych diod. Elementy TX, Następnie powróć do jednakowych TY, DU, podobnie jak na rysunku 1, peł− wartości R1, R2 (10kΩ). Wymień diodę D2 na jednoam− Rys. 9 perową 1N4007. Czy teraz widać jakąś różnicę na− pięć przewodze− nia diod 1N4148 i 1N4007? A gdy dioda D2 będzie jeszcze większa (trzyamperowa), typu 1N540X? Teraz w roli D2 włącz małą diodę Schott− Rys. 10 ky’ego typu BAT43 (BAT84). Co powiesz o na− pięciu przewo− dzenia, w po− równaniu z diodą 1N4148? Włącz jeszcze zamiast D2 dio− dy świecące – teoretycznymi rozważaniami, znajdziesz je w podręcznikach, jednak warto poczuć intuicyj− nie pewną bardzo ważną sprawę praktyczną, ści− śle związaną z zasadą Thevenina. Znów zdzi− wisz się, jakie to proste. Zajmowaliśmy się tym w ćwiczeniu 2. Okazuje się, że nawet skompli− kowane sieci zawierające wiele elementów (li− niowych) można zastąpić połączeniem jednego rezystora i jednego źródła napięcia – o tym mówi zasada Thevenina. Często potrzebna jest jeszcze prostsza informacja: co przedstawia sobą dany obwód od strony wybranych dwóch punk− tów. Zapewne już wiesz, co znaczy spotykane w literaturze określenie „rezystancja widziana od strony”. Potencjometry w praktyce Generalnie każdy potencjometr, zgodnie ze swą nazwą, może pracować jako dzielnik napięcia. Mo− że też pracować jako zmienny rezystor. Jeśli (jaki− Rys. E Elektronika dla Wszystkich 43 A3 Ćwiczenie 4 LED−ach 20VDC) i zmierz dokładnie napięcia na diodach, także przy jeszcze innych wartościach rezystorów R1, R2. Znakomitym pomysłem byłoby zapisa− nie wyników – na pewno Ci się to przy− da w przyszłości. Dioda jako czujnik temperatury S przekonasz się, że zmiany są zauważalne. Zbuduj teraz układ według rysunku 11. Pomocą będzie fotografia 3. Dioda LED po− winna się świe− cić ze średnią Rys. 12 jasnością – w mode− lu rezystancja R1 wynosiła 4,7kΩ (w razie potrzeby zmień wartość ją). kolwiek) potencjometr pracuje jako zmienny rezy− stor, bywa oznaczany jak na rysunku E. Dwa ostatnie symbole to oznaczenia potencjometru montażowego (PR−ka, helitrima). Zwłaszcza przy pracy w roli dzielnika napięcia ważna jest charakterystyka regulacji. Jeśli w poło− wie drogi suwaka rezystancje obu „połówek” poten− cjometru są równe, potencjometr ma charakterysty− kę liniową. Jeśli w środkowym położeniu suwaka rezystancje nie są równe, potencjometr ma nielinio− wą charakterystykę regulacji: wykładniczą, logaryt− miczną lub jeszcze inną. Wszystkie potencjometry montażowe mają charakterystykę liniową. Nato− miast do regulacji głośności lepiej jest wykorzysty− wać potencjometry o charakterystyce wykładniczej, bo dają one wrażenie równomiernej regulacji w ca− łym zakresie ruchu suwaka. Krajowe potencjometry wykładnicze mają w oznaczeniu literę B, stąd zapis np. 22kB oznacza potencjometr „wykładniczy” o re− zystancji 22kΩ. Litera A oznacza charakterystykę li− niową, wykorzystywaną na przykład do regulacji barwy tonu – zapis np. 10kA oznacza potencjometr „liniowy” o rezystancji 10kΩ. Oczywiście gdy brak potencjometru o określonej charakterystyce, można prowizorycznie zastosować jakikolwiek inny o ta− kiej samej rezystancji. Obecnie najpopularniejsze są miniaturowe po− tencjometry montażowe węglowe i cermetowe, a w zastosowaniach wymagających dużej precyzji i stałości w czasie stosuje się (cermetowe) helitri− my. Wszystkie mają charakterystykę liniową. Elektronika dla Wszystkich Zadziwiające własności zwykłej diody... Diody wykorzystuje się przede wszystkim do pro− stowania prądu zmiennego. Będziemy się tym zaj− Tyrystor jest trzykońcówkowym A elementem przełą− czającym. Kiedyś bywał na− G zywany sterowaną diodą. Wygląd bramka K współczesnych tyry− storów pokazuje fo− tografia poniżej. Na schematach tyrystory zazwyczaj oznacza się literkami Ty, ale nie jest to regułą. Również tyrystor nieco przypomina działaniem tranzystor NPN. Jednak w odróżnieniu od tranzystora, tyrystor może mieć tylko dwa stany: całkowitego przewo− dzenia i całkowitego zatkania. Jeśli choć przez chwilę popłynie prąd bramki (G), ty− rystor otworzy się na trwałe. Tyrystor moż− na wyłączyć tylko w jeden sposób – przery− wając na chwilę prąd obciążenia. Takie działanie może się wydać dziwne i mało przydatne w praktyce. W przemyśle, zwła− szcza w energetyce, nadal wykorzystuje się potężne tyrystory pracujące przy napięciach sieci energetycznej rzędu setek i tysięcy woltów oraz prądach setek i tysięcy ampe− rów. Natomiast przez hobbystów tyrystory są wykorzystywane coraz rzadziej. mować na następnej wyprawie. Teraz chciałbym Ci zwrócić uwagę na pewne specyficzne właści− wości diod. Jak wiesz, na typowej krzemowej diodzie wy− stępuje przy przepływie prądu spadek napięcia około 0,6...0,8V. Dokładna wartość napięcia prze− wodzenia zależy od płynącego prądu i od rozmia− rów złącza, czyli od gęstości pradu. W ćwiczeniu 4 sprawdziliśmy, że napięcie przewodzenia w zauważalny sposób zmienia się z temperaturą. Przy jednakowym prądzie diody zmniejsza się o około 2,2mV przy wzroście tem− peratury o 1oC. RysunekF pokazuje charakterystykę w kie− runku przewodzenia typowej diody krzemowej w jakiejś temperaturze. Jak widzisz, napięcie niewiele zmienia się przy dużych zmianach prądu. 87 T E C H N I K A L I A Wiesz już, że termistor jest czujnikiem temperatury. Niech w ukła− dzie z rysunku 10b rezystory R1=R2=10kΩ, a D1, D2 niech będą typu 1N4148. Pod− Rys. 11 grzewaj końców− kę jednej z diod gorącą lutownicą i sprawdzaj, jak zmienia się jej napięcie przewodzenia. Przełączając przełącznik Tyrystor ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ich napięcie przewodzenia jest znacznie wyższe niż „zwykłych” diod. Diody czer− wone z reguły mają napięcie przewodze− nia nieco niższe (ok. 1,6...2V) od diod żółtych i zielonych (ok. 2...2,2V). Przy jednakowych rezystorach R1, R2 włącz jako D1, D2 róż− Fot. 2 nokolorowe pary diod LED (czer− woną, żółtą i zieloną). Sprawdź ich napięcie prze− wodzenia. Nie lekce− waż takich prób. Jeśli masz multi− metr cyfro− wy, ustaw go na zakres na− pięcia stałego (2VDC, przy Ośla łączka A3 ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz Ośla łączka Termistor Termistor jest czujnikiem tem− peratury. Już symbol wskazuje, że ter− mistor jest odmianą rezystora, a więc jest elementem nie− biegunowym. Literka T lub t wskazuje na za− leżność od temperatury. Na schematach ozna− czany jest Tm lub R jako odmiana rezystora. O ile w zwykłych rezystorach zmiana rezy− stancji pod wpływem temperatury jest niepo− żądana, o tyle w termistorach specjalnie do− biera się materiały składowe, by rezystancja zmieniała się pod wpływem temperatury jak najwięcej. Najpopularniejsze są termistory NTC (Ne− gative Temperature Coefficient), w których rezystancja maleje ze wzrostem temperatury. Do specjalnych celów stosuje się termistory PTC (Positive Temperature Coefficient), w których rezystancja przy wzroście tempera− tury rośnie, czasem zadziwiająco gwałtownie. Termistory stosowane do różnych celów mają odmienny wygląd. Fotografia poniżej pokazuje termistory z oferty firmy Siemens. Mogą one pracować w zakresie temperatur do około +150oC. 44 Co się stanie, gdy podgrzejesz diodę, Podgrzewaj raz jeden, a po kilkudzie− dotykając lekko gorącą lutownicą jed− sięciu sekundach drugi tranzystor. Jak nej z jej nóżek? Dlaczego dioda LED zmienia się jasność LED−a? gaśnie? Gdy podgrzewasz T2, dioda świeci ja− Jak wiesz, napięcie na dio− śniej, bo zmniejsza się napięcie dzie wynosi około „progowe” tranzystora T2 0,6V i tyleż wyno− i otwiera się on bardziej si napięcie baza− przy tym samym na− emiter, po− pięciu otrzymywa− tani woltomierz ma rezystancję trzebne do nym z tranzystora otwarcia tran− T1. wewnętrzną równą 1MΩ. Pomiar zystora. Ze Przy okazji napięcia jest więc równoznaczny z wzrostem wspomnę, że dołączeniem do obwodu rezystora temperatury układ z rysunku 12 wartości 1MΩ. napięcie na dio− to tak zwane lustro dzie zmniejsza się prądowe, dość często i nie wystarcza już do wykorzystywane w prakty− otwarcia tranzystora, więc dioda ce. Rezystor R1 wyznacza wartość LED gaśnie. prądu I1. Co ciekawe, prąd I2 jest prawie Okazało się, że zwyczajna dioda jest taki sam jak I1, niezależnie od R2, który czujnikiem temperatury, i co ciekawe, można zastąpić zworą. Prądy I1, I2 są bywa wykorzystywana w tej roli. praktycznie równe, gdy tranzystory mają Zbuduj jeszcze układ według rysun− jednakowe parametry i jednakową tem− ku 12. Tranzystor, w którym zwarty peraturę. jest kolektor z bazą zachowuje się jak Piotr Górecki dioda. Czy wiesz, że... Ciąg dalszy w następnym numerze EdW Fot. 3 Informacje dotyczące zestawu EdW−03 do „Oślej łączki“ znajdują się na stronie 120. Inne czujniki temperatury Praktycznie wszystkie elementy zmieniają swoje parametry pod wpływem temperatu− ry. Dlatego oprócz termistorów, do pomiaru i regulacji temperatury często, a nawet czę− ściej od termistorów, wykorzystuje się zu− pełnie inne czujniki: diody i tranzystory, czujniki półprzewodnikowe (np. serii KTY...), tzw. termopary (wyposażenie mul− timetrów, w piecach gazowych), rezystan− cyjne czujniki platynowe (tzw. PT100), itd. Niektóre mogą mierzyć temperatury powy− żej 1000oC. Fotografia poniżej pokazuje kilka czujników. 88 T E C H N I K A L I A T E C H N I K A L I A Diody, wydające się prymitywnymi elementa− mi, mają inną interesującą właściwość. Jeśli na pionowej osi zaznaczymy wartość prądu w tak zwanej skali logarytmicznej, charakterystyka dio− dy dziwnie się wyprostuje − zobacz rysunek G). Dokładnie przeanalizuj oba rysunki – to naprawdę ta sama charakterystyka, tylko narysowana przy innych skalach prądu. Widać z tego, że dioda ma charakterystykę w pewnym sensie logarytmiczną. I rzeczywiście diody można wykorzystać do prze− prowadzania operacji logarytmowania na drodze elektronicznej. Te same właściwości (temperatu− rowe i logarytmiczne) ma też złącze baza−emiter każdego „zwykłego” tranzystora. Fot. G Fot. F Elektronika dla Wszystkich
