docOśla łączka - Nowa strona 2
download 
Reklamacja Transkrypt
Ośla łączka - Nowa strona 2
1 A1 Ośla łączka Elektronika dla początkujących, czyli wyprawy na oślą łączkę Gdy pierwszy raz w życiu stajesz na nartach, nie odbywa się to na szczycie Kasprowego. Szukasz jakiegoś łagodne− go, mało stromego stoku, jednym sło− wem – oślej łączki. Tam opanowujesz podstawowe zasady jazdy, skrętów, ha− mowania. Cieszysz się, że wybrałeś ła− godny, łatwy stok, a obserwatorów pra− wie nie ma. Przecież na początku nie za− wsze wszystko idzie dobrze – często się przewracasz, a skręcona noga długo boli. W końcu jednak nabywasz upragnio− ne umiejętności i przychodzi czas, gdy potrafisz zjechać z Kasprowego. Podobnie jest w elektronice. Jeśli je− szcze nic nie umiesz, to mogą Cię nieźle zestresować nawet najmniej skompliko− wane artykuły w najbardziej przystęp− nym czasopiśmie elektronicznym – Elektronice dla Wszystkich. Jeżeli jednak chcesz rozpocząć pięk− ną przygodę z elektroniką, to ten cykl artykułów jest dla Ciebie – zapraszam Cię na elektroniczną oślą łączkę. Bę− dziemy wspólnie odbywać kolejne wy− prawy w fascynujący świat elektroniki, w trakcie których będziesz budował układy, począwszy od najprostszych do coraz bardziej skomplikowanych. Jeśli będziesz podążał za mną, na pewno się nie zgubisz. I już na początku chciałbym wyja− śnić ważną sprawę. Wielu osobom elektronika wydaje się dziedziną bar− dzo trudną. Każdy rzut oka na „wnętrz− ności” współczesnych urządzeń elek− tronicznych potęguje takie wrażenie. Opinię taką przypieczętowują trudności i porażki tak charakterystyczne dla prób wykonania własnych (a nawet skopio− wania cudzych) układów elektronicz− nych. Rzeczywiście, współczesna elektroni− ka to niezmiernie szeroka dziedzina. Żaden człowiek nie jest dziś w stanie po− znać wszystkiego. Ty też nie masz na to szans, ale na szczęście nie o to chodzi! Prawdopodobnie i Ty będziesz w przy− szłości doskonałym fachowcem−elektroni− kiem. Nie będziesz jednak wiedział wszy− stkiego. I oto doszliśmy do sedna sprawy – w elektronice, zwłaszcza na początku, ko− Elektronika dla Wszystkich nieczna jest selekcja informacji, by za− jąć się tym, co najważniejsze dla prakty− ka. Rzecz w tym, by rozumieć przynaj− mniej w sposób uproszczony to, co rze− czywiście jest niezbędne i przydatne. Na tym etapie wiedza teoretyczna nie poma− ga, a ze względu na ogrom informacji – wręcz przeszkadza. Dlatego w niniej− szym cyklu wszelkie interpretacje fi− zyczne są mocno uproszczone (o ile w ogóle są), a główna uwaga skierowane jest na zagadnienia praktyczne. Uwydat− nia to charakterystyczna struktura kur− su, pozwalająca bawić się i uczyć jedno− cześnie. Kurs został tak pomyślany, by najpierw bawić, a dopiero potem uczyć. Dlatego każdy odcinek zawiera cztery bloki, wyróżnione kolorami. Niewątpliwie najbardziej atrakcyjne okażą się ćwiczenia praktyczne. Jest to podstawa całego kursu – jego część najważniejsza. Główna część umie− szczona jest na białym tle, a podane tam informacje całkowicie wystarczą do zbudowania i uruchomienia opisanych pożytecznych układów. Zdziwisz się, jak wiele przydatnych w praktyce ukła− dów można zbudować dosłownie z kil− ku elementów. Jeśli chcesz się nie tylko pobawić w uruchamianie układów, ale również cze− goś nauczyć, zajrzyj do wyróżnionego niebieskim kolorem ELEMENTarza, prezentującego elementy użyte w ćwi− czeniach oraz inne elementarne informa− cje. To drugi blok naszego kursu. Zachęcam Cię jednak, byś poświęcił więcej czasu i pomału, starannie przea− nalizował zamieszczone na żółtym tle TECHNIKALIA – czyli najważniejsze wyjaśnienia techniczne. Okaże się, iż ca− ła elektronika opiera się na kilku pro− stych zasadach. Większość z nich jest tak oczywista, że aż dziw bierze. Trzeba tylko zrozumieć co to jest prąd, napięcie oraz proste zasady z nimi związane. Trzeba też zrozumieć działanie tranzy− stora i kilku innych prostych elementów. I to są fundamenty. Potem jedno będzie wynikać z drugiego. Ostatni, czwarty blok − Biblioteczka praktyka − wyróżniony jest kolorem różowym i jest przeznaczony dla osób, które nie tylko chcą zrozumieć podsta− wy, ale też chcą projektować własne układy. W tej części prezentowane będą najważniejsze informacje dla młodego konstruktora oraz swego rodzaju klocki – sprawdzone gotowe rozwiązania, które można z powodzeniem wykorzystać we własnych konstrukcjach. Dociekliwi zainteresują się wszystki− mi czterema blokami. Natomiast niecier− pliwi i najmłodsi nie muszą czytać wszy− stkiego – poprzestając na wykonaniu atrakcyjnych układów z części białej niewątpliwie zaznają radości tworzenia oraz zaimponują kolegom i rodzicom. Zawsze mogą też zajrzeć do pozostałych części, by wzbogacić swą wiedzę. Cykl Ośla łączka obejmuje dwa główne nurty elektroniki i składa się z dwóch części. Każda część będzie się składać z kilku lub kilkunastu wypraw w przepiękny świat elektroniki. Prezen− towana dalej wyprawa pierwsza rozpo− czyna przygodę z tak zwaną techniką analogową. W przyszłości udamy się także na wyprawy w świat techniki cy− frowej. Kolejne wyprawy będą numero− wane – ta oznaczona jest A1 (A jak technika analogowa), natomiast pierw− sza wyprawa „cyfrowa” oznaczona bę− dzie C1. Ponieważ stopień trudności ko− lejnych wypraw będzie wzrastał, dlate− go aby proces nauki przebiegał bezbole− śnie, warto zaczynać od wyprawy pierwszej, najłatwiejszej. Piotr Górecki − autor cyklu P.S. Ponieważ kurs ma charakter wy− bitnie praktyczny i polega na wykony− waniu różnych atrakcyjnych układów, niezbędne są podzespoły elektroniczne. Można je zdobyć we własnym zakresie, np. od zaprzyjaźnionego elektronika. Kto miałby kłopoty ze zdobyciem po− trzebnych elementów, akcesoriów i na− rzędzi, może skorzystać z oferty wydaw− nictwa AVT i nabyć zestawy elementów kompletowane do poszczególnych lekcji − oferta na stronie 112. 39 A1 Ośla łączka 2 Wyprawa pierwsza − A1 Tajemnicza latarka, Siłomierz, Wykrywacz kłamstw, Systemy alarmowe złączka baterii − tzw. kijanka przewód przycisk izolowany kontaktron (microswitch) srebrzanka (rurka) bateria 9V zwykła dioda świecąca migająca rezystory różne diody świecące (LED) dowolny kolor tranzystory NPN (np. BC548) Proponowane ćwiczenia polegają na ze− stawieniu i zbadaniu prostych układów elektronicznych. Układy trzeba zesta− wić dokładnie według planu – schema− tu ideowego. Schemat ideowy pokazuje jak elementy mają być połączone. Za− miast rysować podobizny elementów, na schematach ideowych (elektrycz− nych) wykorzystuje się ich symbole. We wszystkich prezentowanych ukła− bateria litowa (np. CR2032) brzęczyk piezo z generatorem 12V dach nie jest ważne, jakimi sposobami zostaną połączone poszczególne koń− cówki – ważne jest tylko, by rzeczywi− sty układ połączeń był dokładnie taki, jak podaje schemat. Bardziej zaawanso− wani elektronicy lutują układy na płyt− kach drukowanych. Lutowanie nie jest trudne, więc możesz wykonywać kolej− ne ćwiczenia lutując elementy na tzw. płytkach uniwersalnych (w AVT można Prąd elektryczny przepływający przez ciało człowieka nie jest obojętny dla zdrowia. Czym większe napięcie, tym większy prąd i większy wpływ na orga− nizm. Napięcia nie przekraczające 24V uznaje się za bezwzględnie bezpiecz− ne. Napięcia rzędu 60V i więcej uznawane są za niebezpieczne. Napięcie w domowym gniazdku sieci energetycznej wynosi 220...230V – jest to więc na− pięcie groźne dla życia! Przeprowadzanie prób z układami dołączonymi wprost do sieci grozi śmiercią! Aby zapobiec nieszczęściu, należy zasilać budowane układy z baterii albo z użyciem fa− brycznego, atestowanego zasilacza, który co prawda jest dołączany do sieci, ale zasto− sowane rozwiązania zapewniają galwaniczną izolację od sieci i pełne bezpieczeństwo. 40 zasilacz wtyczkowy 9 ... 12V kupić zestawy takich płytek AVT−716, AVT−717, AVT−718). Można też na razie nie używać lutowni− cy. Fotografie w artykule pokazują róż− ne sposoby montażu: w tzw. pająku, na specjalnej płytce stykowej oraz z wyko− rzystaniem specjalnie przygotowanych modułów. Wspaniałą pomocą w montażu okaże się niewielka pinceta, najlepiej solidna pinceta lekarska (tanie blaszane pincety kosmetyczne nie są odpowiednie – war− to poszukać czegoś solidniejszego). Na− wet jeśli na początku wydaje Ci się, że pinceta bardziej przeszkadza niż poma− ga, przyzwyczajaj się do niej. Z czasem przekonasz się, że jest ona naprawdę po− żyteczna, wręcz niezbędna – czym wcześniej się przyzwyczaisz, tym lepiej. W każdym wypadku unikaj zginania wyprowadzeń tuż przy obudowie. Jeśli wyginasz końcówkę elementu, chwyć ją Elektronika dla Wszystkich 3 A1 Bardzo Cię proszę, byś już teraz sta− rał się wykonywać swą pracę starannie, równo, elegancko. Na pewno takie dobre nawyki przydadzą Ci się w przyszłości. Do zasilania układów możesz wyko− rzystać baterię 9V, zasilacz o napięciu 9...12V, ewentualnie niewielki akumula− tor o napięciu 9...12V. Zawsze zwracaj uwagę, by nie podłą− czyć źródła zasilania odwrotnie – może się to skończyć uszkodzeniem użytych elementów. Nigdy też nie zwieraj ze so− bą wyprowadzeń baterii czy zasilacza, Ćwiczenie 1 Rys. B Tajemnicza latarka Wykonaj miniaturową latarkę według fo− tografii 1 wykorzystując zwykłą, zieloną diodę LED oraz baterię litową (najlepiej CR2032, CR2450, CR2430, ale może być też CR2016, CR2025). Jeśli uda Ci się zamknąć baterię i diodę w jakiejś ma− łej obudowie, otrzymasz miniaturową la− tarkę, świecącą tajemniczym, zielonka− wym światłem. W dzień nie jest zbyt efektowna, ale po zapadnięciu zmroku... Zauważ, że dioda świeci tylko przy od− powiedniej biegunowości baterii − gdy połączysz dodatni biegun baterii z dłuż− szą końcówką diody. Przy odwrotnym dołączeniu baterii dioda na pewno nie zaświeci – podobnie jest w przypadku bardziej skomplikowanych układów – przy odwrotnym dołączeniu źródła zasi− lania układy nie będą działać, a nawet mogą ulec uszkodzeniu! Pamiętaj o tym, by uniknąć przykrych niespo− dzianek. Oczywiście w tajemniczej latarce mo− żesz wykorzystać diodę żółtą lub czer− woną. Zamiast baterii litowej możesz Od początku trzeba wiedzieć, że wbrew obiego− wym opiniom, w elektronice nie ma nic z magii − wszystkim rządzą ścisłe prawa i zależności. W procesorach komputerów, w kineskopach mo− nitorów i telewizorów, w głośnikach, w mikrofo− nach, w diodzie świecącej i laserze półprzewodni− kowym, telefonach – wszędzie kluczową rolę od− grywają elektrony. 1. Podstawową wielkością w elektronice jest PRĄD. Jak wiadomo, prąd to uporządkowany ruch elektronów. Prąd płynie w przewodach podobnie jak woda w rurach wodociągowych − czym więcej elektronów (wody) przepływa w jednostce czasu, tym większy prąd. Wartość prądu elektrycznego podajemy w amperach. Prąd o wartości jednego ampera (w skrócie 1A) to jak na układy elektro− niczne duży prąd − współczesne układy elektro− niczne pobierają prąd setki i tysiące razy mniej− szy. Dlatego w praktyce spotkasz jednostki znacz− nie mniejsze, np. miliampery (mA), mikroampery (µA oznaczane też uA), a nawet nanoampery i pi− koampery (nA, pA). W energetyce i przemyśle prądy mają natężenie tysięcy amperów, czyli kilo− amperów (kA). 2. Aby popłynął prąd, potrzebne jest jakieś źródło energii elektrycznej. Źródłem takim jest na przykład bateria albo zasilacz. Bateria i zasilacz mają dwa bieguny: dodatni i ujemny (częściej mówimy plus i minus). Wiele lat temu przyjęto, że prąd płynie od plusa do mi− Elektronika dla Wszystkich Fot. 1 Najpopularniejszy i najprostszy element elektro− niczny, zwany także oporni− kiem. Najważ− niejszym para− metrem jest re− zystancja, nazy− wana także opornością. Re− zystancja (opor− ność) to zdol− ność do prze− ciwstawiania się przepływo− wi prądu. Moż− na obrazowo powiedzieć, że czym większa rezystancja, tym prąd płynie „bardziej opornie”. Jednostką rezystancji jest om, oznaczany dużą grecką litera omega Ω. Najczęściej używane rezystory mają rezy− stancję w bardzo szerokim zakresie, od 1Ω do 22000000Ω, ale można spotkać rezystory o wartościach 0,01Ω...100000000Ω. Na schematach rezystory oznaczamy literą R z kolejnym numerem (R1, R2, R3...) i po− dajemy ich wartość (rezystancję). Rezystory i wszystkie inne elementy występujące w układzie powinny być ponumerowane. W zasadzie nie jest to konieczne, ale przeko− nasz się, że jest to bardzo pomocne przy opi− sywaniu działania układu oraz gdy dany ele− ment można łatwo odnaleźć na schemacie ideowym, schemacie montażowym, w wyka− zie elementów i na płytce. Przemysł produkuje rezystory o znormalizo− wanych wartościach (nominałach) i określonej tolerancji. Dawniej powszechnie wykorzysty− wano rezystory o tolerancji ±20% i 10%. Obe− cnie najpopularniejsze są rezystory o toleran− cji ±5%, czyli o nominałach z tak zwanego szeregu E24. Oznacza to, że kupując rezystor o nominale, powiedzmy, 2,4kΩ i tolerancji ±5%, trzeba się spodziewać, że w rzeczywi− stości jego rezystancja może wynosić 2,4kΩ±5%, czyli 2,28...2,52kΩ. Takie odchył− ki nie mają znaczenia – na razie możesz zupeł− nie zapomnieć o czymś takim jak tolerancja. W sklepie nie kupisz więc rezystora o dowol− nej wartości − popularne rezystory będą mieć nominały będące wielokrotnością następują− cych liczb: 10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91. nusa. Potem odkryto elektrony, będące nośnika− mi prądu. Okazało się, że elektrony w rzeczywi− stości wędrują od minusa do plusa, jednak to nie jest istotne − nadal przyjmujemy, iż prąd pły− nie od plusa do minusa, i zaznaczamy jak na rysunku poniżej. Podstawowym parame− trem baterii, akumulatora i zasilacza jest NAPIĘCIE. Jeśli prąd elektryczny porównaliśmy do prze− pływu wody, to napięcie możemy sobie wyobrazić jako ciśnienie wody w instalacji. TECHNIKALIA Rys. A bo zupełnie niepotrzebnie wyładujesz baterię, a zasilacz ulegnie przegrzaniu i uszkodzeniu! Osobiście radzę Ci, żebyś postarał się o niewielki (stabilizowany) zasilacz wtyczkowy np. 12V 200mA (9...12V 100...500mA) – taki jednorazowy zakup okaże się w sumie tańszy niż jednorazo− we baterie, które trzeba często zmieniać. Zdecydowanie nie polecam akumula− tora samochodowego. Z akumulatora można pobrać ogromny prąd, co w przy− padku błędu w montażu lub odwrotnego połączenia może skończyć się uszkodze− niem elementów, a nawet pożarem. Pa− miętaj też, że akumulator samochodowy zawiera silny kwas, który w razie wylania poparzy Ci skórę, uszkodzi oczy i zni− szczy wyposażenie mieszkania. Jeśli po− mimo moich ostrzeżeń koniecznie chciał− byś wykorzystać (stary) akumulator sa− mochodowy, koniecznie musisz dodać ża− rówkę 12V 10W (12V 5W...21W), która ograniczy prąd – ilustruje to rysunek B. ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz pincetą tuż przy obudowie i wygnij tylko wystającą część – ilustruje to rysunek A (na stronie 3). Ośla łączka Rezystor 41 A1 TECHNIKALIA ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz Ośla łączka To właśnie są wartości tak zwanego szeregu E24. Rezystory zazwyczaj znakowane są nie cy− frami, tylko kolorowymi paskami. Te koloro− we paski określają rezystancję w omach oraz tolerancję. Rysunek C pomoże rozszyfrować wartość dowolnego rezystora. Dwa pierwsze paski to cyfry znaczące, trzeci pasek to licz− ba zer – wartość wychodzi w omach. Czwar− ty pasek podaje tolerancję – w przypadku najpopularniejszych rezystorów 5−procento− wych pasek jest w kolorze złotym. Ten cały kod kolorów to naprawdę nic trud− nego. Szybko się nauczysz: 0 − czarny, 1 − brązowy, 2 − czerwony, 3 − pomarańczowy, 4 − żółty, 5 − zielony, 6 − niebieski, 7 – fioleto− wy, 8 − szary, 9 – biały. Rys. C Choć do rozszyfrowania wartości trzeba usta− lić, który pasek jest pierwszy, a który ostatni, obie końcówki rezystora są równorzędne; żadna nie jest w żaden sposób wyróżniona. Rezystor jest elementem niebiegunowym. Uwaga! W proponowanych ćwiczeniach wykorzystywane są jedynie rezystory z sze− regu E3, czyli o nominałach będących wielokrotnościami 10, 22 oraz 47. Pierw− sze dwa paski będą zawsze mieć kolory: brązowy czarny (1, 0) czerwony czerwony (2, 2) żółty fioletowy (4, 7) Trzeci pasek (mnożnik, liczba zer) pokaże wartość: złoty (−1) − wartości 1Ω, 2,2Ω, 4,7Ω czarny (0) – wartości 10Ω, 22Ω, 47Ω Napięcie mierzymy w woltach. Przykładowo, po− jedyncza bateria, popularny “paluszek” daje na− pięcie o niewielkiej wartości około półtora wolta (1,5V). Popularny „bloczek” ma napięcie 9V − dotknij dwa bieguny do języka − kłuje. Akumula− tor samochodowy ma napięcie 12V (nie dotykaj językiem). Co ciekawe, napięcie nie jest związa− 42 wykorzystać dwie małe guzikowe (ze− garkowe) 1,5−woltowe, np. LR44 (w żadnym wypadku nie używaj dwóch „paluszków” R6). Sprawdź też, czy ja− Ćwiczenie 2 Zestaw układ we− dług rysunku 1 używając zwykłej diody LED. Po− mocą będzie rów− nież fotografia 2. Sprawdź, jak 4 kakolwiek dioda zaświeci przy zasilaniu z jednej baterii 1,5−woltowej. Uwaga! Nie dołączaj diody świecącej wprost do zasilacza! Prawo Ohma + łączone w szereg, dające w sumie 3V) wystarczą na około trzy miesiące ciągłej pracy. Jasność wprawdzie nie jest rewe− lacyjna, ale w ciemności wystarczy − mo− że zechcesz wstawić gdzieś taką intrygu− jącą „wieczną lampkę”, budzącą zacieka− wienie przechodniów i sąsiadów? − Rys. 1 Fot. 2 świeci dioda, gdy napię− cie zasilania wynosi 3V (bateria litowa), a jak świeci, gdy napięcie wy− nosi 9V (bateria 6F22) lub 12V (zasilacz) – czym większe napięcie, tym większy prąd i dio− Ω da świeci jaśniej. Przy napięciu zasilania 6...15V (np. bateria 9V lub zasilacz) sprawdź, jak jasność diody zależy od wartości rezystora Rx. Sprawdź, jak świeci dio− da, gdy Rx ma wartość: 220Ω (czerwony, czerwo− ny, brązowy), 1kΩ (brą− zowy, czarny, czerwony), 10kΩ (brązowy, czarny, pomarańczowy), 100kΩ (brązowy, czarny, żółty), 1MΩ (brą− zowy, czarny, zielony), 10MΩ (brązowy, czarny, niebieski). Przy jakiej wartości rezy− stora nie dostrzegasz już świecenia diody? Przekonałeś się, że czym większa rezy− stancja, tym mniejszy prąd i dioda świe− ci słabiej. Możesz być z siebie dumny, bo oto po− znałeś podstawowe zależności rządzące elektroniką – eksperymentalnie przeko− nałeś się, jaki jest sens słynnego prawa Ohma (czytaj oma). Gdy rezystor Rx będzie mieć 1kΩ, dwa dobre, alkaliczne „paluszki” R6 (po− Uwaga! W trakcie przygotowywania i sprawdzania ćwiczeń okazało się, że możesz napotkać na nieoczekiwaną niespodziankę. Mianowicie zasilacz 9− woltowy ma złączkę wyjściową identy− czną jak bateria 9V. Niestety, biegunowość napięcia na tej złączce jest odwrotna niż w baterii! Jeśli wykorzystasz taki zasilacz i dołączysz do niego "kijankę", pamiętaj, że czerwony przewód będzie końcówką ujemną − odwrotnie niż zazwyczaj. To dość istotna wada, o której musisz pamiętać, by dołączając do "kijanki" zasi− lacz 9V, a potem baterię czegoś nie zepsuć. W przypadku zasilacza 12V takiego problemu nie ma (brak złączki "baterio podobnej") − prawdopodobnie obetniesz wtyczkę i wykorzystasz odizolowane końce przewodów zasilacza. Zaznacz przewód "plusowy" zawiązując na nim supełek. W tym ćwiczeniu masz możliwość sprawdzić biegunowość przewodów zasilacza. ne z wielkością baterii − maleńka bateryjka do pi− lotów (fotografia obok) też daje napięcie 12V. Jak się łatwo domyślić, wielkość baterii związana jest z ilością zawartej w niej energii. Mała żarów− ka dołączona do akumulatora samochodowego będzie świecić co najmniej kilka dni, a dołączona do baterii od pilota zaświeci tylko na chwilę albo nawet nie zaświeci wcale. Współczesne układy elektroniczne są zasilane na− pięciami w zakresie 3...12V, czasem 24V. W ukła− dach tych często interesują nas bardzo małe napię− cia czy różnice napięć, wyrażane w miliwoltach (mV), a nawet w mikrowoltach (µV oznaczane też uV). W technice wysokich napięć popularną jedno− stką są kilowolty (kV). Uwaga! Prąd i napięcie to nie jest to samo! W instalacji wodociągowej może panować duże ciśnienie (napięcie), ale jeśli wszystkie krany są pozakręcane, to woda (prąd) nie płynie. Dokła− dnie tak jest z napięciem i prądem. Jeśli bateria (zasilacz) nie jest do niczego podłą− Rys. J czona, to na jej biegunach wystę− puje napięcie, ale prąd nie płynie. Żeby popłynął prąd, do baterii trzeba dołączyć jakieś obciążenie, Elektronika dla Wszystkich 5 A1 Ośla łączka Rezystancja wewnętrzna baterii Ceny elementów elektronicznych są na tym mniejsza rezystancja wewnętrzna. tyle niskie, że śmiało możesz zepsuć nie− Baterie alkaliczne mają mniejszą rezy− które w ramach eksperymentów. Sam stancję wewnętrzną – dlatego w tym jednak zdecyduj, czy chcesz ryzykować ćwiczeniu miałeś wykorzystać baterię zniszczenie elementów. Uwaga! Pod− zwykłą, nie alkaliczną. Akumulatory czas takich prób elementy mogą się sil− mają rezystancję wewnętrzną znacznie nie nagrzewać, co grozi poparzeniem! mniejszą niż jakiekolwiek baterie jed− Jeśli się zdecydujesz, podłącz na chwilę norazowe – można więc z nich pobrać diodę LED bezpośrednio do zwykłej ba− duży prąd. terii 9V typu 6F22. Uwaga! Musi to być Możesz mi wierzyć na słowo − gdy tania, zwykła bateria, a nie droga ba− przeprowadzałem testy przygotowują− teria alkaliczna (nie powinna mieć na− ce to ćwiczenie, dwie diody czerwone pisu alkaline). podłączone do dobrej 9− Na podstawie wcze− woltowej baterii al− Czy wiesz że ... śniejszych prób kalicznej (Dura− nazwa elektronika pochodzi od elektronu. mogłeś się cell) wydały Starożytni Grecy elektronem nazywali bursztyn spodziewać, że krótki błysk (który u nich w tamtych czasach był rzadkością, sprowa− przy napięciu i momental− 9V i bez rezy− dzaną z dalekiej północy, między innymi z terenów dzisiej− nie się spali− stora ograni− szej Polski). Zauważyli oni, że bursztyn pocierany tkani− ły. Zielona ną przyciąga potem kurz i drobne, lekkie przedmioty. czającego prąd dioda dołą− Znacznie później elektronem nazwano cząstkę diody będzie bar− czona do tej elementarną, jeden z podstawowych dzo duży. Jasność baterii alkalicznej składników atomu. świecenia diody wskazu− świeciła kolorem... je jednak, że w obwodzie jest pomarańczowym, a żółta – jednak rezystancja ograniczająca prąd. czerwonym. Wyprowadzenia silnie się Tak, to wewnętrzna rezystancja baterii. nagrzewały i o mało nie poparzyłem Każde źródło zasilania (bateria, akumu− sobie palców. Diody dołączone do zasi− lator, zasilacz) zachowuje się, jakby lacza natychmiast ulegały uszkodzeniu, w środku oprócz „czystego źródła na− a nawet pojawił się dym. Zastanów się pięcia” była jakaś rezystancja − zobacz więc, czy chcesz wykonać takie ekspe− rysunek 2. Taką samą sytuację miałeś rymenty. Chodzi przede wszystkim w ćwiczeniu 1 – prąd diody był ograni− o to, żebyś zrozumiał, że miniaturowe czony przez (znaczną) rezystancję we− elementy mają ograniczoną wytrzyma− wnętrzną baterii litowej. Często zapo− łość i przy zbyt dużych prądach po pro− minamy o rezystancji wewnętrznej, stu się zepsują. Właśnie dlatego musi− a ma ona duże znaczenie w praktyce my stosować rezystory ograniczające i zwykle jest wadą nie zaletą. Czym prąd. mniejsza rezy− Aby celowo zepsuć diody czy inne ele− stancja wewnę− menty, musisz dysponować źródłem trzna, tym energii, które może dostarczyć prądu większy prąd o wartości co najmniej kilkuset miliam− można pobrać perów. Może to być zasilacz, akumulator z tego źródła. albo zestaw baterii. Jeśli zamierzasz wy− G e n e r a l n i e , korzystać akumulator, koniecznie dołącz czym większa diodę przez żarówkę 12V 2...5W według Rys. 2 jest bateria, rysunku ze strony 41. Elektronika dla Wszystkich We wszystkich układach, jakie napotkasz w swej praktyce, prąd jest ściśle związany z napięciem – jeśli płynie prąd, to występuje też napięcie. Jed− nak obecność napięcia nie gwarantuje przepływu prądu. Dlaczego? Kluczem jest tu oporność, ściślej − rezystancja. Niektóre materiały, takie jak guma, papier, drewno, tworzywa sztuczne, szkło, nie chcą przewodzić prądu elektrycznego. Stawiają mu opór. Są to tak zwane izolatory (dielektryki). Na początek (choć nie jest to prawdą) możesz przyjąć, że izolatory stawiają opór nieskończenie wielki i żaden prąd przez nie nie płynie. Metale, na przykład miedź, srebro, złoto, alumi− nium, chętnie przewodzą prąd elektryczny. Sta− 1kΩ 2,2kΩ 2,4kΩ Oprócz takich najpopularniejszych rezysto− rów, produkowane są też inne. Oznaczane są w różny sposób. Fotografia poniżej pokazu− je niektóre takie rezystory. Wartość rezysto− rów (i nie tylko rezystorów) jest bardzo czę− sto podawana w niecodzienny sposób – wię− cej szczegółów możesz znaleźć w rubryce TECHNIKALIA różne rezystory . Dioda LED (dioda elektroluminescen− cyjna, LED − Light Emitting Diode) Element elektroniczny (pół− przewodnikowy), który świeci przy przepływie prą− du. W zależności od zastoso− wanego materiału struktury, diody świecą światłem o ko− lorach czerwonym, zielo− − + nym, żółtym bądź niebie− skim. Diody niebieskie są znacznie droższe od innych. Nie ma diod fioletowych, są natomiast diody świecące niewidzialnym światłem podczerwonym (oznaczane IRED od InfraRED − podczer− wień). Każdy pilot telewizyjny zawiera diodę podczerwoną. wiają mu bardzo mały opór. Inne metale, jak że− lazo, nikiel, ołów, cyna, chrom, wolfram, osm, stawiają przepływowi prądu nieco większy opór. Niektóre inne materiały, na przykład grafit (odmiana węgla), specjalne tworzywa sztuczne oraz liczne płyny (np. roztwór soli w wodzie) też przewodzą prąd, stawiając mu jednak pewien znaczący opór. Istnieją też tak zwane nadprzewodniki, które o dziwo, wcale nie stawiają oporu – to jednak zu− pełnie inna historia. Nadprzewodniki można spo− tkać tylko w dużych laboratoriach. Spodziewasz się na pewno, że są jeszcze inne ma− teriały, które ze względu na oporność wobec prą− du mieszczą się gdzieś między przewodnikami 75 TECHNIKALIA na przykład rezystor i diodę świecącą, jak na ry− sunku J. Na rysunku tym zaznaczono napięcie (9 woltów) i prąd (12 miliamperów) − napięcie oznacza się literą U (w krajach anglojęzycznych literą V od Voltage). Z kolei prąd zawsze oznacza się literą I. W swojej przyszłej praktyce napotkasz kilka przypadków: − napięcia nie ma, prąd nie płynie − oczywiste, − napięcie jest, prąd nie płynie − np. bateria bez obciążenia, − napięcie jest, prąd płynie – sytuacja w układach elektronicznych, − napięcia nie ma, prąd płynie – niemożliwe, z wyjątkiem tzw. nadprzewodników. brązowy (1) – wartości 100Ω, 220Ω, 470Ω czerwony– wartości 1kΩ, 2,2kΩ, 4,7kΩ pomarańczowy– wartości 10kΩ, 22kΩ, 47kΩ żółty– wartości 100kΩ, 220kΩ, 470kΩ zielony– wartości 1MΩ, 2,2MΩ, 4,7MΩ niebieski − wartości 10MΩ, ewentualnie 22MΩ ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz Ćwiczenie 3 A1 TECHNIKALIA Uwaga! Dioda przewodzi prąd tylko w jed− nym kierunku i tylko wtedy świeci. W prze− ciwieństwie do rezystora, każda dioda jest elementem biegunowym – nie jest obojętne, gdzie zostaną dołączone końcówki. Typowej diody LED nie wolno dołączać wprost do źródła napięcia! Wymagany jest rezystor ograniczający prąd (wyjątkiem są znacznie rzadziej spotykane diody migające i diody z wbudowanym rezystorem). Diody świecące mogą mieć różne obudowy, ale nie ma kłopotu z identyfikacją końcówek. Końcówka dodatnia (anoda) jest zawsze dłuższa. W razie wątpliwości można jednak zawsze sprawdzić diodę w układzie z rysun− ku D. Przy odwrotnym włączeniu zwykła dioda nie zaświeci, ale też nie ulegnie uszko− dzeniu. Istnieją też diody dwu−, a nawet trzykolorowe. Na schematach diody oznaczamy albo literą D, albo LED i kolejnym numerem. Rys. D Migająca dioda LED + Element ten oprócz diody LED ma wbudo− wany miniaturowy układ sterujący, dzięki te− mu może (i powinien) być zasilany bezpośre− dnio, z pominięciem rezystora ograniczające− go. Migające LED−y można poznać po ciem− nej plamce wewnątrz obudowy. Diody miga− jące nie mają specjalnego symbolu. Na sche− matach wykorzystuje się symbol zwykłej diody LED. I ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz Ośla łączka a nieprzewodnikami (izolatorami). Może myślisz, że są to półprzewodniki. Jest w tym coś z prawdy (tzw. półprzewodniki sa− moistne), ale nie jest to najszczęśliwsze wyobra− żenie − słowo półprzewodniki słusznie kojarzy się z tranzystorami, układami scalonymi i całą zadzi− wiającą elektroniką, a nie z jakimiś substancjami kiepsko przewodzącymi prąd. Elementy półprze− wodnikowe to zupełnie nowa jakość i fantastycz− ne możliwości: wzmacniają, przetwarzają, liczą i tworzą wszystkie cuda i cudeńka współczesnej elektroniki. Na razie nie musisz się w to wgłębiać – nie traktuj jednak półprzewodników jedynie ja− ko czegoś pośredniego między przewodnikami a izolatorami. 76 Nie proponuję Ci jednak prób polegają− cych na zwieraniu biegunów źródła zasi− lania – baterii albo zasilacza. Takie próby naprawdę nie mają sensu – bateria po prostu się wyczerpie, a zasilacz może się zepsuć. Ćwiczenie 4 6 W żadnym wypadku nie podłączaj diody LED, ani in− nego elementu do sieci ener− getycznej! Migająca dioda LED Zestaw układ we− dług wcześniej− szego rysunku 3, ale zamiast zwy− kłej diody wyko− rzystaj diodę mi− gającą (z wbudo− Rys. 3 wanym impulsa− torem). Poznasz ją po ciemnej plamce we− wnątrz obudowy. Pomocą będzie również fotografia 3. Najpierw zewrzyj punkty A, B (Rx=0). Nie bój się! Dioda ładnie miga. Sprawdź, przy jakich wartościach Rx dioda poprawnie pracuje. Kolejno jako Rx dołączaj rezystory o co− raz większej oporności: 10Ω (brązowy, czarny, czarny), 100Ω (brązowy, czarny, brązowy), 1kΩ (brązowy, czarny, czerwo− ny), 10kΩ (brązowy, czarny, pomarańczo− wy), 100kΩ (brązowy, czarny, żółty),... Co się dzieje? Przy jakiej rezystancji dioda przestaje pełnić swoje funkcje? Już zauwa− żyłeś, dioda migająca w normalnym ukła− dzie pracy nie ma rezystora ograniczające− go. Dioda migająca zachowuje się zupeł− nie inaczej niż zwykła dioda LED właśnie ze względu na obecność układu sterujące− go − scalonego impulsatora. Sprawdź jeszcze, czy dioda migająca bę− dzie pracować przy napięciu zasilania 4,5V (tzw. bateria płaska lub trzy palu− szki), 3V (bateria litowa lub dwa palu− szki), ewentualnie 1,5V (paluszek)? Fot. 3 ciemna plamka Ćwiczenie 5 Tranzystor jako wzmacniacz prądu Zmontuj układ według rysunku 4 wy− korzystując dwie jednakowe zwykłe dio− dy LED, dwa rezystory i tranzystor NPN (BC548). Pomocą będzie fotografia 4. Niech rezystor R1, ograniczający prąd diody D2, ma wartość 1kΩ (brązowy, czarny, czerwony). Sprawdź jasność obu diod, stosując Rx o wartościach 1kΩ, 10kΩ, 100kΩ, 1MΩ, 10MΩ. A co się dzieje, gdy nie ma rezystora Rx (rezy− stancja nieskończenie wielka)? Przy ja− kiej wartości Rx nie dostrzegasz już świecenia diody D1? A przy jakiej war− tości Rx przestaje świecić dioda D2? Na razie zapamiętaj, że różne substancje stawia− ją prądowi elektrycznemu różny opór. Ten opór nazywa się rezystancją. Jednostką rezystancji jest om, oznaczany dużą grecką literą omega Ω. Jeden om (1Ω) to mała rezy− stancja. W elektronice częściej mamy do czynienia z kilooma− mi (kΩ). Duże rezystancje wy− rażamy w megaomach (MΩ), a bardzo małe w miliomach (mΩ). Na przykład kawałek miedzianego drutu ma rezy− stancję kilku...kilkunastu mili− omów. Czasem mówi się też Rys. K o gigaomach (GΩ) i teraomach Rys. 4 (TΩ) − takie rezystancje mają materiały uważane za izolatory. A teraz sprawa najważniejsza. Rysunek K ilustru− je zależność prądu od napięcia − pokazuje kilka Elektronika dla Wszystkich 7 A1 Ośla łączka Fot. 4 Ćwiczenie 6 NPN Rys. 5 Jeśli chcesz, możesz sprawdzić, czy układ będzie pracował, gdy inaczej za− mienisz miejscami punkty dołączenia kolektora i emitera albo gdy w układzie z rysunku 4 zamiast tranzystora NPN za− stosujesz PNP (BC558). Uwaga 1. Nie zwieraj punktów A, B (Rx=0), bo przez diodę D1 i obwód ba− za−emiter tranzystora popłynie duży prąd, ograniczony tylko rezystancją wewnętrz− na baterii (zasilacza) – prąd ten może uszkodzić i diodę, i tranzystor. Uwaga 2. Zarówno w tym, jak i następ− nych ćwiczeniach sprawdzaj jasność świe− cenia diody, gdy zmontujesz układ i gdy nie będziesz dotykał najczulszych obwo− dów. Najprawdopodobniej nawet bez re− zystora Rx dotykanie obwodu bazy tranzy− stora palcem spowoduje świecenie diody D2. Nie dziw się, ciało człowieka działa w tym wypadku jak antena. Układ Darlingtona Zestaw układ według rysunku 6. Pomocą będą fotografie 5a i 5b. Pokazano tu dwa modele. Jeden wykonany jest jako tzw. pająk. Drugi zmontowany jest na specjal− nej płytce stykowej. Taka uniwersalna płytka stykowa jest znakomitą pomocą Rys. 6 L Elektronika dla Wszystkich przy montażu różnych próbnych ukła− dów. Jeśli postarasz się o taką płytkę, szybko docenisz jej zalety. A teraz wracamy do układu. Tak jak po− przednio dołączaj jako Rx rezystory o war− tościach od 1kΩ do 10MΩ. Przy jakiej Fot. 5a przypadków, gdy napięcie zmienia się, a rezystancja jest jednakowa. Rysunek L pokazuje zależność prądu od rezystan− cji, gdy napięcie jest stałe − natężenie prądu zależy od oporu (rezystancji) R. Zależności te sprawdzałeś w ćwiczeniu 2. Jeśli zrozumiałeś, o co tu chodzi, to przyswoiłeś sobie najważniejsze prawo elektroniki i elektrotechniki − prawo Ohma (czytaj: oma). Nie ucz się na pa− mięć formułki − chodzi o to, żebyś o każ− PNP Tranzystor, ściślej tranzystor bipolarny (ina− czej „zwykły” tranzystor) to podstawowy element wzmacniający, posiadający trzy koń− cówki. Można w uproszczeniu powiedzieć, że końcówką wejściową jest baza, wyjściową − kolektor. Istnieją tranzystory bipolarne typu n−p−n (NPN) oraz p−n−p (PNP). Różnica po− lega na kierunku przepływu prądów − ilustru− je to rysunek E. Rys. E Działanie tranzystora jest bardzo proste – wzmacnia on prąd. Jeśli prąd bazy jest równy zeru, to i prąd kolektora jest równy zeru. Je− śli w obwodzie baza−emiter zacznie płynąć prąd, to w obwodzie kolektor−emiter popły− nie prąd znacznie większy − mówimy, że tranzystor się otwiera. Istotnym parametrem tranzystora jest wzmocnienie, czyli stosunek prądu kolektora do prądu bazy. Ten współ− czynnik wzmocnienia prądowego, oznaczany często grecką literą beta β, dla najpopular− niejszych współczesnych tranzystorów wy− nosi 100...500. Już to pokazuje, że trzeba odpowiednio dołą− czyć wyprowadzenia. Przy błędnym włącze− niu łatwo można tranzystor uszkodzić. Uwaga 1. Prąd bazy i prąd kolektora nie mo− gą być zbyt duże, by nie spowodowały uszkodzenia tranzystora. Uwaga 2. Obwód kolektor−emiter nie jest od− powiednikiem baterii, to znaczy nie wytwa− dej porze dnia i nocy rozumiał: czym większe na− pięcie, tym większy prąd, a czym większy opór (re− zystancja) tym prąd jest mniejszy. Proste, prawda? W praktyce będziesz bardzo, bardzo często wyko− rzystywał wzór wyrażający prawo Ohma: I=U/R gdzie U − napięcie, I − prąd, R − rezystancja. Znając dowolne dwie wielkości, bez trudu obliczysz trze− cią. Koniecznie naucz się więc trzech podstawo− wych wzorów, z których będziesz bardzo często korzystać: 77 TECHNIKALIA Rys. Tranzystor (bipolarny) ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELE Przekonałeś się naocznie, że tranzystor wzmacnia prąd (prąd bazy) płynący przez Rx i diodę D1. Przy dużych wartościach Rx przez diodę D2 płynie prąd (prąd ko− lektora) co najmniej 100−krotnie większy niż przez Rx i D1. Na rysunku 4 czerwo− nymi strzałkami zaznaczyłem prąd bazy (IB), prąd kolektora (IC) i prąd emitera (IE). Zwróć uwagę na kierunek przepływu prą− dów w tranzystorze NPN – prąd emitera jest zawsze sumą prądów kolektora i bazy. Zapoznałeś się oto z najpopularniejszym tranzystorem typu NPN. Układ o iden− tycznych właściwościach możesz zesta− wić według rysunku 5, stosując tranzy− stor typu PNP (BC558), który różni się od wcześniej użytego tranzystora NPN tylko kierunkiem przepływu prądów. A1 ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz rza prądu. Prąd pochodzi z zewnętrznego źródła (baterii, zasilacza), a obwód kolektor− emiter jest jakby sterowanym rezystorem (re− zystorem o zmiennej wartości) − zobacz ry− sunek F. Lepiej jednak nie wyobrażać sobie go jako zmiennej rezystancji, tylko pamiętać, że prąd kolektora jest β razy większy od prą− du sterującego (prądu bazy). Uwaga 3. Istotne jest, że w typowych tranzy− storach podczas przepływu prądu bazy napięcie na złączu baza−emiter wynosi 0,55...0,7V i bar− dzo mało zmienia się nawet przy dużych zmia− nach prądu. Można przyjąć, że napięcie baza− emiter wynosi podczas normalnej pracy 0,6V. Wynika z tego bardzo ważny wniosek prak− tyczny: do otwarcia tranzystora (typowe− go tranzystora krzemowego) potrzebne jest napięcie baza−emiter około 0,6V. Je− śli napięcie na złączu baza−emiter jest mniejsze niż 0,5V, to tranzystor na pewno nie przewodzi (jeśli przewo− Rys. F dzi – jest uszkodzony). Jeśli napięcie to jest większe niż 0,8V, tran− zystor na pew− no jest nieod− wracalnie uszkodzony. Ilustruje to rysunek G. Dotyczy to zarów− no tranzystorów NPN, jak i PNP. Na schematach tranzystory oznaczamy zwy− kle literką T i kolejnym numerem. Na zagra− nicznych schematach zamiast T stosuje się często literę Q. W niektórych zastosowaniach wykorzystuje się połączenie dwóch tranzystorów w tak zwanym układzie Darlingtona. Wzmocnie− nie jest tu bardzo duże i jest iloczynem TECHNIKALIA TECHNIKALIA Ośla łączka I=U/R R=U/I U=I*R Jak wspominałem, w elektro− nice bardzo często mamy do czynienia z prądami, napięcia− mi, rezystancjami o warto− ściach wielokrotnie większych lub mniejszych niż amper, wolt czy om. Dlatego po− wszechnie używamy jednostek tysiące, miliony i miliardy ra− zy mniejszych lub większych, na przykład miliwoltów, mi− kroamperów, megaomów czy nanofaradów. W tabeli 1 (obok) znajdziesz bliższe in− formacje na ten temat. 8 Rys. 7 wartości Rx nie dostrzegasz świecenia dio− dy D2? Tym razem dioda D3 będzie jasno świecić nawet przy bardzo dużych warto− ściach rezystancji Rx. Czy może coś się zepsuło? Sprawdź, czy diody będą świecić przy braku Rx? Jeśli przy braku Rx D2 nie świeci, oznacza to, że układ działa, tylko jest niesamowicie czuły! Wzmocnienie prądowe jest bardzo duże. Uwaga! Nie zwieraj Rx, bo możesz ze− psuć D1 i tranzystory. Radzę Ci także sprawdzić działanie układów z rysunku 7. Z Rx o wartości 10MΩ – przekonaj się, jak duże wzmocnienie prądowe zapewniają dwa tranzystory. W każdym przypadku prąd płynący w obwodzie kolektor−emiter T1 staje się prądem bazy T2. Wypad− kowe wzmocnienie prądowe jest ilo− czynem wzmocnienia obu tranzysto− rów. Jeśli każdy z nich ma wzmocnie− nie na przykład 100, to wypadkowe wzmocnienie wyniesie 10 000. Przea− nalizuj kierunek przepływu prądów wzmocnienia obu tranzystorów. Ilustruje to rysunek H. Oprócz zalet, takie połączenie Fot. 5b w tych układach – przyda Ci się to w przyszłości. Piotr Górecki Ciag dalszy w nastepnym numerze EdW. ma pewne wady, dlatego nie wyparło poje− dynczych tranzystorów. Rys. G c.d.n. Rys. H c.d.n. 78 mnożnik nazwa symbol 1 000 000 000 000 000 000 = 1018 1 000 000 000 000 000 = 1015 1 000 000 000 000 = 1012 1 000 000 000 = 109 1 000 000 = 106 1 000 = 103 eksa peta tera giga mega kilo E P T G M k 14EB=14000000000000000000 − 14 eksabajtów hekto deka h da nie używane w elektronice nie używane w elektronice 100 = 10 1 10 = 10 2 przykład 2PFLOP=2000000000000000FLOP – 2 petaflopy 1TΩ=1000000000000Ω − 1 bilion omów 6GHz=6000000000Hz − 6 miliardów herców 77MW=77000000W − 77 milionów watów 100kV=100000 − 100 tysięcy woltów 0 − − 15V – piętnaście woltów −1 decy centy d c nie używane w elektronice nie używane w elektronice mili mikro nano piko femto atto m µ n p f a 1 = 10 0,1 = 10 −2 0,01 = 10 −3 0,001 = 10 0,000 001 = 10−6 0,000 000 001 = 10−9 0,000 000 000 001 = 10−12 0,000 000 000 000 001 = 10−15 0,000 000 000 000 000 001 = 10−18 3ms=0,001s − 3 tysięczne części sekundy 11µA=0,000 011A − 11 milionowych części ampera 50nH 0,000 000 05H − 50 miliardowych części henra 5pl=0,000 000 000 005l = 5 bilionowych części litra 3fF=0,000 000 000 000 003F – 300 biliardowych farada Elektronika dla Wszystkich
