Elektronika dla początkujących, czyli wyprawy na oślą łączkę

Transkrypt

1 1 A1 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 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 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

2 A1 2 Wyprawa pierwsza A1 Tajemnicza latarka, Siłomierz, Wykrywacz kłamstw, Systemy alarmowe złączka baterii tzw. kijanka przycisk (microswitch) przewód izolowany srebrzanka kontaktron (rurka) bateria 9V zwykła dioda świecąca migająca rezystory różne diody świecące (LED) dowolny kolor tranzystory NPN (np. BC548) bateria litowa (np. CR2032) brzęczyk piezo z generatorem 12V zasilacz wtyczkowy V 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 40 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 V 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. 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

3 3 A1 pincetą tuż przy obudowie i wygnij tylko wystającą część ilustruje to rysunek A (na stronie 3). Rys. A 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 V, ewentualnie niewielki akumula tor o napięciu V. 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, 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 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 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 mA) 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. Rys. B Ćwiczenie 1 Tajemnicza latarka 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 Fot. 1 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 Rezystor 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 Ω, ale można spotkać rezystory o wartościach 0,01Ω Ω. 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: 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. 41 ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz TECHNIKALIA

4 ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz 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 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 Prawo Ohma + Zestaw układ we dług rysunku 1 używając zwykłej diody LED. Po mocą będzie rów nież fotografia 2. Sprawdź, jak Rys. 1 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 V (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 A1 4 kakolwiek dioda zaświeci przy zasilaniu z jednej baterii 1,5 woltowej. Uwaga! Nie dołączaj diody świecącej wprost do zasilacza! 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? Fot. 2 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. TECHNIKALIA 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 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 V, 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 czona, to na jej Rys. J biegunach wystę puje napięcie, ale prąd nie płynie. Żeby popłynął prąd, do baterii trzeba dołączyć jakieś obciążenie, 42

5 5 A1 Ćwiczenie 3 Rezystancja wewnętrzna baterii Ceny elementów elektronicznych są na tyle niskie, że śmiało możesz zepsuć nie które w ramach eksperymentów. Sam jednak zdecyduj, czy chcesz ryzykować zniszczenie elementów. Uwaga! Pod czas takich prób elementy mogą się sil nie nagrzewać, co grozi poparzeniem! Jeśli się zdecydujesz, podłącz na chwilę diodę LED bezpośrednio do zwykłej ba terii 9V typu 6F22. Uwaga! Musi to być tania, zwykła bateria, a nie droga ba teria alkaliczna (nie powinna mieć na pisu alkaline). Na podstawie wcze śniejszych prób mogłeś się spodziewać, że przy napięciu 9V i bez rezy stora ograni czającego prąd diody będzie bar dzo duży. Jasność świecenia diody wskazu je jednak, że w obwodzie jest jednak rezystancja ograniczająca prąd. Tak, to wewnętrzna rezystancja baterii. Każde źródło zasilania (bateria, akumu lator, zasilacz) zachowuje się, jakby w środku oprócz czystego źródła na pięcia była jakaś rezystancja zobacz rysunek 2. Taką samą sytuację miałeś w ćwiczeniu 1 prąd diody był ograni czony przez (znaczną) rezystancję we wnętrzną baterii litowej. Często zapo minamy o rezystancji wewnętrznej, a ma ona duże znaczenie w praktyce i zwykle jest wadą nie zaletą. Czym mniejsza rezy stancja wewnę Rys. 2 trzna, tym większy prąd można pobrać z tego źródła. Generalnie, czym większa jest bateria, 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. tym mniejsza rezystancja wewnętrzna. Baterie alkaliczne mają mniejszą rezy stancję wewnętrzną dlatego w tym ćwiczeniu miałeś wykorzystać baterię zwykłą, nie alkaliczną. Akumulatory mają rezystancję wewnętrzną znacznie mniejszą niż jakiekolwiek baterie jed norazowe można więc z nich pobrać duży prąd. Możesz mi wierzyć na słowo gdy przeprowadzałem testy przygotowują ce to ćwiczenie, dwie diody czerwone podłączone do dobrej 9 Czy wiesz że... nazwa elektronika pochodzi od elektronu. Starożytni Grecy elektronem nazywali bursztyn (który u nich w tamtych czasach był rzadkością, sprowa dzaną z dalekiej północy, między innymi z terenów dzisiej szej Polski). Zauważyli oni, że bursztyn pocierany tkani ną przyciąga potem kurz i drobne, lekkie przedmioty. woltowej baterii al kalicznej (Dura cell) wydały krótki błysk i momental nie się spali ły. Zielona dioda dołą czona do tej baterii alkalicznej świeciła kolorem... pomarańczowym, a żółta czerwonym. Wyprowadzenia silnie się nagrzewały i o mało nie poparzyłem sobie palców. Diody dołączone do zasi lacza natychmiast ulegały uszkodzeniu, a nawet pojawił się dym. Zastanów się więc, czy chcesz wykonać takie ekspe rymenty. Chodzi przede wszystkim o to, żebyś zrozumiał, że miniaturowe elementy mają ograniczoną wytrzyma łość i przy zbyt dużych prądach po pro stu się zepsują. Właśnie dlatego musi my stosować rezystory ograniczające prąd. Aby celowo zepsuć diody czy inne ele menty, musisz dysponować źródłem energii, które może dostarczyć prądu o wartości co najmniej kilkuset miliam perów. Może to być zasilacz, akumulator albo zestaw baterii. Jeśli zamierzasz wy korzystać akumulator, koniecznie dołącz diodę przez żarówkę 12V 2...5W według rysunku ze strony 41. Znacznie później elektronem nazwano cząstkę elementarną, jeden z podstawowych składników atomu. 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 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 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 Ḋioda 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 różne rezystory + 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 ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz TECHNIKALIA

6 ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz TECHNIKALIA 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 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 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. Zestaw układ we dług wcześniej szego rysunku 3, ale zamiast zwy kłej diody wyko rzystaj diodę mi gającą (z wbudo wanym impulsa Rys. 3 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 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 o gigaomach (GΩ) i teraomach Rys. K A1 6 W żadnym wypadku nie podłączaj diody LED, ani in nego elementu do sieci ener getycznej! Ćwiczenie 4 Migająca dioda LED Ćwiczenie 5 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 Tranzystor jako wzmacniacz prądu Rys. 4 (TΩ) takie rezystancje mają materiały uważane za izolatory. A teraz sprawa najważniejsza. Rysunek K ilustru je zależność prądu od napięcia pokazuje kilka

7 7 A1 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 (I B ), prąd kolektora (I C ) i prąd emitera (I E ). 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. Fot. 4 Ćwiczenie 6 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 Rys. L 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 Fot. 5a Rys. 5 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 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 Tranzystor (bipolarny) NPN 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 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 ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELE TECHNIKALIA

8 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 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 Rys. G Rys. F 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 Przea nalizuj kierunek przepływu prądów wzmocnienia obu tranzystorów. Ilustruje to rysunek H. Oprócz zalet, takie połączenie Fot. 5b A1 8 Rys. 7 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. H c.d.n. TECHNIKALIA TECHNIKALIA 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. c.d.n. 78 mnożnik nazwa symbol przykład = eksa E 14EB= eksabajtów = peta P 2PFLOP= FLOP 2 petaflopy = tera T 1TΩ= Ω 1 bilion omów = 10 9 giga G 6GHz= Hz 6 miliardów herców = 10 6 mega M 77MW= W 77 milionów watów = 10 3 kilo k 100kV= tysięcy woltów 100 = 10 2 hekto h nie używane w elektronice 10 = 10 1 deka da nie używane w elektronice 1 = V piętnaście woltów 0,1 = 10 1 decy d nie używane w elektronice 0,01 = 10 2 centy c nie używane w elektronice 0,001 = 10 3 mili m 3ms=0,001s 3 tysięczne części sekundy 0, = 10 6 mikro µ 11µA=0, A 11 milionowych części ampera 0, = 10 9 nano n 50nH 0, H 50 miliardowych części henra 0, = piko p 5pl=0, l = 5 bilionowych części litra 0, = femto f 3fF=0, F 300 biliardowych farada 0, = atto a