Obsah Strana
Stavebnice pro elektrotechniky s LED
1. Úvod ................................................................................................................. 1 2. Seznam součástek a dalších součásti stavebnice ....................................... 3 Součásti stavebnice ..................................................................................................................... 3 Baterie.......................................................................................................................................... 3 Svítivé diody (LED) ...................................................................................................................... 3 Odpory (rezistory) ........................................................................................................................ 4 Tranzistor jako zesilovač (spínač)................................................................................................ 5 Kondenzátory (elektrolytické)....................................................................................................... 6
3. Technologie obvodů spínací techniky se svítivými diodami ....................... 6
Obj. č.: 19 22 98
Prahové hodnoty svítivých diod ................................................................................................... 6
4. Schéma zapojení obvodu ............................................................................... 7 5. Nástroje a přístroje, které budete potřebovat k sestavení obvodu ............. 7 6. Správné provádění pájení součástek ............................................................ 8 7. Pořadí osázení desky s plošnými spoji součástkami................................... 9 8. Otestování obvodu (osázené desky se součástkami) ................................ 10
1. Úvod Vážená zákaznice, vážený zákazníku, velice nás potěšilo, že jste se rozhodla (rozhodl) pro koupi této stavebnice, která Vás nebo Vaše děti zasvětí do tajů elektrotechniky LED a tranzistorů.
9. Příklady použití obvodu ................................................................................ 11 Dekorativní osvětlení ve tvaru velkého brouka........................................................................... 11 Zkoušečka napětí baterií (9 V) ................................................................................................... 11
Sestavením této stavebnice získáte dekorativní svítidlo se žlutým světlem, které sále mění intenzitu jasu jednotlivých blikajících LED. Žluté světlo šesti svítivých připomíná rotující světelné body. Toto svítidlo, které uložíte do vhodné průhledné krabičky, můžete dále použít jako orientační či nouzové osvětlení nebo jako zkoušečku baterií s jmenovitým napětím 9 V. Tento návod k sestavení stavebnice je součástí tohoto výrobku. Ponechte si proto tento návod k sestavení stavebnice a k jejímu použití, abyste si jej mohli kdykoliv přečíst. Jestliže tuto stavebnici prodáte nebo ji darujete, předejte kupci nebo darovanému tento návod k sestavení stavebnice a k jejímu použití.
2
2. Seznam součástek a dalších součásti stavebnice Součásti stavebnice •
Deska s plošnými spoji
•
6 žlutých LED
•
3 křemíkové tranzistory NPN „BC547C“
•
3 odpory (rezistory) 2,2 kΩ
•
3 odpory (rezistory) 100 kΩ
Odpory (rezistory) Odpory (rezistory), které jsou součástí této stavebnice mají uhlíkovou vrstvu a toleranci ± 5 %. Jinak jsou tyto odpory vyrobeny z keramické trubičky a jejich uhlíková odporová vrstvička je opatřena ochranným nátěrem (lakem). Příslušnou hodnotu odporu a její přesnost (toleranci) poznáte podle uspořádání barevných proužků na ochranném nátěru.
Odpor (rezistor) a jeho schématická značka
•
3 elektrolytické kondenzátory 47 µF
Hodnoty odporů s tolerancí ± 5 % odpovídají normované řadě E 24, přičemž každá dekáda zahrnuje 24 hodnot s přibližně stejným odstupem od sousední hodnoty.
•
Klips (konektor) k připojení baterie s jmenovitým napětím 9 V
Tabulka 1.1: Hodnoty odporů podle normované řady E 24
Dále budete potřebovat vhodnou páječku, cínovou pájku, štípací kleště a baterii 9 V.
1,0
1,2
1,3
1,4
1,5
Baterie
1,8
2,0
2,2
2,4
27
3,0
3,3
3,6
3,9
4,3
4,7
5,1
5,6
6,2
6,8
7,5
8,2
9,1
1,6
Barevné označení odporů proužky začíná prvním levým proužkem. První dva proužky znamenají dvě číslice základní hodnoty odporu, třetí proužek představuje násobitel (multiplikátor) základní hodnoty v ohmech (Ω) a čtvrtý proužek znamená toleranci. Tabulka 1.2: Barevné označení odporů
Destičková baterie 9 V a její schématická značka K otestování tohoto elektronického obvodu se svítivými diodami Vám doporučujeme používat obyčejné (levné) zinko-uhlíkové baterie. Alkalické baterie mají sice dlouhou životnost, ale v případě zkratu hrozí nebezpečí přepálení nebo přílišné zahřátí propojovacích spojů, neboť tyto baterie dokážou v těchto případech dodávat proud až 5 A. Zinko-uhlíkové baterie dodávají v případě zkratu většinou nižší proud než 1 A. Tyto baterie také dokážou zničit choulostivé součástky, ale při jejich použití nehrozí žádné nebezpečí popálenin. Po odzkoušení tohoto obvodu použijte k jeho napájení alkalickou baterii. Ke stavebnici přiložený konektor se dvěma kontakty je opatřen dvěma ohebnými lanky (červený a černý kabel) s odizolovanými vodiči a je určen k připojení destičkové baterie s jmenovitým napětím 9 V.
Svítivé diody (LED)
Příklad označení rezistoru: Rezistor označený žlutým, fialovým, červeným a zlatým proužkem má hodnotu 4700 Ω (4,7 kΩ) a toleranci ± 5 %. Barva
1. proužek 1. číslice
Černá
Zkratka LED znamená „Light Emitting Diode“ (dioda emitující [vyzařující] světlo). Tato stavebnice obsahuje 6 žlutých LED. U všech svítivých diod je nutné dodržet při jejich zapojování správnou polaritu jejich vývodů. Kratší vývod minus (–) přestavuje katodu a delší vývod plus (+) představuje anodu. Uvnitř svítivé diody se nachází držáček ve tvaru pohárku, který přidržuje krystal, který je připojen ke katodě. Anoda je připojena velmi tenkým drátkem k povrchu krystalu. Dejte pozor na to, že na rozdíl od obyčejných žárovek nesmíte svítivou diodu připojit přímo ke kontaktům baterie. K tomuto účelu se používá takzvaný předřadný odpor neboli rezistor.
Svítivá dioda a její schématická značka
3
Hnědá
1
2. proužek 1. číslice
3. proužek Multiplikátor
0
1
1
10
1% 2%
Červená
2
2
100
Oranžová
3
3
1.000
Žlutá
4
4
10.000
Zelená
5
5
100.000
Modrá
6
6
1.000.000
Fialová
7
7
10.000.000
Šedá
8
8
Bílá
9
9
4. proužek Tolerance
Zlatá
0,1
5%
Stříbrná
0,01
10 %
4
Tato stavebnice obsahuje po třech rezistorech s následujícími hodnotami:
Kondenzátory (elektrolytické)
2,2 kΩ Ω (červený, červený a červený proužek);
K dalším důležitým součástkám v elektrotechnice patří kondenzátor, který se skládá ze dvou kovových ploch (desek, svitků kovových fólií), které jsou od sebe odděleny izolační vrstvou (fólií, u starších otočných neboli ladících kondenzátorů se používal k izolaci vzduch). Přivedeme-li ke kontaktům kondenzátoru stejnosměrné napětí, vytvoří se mezi deskami kondenzátoru elektrické silové pole, čímž se do kondenzátoru uloží elektrická energie neboli náboj. Kondenzátor s velkou plochou kovových desek a s poměrně tenkou izolační vrstvou mezi oběma deskami (s malou vzdáleností kovových desek od sebe) má velkou kapacitu. Jednotka této kapacity se nazývá farad (F).
100 kΩ Ω (hnědý, černý a žlutý proužek) Rezistory s nižší hodnotou (2,2 kΩ) slouží k omezení proudu, který proudí svítivými diodami, a tím i k nastavení základního jasu svítivé diody. Rezistory s vyšší hodnotou (100 kΩ) slouží ke snížení proudu, který protéká bázemi tranzistorů.
Tranzistory Tranzistory jsou elektronické součástky, které zesilují proud. Tato stavebnice obsahuje 3 křemíkové tranzistory NPN „BC547“.
Velmi velké kapacity mají takzvané elektrolytické kondenzátory, které používají jako izolaci velmi tenkou vrstvu z kysličníku (oxidu) hlinitého. Uvnitř těchto elektrolytických kondenzátorů se nachází tekutý elektrolyt a svitky hliníkových fólií s velmi velkou plochou. U těchto kondenzátorů musíte dodržet správnou polaritu plus a minus jejich kontaktů. Při nesprávné polaritě protéká těmito kondenzátory svodový proud, který ničí izolaci mezi oběma hliníkovými svitky a který může způsobit jejich zničení. Příliš vysoké napětí (vyšší než jmenovité) může způsobit prasknutí kondenzátoru s následnou explozí. Minus kontakt (-) těchto kondenzátorů bývá označen bílým proužkem a jeho vývod je kratší. V této stavebnici se nacházejí tři elektrolytické kondenzátory 47 µF / 25 V DC.
Tranzistor a jeho schématická značka Vývody tranzistorů se nazývají emitor (E), báze (B) a kolektor (C). Prostřední vývod představuje bázi, emitor se nachází na pravé straně a kolektor na levé straně tranzistoru.
Tranzistor jako zesilovač (spínač)
Elektrolytický kondenzátor a jeho schématická značka
3. Technologie obvodů spínací techniky se svítivými diodami
Výše uvedené zapojení znázorňuje základní funkci tranzistoru NPN. Každý tranzistor představuje dva proudové okruhy. V řídícím proudovém okruhu protéká malý proud bází tranzistoru, v druhém proudovém okruhu se zátěží (předřadný odpor a svítivá dioda) protéká vyšší proud kolektorem tranzistoru. Oba proudy protékají společně emitorem tranzistoru. Protože je v tomto případě zapojen emitor tranzistoru na společný referenční (vztažný) bod (k minus kontaktu baterie), nazývá se tento obvod jako zapojení se společným emitorem. Jakmile dojde k otevření tranzistoru (začne-li protékat proud jeho bází), pak začne tranzistorem protékat zátěžový proud. Jako rozhodující faktor platí v tomto případě následující: Proud, který protéká bází tranzistoru, musí být několikanásobně nižší než proud, který protéká kolektorem tranzistoru. Malý proud protékající bází tranzistoru způsobuje zesílení, což se projeví několikanásobným zvýšením proudu, který protéká kolektorem tranzistoru. Toto zesílení nazýváme zesilovacím činitelem tranzistoru. Tento zesilovací činitel závisí na typu použitého tranzistoru a na jeho tolerancích. Tranzistor BC547 je vyráběn ve třech verzích (A, B a C) se 400- až 800-násobným zesílením.
Je velmi snadné postavit zapojení podle předloženého schématu s doporučenými součástkami. Ale kdo se chce skutečně vyznat v technologii obvodů spínací techniky, měl by si prostudovat teorii a dále si například vypočítat hodnoty odporů, které bude potřebovat ke konstrukci určitého zapojení. V této kapitole přinášíme „trochu teorie“, která se týká této tématiky a která „nikoho nezabije“. Spojte praxi s teorií, navrhněte své vlastní zapojení a otestujte je. S baterií a s obyčejnou vláknovou žárovkou (žárovičkou) můžete dělat jednoduché pokusy tak dlouho, dokud nezačne žárovička svítit. Se svítivou diodou to tak jednoduché není, neboť jestliže ji připojíte přímo k baterii, můžete ji okamžitě zničit. Se svítivou diodou musíte zacházet opatrněji. Důležité je správné napájecí napětí, správná polarita kontaktů svítivé diody a vhodný předřadný odpor (rezistor).
Prahové hodnoty svítivých diod Na rozdíl od obyčejné vláknové žárovky se chová svítivá dioda poněkud neobvykle. Nejen že svítivou diodou protéká elektrický proud pouze jedním směrem (zatímco u žárovky polarita napájení nehraje žádnou roli), je u svítivé diody rovněž rozhodující její napájecí napětí v propustném směru. Malá žárovka s jmenovitými hodnotami 6 V / 100 mA vykazuje poměrně vysokou toleranci vůči napájecímu napětí. Již od napětí cca 1 V začne vlákno takovéto žárovky slabě žhnout. Dosáhne-li napájecí napětí této žárovky 6 V (jmenovité napětí), začne tato žárovka svítit žlutavě bílým světlem. Vyzkoušíme-li nyní tuto žárovku napájet krátkodobě vyšším napětím, bude její vlákno svítit oslnivě bílým světlem. Dokonce i dvojnásobné napájecí napětí 12 V tuto žárovku okamžitě nezničí. K přepálení vlákna žárovky dojde až po uplynutí několika sekund nebo dokonce i minut.
Odpor 100 kΩ, který je zapojen před bázi tranzistoru, má asi 45 x vyšší hodnotu než předřadný odpor před svítivou diodou (2,2 kΩ). Tranzistor se chová v tomto zapojení jako spínač (spínací tranzistor). Mezi kolektorem a emitorem tranzistoru je velmi malý úbytek napětí. Proud kolektoru omezuje vnitřní odpor elektrického spotřebiče (zde předřadného odporu a svítivé diody) a tento proud nelze v tomto případě dále zvyšovat. Jedná se takzvaný nasycený kolektorový proud, který způsobí úplné otevření tranzistoru.
Zcela jinak se chová svítivá dioda. Příklad: Normální napájecí napětí u červené LED, kterou prochází proud v propustném směru 10 až 20 mA, má hodnotu přibližně 1,8 V. Zvýšíme-li toto napětí o 0,5 V na 2,3 V, dojde k přepálení diody. Snížíme-li napájecí napětí svítivé diody o 0,5 V na 1,3 V, pak se naopak tato svítivá dioda vůbec nerozsvítí. Použijeme-li k napájení svítivé diody vyšší napětí než je její jmenovité napětí, pak musíme předřadit před svítivou diodu vhodný předřadný odpor, který toto napájecí napětí sníží na přípustnou hodnotu.
5
6
4. Schéma zapojení obvodu
6. Správné provádění pájení součástek Oboustranná deska s tištěnými spoji této stavebnice je vyrobena z kvalitních skelných vláken, která jsou vyztužena epoxidovou pryskyřicí. Tento materiál zaručuje, že se po provedení více pájení a odpájení neodlepí z této desky měděné plošné spoje. Otírejte pájecí hrot páječky pravidelně mokrým hadříkem nebo houbičku, kterou jste navlhčili vodou, a udržujte jej stále čistý. Naneste nejdříve malé množství cínu na pájecí hrot. Tímto ochráníte pájecí hrot před znečištěním a provedete snadno příslušná spojení. Narovnejte ohnuté vývody součástek a zatlačte je opatrně do příslušných otvorů na desce s tištěnými spoji. Poté proveďte připájení vývodů. Při provádění pájení musíte současně ohřát měděný spoj na desce s tištěnými spoji, vývod součástky a cínovou pájku. Pokud ohřejete pouze vývod součástky, na kterém se vytvoří perlička cínové pájky, která se zcela neroztaví (nerozteče) na měděném plošném spoji okolo vývodu součástky, existuje nebezpečí vniku takzvaných studených spojů. Tyto studené spoje vznikají při použití páječky s příliš velkým (hrubým) hrotem a při rychlém ukončení pájení.
Toto zapojení představuje třístupňový oscilátor s posouvanou fází. Jedna vlna se stále šíří všemi třemi stupni. Dolní pásmová propust (filtr), který tvoří rezistor 100 kΩ Ω a elektrolytický kondenzátor 47 µF, určuje časovou prodlevu (zpoždění času), a tím i frekvenci (kmitočet) oscilátoru. Funkci přepínače v tomto zapojení nahrazují elektrolytické kondenzátory, které se stále nabíjejí a vybíjejí. Dohromady vytváří toto zapojení dojem rotujících (otáčejících se) svítivých diod. Obě LED, které jsou připojeny k jednomu tranzistoru, vyzařují v příslušném okamžiku stejný jas. Toto je způsobeno tím, že je proud emitoru příslušného tranzistoru stejný jako proud jeho kolektoru. Na desce s plošnými spoji jsou tyto dvě LED umístěny proti sobě. Odběr proudu tohoto zapojení závisí v tomto případě na použitých předřadných odporech (rezistorech). S použitými odpory 2,2 kΩ Ω protéká každou LED relativně nízký proud cca 2 mA. S použitím baterie s jmenovitým napětím 9 V odebírá toto zapojení proud o hodnotě cca 5 mA. Alkalická baterie 9 V s jmenovitou kapacitou 500 mAh dokáže napájet tento obvod nepřetržitě asi 100 hodin.
5. Nástroje a přístroje, které budete potřebovat k sestavení obvodu Malou páječku o příkonu 15 až max. 40 W s jemným pájecím tužkovým hrotem a cínovou pájku s maximálním průměrem 1 mm (trubičkový cín s kalafunou bez pájecího tuku, například pájecí cín pro elektronické součástky „SN60 Pb38“). Malé štípací kleště k odstřižení přebytečných a přečnívajících vývodů součástek a dále malé ploché (jehlové) kleště nebo pinzetu k ohýbání vývodů a k přidržování součástek při pájení.
Oboustranná deska s tištěnými spoji
Oboustranná deska s tištěnými spoji
Jednostranná deska s tištěnými spoji
Jednostranná deska s tištěnými spoji
Správně provedený spoj
Nesprávně provedený spoj
Připájení vývodů součástek musí být čisté (lesklé) a musí mít kuželovitý tvar. Protože se u této desky jedná o poměrně malé pájecí body, doporučujeme Vám k připájení součástek použít páječku s tužkovým hrotem. Abyste docílili rovnoměrného ohřátí, nedotýkejte se pájeného místa přímo špičkou pájecího hrotu. Ohřejte stranou pájecího hrotu současně vývod součástky a měděný spoj. Přiložte na krátkou dobu k pájecímu hrotu trubičkovou cínovou pájku, dotýkejte se přitom pájecím hrotem z boční strany vývodu součástky. Horký, roztavený cín se rozteče rovnoměrně na povrchu pájené plochy. Jakmile oklopí roztavený cín zcela vývod součástky, vzdalte pájecí hrot od pájeného místa. Rovnoměrné rozložení teploty a správnou teplotu roztavené cínové pájky poznáte u oboustranné desky s tištěnými spoji protečením cínové pájky otvorem kolem vývodu součástky a roztečením cínové pájky okolo vývodu součástky na druhé straně desky se součástkami. Po provedeném připojení a po kontrole správné funkce obvodu odstřihněte (odštípněte) přečnívající konce vývodů součástek štípacími kleštičkami.
Dobré osvětlení a vhodný měřící přístroj (digitální multimetr).
7
8
7. Pořadí osázení desky s plošnými spoji součástkami
5.
Připájejte k desce s plošnými spoji 6 žlutých svítivých diod (LED) „L1“ až „L6“ správnou polaritou jejich vývodů. Otvory, do kterých zasunete minus (–) vývody (katody) těchto diod, jsou na desce s tištěnými spoji označeny seříznutou plochou. Tyto vývody jsou kratší a jsou rovněž na diodách označeny seříznutou plochou na spodní části jejich pouzder. Tyto LED můžete připájet k desce s krátkými nebo s dlouhými vývody (které můžete později ohnout).
6.
Nakonec připájejte k desce červený „+B“ a černý kabel „–B“ konektoru (klipsu), ke kterému později připojíte baterii s jmenovitým napětím 9 V (destičkovou baterii).
Připájejte k desce s tištěnými spoji součástky v následujícím navrženém pořadí. U svítivých diod ponechte na straně osázení desky součástkami dlouhé vývody, abyste mohli tyto LED později ohnout a vytvořit ze sestaveného obvodu tvar, který připomíná velkého brouka.
Dlouhé vývody LED
Krátké vývody LED
8. Otestování obvodu (osázené desky se součástkami) 1.
Připájejte nejprve k desce s plošnými spoji 3 tranzistory BC547C „T1“ až „T3“.
2.
Připájejte k desce s plošnými spoji vedle tranzistorů odpory (rezistory) „R1“, „R3“ a „R5“. Tyto rezistory 100 kΩ jsou označeny černým, hnědým a žlutým proužkem. Tyto rezistory musíte připájet k desce s tištěnými spoji nastojato (nikoliv naležato).
3.
Připájejte k desce s plošnými spoji k jejímu okraji odpory (rezistory) „R2“, „R4“ a „R6“. Tyto rezistory 2,2 kΩ jsou označeny třemi červenými proužky. Tyto rezistory musíte připájet k desce s tištěnými spoji nastojato (nikoliv naležato).
4.
Připájejte k desce s plošnými spoji 3 elektrolytické kondenzátory „C1“ až „C3“ 47 µF správnou polaritou jejich vývodů. Otvory, do kterých zasunete plus (+) vývody těchto kondenzátorů, jsou na desce s tištěnými spoji označeny znaménkem „+“. Tyto vývody kondenzátorů jsou delší. Minus (–) vývody těchto kondenzátorů jsou kratší a jsou na kondenzátorech označeny býlími proužky.
Připojte ke klipsu (konektoru) baterii s jmenovitým napětím 9 V. Na osázené desce s plošnými spoji by se měly rozsvítit všechny LED a po uplynutí několika sekund by měly začít měkce blikat a měly by průběžně měnit svůj jas. Pokud se toto nestane, překontrolujte všechna pájecí místa a zkontrolujte polaritu připájených součástek. Frekvence (kmitočet) blikání LED závisí na napětí k obvodu připojené baterie. Bude-li toto napájecí napětí nižší, bude tento „blikač“ blikat pomaleji. Kromě toho tyto LED sníží při maximálním napájecím napětí (9 V) svůj jas na polovinu. Při nižším napětí svítivé diody zcela zhasnou. Nyní můžete toto zapojení vyzkoušet i s jinými napájecími zdroji (s bateriemi s napětím od 4,5 V). Alternativně můžete též připojit do kladné větvě napájení (červený kabel) předřadné odpory (rezistory) s maximální hodnotou 10 kΩ. Toto způsobí zpomalení frekvence blikání svítivých diod a sníží odběr proudu z napájecí baterie (9 V).
Osázená deska s plošnými spoji bez svítivých diod (LED)
9
10
9. Příklady použití obvodu Dekorativní osvětlení ve tvaru velkého brouka Pokud jste do desky s plošnými spoji připájeli svítivé diody s dlouhými vývody, můžete je ohnout podle následujícího vyobrazení. Tím vytvoříte velký kruh, který bude připomínat velkého brouka. Položíte-li poté tuto takto upravenou desku svítivými diodami na dřevěnou plochu, bude rozsvěcování (blikání) a změna jasu svítivých diod vytvářet na tomto povrchu velmi zajímavé a dekorativní světelné efekty.
Zvláště pěkné světelné efekty docílíte s tímto obvodem, jestliže jej skryjete mezi husté listí pokojových květin nebo rostlin (například ve skleníku). Toto jistě překvapí Vaše návštěvníky ve večerných hodinách. Dále můžete použít toto zapojení k osvětlování vitrín, regálů nebo uměleckých předmětů či jako nouzové osvětlení. Popusťte uzdu své fantazii, protože lze toto dekorativní svítidlo použít témě všude.
Zkoušečka napětí baterií (9 V) Tento obvod můžete rovněž použít ke kontrole stavu nabití baterií 9 V. Vyzkoušejte toto zapojení s novou (zcela nabitou) baterií a s velmi vybitou baterií 9 V. Pokud bude na baterii dostatečné zbytkové napětí, budou žluté LED stále velmi jasně svítit a rychle blikat. Se snižujícím se napětím baterie budou svítivé diody blikat stále pomaleji. Dejte přitom pozor na to, že zcela vybitá baterie může vytéci a vyteklý elektrolyt může poškodit například nábytek nebo samotný obvod. Tyto svítivé diody Vám mohou rovněž posloužit jako jednoduché zkoušečky napětí i jiných baterií nebo akumulátorů než destičkových (s jmenovitým napětím od cca 4,5 V).
Překlad tohoto návodu zajistila společnost Conrad Electronic Česká republika, s. r. o. Všechna práva vyhrazena. Jakékoliv druhy kopií tohoto návodu, jako např. fotokopie, jsou předmětem souhlasu společnosti Conrad Electronic Česká republika, s. r. o. Návod k použití odpovídá technickému stavu při tisku! Změny vyhrazeny! © Copyright Conrad Electronic Česká republika, s. r. o.
KU/11/2012
11
