Előszó Mint az elmúlt években is volt, 2016-ban is van egy új Conrad elektronikai naptár 24 kísérlettel a december 1. és 24. közötti napokra. Témája a digitális elektronika. A 4060 típusú CMOS-IC-re épülő bináris számlálóról van szó. Ez az IC 14 digitális osztó multivibrátort (flipflop), és kiegészítésül egy sokoldalúan alkalmazható óra-oszcillátort tartalmaz. Ez a kettős funkcionalitás teljesen különböző és sokoldalú alkalmazásokat tesz lehetővé, amelyek nemcsak nagyon tanulságosak, hanem érdekesek is. A végén van egy kapcsolás, amely szikrázó csillagokat ábrázolva a karácsonyfa alá is betehető. Az elektronikai naptárt a legkülönbözőbb célokra lehet felhasználni. Van, aki csak egyszerűen mindent a terv szerint akar megépíteni, és élvezni akarja a sikert, mások azonban pontosan érteni is akarják, mit csinálnak. A kísérletek leírása mindegyikük számára szolgál. Emiatt a felépítést és működést olyannyira tömören ismertetjük, amennyi csak a sikeres megépítéshez szükséges. Majd szűkszavúan ismertetjük a műszaki hátteret. Így megtalálhatja azokat a legfontosabb utalásokat, amelyekből elkezdheti keresni a további ismereteket. A legnagyobb örömet amúgy is akkor leli a kísérletekben, ha másokkal együtt dolgozik rajtuk. A szülők és a nagyszülők esetleg értékes ismereteket adnak tovább, és felébresztik a gyerekek és a fiatalok érdeklődését. A meglévő alkatrészekkel még sokkal több kapcsolást lehet megépíteni, mint ahányat itt bemutathatunk. Aki a megadott kísérleteket érdeklődéssel végigcsinálja, hamarosan talál kapcsolási változatokat és hasonló alkalmazási lehetőségeket is. És teljesen új kapcsolásokat is kitalálhat. Gazdag találékonyságának semmi sem szabhat határokat! Sok örömet, és boldog karácsonyi időszakot kívánunk!
1 A LED teszt. Az első adventi kísérlet egy LED kigyújtása. Egy normál LED-et nem szabad közvetlenül rátenni az áramforrásra, hanem mindig csak egy ellenálláson keresztül. A soros ellenállás nélkül a LED-et a túl nagy áram tönkreteheti. A LED-et helyes irányban kell bekötni. Két különböző kivezetése van. A rövidebbik láb a negatív pólus (katód), a hosszabbik a pozitív pólus (anód). A szélesebb alsó perem a katód oldalán le van csapva. Ezenkívül az ebben a naptárban lévő összes LED esetében a LED belsejében lévő nagyobb tartó a katóddal van összekötve. Az 1. ajtó mögött egy piros LED és egy hozzá illő ellenállás van. Szükség van még egy 9 V-os elemre. Az első kísérletet különös óvatossággal kell végezni. Vigyázzon, ne nézzen közvetlenül bele egy világító LED-be egy méternél kisebb távolságból. A fényes LED-ek retinasérülést okozhatnak. Vigyázzon arra, hogy a LED két kivezetése ne érinthesse egyszerre az elemcsatlakozókat! Mindig legyen sorba kapcsolva egy ellenállás, mert különben kiég a LED. Tartsa hozzá ezt a két alkatrészt az ábra szerint az elemhez. A LED most fényesen fog világítani. Az elektronikus áramköröket kapcsolási rajzokkal lehet áttekinthetően ábrázolni. Az egyes alkatrészeket speciális szimbólumokkal jelzik. A LED anódját háromszög, katódját egyenes vonás mutatja. Ez utal az áramirányra. A fénykibocsátást két kifelé mutató rövid nyíl jelzi. Az ellenállást egy téglalap ábrázolja. Az ellenállások határozott értékkel rendelkeznek: Itt az ellenállás értéke 10.000 Ohm = 10 kiloohm (10 kΩ, a kapcsolási rajzon rövidítve 10 k). A tényleges alkatrész színes gyűrűkkel van jelölve (barna, fekete, narancs jelzi a 10.000-et, és az arany a +/–5% tűrésmezőt). A kapcsolási rajzon soros kapcsolás látható. Az áram átfolyik az elemen, ellenálláson és a LED-en. Az ellenállásnak itt az szerepe, hogy ésszerű értékre korlátozni az áramerősséget. Minél nagyobb az ellenállás, annál kisebb az áram. A 10 kΩ értékkel ugyan a LED még messze a megengedett áram alatt van, de már nagyon erős fénnyel világít.
2 Elemcsatlakozás A második ajtócska egy elemcsatot rejt a 9 V-os elem számára. Építse meg az első nap kísérletét egy kissé másképp. Használja az elemcsatot, és vegye figyelembe, hogy a fekete csatlakozóvezeték a negatív pólus, míg a piros a pozitív pólus. Feltétlenül kerülje el az elem rövidre zárását, azaz a két pólus közvetlen összekötését. Mivel ekkor az elem felforrósodhat, és a hosszan tartó rövidzár hatására fel is robbanhat. Ezenkívül a rövidzárak le is rövidítik az elem élettartamát. A 10 kΩ-os ellenállás határozza meg a LED-en átfolyó áramot. Ebben az esetben abból lehet kiindulni, hogy kb. 2 V esik a LED-re, tehát még 7 V marad az ellenállásra. Ebből a csak 0,7 mA értékű áram adódik ki. Öszehasonlításul: A LED-ek általában 20 mA áramra vannak méretezve. Ennek a piros LED-nek azonban elég 1 mA ahhoz, hogy jól látható fényt bocsásson ki.
3 Dugaszolt felépítés Nyissa ki a harmadik ajtócskát, és vegye ki a fiókból a dugasztáblát. Ez egyszerűsíti a komplikáltabb áramkörök megépítését. A 2,54 mm raszteres, 270 kontaktusos érintkezőfelület biztosítja az alkatrészek biztos összekötését. A dugaszoló felület középső részén 230 érintkező van, öt-öt érintkező függőleges irányban vezetőfóliával össze van kötve. Ezen túlmenően a széleken 40 érintkező van a tápáramellátáshoz, amelyek két, 20-20 érintkezőből álló sávban vannak összekötve egymással. A dugaszmező így tehát két egymástól független tápsínnel rendelkezik, amelyet itt a pozitív és a negatív pólus számára használunk. Az alkatrészek beültetéséhez viszonylag nagy erő kell. A kivezetések ekkor könnyen megtörnek. Fontos, hogy a lábakat pontosan felülről vezessük be. Ehhez egy csipeszt vagy kis fogót lehet használni. A kivezetést lehetőleg röviddel a panel fölött fogjuk meg, és függőlegesen nyomjuk lefelé. Így törés nélkül beültethetők az érzékenyebb csatlakozóvezetékek is, pl. az elemcsat ónozott végei. Az első kísérleti áramkörét még egyszer építse fel a dugaszkártyán. Ismét az ellenállás és a LED soros kapcsolásáról van szó. A kapcsolási rajzon ugyanaz a kapcsolás látható, csupán az alkatrészek vannak egy kicsit másképp elrendezve.
4 Villanykapcsoló A negyedik ajtócska mögött az összes többi kísérlethez szükséges huzal található. Építsen LED-lámpát kapcsolóérintkezővel. Vágjon le kb. 4 cm-es huzaldarabot, és a végein távolítsa el a szigetelést kb. 5 mm hosszúságban. Ez a huzal lesz a beépített összeköttetés a LEDdel. Egy rövidebb, 2 cm-es huzalt építsünk be a puha csatlakozóhuzalok tehermentesítésére. Az elemcsat maradjon mindig bekötve a csatlakozások igénybevételének a csökkentésére. A kapcsoló két csupasz vezetékdarabból áll, amelyek ujjal való megnyomásra érintkeznek. Vágjon le ehhez 2 cm-es huzaldarabokat, és teljesen távolítsa el róluk a szigetelést.
5 Egy védődióda Egy további piros LED-et talál az 5. ajtócska mögött. Építse be ezt a LED-et is az áramkörbe. Az irányának jónak kell lennie, mert különben nem folyik áram. Ha minden alkatrészt helyesen épített be, mindkét LED világítani fog. Bár most két LED van sorba kapcsolva, az első LED fényessége majdnem változatlan.
Az új LED-nek fontos szerepe van a következő kísérletben. Védődiódaként szolgál, és megakadályozza az elem helytelen polaritású bekötését. A holnap beépítendő alkatrész ugyanis nagyon érzékenyen reagál a helytelen polaritásra, és a lehetséges hibánk ellen véd. Ugyanakkor a LED egy egyszerű áramjelző is, amelyről felismerhető a kapcsolás helyes működése.
6 Digitális kapcsolás Nyissa ki a 6. ajtócskát. Mögötte ennek a naptárnak a legfontosabb alkatrészét találja, a 4060-as CMOS-IC-t. Ez a 16 csatlakozólábú IC összesen 14 osztó multivibrátort és egy sokoldalú oszcillátorkapcsolást tartalmaz. Az 1. és a 16. csatlakozóláb baloldalon van, és egy bemarás jelöli. További tájékoztatást ad az alsó sor (1. - 8. láb) felől olvasható felirat. Az IC első beültetése előtt a csatlakozásokat pontosan párhuzamosan kell beigazítani, mert a gyártást követően kifelé, egy kissé távol állnak egymástól. Az oldalak lábait a kellő kiigazítás érdekében nyomja össze egy kemény asztallapon. Majd rakja fel az IC-t megfelelően a dugaszkártyára. Vigyázat, ha helytelenül, fordítva rakja be, felcserélődik a 8-as csatlakozópont (GND, mínusz) a 16-ossal (VCC, pozitívz), úgyhogy a tápfeszültség helytelen polaritással lesz csatlakoztatva, és az IC tönkremegy. Ebben az esetben a védődióda sem segít, mert az csak az elem fordított csatlakoztatása ellen véd. Az első kísérlet az oszcillátorkapcsolás egy részét használja a 10. és 11. lábakon. Az OSC1 bemenet a GND pontra (negatív pólus, logikai nulla) van téve. Az OSC2 kimeneten van a LED az előtét-ellenállásával. Ha mindent helyesen épített be, a LED világítani fog. Az IC tehát bekapcsolta a kimeneten a feszültséget (logikai egy), és ezáltal invertálta a bemenet állapotát. A 4060-nal végzett legtöbb kísérletnél még a reset-bemenetet (RES) is a GND pontra kell tenni. A VCC-csatlakozáson lévő piros LED jelzi, hogy folyik az üzemi áram, és védi az IC-t. Ha minden helyes, a két LED egyforma fényerővel fog világítani .
7 Egy nyitott bemenet Nyissa ki a hetedik ajtócskát, és vegyen ki egy ellenállást. Az értéke 22 MΩ (22 meg(a)ohm, piros, piros, kék), és a következő kísérletekben újra és újra szükség lesz rá az oszcillátor-kapcsolásban. Az ellenállásnak csak az egyik végét kötjük be az OSC1 bemenetre. Így egy »nyitott bemenet« jött létre. Nem határozható meg, hogy Egy vagy Nulla állapotú, a LED vagy világít, vagy nem. Az eredmény esetleges, és az ujjunk közelítésével befolyásolhatjuk. Már pár cm távolságból változtatható a kapu állapota. Ezért a sztatikus töltések és az ezzel kapcsolatos elektromos terek a felelősek. A bemenetnek az ujjunk általi rövid megérintésével a kimenet bekapcsolható, vagy kikapcsolható. Ha be van kapcsolva, mindkét LED világít, ha ki van kapcsolva, lehet, hogy egyik sem világít. Az IC-nek magának gyakorlatilag már nincs szüksége áramra. Adódhat azonban olyan állapot is, amikor bár a kimenet még ki van kapcsolva, az IC mégis igényel valamelyes áramot. Ez az az eset, amikor a bemeneti feszültség éppen se nem nulla, se nem egyenlő az üzemi feszültséggel, hanem valahol a kettő között van. Ameddig megérintjük a bemenetet, beállhat a LED félfényességre, amikor is tulajdonképpen nagyon gyorsan villog a LED. Ennek az oka a hálózat 50 Hz-es váltóáramú tere, amitől a testünk is vezet egy kis váltófeszültséget.
8 Visszacsatolás Egy 10 kΩ-os ellenállást (barna, fekete, narancs) találunk a 8. ajtócska mögött. Ezúttal védőellenállásul szolgál az IC bemenetén. A 22 MΩ-os ellenállás összeköti a második kimenetet az oszcillátorkapcsolás bemenetével. A LED vagy világít, vagy nem, nem lehet előre megjósolni az állapotát. A meglévő állapot tetszőleges ideig fennmarad. Az állapot azonban megváltoztatható, ha a bemeneten lévő szabad csatlakozást hol a pozitív, hol a negatív ponthoz tartjuk hozzá. Ezenkívül némi szerencsével bekapcsolhatjuk vagy kikapcsolhatjuk a LED-et, ha az ellenállást csupán megérintjük az ujjunkkal vagy a kezünkben tartott huzaldarabbal. Ebben a kapcsolásban két inverter van elhelyezve egymás mögött. A Nulla (0) bemeneti állapotot az első inverter Egy (1) állapotba fordítja át, míg a második inverter visszafordítja a Nulla-állapotba. A visszacsatolás révén a nulla-állapot fennmarad a bemeneten. És megfordítva, az Egy-állapot a kimeneten ismét Egy marad. Ha azonban a bemenetet akár csak nagyon rövid időre is a másik állapotra hozzuk, átbillen a kapcsolás. Ehhez gyakran elegendő egy véletlen impulzus is, amely az érintéskor keletkezik, mivel elektromosan fel vagyunk töltve. Az ilyen kapcsolásokat billenőkörnek vagy flip-flop-nak is hívjuk. Ez a kapcsolás ezáltal egyidejűleg 1 bit tárolási kapacitású memória is. Ha az OSC3 kimeneten lévő jobboldali LED-et kivesszük a kapcsolásból, a kapcsolás az Egy-állapotban is gyakorlatilag árammentes. A baloldali LED ekkor szintén tartósan kikapcsolt állapotban van. Csak az átkapcsolás pillanatában folyik áram. Ha megérintjük a bemenetet, világíthat a baloldali LED.
9 Egy LED-villogó A kilencedik ajtócska mögött egy 100 nF-os kerámia tárcsakondenzátor van. A felirata 104, amely 100.000 pF-ot (pikofarad), azaz 100 nFot (nanofarad) jelent. Ezzel a kondenzátorral egy oszcillátor építhető meg, azaz egy olyan kapcsolás, amely magától állandóan váltogatja az állapotát. Ebben az esetben egy lassú villogófény jön létre. A 22 MΩ-os nagyértékű ellenállás ezúttal az OSC1 és az OSC2 közé van
beépítve, és negatív visszacsatolást (ellencsatolás) hoz létre. A 10 kΩ-os ellenállás 100 nF-os kondenzátorral együtt visszacsatolást képez. Az átkapcsolási sebességet főleg a 100 nF-os kondenzátor és a 22 MΩ-os ellenállás határozza meg. Ennek a két alkatrésznek együtt az
időállandója 0,1 µF * 22 MΩ = 2,2 s. És valóban két másodpercig tart mindegyik stabil állapot. Egy perc alatt a kimenet emiatt mintegy 15ször bekapcsolódik és 15-ször kikapcsolódik. Ha a 22 MΩ-os ellenállás mindkét végét megérintjük a kezünkkel, az 1 MΩ nagyságrendbe eső bőrellenállásunkat kapcsoljuk párhuzamosan vele, és ezáltal lecsökkentjük az időállandót. Minél erősebben szorítjuk a huzalvégeket, annál gyorsabbá válik a villogás. A védő-LED-en felismerhetjük, hogy a bekapcsolt állapotba történő átkapcsolás előtt már elkezd folyni az áram. Ez annak a bizonyítéka, hogy a bemeneten közepes feszültség van. Mégha eltávolítjuk is a jobboldali LED-et a kimenetről, láthatjuk az áram szabályos növekedését.
10 Gyors lobogás A 10. ajtócska mögött egy 100 kΩ-os ellenállást (barna, fekete, sárga) találunk. Ennek kell helyettesítenie az eddigi 22 MΩ-os ellenállást az oszcillátorkapcsolásban. A villogás ezzel olyan gyorssá válik, hogy egyenletes világításnak tűnik. Ha most az egész kapcsolást ide-oda mozgatjuk, világító vonalakat látunk megszakításokkal. Ugyanezt a hatást érhetjük el úgy is, hogy a kapcsolást mozgó tükörből nézzük. Az időállandó ezúttal 100 kΩ * 100 nF = 10 ms. A kimenet 10 ms-ig bekapcsolódik, majd 10 ms-ig kikapcsolódik. Ebből 20 ms-os összperiódus, és 50 Hz frekvencia jön ki, amely megfelel a hálózati frekvenciának. A 16 Hz-es frekvenciát még lobogó fényként látjuk. Az efölötti frekvenciákat már csak folyamatos világításként.
11 Osztás 16-tal A 11. ajtócska mögött egy 10 nF-os kondenzátor (felirata 103) bújik meg. Segédfunkciót lát el, és az elem pozitív és negatív pólusa közé van bekötve. Ez a szokásos intézkedés az összes digitális kapcsolás esetében, és a zavarjelek kiszűrésére szolgál. Az oszcillátort ismét alacsonyabb frekvenciára építjük át, és a második LED most egy előtétellenálláson át a Q4 kimenetre van kötve. A LED váltakozva mintegy 30 mp-ig be van kapcsolva, és 30 mp-ig ki van kapcsolva. Az eddigiektől eltérően az IC most közvetlenül az elemre van kötve. Mivel mostanáig minden hibátlanul működött, megkockáztathatjuk helytelen polaritás elleni védelem nélkül a kísérletezést. A második LED ezért szabad a tulajdonképpeni kísérlet számára, és az osztott frekvenciát mutatja. Az oszcillátor és a Q4 között négy osztófokozat helyezkedik el, amelyek mindegyike az órajel frekvenciáját kettővel osztja. Összesen tehát 16 óraimpulzusra esik egy kimeneti impulzus. A jelperiódus négy másodperc az oszcillátoron, és kb. egy perc a Q4 kimeneten.
12 Számláló nullától háromig A 12. ajtócska mögött egy további 10 kΩ-os ellenállás (barna, fekete, narancs) van, amely az oszcillátorban nyer alkalmazást. Bár a frekvencia megint mintegy 50 Hz-re nő, ezúttal azonban a Q5 kimenetre van kötve egy LED, amely az órajelet 32-vel osztja le. Emiatt mindkét LED-en egy gyorsabb és egy lassabb villogást látunk. A két jelet együtt 2-bites bináris számnak olvashatjuk. A számláló tehát mindegyre nullától háromig számlál. Majd jön egy túlcsordulás, és folytatódik megint nullával. Pontosabban nézve, a LEDek 8 többszöröseit, azaz az oszcillátor 0, 8, 16 és 24 bemeneti impulzusát mutatják. Az első három osztófokozat 8-cal történő előosztást végez, és kb. 6 Hz-es órajelet szolgáltatnak, amely szemmel még jól követhető. Aki lassabban járó számlálót akar látni, beiktathatja a 22 MΩ-os ellenállást a kapcsolásba. A számláló állása ekkor kb. félperces ütemben vált, úgyhogy egy egyszerű digitális órát állítottunk elő.
13 Három-bit-es számláló hétig A 13. ajtócska mögött egy sárga LED található. Vele a számlálót három bitre kell bővíteni. Most összesen nyolc különböző számlálóállás van 000 (nulla) és 111 (hét) között. A Q5 és a Q6 kimeneten lévő két piros LED közös előtétellenálláson osztozik. A kisebb frekvenciájú villogás a Q6-on jelenik meg. Egy ellenállás két LED számára ugyan lehetséges, de van ennek egy különleges hatása. A Q6-on lévő piros LED-nek két fényességi fokozata van. Amíg a Q5 és a Q6 be van kapcsolva, az előtétellenálláson átfolyó áram megoszlik a két LED között. Az első kísérleteknél szándékosan a viszonylag nagy 10 kΩ-os LED-előtétellenállást alkalmazzuk. Általa csak mérsékelt fényességet kapunk, és letakarás nélkül kísérletezhetünk. Ezenkívül takarékoskodunk az energiával, hogy az elem lehetőleg kitartson a kísérletek végéig.
14 Háromnegyedes ütem Egy további 10 kΩ-os ellenállás (barna, fekete, narancs) van a 14. ajtócska mögött, amelyet most a VCC és a RES pont közé ültetünk be. Ezenkívül a Q5 és a Q6 kimeneten lévő két LED-et a reset-bemenettel kötjük össze. De figyelem, ezúttal a katódok vannak a kimeneteken. Az eredmény egy nagyon különleges villogó, amely három különböző állapotot vesz fel – villogás háromnegyedes ütemben! Eleddig a bemeneti impulzusokat mindig csak kettővel lehetett osztani. Lehetségesek tehát az 16, 32, 64 stb. osztási viszonyok maximum 16.384-ig a Q14 kimeneten. Ha azonban a reset-bemenetet és további diódákat alkalmazunk, majdnem bármilyen osztót meg tudunk valósítani. Egy ellenállás megpróbálja felhúzni a reset-bemenet feszültségét. Azonban a csatlakoztatott diódák alacsonyan tartják a feszültséget mindaddig, amíg legalább az egyik alkalmazott kimenet nincs nulla értéken. Ebben az esetben a számláló addig jár, amíg a Q5 és Q6 feszültsége nem lesz magas. Ekkor haladéktalanul végbemegy a reset, és a számláló kinullázódik. Mindkét kimenetre ez azt jelenti, hogy csak három lehetséges állapot fordul elő: 00, 01 és 10. Így egy hármas osztó jön létre. Ezzel a módszerrel majdnem bármilyen más osztó előállítható. Két diódával például építhetünk 5-ös vagy 9-es osztót is.
15 Leállított számláló A 15. ajtócska mögül egy nyomógomb kerül elő. Vigyázzon a beszerelési irányra. A kapcsolóérintkező két egymás melletti lábra van kötve. A nyomógombot az oszcillátor leállítására használjuk. Egy háromkimenetű számlálónak nyolc különböző állapota van. A feladatunk abban áll, hogy pontosan abban a pillanatban állítsuk le a számlálót, amikor mind a három LED világít. Ezúttal a 10 nF-os kisebbik kondenzátort alkalmazzuk az oszcillátorban. A frekvencia ezáltal tízszer nagyobb lesz, és a feladat ennek megfelelően nehezebb. A nyomógomb lezárt állapotában a teljes üzemi feszültség az oszcillátor bemenetére kerül, és ezáltal megakadályozza a további rezgéseket. Amint kinyitjuk az érintkezőt, újra indul az oszcillátor.
16 Nagysebességű dobókocka
A 16. ajtócska mögött egy 4,7 kΩ-os ellenállás (sárga, ibolyakék, piros) van. Az oszcillátort még egyszer átépítjük, és olyan gyorsnak kell lennie,
hogy már nem vehetők ki az egyes felvillanások. Az eredmény tehát tiszta véletlen – mint egy igazi dobókocka esetében. Ha megnyomjuk a nyomógombot, a dobókocka a lehetséges nyolc állapot egyikében megáll. A valódi dobókockától eltérően a 000 (nulla) és a 111 (hét) állapot nem értékelhető. Az összes többi eredmény az 1-6 számot jelenti. A dobókocka kapcsán rögtön megtanulhatjuk a bináris számrendszert is: 1 = 001b, 2 = 010b, 3 = 011b, 4 = 100b, 5 = 101b, 6 = 110b Egy kondenzátor nélküli oszcillátor elsőre meglepő lenne. Valójában azért van egy nagyon kicsi kondenzátor. A dugasztábla két egymás melletti érintkezősávja egy kb. 4 pF-os (pikofarad) kondenzátort képez. A 22 MΩ-os ellenállással mintegy 5 kHz frekvenciájú órajelet adnak ki. A Q6-on megjelenik a 64-szeresen leosztott mintegy 80 Hz nagyságú frekvencia. Ezt a gyors változást az emberi szem már nem tudja követni. Még gyorsabbá válik az oszcillátor 100 kΩ értékű ellenállással . Ekkor mintegy 600 kHz frekvenciával rezeg, és még egy közeli középhullámú rádióvevővel is észlelhető. A CD4060 IC oszcillátora a naptárban lévő alkatrészekkel a 0,25 Hz és 600 kHz közötti óriási tartományban képes működni. És a bemenet közvetlen megérintése révén többnyire pontosan 50 Hz frekvenciájú rezgés is előállítható. Ebben a kísérletben ez azt eredményezi, hogy a villogási kép nyilvánvalóan lassabban fut le.
17 Fényérzékelő Egy további sárga LED bújik meg a 17. ajtócska mögött. A két sárga LED együtt egy fényérzékelőt kell képezzen. Ha sok fény esik a sárga LED-ekre, a piros LED gyors ütemben villogni fog. Sötétben a villogás nagyon lassúvá válik. Az oszcillátor megint a dugasztábla két érintkezősávjából álló nagyon kicsi kondenzátorral működik. Még a 22 MΩ-os nagy ellenállással is magas frekvencia adódott ki. A két sárga LED azonban még sokkal nagyobb ellenállást képez, amely ráadásul függ a környezeti megvilágítástól. A két LED úgy van sorba kapcsolva, hogy az egyik mindig a záróirányban működik. Tulajonképpen így nem volna szabad áramnak folynia. Ha azonban fény esik a LED-kristályra, a LED fotodiódaként viselkedik. Ekkor záróirányban is folyik egy kis áram. Minél több fény esik a LED-ekre, annál nagyobb lesz ez az áram, és annál nagyobb lesz az oszcillátorfrekvencia.
18 Nyomógombos számláló A 18. ajtócska mögött egy 4,7 kΩ-os ellenállás (sárga, ibolyakék, piros) található. Vele egy nagyobb fényességű további LED működtethető. Összesen négy LED mutatja egy bináris szám négy jegyét. Általuk a 0 és 15 tartományba eső 16 szám jeleníthető meg. A számláló ezúttal azonban nem magától fut, hanem az impulzust a nyomógomb állítja elő. A nyomógomb minden nyolcadik megnyomása után a Q4 kimenet szintváltása figyelhető meg. Valójában azonban a váltás sokkal gyakoribb. Többnyire elegendő három vagy négy gombnyomás a kimenet váltására. Ez a kapcsoló érintkezőjének a pergése miatt van, ugyanis az érintkezők záráskor többször visszapattannak. Egy megnyomáskor emiatt egy rövid impulzussorozatot keltünk, amelyek mindegyikét megszámlálja a számláló.
19 A nyomógomb pergésmentesítése A 19. ajtócska mögött egy 2,2 kΩ-os ellenállás (piros, piros, piros) rejtezik. Általa egy nagyobb fényességet engedő további ellenállásunk van. A kísérletben a lényeges változást az jelenti, hogy egy pótlólagos kondenzátor kapcsolódik az OSC1 bemenettel párhuzamosan, amely a nyomógomb pergésmentesítésére szolgál. Így minden egyes gombnyomásra pontosan egy impulzust számlál a számláló. Minden nyolcadik impulzus után megváltozik a Q4 kimenet. És minden 128-adik impulzus után a számláló ismét eléri az eredeti kimeneti állapotát. Ezzel egy megbízható esemény-számlálónk van. A 4060 típusú IC egy mikroszekundumnál rövidebb impulzusokat is tud számlálni. A 100 nF-os kondenzátornak a 10 kΩ-os ellenállással együtt egy milliszekundumnál ezerszer hosszabb az időállandója. Eddig tart tehát, amíg kisül a kondenzátor az érintkező nyitása után. Mivel azonban a nyomógomb pergése ennél lényegesen gyorsabb, a számláló mindig csak egy impulzust észlel. Ez a megbízható 4-bit-es számláló nagyobb számokat is meg tud jeleníteni, ha a magasabb értékű kimenetet használjuk. Összesen 16.384 gombnyomásra van szükség, hogy az összes kimenet, a Q14 is, ismét elérje a kimeneti állapotát.
20 Többszörös villogási minták Nyissa ki a 20. ajtócskát, és vegye ki az 1 kΩ-os ellenállást (barna, fekete, piros). Ezzel megvan a maximális fényességet engedélyező előtétellenállásunk. Ezúttal egészen különleges villogási mintát kell látnunk. Mindegyik sárga LED négyet villan egymásután, majd szünetel, amíg a többi LED villog. A két piros LED mindig csak egyet villan, majd hosszabb szünetet tart. A különleges villogási minták azért jönnek létre, mivel a LED-ek csupán az egyik irányba engednek áramot folyni. Az alsó sárga LED csak akkor világít, amikor a Q7 éppen kikapcsolt, míg a Q4 éppen bekapcsolt állapotban van. Így hát a többi kimeneten lévő LED-ekkel nagyon különböző mintákat lehet előállítani. Egyébként ezekben az esetekben megengedett dolog a LED-eket ellenállás nélkül is közvetlenül két kimenet közé bekötni. A 4060 IC kimeneti tranzisztorainak 9 V üzemi feszültség mellett kb. 300 Ω a bekapcsolási ellenállása . A két kimenetnek együtt így 600 Ω az ellenállása . Ebből kereken 10 mA LED-áram adódik, amely még bőven a megengedett 20 mA alatt van.
21 Négy fényesség-fokozat Egy különösen erős fényű zöld LED található a 21. ajtócska mögött, amelynek ebben a kísérletben lépésenként kell egyre fényesebben világítania. Négy fényesség-fokozatnak (0, 1, 2 és 3) kell egymásután lefutnia. A piros LED mutatja ugyanakkor az ütemet. A kapcsolás működése megfelel egy digitális-analóg-átalakítóénak, amely digitális számokat analóg feszültséggé vagy árammá alakít át. A Q7 nagy áramot kapcsol be és ki az 1 kΩ-os ellenálláson át. Ezáltal a nagy fényesség-fokozat jön létre. Ezenkívül a Q6 kisebb áramot kapcsol be és ki a 2,2 kΩ-os ellenálláson, amely hozzáadódik a nagyobb áramhoz. Így jön létre az összesen négy fényesség-fokozat.
22 Színes villámok A 22. ajtócska mögül egy 100 µF-os (mikrofarad) elektrolit-kondenzátor (elkó) kerül elő . Kapacitása ezerszer nagyobb, mint az eddig alkalmazott 100 nF-os tárcsakondenzátoré. Általa nagy töltőáramokat kapunk, amelyek LED-felvillanásként válnak láthatóvá. Itt váltakozva zöld és sárga villanások lépnek fel hosszabb időközönként. Az egyes felvillanások fél másodperc alatt halnak el. Hogy ne kelljen túl sokáig várni a felvillanásokra, egy 10 nF-os kondenzátort építünk be az oszcillátorba. A piros LED mutatja a leosztott órajelet. Azonban vigyázat, az elektrolit kondenzátor esetében be kell tartani a megadott beépítési irányt. A negatív pólust egy fehér vonal jelöli. Ha az elektrolit kondenzátort hosszabb ideig rossz irányba bekötve feszültség alá helyezzük, tönkremehet, sőt a legrosszabb esetben fel is robbanhat. Itt a pozitív pólus a Q12 kimenetre van kötve, ahol a feszültség váltakozva +9 V és 0 V. Két LED-et kell ellenirányban bekötni, hogy az elektrolit kondenzátor váltakozva töltődjön és kisüljön.
23 Négyes villogófény A 23. ajtócska mögött egy fehér LED-et talál. Négy LED-nek kell most egymásután úgy villognia, hgy sose legyen két LED egyszerre bekapcsolódva. Ennek ellenére csak két számláló-kimenetet használunk erre. A Q12 és a Q13 kimenet nagyon lassú váltást állít elő. Hogy ez ne tartson nagyon sokáig, az oszcillátort a kisebbik, 10 nF-os kondenzátorral magasabb órajel-frekvenciára állítjuk be. A kapcsolás egy 1-a-4 dekódert képez, amely egyetlen állapotot dekódol két kimeneten lévő lehetséges négy bináris számból. Normál esetben ehhez további logikai kapcsolásokra volna szükség, amelyek azonban itt nincsenek meg. A kapcsolás csak egy trükkel működik, amely azon alapul, hogy a különböző LED-ek különböző feszültségeken működnek. A piros LED-ek 1,8 V alatt világítanak, a zöld és a fehér LED-nek azonban 2 V-nál jóval többre van szüksége. Ha a Q13 be van kapcsolva, a 10 kΩ-os előtétellenállás áramot szállít a zöld LED számára. Ha azonban ugyanakkor a Q12 nulla-állapotban van, a piros LED gyakorlatilag párhuzamosan kapcsolódik a zöld LED-del, és teljesen levezeti az áramot a kisebb LED-feszültség miatt. A Q12 dönti el így, hogy a zöld vagy az alsó piros LED világít. A Q13 Egyállapotában azonban nem világít sem a fehér, sem a felső piros LED.
24 Tűzfény és hullócsillagok Az utolsó ajtócska mögött egy 1 kΩ-os ellenállás (barna, fekete, piros) van. Erre az ünnepi fényekhez van szükség, amelyek a kísérletek végén a karácsonyfát díszíthetik. Két piros és két sárga LED képviseli a fával rakott tüzet, amely viszonylag egyenletes fényt szolgáltat, és csak enyhén lobog. Néha azonban rövid időre egy hullócsillag világítja meg az éjszakát egy zöld vagy egy fehér LED képében. A piros és a sárga LED alapfényességét két 1 kΩ-os ellenállás állítja be. A nagyobb ellenállások, a 4,7 kΩ-os és 10 kΩ-os, a különböző számláló-kimenetek kisebb áramait adják hozzá, és így gondoskodnak a gyenge és látszólag szabálytalan lobogásról. Nyugtató hatása van ennek, és hosszabb ideig is jó látványt nyújt. A ritka felvillanásokat a Q10 kimenet és egy 100 µF-os elektrolit kondenzátor állítja elő. Változtatásokra könnyen nyílik lehetősége. Kísérletezzen más számláló-kimenetekkel és más ellenállás-értékekkel, és építse meg saját karácsonyi fényeit.
Függelék Alkatrészek a naptárban: 1 piros LED + 10 kΩ-os ellenállás 2 elemcsat 3 dugasztábla 4 huzal 5 piros LED 6 CD4060 7 ellenállás; 22 MΩ 8 ellenállás; 10 kΩ 9 kondenzátor; 100 nF 10 ellenállás; 100 kΩ 11 kondenzátor; 10 nF 12 ellenállás; 10 kΩ 13 sárga LED 14 ellenállás; 10 kΩ 15 nyomógomb 16 ellenállás> 4,7 kΩ 17 sárgaLED 18 ellenállás; 4,7 kΩ 19 ellenállás; 2,2 kΩ 20 ellenállás; 1 kΩ
21 zöld LED 22 elektrolit kondenzátor; 100 µF 23 fehér LED 24 ellenállás; 1 kΩ
