MASARYKOVA UNIVERZITA
PEDAGOGICKÁ FAKULTA Katedra technické a informační výchovy
Vytvoření učební pomůcky pro výuku Elektroniky Bakalářská práce
Brno 2012
Vedoucí práce:
Autor práce:
Ing. Jiří Hrbáček, Ph.D.
Petr Jedlinský
Bibliografický záznam JEDLINSKÝ, Petr. Vytvoření učební pomůcky pro výuku Elektroniky: bakalářská práce. Brno: Masarykova univerzita, Fakulta pedagogická, Katedra technické a informační výchovy, 2012. 49 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jiří Hrbáček, Ph.D.
Anotace Bakalářská práce „Vytvoření učební pomůcky pro výuku Elektroniky“ se zabývá výrobou jednoduchého rozhlasového přijímače. Nastiňuje situaci výuky technického vzdělávání na základních školách v současnosti, jeho cíle a okruhy učiva. V další kapitole popisuje základní principy pro funkci rozhlasového přijímání a vysílání. Dále základní principy použitých součástí. Obsahuje také popis konkrétních součástí použitých ve výrobku a odkazy, kde se dají koupit. V poslední kapitole je popsán postup výroby tohoto přijímače a některé alternativy pro jeho rozšíření.
Annotation This thesis " Creation of the educational tool for the lessons of Electronics" deals with the production of a simple radio receiver. It outlines the situation of the teaching of technical education in primary schools in the present, its objectives and areas curriculum. In the next chapter describes the basic principles for the radio reception and the basic principles of the used components. Bachelor's thesis also contains a description of the specific components used in the product and the links where you can buy. In the last chapter describes the procedure for the production of the receivers and some of the alternatives for its extension.
Klíčová slova Rozhlasový přijímač, rozhlasové vysílání, krystalka, anténa, proměnný kondenzátor, tranzistor jako zesilovač, emitorový sledovač. Keywords Radio receiver, radio broadcasting, crystals radio, antenna, variable capacitor, transistor as an amplifier, emitter follower.
Poděkování Na tomto místě bych velmi rád poděkoval vedoucímu bakalářské práce Ing. Jiřímu Hrbáčkovi, PhD. za odborné vedení, nenahraditelné cenné rady, připomínky a zejména čas, který mi věnoval, a které byly nezbytné při tvorbě bakalářské práce. Dále také bych chtěl poděkovat všem zaměstnancům katedry technické a informační výchovy za pomoc při práci.
Prohlášení „Prohlašuji, že jsem závěrečnou bakalářskou práci vypracoval samostatně, s využitím pouze citovaných literárních pramenů, dalších informací a zdrojů v souladu s Disciplinárním řádem pro studenty Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity a se zákonem č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů.“
V Brně dne 14. 4. 2012
……………………………………… Petr Jedlinský
Obsah: OBSAH: ................................................................................................................................................. 5 ÚVOD .................................................................................................................................................... 6 1.
2.
3.
DIDAKTIKA TECHNICKÉ VÝCHOVY ................................................................................................ 7 1.1.
TECHNICKÁ VÝCHOVA ŽÁKŮ ZÁKLADNÍCH ŠKOL V ČR .............................................................................. 8
1.2.
OBSAH A CÍLE VÝUKY TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ NA ZŠ.......................................................................... 11
TEORETICKÝ ROZBOR ..................................................................................................................19 2.1.
ELEKTRICKÉ VELIČINY ..................................................................................................................... 19
2.2.
OBVODOVÉ SOUČÁSTKY ................................................................................................................. 22
2.3.
ELEKTROMAGNETICKÉ POLE ............................................................................................................ 31
ZPRACOVÁNÍ ...............................................................................................................................35 3.1.
ANTÉNA ..................................................................................................................................... 35
3.2.
KRYSTALKY .................................................................................................................................. 37
3.3.
VÝROBA A POTŘEBNÝ MATERIÁL ...................................................................................................... 38
3.4.
VÝROBA V HODINÁCH TECHNICKÉ VÝCHOVY ....................................................................................... 41
3.5.
MOŽNÁ ROZŠÍŘENÍ ....................................................................................................................... 42
ZÁVĚR ..................................................................................................................................................45 POUŽITÁ LITERATURA: .........................................................................................................................47
5
Úvod Cílem práce je návrh učební pomůcky (výrobku) pro základní školu, sloužící v hodinách technické výchovy k výuce elektroniky. V práci bude rozvedeno, co je k tomu potřeba a základní postup sestavení. V didaktické části se tato práce zaměřuje na seznámení s didaktikou technické výchovy a jejím průběhem na základních školách. Teoretická část bakalářské práce představuje seznámení s nejdůležitějšími pojmy, které je potřeba znát k pochopení funkce výrobku. A seznámení se samotným výrobkem. Ve zpracování je popsáno, jaký byl potřeba materiál k sestavení a také jak bude možné v hodinách technické výchovy toto zapojení vyrábět.
6
1. Didaktika technické výchovy Didaktika (teorie vzděláváni a vyučováni) je pedagogická disciplina. Autor první systematické didaktiky byl J. A. Komenský, v jeho pojetí zahrnovala didaktika celou teorii vzdělávání, tedy nejen průběh vzdělávání na jednotlivých stupních školy, obsah vzděláváni a soustavu vyučovacích předmětů, metody a zásady vyučování, ale také problémy výchovné, největší důraz kladl na mravní výchovu. V dalším vývoji se pojem didaktika zužil na teorii vyučování. Jejím předmětem se staly cíle, obsah, metody a organizační formy ve vyučování. Problémy jednotlivých stupňů a typů vzděláváni se zabývají odpovídající didaktiky, např. didaktika mateřské školy, základních a odborných škol. Specifickými problémy vyučování v jednotlivých vyučovacích předmětech, v tomto případě
technické
výchovy,
se
zabývají
předmětové
(oborové)
didaktiky,
resp. metodiky, problémy skupin předmětů oborové didaktiky (didaktika jazykových předmětů, přírodovědných předmětů, didaktika technicky zaměřených předmětů). (Šimoník, O., 2003) Oborová didaktika (Didaktika technicky zaměřených předmětů) Ta navazuje na pedagogicko-psychologické disciplíny zejména v oblasti základní terminologie a na příslušné odborně technické discipliny. Oborová didaktika je koordinující a integrující disciplina specializovaná na transformaci odborných poznatků do vyučovacího předmětu. Cílem je získat schopnosti a dovednosti úspěšně organizovat a řídit vyučovací proces v technických předmětech na základní škole, tedy osvojit si nezbytné vědomosti a dovednosti pro tvorbu a efektivní použití odpovídajících organizačních forem, vyučovacích prostředků i metod (Friedmann, Z., 2001, str. 24). Termín
technická
výchova
vznikl
jako
název
aprobačního
předmětu
na pedagogických fakultách po vzoru tradičních „výchov“ (tělesné, výtvarné, atd.). Původním smyslem byla potřeba odstranit přežitý, nevyhovující a také zprofanovaný termín pracovní výchova. Technickou výchovu chápeme jako systematický a řízený proces záměrného formování osobnosti ve vztahu k technice tak, aby vychovávaný získal v procesu výchovy správné postoje k technice a k využití techniky v životě. (Friedmann, Z., 2001, str. 6). 7
Technické vzdělávání žáků na základní škole je zaměřeno na to, aby žák získal elementární představu a poznatky o technické činnosti a základní předpoklady k jejímu racionálnímu a efektivnímu vykonávání, bez ohledu na to, zda se žák bude či nebude v budoucnu odborně připravovat na povolání uplatňované v technickém oboru. Základní technické vzdělávání je také považováno za nedílnou součást základního všeobecného vzdělávání, které se uskutečňuje na všeobecně vzdělávacích školách. Děje se tak prostřednictvím vyučovacích předmětů, které mají u nás i v zahraničí různé názvy (pracovní vyučování, pracovní výchova, technická výchova, technické činnosti atd.) (Friedmann, Z., 2001, str. 7)
1.1. Technická výchova žáků základních škol v ČR Pro tvorbu vzdělávacích programů má zásadní význam Standard základního vzdělávání. Standard základního vzdělávání představuje jeden z významných nástrojů péče státu o kvalitu vzdělání poskytovaného základní školou. Jeho prostřednictvím hodlá stát garantovat, že všichni žáci základních škol zařazených do sítě mohou v průběhu povinné školní docházky získat plnohodnotné a srovnatelné základní vzdělání využitelné jak v dalším studiu na středních školách, tak v praxi. Svým pojetím je standard základního vzdělávání dokumentem otevřeným: jako takový bude periodicky aktualizován, doplňován a zpřesňován. (Standard základního vzdělávání, 1999, str. 5) Tento standard zavazuje všechny tvůrce dalších kurikulárních dokumentů (vzdělávací programy, učební plány, osnovy, učebnice atd.), aby zahrnuli do všech učebních dokumentů stanovené cíle základního vzdělávání a jednotlivé okruhy kmenového učiva. Podobně je závazným dokumentem pro ředitele a učitele základních škol. Obsahuje nejen potřebné vzdělávací cíle, ale rozděluje kmenové učivo do jednotlivých vzdělávacích oblastí a oborů. (Friedmann, Z., 2001, str. 7)
8
Oblast pracovních činností a technologií Oblast postihuje široké spektrum pracovních činností a technologií, vede žáky k získání základních uživatelských dovedností v různých oborech lidské činnosti a přispívá k vytváření životní a profesní orientaci žáků. Specifické cíle Proces vzdělávání směřuje k tomu, aby žáci:
získali základní pracovní dovednosti a návyky z různých pracovních oblastí, zejména při ručním opracování materiálů, elektrotechnických pracích, pěstitelských činnostech, vedení domácnosti a činnostech v domácnosti ap.
poznali vybrané technologické výrobní postupy, materiály a jejich užitné vlastnosti, suroviny, plodiny a osvojili si jednoduché pracovní postupy běžného života
naučili se volit a používat při práci vhodné nástroje, nářadí a pomůcky, pracovat s dostupnou mechanizací a technikou, včetně techniky výpočetní, a to na základní uživatelské úrovni
osvojili si zásady bezpečnosti a ochrany zdraví při práci, hygieny práce, základy organizace a plánování práce a technologické kázně
získali aktivní vztah k ochraně a tvorbě životního prostředí a pozitivní postoj k řešení ekologických problémů
získali orientaci v různých oborech lidské činnosti, formách fyzické a duševní práce, seznámili se s novými obory, technologiemi a systémy a způsoby aplikací odborných poznatků do praxe
získali pozitivní vztah k práci a odpovědný a tvořivý postoj k vlastní činnosti a její kvalitě
získali poznatky a dovednosti významné pro jejich další životní a profesní orientaci
9
Okruhy kmenového učiva a) Práce s materiály
Práce se dřevem, plasty a kovy - vlastnosti materiálů, užití v praxi, funkce a užití základních nástrojů, nářadí a pomůcek při ručním opracování materiálu.
Elektrotechnické práce - výroba, rozvod a užití elektrické energie ve výrobě a domácnosti, jednoduché elektrické obvody (Na tohle téma je tato bakalářská práce zaměřena.), elektrické stroje a přístroje.
Výroba, výrobní systémy, plánování a řízení výroby (management), marketing, výroba a počítače, změny ve výrobních technologiích, design.
b) Technika
Technika a lidské poznání, historický vývoj vybraných nástrojů, materiálů, procesů, techniky.
Počítač jako technický prostředek, základní uživatelské dovednosti, práce s hotovými programy.
Grafická komunikace - technické náčrty a technické výkresy, zobrazení jednoduchého
technického
výrobku,
základní
způsoby
grafické
technické informace.
Stavebnice, stroje a přístroje. Technické principy a základní konstrukční prvky jednoduchých strojů.
Komunikační technika a systémy - telekomunikace, využití a základní uživatelské dovednosti.
Dopravní systémy. Typy a způsoby dopravy. Dopravní technika, technologie.
Stavební systémy. Projektování a provádění staveb. Bytová architektura.
Údržba a technika oprav jednoduchých prostředků a zařízení v domácnosti a v oblasti volného času.
Technická povolání a základní předpoklady pro jejich výkon.
10
c) Pěstitelství a chovatelství Základní podmínky pro pěstování rostlin.
Půda: prostředí pro pěstování rostlin, vlastnosti půdy, zpracování půdy a ošetřování rostlin.
Výživa rostlin: pěstování rostlin v živných roztocích, hnojení, agroekologické požadavky na pěstování rostlin.
Poznávání vybraných druhů kulturních rostlin a způsobů jejich pěstování a rozmnožování: zelenina, léčivé rostliny, polní plodiny, ovocné rostliny, okrasné rostliny.
Ochrana rostlin a půdy: příklady chorob, škůdců a plevelů a ochrany proti nim.
Péče o životní prostředí, ekologie.
Akvaristika a teraristika, základy chovatelství.
d) Domov
Kultura odívání: funkce a význam oděvu, volba oděvu, vkus, textilní materiály, jejich vlastnosti a použití. Základní uživatelské dovednosti v oblasti šití a dalších textilních technik.
Kultura bydlení: byt a bydlení, funkčnost a estetika interiéru.
Provoz domácnosti: domácí práce, údržba a opravy, obsluha základních technických prostředků v domácnosti; ekonomika rodinného života, rodinný rozpočet.
Výživa: zásady zdravé výživy, příprava pokrmů, kultura stolování. (Standard základního vzdělávání, 1999, str. 34-36)
1.2. Obsah a cíle výuky technických předmětů na ZŠ Obsah výuky byl podle Standardu základního vzdělávání schváleného Ministerstvem školství mládeže a tělovýchovy dne 22. 8. 1995 rozdělen do vzdělávacích programů. Je to základní kurikulum, které obecně určuje kmenové učivo. Dalším rozdělením je obsah technických předmětů ve vzdělávacím programu 11
s názvem Základní škola. Kdy jsou již určeny konkrétní předměty pro výuku techniky a jejich náplň. Charakteristika vzdělávacího programu Vzdělávací program Základní škola usiluje o to, aby žáci v průběhu devítileté školní docházky získali kvalitní všeobecné vzdělání. Odpovídající současným moderním požadavkům. Odpovídá na otázku, co by měli žáci poznat z hlavních oblastí lidské kultury a jakými dovednostmi by měli být vybaveni, aby mohli dále pokračovat ve svém vzdělávání, dorozumívat se s lidmi a uplatnit se v životě. Ve vzdělávací vizi programu je člověk, jako osobnost postupně vyzrávající ve vzdělání. Člověk, který je schopen samostatně myslet, svobodně a autonomně se rozhodovat, mít svůj rozumný názor, projevovat se jako demokratický občan a jednat v souladu s obecně uznávanými životními a mravními hodnotami. (Jeřábek, J., 2003, str. 5) Vzdělávací cíle programu Vzdělávací cíle programu vyjadřují jeho hlavní záměry a určují směr pedagogického působení ve vyučovacích předmětech i v dalších vzdělávacích činnostech na 1. a 2. stupni základní školy. Představují určitý ideální stav, o jehož dosažení učitelé společně se žáky usilují. Žáci se jim přibližují v souladu se svými individuálními předpoklady a možnostmi. Vzdělávací cíle programu jsou rozčleněny: a) na cíle poznávací a s nimi spjaté dovednosti a kompetence žáků, b) na cíle hodnotové, orientované k formování osobnostních rysů a mravních vlastností žáků. (Jeřábek, J., 2003, str. 6) a) Poznávací cíle, dovednosti a kompetence Tato skupina cílů tvoří jádro vzdělávacích záměrů programu. Jejich vyváženost a vzájemná propojenost je základem funkčnosti a účinnosti vzdělávacího působení.
12
Žáci si mají:
vytvořit pevnou soustavu klíčových poznatků významných pro poznávací a praktické
činnosti,
užitečných
pro
budoucí
život,
potřebných
pro
dorozumívání s lidmi a pro orientaci v kulturních a civilizačních výtvorech a hodnotách,
chápat význam získaných vědomostí ve vzájemných souvislostech a postupně si vytvářet ucelený obraz přírodní a společenské skutečnosti,
umět aplikovat získané vědomosti při řešení poznávacích a praktických úloh,
umět jasně a srozumitelně vyjadřovat, naslouchat, číst s porozuměním, memorovat, reprodukovat,
osvojit dovednost samostatně pracovat s učebnicí a učebními texty, vyhledávat informace, třídit je a zpracovávat, dělat si samostatně poznámky,
osvojit dovednost pracovat s pomůckami (slovníky, příruční knihy, indexy, databanky, audiovizuální pomůcky, počítače),
umět řešit přiměřené poznávací problémy, klást otázky a formulovat jednoduché hypotézy, vyvozovat závěry,
umět vyjadřovat své názory, diskutovat o nich, argumentovat, své závěry, stanoviska, názory korigovat,
umět uplatňovat v různých učebních i praktických situacích základní myšlenkové operace (analýza, syntéza, indukce, dedukce, zobecňování),
osvojit další poznávací dovednosti (soustavné pozorování, srovnávání, rozbor a vyhodnocování, rozlišování podstatného a vedlejšího, celku a části, užití údajů a poznatků v nových souvislostech),
osvojit poznatky a dovednosti spojené s estetickým vnímáním světa, jeho ztvárňováním a prožíváním, umět vnímat krásu a estetiku prostředí, člověka, jeho výtvorů, jednání, činnosti, pohybu ap.,
osvojit základní pohybové dovednosti a způsoby manipulace se zatížením,
osvojit základní dovednosti a návyky k ovlivňování aktivního zdraví.
13
b) Hodnotové cíle, postoje a motivy jednání žáků Hodnotové cíle, na jejichž dosažení se vzdělávací program zaměřuje, se vztahují k mravním hodnotám, k základním hodnotám společenského a občanského života i k hodnotám života individuálního. Promítají se do postojové a motivační sféry žáků, postupně ovlivňují jejich rozhodování a jednání a vytváření hierarchie životních hodnot. Žáci mají:
získat orientaci v základních mravních hodnotách (úcta k životu a člověku, k pravdě, spravedlnosti), rozpoznávat je v každodenním životě, ztotožňovat se s nimi; odmítat takové negativní jevy, jako je nespravedlnost, brutalita, násilí, lež a přetvářka,
pochopit základní principy demokratické společnosti (občanská svoboda, odpovědnost, spolupráce, tolerance); poznat způsoby, jak se projevovat jako aktivní a odpovědný občan,
projevovat úctu k právu a zákonům, pochopit nebezpečí a důsledky protiprávního jednání,
vážit si svého domova a své vlasti; uvědomovat si nebezpečí a nehumánnost různých národnostních a rasových předsudků i různých forem diskriminace,
pochopit význam a potřebu mezinárodního dorozumění, dodržování základních lidských práv a ochrany lidské důstojnosti,
pochopit význam života a zdraví, osvojit si zásady zdravého životního stylu, naučit se správně rozhodovat a jednat ve prospěch svého zdraví i zdraví jiných,
vytvořit si pocit odpovědnosti za životní prostředí a projevovat úctu k výsledkům lidské práce minulosti i přítomnosti,
naučit se dbát na sebe, projevovat se pozitivním způsobem, získat pocit sebeúcty,
naučit se respektovat ostatní, rozpoznávat rozdíly mezi lidmi, mezi jejich vlastnostmi a charaktery, být otevřený a zdvořilý vůči druhým lidem, ovládat své citové reakce, 14
získat schopnost pracovat ve skupině, spolupracovat, projevovat solidaritu a ochotu pomáhat druhým. (Jeřábek, J., 2003, str. 6-7)
Povinný předmět Praktické činnost Předmět Praktické činnosti svými formami výuky a vymezeným obsahem učiva, využíváním znalostí získaných v jiných oblastech vzdělávání (fyzika, matematika, atd.) i zkušeností nabytých v běžném životě umožňuje žákům získat nezbytný soubor vědomostí, pracovních dovedností a návyků potřebných v běžném životě a formuje jejich osobnost rozvíjením některých vlastností, motorických i tvořivých schopností a dovedností.
Také
velmi
ovlivňuje
jejich
vztah
k technice
a
práci
s ní.
(Jeřábek, J., 2003, str. 232) 6. – 9. ročník Předmět je rozdělen do sedm výukových bloků, ve kterých studenti získají základní a praktické pracovní dovednosti a návyky z různých oblastí.
I.
Práce s počítačem
Učivo v praktických činnostech:
základní informace o počítači, jeho činnosti a o možnostech jeho využití; programové vybavení počítače,
ovládání klávesnice, zahájení a ukončení práce na počítači,
uchování informací, pevný disk, disketa, kopírování,
obsluha přídavných zařízení (tiskárna…)
obsluha počítače pro hry,
práce s hotovými didaktickými programy,
osvojování si základních uživatelských dovedností II.
Pěstitelství
Učivo v praktických činnostech s ohledem na pěstitelské podmínky školy:
Pěstitelství ve vztahu k životnímu prostředí 15
Zelenina
Okrasné rostliny
Polní plodiny
Léčivé rostliny, koření
(Jeřábek, J., 2003, str. 237-238) Tato část se na například na Základní škole v Jevíčku, kde jsem absolvoval svoji praxi, učí ve velké dotaci hodin například na úkor Elektrotechniky, na kterou není dílna ve škole vybavena. U školy je dostupný školní pozemek, na kterém se vyučuje předmět Pěstitelství.
III.
Práce s technickými materiály
Učivo v praktických činnostech:
rozeznávání různých druhů materiálů: dřevo - kov – plasty,
určování základních vlastností materiálů; fyzikálních, technických, technická zpracovatelnost,
technický náčrt, čtení jednoduchého technického výkresu, měření, orýsování,
práce s vhodnými nástroji a nářadím
IV.
Elektrotechnika kolem nás Žák pracuje s materiálem, pomůckami a přístroji, které odpovídají
bezpečnostním předpisům. A také vyučující by měl mít dostatečné oprávnění, tím se myslí vyhláška: 50/1978 Sb. VYHLÁŠKA Českého úřadu bezpečnosti práce a Českého báňského úřadu ze dne 19. května 1978 o odborné způsobilosti v elektrotechnice. A to § 11 Kvalifikace ve zvláštních případech, který je určen speciálně pro učitele. (Minařík, M., 2005) Učivo:
Jednoduché elektronické obvody 16
Elektrická instalace v domácnosti
Elektrické spotřebiče v domácnosti
První pomoc při úrazu el. proudem
Materiál, pomůcky a nářadí:
V.
Provoz a údržba domácnosti
Učivo:
Provoz domácnosti
Údržba a úklid v domácnosti
Údržba oděvů a textilií v domácnosti
Drobná domácí údržba
VI.
Příprava pokrmů
Učivo: V praktických činnostech ve cvičné školní kuchyni s využitím jejího zařízení.
Kuchyně (základní vybavení kuchyně, bezpečnost a hygiena provozu)
Potraviny (výběr, nákup, rozlišování potravin atd.)
Příprava pokrmů
První pomoc při úrazech v kuchyni (popálení, opaření atd.)
VII.
Svět práce Tato část je hlavně pro žáky 8. a 9. tříd, kdy se žáci rozhodují, kam nastoupí
po absolvování základní školy. Učivo:
Učební obory (Informace, ukázky z praxe prostřednictvím medií, exkurze)
17
Drobné podnikání (V praktické činnosti např. formou vytvoření projektu pro drobné podnikání v dané oblasti s ohledem na podmínky a potřeby místa, tradice a tradiční řemesla)
Technologie a systémy (výběr z oblastí: strojírenství, stavebnictví, zemědělství, telekomunikací, dopravy) (Jeřábek, J., 2003, str. 239 - 243)
Vzdělávací cíle předmětu Předložený vzdělávací program se snaží o obecnější stanovení vzdělávacích cílů. Podle uvedeného programu rozhoduje ředitel školy o výběru jednotlivých témat učiva podle podmínek školy. Musí být dodržen minimální počet hodin pro praktické činnosti v 6. – 9. ročníku. Minimální počet hodin jsou 4 hodiny, ale lze je vyučovat celé čtyři ročníky vždy jedu hodinu týdně, nebo po dvou hodinách týdně dva roky, nebo i jinak. (Friedmann, Z., 2001, str. 31) Volitelné předměty technického charakteru 1. Technické kreslení Předmět má umožnit žákům zvládnout základy technického kreslení. Je určen pro ta žáky, kteří mají zájem o studium technických oborů, nebo o učební obor s technickým zaměřením. 2. Technické činnosti Předmět má žákům poskytnout prostor pro rozvinutí již získaných manuálních a praktických dovedností a uplatnění jejich vlastních zkušeností, vědomostí i poznatků v samostatné tvořivé činnosti. 3. Informatika Předmět předpokládá schopnosti manipulace s počítačem na základní uživatelské úrovni, získané v povinném předmětu. Jeho náplní je seznámení žáku se základy algoritmizace a programování a cílem je rozvoj tvořivých schopností pro uplatňování
18
vědomostí
a
dovedností
při
řešení
praktických
problémů.
(Friedmann, Z., 2001, str. 32-33)
2. Teoretický rozbor Elektronika je oblast vědy a techniky, která se zabývá a využíváním jevů elektrické vodivosti ve vakuu, plynech a polovodičích. Toho se dosahuje pomocí různých elektronických součástek. (Bezděk, M., 2005, str. 11a) Elektrotechnika je obor lidské činnosti zabývající se praktickým využitím elektrické energie, jedná se o specializovaný technický vědní obor, který se zabývá výrobou, rozvodem a přeměnou elektrické energie v jiné druhy energie. (Elektrotechnika, 2011) Elektroniku obvykle dělíme do tří částí:
Fyzikální (teoretická) elektronika - zkoumá principy vodivosti ve vakuu, plynech a polovodičích
Technická elektronika - zabývá se teorií a praxí součástek, které vycházejí z těchto principů, tj. využívají ke své funkci fyzikálních jevů pohybu nosičů elektrického náboje ve vakuu (elektronka), nebo v plynech (výbojka) nebo v polovodičích tranzistor
Aplikovaná elektronika – zabývá se elektrickými obvody, tj. obvody, které obsahují elektronické součástky takové struktury, které k účelovému řízení elektrického proudu nebo elektromagnetického záření využívají elektron. V běžné technické mluvě se pod pojmem elektronika rozumějí nejčastěji různé druhy elektrických obvodů. (Bezděk, M., 2005, str. 11a)
2.1. Elektrické veličiny Tato část se zabývá některými elektrickými veličinami, které se mohou vyskytovat, nebo s nimi budeme pracovat v daném výrobku.
19
Elektrický náboj Přebytek či nedostatek elektronů v tělese se nazývá elektrický náboj. Těleso s elektrickým nábojem má schopnost silově působit na další takové tělesa, prostřednictvím elektromagnetického pole. Je li náboj v klidu, vzniká okolo něj elektrostatické pole. Je-li náboj v pohybu, vzniká okolo něj magnetické pole. Nejmenším nábojem je elementární náboj (náboj jednoho elektronu či protonu). e = 1,602 · 10-19 C Značka je Q a jednotka C (coulomb). Elektrický odpor Elektrony při svém pohybu vodičem mohou narážet na atomy. Tyto srážky brzdí jejich pohyb a navenek se to projevuje tím, že vodič klade elektrickému proudu odpor. Hodnota elektrického odporu je dána materiálem, tvarem i teplotou vodiče. Velikost odporu závisí na délce vodiče (přímo úměrně), na obsahu průřezu vodiče (nepřímo úměrně), na materiálu vodiče (měrný elektrický odpor) a na teplotě. 𝑹 = 𝛒 𝐥/𝐒 [𝛀] ρ - měrný elektrický odpor, l – délka vodiče, S – plocha průřezu vodiče Na teplotě závisí odpor vodičů i polovodičů. Odpor vodičů se vzrůstající teplotou
stoupá.
Elektrický
odpor
má
vždy
kladnou
hodnotu.
Převrácená hodnota elektrického odporu je fyzikální veličina, která se nazývá elektrická vodivost. (Elektrický odpor, 2011) Elektrická kapacita Je to množství elektrického náboje ve vodiči s jednotkovým elektrickým potenciálem. Elektrická kapacita vyjadřuje schopnost vodiče uchovat elektrický náboj. Čím větší kapacita, tím větší množství náboje může být na vodiči.
20
Přestože je elektrická kapacita obecně vlastností každého vodiče, využívá se především v kondenzátoru. (Elektrická kapacita, 2011) Značka je C a jednotka F (farad). Elektrické napětí Elektrické napětí je určeno jako práce vykonaná elektrickými silami při přemísťování kladného jednotkového elektrického náboje mezi dvěma body v prostoru. Lze ho také vyjádřit jako rozdíl elektrických potenciálů v obou bodech v prostoru. (Elektrické napětí, 2011) Značka je U a jednotka V (volt). Elektrický proud Uspořádaný pohyb volných elektronů z místa jejich přebytku do místa nedostatku nazýváme elektrický proud. Proud v běžných elektrických rozvodech může být stejnosměrný a střídavý. Dohodnutý směr toku stejnosměrného proudu je od kladného pólu zdroje přes spotřebič k zápornému pólu zdroje. Intenzita elektrického proudu vyjadřuje množství náboje prošlého za jednotku času. 𝑰 = 𝑸/𝒕 [𝑨] Q – Elektrický náboj, t- čas (Elektrický proud, 2011) Ohmův zákon Vyjadřuje vztah mezi elektrickým odporem, napětím a proudem. Zákon říká, že elektrický proud v elektricky vodivém předmětu je přímo úměrný elektrickému napětí přiloženému na tento předmět, konstantou úměrnosti je vodivost: Elektrický proud v kovovém vodiči je při stálém odporu přímo úměrný napětí na koncích vodiče. Je-li napětí na koncích vodiče stálé, je proud nepřímo úměrný odporu vodiče.
21
𝑹 = 𝑼/𝑰 [𝜴 ] U- napětí [V], I- proud [A]. (Ohmův zákon, 2011)
Obrázek 1: Ohmův zákon názorně pro představu
Frekvence Frekvence (kmitočet) udává počet opakování děje za jednotku času. Jednotka Hz (hertz).
2.2. Obvodové součástky Elektronické obvody jsou konstrukční útvary vzniklé spojením elektronických součástek se zdrojem elektrické energie. Jejich dalším účelově zaměřeným seskupováním jsou vytvářeny útvary vyšší. Obvodová součástka je neoddělitelná součást obvodu, která má přesně dané elektrické vlastnosti. Těmito parametry jsou odpor rezistoru, kapacita kondenzátoru a proudové zesílení tranzistoru atd. (Bezděk, M., 2005, str. 12a)
22
Součástky můžeme dělit podle několika hledisek: 1) Podle voltampérové charakteristiky
Lineární prvky – mají lineární V-A charakteristiku. Například: odpor, kondenzátor atd.
Nelineární prvky – jejich V-A charakteristika nabývá různých tvarů. Například: dioda, tranzistor, žárovka atd.
Obrázek 2: Lineární a nelineární závislost proudu i na napětí u
2) Z hlediska množství vývodů, kterými je prvek připojen k obvodu
Dvojpóly – Odpory, diody…
Čtyřpóly – Transformátory..
Vícepóly – Integrované obvody… Toto rozdělení se mi nezdá příliš vhodné, protože existují například
i součástky se třemi vývody. Je to například stabilizátor napětí, nebo obyčejné tranzistory.
23
3) Z energetického hlediska lze rozdělit prvky na
Pasivní – V obvodu se chovají jako spotřebiče elektrické energie (odpor, kondenzátor…)
Aktivní – V obvodu se chovají jako zdroje energie. Do této skupiny řadíme tranzistory, některé druhy diod. (Bezděk, M., 2005, str. 12-13a)
4) Podle frekvenční závislosti To jsou například děliče napětí. Vzniknou sériovým zapojením dvou, nebo více rezistorů ke zdroji napětí. Tím vytvoříme dělič napětí. Úbytek napětí vznikající na rezistorech je přímo úměrný velikosti jejich odporů. Dělíme je na:
Frekvenčně nezávislé děliče – jsou tvořeny dvěma nebo více základními obvodovými součástkami stejného charakteru (dvěma rezistory, dvěma kondenzátory, dvěma cívkami)
Frekvenčně závislé – obsahují kombinace základních součástek (rezistor, kondenzátor, cívka)
(Bezděk, M., 2005, str. 51a)
2.2.1. Rezistor (Odpor) Rezistory jsou nejrozšířenější součástkou v elektronických zařízeních. Rezistor má v ideálním případě, nezávisle na pracovních podmínkách a fyzikálních parametrech okolního prostředí, vykazovat čistě reálný elektrický odpor. Jeho odpor se značí v Ω. Napětí na svorkách je přímo úměrné protékajícímu proudu. V případě je-li napětí a proud střídavé, nemají proti sobě žádný fázový posun. Důvodem pro zařazení rezistoru do obvodu je obvykle snížení velikosti elektrického proudu nebo získání určitého úbytku napětí. Skutečné vlastnosti rezistorů určuje mnoho parametrů a jevů, jako je například: velikost elektrického odporu, teplotní závislost odporu, napěťová závislost, maximální provozní napětí atd. (Bezděk, M., str. 18a)
24
Schematická značka rezistoru není celosvětově sjednocena, protože v Evropě se používá symbol (viz Obr. 3 - R1)., zatímco ve Spojených státech a Japonsku se používá jiný symbol (viz Obr. 3 – R2).
R1
R2
Obrázek 3: R1 rezistor podle EU normy a R2 podle US normy
Podle provedení rozlišujeme rezistory: a) Pevné
Drátové – zhotovují se obvykle vinutím odporového drátu na nosné keramické tělísko. Povrch rezistoru se opatřuje speciálními ochrannými laky nebo smalty, a tím mohou odolávat teplotě ve stovkách stupňů Celsia.
Vrstvené – jedná se o nejrozšířenější rezistory. Jejich základním mechanickým prvkem je nosné tělísko, vyrobené většinou ze speciálního porcelánu, na kterém je nanesena funkční vrstva. Nejčastějším materiálem je pyrolyticky nanesený uhlík, což je termický rozklad materiálů za nepřístupu kyslíku. Dále pak slitiny kovů Ni-Cr, Si-Fe-Cr atd. Konečná ohmická hodnota rezistoru se získá výbrusem
šroubovice
na
válcové
ploše
tělíska
rezistoru.
(Bezděk, M., str. 20a) b) Proměnné
Potenciometry – jsou součástky, u nichž je kontakt běžce vždy jen mechanicky přitlačen k odporové dráze. Jsou konstruovány pro více násobné nastavování.
Odporové trimry – podobné jako potenciometry, ale konstrukčně se liší v tom, že nejsou určeny k mnohonásobnému přestavování polohy běžce. (Bezděk, M., str. 22-25a)
25
Označování hodnot na rezistoru se provádí dvěma způsoby. Jeden způsob je, že sou hodnoty na rezistoru zapsány. Například 10k, kdy „10“ ukazuje hodnotu na „k“ násobek 103. Pro rezistory se používají tato písmena: k-103, M-106, G-109, T-1012. Druhý je že se používá speciální barevné značení.
2.2.2. Kondenzátor Kondenzátory se vyskytují v elektronických obvodech ve velkém množství typů a kapacit. Základními hledisky pro výběr správného kondenzátoru jsou, kapacita, jeho maximální povolené napětí a jeho rozměry. Ideální kondenzátor má jen kapacitu C. Její jednotka je farad (F). Také posouvá fázi napětí za proud o 90°. Konkrétní kondenzátor se však chová složitěji, má parazitní vlastnosti jako je odpor a indukčnost. (Bezděk, M., str. 30a) Kondenzátory jsou vyrobeny ze dvou vodivých elektrod oddělených od sebe izolací (dielektrikem) Kapacita kondenzátoru je přímo úměrná velikosti vodivých elektrod a nepřímo úměrná tloušťce dielektrika. Dielektrikem může být vzduch, papír, slída, plastické hmoty atd. (Šrait, P., str. 23)
C1
C2
C3
Obrázek 4: C1-nepolarizovaný kon., C2-elektrolytický kon. podle EU norem, C3-elektrolytický kon. podle US normy
Kapacita kondenzátoru je dána vztahem: 𝑪=𝜺
𝑺 𝑭 𝒅
ε= ε0* εr ε0- permitivita vakua, εr- relativní permitivita (udává vlastnosti použitého dielektrika), S- plocha překrytí desek, d- vzdálenost desek od sebe (tloušťka dielektrika). (Bezděk, M., str. 31a)
26
2.2.3. Cívka Cívky jsou součástky, jejichž nejdůležitější částí je vodič z měděného drátu, který je navinut do tvaru šroubovice nebo spirály. Základní vlastností cívky je vlastní indukčnost. Indukčnost cívek závisí na počtu závitů, jejich uspořádání a na magnetických vlastnostech prostředí, které cívku obepíná. Ideální cívka má jen indukčnost L. Její jednotka je henry (H). Také posouvá fázi napětí, ale na rozdíl od kondenzátoru před proud o 90°. Konkrétní cívky mají různorodé požadavky, a proto nejsou standardizovány a nevyrábí se ve velkém množství. Magnetické pole vznikající kolem vodiče, protéká jím proud, buď volně prochází prostorem kolem vodiče, nebo pokud je opatřena magnetickým obvodem z feromagnetického materiálu, ve kterém se magnetické pole soustřeďuje. (Bezděk, M., str. 42a) L
Obrázek 5: Schematická značka pro cívku
Laděný (Rezonanční) obvod Při konstrukci tohoto jednoduchého rozhlasového přijímače budeme používat takzvaný ladící obvod. Tyto obvody jsou složeny ze dvou základních součástek, kondenzátoru a cívky. Cívka spolu s kondenzátorem vytvoří rezonanční obvod. C
L
Obrázek 6: paralelní rezonanční obvod LC
27
K takzvané rezonanci dochází, když ve střídavém obvodu se rovná impedance cívky a kondenzátoru: ωl = ωc . Z této rovnosti se odvozuje vzorec pro rezonanční kmitočet obvodu a ten je: 𝒇𝒎 =
𝟏 𝟐𝝅 𝑳𝑪
[𝑯𝒛]
U tohoto obvodu bude kondenzátor C1 proměnný a budeme pomocí něho měnit rezonanční kmitočet obvodu fm. A tímto způsobem budeme ladit krystalku na požadovaný kmitočet.
2.2.4. Dioda Přechod PN V jediném krystalu polovodiče lze vytvořit vhodnou technologií oblasti s různým typem vodivosti. Polovodič typu N vznikne, je-li atom čtyřmocného prvku (Si nebo Ge) nahrazen atomem pětimocného prvku (P, As, Sb..). Ve vzniklé vazbě, je ale jeden elektron nadbytečný a vzniká polovodič typu N. Tato vazba se nazývá negativní (elektronová) vodivost. U polovodiče typu P se slučuje čtyřmocný prvek s třímocným (Al, B, Ga..). Ve vniklé vazbě schází jeden elektron, a proto se jí říká pozitivní (děrová) vodivost. Velmi tenká vrstva polovodiče, v níž vodivost typu N přechází ve vodivost typu P, se nazývá přechod PN. (Bezděk, M., str. 81-83a) Polovodičové diody Jedná se o polovodičové součástky, které většinou obsahují jeden přechod PN opatřený dvojicí vývodů a pouzdrem.
A
K
Obrázek 7: Schematická značka dioda
28
Vývod připojený k oblasti z vodivostí P se nazývá anoda a označuje se A, vývod připojený k oblasti s vodivostí N se nazývá katoda a označuje se K. To znamená že katoda se připojuje na mínus a anoda na plus. Z hlediska konstrukce rozeznáváme diody:
Hrotové (germaniová)
Plošné (Schottkyho, difuzní)
Mikroplošné
Podle použití rozeznáváme diody:
Usměrňovací
Detekční a spínací
Stabilizační a referenční (tzv. Zenerovy)
Tunelové a inverzní
Kapacitní (varikapy)
Fotodiody
Luminiscenční (svítivé, laserové)
Speciální diody (mikrovlnné diody apod.) (Bezděk, M., str. 86a) V této práci budeme používat 2 typy diod. A to germaniovou hrotovou diodu
a Schottkyho diodu. Z důvodu toho, že se otevírají při malém napětí, které je přibližně 0,3V. Proto si blíže rozvedeme rozdělení právě pro tyto dva případy. Které jsou obě obsaženy v detekčních diodách. Detekční diody Používají
se
pro
detekci
a
demodulaci
v diodových
detektorech
a demodulátorech, kdy se z modulovaného vysokofrekvenčního signálu získává zpět původní nezmodulovaný signál. Tyto diody se zhotovují buď jako hrotové s přivařeným hrotem nebo plošné. Dále se také používají Schottkyho diody. (Bezděk, M., str. 91a)
29
Hrotové diody Tyto diody využívají zdánlivě přechodu kov – polovodič. Ve skutečnosti se však jedná většinou o miniaturní přechod PN. Mezi tyto diody patří galenitový detektor (obr.8). Říká se mu také krystal a používal se v prvních krystalových přijímačích.
Obrázek 8: Galenitový detektor
Detektor, fungující jako hrotová dioda, skládal se ze skleněného pouzdérka, ve kterém byl uchycen galenitový krystal, do kterého se píchalo pružnou jehličkou upevněnou v kloubovém držáčku tak dlouho, až byl příjem optimální a dostatečně hlasitý. Nastavování detektoru vyžadovalo neskutečnou trpělivost, často stačilo pak o naladěný přijímač neopatrně zavadit rukou a celá legrace s pícháním do krystalu se opakovala nanovo. V současné době je nahradili germaniové hrotové diody, které se vyrábějí z germánia typu N (negativní vodivost)
30
. Obrázek 9: Germaniová hrotová dioda
Čtvercová opracovaná destička Ge přibližného rozměru 1 x 1 x 0,1 mm je připojena k držáku, který je umístěn ve skleněné trubičce (obr.9). Proti ní se posunuje držák s esovitě zahnutým wolframovým drátkem, který má hrot a na jeho konci je oblast s vodivostí typu P. V okamžiku, kdy dojde ke kontaktu, posun se zastaví a skleněná trubička se na obou koncích zataví. Tato dioda se formuje elektrickým impulsem v propustném směru, vlivem teploty se změní krystalická struktura pod hrotem a vznikne PN přechod. (Bezděk, M., str. 88a) Schottkyho dioda Je typem plošné diody, která využívá přechodu kov – polovodič. Vedle kovu je polovodič typu N. Elektrony při kontaktu obou látek pronikají z polovodiče do kovu a zde se vzhledem k jeho vodivosti rozptýlí a nevytvoří oblast prostorového náboje jako u přechodu PN. Proto vznikne v polovodiči v blízkosti kovu tak silný úbytek elektronů, že převládnou v té době menšinové nosiče (díry). Tím dochází ke změně vodivosti z N na P. Schottkyho diody se zhotovují z křemíku nebo GaAs (GalliumArsen). GaAs mají lepší vysokofrekvenční a spínací vlastnosti, což budeme u krystalky potřebovat. (Bezděk, M., str. 90a)
2.3. Elektromagnetické pole Co je vlastně Elektromagnetické pole? Nejjednodušeji jde elektromagnetické pole definovat jako přenos energie prostorem rychlostí světla. Pro lepší pochopení je lepší si ho představit. Můžeme pro 31
názornost použít světlo, které lze také zařadit do elektromagnetického pole. Světlo má tedy podobné vlastnosti jako elektromagnetické pole. Elektromagnetické pole nás obklopuje téměř všude a dokáže se šířit i přes překážky. Dokonce i člověk je zářič elektromagnetického pole. Člověk například vyzařuje v oblasti infračervených vln. Toto se například používá u infračervených kamer atd. Vznik elektromagnetického pole Elektrické pole vzniká všude tam, kde je elektrické napětí. Například mezi póly baterie je elektrické pole. Elektromagnetické vlnění se projevuje elektrickým polem E a magnetickým polem H. Také každý materiál má elektrickou pevnost, což není nic jiného než mezní intenzita elektromagnetického pole. Při vyšší intenzitě dochází k průrazu látky. Magnetické pole zase vzniká všude tam, kde se pohybují nabité částice. Například, pokud teče ve vodiči elektrický proud, vzniká kolem vodiče magnetické pole. Toho se využívá například u elektromagnetů. Tam je pro zvýšení "účinnosti" namotaný vodič
tak,
že
v
malých
rozměrech
je
velmi
dlouhý
drát.
(Úvahy kolem elektromagnetického pole, 2012) Vyzařování elektromagnetického pole. Účinné vyzařování elektromag. pole zajišťují antény (viz. kapitola 3.1). Z antény odpoutaná elektromag. energie se šíří prostorem jako postupné elektromag. vlnění. Toto vlnění se šíří rychlostí světla a různými směry podle konstrukce antény. Rychlost šíření elektromag. vlnění ve stejnorodém prostředí je dána vztahem 𝒗=
𝟏 [𝒎. 𝒔−𝟏 ] 𝜺∗𝝁
Kde ε – permitivita prostředí ε = ε0*εr (ε0 – je permitivita vakua, εr - je relativní permitivita) µ - permeabilita prostředí µ = µ0* µr (µ0 – je permeabilita vakua, µr - je relativní permeabilita) Ve volném prostoru se rychlost šíření vln rovná rychlosti šíření světla. A to je tedy 𝒗 = 𝒄 = 𝟑 ∗ 𝟏𝟎𝟖 [𝒎. 𝒔−𝟏 ] Vlnová délka elektromag. vlny je dána vztahem: 32
𝝀=
𝒗 𝒄 = [𝒎] 𝒇 𝒇
f – frekvence vlnění. Vlnová délka má vliv na ohyb vln kolem překážek a na lom vln v troposféře a ionosféře. Od vysílače k přijímači se mohou elektromag. vlny šířit různými způsoby. A to: 1)Přímou vlnou – neohýbá se a šíří se jen na přímou viditelnost 2)Prostorovou vlnou – šíří se mezi zemí a ionosférou a od ní se odráží zpět k zemi. 3)Povrchovou vlnou – ohýbá se podle povrchu země (Bezděk, M., str. 9 - 12b)
Obrázek 10: Šíření elektromag. vln. P-přijímač, V- vysílač.
Šíření elektromagnetických vln Velmi dlouhé vlny – mají frekvenci 3 – 30 kHz. Šíří se povrchovou vlnou a dobře se ohýbají okolo překážek. Používají se pro námořní navigaci. Dlouhé vlny (DV) - mají frekvence 30 – 300 kHz. Šíří se také povrchovou vrstvou do vzdálenosti několika stovek kilometrů. Používají se pro rozhlasové dlouhé vlny, radiokomunikace, meteorologické služby. Střední vlny (SV) - někdy také zkratka AM (z anglického Amplitude Modulation), která nepopisuje vlnovou délku, ale vztahuje se ke způsobu modulace signálu 33
používaného při přenosu rozhlasového vysílání. Šíří se prostorovými a povrchovými vlnami. Na této vlnové délce bude naše krystalka přijímat vysílání a demodulovat ho. SV mají frekvence 0,3 - 3 MHz a běžně se používají k přenosu rozhlasového vysílání (SV), radionavigaci a komunikaci na malé a střední vzdálenosti. Krátké vlny (KV) - o frekvencích 3 - 30 MHz. Radiokomunikace na střední a velké vzdálenosti, rozhlasové krátké vlny, amatérská pásma. Velmi krátké vlny (VKV) - o frekvencích 30 - 300 MHz. Na těchto vlnách se vysílá frekvenčně modulované rozhlasové vysílání (FM) a některé televizní kanály (I., II. a III. tel. pásmo). Ultra krátké vlny (UKV) - o frekvencích 0,3 - 3 GHz. Vysílají se na nich další televizní kanály (IV. a V. pásmo) a digitální televize. Super krátké vlny (SKV) - Frekvence 3 – 30 GHz. Radiolokace, radioreléové spoje, telekomunikace, satelitní spojení. Extrémně krátké vlny (EKV) - Frekvence 30 - 300 GHz. Přistávací a říční radiolokátory, letecké výškoměry. (Bezděk, M., str. 20 – 23b) Frekvence vln má také vliv na její vlnovou délku a tím i na velikosti antény. Proto na dlouhé vlny je potřeba velmi dlouhou anténu. Kdy vysílače pro dlouhé vlny mají obrovské antény na vysílání a příjem signálu. Například ale antény pro mobily, které pracují v pásmu okolo 960 MHz, můžou být díky tomu velmi malé, ale to jé také ovlivněno tím, že používají feritovou anténu. Například délka antény pro dlouhé vlny se spočítá tak, že si vypočítáme z kmitočtu signálu jeho vlnovou délku. 𝝀=
𝒄 [𝒎; 𝒎 ∗ 𝒔−𝟏 , 𝑯𝒛] 𝒇
c= 3*108 m*s-1, f= 30*103 Hz Potom 𝝀=
𝟑 ∗ 𝟏𝟎𝟖 = 𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎 𝒎 𝟑𝟎 ∗ 𝟏𝟎𝟑
34
Výsledná anténa by tedy musela mít délku 10km, proto se používají její poměrové části a to například: λ/2, λ/4, λ/6 atd.
Pro naše účely pro příjem
na středních vlnách používáme poměr λ/6, což je přibližně 16 m.
3. Zpracování
3.1. Anténa Anténa je část vysokofrekvenčního vedení upravená tak, aby vyzařovala vysokofrekvenční energii do prostoru (vysílací anténa), nebo účinně zachytila přicházející elektromagnetické vlnění (přijímací anténa) a přeměnila na elektrickou energii. Anténa má několik vlastností, podle kterých se určují její parametry. Je to například
šířka
přenášeného
pásma,
nebo
směrovost
antény.
(Bezděk, M., str. 38b) Přijímací antény Přijímací anténa převádí elektromagnetické vlnění na elektrickou energii v podobě střídavého proudu a napětí, které lze odebírat ze svorek vysokofrekvenčním vedením. Tomuto vedení také říká anténní svod. Jakmile na přijímací anténu dopadá proměnlivá elektromagnetická vlna, indukuje se na svorkách antény napětí, které je možné přibližně určit ze vztahu pro jednoduchý dipól: 𝒖𝒊 = 𝑬 ∗
𝝀 [𝑽, 𝑽. 𝒎−𝟏 , 𝒎] 𝟐∗𝝅
V pásmu dlouhých vln a středních vln se používají antény tvaru T a L (obr.11)., protože je všesměrová a právě umístění toho zlomu v anténě ovlivňuje kvalitu přijatého signálu. Jejich délka se pohybuje v rozmezí od několika metrů do desítek metrů. Vzhledem k malému výkonu se používají tenké vodiče. Protože náš téměř nezajímají účinnost přeměny, směrový diagram atd., jsou antény velmi jednoduché. 35
Anténa se umístí mezi nějaké dva body dostatečně nad zemí, drát je měděný a může být i izolovaný. Jeho průměr se pohybuje v rozmezí 1,5 – 2,5 mm. Anténa musí být upevněna izolovaně a měla by být chráněna bleskojistkou proti úderu bleskem. (Bezděk, M., str. 43 - 44b) Potřebné vlastnosti antény se dají celkem přesně vypočítat, ale stejně vždycky při sestavování antény se musí ručně dodělat velikost antény.
Obrázek 11: Přijímací anténa pro rozhlas typu L
Velmi důležité je také uzemnění. Anténou zachycený signál musí být po zpracování v krystalce odveden do země, aby byl uzavřen elektrický obvod. Jako uzemnění vyhovuje kovový předmět uložený v zemi, na němž je připevněn tlustý vodič (měď o průměru 2 – 5 mm). Vodič musí být dobře připojen. Pokud je anténa natažená v místnosti, můžeme použít jako uzemnění vodovodní potrubí, plynové potrubí, radiátor. Je ale potřebné opět zajistit dobrý kontakt (Šrait, P., str. 57-58) V tomto případě budeme používat jako anténu patnácti metrový drát RG CYA 1x1,5 ČERNÝ HO7V-K, který jsme koupili v obchodě GM Electronic1. Tento drát
1
http://www.gme.cz/izolovane-licny/rg-cya-1x1-5-ern-ho7v-k-p651-018/
36
přiděláme k izolátorům koupeným v GES Electronics2. Je to nejjednodušší anténa, která může být ve vertikální nebo horizontální formě, ale parametry má poměrně špatné. Tento drát by měl byt dostačující k tomu, abychom na krystalce měli dostatek elektrické energie a dokázali zachytit nějakou stanici.
3.2. Krystalky Krystalky byly prvními prakticky použitelnými a hojně rozšířenými radiopřijímači v dějinách lidstva. Jejich historie se začala psát již před sto lety a poté, co začal ve dvacátých letech minulého století pravidelně vysílat rozhlas, nastalo jejich masové rozšíření. K jejich zhotovení postačí několik součástek. V našem případě to bude, dioda, kondenzátory, cívka a sluchátka. Krystalka nemusí být napájena ze zdroje, protože získává energii z antény.
Schéma zapojení: Anténa
D1
C1
C2
Uzemnění
Reproduktor
Obrázek 12: Schéma zapojení krystalky
Existuje spousta schémat, jak krystalku zapojit. Toto schéma patří k těm nejjednodušším, které fungují. Cívka L1 a proměnný kondenzátor C1 tvoří rezonanční obvod. Kde C1 se stará o změnu vlastností tohoto obvodu. Dioda D1 je germaniová
2
http://www.ges.cz/cz/mfj-16c01-antenni-izolator-GES08900439.html
37
hrotová dioda, nebo Schottkyho dioda. Germaniová dioda poté přijatý signál ořízne o zápornou půlvlnu a výstupní stále ještě VF signál nabíjí kapacitu C2 na výstupu a tím se z něho stává pouze NF signál.
A
B
C
Obrázek 13: A) modulovaný vysokofrekvenční signál. B) Usměrněný signál diodou D1. C) Vyhlazený signál kondenzátorem C2
3.3. Výroba a potřebný materiál Cívka L1 Cívka je navinutá smaltovaným drátem o průměru 0,3 mm. Na feritové jádro o průměru 0,8 mm, které jde koupit například v obchodě AV Elektronik 3, namotáme několik vrstev papíru. Na tento papír teprve namotáváme závity cívky. Vytvořená cívka má 80 závitů na feritovém jádře. Kondenzátor C1 Jedná se o koupený otočný ladící kondenzátor se vzduchovým dielektrikem a kapacitou 320 + 380 + 2x 14pF. Rozměry kondenzátoru jsou 56x30x33mm.
3
http://www.avelektronik.cz/katalog_detail.php?id_kategorie=583&id_katalog=4001
38
Kondenzátor lze koupit ve dvou obchodech. Jedním z nich je firma Hadex4, kde ale poměrně často toto zboží nemají na skladě. Další je firma Kitman Electronics5, kde mají také tento kondenzátor. Je sice dražší než u Hadexu, ale mají ho většinou skladem a dodání je do týdne. Může se použít jakýkoliv jiný podobný ladící kondenzátor. Tyto kondenzátory byly často používány v rádiích pro střední a dlouhé vlny, takže pokud je k dispozici nějaké už nepoužívané rádio, stojí za to se do něj podívat, jestli neobsahuje podobný kondenzátor.
Obrázek 14: Ladící kondenzátor J904
Dioda D1 Tato dioda sloužící jako vysokofrekvenční detektor a její nejdůležitější vlastností je nízké spínací napětí. Toto splňuje právě germaniová hrotová dioda, nebo některé Schottkyho diody. Dříve se používala germaniová hrotová dioda typu GA 201 až 207. Zase ve většině starých radií se dá ještě najít. Ale existuje za ní jiná alternativa a to dioda 1N34A, která jde koupit na stránkách firmy Farnell6. Bohužel tato dioda se také spatně shání. Proto v naší krystalce používáme jako náhradu Schottkyho diodu BAT46 - TAP koupenou v obchodě GES Electronics7. Tato dioda má poněkud horší potřebné vlastnosti a krystalka hraje s ní slaběji, ale funguje to.
4
http://www.hadex.cz/elektronicke-soucastky-pasivni--kondenzatory-promenne http://e-prodavac.cz/kitman/otocny-kondenzator.html 6 http://cz.farnell.com/jsp/search/productdetail.jsp?sku=1651088&CMP=KNC-GCZ-FCZ-GEN-SKUMARGIN&s_kwcid=TC|15029|1N34A||S|p|7659249640 7 http://www.ges.cz/cz/bat46-tap-GES04900195.html 5
39
Kondenzátor C2 Za detektor je zařazen kondenzátor C2. Který se nabíjí vysokofrekvenčními půlvlnami a při jejich poklesu se vybíjí přes sluchátka. Kapacita kondenzátoru je zvolena, tak aby se náboj vydržel vybíjet po celou dobu, kdy dochází k poklesu signálu k nule. Tím je dosaženo vyhlazení. Pokud bude jeho kapacita příliš velká, tak bude zkreslovat výstupní nízkofrekvenční signál. Kapacita tohoto kondenzátoru se volí v jednotkách nF. Toto se používá, pokud sou ke krystalce zapojena vysoko ohmová
sluchátka.
Pokud
použijeme
Piezoměnič,
tak
tento
kondenzátor
nepotřebujeme, protože měnič má dostatečnou kapacitu sám. Reproduktor K tomuto zařízení jsou potřeba vysoko ohmová sluchátka, které ale jdou velmi těžko sehnat. Jednou z možností jak je nahradit, je udělat si zesilovač k obyčejným sluchátkům. Na to ale již potřebujeme zdroj napětí, který nám bude tento zesilovač napájet. Pokud bude dostatečně velký signál naindukovaný na anténě, použijeme u tohoto zapojení piezoměnič KPE126 koupený v obchodě GME Electronic8. Pokud reproduktor stále nebude hrát, uděláme si jednoduchý zesilovač. Potom již můžeme použít běžné sluchátko. V tomto případě telefonní sluchátko 50Ω.
8
http://www.gme.cz/piezomenice-zapouzdrene/kpe126-p641-006/#popis
40
3.4. Výroba v hodinách technické výchovy Jelikož tento výrobek bude mít spíše demonstrativní činnost, bude na vyučujícím, aby si tento výrobek přichystal. Sestavení Vybrané součástky zapojujeme na kontaktní nepájivé pole, které je na obrázku. Je na něm vyjádřeno žlutou barvou, jak jsou jednotlivé vodivé části propojeny.
Obrázek 15: Nepájivé kontaktní pole
Připojení cívky Cívku navineme na feritové jádro tak, že ferit obalíme vrstvou papíru. Na vrstvu papíru začneme navíjet smaltový drát, které jsme si mohli před tím ještě trochu navoskovat (zlepší se tím izolační schopnosti). Dále potom musíme upevnit konce vinutí a to buď pečetním voskem, nebo nějakým lepidlem. Célé vinutí nakonci můžeme zalakovat, nebo zalít voskem. Na hotové cívce musíme odstranit z konců drátu ochranný lak, abychom měli kontakt. Ke koncům připájíme drát, který potom připojíme do kontaktního nepájivého pole, dále jenom KNP. Připojení kondenzátoru C1 Na ladící kondenzátor připájíme také dráty, abychom ho mohli připojit do KNP. Dále je potřebné na něj připojit přístrojový knoflík, který vytvoří izolaci, abychom se přímo nedotýkali běžce. Protože pokud se chytíme běžce bez izolace, měníme vlastnosti tohoto kondenzátoru.
41
Připojení ostatních prvků Diodu připojíme přímo do KNP, kdy pouze ohneme vývody diody. Stejně tak i piezoměnič. Dále musíme připojit anténu a uzemnění. Po správném připojení by mělo jít naladit nějakou stanici a měla by být dostatečně slyšitelná.
3.5. Možná rozšíření Tranzistor jako zesilovač v zapojení se společným emitorem. Pokud vlastnosti antény nejsou dostatečné, nebo dostatečně kvalitní signál, tak nebudeme na výstupu vůbec nic slyšet. Proto si můžeme vyrobit jednoduchý zesilovač a to za pomoci jednoho tranzistoru. Použijeme tranzistor BC337, který lze koupit v jakémkoliv obchodu se součástkami.
R5 1
VCC R3
C2
R1 IN
C1 T1
R2
R4
C3
GND_IN
GND_OUT Obrázek 16: Zesilovač
Kondenzátory: C1 - 5µF, C2 - 20µF, C3 - 50µF Rezistory: R1 – 68kΩ, R2 – 22kΩ, R3 – 1kΩ, R4 - 150Ω, R5 trimr – 100kΩ Na vstup zesilovače (IN, GND_IN) připojíme výstup naší krystalky. Požadované nastavení pracovního bodu tranzistoru je provedeno trimrem R5 a to tak že 42
na rezistoru R3 musí být poloviční napětí, než je napájecí. K napájení zesilovače slouží 4,5 V baterie připojena na VCC kladná polarita a GND_OUT záporná polarita. Když vstupní signál přicházející na vstup, tak báze otvírá tranzistor. A podle vlastností tranzistoru zesílí signál. Tranzistor je v zapojení se společným emitorem, sice tento zesilovač obrací fázi výstupního napětí, ale to nám nevadí. V tomto zapojení již piezoměnič hraje celkem dobře a jsou již také slyšet i méně silné stanice. Také již lze připojit obyčejné 50Ω telefonní sluchátko a hraje to již také dobře, i když sluchátku zatěžuje celý obvod. K tomu, aby nebyl obvod tolik zatížen slouží zapojení tranzistoru se společným kolektorem (emitorový sledovač). Emitorový sledovač Emitorový sledovač slouží k nahrazení vysoko ohmového sluchátka. Proto na jeho výstup můžeme zapojit i klasické telefonní 50Ω sluchátko. K napájení používáme opět 4,5V baterii.
VCC R1 IN T1
GND_IN
Obrázek 17: Emitorový sledovač
Rezistor: R1= 1,5 kΩ Tranzistor: T1= BC 547C Reproduktor: telefonní 50Ω
43
GND
Emitorový sledovač má jednu základní vlastnost a to, že neobrací fázi výstupního signálu k vstupnímu. V tomto případě sleduje výstupní signál vstupní svým průběhem, proto říkáme sledovač. Emitorový proto, že výstup je veden z emitorového výstupu tranzistoru. Další jeho vlastnost a pro nás nejdůležitější je, že má velmi vysokou vstupní impedanci. Proto nám pomůže při náhradě vysokoohmového sluchátka, kdy do obvodu zapojíme telefonní sluchátku a nebo piezoměnič. Jeho napěťové zesílení je ale <1, takže signál nezesílí, pouze nahrazuje vysokoohmové sluchátko. Můžeme ho zapojit přímo za krystalku, nebo připojit místo reproduktoru v tranzistorovém zesilovači.
44
Závěr V úvodní kapitole jsme se seznámili s didaktikou technické výchovy. Jako její součást je výuka praktických činností v 6. – 9. třídě. Tento předmět je rozdělen do sedmi bloků a jeden z nich je elektrotechnika kolem nás. V tomto předmětu se žáci mají seznámit s jednoduchými elektronickými obvody. Právě pro tento předmět byla určena tato práce. V teoretickém rozboru bylo napsáno několik základních elektronických veličin. Dále potom popis obvodových součástek, jejich vlastnosti a dělení. Složením dvou součástí a to cívky a kondenzátoru vzniklý rezonanční obvod, který tvoří důležitou část krystalky. Bez tohoto obvodu by nebylo možné naladit různé stanice. Také zde byla popsána blíže dioda a její předchůdce galenitový detektor, která se stará o demodulaci přijímaného signálu. Poslední částí bylo popis elektromagnetického pole, jeho šíření a vlastnosti. V poslední části je popsáno sestavení krystalky, kdy nestačí pouze krystalka, ale i je potřeba připojit aktivní prvky. Potom se podařilo zachytit několik stanic. Jedna z nich byl Český Rozhlas 2 a několik dalších zahraničních stanic. Ale i tak nebyl zvuk příliš nahlas. Velký vliv také má okolní prostředí a vzdálenost od vysílače. Co se týče součástek, tak vyrobit anténu nebyl problém. Ale byl problém sehnat potřebný ladící kondenzátor. Nakonec kondenzátor prodávali na internetových obchodech. Jeho cena není vysoká, stojí kolem 50 Kč, ale bohužel další peníze navíc jsou za poštovné. Cívku jsme si vyrobili sami ze smaltovaného drátu, ale použitý ferit opět stál 20 Kč, bohužel jeho cenu zvedá opět poštovné. Celková cena výrobku není vysoké, pokud nepočítáme poštovné. Celkové cena se pohybuje kolem 300Kč bez poštovného za poslané součástky. V ceně jsou i zahrnuty součástky pro výrobu zesilovače a emitorového sledovače. Výrobek by měl sloužit k základní prezentaci radiového signálu, proto není ani kvalita výsledného zvuku příliš vysoká. Toto by se dalo odstranit přidáním dalších filtrů a zesilovačů, ale pro náš účel je to zbytečné. Pro jednoduché sestavení
45
je výrobek spojen rozebíratelnými spoji (nepájivé pole), na kterém je sestavena samotná krystalka, zesilovač a emitorový sledovač.
46
Použitá literatura: BEZDĚK, Miroslav. Elektronika 1. 1. České Budějovice : Kopp, 2005a. 271 s. ISBN 807232-171-4. BEZDĚK, Miroslav. Elektronika 2. 1. České Budějovice : Kopp, 2005b. 271 s. ISBN 807232-212-5. BLAHOVEC, Antonín. Elektrotechnika. 3., nezměn. vyd. Praha : Informatorium, 1999. 191 s. ISBN 8086073491. BLAHOVEC, Antonín. Elektrotechnika. 3., nezměn. vyd. Praha : Informatorium, 2000. 154 s. ISBN 808607367X. ČADÍLEK, Miroslav. Didaktika odborného výcviku technických oborů. 1. vyd. Brno : Masarykova univerzita v Brně, 1995. 134 s. ISBN 8021010819. FRIEDMANN,
Z.
Didaktika
technické
výchovy,
Brno:
MU.
2001,
92
s.
ISBN 80-210-2641-3 FRIEDMANN, Zdeněk. Technické předměty na základní škole: (příručka pro učitele). Brno: Masarykova univerzita, 1997. ISBN 8021016639. JEŘÁBEK, Jaroslav. Vzdělávací program Základní škola včetně osnov Ekologického přírodopisu, osnov Volitelných předmětů, Úprav a doplňků, učebních plánů s rozšířeným vyučováním. 2. dopl. vyd. Praha : Fortuna, 2003. 344 s. ISBN 807168595X. MALINA, Václav. Poznáváme elektroniku. 2. vyd. České Budějovice : KOPP, 1994. 173 s. ISBN 8085828251. MOŠNA, František. Pracovní vyučování : technické práce v 6. ročníku základní školy. 6., přeprac. vyd. Praha : Státní pedagogické nakladatelství, 1989. 159 s. ISBN 8004240178. MOŠNA, František. Praktické činnosti pro 6.-9. ročník základních škol : svět práce. 1. vyd. Praha : Fortuna, 1997. 71 s. ISBN 8071684708. PEČEK, Jiří. Elektronika v kostce. Praha: BEN - technická literatura, 2002. 112s. ISBN 8086056-80-5.
47
RAMBOUSEK, Vladimír. Technické výukové prostředky. 1. vyd. Praha : Státní pedagogické nakladatelství, 1989. 302 s. Standard základního vzdělávání : včetně Pokynu MŠMT ČR k využití Standardu základního vzdělávání, Doplňku ke Standardu základního vzdělávání. Praha : Fortuna, 1999. 55 s. ISBN 8071686026. ŠIMONÍK, O. Úvod do školní didaktiky. Brno: MSD, 2003. 91 s. ISBN 80-86633-04-7. ŠKÁRA, I. Úvod do teorie vzdělávání a technické výchovy žáků základní školy.Brno: Copyringht MU, 1993. 33 s. ISBN 80-210-0743-5. ŠKVOR, Zdeněk. Akustika a elektroakustika. Vyd. 1. Praha : Academia, 2001. 527 s. ISBN 8020004610. ŠRAIT, Pavel. Od krystalky k modelům s tranzistory. 3. upr. vyd. Praha : SNTL Nakladatelství technické literatury, 1985. 275 s. TKOTZ, Klaus; HANDLÍŘ, Jiří. Příručka pro elektrotechnika. Vyd. 1. Praha : EuropaSobotáles, 2002. 560 s. ISBN 8086706001.
Internetové zdroje: Elektrická kapacita. In Wikipedia : the free encyclopedia *online+. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 6. 2. 2005, last modified on 18. 9. 2011 [cit. 2011-1125+. Dostupné z WWW:
. Elektrické napětí. In Wikipedia : the free encyclopedia *online+. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 21. 7. 2003, last modified on 9. 11. 2011 [cit. 2011-11-25]. Dostupné z WWW: . Elektrický odpor. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 25. 4. 2003, last modified on 14. 11. 2011 [cit. 2011-11-25]. Dostupné z WWW: .
48
Elektrický proud. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 14. 3. 2003, last modified on 12. 11. 2011 [cit. 2011-11-25]. Dostupné z WWW: . Elektrotechnika. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 2. 5. 2006, last modified on 9. 10. 2011 [cit. 2011-11-25]. Dostupné z WWW: . MARŠÁLEK, Leoš. Úvahy kolem elektromagnetického pole. Goro Net *online+. 2001, 22.8.2003 [cit. 2012-02-27+. Dostupné z: http://goro.byl.cz/elmag_cz.html MINAŘÍK, Miroslav. Elektrika.cz *online+. 21.3.2005 *cit. 2011-11-18+. Vyhláška 50/78Sb. Dostupné z WWW: . Ohmův zákon. In Wikipedia : the free encyclopedia *online+. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 21. 7. 2003, last modified on 27. 8. 2011 [cit. 2011-11-25]. Dostupné z WWW: .
49
