MASARYKOVA UNIVERZITA

MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA Katedra Technické a informační výchovy

Vytvoření učebních pomůcek pro výuku elektroniky na základní škole Bakalářská práce

Brno 2012

Vedoucí práce: Ing. Jiří Hrbáček, Ph.D.

Autor práce: Zdeněk Rada

BIBLIOGRAFICKÝ ZÁZNAM RADA, Zdeněk. Vytvoření učebních pomůcek pro výuku elektroniky na základní škole. Brno: Masarykova univerzita, Fakulta pedagogická, Katedra technické a informační výchovy, 2012. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jiří Hrbáček, Ph.D.

ANOTACE Bakalářská práce se zabývá vytvořením učebních pomůcek pro výuku elektroniky na základních školách. Cílem práce je obecně popsat vybrané součástky a jejich jednotlivá zapojení tak, aby žáci lépe pochopili jejich vlastnosti a možnosti použití. V Teoretické části je zmíněn význam elektroniky v rámcovém vzdělávacím programu, úloha učebních pomůcek ve výuce a výuka elektroniky na základní škole. Dále teoretické poznatky elektronických součástkách. Praktická část se zabývá měřením, počítáním a zkoumáním základních zapojení elektronických součástek.

ANNOTATION Bachelors work deal with creation teaching aids to education electronics at elementary schools. Aim work is generálky describe the choice parts and their individual way pupils

wiring

that

will understand their features and possibilities using. In the theoretical part is

mention meaning of electronics in the framework program, the mission teaching materials in teaching and teaching electronics at elementary school. Thereinafter the theoretic findings about electronics components. Practical part deal with measurement, numeration and enquiry into primary wiring of electronics components.

KLÍČOVÁ SLOVA rezistor, kondenzátor, polovodič, dioda, tranzistor, učební pomůcka, základní škola, základní zapojení

KEYWORDS resistor, capacitor, semiconductor, diode, transistor, teaching aid, primary school, basic connections

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……………

……………

OBSAH

Úvod ........................................................................................................................................... 5 1.

2.

3.

4.

Rámcový vzdělávací program a elektronika ................................................................. 6 1.1.

Systém kurikurálních dokumentů............................................................................... 6

1.2.

Člověk a svět práce .................................................................................................... 6

1.3.

Zařazení elektroniky do školního vzdělávacího programu ........................................ 8

Didaktika elektroniky .................................................................................................... 10 2.1.

Didaktické zásady .................................................................................................... 10

2.2.

Výukové metody ...................................................................................................... 12

2.3.

Projektování výuky .................................................................................................. 14

Učební pomůcky ............................................................................................................. 16 3.1.

Klasifikace učebních pomůcek................................................................................. 17

3.2.

Volba učebních pomůcek a zásady jejich použití .................................................... 18

3.3.

Učební pomůcky používané v elektronice ............................................................... 19

elektronika ...................................................................................................................... 23 4.1.

Základní elektrické veličiny a jejich měření ............................................................ 23

4.2.

Rezistory................................................................................................................... 27

4.3.

Diody ........................................................................................................................ 41

4.4.

Tranzistor ................................................................................................................. 46

Závěr ........................................................................................................................................ 52 Použitá literatura.................................................................................................................... 53 4.5.

Knižní zdroje ............................................................................................................ 53

4.6.

Internetové zdroje ..................................................................................................... 54

Seznam příloh ......................................................................................................................... 55 Příloha č. 1 – Seznam schématických značek ....................................................................... 55

ÚVOD Cílem mé bakalářské práce je vytvořit učební pomůcky pro výuku elektroniky, které by byly vhodné pro žáky druhého stupně základních škol. Podstatou bude seznámit žáky s vybranými elektronickými součástkami. Jedná se rezistor, diodu a tranzistor. Práce má pomoci žákům a učitelům lépe pochopit nejen teoretické znalost, ale i praktické znalosti o elektronice a elektronických obvodech. V prvních třech kapitolách je zmíněn význam elektroniky v rámcovém vzdělávacím programu, výuka na základní škole a úloha učebních pomůcek ve výuce. Čtvrtá část obsahuje informace o elektronice a je zaměřena na rozvoj styku žáků s ní. Ke každé teoretické části je uvedeno několik příkladu či zapojení, které si žáci spočítají či změří a pochopí tak význam uvedených součástek a zapojení.

5

1. RÁMCOVÝ VZDĚLÁVACÍ PROGRAM A ELEKTRONIKA 1.1.

Systém kurikurálních dokumentů

Kurikurální dokumenty jsou děleny na státní a školní. Tzv. Bílá kniha neboli Národní program rozvoje vzdělávání v ČR, školský zákon a rámcové vzdělávací programy (RVP) se řadí na úroveň státní. Rámcové vzdělávací programy jsou dále děleny na předškolní, základní, střední, vyšší odborné a jiné vzdělání. RVP jen vymezuje program pro jednotlivé úrovně vzdělávání. Do úrovně školní patří Školní vzdělávací programy, které si školy vypracovávají sami na základe RVP. Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělání (RVP ZV) definuje devět vzdělávacích oblastí, které jsou děleny na jeden čí více oborů. Obory jsou závazné pro základní školy a musí se vyučovat a postupně na sebe navazovat. RVP vycházejí z celoživotního učení a vymezují jasně co je nezbytné na základních školách. Stanovují jakých znalostí by měli žáci dosáhnout na konci základní vzdělání. Přehled vzdělávacích oblastní ukazuje tabulka:

Vzdělávací oblast

Vzdělávací obor

Jazyk a jazyková komunikace

Český jazyk a literatura, cizí jazyk

Matematika a její aplikace

Matematika a její aplikace

Informační a komunikační technologie

Informační a komunikační technologie

Člověk a jeho svět

Člověk a jeho svět

Člověk a společnost

Člověk a příroda

Umění a kultura

Hudební výchova, Výtvarná výchova

Člověk a příroda

Fyzika, Chemie, Přírodopis, Zeměpis

Člověk a zdraví

Výchova ke zdraví, Tělesná výchova

Člověk a svět práce


TABULKA 1- VZDĚLAVACÍ OBLASTI RVP

1.2.


6

Elektronika jakožto problematika technické směru spadá do vzdělávací oblasti Člověk a svět práce. Tato oblast je dělena je na druhém stupni ZŠ dělena do osmi okruhů jmenující se práce s technickými materiály, design a konstruování, pěstitelské práce, chovatelství, provoz a údržba domácnosti, příprava pokrmů, práce s laboratorní technikou, využití digitálních technologií a svět práce. Elektronika může být v rámci předmětů realizovatelná celkem ve třech okruzích: •

Práce s technickými materiály.

•

Design a konstruování.

•

Práce s laboratorní technikou.

Práce s technickými materiály Očekávané výstupy žáka: •

Provádí jednoduché práce s technickými materiály a dodržuje technologickou kázeň.

•

Řeší jednoduché technické úkoly s vhodným výběrem materiálu, pracovních nástrojů a nářadí.

•

Organizuje a plánuje svoji pracovní činnost.

•

Užívá technickou dokumentaci, připraví si vlastní jednoduchý náčrt výrobku.

•

Dodržuje obecné zásady bezpečnosti a hygieny při práci i zásady bezpečnosti a ochrany při práci s nářadím; poskytne první pomoc při úrazu. [15]

Probírané učivo: •

Vlastnosti materiálu, užití v praxi (dřevo, kov, plasty, kompozity).

•

Pracovní pomůcky, nářadí a nástroje pro ruční opracování.

•

Jednoduché pracovní operace a postupy.

•

Organizace práce, důležité technologické postupy.

•

Technické náčrty a výkresy, technické informace, návody. [15]

Design a konstruování Očekávané výstupy žáka: 7

•

Sestaví podle návodu, náčrtu, plánu, jednoduchého programu daný model.

•

Navrhne a sestaví jednoduché konstrukční prvky a ověří a porovná jejich funkčnost, nosnost, stabilitu aj.

•

Provádí montáž, demontáž a údržbu jednoduchých předmětů a zařízení .

•

Dodržuje zásady bezpečnosti a hygieny práce a bezpečnostní předpisy; poskytne první pomoc při úrazu. [15]

Probírané učivo: •

Stavebnice (konstrukční, elektrotechnické, elektronické), sestavování modelů, tvorba konstrukčních prvků, montáž a demontáž.

•

Návod, předloha, náčrt, plán, schéma, jednoduchý program. [15]

Práce s laboratorní technikou Očekávané výstupy žáka: •

Vybere a prakticky využívá vhodné pracovní postupy, přístroje, zařízení a pomůcky pro konání konkrétních pozorování, měření a experimentů.

•

Pracuje protokol o cíli, průběhu a výsledcích své experimentální práce a zformuluje v něm závěry, k nimž dospěl.

•

Vyhledá v dostupných informačních zdrojích všechny podklady, jež mu co nejlépe pomohou provést danou experimentální práci.

•

Dodržuje pravidla bezpečné práce a ochrany životního prostředí při experimentální práci.

•

Poskytne první pomoc při úrazu v laboratoři. [15]

Probírané učivo:

1.3.

•

Základní laboratorní postupy a metody.

•

Základní laboratorní přístroje, zařízení a pomůcky. [15]

Zařazení elektroniky do školního vzdělávacího programu

8

V rámci výše uvedených okruzích může být elektronika ve školním vzdělávacím programu realizovatelná, ovšem nelze elektroniku zasadit do jednoho z nich a okruhy tak od sebe oddělit. Každý z nich elektronice dává něco jiného a rozšiřuje tak znalosti žáků. V okruhu „Práce s technickými materiály“ jde o seznámení s materiály ze kterých je elektronika z hotovena či s materiály se kterými se pracuje pří výrobě určitého elektronického výrobku. V rámci celku „Design a konstruování“ jde o navrhování a zapojování jednoduchých zapojení. V praktické rovině se jedná o stavebnice a elektronické konstrukce vhodné pro žáky druhého stupně. „Práce s laboratorní technikou“ je vhodná na měření základních elektrických veličin, zkoumání elektrických jevů a zjištění vlastností elektronických součástek. Proměření elektronických zapojení a zjištění jejich vlastností. Elektronika na základní škole by měla být vyučována především v praktické rovině. Náplní by měli být navrhování jednoduchých obvodů, realizace jejich konečné podoby, zjištění funkčnosti, případně proměření obvodů. Obtížnost obvodů musí být nastavena tak, aby žáci byli schopni obvody navrhnout a zrealizovat je a aby také dokázali objasnit funkci daného obvodu. K realizaci výrobku je nutností zvládat elektronické měření, pájení, elektronické součástky, pravidla pro oživené výrobku a mechanickou zručnost pro zkonstruování např. pouzdro na výrobek.

9

2. DIDAKTIKA ELEKTRONIKY Didaktika se věnuje teorii vyučování. Učitel, vyučování a žáci patří k sobě. Didaktika udává cíle a hodnoty, jejichž má být při vzdělávání dosaženo. Říká jak má učitel postupovat, přesně dodržovat zásady a dané postupy. Didaktika elektroniky se řadí do kategorie technických předmětů. V procesu, vymezovaném jako zákonité, na sebe navazující, postupné a vnitřně vzájemně spojené změny jevů, věcí, systémů nebo situací, se realizuje vývojová cesta sledující určitý cíl. [14] Proces výuky se podle toho dělí na určité fáze – motivace, expozice, fixace, diagnóza a aplikace. Učitel žáky motivuje a zaujímá danou problematikou. Jeho kroky by měli směřovat k osvojení učiva a získáních nových poznatků a dovedností žáků. Aplikuje učivo v praxi a žákům předkládá technické úkoly. V elektronice musí aplikační fáze převažovat. Učením si žáci pod vedením učitele osvojují vědomosti, dovednosti, návyky, ale např. i postoje a rozvíjejí své schopnosti. [14] Cíl výuky elektroniky je, aby žák pochopil co to elektronika vlastně je a dokázal si utvořit názor na tento předmět.. Bude chápat vztah k ostatním vědeckým oborům a dokáže to vysvětlit. Objasní základní pojmy a vysvětlení činnost základní elektronických součástek a obvodů.

2.1.

Didaktické zásady

Ve výuce elektroniky platí stejné didaktické zásady jako v ostatních předmětech, ovšem některé jsou pro tento předmět důležitější než pro ostatní. Tyto zásady jsou pravidla, podle kterých se musí vzdělávací proces řídit, aby byl co nejefektivnější. Určují charakter výuky s společně se vzdělávacími a výchovnými cíli. Vznikají nové zásady a další zanikají, jelikož ztrácejí smysl, jako např. „Zásada shody s přírodou“, kterou používal Komenský. Na základě didaktických zásad se stanoví didaktická pravidla, které obsahují pokyny pro správné a účinné vedení výuku, specifikují a konkretizují didaktické zásady. [13]

10

Zásada vědeckosti Od učitele především očekává, že celoživotně udržuje kontakt s vědeckými disciplínami, které jsou základem jeho vyučovacích předmětů. Znamená pro něj využívat všech vzdělávacích možností k aktualizace rychle zastarávajících poznatků. [13] U elektroniky má tato zásada dosti velký význam jakožto rychle se rozvíjející obor, kterým zajisté je. Stále jsou představovány nové součástky, nové techniky vyrábění plošných elektronických výrobků. Tato zásada má význam také v přemýšlení o elektronice, zpracování a využívaní jí. Vede k porozumění a zamyšlení žáků.

Zásada spojení teorie s praxí Spojení učiva s praxí a s okolním životem. Teorie elektroniky musí být vždy doplněna nějakým příkladem či ukázkou z praxe, tzn. zapojení, součástky a další prvky z elektroniky. Žáci při praktickém pokusy látku pochopí lépe, což vede k trvalému zapamatování a schopnosti získat dané vědomosti. Na druhé straně je žádoucí, aby učitel formuloval výukové cíle nejméně na úrovni jejich aplikace a přesvědčil žáky o smysluplnosti výuky ve škole. [13]

Zásada uvědomělosti a aktivity Vyjadřuje smysl a uvědomění si činnosti, které žák a učitel postupují při výuce. Stanovení cílu tak, aby žáci pochopili studii určité látky. Znamená uvědomělého osvojení si poznatků a charakterizuje jak žák hluboko pochopil danou látku a dokázal by ji vysvětli a použít v praxi. Aktivita žáků by měla být nejede myšlenková, ale také citová a volní. Učitel by měl žáky navnadit vhodně zvoleným způsobem výuky, kdy může klást různé otázky a nebo společně řešit problémy spojené s elektronikou společně s žáky.

Zásada názornosti Klade důraz na učitele ve vedení žáků k tvorbě a utvářením si představ bezprostředním vnímáním daného problému. Smyslové vnímání je jen část poznávacího aktu, důležité je zapojit všechny smysly a to především zrak. Elektronika jakožto technický obor vyžaduje k probírané látce zobrazovat názorně např. elektronické součástky, schématické značky či 11

hotové funkční elektronické obvody. Ukazovat použití daných součástek v elektronických obvodech a vysvětlit tak lépe jejich činnost a použití. Platí, že zanedbání názoru v tomto širším pojetí může vést k verbálním, formálním, nejasným znalostem žáků; jeho přecenění může brzdit rozvoj abstraktního myšlení. [13]

Zásada postupnosti Jak již sám název říká, je důležité se věnovat látce jednoduché a postupně přecházet k látce složité. Od teorie přecházet k praxi. V elektronice je základem osvojit si základní elektrické pojmy, jako jsou proud, napětí a odpor. Poté naučení elektronických schématických značek a daných základní součástek. Následně je možné zařadit jednoduché elektronické obvody.

Zásada přiměřenosti Požadované cíle a obsah výuky musí respektovat věk a možnosti žáků. Nelze jim přednášet látku, kterou nejsou schopni pochopit. Proto v elektronice na základní škole lze přednášet pouze jednoduché a základní prvky z elektroniky. Při zapojování obvodů musí znát všechny použité součástky a přístroje, které

jsou určeny na měření popřípadě oživení

elektronického obvodu.

2.2.

Výukové metody

Interakce učitel-žák je ve výuce realizována především prostřednictvím výukových metod. [13] Díky výukovým metodám dosahujeme výukových cílů, chápeme ji tedy jako cestu ke stanovenému cíli. Jedná se o vzájemný kontakt žáka s učitelem, kdy učitel klade cíle na žáka, který se s nimi ztotožňuje. Znamená to také jakým způsobem bude hodina organizována.

Metody slovní Vypravování, sdělování, poučování, vysvětlování, napomínání a podobné verbální projevy patří od úsvitu lidské společnosti k důležitým pedagogickým postupům, které svou prastarou historií potvrzují význam slovních metod i v dnešním edukačním procesu. [14] 12

Vypravování v elektronice vede k zaujmutí jedince nebo skupiny. Vypravovat lze příběhy o objevení elektrických jevů či vynálezu elektronických součástek. Vhodné je připojení i zkušenost z vlastního života. Vysvětlování je použitelná metoda téměř ve všech výukových situacích, kdy logicky popisujeme danou věc, v našem případě např. elektronické schéma. Vede k pochopení látky osvojení nových poznatků. Rozhovor se dá v elektronice také použít, kantor klade otázky a žáci mu na ně odpovídají. Představuje zvýšení pozornosti a vyzývá žáky ke spolupráci. Používají se otázky zjišťovací, otevřené, ale pozorovací a na posouzení situace.

Metody názorně-demonstrační Důležitost této metody spočívá v praktickém poznávaní elektroniky a elektronických jevů. V dnešní moderní výuce by neměla chybět ukázka a demonstrace předmětů společně se slovním výkladem. Předvádění hraje v elektronice velkou roli. Pokud žáci vidí funkčnost výrobků či měření elektrických veličin, zapamatují si ji lépe než z přednášky. Dále lze zařadit popis schémat. Jedná se o veškeré pokusy, měření a zkoumání elektroniky a jejich součástek a zapojených obvodů. Žáci si při této metodě vytváří určitě představy a jsou vedeni k přemýšlení. Instruktáž je výuková metoda, která zprostředkovává žákům vizuální, auditivní, audiovizuální, hmatové a podobné podněty k jejich praktické činnosti. [14] Dává žákům instrukce jak postupovat a informuje je o následující činnosti ( Všimni si…, Pokus se…, Udělej…, Dej pozor…).

Metody dovednostně-praktické Škola připravuje na život, tudíž je nutné, aby

žáci znali praktické dovednosti.

V hodinách elektriky se žáci naučí měřit, zapojovat elektronické obvody, zacházet s nářadím, ovládat přístroje a mnoho dalších motorických dovedností. Experimentováním žáci zjišťují a ověřují teoretické znalosti a utvrzují tak své znalosti. V elektronice je mnoho způsobů jak ověřovat, zkoušet a krok po kroku zkoumat různá elektronická zapojení.

13

Hlavní funkcí této metody je rozvíjet zkušenosti žáků, naučit je vnímat problémy, motivovat je a pomáhat jim k získání vědomostí elektronického obvodu.

2.3.

Projektování výuky

Příprava a projektování toho, co budeme dělat a čeho chceme dosáhnout je první krok k dosažení daných cílů. Při plánování výuky se vychází z kutikulárních dokumentů a na základně toho je připraven plán každou hodinu. Příprava zajišťuje obsah a činnosti, které se v hodinách budou realizovat. Učitel by měl podniknout určitě kroky k přípravě výuky. Především by si měl prostudovat studijní osnovy, kde jsou uvedeny cíle, které mají žáci dosáhnout. Dále pročtení učebnice doporučená k výuce a porovnání s osnovou. Případně vyhledá jinou odbornou literaturu, která povede k dosažení výukových cílů. Zjistí potřeby žáků a porovná chtěné cíle s jejich dosavadními znalostmi. Učitel by proto měl při rozhodování vždy především sledovat potřeby žáků, ale i jejich zájmy. [13]

Příprava na vyučování Aby hodina mohla probíhat hladce, učitel musí znát přesný harmonogram hodiny a být na ni důkladně připraven. Posle S. Ryse existují tři typy přípravy, ovšem uvedu jen jeden, který je ovšem nejsložitější. První krok by měl charakterizovat čeho chceme dosáhnout. Co chceme žáky naučit. Druhý krok je ujasnění si obsahu učiva a zvolení vyučovací metody, učebních pomůcek a metodický postup. Definuje jakými prostředky chceme zvolených cílů dosáhnout. Další kroky jsou zvláštní didaktická hlediska (Jak budu žáky aktivizovat? Jak zajistím časovou a obsahovou kontinuitu obsahu učiva?), výchovné možnosti, organizace vyučovací metody, časový projekt vyučovací jednotky a k realizaci přípravy. [13]

Navržení vyučovací hodin - Elektronika 1. hodina 14

Cíl:

- vysvětlení základní elektrických pojmů – napětí, proud, odpor a jejich jednotky - vysvětlení ohmová zákona a jeho použití

Obsah učiva: - elektrické napětí, el. proud, el. odpor a jejich jednotky a označení - ohmův zákon a jeho použití v příkladech

Pomůcky:

- kniha elektroniky, tabule, výukové prezentace

Časový harmonogram: 1. Příchod do třídy,zapsaní do třídní knihy, zahájení hodiny (5min) 2. Opakování z minulé hodiny, kontrola domácích úkolů, kontrola připravenosti žáků (5 min) 3. Zavedení nové látky, vysvětlení nových pojmů (25 min) 4. Řešení početní úlohy na nové téma (5-10 min) 5. Ukončení hodiny a zadání nových úkolů

Výukové metody:

- metoda slovní - vysvětlování, přednáška - metoda názorně-demnostrační – předvádění, pozorování, instruktáž

15

3. UČEBNÍ POMŮCKY Jen těžko si dnes lze představit edukační proces bez učebních pomůcek, které učitel používá téměř v jakémkoliv předmětu. Jejich používání musí být vhodné a ne vždy znamená přínos pro nabytí vědomostí. S použitím těchto pomůcek souvisí zásada názornosti, který vychází daný problém slyšet, osahat si ho, ochutnat či uvidět. Při vzdělávaní dochází ke vzájemnému kontaktu jak učitele tak žáků a je zcela jisté, že nelze vystačit pouze s verbální komunikací. Při používání učebních pomůcek lze dosahovat efektivnějšího dosahování cílů. Žáci si nemusí předměty či věci pouze představovat, ale vnímat ho tak jak skutečně vypadá čímž se zkvalitňuje výuka a tyto poznatky jsou žáci schopni použít v praxi. Samozřejmě je zde i stránka atraktivnosti vyučovací hodiny, kdy žáci pouze neposlouchají kantora a postupně tak neztrácejí zájem o daný problém. Učební pomůcky jsou předměty zprostředkující nebo napodobující realitu, napomáhající větší názornosti nebo usnadňující výuku. [2] Edukační proces a výuka je velmi spletitá soustava různých prvků, které na sebe vzájemně působí jak vidíme i na obrázku.

OBRÁZEK 1 - GRAFICKÉ ZNÁZORNĚNÍ EDUKAČNÍHO PROCESU [1]

16

Zjednodušeně říci, že dnes do výuky zasahují čtyři aspekty a to samotná výuka, učitel, žák a právě didaktické pomůcky neboli učební pomůcky. Existuje celá řadou definicí, které vystihují pojem učební pomůcka. Jedna z nich již zde byla zmíněna a to od Průchy a kolektivu. „Učební pomůcky jsou přirozené objekty nebo předměty napodobující skutečnost, nebo symboly které ve vyučování a učení přispívají jako zdroje informací k vytváření, prohlubování a obohacování představ a umožňují vytvářet dovednosti v praktických činnostech žáků, slouží k zobecňování a osvojování zákonitostí přírodních a společenských jevů. Používají se především proto, aby se vytvořily podmínky pro intenzivnější vnímání učební látky, aby do celkového procesu bylo zapojeni co nejvíce receptorů, především zrakových a sluchových.“ [3]

3.1.

Klasifikace učebních pomůcek

Klasifikace učebních pomůcek jsou velice rozdílné povahy a existuje mnoho kritérií jak učební pomůcky rozdělit. •

Pedagogicko-didaktické

•

Psychologicko-fyziologické

•

Materiálně-praktické

Další dělení nabízí Rambousek v knížce Technické výukové prostředky, kde uvádí např. kategorie: originální předměty, znázornění předmětů, textové pomůcky, pořady a programy, speciální pomůcky a jiné. Z dnešního hlediska lze rozdělit pomůcky na mnoho dalších kategorií. Jednalo by se o produkty, výrobky a další nástroje, které názorně ukazují realitu. V druhé řadě by se jednalo o modely, které pouze symbolizují jevy a zobrazují principy, které se v dnešním světě objevují. Jako další skupinou jsou zrakové produkty, které jsou zobrazeny např. promítáním a dalšími technologiemi. Zvukové pomůcky jako hudba, zpěv, rádio čí záznamy zvuků zvířat atd. Nelze zapomínat ani na další skupinu, kam by určitě patřila televize a internete a zde by se jednalo o videa, výukové pořady a filmy. Následující kategorie vyjadřuje textové pomůcky, jako jsou noviny, učebnice, literatura a slovníky. Kategorie počítačových programů

17

a internetu, kde hlavní roli hrají služby internetu a výukové programy. Poslední skupinou jsou speciální pomůcky, které slouží k testování a k experimentům.

3.2.

Volba učebních pomůcek a zásady jejich použití

Dnes existuje mnoho pomůcek, které se běžně používání ve výuce, ovšem ne všechny mají pozitivní účinek na rozvoj žáků, platí to především u jejich nesprávného použití. Učitel by měl vhodně vybírat pomůcky podle určitých aspektů, jako jsou cíl vzdělávání, věk a psychický vývoj žáků a také jeho zkušenostem a vybavenosti třídy popřípadě školy.

OBRÁZEK 2 - FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ VOLBU UČEBNÍ POMŮCKY [1]

Pro výběr správné volby učební pomůcky by měl učitel dodržovat určité zásady práce s pomůckami: •

Přehled pomůcek

•

Správná funkce pomůcek

•

Zvolení pomůcky podle věku a psychického vývoje žáků

•

Při pokusu zapojit žáky

•

Podle druhu pomůcky zvolíme didaktickou techniku, kterou připravíme tak, aby se daná pomůcka realizovala nejúčinnějším způsobem, bez časových ztrát

18

nebo naopak podle přístupné didaktické techniky zvolíme adekvátní učební pomůcky [1]

3.3.

•

Pomůcky ukazujeme žákům, až v době daného učiva

•

Pomůcky motivují studenta k přemýšlení a učení

•

Žáci musí pomůcku pochopit a znát o ní co nejvíce informací

Učební pomůcky používané v elektronice

V hodině elektroniky se setkáváme s mnoha elektronickými součástkami (rezistor, kondenzátor, cívka, tranzistor, dioda, LED dioda, tyristor, triak, žárovka, integrovaný obvod, relé,

transformátor,

atd.).

s přístroji

(multimetry,

zdroje,

voltmetry,

ampérmetry,

osciloskopy,atd.) a ostatními potřebnými vybaveními, jako jsou např. kabely, spojky, držáky, pájivé a nepájivé pole, páječky, svorky, spínače, atd. Všechny tyto pomůcky by před použitím měli být žáky a učiteli zkontrolovány, aby nedošlo k úrazu. S bezpečností práce a s učebními pomůckami je spojeno i vybavení pracovní místa, respektive učebny. Stoly by měli být vybaveny rozvodem elektřiny a především nevodivými částmi, aby nedošlo ke styku s elektrickým proudem. Zásuvky by měli být připojen na jistič, který v takovém případě vypne proud. Žáci na základních školách by neměli pracovat s napětím 230V.

19

Stabilizovaný zdroj Stabilizovaný zdroj je zdrojem elektrické energie do připojeného obvodu. Existuje mnoho druhů zdrojů, ať už proudové či napěťové a s různým rozsahem nastavení. Na obrázku č.3 je zobrazen zdroj nastavitelný max do 30V. Napětí i proud se dají plynule regulovat na požadovanou hodnotu. Zdroj obsahuje proudové omezení, které zabraňuje výskytu nebezpečných proudů. Má dva displeje, které ukazují hodnotu proudu i napětí zdroje. Na zdroji jsou umístěny dvě zdířky, umístěny vlevo dole. Jedna z nich je kladná (červená) a druhá záporná (černá) neboli zem. Při připojení zdroje do obvodu se nejprve zapojuje záporná zdířka a následovně kladná kvůli bezpečnosti.

OBRÁZEK 3 - ZDROJ REGULOVATELNÉHO NAPĚTÍ DO 30V

Multimetr Měřící přístroje, tzv. multimetry se používají k měření napětí, proudu, odporu, kapacity a mnoho dalších elektrických veličin. Na následujícím obrázku je zobrazen multimetr, kterým měří základní elektrické veličiny – proud, napětí, odporu. Otáčivým kolečkem uprostřed multimetru se nastavuje druh měření veličiny a jeho rozsah. Pokud nevíme,kolik by měla mít naměřená hodnota velikost, vždy na stupnici nastavíme nejvyšší rozsah. Např. stejnosměrné napětí se měří v rozsahu 200mV do 600V a tuto zónu najdeme v levé horní části měřidla. Dále dokáže změřit funkčnost tranzistorů a také zjistit přímou vodivost, tzn. vodivost např. drátu. Pokud přiložíme kabely na oba dva konce a přístroj zapípá je drát vodivý a dokáže vést elektrický proud.

20

OBRÁZEK 4 - DIGITÁLNÍ MULTIMETR

Z obrázku č.4 je patrné, že obsahuje tři zdířky pro připojení měřících kabelů. Spodní dírka je zem. Pokud jsou kabely zapojeny jako na obrázku, lze využít měření všech nastavitelných veličin multimetru. Při zapojení červeného vodiče do vrchní zdířky a černého do zdířky COM, lze měřit elektrické proudy o velikosti 10 A. Zapojení multimetru do obvodu se budu věnovat v kapitole měření základní elektrických veličin.

Nepájivé pole Nepájivé pole slouží k zastrčení elektronických součástek do dírek v nepájivém poli. Tímto způsobem lze spojit součástky do obvodů bez pomocí letování. Je zhotovené z plastové obalu. Při spojení se vsunují konce součástek nebo dráty do otvorů, čímž se vytváří vodivé spojení součástek. Součástky je možné vsunovat i vysunovat, aniž by se poškodil. Což je veliká výhoda oproti pájení, kdy se součástky zahřívají. Na obrázku č.5 je ukázán jeden z mnoha druhu nepájivých polí, existuje jich celá řada. Liší se velikostí a způsobem spojení otvorů. Některé obsahují zdířky do kterých se přivádí napájení. Pravý obrázek znázorňuje způsob propojení zdířek nepájového pole. 21

OBRÁZEK 5 - NEPÁJIVÉ POLE A ZPŮSOB SPOJENÍ OTVORŮ

Příklad zapojení vidíme na obrázku č. 6. V poli jsou zapojeny elektronické součástky, v tomto případě se jedná o sériově zapojený rezistor společně s LED diodou.

OBRÁZEK 6 – ZAPOJENÍ NA NEPÁJIVÉM POLI [21]

22

4. ELEKTRONIKA Tato kapitola se věnuje základním elektrickým veličinám jako jsou proud, napětí, výkon, odpor a jejich měření. Dále obsahuje vysvětlení činnosti vybraných součástek a jejich použití.

4.1.

Základní elektrické veličiny a jejich měření

Elektrický proud Elektronický proud udává, jak je jasné z následujícího vzorce, kolik elektrického náboje projde vodičem za určitou dobu. I ≡

Q t

[A,C,s]

Pro jasnější pochopení si lze představit vodu v trubkách. Voda je náboj a trubka je vodič. Voda v trubce teče a pohybuje se jako elektrický náboj ve vodiči a to trvá určitou dobu. Proud je tak velký, jaký obsah vody (elektrických nábojů) teče trubkou (vodičem). Celý tento proces se nazývá proud. Aby elektrický proud mohl protékat, musí být elektrický obvod uzavřený. Tzn. že musí být připojen na zdroj, na kladnou i zápornou zdířku. Teče od kladného pólu k zápornému. Elektrony se pohybují opačným směrem, ovšem tok proudu byl ustanoven ještě před objevením elektronu a tak šipka vždy ukazuje směr od kladného k zápornému pólu. Pro lepší pochopení si lze představit vodu, která teče z kohoutku, což je kladný pól a odpad umyvadla je záporný pól. Aby proud tekl, musí být kohoutek i odpad spojený, pokud umyvadlo přemístíme na jiné místo, obvod se rozpojí a proud nemůže protékat.

OBRÁZEK 7 - ELETRICKÝ OBVOD S ODPOREM

23

Tok proudu se označuje plnou šipkou. Elektrický proud se značí I a jednotkou jsou ampéry. Existuje proud střídavý a stejnosměrný. Stejnosměrný má na rozdíl od střídavého stejný směr a střídavě se nemění. Měření této veličiny se provádí Ampérmetrem, který se do obvodu zapojuje do série neboli za sebou, nikdy se ne paralelně.

OBRÁZEK 8 - ZAPOJENÍ AMPÉRMETRU SÉRIOVĚ S ŽÁROVKOU

Ampérmetr má schématickou značku A v kroužku, jak je zobrazeno na obrázku č. 8. Pokud nevíme, jakou hodnotu by měl mít měřený proud, vždycky se před zahájením měření nastaví největší hodnota rozsahu ampérmetru. Pro měření stejnosměrného proud nastavíme kolečko do označené červené zóny vyznačené na následujícím obrázku.

OBRÁZEK 9 – NASTAVENÍ MULTIMETRU PRO MĚŘENÍ STEJNOSMĚRNÉHO PROUDU

24

Elektrické napětí Pokud obvodem protéká elektrický proud, vzniká na součástkách mezi dvěma body rozdílný potenciál. Vyjadřuje tedy rozdíl elektrických potenciálů mezi dvěma body. Napětí označujeme U. Jeho jednotkou je volt a značí se V. Značí se neuzavřenou šipkou. Směr šipky je od plusu k mínusu. Pro lepší představu navážu na předchozí vysvětlení s vodou. Pokud existují dvě tělesa, které mají různý obsah vody, např. jeden kbelík má 5 litrů (5 voltů) a druhý neobsahuje nic (0 voltů) existuje mezi nimi určité napětí. Vyměníme-li náboje za vodu, je mezi těmito dvěma místo elektrické napětí. Napětí se měří voltmetrem, který se na rozdíl od ampérmetru zapojuje do obvodu paralelně jak lze vidět na následujícím obrázku č.9.

OBRÁZEK 10 - ZAPOJENÍ VOLTMETRU PARALERNĚ S ŽÁROVKOU

Pokud před zahájením měření neznáme hodnotu měřeného napětí, opět nastavíme na multimetru co největší možný rozsah, abychom předešli zničení pojistky. Polohu kolečka nastavíme tak, aby směřovalo do vyznačené zóny zobrazeném na obrázku na následují stránce.

25

OBRÁZEK 11 – NASTAVENÍ MULTIMETRU PRO MĚŘENÍ STEJNOSMĚRNÉHO NAPĚTÍ

Elektrický výkon Napětí U [V] označuje náboj a proud I [A] označuje náboj za čas, výsledkem součinu těchto dvou veličin je elektrický výkon. Výkon definuje vykonanou elektrickou práci za čas. Jednoduše řečeno si lze výkon představit na automobilu. Pokud chceme, aby auto jezdilo, musí mít benzín. Pokud ho bude mít, bude jezdit a bude vykonávat pohyb. Čím více bude benzínu, tím více bude naježděných kilometrů. Tzn. kolik bude benzínu, tolik bude ujetých kilometrů a více vykonané práce stejně jako u elektrického výkonu. Jednotkou výkonu je 1 watt, značí se W a výkon samotný se značí P.

P ≡ U .I [W,V,A]

Elektrický odpor

Elektrický odpor má každý materiál, některý velký a některý malý. Jak již z názvu vyplívá, jedná se o vlastnost, která klade odpor průchodu elektronů a tím průchodem elektrického proudu. Odpor některých látek roste se stoupající teplotou, jako je tomu např. u kovů. U uhlíku či polovodičů při rostoucí teplotě klesá. Odpor si možno představit vodní přehradu. Čím větší bude, tím více vody bude

26

zadržovat a proud řeky z přehrady bude menší. Takže čím větší odpor materiálu, tím menší proud jím poteče. Odpor se značí R a jeho jednotkou je Ω. Podle ohmova zákona,, který vyjadřuje vztah mezi napětím, proudem a odporem lze vypočítat odpor podle následujícího vztahu. R ≡ U .I [Ω,V,A]

OBRÁZEK 12 - VZTAH MEZI NAPĚTÍM, ODPREM A PROUDEM

4.2.

Rezistory

Elektronická součástka, která klade odpor průchodu elektrického proudu. Vlastnosti této součástky vyplývají z ohmova zákona. Napětí na odporu vzniká pří průchodu elektrického proudu a úbytek napětí je úměrný hodnotě odporu. Čím větší hodnota rezistoru, tím menší proud a větší napětí na něm. Rezistory se především používají v obvodech k úpravě hodnot napětí a proudu.

OBRÁZEK 13 - SCHÉMATICKÁ ZNAČKA REZISTORU A NÁZORNÁ UKÁZKA

Na obrázku č.13 je zobrazena názorná ukázka, jak vypadá rezistor používaný v obvodech. Je to stočený drát určitého odporu, který je zalit v pouzdře. Odpory se vyjadřují v řadách, které jsou normované. Nelze si koupit jakoukoliv hodnotu. Vyrábí se v mnoha různých hodnotách od 1Ω až do106Ω. Pro poznání hodnot jsou na nich barevné kódy a číselného hodnoty odporů. Obrázek č. 14 ukazuje způsob schématického značení rezistorů v elektronických obvodech.

27

OBRÁZEK 14 - BAREVNÉ ZNAČENÍ REZISTORŮ [16]

Zapojení rezistorů

Rezistory se dají zapojit dvěma způsoby. Paralelně (vedle sebe) a sériově (za sebou). Pro každé toto zapojení platí jiné podmínky a zákonitosti, které si vysvětlíme. Sériové zapojení nebo zapojení za sebou má celkový odpor za sebou zapojených spotřebičů roven součtu jednotlivých odporů. Celkové napětí U připojené k sériově zapojeným spotřebičům se rovná součtu napětí na jednotlivých odporech: U = U1 + U2. Obvod není rozvětvený a proto všemi jeho prvky prochází stejný proud I. S využitím Ohmova zákona můžeme určit výsledný odpor R= R1+R2.

OBRÁZEK 15 - SERIOVÉ ZAPOJENÍ REZISTORŮ

Při paralelním zapojení spotřebičů se převrácená hodnota výsledného odporu rovná součtu převrácených hodnot jednotlivých odporů. V paralelním zapojení je na všech prvcích 28

stejné napětí U, ale jednotlivými větvemi mohou procházet různé proudy. Celkový proud I se rovná součtu proudů procházejících jednotlivými větvemi obvodu.: I = I1 + I2. S využitím Ohmova zákona můžeme určit výsledný odpor:

R=

R1 .R2 R1 + R2

OBRÁZEK 16 - PARALELNÍ ZAPOJENÍ REZISTORŮ

Proměnné rezistory

Hodnota odporu těchto rezistorů se dá měnit. Jedná se o potenciometr a trimrt. Potenciometr se používá k častému ladění na přístrojích, např. při zvýšení hlasitosti, ladění výšek či bas. Trimr slouží k nastavení určité hodnoty a většinou se s jeho hodnotou dále nehýbe. S potenciometrem se dá běžně ladit rukou, k nastavení k trimru potřebuje šroubovák nebo jiné mechanické nářadí. Princip proměnné odporu je následující. Po kruhové destičce se pohybuje jezdec, který mění rozsah dráhy mezi začátkem a koncem odporové dráhy a tím tak nastavuje hodnotu odporu.

OBRÁZEK 17 - SCHÉMATICKÁ ZNAČKA POTENCIOMETRU A TRIMRU

29

Fotorezistor

Vyrábějí se napařením vrstvy vhodného polovodičového materiálu (CdS,CASE viditelné světlo, CdTe - infračervené záření) ve tvaru meandru na keramickou podložku. Pouzdro je upraveno tak, aby mohlo na citlivou vrstvu dopadat světlo. Za temna je odpor velmi velký, při osvětlení klesá.

OBRÁZEK 18 - SCHÉMATICKÁ ZNAČKA

Doba náběhu/doběhu (rychlost jakou fotorezistor reaguje) se liší podle materiálu a technologie pohybuje od 100 ms do 100 s. Rychlost změn odporu je závislá na velikosti osvětlení. Nevýhodou je také velká závislost odporu na teplotě. Používá se pro měření intenzity osvětlení, v požárních hlásicích, v expozimetrech, apod.

OBRÁZEK 19 - NÁZORNÁ UKÁZKA FOTOREZISTORU

30

Početní příklady na výpočet odporu

V této části vypočítáme dva příklady na výpočet celkové odporu. Na procvičení ohmova zákona si vypočteme i hodnoty proudů a napětí v obvodu. K výpočtu použijeme metodu postupného zjednodušování. Je založena na výskytu paralelního či sériového zapojení odporů v obvodů. Postup zjednodušování bude jasný z následujících dvou příkladů.

Úloha 4.2.1 Určete výsledný odpor obvodu a použijte U=10V, R1=5Ω, R2=10Ω, R3=10Ω.

OBRÁZEK 20 - ZAPOJENÍ OBVODU

Výsledný odpor Rc spočítáte tak, že sečtete hodnoty všech odporů v obvodů. Nejprve zjednodušíte obvod spojením odporu R1 a R2, které jsou paralelně spojeny.

R1, 2 =

R1 .R2 5.10 50 = = = 3,33 Ω R1 + R2 5 + 10 15

Zjednodušený obvod vypadá následovně.

OBRÁZEK 21 – ZJEDNODUŠENÝ OBVOD

31

Jako další krok je spojení rezistoru nově vzniklé odporu R12 a R3. Vznikne pouze odpor R123, který je celkovým odporem Rc. Odpory jsou k sobě spojeny sériově

R1,2,3= R1,2+ R3 = 3,33+10 =13,33 Ω


Použitím Ohmova zákona a při znalosti celkového odporu zjistíte proud I tekoucí obvodem. I=

U 10 = = 0,75 A Rc 13,33

Pro vypočítání dalších proudů a napětí, musíte postupovat krok po kroku zpět než se dostanete k základnímu zapojení a přitom počítat. Při prvním kroku zpět známe proud přes odpor R3, jelikož ten je stejný jako celkový proud obvodem. Přes odpor R12 prochází proud 0,75A a vytváří na něm napětí. U1,2 = I. R1,2 =0,75. 3,33 = 2,5 V

UR3 = I. R3 =0,75. 10 = 7,5 V

Při paralelním zapojení odporů je na nich stejné napětí, mají rozdílní proud. I1 =

U 1, 2 R1

=

2,5 = 0,5 A 5

I2 =

U 1, 2 R2

32

=

2,5 = 0,25 A 10

Úloha 4.2.2 Určete výsledný odpor Rc, proudy a napětí. R1=5Ω, R2=20Ω, R3=10Ω, R4=5Ω, R5=5Ω a U=20V. Při počítání celkového odporu použijte metodu postupného zjednodušování. Proudy obvodem a napětí na součástkách spočítejte pomocí Ohmova zákona.


Výsledný odpor Rc spočítáte tak, že sečteme hodnoty všech odporů v obvodů. Nejprve zjednodušte bvod spojením odporu R1 a R2, které jsou paralelně spojeny. R1, 2 =

R1 .R2 5.20 100 = = =4 Ω R1 + R2 5 + 20 25

Dále sečtete odpory R3 a R4, paralelně spojeny,tím získáte obvod zobrazený na obrázku č.24. R3, 4 =

R3 .R4 10.5 50 = = = 3,33 Ω R3 + R4 10 + 5 15


33

Následující postup je spojený odporů R34 a R5 a poté vytvoření jednoho R1,2,3,4,5, který je celkový odpor R3, 4,5 =

R3, 4 .R5 R3, 4 + R5

=

3,33.5 16,67 = = 2,003 Ω 3,33 + 5 8,32

R1,2,3,4,5 = R12 + R345 = 6,003 Ω = Rc

OBRÁZEK 25 – SCHÉMA KONEČNÉHO ZJEDNODUŠENÍ

Pro výpočet proudů a napětí je důležité vracet se zpět přesně krok po kroku zjednodušování. Napájení obvodu je 20 V, Rc je také vypočítán a tak lze vypočítat pomocí ohmova zákona celkový proud obvodem I. I=

U 20 = = 3,33 A Rc 6

Další krok zpět je k vytvoření dvojice odporů odporů R12 a R345. Při znalosti celkového proudu zjistíme jejich napětí.

U1,2 = I. R1,2 =3,33. 4 = 13,32 V

- napětí na odporech R1 a R2

U3,4,5 = U- U1,2= 20- 13,32 = 6,68V

- napětí na odporech R2, R3 a R4

Víte, že při paralelním zapojení je hodnota napětí stejná, bude lehké vypočítat proud jednotlivými odpory. Použijte vzorec z plynoucí ohmova zákona I= U/R.

34

Proudy tekoucí přes odpory R1 a R2 : I1 =

U 1, 2 R1

13,32 = 2,66 A 5

=

I2 =

U 1, 2 R2

=

13,32 = 0,667 A 20

Proudy tekoucí přes odpory R3,R4 a R5 : I3 =

U 3, 4 , 5 R3

=

6,68 = 0,668 A 10

I4 =

U 3, 4 , 5 R4

=

6,68 = 1,34 A 5

I3 =

U 3, 4 , 5 R5

=

6,68 = 1,34 A 5

Úloha 4.2.3 Z následujícího zapojení vypočtěte výsledný odpor Rc a hodnoty proudů. R1=10Ω, R2=10Ω, R3=50Ω, R4=5Ω, R5=5Ω, R6=5Ω, R7=20Ω, R8=5Ω, R9=20Ω, R10=50Ω, R11=20Ω a U=20V.


Začněte zjednodušovat odpory, které jsou k sobě paralelně řazeny. R1, 2 =

R1 .R2 10.10 100 = = = 5Ω R1 + R2 10 + 10 20

R3, 4 =

35

R3 .R4 50.5 250 = = = 4,54 Ω R3 + R4 50 + 5 55

Vzniklé odpory R1,2 , R3, 4 a zatím nesloučený R5 jsou v sérii, sečtete je a dostanete odpor R1,2,3,4,5 R1,2,3,4,5= R1,2+R3,4+R5=5+4,54+5=14,54 Ω

Dalším krokem je sečtení sériového řazení R6+R8 a R7+R9. R6,8= R6+ R8 = 5+5 =10 Ω

R7,9= R7+ R9 = 20+20=40 Ω

Odpory R6,8 a R7,9 jsou v paralelní kombinaci. R6 , 8 , 7 , 9 =

R 6 , 8 .R 7 , 9 R6 , 8 + R7 , 9

=

10.40 400 = = 8Ω 10 + 40 50

Kvůli dlouhým označením odporů nahradíte R1,2,3,4,5,6,8,7,9 za Rx a R10,11 za Ry. Rx= R1,2,3,4,5,6,8,7,9= R1,2,3,4,5+ R6,8,7,9=14,54+ 8= 22,54 Ω Ry= R10,11 = R10 + R11 =50+20=70 Ω

Ze získaných hodnot získáte dvě paralelní dvojice a to Rx a Ry. Dosazením do vzorce zjistíte odpor obvodu Rc.

Rc =

Rx . Ry 22,54 . 70 1577,8 = = = 17,05 Ω Rx + Ry 22,54 + 70 92,54

Celkový proud obvodem je:

I=

U 20 = = 1,17 A Rc 17,05

36

Při zpětném zjednodušování získáme hodnoty proudů, I1 tekoucí přes odpor R10,11 a Ix přes odpor Rx= R1,2,3,4,5,6,8,7,9. I1 = Iy =

U 20 = = 0,28 A Ry 70

Ix =

U 20 = = 0,88 A Rx 22,54

Znalost proudu I1 umožňuje vypočítat velikost napětí na odporu R10 a R11: U10= I1.R = 0,28. 50 = 14 V

U11= I1.R = 0,28. 20 = 5,6 V

Vypočítaný proud Ix tekoucí před odpor Rx vytvořený kombinacemi odporů R1,2 , R3,4 , R5 a R6,7,8,9 na nich vytváří určité napětí. Jelikož je napětí na paralelním spojení odporů stejné, spočítáme i proudy přes dané odpory.

I2 =

U1,2 = Ix. R1,2 =0,88. 5 = 4,4 V

U 1, 2 R1

=

4,4 = O,44 A 10

I3 =

U 1, 2 R2

=

4,4 = O,44 A 10

Přeš odpor R3,4, který je složen z R3 a R4 teče známý proud Ix. Postup je stejný jako u předchozí kombinace. U3,4 = Ix. R3,4 = 0,88 . 4,54 = 3,995 V

I4 =

U 3, 4 R3

=

3,995 = 0,07 A 50

I5 =

U 34 3,995 = = 0,799A R4 5

Napětí a proudy na odporu R5: U5 = Ix. R5 =0,88. 5 = 4,4 V

Napětí a proudy na odporech R6 a R8, R7 a R9: U6,8,7,9 = Ix. R6,8,7,9 = 0,88 . 8 = 7,04 V

37

I6 =

U 6 ,8, 7 , 9 R6 , 8

=

7,04 = 0,704 A 10

I7 =

U 6 ,8, 7 , 9 R7 , 9

=

7,04 = 0,176 A 40

U6 = I6. R6 = 0,704 . 5 = 3,52 V

U7 = I7. R7 = 0,176 . 20 = 3,52 V

U8 = I6. R8 = 0,704 . 5 = 3,52 V

U9 = I7. R9 = 0,176 . 20 = 3,52 V

38

Praktické cvičení

Tato část přinese žákům několik úloh na měření elektrických veličin – elektrického odporu, napětí a proudu. Ověří si zde ohmův zákon a vyzkouší si funkčnost multimetrů a zdrojů. Zapojí si několik možností zapojení odporů a změří citlivost fotorezistoru na světlo.

Úloha 4.2.4 Ta praktická úloha spočívá v měření hodnot velikosti proudů a napětí v závislosti na velikosti odporu a jejich různého zapojení. Zapojte několik zapojení dle schématu zapojení na obrázku č. 27. Tyto zapojení slouží jen jako základ a lze zapojit mnoho dalších zapojení. Např. při zapojení více odporů sériově nebo paralelně, dále při změně zapojení ampérmetru či voltmetru, který může být zapojen prakticky kdekoliv (nezapomínejme na pravidla zapojení ampérmetru a voltmetru). Ampérmetrem měřte na více místech a větvích najednou, aby bylo jasné, jak se proud obvodem dělí. To samé provádějte pro měření napětí. Všechny naměřené hodnoty ověřte pomocí Ohmova zákona.

OBRÁZEK 27 – RŮZNÁ ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ

39

Na obrázku č. 27 jsou zobrazeny čtyři měření, které slouží pouze pro představu praktických úloh. K měření budete potřebovat několik multimetrů (ampérmetry, voltmetry), měřící kabely, nepájivé pole, zdroj napětí, odpory několika hodnot a potenciometr (pro čtvrté měření). Při nedostatku multimetrů je zapojujte postupně na každé místo zvlášť, aby jste dosáhli požadovaných počet měření. Při měření postupujte přesně podle tohoto návodu. Zapojte obvod na nepájivé pole, kde nejprve zapojíte kombinaci odporů (pokud to obvod vyžaduje), dále připojíte měřící přístroje (ampérmetr do sérii a voltmetr paralelně). Obvod připojíme ke zdroji, ovšem pozor. V prvé řadě se připojuje záporný pól (na zdroji jako černá zdířka) a poté po zkontrolování obvodu a správného nastavení měřících přístrojů a jejich rozsahu, až kladný pól (červená zdířka). Čtvrté měření je zaměřeno na měření potenciometru (nebo trimru). Zde si ověříte závislost proud a napětí na měnícím se odporu. Všechny naměřené hodnoty zapisujte a ověřte jejich správnost výpočtem. Pamatujte, že při sériovém zapojení odporů je proud stejný a napětí na nich se rozdělí na každý rezistor podle jejich poměru velikostí. Jsou-li odpory zapojeny paralelně, napětí na nich je stejné a proud se dělí.

Úloha 4.2.5 Úloha se zaměřuje na zjištění vlastností a činností fotorezistoru. Fotorezistor má při zastíněném okénku co největší odpor a při osvětlení jeho klesá. Postupně osvětlujte fotorezistor a sledujte nárůst proudu na Ampérmetru. Hodnoty zaznamenávejte.

OBRÁZEK 28 – SCHÉMA ZAPOJENÍ

40

4.3.

Diody

Polovodičová součástka, která se skládá ze dvou elektrod anody a katody, a obsahuje jeden PN přechod. Elektrodu si lze představit jako vodič do kterého teče a nebo z něho odtéká elektrický proud. Anoda je složena z polovodičového materiálu typu P a katoda s polovodičového materiálu typu N.

OBRÁZEK 29 - SCHÉMATICKÁ ZNAČKA DIODY A NÁZORNÁ UKÁZKA

Dioda je v propustném směru při připojení diody na zdroj napětí tak, aby kladný pól byl připojen na anodu a záporný na katodu. Diodou protéká elektrický proud. Ovšem napětí musí přesáhnout hodnotu tzv. prahového napětí, které diodu otevře. U křemíkových diod je toto napětí 0,7 V.. Při opačném připojení diody, kdy je kladný pól připojen na katodu a záporný na anodu se dioda se tak nachází v závěrném směrem a diodou nemůže protékat elektrický proud. Je to součástka, který proud propouští jedním směrem. Pro názornější představu pro vysvětlení diody opět použijeme vodu. Dioda funguje jako ventil. Pokud použijeme určité napětí na otevření ventilu ( u křemíkových diod 0,7 V ), ventil se otevře a voda (elektrický proud) může protékat.

OBRÁZEK 30 – ZJEDNODUŠENÝ PRINCIP DIODY

41

Diodu charaktertizuje její volt-ampérová charakteristika. Charakterizuje vztah mezi napětí na diodě a procházejícím proudem. Pokud na diodě budě větší napětí něž UD, prahové napětí, tak se dioda otevře a začne jí procházet proud jak lze vidět z charakteristiky na obrázku č. 31.

OBRÁZEK 31 – VOLT-AMPÉROVÁ CHARAKTERISTIKA DIODY

Usměrňovací diody

Jsou vyráběny pro usměrnění střídavého proudu na stejnosměrný. Dělí se na nízkovýkonové a vysokovýkonové, které jsou pro proud větší jak 20 A. Usměrňovače, jak se říká těmto obvodům s použitím usměrňovacích diod jsou v provedením jednocestné, dvoucestné a můstkovém. Jednocestný usměrňovač se skládá z diody. Dioda propouští pouze jednu půlvlnu střídavého proud, takže na výstupu máme pulsující napětí. Na obrázku č.32 vidíme průběh střídavého napětí, zapojení jednocestného usměrňovače a také výstupní napětí, které se nachází na odporu R. Barevně jsou zde vyznačeny proudy. Usměrňovač usměrňuje pouze v případě v modrém případě, kdy směr proudu teče anody ke katodě. I zde si pro lepší představu vysvětlit princip pomocí vody. Proud vody přes diodu teče pouze v modrém případě. Schématická značka diody vypadá jako trychtýř a její funkčnost se tak dá představit. Používá se pouze jedním směrem jako dioda. Naproti tomu červený směr proudu vody neprotéká, katoda ji vystaví nepropustnou hráz, tzn. že obvod není uzavřen a červený směr není platný.

42

OBRÁZEK 32 - JEDNOCESTNÝ USMĚRŇOVAČ [17]

Častěji se používají dvoucestné usměrňovače. Nejpoužívanějším usměrňovačem je můstkové zapojení neboli Graetzův můstek. Jedná o dvoucestný usměrňovačem složený ze 4 diod. Oprotiv jednocestnému má výhodu, že usměrňuje obě dvě střídavé půlvlny oproti jedné. Na výstupu je tvar výstupního napětí. Šipky na obr. č. 28 znázorňují tok proudu, znázorňují princip Graetzova můstku. Modrá šipka obtéká obvod přes vrchní diodu (označíme si diody od 1 do 4, od vrchu dolů) D1, poté přes zátěž R, dále pokračuje na diodo D4 a končí v transformátoru. Při prvním dělení si proud vybírá cestu přes D1, jelikož ji D3 zatarasila cestu a proud tudy nemůže protékat. Druhé dělení nastává mezi D3 a D4, ovšem proud si vybírá cestu k zápornému potenciálu Červený proud při změně polarizace střídavé proudu teče diodou D2, přes zátěž R, dále diodou D3 a končí v transformátoru. V prvním bodě teče místo přes D4, která je zapojená pro tento směr v závěrném směru, tudíž nemůže protékat, teče diodou D2. Druhý bod a druhé nastává mezi D3 a D4, ovšem proud si vybírá cestu k zápornému potenciálu.

OBRÁZEK 33 – DVOUCESTNÝ USMĚRŇOVAČ - GRAETSŮV MŮSTEK [17]

43

Úloha 4.3.1 Zjistěte funkčnost usměrňovací diody. Pomocí jednoduché zapojení lze zjisti princip diody. K diodě připojíme sériově žárovku. Pokud bude k diodě připojen kladný pól zdroje bude žárovka svítit, pokud bude připojen záporný pól, žárovka nesvítí.

OBRÁZEK 34 – SCHÉMA ZAPOJENÍ MĚŘENÍ

Postup měření bude následující. Obvod zapojíte dle schématu, ale nejprve sériově na nepájivém poli spojíte diodu se žárovkou. Dále připojíte voltmetr a obvod poté ke zdroji napětí. Vyzkoušejte změnit připojení pólů k obvodu a prohoďte kladný za záporný.

LED dioda

Světlo emitujíci dioda. Používá se na indikační účely, nahrazování žárovek, a zobrazovače. Plošná dioda jejíž PN přechod při průchodu proud v propustném směru září. Záření vzniká při rekombinaci (změna uspořádání) nosičů náboje uvnitř přechodu. Barva záření je závislá na druhu materiálu z něhož je LED dioda vyrobena. LED diody se nejčastěji používají infračervené, žluté, zelené, oranžové, modré a červené. VA charakteristika je podobná klasickým diodám, změna je pouze v prahovém napětí, které je větší. Maximální dovolený proud je 20 mA. Při výrobě se musí LED připojit k odporu, nelze ji připojit přímo na zdroj, jelikož by došlo k poškození a nesvítila by.

OBRÁZEK 35 - SCHÉMATICKÁ ZNAČKA LED DIODY

44

Pokud je LED dioda připojena na střídavé napětí, musí se k ní připojit usměrňovací dioda, ale i tak je třeba myslet na to, že dioda má malé závěrné napětí. Závěrné napětí působí na diodu v závěrném směru při opačném zapojení. Správné zapojení diody – na anodu se připojuje kladnější pól zdroje a na katodu zápornější. U LED diod poznáme elektrody podle kratší - katoda a delší - anoda nožičky a nebo podle zkosené hrany značící katodu. LED diody mají jiné prahové napětí. Červená má 1.9 V, oranžová 2.2 V a žlutá 2.4 V. Infračervená dioda sloužící pro přenos infračerveného záření používaná např. v ovladačích má napětí 1.6 V.

OBRÁZEK 36 – TYPY LED DIOD

Úloha 4.3.2 Vypočtěte hodnotu předřadného odporu pro LED diodu. Předřadný odpor slouží ke snížení proudu tekoucího diodou na hodnotu maximální hodnotu dovoleného proudu IF. Kdyby se LED dioda připojila přímo na zdroj energie, nastalo by její zničení, jelikož po otevření diody jí teče příliš velký proud. Maximální dovolený proud diodou je 55mA a UD=1,6V. Napětí na zdroji U=11 V, PD= 16mW.

Velikost jeho odporu zjistíte následujícími výpočty: R≡

U −UD IF

, kde U je napětí zdroje, UD napětí diody a ID max proud diodou.

45

OBRÁZEK 37 - ZAPOJENÍ LED V OBVODU S REZISTOREM

Do vzorce za IF dosadíte hodnotu při které LED dioda plně svítí a to 10 mA. Tyto hodnoty jsou v katalozích elektronických součástek. R≡

U − U D 11 − 1,6 = = 940Ω IF 0,01

Předřadný odpor před diodou bude mít velikost 940Ω. Pokud tento odpor neexistuje, použijete nejbližší možnou hodnotu odporu.

4.4.

Tranzistor

Polovodičová součástka , která je tvořena dvěma přechody PN, tzn. třemi elektrodami. Tranzistor je považován za aktivní součástku díky zesilovacím schopnostem. Podle konkrétního zapojení jsou schopny zesilovat napětí, proud a nebo obojí zároveň. Tři elektrody jsou pojmenovány jako emitor, kolektor a báze. Báze je řídí orgán tranzistoru. Při přivedení malého proudu na bázi se tranzistor otevře a mezi kolektorem a emitorem začne protékat mnohem větší proud.

OBRÁZEK 38 - SCHÉMATICKÁ ZNAČKA PNP A NPN TRANZISTORŮ

46

Pro správnou činnost tranzistoru je nutnost připojení ke zdroji napětí. Aby tranzistor fungoval, přechod báze-emitor musí být zapojen v propustném směru a přechod kolektor-báze ve směru závěrném jak ukazuje obrázek č. 39. Činnost tranzistoru sil lze popsat na kohoutku vody. Čím více otáčíme kohoutkem, tím více poteče vody. V našem případu to znamená, že čím větší proud IB do báze přivedeme, tím větší bude proud mezi kolektorem a emitorem - ICE. Tranzistor jako zesilovač má zesilovací činitel β = ICE/ IB. Každý tranzistor má omezený maximální proud IB a ICE. Proto je vhodné, aby proud do báze byl přiváděn přes odpor.

OBRÁZEK 39 – SPRÁVNÉ ZAPOJENÍ TRANZISTORU

Tranzistor má dva stavy, proud prochází a nebo ne. Správné zapojení kdy proud tranzistorem prochází představuje obrázek č. 39.

47

Tranzistorové spínače

Tranzistor dokáže velice rychle spínat elektrický obvod. Hlavní roli v obvodě na obrázku č.40 hraje tranzistor, který složí jako spínač. Pomocí malého proudu, který teče přes odpor R1 do báze tranzistoru ovládá velký proud tekoucí přes žárovku. Při sepnutí spínače se žárovka rozsvítí.

OBRÁZEK 40 - TRANZISTOROVÝ SPÍNAČ

Pro ukázku uvedu složitější tranzistorový spínač, který se používají jako časový spínač. Jeho schéma je zobrazeno na obr. č. 41.

OBRÁZEK 41 – SCHODIŠŤOVÝ TRANZISTOROVÝ SPÍNAČ [19]

48

Princip tohoto obvodu spočívá v nabití kondenzátoru (součástka, dokáže se nabít, udržet náboj jako baterka) při zmáčknutí spínače. Po rozepnutí se tranzistor začne vybíjet přes odpor 100k, který určuje proud do báze. Tranzistor je díky nabitému kondenzátoru otevřen, a dioda tak svítí. Po vybití se přestane téct proud do báze, tranzistor se uzavře a dioda zhasne.

Úloha 4.4.1 Zapojte tranzistorový spínač podle následujícího schématu. Hodnota odporů R1=100kΩ a R2=330Ω. LED dioda by se měla při stisknutí spínače rozsvítit. Po rozepnutí zhasne, jelikož proud do báze přestane téci a tranzistor bude zavřený.

OBRÁZEK 42 – SCHÉMA TRANZISTOROVÉHO SPÍNAČE [19]

Do obvodu můžete zapojit i měřící přístroje a změřit si tak např. napětí na diodě, napětí na odporech či proud do báze, který ovlivňuje celý obvod.

Tranzistorový zesilovač

Tranzistor se díky zesilovacím schopnostem používá jako zesilovače. Existuje mnoho způsobů jak ho zapojit a docílit tak požadovaných zesilovacích účinků. Zesilovač je elektronické zařízení, které zesiluje elektrický signál. [11] Na vstupní svorky se přivádí signál, který na výstupních svorkách vystupuje jako zesílený. Představím tranzistor se zapojením se společným emitorem, tzn. že vývod emitoru je spojen se vstupní i výstupní svorkou. Zapojení má velké napěťové a proudové zesílení. Jedná se o velmi jednoduché zapojení, které neobsahuje stabilizaci pracovního bodu.

49

Stabilita se posuzuje podle toho jak moc je zesilovač odolný proti rozkmitání a dále se posuzuje stabilita pracovního bodu. Jeho hodnota se mění v důsledku zahřívání nebo změnou prostředí. vlivem změny teploty se tranzistor zahřeje a změní se proud kolektorem a ovlivní to zesílení. Zesilovač je zobrazen na následujícím obrázku. Je složen z tranzistoru NPN a rezistoru RB, regulujícího proud do báze. Dále z oporu RC, který nastavuje požadovaný proud IC tekoucí do kolektoru.

OBRÁZEK 43 – ZESILOVAČ V ZAPOJENÍ SE SPOLEČNÝM EMITOREM

Zesilovač je napájen zvláštním zdroje stejnosměrného napětí. Na vstup je přiváděn signál a k tomu signálu je přidána část energie z napájecího zdroje a tím se tento signál zesílí. Ke správnému fungování musí být nastaven pracovní bod, který se nastaví proud do báze a kolektory pomocí již zmíněných odporů. Pracovní bod leží na výstupní charakteristice tranzistoru.

50

Úloha 4.4.1 Zapojte tranzistorový zesilovač se společným emitorem a změřte jeho zesilovací činitel. Zapojte obvod dle schématu a změřené hodnoty zapište. Změřenými proudy zjistíte zesilovací Činitel, který se spočítá: β = ICE/ IB. Díky tomuto zapojení zjistíte zesilovací schopnost tranzistoru. Dále lze volitelně připojit voltmetry a změřit napětí mezi elektrodami tranzistoru.

OBRÁZEK 44 – SCHÉMA PRO MĚŘENÍ - ZESILOVAČ SE [20]

51

ZÁVĚR Cílem mé práce bylo vytvoření učebních pomůcek pro výuku elektroniky na druhém stupni ZŠ. Snažil jsem se informace zformulovat tak, aby má práce mohla být využita jako metodická pomůcka, ze které by se čerpalo při výuce. Při psaní jsem bral v potaz technickou a fyzikální vzdělanost žáků a snažil se práci napsat tak, aby byla srozumitelná i pro laika. Popis součástek, obvodů a úloh je popsán velice podrobně a pro snadnou orientaci jsou přidány obrázky a schémata. Především jsem se snažil o to, aby se žáci dostali do styku s praktickými cvičeními, kterým se na základních školách tolik pozornosti nevěnuje. Vytvořením učební pomůcky žáci lépe pochopí základní elektrické veličiny, vybrané elektrické součástky a jejich použití si mohou vyzkoušet v uvedených početních a praktických úlohách. Na dané téma by se dalo sepsat mnohem a mnohem více informací než mohla pojmout moje práce, ale myslím, že pro žáky základní školy je tento obsah dostačující.

52

POUŽITÁ LITERATURA 4.5.

[1]

Knižní zdroje

DOSTÁL, Jiří. Učební pomůcky a zásada názornosti. Olomouc: Votobia, 2008. 40 s. ISBN 978-80-7220-310-9

[2]

PRŮCHA,J. kol. Pedagogický slovník. 4. vyd. Praha: Portýl, 2004. 322 s. ISBN 807178-772-8.

[3]

KUJAL, J. a kol. Pedagogický slovník. 2. díl. vyd. neuvedeno. Praha: SPN, 1967. 533 s.

[4]

PECINA, P. & PECINA, J. Elektronika v praktických činnostech na druhém stupni ZŠ I. Brno: Masarykova univerzita, 2009. 65 s.

[5]

PECINA, P. & PECINA, J. Elektronika v praktických činnostech na druhém stupni ZŠ II. Brno: Masarykova univerzita, 2009. 37 s.

[6]

FROHN, Manfréd, aj. Elektronika, polovodičové součástky a základní zapojení. Praha: BEN, 2006. 480 s. ISBN 80-7300-123-3

[7]

VOBECKÝ, Jan, ZÁHLAVA, Vít. Elektronika, součástky a obvody, principy a příklady. Praha: Grada Publishing, 2001. 192 s. ISBN 80-7169-884-9

[8]

DOLEČEK, Jaroslav. Polovodičové prvky a elektronky. 2. díl. Praha: BEN, 2005. 208 s. ISBN 80-7300-161-6

[9]

VANÍČEK, František. Elektronické součástky, principy, vlastnosti, modely. Praha: ČVUT, 2004. 357 s. ISBN 80-01-03112-8

[10]

MICHALEC, Václav, KALČÍK, Jiří. Sbírka řešených příkladů z elektroniky. České Budějovice:2002. ISBN 80-7040-542-2

[11]

KESL, Jan. Elektronika I. Praha:BEN 2003. ISBN 80-7300-074-1

53

[12]

MAŤÁTKO, Jan. Elektronika. Praha: IDEA Servis, 2002. 327 s. ISBN 80-8970-42-2

[13]

KALHOUS, Zdeněk, OBST, Otto a kol. Školní didaktika. Praha: Portál, 2002. 448 s. ISBN 80-7178-253-X

[14]

MAŇÁK, Josef, ŠVEC, Vlastimil. Výukové metody. Brno: Paido, 2003. 219 s. ISBN 80-7315-039-5

4.6.

[15]

Internetové zdroje

Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání. [online]. Praha: Výzkumný ústav pedagogický v Praze, 2007. 126 s. [cit. 2012-04-03]. Dostupné z WWW: .

[16]

Telefon.unas.cz [online] . [cit. 2005-08-04]. Dostupné z WWW:

[17]

www.wikipedia.org [online]. Dostupné z WWW.

[18]

www.copsu.cz [online]. Dostupné z WWW:

[19]

http://eduka.spaco.cz [online]. Dostupné z WWW:

[20]

http:// lucy.troja.mff.cuni.cz [online]. Dostupné z WWW:

[21]

http://lostsouls.mysteria.cz/ [online]. [cit. 2010-11-1]. Dostupné z WWW:

54

SEZNAM PŘÍLOH Příloha č. 1 – Seznam schématických značek

[18]

55

[18]

56

[18]

57

[18]

58

[18]

59

MASARYKOVA UNIVERZITA

Recommend Documents