Obsah. 1. Popis součástí a součástek stavebnice

Obsah Strana

Experimentální stavebnice pro elektrotechniky

Obj. č.: 90 61 72

Vážená zákaznice, vážený zákazníku, velice nás potěšilo, že jste se rozhodla (rozhodl) pro koupi této stavebnice, která Vás nebo Vaše děti zasvětí do tajů elektrotechniky (elektroniky) polovodičových součástek, svítivých diod (LED), tranzistorů a integrovaných obvodů 50 různými experimenty (zapojeními). Pomocí součástek, která tato stavebnice obsahuje, si postavíte světlené a zvukové senzory, detektory reagující na otřesy, klopné obvody, elektronické blinkry (oscilátory, multivibrátory), zesilovače, signální (zvukové) generátory, krátkovlnný přijímač a také přijímač včetně vysílače v pásmu velmi krátkých vln. Pokud budete chtít některé zapojení používat trvale, můžete příslušné součástky na experimentální desce trvale připájet. Tento návod k použití je součástí tohoto výrobku. Obsahuje důležité pokyny k provedení různých elektronických zapojení. Ponechte si proto tento návod k použití, abyste si jej mohli kdykoliv přečíst. Jestliže tuto stavebnici prodáte nebo ji darujete, předejte kupci nebo darovanému tento návod k použití.

1. Popis součástí a součástek stavebnice ...............................................................................................................3 Simulační programy ......................................................................................................................................................3 Experimentální zastrkovací deska SYB-46...................................................................................................................3 Baterie (napájení obvodů).............................................................................................................................................4 Svítivé diody (LED) .......................................................................................................................................................5 Odpory (rezistory) .........................................................................................................................................................5 Kondenzátory ................................................................................................................................................................6 Tranzistory ....................................................................................................................................................................7 Křemíkové usměrňovací diody......................................................................................................................................7 Fotoodpor (fotorezistor) ................................................................................................................................................7 Tlačítko (tlačítkový spínač) ...........................................................................................................................................7 Piezoelektrický generátor zvuku (akustický měnič) ......................................................................................................8 Integrované obvody (IO) ...............................................................................................................................................8 2. Pokusy se svítivými diodami .................................................................................................................................8 2.1 Svítivá dioda s předřazeným odporem (svítilna) .....................................................................................................8 2.2 Změna barvy .........................................................................................................................................................11 V našem případě se bude jednat o hodnotu odporu 470 Ω, který je součástí této stavebnice. V tomto případě bude protékat diodou nižší proud, který bude mít hodnotu asi 8,5 mA. V případě potřeby (abyste zvýšili jas diody) můžete použít jako předřadný odpor dva rezistory 470 Ω zapojené paralelně. .......................................................................11 Tím docílíte hodnoty předřadného odporu 235 Ω (proud, který bude protékat svítivou diodou bude mít hodnotu asi 17 mA) – viz odstavec „2.8 Zapojení svítivých diod do série“ a obr. 2.18 a 2.19........................................................11 2.3 Směr toku elektrického proudu svítivou diodou ....................................................................................................11 2.4 Paralelní zapojení svítivých diod...........................................................................................................................12 2.5 Barevné hry se svítivými diodami..........................................................................................................................13 2.6 Použití svítivé diody jako kontrolky (světelné signalizace) se spínačem (s tlačítkem) .........................................14 2.7 Prahové hodnoty (charakteristiky) svítivých diod ..................................................................................................14 2.8 Zapojení svítivých diod do série............................................................................................................................16 3. Použití kondenzátorů v zapojeních se svítivými diodami ................................................................................17 3.1 Vybíjení kondenzátoru přes svítivou diodu (bleskové světlo) ...............................................................................17 3.2 Použití svítivé diody jako bleskového světla (pomalé nabíjení kondenzátoru) .....................................................18 3.3 Použití dvou svítivých diod jako bleskového světla...............................................................................................19 4. Zapojení s tranzistory...........................................................................................................................................19 4.1 Tranzistor jako zesilovač (spínač).........................................................................................................................20 4.2 Tranzistor PNP......................................................................................................................................................22 4.3 Elektronická jednosměrná cesta (hradlové vrstvy tranzistoru) .............................................................................22 4.4 Tranzistor jako invertor (přepínač) ........................................................................................................................23 4.5 Zpožďovací obvod (minutové světlo) ....................................................................................................................24 4.6 Soumrakový senzor (spínač) ................................................................................................................................24 4.7 Dotykové čidlo (senzor reagující na dotyk rukou), Darlingtonovo zapojení ..........................................................25 4.8 Darlingtonovo zapojení tří tranzistorů (dotykový senzor) ......................................................................................26 4.9 Komplementární Darlingtonovo zapojení tranzistorů (dotykový senzor)...............................................................27 4.10 Modifikované Darlingtonovo zapojení tří tranzistorů (detektor záporných iontů) ................................................27 4.11 Svítivá dioda reagující na světlo (světelné čidlo) ................................................................................................28 4.12 Konstantní (neměnný) jas svítivé diody (stabilizace proudu) ..............................................................................29 4.13 Stabilizátor proudu (napětí) se dvěma tranzistory...............................................................................................30 4.14 Čidlo teploty s tranzistory (proudové zrcadlo) .....................................................................................................30 5. Nízkofrekvenční zesilovače .................................................................................................................................31 5.1 Praskot v reproduktoru .........................................................................................................................................31 5.2 Zesilovače zvuku ..................................................................................................................................................33 5.3 Dvoustupňové zesilovače se dvěma tranzistory ...................................................................................................34 5.4 Zesilovač s dolní pásmovou propustí (rádiové zvuky) ..........................................................................................35 5.5 Zesilovač se společným kolektorem (s emitorovým sledovačem)........................................................................37 5.6 Dvojčinný zesilovač ...............................................................................................................................................38 6. Zapojení s klopnými obvody................................................................................................................................38 6.1 Bistabilní klopný obvod (tranzistorový přepínač)...................................................................................................38 6.2 Náhradní zapojení tyristoru s tranzistory...............................................................................................................39 6.3 Schmittův klopný obvod (soumrakový spínač)......................................................................................................41 6.4 Schmittův klopný obvod se zpětnou vazbou .........................................................................................................42 7. Blikače, oscilátory a multivibrátory ....................................................................................................................42 7.1 Použití svítivých diod jako přerušovaného světla (blikače) ...................................................................................43

2

7.2 Zjednodušené zapojení přerušovaného světla (blikače).......................................................................................43 7.3 Tónový generátor s fotoodporem..........................................................................................................................45 7.4 Oscilátor řízený velikostí napětí ............................................................................................................................46 7.5 Generátor pilovitých kmitů ....................................................................................................................................46 8. Operační zesilovače .............................................................................................................................................48 8.1 Diferenciální (rozdílový) zesilovač (komparátor) ...................................................................................................48 8.2 Zapojení porovnávacího obvodu (komparátoru) s operačním zesilovačem .........................................................49 8.3 Zesilovač se zesílením rovným jedné (impedanční měnič, lineární zesilovač).....................................................50 8.4 Zesilovač s dvojnásobným zesílením ...................................................................................................................50 8.5 Zesilovače zvuku s operačními zesilovači ............................................................................................................51 8.6 Trojúhelníkový a obdélníkový průběh signálů .......................................................................................................53 9. Časovací obvod (timer NE555) ............................................................................................................................54 9.1 Tónový generátor s integrovaným obvodem NE555.............................................................................................55 9.2 Blikač s pomalým přerušováním světla ................................................................................................................56 9.3 Světelná závora ....................................................................................................................................................57 9.4 Modulace šířkou impulsů (vyšší jas LED při vyšší intenzitě okolního osvětlení) ..................................................57 9.5 Detektor lži ............................................................................................................................................................58 10. Speciální zapojení...............................................................................................................................................59 10.1 Měnič napětí (elektronický transformátor) ..........................................................................................................59 10.2 Krátkovlnný přijímač............................................................................................................................................60 10.3 Šumový generátor (šumění moře) ......................................................................................................................60 10.4 Kompenzátor fáze (blikač pro dobrou pohodu)...................................................................................................61 10.5 Rádio VKV (97,0 MHz)........................................................................................................................................63 11. Příloha: Testovací přístroje se svítivými diodami (zkoušečky) .....................................................................64 11.1 Zkoušečka kabelů, pojistek, žárovek (optická signalizace průchodnosti obvodů)..............................................64 11.2 Kontrola vodní hladiny a elektrické vodivosti vody..............................................................................................64 11.3 Poplachová zařízení se svítivými diodami (alarmy) ............................................................................................65 11.4 Kontrola polarity napájecích zdrojů .....................................................................................................................66 11.5 Zkoušečka napětí baterií ....................................................................................................................................66 11.6 Svítivé diody jako čidla (senzory) teploty ............................................................................................................67

Ve střední části je tato deska vybavena 230 kontakty. Každý z 5 kontaktů této části desky má svislé propojení. V horní a dolní části této desky se nachází po 20 kontaktech (celkem 40 kontaktů), které jsou propojeny vodorovně. Jedná se o dvě na sobě nezávislé přípojnice napájení.

Obr. 1.2 Vnitřní propojení kontaktů Osazení této desky součástkami vyžaduje použití síly. Vývody součástek se mohou při zastrkování do otvorů desky snadno zlomit. K zastrkování vývodů součástek do otvorů experimentální desky použijte vhodnou pinzetu nebo malé ploché kleště. Pro provádění pokusů budete potřebovat krátké a delší propojovací kontakty (vodiče), které odříznete na potřebnou délku z přiloženého propojovacího drátu. Odizolování konců těchto propojovacích vodičů provedete ostrým nožem. Baterie (napájení obvodů) K napájení elektronických obvodů (zapojení) budete potřebovat baterie s jmenovitým napětím 9 V (tato baterie není součástí dodávky stavebnice). Kromě baterie můžete použít k napájení elektronických obvodů též vhodný (nejlépe stabilizovaný) síťový napájecí zdroj (adaptér).

1. Popis součástí a součástek stavebnice Simulační programy V této stavebnici naleznete na přiloženém kompaktním disku (CD) simulační programy (v německém jazyce), pomocí kterých získáte přehled o různých zapojeních a praktických aplikacích, které popisujeme v tomto návodu k použití. Experimentální zastrkovací deska SYB-46 Všechny pokusy provedete velice snadno a rychle pouhým zastrčením vývodů (kontaktů) příslušných součástek do experimentální desky s 270 otvory (kontakty). Rozteč jednotlivých otvorů činí u této experimentální desky 2,54 mm, takže ji můžete použít i k osazení integrovanými obvody.

Obr. 1.3: Baterie 9 V a její schématická značka K napájení elektronických obvodů Vám doporučujeme používat obyčejné (levné) zinko-uhlíkové baterie. Alkalické baterie mají sice dlouhou životnost, ale v případě zkratu hrozí nebezpečí přepálení nebo přílišné zahřátí propojovacích vodičů (tenkých drátků), neboť tyto baterie dokážou v těchto případech dodávat proud až 5 A. Totéž platí i pro použití akumulátorů (akumulátorových baterií) NiMH nebo NiCd. Zinko-uhlíkové baterie dodávají v případě zkratu většinou nižší proud než 1 A. Tyto baterie také dokážou zničit choulostivé součástky, ale při jejich použití nehrozí žádné nebezpečí popálenin. Ke stavebnici přiložený konektor se dvěma kontakty je opatřen dvěma ohebnými lanky s odizolovanými a pocínovanými konci a je určen k připojení destičkové baterie s jmenovitým napětím 9 V. Abyste odizolované konce těchto ohebných kabelů neporušili častým zastrkováním do experimentální desky, doporučujeme vám, abyste tyto kabely nechali trvale zastrčeny v experimentální desce a prováděli pouze odpojování konektoru od baterie a připojování konektoru k baterii. Jednoduchá zinko-uhlíková nebo alkalická baterie (jeden kulatý článek) má napětí 1,5 V. V baterii složené z více článků jsou tyto články zapojeny do série.

Obr. 1.1: Experimentální deska SYB-46

3

4

1,5 V

4,5 V

6V

9 . . . 12 V

Schématické značky baterií s různým napětím Svítivé diody (LED) Zkratka LED znamená „Light Emitting Diode“ (dioda emitující [vyzařující] světlo). Tato stavebnice obsahuje jednu červenou LED a jednu zelenou LED. U všech svítivých diod je nutné dodržet při jejich zapojování správnou polaritu jejich vývodů. Kratší vývod minus (–) přestavuje katodu a delší vývod plus (+) představuje anodu. Uvnitř svítivé diody se nachází držáček ve tvaru pohárku, který přidržuje krystal, který je připojen ke katodě. Anoda je připojena velmi tenkým drátkem k povrchu krystalu. Dejte pozor na to, že na rozdíl od obyčejných žárovek nesmíte svítivou diodu připojit přímo ke kontaktům baterie. K tomuto účelu se používá takzvaný předřadný odpor neboli rezistor.

Zelená

5

5

5

100.000

Modrá

6

6

6

1.000.000

Fialová

7

7

7

10.000.000

Šedá

8

8

8

Bílá

9

9

9

Zlatá

0,1

Stříbrná

0,01

0,5 %

Rezistor (odpor), který je označen žlutým, fialovým, černým, černým a hnědým proužkem, má hodnotu 470 Ω a toleranci ± 1 %. Tato stavebnice obsahuje po dvou rezistorech s následujícími hodnotami: 470 Ω (žlutý, fialový, černý, černý a hnědý proužek) 1 kΩ Ω (hnědý, černý, černý, černý, hnědý a hnědý proužek) 10 kΩ Ω (hnědý, černý, černý, červený a hnědý proužek) 100 kΩ Ω (hnědý, černý, černý, oranžový a hnědý proužek) 1 MΩ Ω (hnědý, černý, černý, žlutý a hnědý proužek) U rezistorů s kovovou odporovou vrstvou, které jsou označeny pěti barevnými proužky, lze jejich hodnoty zjistit poněkud obtížněji než u starších typů rezistorů s uhlíkovou odporovou vrstvou, které jsou označeny pouze čtyřmi barevnými proužky. Barvy červená, oranžová a hnědá jsou u rezistorů s kovovou odporovou vrstvou poměrně nesnadno rozlišitelné. V tomto případě Vám pomůže k určení hodnoty odporu poslední (pátý) hnědý proužek, kterým jsou odpory obsažené v této stavebnici označeny.

Obr. 1.4: Svítivá dioda a její schématická značka Odpory (rezistory) Odpory (rezistory), které jsou součástí této stavebnice, mají kovovou vrstvu a toleranci ± 1 %. Jinak jsou tyto odpory vyrobeny z keramické trubičky a jejich kovová odporová vrstvička je opatřena ochranným nátěrem (lakem). Příslušnou hodnotu odporu a její přesnost (toleranci) poznáte podle uspořádání barevných proužků na ochranném nátěru.

Kondenzátory K dalším důležitým součástkám v elektrotechnice patří kondenzátor, který se skládá ze dvou kovových ploch (desek, svitků kovových fólií), které jsou od sebe odděleny izolační vrstvou (fólií, u starších otočných neboli ladících kondenzátorů se používal k izolaci vzduch). Přivedeme-li ke kontaktům kondenzátoru stejnosměrné napětí, vytvoří se mezi deskami kondenzátoru elektrické silové pole, čímž se do kondenzátoru uloží elektrická energie neboli náboj. Kondenzátor s velkou plochou kovových desek a s poměrně tenkou izolační vrstvou mezi oběma deskami (s malou vzdáleností kovových desek od sebe) má velkou kapacitu. Jednotka této kapacity se nazývá farad (F).

Obr. 1.5: Odpor (rezistor) a jeho schématická značka Hodnoty odporů s tolerancí ± 1 % (této stavebnice) odpovídají normované řadě E 24, přičemž každá dekáda zahrnuje 24 hodnot s přibližně stejným odstupem od sousední hodnoty. Tabulka 1.1: Hodnoty odporů podle normované řady E 24 1,0 1,8 3,3 5,6

1,2 2,0 3,6 6,2

1,3 2,2 3,9 6,8

1,4 2,4 4,3 7,5

1,5 27 4,7 8,2

1,6 3,0 5,1 9,1

V této stavebnici obsažené kondenzátory mají kapacitu od 10 nF (0,00000001 F) do 100 µF (0,0001 F). Izolační vrstva (speciální dielektrikum) mezi kovovými destičkami těchto kondenzátorů zvyšuje oproti vzduchové izolaci kapacitu těchto kondenzátorů. U keramických kondenzátorů se tomuto účelu používá speciální keramický materiál, který zvyšuje kapacitu kondenzátorů s velmi malými rozměry. Tato stavebnice obsahuje jeden keramický kondenzátor s kapacitou 10 nF (s označením 103, 10000 pF) a jeden keramický kondenzátor s kapacitou 100 nF (s označením 104, 100000 pF).

Barevné označení odporů (rezistorů) proužky začíná prvním levým proužkem. První tři proužky znamenají tři číslice základní hodnoty odporu, čtvrtý proužek představuje násobitel (multiplikátor) základní hodnoty v ohmech (Ω) a pátý proužek znamená toleranci. Tabulka 1.2: Barevné označení odporů Barva

1. proužek 1. číslice

Černá

2. proužek 2. číslice 0

Obr. 1.6: Keramický kondenzátor a jeho schématická značka 3. proužek 2. číslice 0

4. proužek Multiplikátor 1

5. proužek Tolerance

1% 2%

Hnědá

1

1

1

10

Červená

2

2

2

100

Oranžová

3

3

3

1.000

Žlutá

4

4

4

Velmi velké kapacity mají takzvané elektrolytické kondenzátory, které používají jako izolaci velmi tenkou vrstvu z kysličníku (oxidu) hlinitého. Uvnitř těchto elektrolytických kondenzátorů se nachází tekutý elektrolyt a svitky hliníkových fólií s velmi velkou plochou. U těchto kondenzátorů musíte dodržet správnou polaritu plus a minus jejich kontaktů. Při nesprávné polaritě protéká těmito kondenzátory svodový proud, který ničí izolaci mezi oběma hliníkovými svitky a který může způsobit jejich zničení. Příliš vysoké napětí, vyšší než jmenovité, může způsobit prasknutí

10.000

5

6

kondenzátoru s následnou explozí. Minus kontakt (–) těchto kondenzátorů bývá označen bílým proužkem a jeho vývod je kratší. V této stavebnici se nacházejí dva elektrolytické kondenzátory s kapacitou 100 µF a jeden elektrolytický kondenzátor s kapacitou 22 µF.

Obr. 1.11: Tlačítko a jeho schématická značka Obr. 1.7: Elektrolytický kondenzátor a jeho schématická značka Tranzistory Tranzistory jsou elektronické součástky, které zesilují proud. Tato stavebnice obsahuje tři křemíkové tranzistory NPN „BC547“ a jeden tranzistor PNP „BC557“.

Piezoelektrický generátor zvuku (akustický měnič) Tento akustický měnič slouží jako jednoduchý reproduktor, jako mikrofon nebo jako senzor snímající oscilace (otřesy a vibrace). Konstrukce tohoto měniče se podobá destičkovým keramickým kondenzátorům s tím rozdílem, že dielektrikum u tohoto měniče má elektrické předpětí. Tím vzniká vazba mezi mechanickým a elektrickým napětím. Tento piezoelektrický efekt vzniká podobným způsobem u obyčejných křemenných krystalů (například v zapalovačích cigaret nebo zemního plynu).

Obr. 1.8: Tranzistory a jejich schématické značky Vývody tranzistorů se nazývají emitor (E), báze (B) a kolektor (C). Prostřední vývod představuje bázi, emitor se nachází na pravé straně a kolektor na levé straně tranzistoru.

Křemíkové usměrňovací diody Dioda představuje elektrický ventil (usměrňovač), neboť propouští elektrický proud pouze jedním směrem. V elektronických zapojeních se používají germaniové diody (Ge) nebo křemíkové diody (Si). V táto stavebnici se nacházejí křemíkové diody „1N4148“. Jedná se o univerzální usměrňovací diody pro proudy do 100 mA. Katoda těchto diod je označena černým proužkem.

Obr. 1.12: Piezoelektrický akustický měnič a jeho schématická značka Integrované obvody (IO) V této stavebnici se nacházejí dva integrované obvody (Integrated Circuits, IC, česky IO) v pouzdru s osmi vývody neboli piny (DIP). Integrovaný obvod „LM358“ je dvojitý operační zesilovač a „NE555“ je přesný modul timeru (časových hodin). Při zastrkování integrovaných obvodů do experimentální desky dejte pozor na polohu jejich vývodů (kontaktů). Vývod (pin) č. 1 je označen tečkou. Nesprávně zastrčené integrované obvody do experimentální desky mohou způsobit jejich zničení.

Obr. 1.9: Křemíková dioda 1N4148 a její schématická značka Fotoodpor (fotorezistor) Fotoodpor (Light Dependent Resistor, LDR) mění svůj odpor v závislosti na intenzitě okolního osvětlení od hodnoty cca 1 kΩ (vysoká intenzita okolního osvětlení) až do hodnoty cca 1 MΩ (nízká intenzita okolního osvětlení, tma). Tyto součástky se používají jako světelná čidla a k měření intenzity okolního osvětlení například v expozimetrech. Odporovou vrstvu tvoří u těchto odporů sirník kademnatý (CdS).

Obr. 1.10: Fotoodpor a jeho schématická značka Tlačítko (tlačítkový spínač) Tlačítko, které obsahuje tato stavebnice, je vybaveno jedním spínacím kontaktem se čtyřmi vývody, které jsou provedeny zdvojeně (viz obr. 1.11).

Obr. 1.13: Vývody neboli piny obou integrovaných obvodů Před zastrčením vývodů IO do experimentální desky vyrovnejte tyto vývody (1 až 4 a 5 až 8) do jedné roviny tak, aby byly souběžné. Poté dejte pozor na to, abyste při osazování experimentální desky tyto vývody neohnuli. Bude-li opět IO vyndávat z experimentální desky, pak je lehce nadzvedněte malým šroubovákem (například hodinářským).

2. Pokusy se svítivými diodami S baterií a s obyčejnou žárovkou (žárovičkou) můžete dělat jednoduché pokusy tak dlouho, dokud nezačne žárovička svítit. Se svítivou diodou to tak jednoduché není, neboť jestliže ji připojíte přímo k baterii, můžete ji okamžitě zničit. Se svítivou diodou musíte zacházet opatrněji. Důležité je správné napájecí napětí, správná polarita kontaktů svítivé diody a vhodný předřadný odpor (rezistor). 2.1 Svítivá dioda s předřazeným odporem (svítilna) Podle následujícího vyobrazení (obr. 2.1) vytvořte první zapojení LED s předřadným odporem. K tomuto účelu použijete jednu červenou svítivou diodu, baterii 9 V a předřadný odpor 1 kΩ Ω (470 Ω).

7

8

Obr. 2.1: Jednoduché zapojení LED s předřadným odporem Horní přípojnici na experimentální desce propojte s plus (+) kontaktem baterie (s červeným kabelem, který vede od konektoru baterie). Dolní přípojnici na experimentální desce propojte s minus (–) kontaktem baterie (s černým kabelem, který vede od konektoru baterie). Tyto kabely zajistěte kouskem izolovaného drátu, aby nemohly při manipulaci s experimentální deskou vypadnout (viz obr. 2.2). Ohněte vývody červené LED a odporu takovým způsobem, aby přesně zapadly do příslušných otvorů (kontaktů) na experimentální desce. Abyste mohli provádět další experimenty, pak vám doporučujeme, abyste vývody součástek, pokud to nebude bezpodmínečně nutné, zbytečně nezkracovali.

Obr. 2.3: Měření proudu protékajícím LED a napětí na kontaktech LED Simulační program „Widerstände im Stromkreis“ (Rezistory v proudovém okruhu) Vám poslouží k tomu, abyste se naučili rozeznávat hodnoty odporů (rezistorů) podle jejich označení barevnými proužky. Kromě toho můžete k zobrazenému odporu na monitoru počítače připojit virtuální napájecí napětí. Tento program zobrazuje proud protékající odporem a příkon (ztrátový výkon), který tento odpor odebírá, jakož i případné přetížení. Místo abyste museli použít pro příslušné výpočty kapesní kalkulačku, vypočítá Vám tento program automaticky požadované hodnoty. Na následujícím příkladu (obr. 2.5) vidíte, že odporem s hodnotou 470 Ω při napětí 7,2 V protéká proud 15,319 mA a že jeho ztrátový výkon činí 110,296 mW (ztráta způsobená přeměnou elektrické energie na energii tepelnou).

Obr. 2.2: Osazení experimentální desky (zapojení LED s předřadným odporem) Pravděpodobně se svítivá dioda rozsvítí po prvním provedeném pokusu osazení experimentální desky. Pokud se tak nestane, pokuste se objevit chybu v provedeném propojení. Zkontrolujte polohu součástek (správnou polaritu kontaktů svítivé diody a kabelů od konektoru baterie, dále zkontrolujte, zda již není použitá baterie zcela vybitá). Bude-li baterie již velmi slabá, rozsvítí se LED velmi nejasným světlem. Zapojte nyní do experimentální desky místo odporu 1 kΩ Ω odpor s menší hodnotou 470 Ω (viz obr. 2.1). Po této akci se LED rozsvítí jasnějším světlem. Toto znamená, že diodou protéká vyšší proud. V tomto případě platí následující pravidlo: Čím vyšší hodnotu odporu předřadíte před svítivou diodu, tím nižší proud bude touto diodou protékat. Proč musíte před svítivou diodu zapojit předřadný odpor, vysvětlujeme na obr. 2.3 (měření proudu protékající diodou ampérmetrem a napětí na kontaktech diody voltmetrem). Bude-li svítivou protékat proud 15 mA, změříme na kontaktech (vývodech) diody napětí asi 1,8 V. Předřadný odpor 470 Ω způsobí úbytek napětí 7,2 V (9 V – 1,8 V). Podle Ohmova zákona snadno spočítáme, že v tomto případě bude diodou protékat proud asi 15 mA. I=U/R I = 7,2 V / 470 Ω I = 0,0153 A = 15,3 mA

Obr. 2.4: Simulační program „Rezistory v proudovém okruhu“

Nyní si vyzkoušejte druhou variantu tohoto zapojení. Prohoďte mezi sebou svítivou diodu a její předřadný odpor. Elektrický proud začne v tomto případě protékat nejprve svítivou diodou a teprve poté jejím předřadným odporem (viz vedlejší vyobrazení). Jinak je funkce tohoto zapojení naprosto stejná jako v prvním případě, které popisujeme v odstavci „2.1 Svítivá dioda s předřazeným odporem (svítilna)“.

9

10

2.2 Změna barvy Zapojte do obvodu místo červené LED zelenou LED. Na kontaktech zelené svítivé diody naměříte vyšší napětí (2,2 V) než na kontaktech červené svítivé diody (1,8 V). Z tohoto důvodu bude úbytek napětí na předřadném odporu nižší a diodou bude protékat rovněž nižší proud (14,5 mA), přičemž jas zelené svítivé diody bude přibližně stejný jako jas červené svítivé diody.

Šipky v zapojení na obrázku 2.7 znázorňují směr toku elektrického proudu svítivou diodou. Směr toku proudu byl historicky stanoven jako plus a minus. Elektrický proud protéká vždy od plus (+) kontraktu baterie přes elektrický spotřebič k minus (–) kontaktu baterie. Dnes ovšem víme, že se elektrony se záporným (negativním) nábojem pohybují ve vodičích zcela obráceným směrem, než který je znázorněn šipkami na obr. 2.7. Ve skutečnosti existují například v kapalinách také kladné (pozitivní) nosiče nábojů, které se pohybují ve směru toku proudu. Také ve svítivé diodě se nacházejí jak negativní, tak i pozitivní nosiče nábojů.

Obr. 2.5: Zapojení zelené LED Toto zapojení se poněkud liší od výše uvedených zapojení. Katoda diody a minus kontakt baterie jsou připojeny ke kostře (k uzemnění). Vhodný předřadný odpor vypočítáme opět podle Ohmova zákona. Podle údajů výrobce svítivé diody činí například napětí diody v propustném směru 2,0 V a proud, který má protékat diodou, má mít hodnotu 20 mA. Z toho vyplývá úbytek napětí na předřadném odporu 4 V (6 V – 2 V). R=U/I R = 4 V / 0,02 A R = 200 Ω

Obr. 2.7: Definice směru toku elektrického proudu Maximální dovolený proud, který může protékat těmito svítivými diodami, činí cca 20 mA. V některých případech je možné tento proud na krátkou dobu nepatrně překročit, aniž by došlo k poškození svítivých diod. Pouze při déle trvajícím přetížení svítivých diod dojde ke snížení jejich výkonu (k opotřebování svítivých diod), které se projeví snížením jejich jasu. 2.4 Paralelní zapojení svítivých diod Pokud budete napájet z jednoho zdroje dva nebo více elektrických spotřebičů, existují dvě možnosti jejich připojení: Paralelní nebo sériové zapojení.

Tento výpočet vede v mnoha případech k takové hodnotě odporu, která zcela neodpovídá hodnotě odporu normované řady (E 24). V tomto případě můžete použít nejbližší nižší nebo nižší hodnotu odporu, které této normované řadě E 24 odpovídá. V našem případě se bude jednat o hodnotu odporu 470 Ω, který je součástí této stavebnice. V tomto případě bude protékat diodou nižší proud, který bude mít hodnotu asi 8,5 mA. V případě potřeby (abyste zvýšili jas diody) můžete použít jako předřadný odpor dva rezistory 470 Ω zapojené paralelně. Tím docílíte hodnoty předřadného odporu 235 Ω (proud, který bude protékat svítivou diodou bude mít hodnotu asi 17 mA) – viz odstavec „2.8 Zapojení svítivých diod do série“ a obr. 2.18 a 2.19. 2.3 Směr toku elektrického proudu svítivou diodou Proveďte obracené zapojení svítivé diody. Připojte její anodu k minus (–) kontaktu baterie a katodu k plus (+) kontaktu baterie přes předřadný odpor. V tomto případě se svítivá dioda nerozsvítí a nebude jí protékat žádný proud. Takzvaný propustný směr představuje tok proudu od anody ke katodě, bude-li anoda svítivé diody připojena k plus (+) kontaktu baterie (přes předřadný odpor) a její anoda k minus (–) kontaktu baterie (přes předřadný odpor). Dioda slouží v tomto případě jako elektrický ventil. LED se rozsvítí jen tehdy, jestliže jí bude protékat proud. V závěrném směru se většinou uvádí maximální hodnota napětí svítivých diod 5 V. Svítivé diody, které obsahuje tato stavebnice, vydrží bez problémů napájecí napětí 9 V.

Obr. 2.8: Paralelní a sériové zapojení (napájení) elektrických spotřebičů Zapojíte-li dva elektrické spotřebiče k napájecímu zdroji paralelně (viz obr. 2.8 vlevo), budou oba napájeny stejným napětím. Jako příklad uvádíme napájení elektrických spotřebičů v automobilu. Autobaterie má jmenovité napětí 12 V jakož i všechny v automobilu použité žárovky. Při paralelním zapojení svítivých diod musí být každá LED se svým předřadným odporem považována za jeden elektrický spotřebič. Z důvodů různého jmenovitého napětí svítivých diod s různými barvami není v tomto případě možné použít pro všechny svítivé diody jeden společný předřadný odpor. Rozdíly v jasu každé svítivé diody lze vyrovnat použitím předřadných odporů s různými hodnotami. U každé LED musíte zohlednit maximální proud, který jimi může protékat, a tím i hodnotu předřadného odporu podle napětí napájecího zdroje (baterie). V následující tabulce uvádíme pro tyto případy minimální hodnoty předřadných odporů. Minimální hodnoty odporů při různých napájecích napětích: LED

3V

6V

9V

Červená / 20 mA / 1,8 V

60 Ω

210 Ω

360 Ω

510 Ω

Zelená / 20 mA / 2,2 V

40 Ω

190 Ω

340 Ω

490 Ω

Obr. 2.6: Zapojení LED v závěrném směru (dioda nesvítí)

11

12

12 V

2.6 Použití svítivé diody jako kontrolky (světelné signalizace) se spínačem (s tlačítkem) Postavte si jednouché zapojení svítivé diody s předřazeným tlačítkem a s předřadným odporem. Po stisknutí tohoto tlačítka spojíte dva kontakty, čímž přivedete do diody elektrický proud. Jakmile uvolníte stisknutí tohoto tlačítka, pak pružná síla tohoto tlačítka způsobí rozpojení jeho dvou kontaktů. V zapojení použitá svítivá dioda bude svítit pouze tehdy, podržíte-li toto tlačítko stisknuté. Tuto konstrukci světelné signalizace můžete použít pro různé účely. V principu lze toto zapojení využít k přenosu zpráv pomocí Morseovy abecedy (morseovky).

Obr. 2.9: Paralelní zapojení dvou LED s jedním předřadným odporem Tento experiment ukazuje různý protékající proud oběma svítivými diodami. Zelená svítivá dioda nebude svítit, protože jí protéká velmi malý proud (nižší než 1 mA). Vytáhnete-li červenou svítivou diodu s experimentální desky, pak se zelená LED rozsvítí. Toto zapojení s tlačítkem můžete použít ke střídání červené a zelené barvy – viz následující odstavec „2.5 Barevné hry se svítivými diodami“. Paralelní zapojení dvou LED stejné barvy může být někdy problematické. Již nepatrné rozdíly v charakteristikách obou svítivých diod mohou způsobit, že bude oběma svítivými diodami protékat různý proud a obě LED budou svítit různým jasem. 2.5 Barevné hry se svítivými diodami Možná, že se Vám bude zdát nenormální a překvapující, jestliže mezi anody obou svítivých diod zapojíte do série tlačítko a tisknutím a uvolněním stisknutí tohoto tlačítka budete střídavě přepínat rozsvěcování obou svítivých diod (červené a zelené).

Telegrafování morseovkou je již však v současné době příliš zastaralé a není tak pohodlné jako telefonování nebo e-mail. Avšak telegrafování morseovkou světelnými znaky může být i v současné době velice zábavné. S trochou cviku si můžete se svými přáteli vyměňovat tímto způsobem informace až na vzdálenost téměř 100 metrů. 2.7 Prahové hodnoty (charakteristiky) svítivých diod Na rozdíl od obyčejné vláknové žárovky se chová svítivá dioda poněkud neobvykle. Nejen že svítivou diodou protéká elektrický proud pouze jedním směrem (zatímco u žárovky polarita napájení nehraje žádnou roli), je u svítivé diody rovněž rozhodující její napájecí napětí v propustném směru. Malá žárovka s jmenovitými hodnotami 6 V / 100 mA vykazuje poměrně vysokou toleranci vůči napájecímu napětí. Již od napětí cca 1 V začne vlákno takovéto žárovky slabě žhnout. Dosáhne-li napájecí napětí této žárovky 6 V (jmenovité napětí), začne tato žárovka svítit žlutavě bílým světlem. Vyzkoušíme-li nyní tuto žárovku napájet krátkodobě vyšším napětím, bude její vlákno svítit oslnivě bílým světlem. Dokonce i dvojnásobné napájecí napětí 12 V tuto žárovku okamžitě nezničí. K přepálení vlákna žárovky dojde až po uplynutí několika sekund nebo dokonce i minut. Zcela jinak se chová svítivá dioda. Normální napájecí napětí u červené LED, kterou prochází proud v propustném směru 10 až 20 mA, má hodnotu přibližně 1,8 V. Zvýšíme-li toto napětí o 0,5 V na 2,3 V, dojde k přepálení diody. Snížíme-li napájecí napětí svítivé diody o 0,5 V na 1,3 V, pak se naopak tato svítivá dioda vůbec nerozsvítí. Použijeme-li k napájení svítivé diody vyšší napětí než je její jmenovité napětí, pak musíme předřadit před svítivou diodu vhodný předřadný odpor, který toto napájecí napětí sníží na přípustnou hodnotu. Pokuste se nyní připojit červenou LED přímo k baterii s jmenovitým napětím 1,5 V (například k baterii AA). Protože napětí této baterie je nižší než jmenovité napětí svítivé diody, můžete v tomto případě tuto diodu připojit přímo k baterii bez předřadného odporu.

Obr. 2.10: Přepínání barev pomocí tlačítka

Obr. 2.11: Paralelní zapojení 2 LED s tlačítkem Funkce tohoto zapojení (střídání rozsvěcování červené a zelené LED) spočívá v různých charakteristikách obou svítivých diod. V paralelním zapojení mají obě svítivé diody na svých kontaktech stejné napětí. Při stejném napětí protéká poněkud vyšší proud červenou svítivou diodou, zatímco zelenou svítivou diodou protéká nižší proud. Po připojení červené svítivé diody se společné napětí obou svítivých diod sníží natolik, že zelenou svítivou diodou nebude protékat téměř žádný proud.

13

Obr. 2.12: Přímé připojení LED k baterii 1,5 V

Obr. 2.13: Schéma zapojení

Po provedení tohoto propojení zjistíte, že červená LED skutečně svítí, i když poměrně slabě. Nyní vyměňte červenou LED za zelenou LED. Zelená LED nebude svítit, protože skrz ní protéká pouze velmi malý proud (dá se říci, že skrz zelenou svítivou diodu neprotéká prakticky žádný proud). Na obr. 2.14 vidíte typické zapojení měření charakteristiky svítivé diody s ampérmetrem, voltmetrem a potenciometrem (1 kΩ).

14

Simulační program „Diodenkennlinien“ (Charakteristiky diod) vám ukáže závislost svítivých diod na okolní teplotě.

Obr. 2.14: Měření charakteristiky svítivé diody Jak velký proud protéká svítivými diodami při různém napětí? Na obrázku 2.15 jsou zobrazeny změřené charakteristiky červené a zelené LED v názorném společném grafu. Na tomto grafu vidíte, že začne příslušnou svítivou diodou protékat proud až po dosažení určitého minimálního neboli prahového napětí (u červené LED se jedná o napětí 1,5 V, u zelené LED se jedná o napětí 1,75 V). Se vzrůstajícím napětím se tento proud stále strměji zvyšuje. Na grafu vyobrazená měření byla přerušena v okamžiku dosažení maximálního dovoleného proudu 20 mA. Snadno si dokážete dále představit, jak bude asi vypadat další průběh těchto charakteristik se zvyšujícím se napětím a tím i s narůstajícím proudem, který protéká oběma svítivými diodami. Pouze nepatrné zvýšení napájecího napětí znamená značné zvýšení proudu, který může svítivé diody zničit.

Obr. 2.17: Simulace charakteristiky svítivé diody Bude-li protékat svítivou diodou stále stejný proud, pak na ní dochází k úbytku napětí v závislosti na okolní teplotě, který činí asi „- 2 mV“ na 1 °C .

Obr. 2.15: Charakteristiky červené a zelené LED Na tomto výše uvedeném grafu je názorně vidět, proč začne červená svítivá dioda slabě svítit již při napětí 1,5 V, zatímco zelená LED ne. Při navrhování obvodů a zapojení se svítivými diodami se používají v normálním případě takové hodnoty předřadných odporů, které dokážou dodávat svítivým diodám potřebný definovaný (maximální) proud, aby se rozsvítily a aby přitom nemohlo dojít k jejich zničení. Budeme-li vycházet z normálního proudu 20 mA, který má protékat svítivými diodami, pak jejich potřebná napájecí napětí stanovíte (určíte) následujícím způsobem: Červená LED = 1,9 V; zelená LED = 2,2 V Pokud budete mít k dispozici síťový napájecí adaptér s různými výstupními stejnosměrnými napětími, vhodný ampérmetr a voltmetr jakož i potenciometr, pak si můžete charakteristiky svítivých diod změřit podle zapojení, které je uvedeno na obr. 2.14. Na experimentální desce této stavebnice použijte k tomuto účelu fotoodpor, který mění svůj odpor v závislosti na intenzitě okolního osvětlení od hodnoty cca 1 kΩ (vysoká intenzita okolního osvětlení) až do hodnoty cca 1 MΩ (nízká intenzita okolního osvětlení, tma), a tím i proud protékající svítivou diodou.

2.8 Zapojení svítivých diod do série Zapojíte-li dva elektrické spotřebiče k napájecímu zdroji do série (viz obr. 2.8 vpravo), bude jimi protékat stejný proud. Na každém elektrickém spotřebiči budou různá napětí, jejichž součet znamená napětí napájecího zdroje (baterie). Pokud budou oba elektrické spotřebiče odebírat stejný proud (bude-li jejich vnitřní odpor stejný), pak bude na každém z obou elektrických spotřebičů stejné napětí, které se bude rovnat polovině napětí napájecího zdroje (baterie). Při tomto zapojení (viz obr. 2.8 vpravo) bude svítivými diodami protékat rovněž stejný proud, ale každá dioda (například červená a zelená) bude svítit jiným jasem. V tomto případě nelze nastavit proud protékající různými svítivými diodami tak, aby tyto LED měly stejnou intenzitu světla. Při dostatečně vysokém napájecím napětí (např. 9 V) lze zapojit do série dvě nebo více svítivých diod. V tomto případě se sčítají napětí v propustném směru, takže na kontaktech předřadného odporu bude nižší napětí než při použití pouze jedné svítivé diody. Jedna červená a jedna zelená LED budou mít při proudu 20 mA napětí na kontaktech „1,8 V + 2,2 V = 4 V“. Na kontaktech předřadného odporu bude tedy napětí „9 V – 4 V = 5 V“. Aby těmito do série zapojenými svítivými diodami protékal skutečně proud 20 mA, musí být jejich předřadný odpor správně dimenzován. Hodnotu předřadného odporu vypočítáme podle Ohmova zákona podle následující rovnice: R = U / I; R = 5 V / 20 mA = 250 Ω Tento výpočet vede v mnoha případech k takové hodnotě odporu, která zcela neodpovídá hodnotě odporu normované řady (E 24). V tomto případě můžete použít nejbližší nižší hodnotu odporu, které této normované řadě odpovídá (v našem případě se bude jednat o hodnotu odporu 235 Ω, který vytvoříte paralelním zapojením dvou odporů 470 Ω). V tomto případě bude oběma svítivými diodami protékat poněkud vyšší proud než 20 mA (cca 21 mA), což neznamená žádnou podstatnou změnu z důvodů strmých charakteristik svítivých diod. Ve skutečnosti nezničí okamžitě svítivou diodu například ani proud 30 mA. Pouze při déle trvajícím přetížení svítivých diod dojde ke snížení jejich výkonu (k opotřebování svítivých diod), které se projeví snížením jejich jasu.

Obr. 2.16: Zapojení LED s fotoodporem

15

16

Přepínač na výše uvedeném zapojení (obr. 3.1) podle své polohy buď nabíjí elektrolytický kondenzátor nebo jej vybíjí přes svítivou diodu.

Obr. 2.18: Červená a zelená LED v sérii Obr. 3.2: Osazení experimentální desky (nabíjení a vybíjení kondenzátoru drátovým můstkem) Abyste mohli zapojení podle obr. 3.1 zkonstruovat, použijte místo přepínače se dvěma polohami (kontakty) drátový můstek podle obr. 3.2. Při každém vybití elektrolytického kondenzátoru se na krátkou dobu rozsvítí červená dioda jako bleskové světlo. 3.2 Použití svítivé diody jako bleskového světla (pomalé nabíjení kondenzátoru) Jak jsme již uvedli výše, lze do kondenzátoru uložit elektrickou energii (elektrický náboj). Ve fotografických přístrojích (v blescích) se zábleskovou xenonovou žárovkou je například k tomuto účelu použit elektrolytický kondenzátor s kapacitou 100 µF, který se nabije až na napětí 400 V. Poté po stisknutí tlačítka spouště dojde k vybití tohoto elektrolytického kondenzátoru přes xenonovou žárovku, která se po této akci krátce rozsvítí (zableskne). Elektrická energie uložená do tohoto kondenzátoru představuje náboj 8 Ws (wattsekund). Obr. 2.19: Sériové zapojení dvou LED

3. Použití kondenzátorů v zapojeních se svítivými diodami Každý určitě zná následky, které způsobují elektrostatická náboje, které vznikají při chůzi po kobercích nebo po podlahách z umělé hmoty. Člověk může bít nabit napětím, které může činit řádově až několik tisíc voltů. Poté stačí dotyk ruky vodivého kovového předmětu (například plynové trubky) a člověk pocítí bolestivé vybití tohoto náboje přeskokem elektrické jiskry. Toto vybití v našem těle uloženého náboje nebývá nijak nebezpečné, neboť do našeho těla byl uložen pouze velmi malý náboj, který se vybije velmi krátkým přeskokem elektrické jiskry. Podobné vlastnosti mají kondenzátory, které do sebe uloží velmi vysoké náboje i při nízkých napětích. Elektrický náboj uložený do kondenzátoru se nazývá kapacita kondenzátoru – viz podrobný popis v kapitole „1. Popis součástí a součástek stavebnice“ a v jejím odstavci „Kondenzátory“. Kondenzátor se podobá svojí funkcí akumulátoru, který také ukládá do svého vnitřku elektrickou energii. Avšak dobrý akumulátor udržuje při svém vybíjení relativně dlouho stabilní (konstantní) napětí, kdežto kondenzátor vydává při svém vybíjení elektrikou energii (elektrický náboj) při současném snižování napětí na svých kontaktech.

Tento výše popsaný princip bleskového světla můžete napodobit také se svítivou diodou (například s červenou). Takto vyrobený blesk však nebude tak výkonný, jako blesky s xenonovými žárovkami. Nabijte baterií 9 V přes odpor 100 kΩ elektrolytický kondenzátor 100 µF. Energie blesku z důvodů velmi nízkého protékajícího proudu kondenzátorem bude představovat hodnotu asi 4 mWs (miliwattsekundy). Tento elektrolytický kondenzátor se nabije na dostačující náboj po uplynutí asi 10 sekund. Dobu trvání nabíjení a vybíjení kondenzátoru neboli časovou konstantu vypočítáme z rovnice: T=RxC T = 100 kΩ Ω x 100 µF T = 10 s Během této doby dosáhne elektrolytický kondenzátor při provádění nabíjení asi 63 % koncového napětí. Po uplynutí této doby stiskněte na experimentální desce tlačítko. Po této akci se použitá svítivá dioda krátce rozsvítí (zableskne), neboť se přes tuto svítivou diodu vybije k ní do série připojený kondenzátor. Tato dioda může dále, podržíte-li tlačítko déle stisknuté, nepatrně svítit, protože skrz ní protéká nepatrný proud přes odpor 100 kΩ.

3.1 Vybíjení kondenzátoru přes svítivou diodu (bleskové světlo)

Obr. 3.3: Schéma zapojení blesku s LED Obr. 3.1: Nabití elektrolytického kondenzátoru a jeho vybití přes svítivou diodu

17

18

4.1 Tranzistor jako zesilovač (spínač) Zapojení na obr. 4.1 znázorňuje základní funkci tranzistoru NPN. Každý tranzistor představuje dva proudové okruhy. V řídícím proudovém okruhu protéká malý proud bází tranzistoru, v druhém proudovém okruhu se zátěží (předřadný odpor a svítivá dioda) protéká vyšší proud kolektorem tranzistoru. Oba proudy protékají společně emitorem tranzistoru. Protože je v tomto případě zapojen emitor tranzistoru na společný referenční (vztažný) bod, nazývá se tento obvod jako zapojení se společným emitorem. Jakmile dojde k otevření tranzistoru (začne-li protékat proud jeho bází), pak začne tranzistorem protékat zátěžový proud. Jako rozhodující faktor platí v tomto případě následující: Proud, který protéká bází tranzistoru, musí být několikanásobně nižší než proud, který protéká kolektorem tranzistoru. Malý proud protékající bází tranzistoru způsobuje zesílení, což se projeví několikanásobným zvýšením proudu, který protéká kolektorem tranzistoru. Toto zesílení nazýváme zesilovacím činitelem tranzistoru a v našem případě představuje hodnotu 100 (stonásobné zesílení). Obr. 3.4: LED jako bleskové světlo s tlačítkem 3.3 Použití dvou svítivých diod jako bleskového světla Při nabíjení a vybíjení kondenzátoru dochází ke změně směru proudu. Zapojení na obr. 3.5 vytváří rychlým tisknutím tlačítka střídavý proud. Přídavný odpor 1 kΩ dovoluje zkratovaní napájecího napětí stisknutím tlačítka. Po uvolnění stisknutí tlačítka (po rozpojení jeho kontaktů) dochází k nabíjení elektrolytického kondenzátoru přes zelenou svítivou diodu (která bude svítit). Po stisknutí tlačítka je kondenzátor vybíjen přes červenou svítivou diodu (která bude svítit). Obě svítivé diody jsou zapojeny antiparalelně, což znamená, že za předřadný odpor 470 Ω připojíte katodu zelené LED paralelně s anodou červené LED.

Obr. 4.1: Tranzistor NPN v zapojení se společným emitorem

Obr. 3.5: Nabíjení a vybíjení kondenzátoru se dvěma svítivými diodami

Obr. 4.2: Osazení experimentální desky součástkami

Obr. 3.6: Dvoubarevné bleskové světlo Každé stisknutí a uvolnění stisknutí tlačítka způsobí střídavé rozsvěcování červené a zelené svítivé diody (dvoubarevné bleskové světlo).

4. Zapojení s tranzistory Ve všech výše uvedených zapojeních byly použity pouze svítivé diody, odpory (rezistory) a elektrolytické kondenzátory. V dalších zapojeních popisujeme obvody se svítivými diodami s použitím tranzistorů (včetně vysvětlení základních funkcí tranzistorů).

19

Odpor 100 kΩ, který je zapojen před bázi tranzistoru, má stokrát vyšší hodnotu než předřadný odpor před svítivou diodou (1 kΩ). Tranzistor se chová v tomto zapojení jako spínač (spínací tranzistor). Mezi kolektorem a emitorem tranzistoru je velmi malý úbytek napětí. Proud kolektoru omezuje vnitřní odpor elektrického spotřebiče (zde předřadného odporu a svítivé diody) a tento proud nelze v tomto případě dále zvyšovat. Jedná se takzvaný nasycený kolektorový proud, který způsobí plné otevření tranzistoru. Svítivé diody v tomto zapojení slouží k znázornění průtoků proudů tranzistorem. Červená LED svítí velmi jasně, kdežto zelená LED svítí velice slabě. Pouze v zatemnělé místnosti poznáte „slabým žhnutím“ zelené svítivé diody, že bází tranzistoru protéká velmi slabý proud. Tento příklad (rozdíl jasu mezi červenou a zelenou svítivou diodou) znázorňuje princip zesílení tranzistoru. Vyzkoušejte si nyní chování tranzistoru NPN s různými proudy protékajícími jeho bází pomocí simulačního programu. Při malých proudech má zesilovací činitel tohoto tranzistoru hodnotu 180. Při vyšších proudech dojde k nasycení tranzistoru, což bude znamenat, že proud protékající kolektorem tranzistoru se nebude dále zvyšovat, neboť je omezen odporem zapojeným ke kolektoru.

20

Ke zjištění maximálního zesilovacího činitele tranzistoru můžete provést zvýšení hodnoty odporu, který zapojíte před bázi tranzistoru. Použijete-li k tomuto účelu odpor 1 MΩ, bude stále červená LED svítit, i když poměrně slaběji. Zapojíte-li do série dva odpory 100 kΩ, získáte odpor 200 kΩ, který tento tranzistor zcela otevře. V tomto případě bude mít tranzistor asi 200-násobné zesílení.

V praxi bývá zesílení obráceně zapojeného tranzistoru pěti- až dvacetinásobné. Červená svítivá dioda bude v tomto případě (viz obr. 4.4 a 4.5) svítit pouze velmi slabě. Zapojte před katodu zelené LED místo odporu 100 kΩ odpor 10 kΩ. V tomto případě začne kolektorem tranzistoru protékat vyšší proud, což poznáte podle zvýšeného jasu červené LED. Červená LED bude svítit jasněji než zelená LED. Toto výše popsané zapojení tranzistoru nepatří k obvyklému použití tranzistoru, jedná se v normálním případě o nesprávné zapojení tranzistoru. Pokud nebude zapojení s tranzistorem fungovat podle očekávání, pak jste pravděpodobně provedli prohození připojení emitoru a kolektoru tranzistoru. 4.2 Tranzistor PNP Tranzistor PNP má v normálním případě stejnou funkci jako tranzistor NPN, avšak musí být zapojen s obrácenou polaritou.

Obr. 4.3: Simulační program tranzistoru NPN Ve skutečnosti přes všechnu preciznost výroby nelze zesilovací činitel tranzistoru přesně naplánovat. Musíte vycházet z toho, že oba tranzistory BC547B, které jsou součástí této stavebnice, mají různé zesílení. Tyto tranzistory tohoto typu byly otestovány a rozděleny do tří skupin zesílení: A (110 – 220), B (200 – 450) a C (420 – 800). Tranzistory obsažené v této stavebnici patří do skupiny B a mají tedy minimální zesílení 200.

Obr. 4.6: Tranzistor PNP v zapojení se společným emitorem

Při navrhování obvodů s tranzistory musíte vždy dát pozor na zesilovací činitel použitého tranzistoru, abyste zajistili jeho spolehlivou funkci v širokém rozsahu. V zapojení na obr. 4.1 a 4.2 představuje tranzistor spínač. Zde postačí zvolit takový předřadný odpor báze tranzistoru, aby touto bází protékal poněkud vyšší proud. Proveďte nyní prohození emitoru a kolektoru tranzistoru. Nyní bude tranzistorem protékat podstatně nižší proud jeho kolektorem. Že bude i v tomto obráceném zapojení tranzistor pracovat, spočívá v jeho konstrukci ze tří vrstev N, P a N – viz popis v odstavci „4.3 Elektronická jednosměrná cesta“. Tloušťky těchto vrstev se ve skutečnosti liší, takže není zcela jedno, kterou vrstvu (kontakt N), připojíte k minus (–) pólu.

Obr. 4.7: Osazení experimentální desky součástkami V tomto výše uvedeném zapojení s tranzistorem PNP (BC557) si opět vyzkoušejte maximální zesilovací činitel tohoto tranzistoru způsobem popsaným u tranzistoru NPN.

Obr. 4.4: Obráceně zapojený tranzistor NPN

4.3 Elektronická jednosměrná cesta (hradlové vrstvy tranzistoru) Vnitřní konstrukci křemíkového tranzistoru tvoří tři vrstvy z různě infundovaného křemíku. Na rozhraní těchto vrstev se nacházejí hradlové vrstvy podobně jako u křemíkové nebo u svítivé diody, které vedou proud pouze jedním směrem. Jeden tranzistor je prakticky tvořen dvěma diodami, které můžete použít jako takové (jako normální diody). Toto umožňuje použít tranzistory ve zvláštních variantách zapojení a provedení otestování tranzistorů. Lze velice snadno zjistit, o jaký typ tranzistoru se jedná, zda o tranzistor NPN nebo PNP.

Obr. 4.5: Prohození připojení emitoru a kolektoru tranzistoru NPN

21

22

Po stisknutí tlačítka začne protékat proud zelenou svítivou diodou a bází tranzistoru. Tranzistor se otevře a vypne napájení červené svítivé diody, kterou nebude protékat téměř žádný proud. Proud bude protékat odporem 1 kΩ, který je zapojen ke kolektoru tranzistoru a k anodě červené svítivé diody. Ve skutečnosti však zůstane mezi emitorem a kolektorem tranzistoru zbytkové napětí asi 80 mV, které je příliš nízké na to, aby se červená svítivá dioda rozsvítila. Toto zapojení představuje jednoduchý elektronický přepínač. 4.5 Zpožďovací obvod (minutové světlo) Zesilovací činitel tranzistoru lze rovněž použít k prodloužení vybití kondenzátoru. Obr. 4.8: Zobrazení hradlových vrstev a náhradní schéma tranzistorů O jaký typ tranzistoru se jedná (NPN nebo PNP), zjistíte snadno, postavíte-li si zkoušečku s jednou svítivou diodou a s předřadným odporem (viz obr. 4.8 a 4.9). Ke kontaktům testovaného tranzistoru stačí v tomto případě připojit dva vodiče (zkušební kabely). Bude-li tranzistorem protékat proud, pak se rozsvítí LED. Tím jednoduchým způsobem prozkoumáte všechny interní hradlové vrstvy tranzistoru (jejich orientaci) a směr toku proudu.

V zapojení na obr. 4.13 je použit elektrolytický kondenzátor s kapacitou 100 µF, který nabijete krátkým stisknutím tlačítka. Po uvolnění stisknutí tlačítka vybijete tento kondenzátor malým proudem přes bázi tranzistoru v zapojení se společným emitorem.

Vyzkoušejte si nejprve touto zkoušečkou oba typy tranzistorů „BC547“ (NPN) a „BC557“ (PNP), které jsou součástí této stavebnice. Po získání určité praxe Vám tato zkoušečka umožní zjistit typ neznámého tranzistoru. Kromě toho zjistíte touto zkoušečkou též kontakt, který představuje bázi tranzistoru. Touto zkoušečkou nelze rozlišit emitor od kolektoru tranzistoru, protože jsou tranzistory zkonstruovány symetricky. K tomuto účelu použijte jednoduché zapojení tranzistoru se společným emitorem (viz zapojení na obr. 4.1 a 4.4).

Obr. 4.13: Zpožďovací obvod (prodloužení vybití kondenzátoru)

Obr. 4.9: Zapojení zkoušečky

Obr. 4.10: Zkoušečka hradlových vrstev tranzistoru

V tomto případě (viz obr. 4.13) značně prodloužíte dobu vybití použitého kondenzátoru přes poměrně vysoký odpor (100 kΩ), který zapojíte před bázi tranzistoru. Časová konstanta činí s výše použitými součástkami asi 10 sekund. Po uplynutí této doby postačí malý proud báze k plnému otevření tranzistoru a červená LED bude svítit poměrně dlouhou dobu.

4.4 Tranzistor jako invertor (přepínač) Na obr. 4.1 je tranzistor zapojen jako spínač (spínací tranzistor). Jakmile začne podle tohoto zapojení protékat bází tranzistoru proud (jakmile stisknete tlačítko), začne protékat proud také spotřebičem (svítivou diodou, která se rozsvítí). Na obr. 4.11 je zobrazeno schéma jednoduchého elektronického přepínače (zapojení tranzistoru s obrácenou funkcí spínání). Po stisknutí tlačítka se rozsvítí zelená LED, po uvolnění stisknutí tlačítka se rozsvítí červená LED.

Obr. 4.14: Zapojení minutového světla

Obr. 4.11: Tranzistor jako invertor

Abyste rozsvítili LED, pak v praxi postačí pouze krátké stisknutí tlačítka na experimentální desce. Po této akci začne svítivá dioda svítit velmi jasně (naplno) po dobu asi 10 sekund a po uplynutí této doby se začne její jas stále snižovat. Po uplynutí asi jedné minuty bude LED stále slabě svítit. Ve skutečnosti tato LED nezhasne ani po uplynutí dlouhé doby. Proud procházející touto diodou bude klesat velmi pomalu, takže nebude mít žádný viditelný účinek. 4.6 Soumrakový senzor (spínač) V následujícím zapojení si vyzkoušejte funkci fotoodporu (fotorezistostoru) jako čidla, které reaguje na intenzitu okolního osvětlení. Fotoodpor (Light Dependent Resistor, LDR) mění svůj odpor v závislosti na intenzitě okolního osvětlení od hodnoty cca 100 Ω (vysoká intenzita okolního osvětlení, sluneční světlo) až do hodnoty cca 1 MΩ (nízká intenzita okolního osvětlení, tma). Při normálním osvětlení pracoviště s intenzitou světla asi 1000 lux bude hodnota odporu tohoto fotorezistoru asi 1 kΩ.

Obr. 4.12: Přepínač se dvěma LED

23

24

V praxi místo použití odporu s vysokou hodnotou (10 MΩ) můžeme použít takzvaný dotykový kontakt. Z důvodů vysokého zesílení postačí, když se těchto dvou kontaktů (například dvou odizolovaných vodičů) dotkneme lehce suchým prstem. Ochranný odpor 100 kΩ (zařazený do větve dotykových kontaktů) slouží k ochraně tranzistorů pro případ náhodného zkratování dotykového senzoru (obou dotykových kontaktů).

Obr. 4.15: Schéma zapojení soumrakového senzoru Proměnlivý odpor fotorezistoru (LDR) vytváří společně s odporem 100 kΩ dělič napětí. Bude-li toto dílčí napětí nízké (bude-li mít fotorezistor příliš nízký odpor), zůstane tranzistor uzavřen. Mezní (prahová) hodnota napětí, která způsobí otevření tranzistoru, činí asi 0,6 V (tato hodnota platí pro všechny křemíkové tranzistory). V tomto zapojení se opět uplatňuje charakteristika svítivé diody – viz podrobný popis v odstavci „2.7 Prahové hodnoty (charakteristiky) svítivých diod“.

Obr. 4.18: Dotykový senzor se dvěma tranzistory Toto zapojení můžete použít též k otestování přítomnosti statické elektřiny (elektrostatických výbojů). Za tímto účelem se dotkněte prstem báze prvního tranzistoru (odizolovaného konce vodiče připojeného k bázi tranzistoru). Sedněte si na židli a otřete své nohy (podrážky svých bot) o podlahu (o koberec). Podle materiálu povrchu podlahy a podrážek bot se Vaše tělo nabije nebo nenabije statickou elektřinou. Toto poznáte podle toho, zda červená LED zabliká nebo ne. 4.8 Darlingtonovo zapojení tří tranzistorů (dotykový senzor) Sestavte si tento dotykový senzor se třemi tranzistory v Darlingtonově zapojení. V tomto případě se celkové zesílení zvýší na takovou úroveň, že postačí k rozsvícení červené LED pouhé přiblížení prstem ruky k oběma dotykovým kontaktům.

Obr. 4.16: Osazení experimentální desky (soumrakový senzor) Vyzkoušejte toto zapojení při různé intenzitě okolního osvětlení. Při vysoké intenzitě okolního osvětlení nebude červená LED svítit. Zastíníte-li například fotoodpor rukou, červená LED se rozsvítí. 4.7 Dotykové čidlo (senzor reagující na dotyk rukou), Darlingtonovo zapojení Zesilovací činitel dvou tranzistorů v takzvaném Darlingtonově zapojení lze několikanásobně zvýšit (vynásobit), přivedete-li zesílený proud z emitoru jednoho tranzistoru (první zesílení) na bázi druhého tranzistoru (druhé zesílení). V tomto zapojení (obr. 4.17) jsou propojeny kolektory obou tranzistorů (zapojení se společným kolektorem). Toto Darlingtonovo zapojení dvou tranzistorů se chová jako jeden tranzistor s vysokým zesilovacím činitelem.

Obr. 4.19: Darlingtonovo zapojení tří tranzistorů

Obr. 4.17: Darlingtonovo zapojení dvou tranzistorů Bude-li mít každý z obou tranzistorů zesilovací činitel 300, pak dosáhneme po provedení tohoto Darlingtonova zapojení dvou tranzistorů celkové zesílení 90000. Nyní postačí předřadit před bázi prvního tranzistoru velmi vysoký odpor (10 MΩ), aby tento proud dokázal rozsvítit ke společnému kolektoru obou tranzistorů připojenou svítivou diodu. Obr. 4.20: Dotykový senzor se třemi tranzistory

25

26

4.9 Komplementární Darlingtonovo zapojení tranzistorů (dotykový senzor) Darlingtonovo zapojení dvou tranzistorů představuje jeden tranzistor přibližně s dvojnásobným napětím mezi bází prvního tranzistoru a emitory obou tranzistorů. V mnoha aplikacích může toto znamenat jistou nevýhodu. Tuto nevýhodu lze odstranit modifikovaným Darlingtonovým zapojením se dvěma komplementárními (spárovanými) tranzistory NPN a PNP. V tomto případě bude stačit nižší vstupní napětí než 0,6 V k tomu, aby se v tomto zapojení rozsvítila svítivá dioda.

Obr. 4.23: Modifikované Darlingtonovo zapojení s komplementárními tranzistory NPN a PNP Obr. 4.21: Darlingtonovo zapojení s komplementárními tranzistory NPN a PNP

Obr. 4.24: Detektor záporných iontů ve vzduchu Obr. 4.22: Dotykový senzor se dvěma komplementárními tranzistory NPN a PNP Toto zapojení (viz obr. 4.21 a 4.22) se prakticky neliší od normálního Darlingtonova zapojení se dvěma tranzistory NPN. Červená LED se rovněž rozsvítí, přitisknete-li prst ruky k oběma dotykovým kontaktům (k odizolovaným koncům vodičů). 4.10 Modifikované Darlingtonovo zapojení tří tranzistorů (detektor záporných iontů) Na obr. 4.23 vidíte další variantu zapojení dotykového senzoru (detektoru záporných iontů) se dvěma tranzistory NPN a jedním tranzistorem PNP. V tomto zapojení (na rozdíl od předcházejících) se používá k řízení (k otvírání) tranzistoru PNP záporný proud, protože je tento tranzistor zapojen v tomto obvodu jako první. Jeden dotykový kontakt je připojen k bázi tranzistoru BC557 a druhý dotykový kontakt je připojen k emitoru třetího tranzistoru BC547 a k minus kontaktu napájecí baterie.

4.11 Svítivá dioda reagující na světlo (světelné čidlo) V normálním případě neprotéká diodou téměř žádný proud, pokud ji zapojíte v závěrném směru. Ve skutečnosti však i v tomto případě protéká diodou velmi nepatrný proud (řádově několik nanoampér), který je pro normální používání svítivých diod zanedbatelný. Vysoké zesílení Darlingtonova zapojení tranzistorů dovoluje provádět experimenty i s velmi nízkými proudy. Tento takzvaný závěrný proud svítivé diody závisí na intenzitě okolního osvětlení. Jednu ze svítivých diod (např. zelenou) můžete využít též jako fotodiodu. Velmi malý proud, který bude touto zelenou svítivou diodou protékat v závěrném směru, zesílíte dvěma tranzistory tak, že po osvětlení této svítivé diody (fotodiody) začne svítit i druhá svítivá dioda (červená).

Toto zapojení je vhodné ke zjišťování záporných iontů (anionů) ve vzduchu. Všude tam, kde používáte elektrické a elektronické přístroje, jako jsou monitory počítačů, televizory nebo mikrovlnné trouby, vznikají působením elektrostatických nábojů v okolním vzduchu kladné ionty (kationy). A tyto kationy dále způsobují zvýšenou nervozitu, únavu a různé alergie. Různé přístroje (jako jsou čističky a ionizátory vzduchu) zlepšují kvalitu vzduchu odbouráním těchto škodlivých kladných iontů (kationů) obohacením vzduchu zápornými ionty (aniony) velmi vysokým napětím. V blízkosti takovéhoto ionizátoru vzduchu se nabije odizolovaný konec vodiče, který je připojen k bázi tranzistoru BC557 (PNP), záporným nábojem, což způsobí rozsvícení červené LED.

Obr. 4.25: Zelená LED jako světelné čidlo (fotodioda)

27

28

Budete-li provádět tento pokus při normální intenzitě okolního osvětlení, pak toto osvětlení postačí k tomu, aby se druhá (červená) svítivá dioda rozsvítila. Funkci tohoto zapojení vyzkoušejte zastíněním příslušné diody rukou (zastiňte rukou svítivou diodu, která představuje fotodiodu).

Vyzkoušejte toto zapojení s novou (zcela nabitou) baterií a s velmi vybitou baterií 9 V. Pokud bude mít baterie dostatečné zbytkové napětí, bude zelená dioda stále velmi jasně svítit. 4.13 Stabilizátor proudu (napětí) se dvěma tranzistory V dalším zapojení obvodu stabilizovaného (konstantního) zdroje napětí (proudu) je použit místo svítivé diody tranzistor. Referenční napětí 0,6 V se v tomto případě nachází mezi bází a emitorem levého tranzistoru – viz obr. 4.29.

Obr. 4.26: Osazení experimentální desky (senzor reagující na intenzitu okolního osvětlení) 4.12 Konstantní (neměnný) jas svítivé diody (stabilizace proudu) V mnoha případech je třeba použít pro napájení některých obvodů konstantní (stabilizovaný) proud, který nezávisí na výkyvech (kolísání) napájecího napětí. Zelená svítivá dioda bude svítit stále stejným jasem, i když dojde k poklesu napětí napájecí baterie. Zapojení na obr. 4.27 představuje jednoduché zapojení stabilizátoru proudu. Jedna červená svítivá dioda stabilizuje na vstupu napětí báze tranzistoru na cca 1,6 V (a chová se podobně jako Zenerova dioda). Protože napětí mezi bází a emitorem tranzistoru má stále stejnou hodnotu cca 0,6 V, nachází se na odporu za emitorem tranzistoru napětí asi 1 V. Tento odpor určuje velikost proudu, který protéká emitorem tranzistoru. Proud, který protéká kolektorem tranzistoru, odpovídá téměř velikosti proudu, který protéká emitorem tranzistoru. Zelená svítivá dioda zapojená do okruhu kolektoru nepotřebuje žádný předřadný odpor, neboť proud, který jí protéká, je regulován tranzistorem.

Obr. 4.29: Stabilizace proudu (napětí) se dvěma tranzistory NPN

Obr. 4.30: Osazení experimentální desky součástkami Tento výše popsaný zdroj konstantního proudu (stabilizátor napětí) nevyrovnává jenom kolísání napětí napájecího zdroje (baterie 9 V), nýbrž také poklesy napětí na připojeném elektrickém spotřebiči, který zde představují zelená a červená svítivá dioda. Stisknete-li tlačítko, které je připojeno paralelně ke kontaktům zelené LED, nebo uvolníte-li stisknutí tohoto tlačítka, bude buď červenou svítivou diodou nebo oběma svítivými diodami (zelenou a červenou) protékat vždy stejný proud. 4.14 Čidlo teploty s tranzistory (proudové zrcadlo) Obr. 4.27: Stabilizovaný zdroj proudu

Zapojení na obr. 4.31 představuje takzvané proudové zrcadlo. Proud, který protéká odporem 1 kΩ, se transponuje v obou tranzistorech a objevuje se téměř ve stejné velikosti jako proud kolektoru druhého tranzistoru. Protože jsou u levého tranzistoru společně propojeny báze a kolektor tohoto tranzistoru, vytvoří se automaticky takové napětí mezi jeho bází a emitorem, které způsobí průtok proudu kolektorem druhého tranzistoru v potřebné výši (aby se rozsvítila červená LED). Teoreticky by se měl druhý tranzistor chovat naprosto stejně jako první tranzistor (měl by mít v tomto zapojení stejné parametry) a při stejném napětí mezi bází a emitorem by měl jeho kolektorem protékat stejný proud. V praxi se však objevují nepatrné rozdíly.

Obr. 4.28: Stabilizace jasu svítivé diody Obr. 4.31: Proudové zrcadlo

29

30

Splnění podmínek, aby měly oba tranzistory naprosto stejné parametry, nelze v praxi zcela uskutečnit. Takováto zapojení jsou osazována integrovanými obvody, které obsahují v jednom čipu mnoho tranzistorů se stejnými parametry. Aby toto zapojení proudového zrcadla fungovalo výše uvedeným způsobem, je třeba, aby měly oba tranzistory stejnou teplotu, protože se jejich charakteristika mění rovněž v závislosti na jejich teplotě.

Obr. 5.2: První experiment s piezoelektrickým akustickým měničem

Obr. 4.32: Použití tranzistorů jako čidla (senzoru) teploty

Tento akustický měnič se zároveň chová jako keramický kondenzátor, neboť jeho konstrukce odpovídá keramickému kondenzátoru se dvěma kovovými destičkami a s dielektrikem, který představuje keramická destička. Kapacita tohoto „kondenzátoru“ činní asi 20 nF. Tento akustický měnič můžete nabíjet a vybíjet jako normální kondenzátor – viz obr. 5.3.

V praxi můžeme toto takzvané proudové zrcadlo použít jako čidla (senzoru) teploty. Dotkněte se prstem jednoho z obou tranzistorů. Zahřátí tranzistoru změní výstupní proud procházející svítivou diodou, což poznáte podle změny jasu této svítivé diody. Podle toho, kterého z obou tranzistorů se prstem dotknete, můžete jas svítivé diody zvýšit nebo snížit.

5. Nízkofrekvenční zesilovače Nízkofrekvenční zesilovače se používají především k reprodukci zvuku. Piezoelektrický generátor zvuku (akustický měnič), který je součástí této stavebnice, můžete použít jako mikrofon nebo reproduktor či jako senzor snímající oscilace (otřesy a vibrace). 5.1 Praskot v reproduktoru Uvnitř piezoelektrického keramického akustického měniče se nachází tenký kovový plech, na kterém je nalepena keramická destička, která se působením elektrického napětí roztahuje nebo stahuje. Tento kovový plech se chová jako membrána, která vydává při svém prohýbání (chvění) zvuk (funkce reproduktoru). Keramická destička má podobné vlastnosti jako křemenný krystal. Kromě toho vzniká na této keramické destičce jejím chvěním následkem okolního zvuku určité elektrické napětí (funkce mikrofonu).

Obr. 5.3: Vybíjení a nabíjení kondenzátoru V tomto zapojení (viz obr. 5.4) je použit jako přepínač drátěný můstek (dva kousky odizolovaných vodičů a jeden vodič s odizolovaným koncem jako přepínací kontakt). Při nabíjení akustického měniče (kondenzátoru) z něho uslyšíme praskot. Odpojíme-li přepínací kontakt od napájení (baterie), pak žádný zvuk neuslyšíme, neboť akustický měnič (kondenzátor) zůstane nabitý. Jakmile akustický měnič začneme vybíjet, uslyšíme z něho opět praskot. Mezi těmito dvěma cykly (mezi nabíjením a vybíjením) může uplynout několik sekund, neboť kondenzátor tohoto akustického měniče se vybíjí sám velmi pomalu (pomalé samovybíjení).

Obr. 5.1: Základní funkce piezoelektrického keramického akustického měniče Po každém stisknutí tlačítka uslyšíte z tohoto akustického měniče tichý praskot, který vzniká částečnou deformací krystalu.

Obr. 5.4: Drátěný můstek jako přepínač Výše uvedenými experimenty jsme se pokusili Vám objasnit základní vlastnosti piezoelektrického akustického měniče. V praxi se používá k rozechvění membrány akustického měniče kolísání napětí. S vhodnými elektronickými součástkami lze tento akustický měnič rozezvučet trvalým tónem (například v poplachových zařízeních jako sirénu či houkačku). Dále lze tento akustický měnič použít též k reprodukci mluveného slova (řeči) nebo hudby.

31

32

5.2 Zesilovače zvuku Každý nízkofrekvenční zesilovač by měl reprodukovat elektrické oscilace (zvuky) s velmi nízkým zkreslením. Z tohoto důvodu by se neměly tranzistory používané v zesilovačích otevírat a uzavírat zcela naplno. To znamená, že proud protékající kolektorem tranzistoru by měl být zvyšován nebo snižován pouze frekvencí zvuku (oscilacemi). Protože většinou neznáme přesnou hodnotu zesilovacího činitele tranzistoru, pak lze s výhodou použít v zapojeních zesilovačů takzvanou zápornou zpětnou vazbu. V těchto případech není kontakt předřadného odporu báze tranzistoru připojen přímo k plus (+) kontaktu napájecího zdroje (baterie). Plus kontakt napájecího zdroje je připojen přes vhodný odpor ke kolektoru tranzistoru. Z důvodů vyšší hodnoty zesilovacího činitele tranzistoru protéká v tomto případě vyšší proud kolektorem tranzistoru, který zvyšuje úbytek napětí na odporu připojenému ke kolektoru tranzistoru. Tím dochází ke snížení napětí mezi emitorem a kolektorem tranzistoru a napětí na předřadném odporu báze tranzistoru. Nižší proud, který protéká bází tranzistoru, vyrovnává částečně vyšší zesílení tranzistoru. Toto zapojení zajišťuje vhodný (dynamický) pracovní bod tranzistoru. V simulačním programu záporné zpětné (Gegenkopplung) vazby si vyzkoušejte různé zesilovací činitele tranzistoru – viz obr. 5.5.

Obr. 5.6: Vyzkoušení funkce zesilovače s fotoodporem

Obr. 5.7: Fotoakustický měnič (zesilovač reagující na různou intenzitu a různý kmitočet světla) Vyzkoušejte toto zapojení s různými osvětlovacími tělesy. Osvětlíte-li fotorezistor zářivkou, uslyšíte z akustického měniče jiný zvuk (jinou frekvenci) než když jej osvětlíte obyčejnou žárovkou, jejíž světlo je přerušováno síťovým kmitočtem 50 Hz. Světlo zářivky „bliká“ s vyšší frekvencí než světlo obyčejné žárovky. Také elektronkové monitory počítačů vyzařují přerušované světlo. Přiblížíte-li k takovémuto monitoru počítače fotoodpor, uslyšíte z akustického měniče zvuk, který se podobá bzučení.

Obr. 5.5: Simulační program znázorňující zápornou zpětnou vazbu v zesilovači

5.3 Dvoustupňové zesilovače se dvěma tranzistory Pokud nebude stačit zesílení jednoho tranzistoru, použijte k zesílení zvuku dva tranzistory. Dva stejným způsobem zapojené zesilovací stupně lze zapojit jednoduše za sebou. V těchto zapojeních zesilovačů se používají často v prvním stupni odpory s vyššími hodnotami, a tím i nižší proud, který protéká kolektorem prvního tranzistoru.

Signál, který má být zesílen, je přiváděn přes kondenzátor a odpor na bázi tranzistoru a provádí modulaci proudu, který protéká bází tranzistoru. Ke vstupu tohoto zesilovače je připojen signální (tónový) generátor se sinusovým průběhem střídavého napětí a s nastavitelným výstupním napětím. V tomto simulačním programu byla zvolena amplituda sinusového signálu 10 mV. K výstupu tohoto zesilovače je připojen osciloskop, který měří (zobrazuje) zesílení napětí. Málo který začátečník elektrotechnik má ve své výbavě generátor sinusového signálu a osciloskop. Následujícím způsobem můžete i bez tohoto vybavení provést otestování funkce zesilovače následujícím způsobem: Ke vstupu zesilovače (viz zapojení na obr. 5.6) připojíte dělič napětí složený z fotoodporu (zdroj signálu) a odporu o velikosti 1 kΩ. Po osvětlení fotoodporu umělým světlem se vytvoří signál s dvojnásobným síťovým kmitočtem 100 Hz. K výstupu tohoto zesilovače je připojen piezoelektrický akustický měnič, ze kterého uslyšíte zesílení signálu (zvuku) s frekvencí 100 Hz. Při osazování experimentální desky dejte pozor na správnou polaritu vývodů obou elektrolytických kondenzátorů. Na bázi tranzistoru je napětí asi 0,6 V. Napětí na děliči napětí je vyšší. Z tohoto důvodu je na vstup zesilovače připojen elektrolytický kondenzátor 22 µF. Na výstupu zesilovače (na kolektoru tranzistoru) je napětí asi 2 V. Z tohoto důvodu je na výstup zesilovače před piezoelektrický akustický měnič připojen elektrolytický kondenzátor 100 µF. Tento kondenzátor nemusí být v tomto zapojení použit, protože se piezoelektrický akustický měnič chová jako kondenzátor.

Obr. 5.8: Dvoustupňový zesilovač se 2 tranzistory

Obr. 5.9: Dvoustupňový zesilovač

33

Postavíte-li si takovýto zesilovač (viz obr. 5.8 a 5.9), může se z akustického měniče ozývat praskot. V tomto případě se jedná o takzvané vlastní (zpětnovazební) oscilace, které způsobí, že se takovýto zesilovač nedá používat. Tyto oscilace závisejí na stavu nabití baterie. Frekvence těchto oscilací se mění v závislosti na intenzitě osvětlení fotoodporu. Příčinou těchto nežádoucích vlastních oscilací zesilovače bývá vnitřní odpor baterie. Napájecím napětím (baterií) proniká zesílený signál výstupu zesilovače zpět na jeho vstup. K potlačení této zpětné vazby se používá dodatečné vyhlazení napájecího napětí na vstupu prvního stupně zesilovače. V našem případě postačí vyhlazení napájecího napětí pro dělič napětí. Použitím elektrolytického kondenzátoru s kapacitou 100 µF a odporu 470 Ω získáme časovou konstantu 47 mS (milisekund). Toto vyhlazení napětí bude dostatečné, pokud nebudeme tímto zesilovačem zesilovat signály s nízkým kmitočtem. Jako další opatření k potlačení této zpětné vazby je nutné použít vazební kondenzátory s nižšími hodnotami jejich kapacity.

34

signál, zapojte do tohoto obvodu takzvanou dolní pásmovou propust, kterou vytvoří jeden kondenzátor a jeden odpor. Po provedení vylepšení zapojení použitím dolní pásmové propusti (viz obr. 5.12) nebudou zeslabovány signály se středními a vysokými kmitočty. Kromě toho získá takto zapojený dvoustupňový zesilovač vyšší celkové zesílení než zapojení zesilovače popsané v předcházejícím odstavci.

Obr. 5.12: Dvoustupňový zesilovač s přímou vazbou

Obr. 5.10: Vylepšené zapojení dvoustupňového zesilovače (potlačení zpětné vazby)

Na vstup tohoto zesilovače je připojen odpor 1 kΩ a kondenzátor s kapacitou 100 nF. Ke kontaktu tohoto odporu lze připojit zdroj signálu. Bez použití odporu 1 kΩ by se tento vstup zesilovače choval jako vysokoohmický vstup. Takto zapojený zesilovač bude zpočátku „mlčet“ (z piezoelektrického měniče se nebude ozývat žádný zvuk), protože na jeho vstup není přiveden žádný signál. Toto je dobré znamení, neboť podle tohoto „mlčení“ poznáte, že je toto zapojení stabilní a že není náchylné na zpětnovazební oscilace. Dotkněte se nyní prstem ruky vstupu zesilovače (kontaktu odporu 1 kΩ). Po této akci uslyšíte z piezoelektrického akustického měniče brum.

Obr. 5.11: Zesilovač, který není náchylný na zpětnovazební oscilace Vylepšené zapojení dvoustupňového zesilovače (viz obr. 5.10 a 5.11) je již stabilní, není náchylné na zpětnovazební oscilace a má podstatně vyšší citlivost než zapojení zesilovače s jedním tranzistorem. Jedná se o takzvaný monofónní zesilovač. Dvoustupňový zesilovač obrací fázi vstupního signálu dvakrát o 180 ° (ted y celkem o 360 °). Kladné p ůlvlny vstupního signálu vytvářejí rovněž na výstupu zesilovače kladné půlvlny. Toto může znamenat v principu podmínku pro vznik vlastních (zpětnovazebních) oscilací zesilovače. Jestliže se dostane zpět určitý podíl výstupního signálu z výstupu zesilovače na jeho vstup, začne zesilovač oscilovat. Proveďte za tímto účelem následující pokus: Dotkněte se výstupu zesilovače (konektoru druhého tranzistoru) jedním prstem a druhým prstem se dotkněte vstupu zesilovače (například báze prvního tranzistoru). Jakmile toto provedete, ozve se z piezoelektrického měniče akustický signál. Výši tohoto akustického signálu (jeho frekvenci) můžete změnit zvýšením nebo snížením přechodového odporu mezi prstem ruky a kontaktem, kterého se dotýkáte tím, že prst k tomuto kontaktu přitlačíte pouze velmi lehce nebo že k tomuto kontaktu přitlačíte například nasliněný prst.

5.4 Zesilovač s dolní pásmovou propustí (rádiové zvuky) U dvoustupňového zesilovače může být výhodou, použijete-li na cestě, kterou prochází zesilovaný signál, co nejmenší počet kondenzátorů. Jako řešení tohoto problému lze použít přímé propojení báze druhého tranzistoru s kolektorem prvního tranzistoru. V tomto případě však musíte zajistit, aby měly oba použité tranzistory vhodný dynamický pracovní bod. Toto se Vám podaří zapojením záporné zpětné vazby k bázi prvního tranzistoru. Aby tato záporná zpětná vazba ovlivňovala pouze charakter stejnosměrného napětí a neovlivňovala zesilovaný

35

Obr. 5.13: Velmi citlivý dvoustupňový zesilovač Slyšeli jste někdy o tom, že lze zesilovač použít též jako rozhlasový přijímač k příjmu silného vysílače v pásmu středních (případně i krátkých) vln? Tento pověstný fenomén znají jevištní technici a konstruktéři zesilovačů a dávají na něj pozor. Citlivý mikrofonní zesilovač dokáže nežádaně přijímat signály silných rozhlasových vysílačů. Toto si můžete vyzkoušet i s tímto zesilovačem. K tomuto účelu nebudete potřebovat žádnou opravdovou anténu, neboť tuto anténu vytvoří Vaše tělo. Propojte nejprve tento zesilovač vhodným kabelem s uzemněním. Proveďte propojení tohoto kabelu (izolovaného drátu) mezi minus (–) kontaktem baterie a kovovou vodovodní nebo plynovou trubkou. Poté se dotkněte prstem ruky vstupu zesilovače (kontaktu odporu 1 kΩ). Pokud se ve Vaší blízkosti bude nacházet poměrně silný rozhlasový vysílač v pásmu středních vln (nebo i vzdálenější vysílač v pásmu krátkých vln), uslyšíte v reproduktoru (piezoelektrickém měniči) slabý zvuk tohoto rozhlasového vysílání. Odpor na vstupu zesilovač 1 kΩ hraje v tomto případě při poslechu rozhlasové stanice zvláštní roli. Pokud byste na vstupu tohoto zesilovače tento odpor vynechali (pokud by se jednalo o vysokoohmický vstup), pak byste po dotyku prstem slyšeli z piezoelektrického měniče pravděpodobně pouze brum síťového napětí (kmitočet 50 Hz). Vaše tělo má jako zdroj signálu příliš vysoký vnitřní odpor pro signály s nízkou frekvencí (50 Hz), neboť vaše tělo vytváří společně s okolním síťovým vedením kondenzátor s velmi nízkou kapacitou. Jako anténa, která by měla

36

přijímat signály s vyššími frekvencemi, má vnitřní odpor Vašeho těla naopak velmi nízkou hodnotu. Z tohoto důvodu zaručuje odpor 1 kΩ na vstupu tohoto zesilovače vyšší podíl přenosu vysokofrekvenčních signálů než síťového brumu 50 Hz, který je tímto způsobem částečně vyfiltrován. I když se Vám bude zdát tento experiment na první pohled jako nesmyslný, odhalí Vám nedostatky techniky výroby nízkofrekvenčních zesilovačů. Pouze ten, kdo zná působení rušivých vlivů, dokáže tyto nedostatky odstranit. V našem případě jsme k tomuto účelu použili dolní pásmovou propust neboli filtr, který vyfiltruje vyšší frekvence než cca 20 kHz. Pokud se Vám zapojení výše uvedeného zesilovače jako rozhlasového přijímače zalíbilo, pak můžete na jeho vstup připojit skutečnou drátovou anténu (o délce cca 2 metry nebo delší) a místo piezoelektrického akustického měniče připojte k jeho výstupu k zlepšení zvuku vhodná dynamická sluchátka. Jelikož není k tomuto zesilovači připojen ladící kondenzátor, pak se může stát, že uslyšíte současně více rozhlasových stanic najednou, přičemž zvuk některého z vysílačů bude chvíli hlasitější a chvíli bude hrát naopak jiný vysílač hlasitěji než ostatní. V kapitole (odstavci) 10.2 popisujeme vylepšený rozhlasový přijímač s operačním zesilovačem (s integrovaným obvodem).

V tomto případě představuje piezoelektrický měnič vysokoohmický zdroj signálu, který dodává (vytváří) signály s napětím několika voltů. Zapojení se společným kolektorem provádí přizpůsobení zesilovače k nízké impedanci zátěže červené svítivé diody. Toto zapojení můžete použít jako jednoduchý, avšak velmi účinný senzor, který reaguje na zaklepání. 5.6 Dvojčinný zesilovač V přecházejícím odstavci popsaný zesilovač dokáže zesílit pouze jednu půlvlnu signálu se střídavým napětím. Piezoelektrický měnič vytváří ale na svém výstupu střídavé napětí. Z tohoto důvodu se používají u výkonných zesilovačů dvojčinné koncové stupně (push-pullové koncové stupně) se dvěma komplementárními tranzistory NPN a PNP. V tomto případě zesiluje jeden tranzistor kladnou půlvlnu signálu se střídavým napětím a druhý tranzistor zesiluje zápornou půlvlnu tohoto signálu. Každý z těchto tranzistorů pracuje jako emitorový sledovač. Dělič napětí na vstupu tohoto zesilovače zajišťuje klidové střední napětí na stejné úrovni. Na výstupu emitorů obou tranzistorů se vytváří dostatečný výstupní proud. Toto zapojení má tedy vstup s vysokým odporem (s vysokou impedancí) a výstup s nízkým odporem (s nízkou impedancí). Tímto způsobem dokáže toto zapojení zesílit obě půlvlny signálu, který vytváří piezoelektrický měnič jako generátor střídavého signálu.

5.5 Zesilovač se společným kolektorem (s emitorovým sledovačem) Ve všech předchozích zapojeních byl vždy zapojen elektrický spotřebič (svítivá dioda, piezoelektrický měnič) do obvodu kolektoru tranzistoru a na emitoru tranzistoru bylo stálé (neměnné) napětí (tato zapojení, jak jsme již výše uvedli, se nazývají obvody se společným emitorem). Zapojení na obr. 5.14 znázorňuje jednoduchý obvod se společným kolektorem tranzistoru. V tomto zapojení je na kolektoru tranzistoru stálé (neměnné) napětí, přičemž výstup tohoto zesilovače je připojen k emitoru tranzistoru. Na emitoru tranzistoru je napětí vždy nižší o 0,6 V až 0,7 V než na bázi tranzistoru. Napětí na emitoru tranzistoru se mění podle změny napětí na bázi tranzistoru. Z tohoto důvodu se takovýto obvod nazývá též emitorový sledovač. Zapojení se společným kolektrorem neboli s emitorovým sledovačem neprovádí žádné zesílení napětí, respektive zesílení rovné 1. Avšak takovýto obvod zesiluje elektrický proud. Z tohoto důvodu se používají na vstupu těchto zesilovačů odpory s velmi vysokou hodnotou a na výstupech se naopak používají odpory s poměrně malými hodnotami. V souvislosti se změnami napětí nebo se signály střídavého napětí hovoříme o takzvané impedanci (o činném odporu střídavého proudu). Zapojení se společným kolektorem představuje též takzvaný impedanční měnič neboli transformátor, protože mění velké hodnoty vstupních odporů na malé hodnoty výstupních odporů beze změny napětí.

Obr. 5.16: Zapojení dvojčinného zesilovače Poklepem prstu ruky na piezoelektrický akustický měnič se na jeho výstupu vytvoří signál se střídavým napětím, což poznáte podle střídavého rozsvěcování (blikání) zelené a svítivé červené diody.

Zapojení na obr. 5.14 znázorňuje jednoduchý experiment, který používá jako zdroje signálu piezoelektrický akustický měnič. V klidovém stavu je vstupní napětí nulové, červená LED nebude svítit. Poklepejte lehce prstem na piezoelektrický měnič nebo k tomuto účelu použijte raději měkkou kancelářskou gumu. Po každém poklepání prstem na tento měnič krátce zabliká červená svítivá dioda.

Obr. 5.17: Osazení experimentální desky součástkami Obr. 5.14: Zesilovač signálu s piezoelektrickým akustickým měničem

6. Zapojení s klopnými obvody Všechna výše uvedená zapojení přestavovala takzvaná analogová zapojení. Digitální elektronika se od analogové elektroniku odlišuje tím, že rozeznává pouze dva stavy – stav zapnutí a vypnutí (takzvanou logickou jedničku a logickou nulu). To znamená, že tranzistory v těchto zapojeních jsou buď zcela otevřené nebo zcela uzavřené. 6.1 Bistabilní klopný obvod (tranzistorový přepínač) Zapojení tranzistorů se dvěma stabilními stavy (otevření a uzavření tranzistoru) se nazývá bistabilní klopný obvod nebo také tranzistorový přepínač. Jedna ze dvou svítivých diod bude svítit nebo svítit nebude. Na obr. 6.1 vidíte zapojení jednoduchého bistabilního klopného obvodu.

Obr. 5.15: Zapojení se společným kolektorem

37

38

Teoreticky by mělo toto zapojení náhradního tyristoru fungovat i bez odporu 1 kΩ, který je zapojen mezi bázi a emitor tranzistoru NPN (BC547). Bez použití tohoto odporu by mohly tento obvod náhradního tyristoru „zapálit“ i nepatrné nedostatky izolace. Toto mohou způsobit nízké kapacity hradlových vrstev tranzistorů, kterými protéká malý nabíjecí proud. Protože je celkové zesílení stejně jako v Darlingtonově zapojení obou tranzistorů velmi vysoké, postačil by tento slabý proudový impuls k otevření obou tranzistorů neboli k „zapálení“ tyristoru. Příliš vysoký odpor zapojený mezi bázi a emitor tranzistoru NPN by spolehlivě nezabránil, aby se tyto tranzistory neotevřely po připojení napájecího napětí z baterie.

Obr. 6.1: Bistabilní klopný obvod Toto zapojení provádí přepínání dvou stavů: Pokud je pravý tranzistor otevřen (prochází-li jím proud), pak je levý tranzistor uzavřen (neprochází jím žádný proud) a naopak. Otevřený tranzistor má na svém kolektoru velmi nízké napětí a odpojí takto bázi druhého tranzistoru (touto bází nebude protékat žádný proud). Z tohoto důvodu zůstane stav sepnutí nebo rozepnutí trvalý (stabilní), dokud tento stav nezměníte stisknutím jednoho z ovládacích drátových tlačítek (můstků).

Toto zapojení může po malé úpravě (po malém rozšíření) pracovat rovněž jako bistabilní klopný obvod s funkcí RS (RESET – SET). Asi již budete vědět podle předchozích zapojení, kam máte v tomto případě zapojit druhý spínač (druhé tlačítko). K tomuto účelu můžete použít například tuto možnost (jednu ze tří možností): Proveďte zkratování obou emitorů tranzistorů drátovým můstkem. Pokud bude tento zkrat (vedlejší proudový okruh) existovat, bude červená LED svítit, i když nebude protékat oběma tranzistory žádný proud. U tohoto zapojení často zpozorujete, že u náhradního obvodu, který představuje tyristor, dochází k jeho „zapálení“ po připojení napájecího napětí (baterie). Kapacity hradlových vrstev obou tranzistorů stačí k tomu, aby se tyto tranzistory otevřely (aby došlo k zapálení tyristoru). Toto zapojení je velmi citlivé. K odstranění tohoto „samozapalování“ postačí například zapojení malého odporu před bázi tranzistoru NPN nebo před bázi tranzistoru PNP. Další možností ke snížení této vysoké citlivosti představuje zpomalení nárůstu proudu. Možné řešení je znázorněno na obr. 6.5. V tomto zapojení přidáte mezi bázi a emitor tranzistoru NPN odrušovací kondenzátor s kapacitou 100 nF. Tím zabráníte nežádoucímu zapálení (otevření) tyristoru po připojení napájecího napětí.

Obr. 6.2: Jednoduchý tranzistorový přepínač Připojte k zapojení na experimentální desce napájecí napětí z baterie 9 V. Po této akci zjistíte, že se některá z obou svítivých diod rozsvítí. V tomto případě nelze určit, která z obou svítivých diod to bude. Toto způsobuje většinou rozdílné zesílení obou tranzistorů.

Obr. 6.4 Klopný obvod se dvěma komplementárními tranzistory NPN a PNP

Použijte nyní jeden drátový můstek jako tlačítko (zastrčte odizolovaný konec příslušného vodiče do příslušného otvoru na experimentální desce), uzavřete tím jeden z obou tranzistorů. Přepnutí, které jste tímto způsobili, zůstane po odpojení (rozpojení) tohoto můstku zachováno. Oba stavy se též nazývají jako nastavení (anglicky „Set“, „S“) a zpětné nastavení (anglicky „Reset“, „R“). Z tohoto důvodů se takovýto klopný obvod nazývá bistabilním klopným obvodem RS. 6.2 Náhradní zapojení tyristoru s tranzistory Tyristory jsou bistabilní spínače se třemi kontakty (podobně jako u tranzistorů). Řídící elektroda slouží k zapnutí neboli k „zapálení“ tyristoru. Tyristorem začne protékat proud do té doby, dokud nedojde k přerušení proudového okruhu. S použitím dvou tranzistorů NPN a PNP lze vytvořit náhradní zapojení tyristoru – viz obr. 6.3. Z kolektoru tranzistoru NPN je přiveden proud na bázi tranzistoru PNP. Tato znamená, že budou oba tranzistory uzavřeny nebo otevřeny. Po připojení napájení z baterie zůstanou nejprve oba tranzistory uzavřeny. Krátké stisknutí tlačítka způsobí otevření tranzistorů, což poznáte podle rozsvícení červené svítivé diody. Tyto tranzistory zůstanou otevřeny tak dlouho (červená LED bude svítit tak dlouho), dokud neprovedete odpojení napájení obvodu z baterie.

Obr. 6.5: Odrušení náhradního obvodu tyristoru

Obr. 6.6: Odrušení náhradního obvodu tyristoru kondenzátorem Obr. 6.3: Náhradní zapojení tyristoru

39

40

6.3 Schmittův klopný obvod (soumrakový spínač) Schmittův klopný obvod představuje spojovací článek mezi analogovými a digitálními elektronickými obvody. Libovolné vstupní napětí provádí přepnutí do zapnutého stavu a vypnutého stavu (zapíná a vypíná elektrický spotřebič). Jako příklad tohoto zapojení uvádíme soumrakový spínač (přepínač, který zapíná po soumraku osvětlení a při rozbřesku osvětlení opět vypíná). Důležitým faktorem v těchto zapojeních soumrakových senzorů je zajištění, aby mezi stavem zapnutí a vypnutí a naopak nedocházelo k blikání lampy (v našem případě svítivé diody). To znamená, že toto zapojení smí vypnout osvětlení teprve při vyšší intenzitě okolního světla. Mezi oběma stavy spínání (zapnutí a vypnutí) musí existovat určitá prodleva neboli hystereze. Na obr. 6.7 vidíte klasické zapojení Schmittova klopného obvodu. Dosažení stabilního stavu zajišťuje zpětná vazba mezi kontakty emitorů obou tranzistorů. Pokles napětí na odporu 470 Ω obou emitorů tranzistorů zajišťuje jednoznačně definovaný stav.

6.4 Schmittův klopný obvod se zpětnou vazbou Na obr. 6.10 vidíte zjednodušené zapojení Schmittova klopného obvodu. Dva tranzistory NPN se společným emitorem jsou mezi sebou propojeny přímo. Přídavný odpor zapojený mezi výstupem a vstupem zajišťuje požadovanou zpětnou vazbu a tím i časovou prodlevu neboli hysterezi mezi oběma stavy spínání (zapnutím a vypnutím). V tomto zapojení je opět použit fotorezistor s proměnlivou velikostí odporu. V tomto případě se ale červená svítivá dioda rozsvítí až po ozáření fotoodporu vyšší úrovní intenzity okolního osvětlení než v předcházejícím zapojení. I u tohoto zapojení nedochází v přechodných stavech k žádnému blikání svítivé diody. Jak je obvyklé u Schmittova klopného obvodu, dochází zde při nenadálých změnách intenzity osvětlení k strmému přechodu z jednoho stavu do druhého. V tomto případě však může silně přerušované (blikající) umělé světlo způsobit, že rychlé přepínání z jednoho stavu do druhého vytvoří viditelné mezistavy. Pokud k tomuto zapojení připojíme na jeho výstup ještě piezoelektrický akustický měnič, bude se z něho ozývat v těchto případech slyšitelné rachocení.

Obr. 6.7: Schmittův klopný obvod

Obr. 6.10: Zjednodušené zapojení Schmittova klopného obvodu

Obr. 6.8: Schmittův klopný obvod (soumrakový spínač) Napětí na vstupu tohoto Schmittova klopného obvodu řídí (ovlivňuje) velikost odporu fotorezistoru (intenzita okolního osvětlení). Jakmile tento foforezistor zastíníte (jakmile se setmí), rozsvítí se červená svítivá dioda. Vyšší intenzita okolního osvětlení způsobí naopak zhasnutí této červené LED. Mezi oběma stavy spínání existuje značná časová prodleva (hystereze), která brání tomu, aby červená LED neblikala, jestliže osvítíte fotoodpor umělým osvětlením. Na simulačním programu zapojení Schmittova klopného obvodu (Schmitt-Trigger) zjistíte aktuální hodnoty na více měřících bodech a podle toho poznáte, který z obou tranzistorů je uzavřen. Změnou velikosti odporu obou emitorů tranzistoru můžete vyzkoušet vliv popsané časové prodlevy neboli hystereze mezi oběma stavy.

Obr. 6.11: Soumrakový senzor s časovou prodlevou spínání (s hysterezí) Citlivost tohoto soumrakového senzoru lze přizpůsobit podmínkám intenzity okolního osvětlení změnou děliče napětí na vstupu tohoto zapojení. Zapojíme-li na vstup (k bázi prvního tranzistoru) odpor s hodnotou 10 kΩ, rozsvítí se červená svítivá dioda při intenzitě osvětlení, které vyzařuje například stolní lampa. S odporem s hodnotou 100 kΩ se bude červená svítivá dioda rozsvěcovat při střední úrovni intenzity okolního osvětlení, například v obytných místnostech.

7. Blikače, oscilátory a multivibrátory Oscilátory jsou obvody, které vytvářejí samy oscilace (přepínají se automaticky z jednoho stavu do druhého). Pro pomalá přerušování (světelné blikače) se většinou používají klopné obvody. Pro vyšší frekvence přerušování je třeba použít signální (tónové) generátory. Tyto aplikace slouží například jako detektory lži nebo jako napětím řízené oscilátory pro účely různých měření.

Obr. 6.9: Simulační program Schmittova klopného obvodu

41

7.1 Použití svítivých diod jako přerušovaného světla (blikače) K tomuto účelu použijte následující astabilní klopný obvod, který se sám přepíná. Zde se jedná opět o dva tranzistory v zapojení se společným emitorem. Funkci přepínacích tlačítek v tomto zapojení nahrazují elektrolytické kondenzátory, které se stále nabíjejí a vybíjejí. Tyto kondenzátory vytvářejí zpětnou vazbu.

42

Důležitou podmínkou pro spolehlivou funkci tohoto blikače (respektive multivibrátoru) představuje takzvaný prostřední přepínací kontakt bez zpětné vazby (podobně jako u relé). Pokud toto nebude splněno, zůstane pravý tranzistor, k jehož kolektoru je připojena katoda svítivé diody, buď trvale uzavřen nebo trvale otevřen. V tomto případě by toto zapojení nevykazovalo dostatečné zesílení k vyvolání oscilací (k přepínání z jednoho stavu do druhého). Tento takzvaný prostřední přepínací kontakt vytváří silná záporná zpětná vazba na prvním tranzistoru. Zpětná vazba na RC-členu (odpor 10 kΩ a elektrolytický kondenzátor 22 µF) ale tuto zápornou vazbu převažuje a její efekt působí na to, že se druhý tranzistor, k jehož kolektoru je připojena katoda svítivé diody, střídavě zavírá a otvírá.

Obr. 7.1: Zapojení blikače (multivibrátoru) s pomalým přerušováním světla Toto zapojení se dvěma elektrolytickými kondenzátory 100 µF má velmi nízkou frekvenci přerušování, méně než pět přerušení za minutu. Frekvenci přerušování světla (rozsvěcování a zhasínání obou svítivých diod) můžete změnit použitím vazebních kondenzátorů s různou kapacitou. Použijete-li jeden kondenzátor s kapacitou 100 µF (elektrolytický) a druhý kondenzátor s kapacitou 100 nF (keramický), bude jedna z obou svítivých pouze krátce blikat. Dva kondenzátory s kapacitou 100 nF způsobí rychlé blikání obou svítivých diod.

Obr. 7.4: Blikač s jednou svítivou diodou (zjednodušené zapojení) Sestavte toto zapojení nejprve bez použití zpětnovazebního kondenzátoru. Svítivá dioda by měla v tomto případě slabě svítit, protože není druhý tranzistor zcela otevřen. Po připojení kondenzátoru se začne tato dioda střídavě rozsvěcovat a zhasínat. S elektrolytickým kondenzátorem 22 µF zabliká tato svítivá dioda asi 1 x za sekundu. Vyzkoušejte toto zapojení s kondenzátorem s kapacitou 100 nF a poté s kapacitou 10 nF. Svítivá dioda bude stále rychleji blikat. Připojte k výstupu tohoto obvodu paralelně piezoelektrický akustický měnič (paralelně ke kontaktům červené svítivé diody). Při každém přepnutí uslyšíte z tohoto reproduktorku lupnutí. Použijete-li vazební kondenzátor s nižší kapacitou, pak uslyšíte z tohoto reproduktorku (akustického měniče) praskání. V těchto zapojeních nemusejí být použity pouze dva tranzistory NPN.

Obr. 7.2: Pomalé přerušování světla

Na obr. 7.5 uvádíme zapojení přerušovaného světla (blikače) se dvěma komplementárními tranzistory (NPN a PNP). Stabilní pracovní bod (přepínací kontakt) tvoří v tomto případě záporná zpětná vazba mezi kolektorem a bází tranzistoru NPN. Tranzistor PNP pracuje jako emitorový sledovač. Ve větvi kolektoru se nachází pomocný odpor, který zajišťuje zpětnou vazbu signálu se správnou fází.

Připojte k výstupu tohoto obvodu paralelně piezoelektrický akustický měnič (paralelně ke kontaktům červené svítivé diody nebo zelené svítivé diody). Při každém přepnutí uslyšíte z tohoto reproduktorku lupnutí. Použijete-li vazební kondenzátory s nižší kapacitou, pak uslyšíte z tohoto reproduktorku praskání (rychle přerušovaný akustický signál). 7.2 Zjednodušené zapojení přerušovaného světla (blikače) K tomuto účelu použijte následující bistabilní klopný obvod pouze s jedním vazebním kondenzátorem, který se opět sám přepíná. Zde se bude jednat opět o dva tranzistory v zapojení se společným emitorem. Toto zapojení obrací fázi o 180 °. Funkci p řepínacího tlačítka v tomto zapojení nahrazuje elektrolytický kondenzátor, který se stále nabíjí a vybíjí.

Obr. 7.5: Blikač s komplementárními tranzistory

Větev zpětné vazby má velmi vysoký odpor (vysokou impedanci). Již s použitím zpětnovazebního kondenzátoru s kapacitou 22 µF docílíte interval přepínání několika sekund. Zvýšení frekvence blikání docílíte zapojením kondenzátorů s nižšími kapacitami.

Obr. 7.3: Zapojení zjednodušeného blikače (multivibrátoru)

43

44

7.4 Oscilátor řízený velikostí napětí Na obr. 7.9 vidíte zapojení napěťově řízeného oscilátoru (VCO, Voltage Controlled Oscillator). Oba odpory zapojené před báze obou tranzistorů vytvářejí napěťový vstup. Čím bude toto napětí vyšší, tím se zvýší nabíjecí proud a tím bude i vyšší frekvence (kmitočet) oscilátoru. Nastavitelný napěťový dělič (světlem měnitelný odpor fotorezistoru) dodává na vstup různé napětí, které řídí frekvenci oscilátoru. Toto zapojení bylo provedeno nesymetricky. Před bázi levého tranzistoru je zapojen odpor 1 MΩ (desetkrát vyšší než odpor 100 kΩ zapojený před bázi pravého tranzistoru) jakož i zpětnovazební kondenzátor 10 nF (desetkrát nižší než kondenzátor 100 nF zapojený před bázi pravého tranzistoru). Tím dochází k vyrovnání impulsů.

Obr. 7.6: Blikač s tranzistory NPN a PNP 7.3 Tónový generátor s fotoodporem Zjednodušené zapojení vibrátoru (viz obr. 7.3) můžete změnit připojením jednoho kondenzátoru s nízkou kapacitou na tónový generátor. Kmitočet (frekvenci) tohoto tónového generátoru určuje velikost odporu zařazeného do větve zpětné vazby. Ke změně kmitočtu výstupního akustického signálu lze použít potenciometr (trimr), v našem případě přestavuje tento proměnlivý odpor fotorezistor – viz obr. 7.7. Obr. 7.9: Multivibrátor (oscilátor) řízený napětím Podle intenzity okolního osvětlení, které bude dopadat na fotoodpor, se bude rovněž měnit frekvence akustického signálu (výška tónu), který uslyšíte z piezoelektrického akustického měniče. Toto zapojení lze rovněž použít jako „akustický“ voltmetr měření napětí baterií v rozsahu od 0,5 V až do 10 V. Otestujte touto zkoušečkou napětí různých baterií, které připojíte k obvodu místo baterie 9 V.

Obr. 7.7: Tónový generátor s fotoodporem Vyzkoušejte si toto zapojení s různými hodnotami kapacity kondenzátorů. Použijete-li kondenzátor s kapacitou 100 nF, uslyšíte z piezoelektrického akustického měniče hluboký tón. Použijete-li kondenzátor s kapacitou 10 nF, uslyšíte z piezoelektrického akustického měniče tón s vyšší frekvencí, který je lépe slyšitelný, neboť se přibližuje svým kmitočtem rezonanční frekvenci akustického měniče. Obr. 7.10: Tónový generátor (oscilátor) řízený intenzitou okolního osvětlení

7.5 Generátor pilovitých kmitů Pilovité kmity vznikají na kondenzátoru, který je periodicky nabíjen na určité napětí a poté rázovitě vybíjen. Na obr. 7.11 vidíte realizaci jednoduchého zapojení generátoru pilovitých kmitů. Po dobu, po kterou dochází k nabíjení kondenzátoru s kapacitou 22 µF, zůstává tranzistor PNP (BC557) uzavřen a na báze tranzistorů NPN (BC547) není přiveden žádný proud. Překlopení z jednoho stavu do druhého zajišťuje dělič napětí vytvořený ze svou odporů 10 kΩ s napětím cca 4,5 V + 0,6 V. Jakmile se toto napětí zvýší na hodnotu cca 5,1 V začne tranzistory protékat proud, který se zpětnou vazbou zesílí na vysoký vybíjecí proud kondenzátoru. Poté poklesne toto napětí na hodnotu 0,6 V, což způsobí uzavření obou tranzistorů NPN a kondenzátor s kapacitou 22 µF bude znovu nabíjen. Obr. 7.8: Tónový generátor reagující na intenzitu okolního osvětlení Tímto zapojením můžete rozlišit intenzitu okolního osvětlení a druh světelného zdroje. Přerušované umělé světlo moduluje frekvenci zvukového signálu. Osvětlíte-li fotorezistor zářivkou, uslyšíte z akustického měniče jiný zvuk (jinou frekvenci) než když jej osvětlíte obyčejnou žárovkou, jejíž světlo je přerušováno síťovým kmitočtem 50 Hz. Světlo zářivky „bliká“ s vyšší frekvencí než světlo obyčejné žárovky. Také elektronkové monitory počítačů vyzařují přerušované světlo. Přiblížíte-li k takovémuto monitoru počítače fotoodpor, uslyšíte z akustického měniče zvuk, který se podobá bzučení.

45

46

8. Operační zesilovače Operační zesilovače jsou integrované obvody s komplexním zapojením, které se používají k provádění analogových početních operací. Základní početní operaci, kterou tyto operační zesilovače provádějí, představuje násobení. Kromě toho lze operační zesilovače též používat k přesnému sčítání a odčítání. Původně byly tyto operační zesilovače vyvinuty pro analogové počítače (pro předchůdce dnešních počítačů). V současné době se operační zesilovače používají v různých aplikacích. Součástí této stavebnice je jeden dvojitý operační zesilovač typu LM358. Každý z jeho dvou zesilovačů představuje integrovaný obvod s cca 50 tranzistory. Obr. 7.11: Generátor pilovitých kmitů Hodnotu kapacity použitého kondenzátoru můžete snížit nebo jej můžete nahradit piezoelektrickým akustickým měničem, který představuje sám o sobě kondenzátor. Nízká kapacita tohoto akustického měniče cca 20 nF způsobí, že bude tento obvod kmitat s vyšší frekvencí. V tomto případě uslyšíte rovnoměrný tón. Snižte tuto frekvenci paralelním připojením kondenzátorů s různou kapacitou. S použitím elektrolytického kondenzátoru s kapacitou 22 µF, snížíte tuto frekvenci kmitání pod jeden impuls za sekundu. Toto zapojení můžete též použít jako jednoduchý metronom.

8.1 Diferenciální (rozdílový) zesilovač (komparátor) Rozdílový zesilovač má dva vstupy a dva výstupy. Na obr. 8.1 vidíte zapojení jednoduchého rozdílového zesilovače se dvěma tranzistory. Tímto zapojením Vám chce objasnit základní funkci operačního zesilovače. Malé rozdíly napětí na obou vstupech jsou zesilovány. Proud protékající odporem 235 Ω, který je zapojen k emitorům obou tranzistorů, je rozdělován v závislosti na vybuzení obou tranzistorů. Pravý tranzistor má svém vstupu stabilizované napětí, které zajišťují dvě křemíkové diody 1N4148. Vstupní napětí levého tranzistoru závisí na děliči napětí s proměnlivým odporem (v našem případě s fotoodporem a s odporem 10 kΩ). Zesílené napětí se objeví mezi kolektory obou tranzistorů.

Obr. 7.12: Generátor (zdroj) pilovitých kmitů Toto výše popsané zapojení můžete zjednodušit tím, že v něm vynecháte jeden tranzistor NPN (viz zapojení na obr. 7.13 a 7.14). Základní funkce takto upraveného zapojení zůstane sice stejná, avšak toto zapojení bude náchylné k tomu, že může zůstat stejně jako tyristor ve vodivém stavu „viset“ (tranzistor zůstane stále otevřen a zapojení nebude funkční). Spolehlivé kmitání takto upraveného generátoru pilovitých kmitů zajistíte použitím odporu s vyšší hodnotou (např. 1 MΩ), který bude nabíjet kondenzátor nižším proudem.

Obr. 8.1: Jednoduchý diferenciální (rozdílový) zesilovač Vstupní napětí levého tranzistoru je řízeno proměnlivým odporem fotorezistoru. Hodnotu odporu 235 Ω získáte paralelním zapojením dvou rezistorů 470 Ω. Zastiňte fotoodpor například rukou. Z důvodů vysokého zesílení je sotva možné uvést tento rozdílový zesilovač do přesné rovnováhy. Napětí je v tomto případě omezeno napětím v propustném směru obou svítivých diod, to znamená, že budou obě svítivé diody svítit.

Obr. 7.13: Zjednodušené zapojení generátoru pilovitých kmitů Obr. 8.2: Jednoduchý diferenciální (rozdílový) zesilovač jako komparátor Vyzkoušejte toto zapojení za denního světla. Opatrným zastíněním fotoodporu se můžete pokusit uvést tento zesilovač do rovnováhy tak, aby žádná z obou svítivých diod nesvítila. Toto je ve skutečnosti kvůli vysokému zesílení velmi obtížné. Pravděpodobně bude při tomto testování (při provádění vyvážení zesilovače) svítit jedna z obou svítivých diod. Při určité intenzitě osvětlení zjistíte velmi ostré rozhraní mezi oběma stavy. Osvítíte-li fotoodpor umělým světlem (např. stolní lampou), můře se opět stát, že budou opět obě svítivé diody svítit současně. Nepatné blikání znamená, že jsou tyto svítivé diody zapínány střídavě v rychlém sledu. Podíl střídavého napětí na vstupu je zesilován prahovým napětím svítivých diod. Obr. 7.14: Generátor pilovitých kmitů se dvěma tranzistory

47

48

Tento výše popsaný diferenciální zesilovač (viz obr. 8.1) je základním prvkem operačních zesilovačů. Integrovaný obvod LM358 je ve skutečnosti složen ze dvou zesilovačů s cca 50 tranzistory. Na vstupu těchto dvou zesilovačů se nacházejí diferenciální (rozdílové) zesilovače, které se podobají výše uvedenému zapojení (viz obr. 8.1). 8.2 Zapojení porovnávacího obvodu (komparátoru) s operačním zesilovačem K základním funkcím operačních zesilovačů patří velmi vysoké zesílení rozdílů vstupních napětí, které je asi 100.000-násobné. Rozdíl těchto vstupních napětí nižší než 0,1 mV stačí k tomu, aby bylo na výstupu těchto zesilovačů řízeno napětí v celém rozsahu. Při teoretickém navrhování takovýchto zapojení lze považovat toto zesílení za nekonečné. Obr. 8.5: Komparátor s fotoodporem Zapojení na obr. 8.5 používá pouze první polovinu integrovaného obvodu LM358 s vývody (piny) 1 až 3. Vyzkoušejte si toto zapojení s druhou polovinou integrovaného obvodu LM358 s vývody (piny) 5 až 7. Pokud toto provedete, pak zjistíte, že se funkce takto upraveného zapojení nezměnila.

Obr. 8.3: Operační zesilovač zapojený jako komparátor

8.3 Zesilovač se zesílením rovným jedné (impedanční měnič, lineární zesilovač) V normálním případě se operační zesilovače používají se silnou zápornou zpětnou vazbou. Výstupní napětí je přiváděno se svojí úplnou nebo částečnou úrovní zpět na invertující vstup. V tomto případě klesá nekonečné zesílení operačního zesilovače na konečnou hodnotu. Zapojení na obr. 8.6 a 8.7 používá úplnou zápornou zpětnou vazbu a má zesilovací činitel roven jedné. Protože mají vstupy velmi vysoký odpor, tvoří tento zesilovač takzvaný impedanční měnič (transformátor).

Zapojení na obr. 8.3 pracuje jako komparátor (porovnávací, srovnávací obvod). Vždy tehdy, bude-li na neinvertujícím vstupu vyšší napětí než na invertujícím vstupu, bude na výstupu plné napětí. V opačném případě poklesne výstupní napětí na minimální hodnotu několik milivoltů. Na obr. 8.4 jsou popsány funkce vývodů (pinů) integrovaného obvodu LM358. Připojení napájecího napětí na vývodu č. 4 (minus) a č.8 (plus) musejí být vždy propojeny. V zapojeních se často používá pouze jeden z obou interních operačních zesilovačů, takže zůstanou volné (nepřipojené) tři vývody na jedné straně tohoto integrovaného obvodu.

Obr. 8.6: Operační zesilovač s úplnou zápornou zpětnou vazbou

Obr. 8.4: Vývody (piny) integrovaného obvodu LM358 1

Output 1 (výstup 1)

5

Non-inverting input 2 (neinvertující vstup 2)

2

Inverting input 1 (invertující vstup 1)

6

Inverting input 2 (invertující vstup 2)

3

Non-inverting input 1 (neinvertující vstup 1)

7

Output 2 (výstup 2)

4

Vcc (–)

8

Vcc (+)

Na obr. 8.3 a 8.5 vidíte zapojení velmi citlivého senzoru, který reaguje na změnu intenzity okolního osvětlení. Jakmile tato intenzita osvětlení překročí určitou mezní hodnotu, rozsvítí se v zapojení použitá svítivá dioda. Osvítíte-li fotoodpor přirozeným světlem, nebude existovat žádná mezihodnota (meziúroveň) intenzity osvětlení, při níž by svítivá dioda svítila sníženým jasem. Toto lze spatřit v případě, jestliže osvítíte fotoodpor umělým světlem. Ve skutečnosti je výstup spínán v rychlém sledu mezi extrémními hodnotami, což znamená ze se na výstupu zesilovače vytváří signál s obdélníkovým průběhem, jehož vysoká frekvence způsobí slabší jas svítivé diody.

49

Osvětlete fotoodpor různou intenzitou okolního osvětlení. I když se tímto způsobem změní hodnota odporu fotorezistoru, pak různé napětí na vstupním děliči integrovaného obvodu LM358 bude mít stejnou úroveň i na výstupu zesilovače (toto napětí zůstane nezměněné). Toto poznáte podle plynulého (lineárního) zvyšování jasu svítivé diody při zvyšování intenzity okolního osvětlení, které dopadá na fotoodpor.

Obr. 8.7: Lineární zesilovač 8.4 Zesilovač s dvojnásobným zesílením Pokud přivedeme na invertující vstup zesilovače místo přímé záporné zpětné vazby pouze určitou část výstupního napětí, vytvoří se automaticky vyšší zesílení. Zapojení na obr. 8.8 používá dělič napětí se dvěma odpory stejné hodnoty (100 kΩ). Výstupní napětí bude tedy poloviční. Z tohoto důvodu bude mít tento zesilovač dvojnásobné zesílení.

50

napětím. V zesilovači na obr. 8.11 je použit přídavný zpětnovazební kondenzátor v děliči napětí. Pro stejnosměrná napětí platí úplná záporná zpětná vazba a zesílení rovné jedné. Pro střídavá napětí s dostatečně vysokou frekvencí vykazuje toto zapojení jedenáctinásobné zesílení.

Obr. 8.8: Operační zesilovač s dvojnásobným zesílením Na výstupu tohoto zesilovače bude tedy dvojnásobné napětí než na jeho vstupu. Toto poznáte podle citlivější reakce zesilovače na intenzitu dopadajícího osvětlení na fotoodpor.

Obr. 8.11: Zesilovač zvuku s operačním zesilovačem Jako zdroj zvukového signálu je v tomto zapojení použit piezoelektrický akustický měnič. Protože je vlastně tento měnič sám o sobě kondenzátorem, pak v tomto zapojení nemusíme použít na vstupu žádný další kondenzátor. Vstupní odpor tohoto zapojení 500 kΩ je dostatečně vysoký k přenosu signálů s nízkou frekvencí (k přenosu hlubokých tónů). Poklepte prstem na keramickou destičku piezoelektrického akustického měniče a pozorujte přitom blikání svítivé diody. Zesílení je v tomto případně značně vyšší než u zesilovače s tranzistory na obr. 5.14 a 5.15. Toto zapojení můžete použít jako velmi citlivé poklepové čidlo.

Obr. 8.9: Zapojení zesilovače s dvojnásobným zesílením

Simulační program „Nichtivertierende Verstärker“ (Neinvertující zesilovače) vám poslouží k vyzkoušení různých hodnot odporů v děliči napětí.

Obr. 8.12: Velmi citlivý poklepový senzor Zesílení tohoto zesilovače můžete dále zvýšit. Zapojení na obr. 8.13 má asi stonásobné zesílení a můžete jej použít jako světelné varhany, které reagují na zvuk. Kromě toho je zde snížena dolní mezní frekvence zapojením kondenzátoru s vyšší kapacitou do záporné zpětné vazby. Obě svítivé diody jsou zapojeny antiparalelně, což znamená, že za předřadný odpor 1 kΩ připojíte katodu zelené LED paralelně s anodou červené LED.

Obr. 8.10: Simulační program „Neinvertující zesilovače“

8.5 Zesilovače zvuku s operačními zesilovači K zesílení střídavého napětí je stejně jako u srovnatelných zesilovačů s tranzistory nutný vhodný pracovní bod. Výstupní napětí na operačním zesilovači by mělo mít v klidovém stavu asi poloviční úroveň než napájecí napětí. Toto je důležité k tomu, aby mohlo docházet k nejvyššímu možnému zesílení obou půlvln signálu se střídavým

51

Obr. 8.13: Zesilovač se stonásobným zesílením V klidovém stavu nebude svítit ani jedna svítivá dioda. Tyto diody začnou svítit, jakmile piezoelektrický akustický měnič zaregistruje nějaký silnější zvuk (například hudbu z reproduktoru).

52

Se zvyšující se intenzitou okolního osvětlení se zvyšuje frekvence výstupního signálu a snižuje se hystereze komparátoru. Amplituda signálu s trojúhelníkovým průběhem klesá tak dlouho, dokud při vysoké intenzitě okolního osvětlení nezaznamenáte již žádné kolísání jasu zelené svítivé diody. Výstupní frekvenci lze změnit v širokém rozsahu snížením nebo zvýšením kapacity kondenzátoru. Dvojnásobné zvýšení frekvence dosáhnete použitím keramického kondenzátoru s kapacitou 10 nF. Použití pouze jednoho elektrolytického (unipolárního) kondenzátoru k dosažení nižší frekvence výstupního signálu (k dosažení pomalejšího blikání svítivé diody) je problematické, neboť je elektrolytický kondenzátor nabíjen v obou směrech. Tento problém lze odstranit zapojením dvou elektrolytických kondenzátorů proti sobě do série (s opačnou polaritou). Tím vytvoříte takzvaný bipolární elektrolytický kondenzátor. Poměrně vysoké svodové proudy při opačné polaritě napětí nabijí oba kondenzátory na takovou úroveň napětí, že budou mít oba kondenzátory po uplynutí krátké doby správnou polaritu (viz obr. 8.17). Obr. 8.14: Světelné varhany

8.6 Trojúhelníkový a obdélníkový průběh signálů Zapojení oscilátoru na obr. 8.15 je složeno ze dvou částí (z obou polovin integrovaného obvodu LM358). Pravý operační zesilovač tohoto integrovaného obvodu představuje integrátor, který vytváří lineárně vzrůstající a snižující se napětí. Levý operační zesilovač představuje komparátor s vysokou hysterezí. Obě části používají virtuální uzemnění (kostru) s polovičním napájecím napětím. Vždy jakmile dojde k přepnutí komparátoru, změní integrátor směr průtoku proudu. Výsledkem této činnosti je symetrický trojúhelníkový průběh výstupního signálu. Obr. 8.16: Signální generátor se dvěma elektrolytickými kondenzátory

Obr. 8.15: Zapojení signálního generátoru s trojúhelníkovým a obdélníkovým průběhem Obr. 8.17: Bipolární elektrolytický kondenzátor

9. Časovací obvod (timer NE555) Univerzální časovací integrovaný obvod NE555 je určen k vytváření časových prodlev a signálů s obdélníkovým průběhem. S několika málo součástkami lze s tímto integrovaným obvodem vytvořit tónový generátor, blikač nebo signalizační hlásič prahové hodnoty. Integrovaný obvod NE555 je složen z horního a dolního komparátoru (COMPARATOR) a z jednoho bistabilního klopného obvodu RS (FLIP FLOP). Interní dělič napětí ze tří odporů (R) stejné hodnoty vytváří porovnávací napětí, které je rovno jedné třetině a dvěma třetinám napájecího napětí. Obr. 8.16: Signální generátor reagující na intenzitu okolního osvětlení Tento obvod osciluje pouze tehdy, pokud nepřekročí hodnota odporu fotorezistoru určitou minimální hodnotu. Od určité minimální intenzity okolního osvětlení bude trojúhelníkový signál rozsvěcovat zelenou svítivou diodu a signál s obdélníkovým průběhem bude rozsvěcovat červenou svítivou diodu.

53

Horní komparátor se vstupem THR (THRESHOLD, práh) řídí vstup zpětného nastavení klopného obvodu (RESET). Dolní komparátor se vstupem TRI (TRIGGER, spouštěč) řídí vstup nastavení klopného obvodu (SET). V nastaveném stavu je otevřen vybíjecí tranzistor na výstupu DIS (DISCHARGE, vybíjení). Dále je tento integrovaný obvod vybaven dvojčinným výstupním zesilovačem (OUTPUT STAGE). Bistabilní klopný obvod (FLIP FLOP) je ještě vybaven vstupem zpětného nastavení (RESET), který by měl být v klidovém stavu připojen na kladnou větev napájecího napětí. Přídavný vstup ovládání (CONTROL VOLTAGE) na vývodu (pinu) č. 5 slouží k ovlivňování napětí komparátoru zvnějšku.

54

Obr. 9.3: Tónový generátor (osazení experimentální desky součástkami) 9.2 Blikač s pomalým přerušováním světla Zapojení na obr. 9. 4 zobrazuje jinou variantu zpětné vazby. V tomto zapojení postačí použít pouze jeden odpor 100 kΩ, který zapojíte k výstupu dvojčinného zesilovače (Out, vývod č. 3) a ke kontaktu elektrolytického kondenzátoru s kapacitou 22 µF.

Obr. 9.1: Vnitřní zapojení integrovaného obvodu NE555 9.1 Tónový generátor s integrovaným obvodem NE555 Zapojení na obr. 9.2 představuje standardní zapojení generátoru signálů s obdélníkovým průběhem (tónového generátoru). Kondenzátor s kapacitou 100 nF je nabíjen přes dva odpory 10 kΩ a poté je vybíjen po dosažení horního prahu spínání přes výstup DIS tak dlouho, dokud nebude vybit na hodnotu napětí dolního prahu spínání. Nabíjení kondenzátoru v tomto zapojení trvá dvakrát tak dlouho než jeho následné vybíjení, protože je nabíjen přes odpor s hodnotou 20 kΩ a poté vybíjen přes odpor s hodnotou 10 kΩ. Z tohoto důvodu je signál na výstupu nesymetrický a má střídu (sled) impulsů v poměru 2/3. Výstupní frekvence akustického signálu činí v tomto případě cca 500 Hz a tento zvuk je dobře slyšitelný z piezoelektrického akustického měniče, i když je tato frekvence nižší než rezonanční kmitočet tohoto akustického měniče, neboť strmá čela impulsů signálu s obdélníkovým průběhem obsahují dostatek vyšších harmonických frekvencí.

Obr. 9.4: Zapojení blikače s pomalým přerušováním světla Vstup zpětného nastavení (Res, vývod č. 4) může zůstat nezapojený. Odpojíte-li propojovací vodič (kabel) od tohoto vývodu, bude toto zapojení pracovat jako obvykle. Použitá bipolární verze integrovaného obvodu NE555 s interními tranzistory NPN a PNP rozezná tento rozpojený vstup jako nastavený na vyšší hodnotu (na logickou jedničku). U verze integrovaného obvodu NE555 s technologií výroby CMOS (komplementární polovodič s kovovým oxidem) toto není možné. Abyste při navrhování svých dalších zapojení neudělali chybu, zapojte vždy vstup zpětného nastavení (Res, vývod č. 4) ke kladné větvi napájecího napětí (plus).

Obr. 9.5: Blikač s pomalým přerušováním světla

Obr. 9.2: Tónový generátor

55

56

9.3 Světelná závora Schmittův klopný obvod – viz kapitola „6.3 Schmittův klopný obvod (soumrakový spínač)“ – představuje spojovací článek mezi analogovými a digitálními elektronickými obvody a vytváří jednoznačné stavy sepnutí (zapnutí a vypnutí) v závislosti na úrovni analogového vstupního napětí. Stejnou funkci má také integrovaný obvod NE555. Na obr. 9.6 vidíte zapojení, které reaguje na intenzitu okolního osvětlení.

Doba trvání nabití kondenzátoru s kapacitou 100 nF závisí na aktuální hodnotě odporu fotorezistoru. Doba trvání vybití tohoto kondenzátoru je naopak stále stejná. Vyšší hodnota odporu fotorezistoru zvyšuje střídu impulsů (pracovní cyklus impulsů) a tím průměrný jas svítivé diody. Současně se snižuje v tomto zapojení frekvence, což však neuvidíte (svítivá dioda nebude blikat), jestliže bude tato frekvence vyšší než cca 50 Hz. Čím vyšší intenzita světla bude ozařovat fotoodpor, tím jasněji bude zelená svítivá dioda svítit. Podobná zařízení se například používají ke zvýšení a ke snížení jasu (kontrastu) displejů různých měřících přístrojů (i ručičkových) v automobilech podle intenzity okolního osvětlení (k zajištění lepší čitelnosti naměřených hodnot).

Obr. 9.6: Použití interních komparátorů IO NE555 (světelná závora) Bude-li hodnota odporu fotorezistoru nižší než 5 kΩ, pak bude napětí na komparátorech integrovaného obvodu NE555 rovno 2/3 napájecího napětí. V tomto případě se výstup překlopí do stavu vypnutí. Překlopení výstupu do stavu zapnutí nastane tehdy, jestliže bude napětí na komparátorech integrovaného obvodu NE555 rovno 1/3 napájecího napětí, což znamená vyšší hodnotu odporu fotorezistoru než 20 kΩ. Z tohoto důvodu vykazuje toto zapojení vysokou hysterezi, to znamená, že se stavy přepnutí nacházejí v rozmezí intenzity osvětlení fotoodporu v poměru 1 ku 4. Toto zapojení můžete použít jako světelnou závoru. Toto zapojení rozezná osoby, které svým pohybem zastíní (přeruší) dopadající světelný paprsek na fotoodpor.

Obr. 9.9: Osazení experimentální desky součástkami 9.5 Detektor lži Tímto zapojením (viz obr. 9.10) můžete pobavit své přátele. Odpor pokožky rukou se mění v závislosti na tom, jak je pokožka vlhká. Kdo lže, ten se většinou potí. Tento efekt lhaní (pocení pokožky) můžete svým přátelům předvést akusticky. Oviňte volně okolo dvou prstů testované osovy dva odizolované vodiče (kabely) – viz obr. 9.11. Tyto vodiče vytvoří dotykový senzor (dotykové elektrody). Odpor vlhké pokožky bývá u člověka 10 kΩ až 100 kΩ a je u každé osoby jiný.

Obr. 9.7: Světelná závora 9.4 Modulace šířkou impulsů (vyšší jas LED při vyšší intenzitě okolního osvětlení) Mnohé analogové ovladače používají velmi rychlou střídu impulsů výstupních signálů. Například stmívače osvětlení používají k tomuto účelu rychlé rozsvěcování a zhasínání žárovky. Vysoká frekvence toho spínání zajišťuje, že nevidíte vůbec žádné blikání žárovky. Modulace šířkou impulsů (pulse width modulation, PWM) mění střídu impulsů (zapnutí a pauzu neboli vypnutí signálu). Obr. 9.10: Detektor lži Výstupní signál je odebírán přímo z kondenzátoru 10 nF. Tento signál má pilovitý průběh, protože není vybíjecí proud kondenzátoru nijak omezen. Výšku tónu můžete změnit použitím kondenzátoru s různými kapacitami. Tento kondenzátor můžete dokonce zcela vypustit, neboť se piezoelektrický akustický měnič chová rovněž jako kondenzátor s kapacitou cca 20 nF.

Obr. 9.8: Modulace šířkou impulsů

57

58

10.2 Krátkovlnný přijímač Jak jsme již uvedli v kapitole „5.4 Zesilovač s dolní pásmovou propustí (rádiové zvuky)“, dokáže tranzistorový zesilovač přijímat za určitých podmínek rádiové signály. Zapojení na obr. 10.3 znázorňuje tranzistorový předzesilovač s anténním vstupem, cívkou a s uzemněním, jehož signály jsou dále zesilovány koncovým nízkofrekvenčním zesilovačem, který tvoří operační zesilovač.

Obr. 9.11: Detektor lži s prstovými elektrodami

10. Speciální zapojení 10.1 Měnič napětí (elektronický transformátor) V mnoha případech se používají ke zvýšení napětí místo transformátorů s cívkami nebo baterií s vyšším napětím elektronické měniče napětí s kondenzátory. Zapojení na obr. 10.1 provádí zdvojení napájecího napětí z 9 V na napětí vyšší než 16 V.

Obr. 10.3: Krátkovlnný přijímač bez ladícího kondenzátoru (audion) V tomto zapojení je použita cívka s indukcí cca 2 µH, kterou má asi 10 závitů. Naviňte asi 10 závitů izolovaného kabelu okolo tužkové baterie velikosti „AA“. Tato vzduchová cívka představuje pro signály s nízkou frekvencí zkrat. Při kmitočtu 6 MHz má tato cívka indukční odpor (impedanci) asi 80 Ω. Vysokofrekvenční signály, které zachytí anténa, jsou přiváděny přes vazební kondenzátor 100 nF přímo na bázi tranzistoru NPN (BC547). Tranzistor NPN pracuje v tomto zapojení jako audionový zesilovač a provádí demodulaci a předzesílení signálů. Operační zesilovač, k jehož výstupu je připojen piezoelektrický akustický měnič, tyto demodulované signály dále zesiluje. Připojte na vstup drátovou anténu o délce 0,5 až 3 metry. Jako uzemnění použijte kovovou vodovodní nebo plynovou trubku. Po této akci byste měli slyšet z piezoelektrického měniče například hudbu nebo mluvené slovo. Na rozdíl od zapojení na obr. 5.12 a 5.13 nebude zvuk rušen brumovými signály. V mnoha případech uslyšíte vysílání pouze jedné krátkovlnné rozhlasové stanice, někdy též vysílání více rozhlasových stanic nejednou.

Obr. 10.1: Zdvojovač napětí Výše uvedené zapojení je složeno z jednoduchého generátoru signálu s obdélníkovým průběhem, ze dvou elektrolytických kondenzátorů a dvou křemíkových diod. Tyto kondenzátory jsou nabíjeny impulsy na napětí, které je součtem napájecího napětí. Odpor s hodnotou 470 Ω omezuje vybíjecí proud kondenzátoru a křemíkové diody brání zkratování napájecího napětí (baterie). Tato ochrana slouží k tomu, aby mohlo docházet ke zkratování kondenzátoru, který je nabíjen. Na kontaktech kondenzátoru, který se nachází na výstupu, je z tohoto důvodu vyšší napětí. Do kondenzátoru uložená energie se zvyšuje se čtvercem napětí. Výstupní elektrolytický kondenzátor s kapacitou 100 µF je nabit asi na čtyřnásobek energie v porovnání s nábojem napájecího napětí 9 V. Tato energie postačí k vypálení malého otvůrku v hliníkové fólii (viz obr. 10.2). Dotkněte se oběma odizolovanými konci vodičů hliníkové fólie. Jakmile toto provedete, dojde k nárazovému vybití kondenzátoru vysokým nárazovým proudem, což poznáte podle elektrické jiskry, která propálí tenkou hliníkovou fólii, ve které uvidíte proti světlu malou dírku. Jako vybíjecí elektrodu můžete k tomuto účelu použít jehlu nebo špendlík.

Obr. 10.4: Širokopásmový rozhlasový přijímač v pásmu krátkých vln Vyzkoušejte použití různých antén. Při dobrém uzemnění postačí jako anténa Vaše tělo. Pokud použijete drátovou anténu delší než 10 m, nemusíte v mnoha případech tento přijímač uzemňovat. Dotkněte se v tomto případě prstem obalu destičkové baterie 9 V. Silnějším nebo mírnějším přitlačením prstu k baterii můžete též ovlivnit hlasitost reprodukce zachycené rozhlasové stanice. Toto jednoduché rádio není selektivní (laděné), protože přijímá vysílání rozhlasových stanic v celém krátkovlnném pásmu od frekvence cca 6 MHz. Tento přijímač dokáže i zachytit vysílání mobilních nebo bezdrátových telefonů digitálního evropského radiotelefonního systému (DECT). 10.3 Šumový generátor (šumění moře) Báze a emitor křemíkového tranzistoru BC547 tvoří rovněž Zenerovu diodu. Od napětí od cca 8 V do 9 V vykazuje charakteristika této Zenerovy diody strmý nárůst proudu. Tento efekt se často používá ke stabilizaci napětí. Jako každá Zenerova dioda má tranzistor též poměrně velký šum. Zapojení na obr. 10.5 tento šum zesiluje na slyšitelnou úroveň.

Obr. 10.2: Vysoké napětí na elektrolytickém kondenzátoru

59

60

Oba levé v Darlingtonově zapojení se společným kolektorem obracejí fázi o 180 °. Aby byla zaji štěna střední velikost stejnosměrného napětí, je tento obvod vybaven silnou zápornou zpětnou vazbou. Napětí na odporu 470 Ω vytváří výstupní napětí asi 1,2 V, které zajišťuje konstantní proud asi 2,5 mA. Tento zdroj kontaktního proudu napájí obě svítivé diody. Tři RC-členy provádějí potřebné posunutí fáze kladnou zpětnou vazbou s frekvencí asi 0,5 Hz.

Obr. 10.5: Šumový generátor Záporná zpětná vazba operačního zesilovače v tomto zapojení je přizpůsobena vyšším frekvencím za účelem dosažení maximálního zesílení. Operační zesilovač pracuje v tomto zapojení jako zesilovač naprázdno, což se v normálních případech, aby se zabránilo zkreslení a docílilo vyrovnaného frekvenčního průběhu, nepoužívá. Po osazení experimentální desky příslušnými součástkami uslyšíte z piezoelektrického akustického měniče šum, který se podobá šumění moře, které jistě znáte, přiložíte-li si ke svému uchu na pobřeží velkou lasturu.

Obr. 10.8: Oscilátor přerušující světlo (blikač) Svítivá dioda se rozsvěcuje velmi pomalu měkkým světlem. Protože výstup tohoto zapojení představuje zdroj proudu, můžete druhou svítivou diodu zapojit bez jakýchkoliv přídavných součástek do série s první svítivou diodou. Budete-li chtít zvýšit jas, pak zmenšete hodnotu odporu 470 Ω na polovinu (připojte k tomuto odporu paralelně další odpor 470 Ω). Kmitočet přerušovaného světla můžete změnit použitím kondenzátorů s jinými kapacitami a odporů s jinými hodnotami. Varianta zapojení na obr. 10.9 a 10.10 má kmitočet asi 1 Hz.

Obr. 10.6: Šumění moře 10.4 Kompenzátor fáze (blikač pro dobrou pohodu) Tento blikač se svítivými diodami, jejichž intenzita jasu je měkká a která se snižuje, může posloužit s vhodnou frekvencí k mentálnímu uvolnění lidského organismu. Jas těchto diod je řízen sinusovými oscilacemi. Tyto sinusové oscilátory používají v normálních případech posunutí fáze síťového napětí (takzvané fázové šoupátko neboli kompenzátor fáze), ve kterých dochází k otočení fáze o 180 °. V normálním případě zajišťují tři RC-členy (tři odpory stejné hodnoty a tři kondenzátory se stejnou kapacitou) otáčením fáze o 60 ° celkové oto čení fáze o 180 °. Toto m ůžete napodobit též se součástkami této stavebnice – viz obr. 10.7.

Obr. 10.9: Oscilátor s kmitočtem 1 Hz

Obr. 10.7: Oscilátor s kompenzátorem fáze Obr. 10.10: Oscilátor přerušující světlo s kmitočtem 1 Hz (blikač)

61

62

10.5 Rádio VKV (97,0 MHz) Pomocí součástek této stavebnice můžete vyrobit rozhlasový přijímač v pásmu velmi krátkých vln a dále vysílač v pásmu velmi krátkých vln s frekvencí cca 97,0 MHz (viz obr. 10.12). K tomuto účelu se hodí tranzistor BC547, který má mezní kmitočet 100 MHz a který vyhovuje rozhlasovému pásmu VKV. Na obr. 10.11 vidíte standardní zapojení oscilátoru velmi krátkých vln. Jedná se o takzvaný kapacitní tříbodový oscilátor. Okruh oscilátoru je buzen zpětnou vazbou k emitoru tranzistoru a vytváří oscilace svojí vlastní rezonancí. Protože se jedná o velmi vysoké frekvence, musíte v tomto zapojení použít kondenzátory s velmi nízkými kapacitami. Cívku s indukcí cca 0,2 µH vyrobíte velmi snadno. Zpětnovazební kondenzátor lze nahradit svítivou diodou (jejím zapojením v závěrném směru), která má kapacitu asi 5 pF. Přídavné kapacity propojení vykazují celkovou kapacitu cca 10 pF. Tímto způsobem pokryjeme pásmo 100 MHz. V praktickém provedení je nutné ještě provést odblokování napájecího napětí (odrušení) od vysokých frekvencí.

Obr. 10.13: Vysílač v pásmu VKV (97 MHz) Pokud příliš zvýšíte úroveň hlasitosti poslechu na rozhlasovém přijímači VKV, ozve se z jeho reproduktoru pískání, které způsobuje akustická zpětná vazba mezi reproduktorem přijímače a mikrofonem vysílače (piezoelektrickým akustickým měničem). V tomto provedení má tento vysílač bez přídavné antény dosah asi 10 m.

11. Příloha: Testovací přístroje se svítivými diodami (zkoušečky) 11.1 Zkoušečka kabelů, pojistek, žárovek (optická signalizace průchodnosti obvodů) Při kontrole elektrických přístrojů nebo zařízení potřebujeme často přezkoušet, nedošlo-li k porušení jejich průchodnosti (například k přepálení pojistky). Následující jednoduchý testovací přístroj se svítivou diodou zkontroluje kabely (vedení, spínače, atd.), zda nedošlo k jejich přerušení. Rozsvícení svítivé diody bude znamenat, že je testovaný obvod v pořádku. Postavte si takovouto zkoušečku na experimentální desce a vyveďte z ní dva izolované vodiče (s odizolovanými konci) jako zkušební kabely. Obr. 10.11: Standardní zapojení oscilátoru velmi krátkých vln

Obr. 11.1: Zkoušečka průchodnosti obvodů

Obr. 11.2: Schéma zapojení zkoušečky

U této jednoduché zkoušečky nesvítí LED pouze při plné průchodnosti obvodů (při zkratu), nýbrž i při kontrole elektrických spotřebičů v uzavřeném okruhu, které mají určitý vnitřní odpor. Z tohoto důvodu můžete touto zkoušečkou kontrolovat například žárovky nebo transformátory, jejichž vnitřní odpor jejich vinutí stačí k tomu, aby se na této zkoušečce rozsvítila použitá svítivá dioda. Obr. 10.12: Zapojení oscilátoru 100 MHz (vysílač v pásmu VKV)

U mnohých vadných síťových napájecích zdrojů neboli adaptérů bývá příčinou jejich nefunkčnosti většinou přepálená interní pojistka.

V zapojení na obr. 10.12 a 10.13. je použit piezoelektrický akustický měnič jako mikrofon. V pásmu velmi krátkých vln (VKV) se používá frekvenční modulace (FM). Modulace pracovního bodu tranzistoru způsobuje zároveň změnu kapacit hradlových vrstev v tranzistoru a provádí tímto způsobem požadovanou změnu frekvence.

Touto zkoušečkou můžete zkontrolovat i jiné svítivé nebo normální diody jakož i odpory do určité hodnoty (viz vysvětlení výše). Kontrolované svítivé diody by se měly rovněž rozsvítit (budou-li v pořádku) a budete-li je zkoušet v propustném směru.

Při sestavování tohoto obvodu musejí být vývody součástek, propojovací vodiče atd. velmi krátké. Osazení experimentální desky součástkami nevyhovuje zcela požadavkům vysokofrekvenčních obvodů. Proto se může stát, že toto zapojení nebude okamžitě správně fungovat. Vyzkoušejte toto zapojení s normálním rozhlasovým přijímačem VKV. Budete-li tento přijímač ladit, měli byste přibližně v blízkosti frekvence 97 až 100 MHz zachytit tímto přijímačem vysílání z tohoto vysílače. Frekvenci tohoto vysílače změníte roztažením závitů cívky od sebe nebo jejich stažením k sobě. V tomto zapojení není použita žádná přídavná anténa (tuto anténu tvoří cívka se 6 závity). 6 závitů vzduchové cívky tohoto vysílače má mít průměr 10 mm.

Jestliže se svítivá dioda, kterou kontrolujete touto zkoušečkou, nerozsvítí, pak jste ji připojili ke zkoušečce v závěrném směru nebo je tato dioda přerušená.

63

Jestliže se na zkoušečce rozsvítí požitá dioda při připojení kontrolované svítivé nebo normální diody v závěrném i v propustném směru, pak má tato kontrolovaná dioda vnitřní zkrat. 11.2 Kontrola vodní hladiny a elektrické vodivosti vody Výše popsanou zkoušečku průchodnosti obvodů můžete bez jakékoliv změny použít ke kontrole vodních hladin (elektrické vodivosti vody) a jiných elektricky vodivých kapalin. Podržíte-li odizolované konce zkušebních kabelů ve vodě, rozsvítí se na zkoušečce slabým světlem použitá svítivá dioda (pokud se ovšem nebude jednat

64

o destilovanou vodu). Ponoříte-li tyto drátky neboli elektrody hlouběji do vody, bude použitá svítivá dioda svítit jasnějším světlem. Takto můžete například zjistit, že byla určitá nádoba naplněna dostatečným množstvím vody (například sud na dešťovou vodu). Přidáte-li do vody trochu kuchyňské soli, zvýše se značně její elektrická vodivost a svítivá dioda začne svítit silněji. Stejný účinek na zvýšení vodivosti vody má například zažívací (jedlá) soda, citrónová šťáva nebo jiné kyseliny (například ocet). Jakmile začne vodou protékat proud, vytvoří se na odizolovaných vodičích (drátcích) ve vodě malé bublinky vodíku a kyslíku. Tyto chemické reakce (elektrolýza vody) rozrušují rovněž povrch těchto drátků neboli elektrod. Pro dlouhodobé pokusy používejte elektrody z uhlíku nebo z tuhy, které se elektrolýzou vody nerozpouštějí. K tomuto účelu můžete použít uhlíkové tyčinky ze starých zinko-uhlíkových baterií nebo tuhu z obyčejných tužek.

Obr. 11.4: Poplachové zařízení

Obr. 11.5: Schéma zapojení alarmu

11.4 Kontrola polarity napájecích zdrojů U některých síťových napájecích zdrojů (adaptérů) nelze bezpečně zjistit polaritu jejich konektorů. Jednoduchá zkoušečka se dvěma svítivými diodami Vám umožní bezpečné rozeznání této polarity. Připojíte-li k této zkoušečce plus kontakt (+) konektoru napájecího zdroje k předřadnému odporu, rozsvítí se na této zkoušečce červená svítivá dioda. Připojíte-li k této zkoušečce minus kontakt (–) konektoru napájecího zdroje k předřadnému odporu, rozsvítí se na této zkoušečce zelená svítivá dioda.

Obr. 11.6: Zkoušečka polarity

Obr. 11.7: Schéma zapojení

Tuto zkoušečku můžete použít i ke kontrole střídavého napětí. V tomto případě budou svítit obě svítivé diody. Tato zkoušečka je vhodná ke kontrole polarity menších síťových napájecích zdrojů (adaptérů) s maximálním stejnosměrným napětím 12 V a transformátorů (například zvonkových nebo které napájení dětské hračky a koleje modelů železnic) s maximálním střídavým výstupním napětím 12 V. Obr. 11.3: Kontrola elektrické vodivosti vody Kromě zajímavých pokusů kontroly elektrické vodivosti vody a jiných kapalin uplatníte toto zapojení i v jiných praktických aplikacích. Tímto způsobem můžete zkonstruovat poplachová zařízení pro případy úniku vody, hlásiče srážek (deště) atd. Kromě toho lze použít toto zapojení jako čidlo (senzor) měření vlhkosti v květináčích s rostlinami a květinami. Zastrčíte-li tyto elektrody (odizolované drátky) do zeminy v květináči, poznáte podle jasu svítivé diody, že mají například do zeminy zasazené květiny nedostatek vláhy a že je musíte zalít. 11.3 Poplachová zařízení se svítivými diodami (alarmy) Z bezpečnostních důvodů proti krádežím nebo vloupáním se používají mechanické nebo magnetem ovládané dveřní nebo okenní kontakty. Jakmile například někdo otevře okno, spustí příslušné bezpečnostní zařízení poplach (akustickou nebo optickou signalizací). V nejjednodušším případě postačí použití tenkého drátku, který se například po otevření dveří přetrhne.

11.5 Zkoušečka napětí baterií Svítivé diody Vám mohou rovněž posloužit jako jednoduché zkoušečky napětí různých baterií. Všechna výše popsaná zapojení jsou dimenzována na poměrně velký rozsah napětí a použité svítivé diody nevykazují příliš velké změny jasu, jestliže dojde postupně ke značnému vybití napájecí baterie. Výjimku představuje pouze zapojení s přímým připojením červené svítivé diody k tužkové baterii s jmenovitým napětím 1,5 V – viz kapitola „2. Pokusy se svítivými diodami“, odstavec „2.7 Prahové hodnoty (charakteristiky) svítivých diod“ a „Obr. 2.12: Přímé připojení LED k baterii 1,5 V“. Toto zapojení tedy můžete použít ke kontrole všech typů a velikostí baterií s jmenovitým napětím 1,5 V, protože jejich napětí (1,5 V) představuje prahové napětí červené svítivé diody, která se rozsvítí pouze tehdy, bude-li kontrolovaná baterie zcela nabitá.

K tomuto účelu můžete použít též zapojení se svítivou diodou, avšak pouze s optickou signalizací nebezpečí vloupání. Tato dioda by ovšem neměla svítit v klidovém stavu, aby její svícení zbytečně neodvádělo Vaši pozornost. Tato signalizační dioda by se měla rozsvítit teprve po přetržení tenkého drátku, který jinak svítivou diodu v klidovém stavu zkratuje a který vytváří proudovou smyčku. Nevýhodou tohoto zapojení je stálý odběr proudu přes předřadný odpor svítivé diody, který v případě použití baterie 9 V a předřadného odporu 1 kΩ činí asi 9 mA, což může způsobit relativně rychlé vybití napájecí baterie. Z tohoto důvodu Vám doporučujeme použít k napájení tohoto poplachového zařízení vhodný síťový napájecí zdroj (adaptér).

Obr. 11.8: Zkoušečka baterií 9 V Pomocí děliče napětí ze dvou odporů (R1 a R2) lze libovolně zvýšit prahové napětí svítivé diody a provést tak různá přizpůsobení podle napětí kontrolované baterie. Na obr. 11.8 vidíte zapojení k otestování baterií s jmenovitým napětím 9 V. Bude-li mít tato baterie napětí rovné přesně 9 V, pak se na červené svítivé diodě a na odporu R1 objeví napětí 1,62 V, které je nepatrně vyšší než prahové napětí červené svítivé diody. V praktickém použití svítí tato svítivá dioda při napětí 9 V poměrně slabě. Již při malém poklesu napětí baterie pod 9 V přestane tato červená dioda svítit. Kontrola napětí takovéto baterie je v tomto případě velmi omezená. U = Ucelk x R1 / (R1 + R2); U = 9 V x 220 Ω / 1220 Ω = 1,62 V Použijete-li v tomto děliči napětí odpor R1 s hodnotou 335 Ω (dva paralelně zapojené odpory 470 Ω), pak je možné stav nabití baterie zkontrolovat snadněji. Na kontaktech červené svítivé diody a na kontaktech odporu R1 (335 Ω) se objeví při napětí baterie 9 V napětí cca 2,26 V. Při zcela nabité baterie (při napětí baterie 9 V) bude tato

65

66

dioda svítit velmi jasně, při napětí 7 V až 8 V se jas této svítivé diody odpovídajícím způsobem sníží a při napětí 6 V přestane tato dioda svítit – viz obr. 11.9.

Záruka se nevztahuje na škody, které vyplývají z neodborného zacházení, nehody, opotřebení, nedodržení návodu k obsluze nebo změn na přístroji, provedených třetí osobou.

Recyklace Elektronické a elektrické produkty nesmějí být vhazovány do domovních odpadů. Likviduje odpad na konci doby životnosti přístroje přiměřeně podle platných zákonných ustanovení. Šetřete životní prostředí! Přispějte k jeho ochraně!

Obr. 11.9: Kontrola napětí v rozsahu 6 V až 9 V 11.6 Svítivé diody jako čidla (senzory) teploty Bude-li protékat svítivou diodou stále stejný proud, pak na ní dochází k úbytku napětí v závislosti na okolní teplotě, který činí asi „- 2 mV“ na 1 °C. Tuto teplotní závislost m ůžete využít k porovnání dvou teplot, například v obývacím pokoji a v ložnici. Zapojíte-li podle obr. 11.10 paralelně dvě svítivé diody, bude svítivá dioda, která je umístěná v teplejším prostředí, svítit jasněji, kdežto dioda umístěná v chladnějším prostředí bude naopak svítit slaběji. Důležité upozornění: K tomuto účelu budete potřebovat dvě stejnobarevné (nejlépe červené) svítivé diody. Tato stavebnice ale obsahuje pouze jednu zelenou a jednu červenou LED.

Překlad tohoto návodu zajistila společnost Conrad Electronic Česká republika, s. r. o.

Obr. 11.10: Porovnání teplot pomocí dvou LED

Obr. 11.11: Stejná teplota a stejný jas obou LED

Všechna práva vyhrazena. Jakékoliv druhy kopií tohoto návodu, jako např. fotokopie, jsou předmětem souhlasu společnosti Conrad Electronic Česká republika, s. r. o. Návod k použití odpovídá technickému stavu při tisku! Změny vyhrazeny! © Copyright Conrad Electronic Česká republika, s. r. o.

KU/3/2010

Podle jasu svítivých diod poznáte velmi zřetelně rozdíl teploty 10 °C. Zjišt ění rozdílu teplot si můžete přímo vyzkoušet na experimentální desce. Stačí, když se jedné svítivé diody dotknete rukou (prstem). Při rozdílu obou teplot vyšších než 50 °C p řestane „studenější“ svítivá dioda zcela svítit. Jednu ze svítivých diod můžete opatrně zahřát například plamenem cigaretového zapalovače nebo páječkou. Dejte přitom pozor na to, abyste se plamenem nedotkli přímo plastového krytu diody, který byste mohli tímto poškodit. Oviňte proto okolo vývodu katody svítivé diody, kterou chcete zahřát, kousek tenkého drátku se smyčkou (viz obr. 11.12). K tomuto účelu (k přenosu teploty) je nejvhodnější katoda, neboť je připojena k držáku krystalu svítivé diody. Anoda svítivé diody je naopak spojena pouze tenkým drátkem s kontaktem tohoto krystalu. Poté smyčku tohoto okolo katody svítivé diody ovinutého drátku zahřejte opatrně plamenem cigaretového zapalovače nebo například pistolovou páječkou.

Obr. 11.12: Přenos tepla drátkem

Záruka Na experimentální stavebnici pro elektrotechniky poskytujeme záruku 24 měsíců.

67

68