Conrad Szaküzlet 1067 Budapest, Teréz krt. 23. Tel: (061) 302-3588 Conrad Vevőszolgálat 1124 Budapest, Jagelló út 30. Tel: (061) 319-0250
Elektronikai kísérletező készlet Rendelési szám: 192230
1
Az első lépések Ez a tanulókészlet könnyű bevezetést nyújt az elektronika világába. A készlet alkotóelemei: Szerelőlap Az összes kísérletet ezen a laboratóriumi szerelőlapon („próbasasszi”) végezzük. A szerelőlapon összesen 270 érintkezőpont helyezkedik el egy 2,54 mm-es raszterben, amelyek az integrált áramkörök (IC-k) és az egyes passzív elemek számára biztonságos bekötési lehetőséget adnak.
1.1 ábra: A kísérleti szerelőlap A szerelőlap középső részén 230 érintkezőpont van, amelyek függőlegesen ötös csoportokban galvanikusan össze vannak kötve. Rajtuk kívül van még 40 érintkező-pont a tápegység számára a felső és az alsó szél mentén, amelyek két-két vízszintes érintkező rugósávból állnak sávonként 20 érintkezőponttal. Az 1.2 ábra mutatja az érintkezők belső összeköttetéseit. Láthatók rajta a rövid középső sorok, és a hosszú szélső tápérintkező-sorok.
1.2 ábra: A belső összeköttetések Az alkatrészek berakása meglehetősen nagy erőt igényel. A csatlakozóvezetékek könnyen elgörbülnek. Ezért arra vigyáznunk kell, hogy pontosan felülről toljuk be őket az érintkezőpontba. Ehhez egy kis csipeszt vagy hosszú csőrű fogót használjunk. A csatlakozóvezetéket a szerelő-laphoz a lehető legközelebb fogjuk meg, és nyomjuk lefelé függőlegesen. Ugyanígy tegyünk pl. az elemcsatok ónozott végével is. Kísérleteinkhez az együttszállított áthidaló vezetékből különböző hosszúságú darabokat kell levágnunk. A vezetékvégek lecsupaszításához először vágjuk körül a szigetelést egy éles késsel. Telep Az alábbi áttekintés az alkatrészeket egyrészt az eredeti kinézésükkel, továbbá az áramköri rajzokban alkalmazott szimbólumaikkal mutata be. A telepet helyettesítheti pl. egy tápegység.
1.3 ábra: Egy telep, és áramköri szimbóluma Ne használjunk alkáli típusú elemet vagy akkumulátort. Kizárólag cink-szén elemet alkalmazzunk. Bár az alkáli típusú elemeknek hosszabb az üzemélettartamuk, de pl. rövidzár esetén 5A feletti áramot tudnak szállítani, amely miatt a vékony vezeték vagy maga a telep nagyon fel tud melegedni. Egy cink-szén elem által rövidzár esetében szállított áram rendszerint 1A alatt marad. Ez ugyan az érzékenyebb alkatrészeket tönkreteheti, de nem okoz tüzet. Az együttszállított telepcsatlakozó csatnak hajlékony csatlakozókábele van. A lecsupaszított kábelvégek még ónozottak is. Emiatt elég merevek ahhoz, hogy be tudjuk dugni őket a szerelőlap érintkezőpontjaiba. Ha gyakran kell őket azonban bedugni és kihúzni, deformálódhatnak. Ezért jobb bennhagyni a vezetékvégeket az érintkezőben, és a csatot levenni a telepről. A cink-szén vagy alkáli elemek egy cellájának az elektromos feszültsége 1,5V. Egy elemben több cella van sorba kapcsolva. Ennek megfelelően mutatják a telep-szimbólumok az egy telepben lévő cellák számát. Nagyobb feszültség esetén szokás szaggatott vonallal helyettesíteni a középső cellákat.
1.4 ábra: A különböző telepek kapcsolási rajzokban használt szimbólumai
Világító dióda A LED-ek tanulókészlete két piros, egy zöld és egy sárga LED-et tartalmaz. Az összes világító dióda esetében alap-vetően figyelembe kell venni a polaritást. A negatív csatlakozás neve katód, és a rövidebbik csatlakozó-huzalon jelenik meg. A pozitív csatlakozás neve anód. A LED belsejében felismerhető a LEDkristály kehely alakú tartója, amely a katóddal áll összeköttetésben. Az anódcsatlakozás egy nagyon vékony huzallal van rákötve a kristály felületén elhelyezett érintkezőre. Vigyázat! A LED az izzólámpával ellentétben közvetlenül nem köthető össze egy teleppel. Minden esetben szükség van egy előtét-ellenállásra.
1.5 ábra: A világítódióda Ellenállás A tanulókészletben ±5% tűrésű szénréteg-ellenállások vannak. Az ellenállás anyaga egy kerámiarúdra van felvíve, és egy védőréteggel van bevonva. A feliratozás szerepét színes jelölőgyűrűk látják el. Ezek az ellenállás értéke mellett a tűrést is megadják.
1.6 ábra: Egy ellenállás Az ±5% tűrésű ellenállásokat az E24 érték-sorozatban gyártják, amelyben minden egyes dekádban egymástól körülbelül azonos távolságban lévő 24 érték van. 1.1 táblázat: az E24 normál sorozat ellenállás-értékei 1,0 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1 A színkódot az ellenállás széléhez legközelebb lévő színes gyűrűtől kiindulva olvassuk le. Az első két gyűrű két számot jelöl, a harmadik gyűrű az ohmban vett ellen-állásérték szorzója. A negyedik gyűrű a tűrést adja meg. 1.2 táblázat: Az ellenállások színkódja: szín 1. gyűrű 2. gyűrű 3. gyűrű 4. gyűrű 1. szám 2. szám szorzó tűrés fekete 0 1 barna 1 1 10 1% piros 2 2 100 2% narancs 3 3 1.000 sárga 4 4 10.000 zöld 5 5 100.000 kék 6 6 1.000.000 ibolya 7 7 10.000.000 szürke 8 8 fehér 9 9 arany 0,1 5% ezüst 0,01 10% Ha egy ellenállásnak sorra sárga, ibolya, barna és arany gyűrűje van, az értéke 470 ohm, és a tűrése 5%. A tanuló-készletben két-két ellenállás található az alábbi értékekkel: 100 Ω barna, fekete, barna 220 Ω piros, piros, barna 330 Ω narancs, narancs, barna 470 Ω sárga, ibolya, barna 1 kΩ barna, fekete, piros 10 kΩ barna, fekete, narancs 100 kΩ barna, fekete, sárga Tranzisztor A tranzisztorok kis áramok erősítésére való alkatrészek. Az itt alkalmazott BC547 tranzisztorok NPN-szilícium-tranzisztorok.
1.7 ábra: A tranzisztor A tranzisztor csatlakozóvezetékeinek a neve emitter (E), bázis (B) és kollektor (C). Mindkét tranzisztornak középen van a bázis kivezetése. A feliratozást nézve, és lefelé néző kivezetések mellett az emitter jobbra van. Kondenzátor Egy további fontos elektronikai alkatrész a kondenzátor, amely két fémfelületből, és egy szigetelőrétegből áll. Ha feszültséget kapcsolunk a kondenzátorra, a két lemeze között elektromos erőtér lép fel, amelyben energia
van tárolva. Ha a kondenzátor lemezeinek nagy a felülete, és kicsi a lemezek közötti távolság, akkor nagy a kondenzátor kapacitása, azaz egy adott feszültség mellett sok töltést tárol. A kondenzátorok kapacitását Farad-ban (F) mérjük. Nagy kapacitás érhető el az elektrolit kondenzátorokkal (elkók). A szigetelés ezeknél egy vékony alumíniumoxid-rétegből áll. Az elkó folyékony elektrolitot tartalmaz, és nagyfelületű feltekercselt alumíniumfóliát. A feszültséget csak az egyik irányban szabad rátenni. Ha rossz irányban tesszük rá, szivárgóáram lép fel, és lassanként lebomlik a szigetelés, ami a kondenzátor tönkremenetelét okozza. A negatív pólust egy fehér sáv jelöli, és a kivezetése rövidebb.
2.4 ábra: A LED és az ellenállás felcserélve 2.2 Az áram iránya Fordítsuk csak úgy meg a LED-et, hogy az anódja a telep negatív pólusára kerüljön. Most egyáltalán nem világít már! Az áram tehát csak az egyik irányban tud átfolyni a LED-en. Az áteresztő irány az, amikor az áram a katód felé folyik az anódtól, azaz amikor az anód a telep pozitív pólusa felé néz, míg a katód a negatív pólusa felé. Az ezzel ellentétes irányban lezár a LED. És akkor világít, amikor átereszti az áramot. A 2.5 ábrán záróirányban van elhelyezve a LED. Így nem világít.
1.8 ábra: Egy elektrolitkondenzátor
2
Az első kísérletek LED-ekkel Egy teleppel és egy kis izzólámpával egyszerű módon kipróbálhatunk egyetmást, amíg a lámpa világít. Egy LED-el ezt nem tehetjük meg, mert közvetlenül nem csatlakoztathatjuk a LED-et a telepre, mivel tönkremehet. Egy kissé pontosabban kell terveznünk: fontos a helyes feszültség, a helyes polaritás, a megfelelő előtét-ellenállás. De azért nem is nehéz. Próbáljuk csak ki az ajánlott kapcsolásokat, és hamarosan biztosan fogunk bánni már a LEDekkel. 2.1 LED előtét-ellenállással Építsük fel első áramkörünket egy teleppel, LED-del és előtét-ellenállással. Használjunk egy piros LED-et és egy 9V-os elemet. A tanulókészlet legnagyobb ellenállásával (1 kΩ = 1000 Ω, barna, fekete, piros) jó helyen járunk, ami a LED áramát illeti. A 2.1 ábra mutatja a kapcsolást kapcsolási rajz formájában.
2.5 ábra: A LED záróirányban A 2.6 ábrán a kapcsolási rajzon elhelyezett nyilak az elektromos áram irányát jelzik. Az áramirányt ugyanúgy, mint a pozitív és negatív jelölést, történelmileg önkényesen határozták meg így. Az áram tehát mindig a telep pozitív pólusától folyik a fogyasztón át a negatív pólusa felé. Ma már tudjuk, hogy a negatív töltésű elektronok pont fordítva haladnak, mint ahogy a 2.6 ábra nyilai mutatják. Valójában azonban vannak pozitív töltéshordozók is, például a folyadékokban, amelyek az áram irányában haladnak. A LED-ben is találunk negatív és pozitív töltéshordozókat.
2.6 ábra: Az áram irányának a definíciója
2.1 ábra: Kapcsolási rajz LED-el és előtét-ellenállással A felépítéshez használjuk a szerelőlapot. A felső tápsínt kössük össze az elem pozitív pólusával, vagyis az elem-csat piros érintkezőjével. Az alsó tápsínt kössük össze ennek megfelelően az elemcsat fekete érintkezőjével, azaz az elem negatív pólusával. A felépítés így hasonló lesz a kapcsolási rajzhoz, úgyhogy nem okozhat gondot a hibakeresés. Hajlítsuk úgy meg a LED és az ellenállás kivezetéseit, hogy beleilljenek az érintkezőkbe. Némelyik kivezetőhuzal a képeken le lett rövidítve a kísérleti áramkör jobb szemléltetése érdekében. A kísérleteinkhez azonban ne rövidítsük le az alkatrészek kivezetéseit, hogy az összes kísérlethez használhatóak maradjanak.
2.3 Az áramerősség Rakjunk be most az 1 kiloohmos ellenállás helyett egy 470 ohmosat (sárga, ibolya, barna). A LED most sokkal fényesebben világít. Ez a nagyobb áram bizonyítéka. A szabály a következő: minél nagyobb az ellenállás, annál kisebb lesz az áram. Pontosabb számítások később.
•
2.2 ábra: Az áramkör a szerelőlapon felépítve Valószínűleg már az első kísérlet sikeres lesz. A LED erős fénnyel kigyullad. Ha nem, keressük meg a hibát. Ha bárhol megszakítjuk az áramkört, nem folyik tovább már áram. Vizsgáljuk meg tehát az összes vezetéket, és az alkatrészek elhelyezkedését a szerelőlapon. Egy további hibalehetőség a LED fordított behelyezése a lapra. Végül az elem is ki lehet merülve. Mindenesetre megállapítható, hogy még nagyon öreg elemek is képesek halványan kigyújtani a LED-et. Próbáljuk meg másképp felépíteni az áramkört. Cseréljük fel a LED-et és az ellenállást. Az áram ekkor előbb a LED-en folyik át, és utána az ellenálláson. Az eredmény azonban azonos az előzővel. Tehát csak arról van szó, hogy mind a három alkatrész egy zárt áramkörön belül van elhelyezve.
2.3 ábra: Felcserélt alkatrészek
2.7 ábra: Nagyobb fényesség kisebb ellenállással Vizsgáljuk meg az összes LED fényességét sorra 1 kΩ (barna, fekete, piros), 470 Ω (sárga, ibolya, barna) és 330 Ω (narancs, narancs, barna) ellen-állással. Ne vegyünk azonban 330 Ω-nál kisebb ellenállást, mert azzal ebben a kapcsolásban 9V-os elemmel túl nagy áram folyhat, amely veszélyezteti a LED-et.
2.8 ábra: 470 ohmos előtét-ellenállás Az alkalmazott LED-ek számára 20 mA tartós áram van megengedve. Az alábbi táblázat azt mutatja, hogy az alkalmazott LED tényleges árama az előtétellenállástól függ. Részben kissé túllépjük a megengedett áramot. Ez azonban rövid időre nem okoz problémát. Csak hosszabb túlterhelés esetén öregednek gyorsabban a LED-ek, és elveszítik a fényerejüket. 2.1 táblázat: A LED árama 9V tápfeszültség mellett ellenállás piros LED sárga LED zöld LED 21,4 mA 21,1 mA 20,8 mA 330 Ω 15,1 mA 14,9 mA 14,7 mA 470 Ω 7,2 mA 7,1 mA 7,0 mA 1 kΩ 2.4 Jelzőlámpa nyomógombos kapcsolóval Készítsünk a 2.9 ábrának megfelelő módon egy egyszerű nyomógombos (pillanat-) kapcsolót egy lecsupaszított bekötőhuzalból. A kapcsoló nyitott állapotában az áramkör szakadását jelenti. Ha azonban megnyomjuk a kapcsolót, összekötjük a két érintkezőt, és zárjuk ezzel az áramkört. A huzal rugóereje ismét elbontja az összeköttetést, ha felengedjük a nyomógombot. Az áramkörben elhelyezett LED tehát csak addig világít, amíg nyomva tartjuk a nyomógombos kapcsolót.
magasabb feszültség már az áram jelentős növekedését eredményezi, ami könnyen a LED tönkremenetelét okozhatja.
2.9 ábra: Egy kapcsoló készítése huzalból
2.10 ábra: Egy áramkör kapcsolóval Ez az áramkör jelzőlámpának használható különböző célokra. Elvileg a kapcsolást számos hír átvitelére is lehet használni morze-jelek segítségével. De be kell vallani, hogy a morzézés kissé elavult már, és nem olyan kényelmes, mint egy E-mail vagy a telefon. Azonban a morzézés fényjelzés útján a kommunikáció egy vonzó módja lehet. Bizonyos gyakorlattal több mint 100 méter távolságból kicserélhetjük információinkat úgy, hogy aligha hallgathatnak le mások.
3
LED kapcsolástechnika Bár egyszerű művelet a megadott kapcsolást pontosan az ajánlott alkatrészekkel felépíteni, de ahhoz, hogy teljesen kézben tudjuk tartani a kapcsolástechnikát, ismernünk kell az elméletet is, és tudnunk kell pl. a kapcsolásban szükséges ellenállásokat magunknak méretezni. Ez a fejezet ezért együtt adja a szükséges elméletet és a szükséges kísérleteket. Kössük össze az elméletet és a gyakorlatot, méretezzük és teszteljük tehát a saját kapcsolásainkat is. 3.1 A diódaküszöb Egy izzólámpával összehasonlítva egy LED nagyonis különös módon viselkedik. Nemcsak azért, mert csak az egyik irányba folyik az áram, míg egy izzólámpát bármilyen polaritással csatlakoztathatunk, hanem mert a csatlakoztatott feszültség az áteresztő irányban is nagyon kritikus. Egy 6V/100 mA névleges adatokkal bíró kis izzólámpa nagy tűrést mutat a ténylegesen csatlakoztatott feszültséggel szemben. Már 1V-tól kezdve elkezd alig láthatóan sötétpiros fénnyel világítani. Majd a névleges feszültségnél világos, sárgásfehér fénnyel világít. Ha rövid időre ennél nagyobb feszültséggel próbálkozunk, a fény vakító fehérré válik. Még a 12V kétszeres feszültség sem teszi azonnal tönkre az izzót, hanem csak néhány másodperc vagy perc múlva. Teljesen más a helyzet a LED-ekkel. A 10-20 mA átfolyó áram melletti normál feszültség kb. 1,8V. Ha 0,5 V-al 2,3 V-ra növeljük a feszültséget, a LED feltétlenül kiég. És fordítva, a LED már egyáltalán nem világít, ha egy fél volttal kevesebbet rakunk rá. Ha magasabb feszültség áll rendelkezésünkre, egy ellenállás gondoskodik arról, hogy automatikusan éppen a helyes feszültség kerüljön rá a LED-re. Próbáljunk meg egy piros LED-et ellenállás nélkül egyetlen 1,5V-os telepről táplálni. Mivel ez a feszültség éppen az alsó határon van, itt kivételesen ellenállás nélkül is dolgozhatunk.
3.3 ábra: LED karakterisztikák (rot = piros; grün = zöld) A diagram világosan mutatja a piros és a zöld LED különböző küszöbfeszültségét. Így már az is világos, hogy miért világít még éppen a piros LED, amikor a zöld már nem. A LED-kapcsolások méretezésekor normál esetben előtét-ellenállásokat alkalmazunk, amelyeknek az a szerepe, hogy definiált diódaáramot állítsanak be. Ha a 20 mA normál üzemi áramból indulunk ki, akkor a 3.1 táblázatban látható feszültségek adódnak ki. 3.1 táblázat: a tipikus LED-feszültségek a LED színe feszültség 20 mA-nél piros 1,9 V sárga 2,1 V zöld 2,2 V 3.2 Soros kapcsolás Ha elegendően nagy a telep feszültsége ehhez, pl. 9V, két vagy több LED sorba kapcsolható. Ekkor összeadódnak a diódák áteresztési feszültségei, úgyhogy kisebb feszültség jut az előtét-ellenállásra. Egy piros és egy zöld LED-re jutó feszültség 10 mA diódaáramnál 1,9V + 2,2V = 4,1V. Az előtét-ellenálláson tehát 9V – 4,1V = 4,9V esik. Ahhoz, hogy tényleg 10 mA áram folyjon, az ellenállás értékét megfelelően kell megválasztani. R = U/I R = 4,9V/10 mA R = 490 ohm A számítás többnyire a normál értékektől eltérő ellen-állást ad ki. Alkalmazzuk ilyenkor a következő kisebb normál értéket, itt tehát 470 ohmot. Ebben az esetben az áram csak csekély mértékben lesz nagyobb. Valójában alig változnak meg a feszültségviszonyok a meredek diódakarakterisztikák miatt.
3.4 LED-ek sorbakapcsolása (zöld, piros)
3.5 ábra: Sorbakapcsolt piros és zöld LED
3.1 ábra: Az alsó feszültséghatáron
3.2 Egy ceruzaelem közvetlen csatlakoztatása Megállapíthatjuk, hogy a piros LED tényleg világít, ha nagyon gyengén is. Vegyük most elő a zöld LED-et. Az eredmény: ez nem világít. Gyakorlatilag egyáltalán nem folyik áram rajta keresztül. A sárga LED valahol a kettő között van, 1,5V-ról rendkívül gyengén világít. Mekkora áram folyik a különböző feszültségeken? A kérdésre egy adott alkatrész karakterisztikája adja meg a választ. A 3.3 ábrán egy közös diagramon láthatjuk a piros és a zöld LED kimért karakterisztikáját. Láthatjuk, hogy csak egy bizonyos minimális feszültségtől, avagy a „küszöbfeszültségtől” kezdve folyik észlelhető áram. Ha nő a feszültség, az áram is nő, és egyre meredekebben. A méréseket a még éppen megengedhető 20 mA áramnál megszakítottuk. De jól elképzelhető a karakterisztika további menete. Egy alig
3.3 Kevés energia – sok fény Gyakran jobb hatásfokot ad több LED sorbakapcsolása, mivel kevesebb energia vész el az előtét-ellenálláson meddő hő formájában. A célnak tehát annak kell lennie, hogy az előtét-ellenállásra minél kevesebb feszültség essen. A 3.6 ábra egy lehetséges méretezést mutat be három, egy piros, egy sárga és egy zöld LED-del. A közös diódafeszültség 1,8V + 2,1V + 2,2V = 6,1V. Az előtét-ellenálláson még 2,9V esik. A 20 mA áramhoz tehát 145 ohmra van szükség. De 220 ohmnál is még elég fényesen világítanak a LED-ek. A 20 mA helyett itt 15 mA adódik ki. Ezzel az árammal még egy 9V-os tömbelemmel is elég hosszú üzemélettartamot kapunk.
3.6 ábra: Soros kapcsolás három LED-del (zöld, sárga, piros)
3.7 ábra: Az összes szín sorbakapcsolva 3.4 Párhuzamos kapcsolás Ha két vagy több fogyasztót akarunk egy közös áram-forrásról táplálni, erre alapvetően két lehetőségünk van, a párhuzamos és a soros kapcsolás.
3.8 ábra: A párhuzamos és a soros kapcsolás Ha két fogyasztót sorba kapcsolunk (3.8 ábra, jobbra), azonos áram folyik rajtuk keresztül, azonban mindegyik csak a tápfeszültség egy részét kapja. Ezt a kapcsolást alkalmaztuk az előző fejezetben. LED-ek sorbakapcsolása esetén mindegyik LED-en keresztül azonos áram folyik. Emiatt nincs mód arra, hogy az áramot egyedileg állítsuk be számukra. Ténylegesen a különböző LED-ek azonos áram esetében nem egyforma fényerejűek. Ha a két fogyasztót párhuzamosan kapcsoljuk (3.8 ábra, balra), azonos feszültség kerül rájuk. A példa erre egy gépkocsi vezetékezése. Az akkumulátor feszültsége 12V, ugyanígy az összes lámpáé is. Tehát párhuzamosan kell kapcsolni őket. A LED-ek párhuzamos kapcsolásakor egyegy LED-ből és az előtét-ellenállásából álló soros kapcsolást egy fogyasztónak kell tekinteni. A különböző LED-feszültségek miatt nem lehet közös előtétellenállást alkalmazni. A fényesség-különbségeket különböző előtétellenállások alkalmazásával ki lehet egyenlíteni. Mindegyik LED esetében vegyük figyelembe az egy adott csatlakozási feszültség esetében megengedett maximális áramot és minimális előtét-ellenállást. A 3.2 táblázat áttekintést ad a minimális előtét-ellenállásokról. 3.2 táblázat: Minimális ellenállás különböző csatlakozási feszültségnél LED 3V 6V 9V 12 V piros, 20 mA, 1,8 V 60 Ω 210 Ω 360 Ω 510 Ω sárga, 20 mA, 2,1 V 45 Ω 195 Ω 345 Ω 495 Ω zöld, 20 mA, 2,2 V 40 Ω 190 Ω 340 Ω 490 Ω A 3.9 ábra példa három, előtét-ellenállással ellátott LED párhuzamos kapcsolására. A sárga LED-re több áramnak kell jutnia, hogy a szubjektíve érzékelt kisebb fényesség kiegyenlítődjön. A kapcsolási rajzon a ténylegesen mért áramértékek vannak feltüntetve mindegyik LED-hez. Összesen majdnem 30 mA áram adódik ki.
3.9 ábra: Párhuzamos kapcsolás 3 LED-el
3.10 ábra: Mindegyik LED-nek saját ellenállása van 3.5 Színjátékok Építsünk fel egy kapcsolást egy 9V-os elemmel, zöld LED-del és 1 kohmos előtét-ellenállással a 2. fejezetben már ismertetett módon. A zöld LED világít a várakozásnak megfelelően. Kapcsoljunk most párhuzamosan egy piros LED-et a zölddel, azaz a katódot a katóddal, anódot az anóddal kössük össze. Most világít a piros LED, a zöld azonban kialszik. Ez esetleg meglepő, mivel egy egyszerű kapcsoló vagy érintkező elegendő ennek a szín-váltásnak az előidézésére.
3.11 ábra: Különféle LED-ek párhuzamos kapcsolása
3.12 ábra: Színváltás nyomógombos kapcsolóval A kapcsolás működését a két LED különböző karak-terisztikája magyarázza. Párhuzamos kapcsolásban mind a két LED-nek azonos a feszültsége. Azonos feszültség mellett azonban jelentősen nagyobb áram folyik a piros LED-en át, mint a zöldön. Ha bekapcsoljuk a piros LED-et is, a közös feszültség annyira lecsökken, hogy már nem folyik áram a zöld LED-en keresztül. 3.6 Villanófény Egy kondenzátor elektromos energiát tárol. Egy xenon-lámpás vakuban pl. egy 100 μF-os elektrolitkondenzátor töltődik fel 400 V-ig, majd nyolc wattszekundum óriási energiát ad le.
3.13 ábra: Egy LED-villanófény elektrolitkondenzátorral Egy LED-vakut arányosan szerényebben kell megépíteni, mivel a LED nem birkózik meg ennyi energiával. Töltsünk fel tehát egy 47 μF-os elkót 9V feszültséggel. A villanó-fény energiája a kis feszültség miatt kb. 2 mWs. Csak egy nagyon kis töltőáramra van szükség, azaz elegendő egy 100 kohmos töltőellenállás. Kb. 5 másodperc múlva az elkó elegendő mértékben fel lesz töltve. Nyomjuk meg ekkor a nyomógombot. A LED rövid időre felvillan, majd lassan kialszik. Csak egy csekély maradék fényesség marad meg, mivel a kis áram továbbra is folyni fog a töltőellenálláson keresztül.
3.14 ábra: A villanófény
4
Vizsgálókészülékek LED-ekkel Gyakran a kicsi és egyszerű készülékek könnyítik meg a munkánkat. A kijelzőként működő LED-ekkel szerelt egyszerű tesztkészülékek áramtakarékosak és hatékonyak. A LED előnye a jó fényerő már nagyon kis áram mellett, valamint a referenciafeszültségül is alkalmazható küszöbfeszültség. 4.1 Kábelvizsgáló Elektromos készülékek vagy berendezések vizsgálatakor gyakran van szükség egyes összeköttetések vizsgálatára. Az alábbi vizsgálókészülék egy vizsgálóáramot küld ki a vezetékre. A LED akkor világít, ha az összeköttetés él. Így megkereshetjük a rossz érintkezéseket és a szakadt vezetékeket. Építsük fel a szerelőlapon a folytonosság-vizsgálót, és vezessünk ki két hosszabb huzalt vizsgáló-kábel céljára.
4.1 ábra: Egy folytonosságvizsgáló LED-el
4.2 ábra: A vizsgálókészülék a mérővezetékekkel
A LED nemcsak a teljes folytonosság esetén világít, hanem akkor is, amikor bizonyos ellenállással rendelkező egyes fogyasztókat kötünk be az áramkörbe. Emiatt pl. izzólámpákat is vizsgálhatunk. Ugyancsak elegendően kicsi egy transzformátor egyenáramú ellenállása ahhoz, hogy a LED fényesen világítson. A hibás dugasz-tápegységek esetében többnyire a belső hőbiztosíték van megszakítva. A hálózati dugó két pólusa között ekkor már nem találunk folytonosságot. Más alkatrészeket is vizsgálhatunk, például LED-et és ellenállást. A LED csak az egyik irányban mutat átmenetet, és ekkor maga is világít. Az ellenállások értéküktől függően kisebb fénnyel világítanak. 4.2 Vízjelző Az előző fejezet folytonosságvizsgálója változtatás nélkül alkalmas víz vagy más folyadékok vezetőképességének a vizsgálatára. Ha a vezetékeket tiszta vízbe tartjuk, a LED csak nagyon halványan világít. Ha a vízbe egy kis sót is szórunk, jól láthatóan növekszik a vezetőképessége. Ezzel azonos hatású a citromlé vagy más sav. Amint elkezd folyni az áram, a vezetékeken kis gázbuborékok lépnek fel. A vegyi elektrolízis folyamata a vezetékek felületét is megtámadja. Hosszabb vizsgálatokhoz a nem oldódó szénből vagy grafitból készült elektródák alkalmasak. Pl. ceruzabelet vagy régi elemekből kiszedett szénrudakat alkalmazhatunk erre a célra.
4.3 ábra: Víz az áramkörben A folyadékok vezetőképességével kapcsolatos érdekes kísérleteken kívül gyakorlati alkalmazásokat is találhatunk. Meg tudunk valósítani pl. a víz kifolyására figyelmeztető készüléket vagy esőjelzőt is. A kapcsolás alkalmas még ezeken kívül virágcserép földjének a nedvességérzékelője céljára is. Ha bedugjuk a vezetékeket a virágföldbe, a LED fényessége mutatja a nedvesség mértékét. 4.3 Riasztókészülék Lopás és betörés elleni védelem céljára mechanikus vagy mágneses működtetésű érintkezőket szoktak alkalmazni az ajtókon és ablakokon. Ha pl. kinyitnak egy ablakot, riasztásnak kell felhangzania. A legegyszerűbb esetben egy vékony drótot lehet elhelyezni, amely riasztáskor elszakad. Ha valaki hatástalanítani akarja a riasztót az által, hogy szétválasztja a drótot, ugyancsak működik a riasztás.
4.4 ábra: A LED rövidre van zárva A legegyszerűbb esetben az áramhurok állapotát egy LED felügyelheti. A LED nyugalmi állapotban nem világít, hogy ne vegyük túlzottan igénybe a figyelmünket. Csak ha a drót szét lett választva, akkor világítson a LED. A 4.4 ábra mutatja a kapcsolást. Ameddig zárva van a felügyeleti áramkör, elvezeti a LED áramát, mivel azt rövidre zárja.
A vizsgálókészülék váltóáramra is alkalmazható. Ebben az esetben mindkét LED világít. Ezzel van egy teljes értékű vizsgálókészülékünk a kisebb hálózati táp-egységekhez és transzformátorokhoz egészen 12V-ig.
4.7 Polaritásvizsgáló mérővezetékekkel 4.5 Telepvizsgáló LED-ekkel egyszerű telepvizsgáló is felépíthető, amely a telep állapotáról durva ítéletet tesz lehetővé, amennyiben meg lehet vele becsülni a feszültséget. Az eddig bemutatott LED-kapcsolások többnyire széles feszültségtartományban működnek, és csak csekély fényerőváltozást mutatnak, amikor a telep már igencsak gyenge. Egyetlen kivétel egy piros LED közvetlen csatlakoztatása egy 1,5V-os telepre (lásd a 3.1 fejezetet). Mivel a 1,5V éppen a diódaküszöb mellett van, a LED csak teljes telepfeszültségen világít.
4.8 ábra: Telepfeszültség-vizsgáló 9V-ra Két ellenállásból álló feszültségosztóval tetszés szerint megnövelhető egy LED-kapcsolás küszöbfeszültsége, és így illeszthető a különböző igényekhez. A 4.8 ábra kapcsolásának a méretezése a küszöböt kb. 9V-ra állítja be. Pontosan 9V-on a terheletlen feszültségosztó 1,62V-ot mutat, azaz éppen egy kicsit nagyobb értéket a piros LED küszöbfeszültségénél. U = Uteljes x R1/(R1 + R2) U = 9V x 220Ω/1220Ω U = 1,62V A gyakorlatban a LED 9V tápfeszültségnél éppenhogy csak nagyon gyengén világít. Már egy csekély feszültség-csökkenés esetén kialszik a LED. A vizsgálat emiatt nem megvalósíthatóan szigorú. Ha megnöveljük az R1 részellenállást 330 ohmra, akkor a kijelzés jó ítéletet nyújt a telep állapotáról. Ekkor 9V-nál fényesen világít a LED, 8V-nál és 7V-nál arányosan gyengébben. Csak 6V-nál alszik el teljesen a LED.
4.9 ábra: Feszültségvizsgáló 6V-tól 9V-ig
4.10 ábra: 9V-os telepvizsgáló
4.5 ábra: A riasztási hurok A kapcsolás hátránya, hogy riasztás nélkül is kb. 9 mA tartós áram folyik. Egy elemet viszonylag gyorsan kimerít. Emiatt egy dugasztápegységet kell alkalmazni. 4.4 Polaritásvizsgáló Különösen a dugasztápegységeknél gyakran bizonytalan a polaritás. Két LEDből álló egyszerű vizsgálókészülék kideríti a helyzetet. Ha a 4.6 ábra szerint csatlakoztatunk egy feszültségforrást, kigyullad a piros LED. Fordított polaritás esetén a zöld LED gyullad ki.
4.6 ábra: Az áramirány kijelzése (rot = piros; grün = zöld)
4. 6 LED hőmérsékletérzékelőként Azonos áram mellett egy LED feszültsége fokonként kb. -2 mV-ot változik. A dióda-karakterisztika hőmérséklet-függősége két hőmérséklet összehasonlítására használható fel. Ha két LED-et párhuzamosan kapcsolunk a 4.11 ábrának megfelelően, a melegebb LED erősebb fénnyel világít, mint a hidegebb.
4.11 ábra: Hőmérséklet-összehasonlítás két LED-el (kalt = hideg; warm = meleg) 10 fok hőmérsékletkülönbség már jól felismerhető. Már a kéz melege is elég a felismeréshez.
5.3 ábra: A késleltetett kikapcsolás A kisütési időt jelentősen megnöveli a nagy bázis-ellenállás. Az időállandó itt kb. 5 másodperc. Ezen idő múltán azonban még mindig teljesen ki tudja vezérelni a bázisáram a tranzisztort.
4.12 ábra: Egyenlő hőmérséklet és fényesség? Ha a hőmérsékletkülönbség 50 fok feletti, a hidegebb LED majdnem teljesen kialszik. Az egyik LED-et lánggal vagy forrasztópákával melegíthetjük. Ne érintkezzen a láng azonban közvetlenül a LED házával, mert a műanyag-köpeny megsérülhet. Tekerjünk egy darab vezetéket a felmelegíteni kívánt LED katódkivezetésére. A vezeték végére aztán egy öngyújtóval adagolhatunk hőt. A katód-kivezetés kiválóan alkalmas a hőátvitelre, mivel a LED-kristály tartójához vezet, és jó hőérintkezést ad. Az anód ellenben csak egy vékony huzal által van összekötve a LED-kristállyal.
4.13 ábra: Hőátvitel egy vezetékkel
5.4 ábra: A percnyi fény A kapcsolás gyakorlati kivitelében elegendő egy rövid gombnyomás ahhoz, hogy a LED bekapcsolódjon. Ezután a LED kb. 5 másodpercig teljes fényerővel világít, majd egyre inkább elhalványodik. Mintegy egy perc múlva is még észlelhető a gyenge fénye. Valójában még hosszú ideig nem alszik ki teljesen. Az áram azonban olyan kis értékre süllyed, hogy már nincs látható hatása. 5.3 Érintésérzékelő Két tranzisztor áramerősítési tényezője összeszorozható, ha az első tranzisztor felerősített áramát a másodiknak a bázisáramaként még egyszer felerősítjük. Az 5.5 ábra szerinti Darlington-kapcsolásban a két kollektor össze van kötve, úgyhogy kívülről három kivezetéssel bíró egy alkatrésznek tűnik, amelyet Darlington-tranzisztornak is hívunk.
5
Tranzisztoros kapcsolások Az összes eddigi kapcsoláshoz elég volt néhány LED és ellenállás. A LED-eket azonban megtaláljuk tranzisztor-alapú összetett elektronikus kapcsolásokban is. Az alábbi kísérletek először is rövid áttekintést nyújtanak a tranzisztorok funkcióiról.
5.1 Erősítés Az 5.1 ábra szerinti kapcsolás az NPN-tranzisztor alap-funkcióját mutatja be. Két áramkör van benne. A vezérlő-áramkörben egy kis bázisáram folyik, míg a terhelő-áramkörben egy nagyobb kollektoráram. A két áram együttesen folyik át az emitteren. Mivel az emitter itt a kapcsolás vonatkoztatási pontjában van, ezt a kapcsolást emitter-kapcsolásnak is hívjuk. Ha felnyitjuk a bázisáram körét, terhelőáram se folyik. A döntő pont a dologban, hogy a bázisáram sokkalta kisebb, mint a kollektoráram. A tranzisztor tehát a kis bázisáramot felerősíti a nagy kollektorárammá. Esetükben az áram-erősítési tényező kb. 100. A 100 kohmos bázisellenállás százszor nagyobb a terhelőáramkör előtét-ellenállásánál. A tranzisztor ebben a kapcsolásban kapcsolóként működik. A kollektor és az emitter között csak nagyon kicsi a feszültségesés. A kollektoráramot a fogyasztó korlátozza, ezért nem fokozható. A kollektoráram telítésbe ment, a tranzisztor tehát teljesen ki van vezérelve.
5.5 ábra: A Darlington -kapcsolás Ha 300-as erősítési tényezőből indulunk ki mindegyik tranzisztorra nézve, akkor a Darlington-kapcsolás erősítése 90000. Most már 10 Mohm értékű bázisellenállás is elég áramot enged át ahhoz, hogy bekapcsolja a LED-et. A gyakorlati kísérletben a rendkívül nagy értékű ellenállás helyett egy érintőérintkezőpárt alkalmazunk. A nagy erősítés miatt elég egy könnyed érintés száraz ujjal. A telep tápvezetékében lévő kiegészítő védőellenállás arra az esetre védi a tranzisztort, ha az érintő-érintkezőpárt véletlenül közvetlenül összekötjük.
5.6 ábra: Az érintésérzékelő
5.1 ábra: egy NPN-tranzisztor emitterkapcsolásban
5.4 A LED mint fényérzékelő Tulajdonképpen egy diódán szinte semmilyen áram sem folyik, ha záróirányban rakunk rá feszültséget. Valójában azonban nagyon kicsi záróirányú áramot találhatunk, pl. a néhány nanoamper tartományba esőt, amelyet normál esetben el lehet hanyagolni. A Darlington-kapcsolás nagy erősítése miatt azonban végezhetünk néhány kísérletet a rendkívül kis áramokkal is. Így például egy világító dióda záróirányú árama magától a megvilágítástól függ. Egy LED ennek következtében egyúttal fotódióda is. A nagyon kicsi fotóáramot a két tranzisztor annyira felerősíti, hogy a második LED világítani fog.
5.2 ábra: Az áramerősítés A LED-ek az áramok jelzésére szolgálnak. A piros LED fényesen világít, míg a zöld alig. Csak teljesen elsötétített helyiségben észlelhető a zöld LED gyenge fénye. A két fényerő közti különbség a nagy áramerősítés bizonyítéka. 5.2 Követő vezérlés Egy tranzisztor áramerősítését egy kondenzátor kisütési idejének a meghosszabbítására használhatjuk fel. Az 5.3 ábra kapcsolása egy 47 μF-os elektrolit kondenzátort használ töltőkondenzátorként. Ha röviden megnyomjuk a nyomógombos kapcsolót, az elkó feltöltődik, és hosszú időn keresztül szállítja az emitterkapcsolás számára a bázisáramot.
5.7 ábra: A LED záróirányú áramának az erősítése A gyakorlati kísérletben a jobboldali LED már a normál környezeti hőmérsékleten észlelhetően bekapcsolódik. Az érzékelő-LED-nek a tenyerünkkel való leárnyékolása a kijelző-LED fényerején észrevehető.
félig bekapcsolva. Az 5.13 ábra tipikus kapcsolást mutat be egy egyszerű billenőkörre.
5.8 ábra: A LED-fényérzékelő 5.5 Konstans fényesség Néha állandó áramra van szükségünk, amely lehetőleg független kell, hogy legyen a feszültségingadozásoktól. Egy LED tehát azonos fényességgel világítana még akkor is, ha a telepnek már kisebb a feszültsége. Az 5.9 ábra kapcsolása egy egyszerű stabilizátor-kapcsolást mutat be. A bemeneten lévő piros LED a bázisáramot mintegy 1,6V-ra stabilizálja. Mivel a bázis-emitter feszültség mindig kerek 0,6V, az emitter-ellenállásra kb. 1V esik. Az ellenállás határozza meg tehát az emitteráramot. A kollektoráram majdnem teljesen megegyezik az emitter-árammal, amely csupán a sokkal kisebb bázisárammal nagyobb annál. A kollektorkörben lévő LED nem igényel előtét-ellenállást, mivel a LED áramát a tranzisztor szabályozza.
5.9 ábra: Egy stabilizált áramforrás
5.10 ábra: A LED fényességének a stabilizálása Ellenőrizzük az eredményeket egy új és egy erősen elhasznált teleppel. Amíg csak van egy kis maradék-feszültség, a LED egyforma fényességű marad. 5.6 Hőmérsékletérzékelő Az 5.11 ábra kapcsolása egy úgynevezett áramtükör. Az 1 kohm értékű ellenállás árama mind a két tranzisztorban tükröződik, és majdnem azonos erősséggel megjelenik a jobboldali tranzisztor kollektoráramában. Mivel a baloldali tranzisztor bázisa és emittere össze van kötve, beáll automatikusan egy olyan bázis-emitter feszültség, amely a megadott kollektoráramhoz vezet. Elméletileg a második tranzisztor pontosan azonos adatokkal és azonos bázisemitter feszültség mellett azonos kollektoráramot kell, hogy adjon. A gyakorlatban azonban többnyire csekély különbségek mutatkoznak.
5.13 ábra: Egy bistabil multivibrátor A kapcsolás a két lehetséges állapotából az egyikbe billen át: ha a jobboldali tranzisztor vezet, a baloldali le van zárva, és fordítva. A mindenkori vezető tranzisztornak csekély a kollektorfeszültsége, és ennek következtében lekapcsolja a másik tranzisztor bázisát. Emiatt a már egyszer felvett kapcsolási állapot stabil marad addig, amíg az egyik nyomógombbal meg nem változtatjuk.
5.14 ábra: Az egyszerű billenő-kapcsolás Kapcsoljuk be a tápfeszültséget. Meg fogjuk állapítani, hogy a két LED egyike világít. Azt azonban nem lehet megjósolni, hogy melyik oldali LED lesz bekapcsolva. Többnyire a tranzisztorok nem egyforma áramerősítése dönti el, hogy a kapcsolás melyik oldalra fog átbillenni. Használjunk most egy huzaláthidalót arra, hogy az egyik tranzisztort lezárjuk. A most felvett állapot az áthidalás felbontása után is megmarad. A két állapotot a következő módon is szoktál jelölni: S (set = állítva) és R (reset = visszaállítva), innen ered az RSflipflop név. 5.8 LED-villogó Itt egy olyan multivibrátort építünk fel, amely önállóan kapcsol át ide-oda. A kapcsoláshoz ugyanúgy, mint az RS-flipflopnál, két emitterkapcsolású tranzisztorra van szükség. A kimenetről a bemenetre való visszakapcsolás egy kondenzátor által megy végbe, amely folyton ismét feltöltődik és kisül.
5.15 ábra: A multivibrátor A kapcsolás biztos berezgéséhez szükséges feltétel egy középső munkapont a visszacsatolás nélküli esetben. Más fogalmazásban, a kimenő-tranzisztor vagy teljesen le van zárva, vagy teljesen ki van vezérelve. Egyébként nem lenne a teljes kapcsolásnak elegendő erősítése ahhoz, hogy berezegjen. Itt az első tranzisztor egy erős negatív visszacsatolása gondoskodik a középső munkapontról. Az RC-hídon keresztüli visszacsatolás azonban túlsúlyban van, és végeredményül az idézi elő a kimenő-tranzisztor teljes lezárását, vagy teljes kinyitását.
5.11 ábra: Az áramtükör A pontosan azonos tranzisztoradatok feltételét azonban a gyakorlatban nehezen lehet teljesíteni. A kapcsolást első-sorban integrált áramkörökben alkalmazzák, ahol sok azonos adatokkal rendelkező tranzisztor van egy lapkán. Fontos a két tranzisztor azonos hőmérséklete is, mivel az átviteli karakterisztika a hőmérséklettel változik. 5.16 ábra: A LED-villogó Először a visszacsatoló kondenzátor nélkül építsük fel a kapcsolást. A LEDnek gyengén kell világítania, mivel a kimenő-tranzisztor nincs teljesen kivezérelve. Ha berakjuk a kondenzátort is, a LED váltakozva teljes fénnyel világít, illetve teljesen kialszik. A 47 μF értékű kondenzátorral a LED mintegy másodpercenként villan egyet. 5.12 ábra: A tranzisztor mint hőmérsékletérzékelő Az áramtükör gyakorlati kivitele hőmérsékletérzékelőnek alkalmas. Érintsük meg az ujjunkkal az egyik tranzisztort. Az ekkor fellépő felmelegedés megváltoztatja a kimenő-áramot, és láthatóvá válik a LED fényességváltozása. Attól függően, hogy melyik tranzisztort érintjük meg, a fényességet egy kissé növelhetjük vagy csökkenthetjük. 5.7 Be és ki A két stabil állapotú kapcsolást billenőkörnek, vagy flip-flopnak (bistabil multivibrátor) hívjuk. Egy LED vagy be van kapcsolva, vagy ki, de sosincs
