Előszó Az adventi időben ismét kipróbálhat valami újat, ebben segít a Conrad Elekronik Kalendárium. Ennek az Adventnek a legfontosabb elemei a térvezérlésű tranzisztorok (FET=Feldeffekt Transistoren). A középponti alkatrész a beépített CMOS 4007 építőelem, összesen hat MOSFET-tel. Ezek segítségével építsen teljesen különböző áramköröket. Az utolsó kísérlet december 24-én ezúttal is alkalmas a karácsonyfa díszeként, egy hat darab színes LED-et tartalmazó áramkör, amely kellemes fényeffektusokat hoz létre. Aki óhajtja, utánajárhat, és egyenként alaposabban megértheti az áramköröket. Sokan azonban egyszerűen csak mindent rendesen meg szeretnének építeni, és örülni szeretnének az áramkörök működésének. Hogy mindenkinek az érdeklődését ki lehessen elégíteni, a legtöbb kísérlet leírása két fokozatban történt. Az egyik bekezdésben arról van szó, hogy egy próbapanel megépítése hogyan történjék és a kísérletet miként kell elvégezni. A második bekezdés az elektronikus működést ismerteti. Ilyenkor kissé bonyolultabbá válhat a dolog. Néha olyan szakkifejezések alkalmazására is sor kerülhet, melyeknek esetleg utána kell nézni. A középpontban mindenesetre a szórakozás álljon. Az olyan kísérletek is szórakoztatók lehetnek, melyeket még nem egészen ért az ember.
A naptárajtók legkönnyebben úgy nyithatók, ha befelé nyomjuk, majd kihajtjuk őket. A beépítendő alkatrész egy vékony kartonból készült környezetbarát fedél alatt van, ami megbízhatóan a helyén tartja. A levétel előtt a fedelet először befelé kell nyomni.
A kalendárium valamennyi ajtója mögött egy új alkatrészt talál. Minél többet foglalkozik az áramkörökkel, annál érthetőbbé válik, hogy mindig lehetséges újabb változatok kipróbálása. Legfontosabbak a kapcsolási rajzok. Az elrendezési rajzokat tekintse csupán javaslatoknak. Az alkatrészeket, melyeknek gyakran ugyanaz a funkciójuk, másképp is beültetheti a dugaszolható panelbe, megtakaríthat egyes huzalokat, vagy rövidebb kötéseket használhat. Az áramkörökben gyakran lehetségesek és hasznosak a variációk is. Engedje szabadon szárnyalni a fantáziáját! Sok örömet, és boldog karácsonyi időszakot kívánunk!
Valamennyi kísérlet áttekintése: 1. nap: A LED teszt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. 2. nap: A dugaszolható panel alkalmazása. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. 3. nap: Kapcsolható LED lámpa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. 4. nap: A térvezérlésű tranzisztor kapcsolja a LED-et. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. 5. nap: Két LED bekapcsolása. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. 6. nap: Egy digitális memóriaegység. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. 7. nap: LED fényerőszabályozó. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. 8. nap: Piros-zöld memóriaegyég. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8. 9. nap: Háromfokozatú kapcsoló. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8. 10. nap: Piros, sárga, vagy zöld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9. 11. nap: Fényvezérlés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9. 12. nap: Elektromos mező érzékelő. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10. 13. nap: Flipflop memória. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10. 14. nap: Váltó villogó. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11. 15. nap: Fényvezérlésű villogó. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11. 16. nap: Vezetőképesség érzékelő. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12. 17. nap: Villanófény. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13. 18. nap: Fényvezérlésű villanófény. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14. 19. nap: Elektronikus inga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15. 20. nap: Elektronikus hosszú lengésidejű inga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15. 21. nap: Érintésérzékelő . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16. 22. nap: Fénysorompó. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17. 23. nap: Háromfázisú gyűrűs oszcillátor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18. 24. nap: Hatos LED villogó. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.
1. nap A LED-teszt Nyissa ki az 1. számú ablakot. Itt egy piros LED-et és egy ellenállást talál. Egy LED-nek két különböző hosszúságú csatlakozója van, és a helyes irányba kell beépíteni. A rövidebbik láb a mínusz pólus (katód), a hosszabbik a plusz pólus (anód). Beépített LED-nél nehéz megállapítani, melyik a rövidebb láb. Ebben egy másik ismertetőjegy segít: A kiálló alsó perem a katód oldalán le van csapva. Azon kívül a katódvezetéken van egy kis hordozófelület, amelyre a LED kristály van szerelve. Az ellenállás színkarikákkal van ellátva. A LED-ek színe sárga, ibolyaszín, valamint piros és 4700 Ω-ot (Ohm), illetve 4,7 kΩ-ot (kiloohm) jelölnek. Egy további arany gyűrű az 5%-os tűrési osztályt jelöli. Egy LED-et soha nem szabad közvetlenül egy elemmel összekötni, hanem az áram korlátozása végett mindig előtétellenállásra van szükség. A 4,7 kΩ-os ellenállás igen nagy, úgy, hogy a valójában 2 mA alatti áram viszonylag kicsi. A LED nem világít teljes fényerővel, de még mindig jól látható. A kísérletek ebben az elektronikus kalendáriumban állandóan 4,7 kΩ-os előtétellenállásokkal történnek, mert a kis áram a CMOS áramköröknél előnyökkel jár. Kisebb LED áramok esetén az elem élettartama is meghosszabbodik. Az első kísérlethez külön szükség van egy 9V-os elemre. Az első kísérletet különös óvatossággal kell végezni. Ügyeljen, hogy a két LED kivezetés soha ne érinthesse egyszerre az elemcsatlakozókat! Mindig sorba kell kapcsolni az ellenállást. Illessze ezt a két alkatrészt az ábra szerint az elemhez. Az áramkör bekapcsolása ezzel megtörtént, a LED világít.
Az elektronikus áramköröket kapcsolási rajzokkal lehet áttekinthetően ábrázolni. Az egyes alkatrészeket speciális szimbólumokkal jelzik. A LED anódját háromszög, katódját egyenes vonás mutatja. Ez utal az áramirányra. A fénykibocsátást két rövid nyíl jelzi. Az ellenállást téglalap alak ábrázolja. A kapcsolási rajz mutatja a zárt áramkört az elemmel, ellenállással és a LED-del.
2. nap A dugaszolható kísérleti panel használata
Nyissa ki a a második ajtót és vegyen ki egy elemcsatlakozót és egy dugaszolható panelt a fiókból. Ez egyszerűsíti a komplikáltabb áramkörök megépítését. A 2,54 mm raszteres, 270 kontaktusos érintkezőfelület biztosítja az alkatrészek biztos összekötését. A dugaszoló felület középső részén 230 érintkező van, 5-5 érintkezős függőleges vezetőfóliával összekötve. Ezen túlmenően a peremen 40 érintkező van a tápellátáshoz, amik két, 20 érintkezőből álló vízszintes érintkezőfelület csíkból állnak, így a dugaszoló felület két független tápsínnel rendelkezik.
Az alkatrész beültetéshez viszonylag nagyobb erő kell. A kivezetések ekkor könnyen megtörnek. Fontos, hogy a lábakat pontosan felülről vezessük be, ehhez egy csipeszt vagy kis fogót lehet használni. A kivezetést lehetőleg röviden a panel fölött fogjuk meg, és függőlegesen nyomjuk lefelé. Így érzékenyebb csatlakozóvezetékek, pl. az elem klipnél a leónozott vég, törés nélkül beültethetők.
Az első próba áramkörét még egyszer építse be a dugaszolható panelbe. Ismét az ellenállás és a LED soros kapcsolásáról van szó. A kapcsolási rajz ugyanazt a kapcsolást mutatja, mint az első próba esetén, de az alkatrészek kissé más kiosztásával, amely lehetőleg azonos a tényleges kísérlettel.
3. nap Kapcsolható LED-lámpa Építsen egy áramkört LED-el, és kapcsoló érinkezővel. A hozzávaló vezetéket a 3. ajtó mögött találja. Fogóval vágjon le kb. 3 cm-es darabot és a végein távolítsa el a szigetelést kb. 5mm hosszan. A csupaszoláshoz hasznos lehet, ha a szigetelést éles késsel körkörösen bemetszi. Figyelem: Ennek során maga a vezeték nem sérülhet, mert a megsértett helyen könnyebben törik.
A huzallal egyszerű kapcsoló is készíthető. Ez két csupasz vezetékdarabból áll, melyek ujjal való megnyomásra érintkeznek. Vágjon ehhez 2 cm-es darabokat, és teljesen távolítsa el a szigetelést.
Egy másik rövid vezetékdarab kihúzásgátlónak építendő be, a gyenge csatlakozóvezetékek védelmére. Az elem-klip maradjon mindig bekötve, a csatlakozások igénybevételének csökkentésére. Tipp a dugaszolós panelhoz való könnyebb illesztéshez: vágja le ferdén a vezetékvégeket, evvel egy élesebb hegyet kap, amit könnyebb a kontaktusokba dugni. Ugyanez a módszer alkalmazható a világítódiódáknál, ellenállásoknál és más alkatrészeknél, megakadályozva a kivezetés megtörését a dugaszoláskor.
4. nap: A térvezérlésű tranzisztor kapcsolja a LED-et
A negyedik ajtó mögül ennek a kalendáriumnak a leglényegesebb alkatrésze kerül elő, a CMOS-IC 4007. Ez az IC összesen hat MOSFET tranzisztort tartalmaz, melyek részben már belsőleg össze vannak kötve. Három tranzisztor P-FET, a többi három N-FET.
A MOSFET-ekkel gondosan kell bánni, mivel a nagy feszültség következtében tönkremehetnek. Statikus elektromos feltöltődések az elektronikus alkatrészeket veszélyeztethetik. Azonban a 4000 B valamennyi CMOS-tipusa belső védőkapcsolásokkal rendelkezik, melyek a munkát nagyon biztonságossá teszik. Ehhez belső védődiódák állnak rendelkezésre, melyek a feszültségeket a Vdd pozitív tápfeszültség felett és a Vss negatív tápfeszültség alatt korlátozzák. A jobb oldali kép mutatja ennek elvét. Ez a védőkapcsolás csak akkor hatékony, ha a csatlakozások Vss (mínusz) és Vdd (plusz) az elemre vannak csatlakoztatva. A 7-es kivezetést és a 14-es kivezetést tehát akkor kell csatlakoztatni, ha csupán egyetlen tranzisztor alkalmazására kerül sor. Az IC ezáltal viszonylag jól védett a statikus kisülésekkel szemben. Ezek a védődiódák azonban egyidejűleg ahhoz vezetnek, hogy egy rossz polaritású üzemi feszültség nagy áramot okoz, amely az IC-t tönkreteheti. Ezért nagyon ügyeljen az elem helyes csatlakoztatására. Az IC első beültetése előtt a csatlakozásokat pontosan párhuzamosan kell beigazítani, mert a gyártást követően kifelé egy kissé távol állnak egymástól. Az oldalak lábait a kellő kiigazítás érdekében nyomja össze egy kemény asztallapon. Majd helyezze az IC-t megfelelően a dugaszolható panelre. Ügyeljen arra, ha az IC-t helytelenül ülteti be, a 7-es és a 14-es csatlakozásokat kicseréli, úgy, hogy az üzemi feszültség fordított polaritással kerül csatlakoztatásra, akkor az IC tönkremegy. Az 1-es és a 14-es csatlakozások a baloldalon találhatók. Ezt egy bevágás jelzi.
Folytatás negyedik nap a következő oldalon.
Ezen előzetes megfontolások és az IC gondos beültetése után indul az első kísérlet. Az N-FET N1-et egy LED-nek kell bekapcsolnia. Ehhez a vezérlő kimenetet (6-os kivezetés) a +9 V-ra kell csatlakoztatni. Ennél a kísérletnél csak egy tranzisztor kerül alkalmazásra. Csak a 6, 7, 8 és 14 tranzisztorok kerülnek csatlakoztatásra, az összes többi szabadon marad. Az N-FET egy npn tranzisztorral helyettesíthető. A source csatlakozó (7-es kivezetés) az emitternek felel meg, a drain csatlakozó (8-as kivezetés) a kollektornak. A vezérlőelektródát gate-nek hívják, (6. kivezetés) és a bázisnak felel meg. Az npn-tranzisztortól eltérően a gate teljesen szigetelt. A FET-et ezért csupán egy rákapcsolt feszültség vezérli, és nincs szüksége vezérlő áramra. Változtassa meg az áramkört egyszer úgy, hogy a gate-et (6. kivezetés) a testre helyezi. A LED kialszik. Teszteljen egyszer egy nyitott gate alkalmazást is. Az eredmény esetleges és az ujjunk közelítésével befoláysolhatjuk. Már pár cm távolságból változtatható a tranzisztor állapota. Ezért a statikus töltések és az ezzel kapcsolatos mezők a felelősek.
5. nap Két LED bekapcsolása Nyissa ki az ötödik ajtót és vegye ki a zöld LED-et. Mindkét LED üzemeltetése soros kapcsolással történik. Ezúttal a P-FET vezeti az áramot. Ehhez a gate elektródát a Vss-re kell csatlakoztatni. A P-FET így vezet és mindkét LED-et bekapcsolja. A 4. számú kísérlethez képest kitűnik, hogy egy N-FET és egy P-FET funkciója azonos, de polaritása különböző. Minden kisérlet, mely N-FET-tel végezhető, P-FET-tel végezhető. Ebben az esetben tesztelje ismét a nyitott gate csatlakozást. Az eredmény a várakozásnak megfelelően esetleges. A Gate és a Vdd közötti csatlakozás ezzel szemben a LED-et kikapcsolja.
6. nap Egy digitális memória A 6. ajtó mögül egy 100 nF-os (nanofarad) kerámia kondenzátor kerül elő. A felirat 104, és 100.000 pF-ot jelent (pikofarad). Egy kondenzátor két fémfóliából áll, melyek között egy szigetelő réteg helyezkedik el. Feszültséggel tölthető fel és elektromos töltést tárol. Ebben a kísérletben a kondenzátor a P-FET Gate feszültségét tárolja. Két érintkező pár szolgál, a kondenzátor feltöltésére és kisütésére. Az érinkezéseket összeérinthetjük, vagy egyszerűen csak ujjunkkal megérinthetjük. Így a csatlakoztatott LED-ek bekapcsolása vagy kikapcsolása történik. A kondenzátor töltöttsége több másodpercig tart, úgy hogy a fennálló állapot tárolva marad.
Az áramkör egy dinamikus memória elvét mutatja amint az egy személyi számítógépben kerül alkalmazásra. Valamennyi memóriaegység lényegében egy kis kondenzátorból és egy FET-ből áll. Mivel a kondenzátor töltése nem marad fenn bármeddig, ezt egy dinamikus folyamat rendszeresen ismét fel kell, hogy frissítse. Egy dinamikus memóriával ellentétben a statikus memóriák nem igényelnek ilyen felfrissítést. Ehelyett azonban több alkatrészt igényelnek. Egy megfelelő kísérlet leírása ebben a kalendáriumban később kerül sorra.
7. nap LED fényerőszabályozó (dimmer) A hetedik ajtó mögött egy nagyohmos (10 MΩ-os) ellenállást talál. Színkódja barna, fekete, kék. Ezzel az ellenállással, valamint a már meglévő alkatrészekkel felépíthető egy elektronikus LED fényerőszabályozó. Mindkét kapcsoló érintkezővel a LED-ek tetszés szerinti fényerejét lehet beállítani. Anélkül, hogy közvetlen kapcsolat történne, elegendő az ujjal való érintés, miközben a bőrünk ellenállása mindkét érintkezőt összekapcsolja. Ezzel egy érintő érzékelőt nyerünk fényerőszabályozó funkcióval. Az érintkezések nyitásával, illetve elengedésével a beállított fényerő hosszú ideig állandó marad. A tároló kondenzátor ezúttal a a P-FET gate-je és a drain-je között helyezkedik el. Ezáltal egy integrátor áramkör keletkezik, melynek kimeneti feszültsége viszonylag lassan változik. A 10 MΩ-mal és 100 nF-al általában egy 1 másodperces időállandót kapunk. Az integrátor növeli a kondenzátor kapacitását, azonban látszólag a feszültség erősítési tényezőjének megfelelően. Ebben az esetben a maximum és a minimum közötti fényerő megváltoztatása több, mint 10 másodpercig tart. Ugyanez a funkció egy NFET-tel is elérhető. Figyelje meg még egyszer a 4. napon végzett kísérletet. Változtassa meg az áramkört úgy, hogy a LED fényerőszabályozás az NFET N1-el menjen végbe.
8. nap Piros-zöld tároló Egy 4,7 kΩ-os ellenállás (sárga, ibolyakék, piros) ellenállást a 8. szám ajtó mögött talál. Ez az ellenállás egy LED további előtétellenállásaként kerül alkalmazásra. Mindkét tranzisztor Drain-csatlakozása N1 és P1 csatlakoztatásra kerül. Így egy úgynevezett invertert nyerünk. Általában a két tranzisztor közül mindig csak egy vezet. Nagy bemeneti feszültség esetén N-FET vezet, és a Vss közös kimenetét kapcsolja. Kis bementi feszültség esetén ezzel szemben a P-FET vezet és a Vdd irányába kapcsolja a kimenetet. A végeredmény, hogy a kimeneti feszültség fordított a bemeneti feszültséggel szemben (invertált). Ebben az áramkörben a bemeneti feszültség az inverter 6-os kivezetésén a csupasz vezetékű kapcsoló érintkezők által vagy nagy, vagy nulla lehet. Egy közvetlen érintkező helyett elegendő két huzal ujjal történő érintése. A LED-ek ezért az érintkezések egyszerű érintésével átkapcsolhatók. Nyitott érintkezők esetén a fennálló állapot elméletileg végtelen ideig fennállhat. A gyakorlatban azonban a bemeneti feszültséget nem változtathatják meg szigetelési hibák. Kísérelje meg egyszer annak megállapítását, hogy egy ilyen állapot meddig marad változatlanul. Azzal a feltétellel, hogy a bemeneti feszültség vagy nulla, vagy az üzemi feszültséggel egyenlő, a két FET valamelyike teljesen zárt. Így a CMOS alkatrészek különleges jellemzője, hogy statikus üzemben csaknem saját fogyasztás nélkül működnek. Csak az átkapcsolás pillanatában folyik bemeneti feszültség, amikor mindkét FET vezet. 50 %-os bemeneti feszültség esetén az áramfelvétel maximális. Ennek a tartománynak az átlépésére azonban nagyon gyorsan sor kerül, úgy hogy a közepes áramfelvétel csekély marad. Ezért olyan áramkörök építhetők, melyek magas elem életartammal rendelkeznek. Ennek példája a digitális órák, melyek egy elemmel több, mint egy évig képesek üzemelni.
9. nap Háromfokozatú kapcsoló A 9, ajtó mögött egy sárga LED-et talál. Ezt a LED-et a piros LED-el együtt kell alkalmazni. A 10-MΩ-os ellenállás ezúttal az inverter bemenete és kimenete között helyezkedik el. A kimenet egy közepes, körülbelül 4,5 V-os feszültségre áll be. Így mindkét LED körülbelül fele fényerővel világít. A megvilágított felületek egyike narancsszínű. Azonban ezt az egyensúlyt a kimeneten lévő két érintkező képes megváltoztatni. Amennyiben egy érintkezést egy vezetékkel, vagy az ujjunkkal összekötünk, a két LED közül mindig csak az egyik világít. Így három szín választható: Piros, sárga és narancs. Az inverter ellenállását a kimenet és a bemenet között ebben az áramkörben egy visszacsatolás okozza és arról gondoskodik, hogy egy közepes feszültség kerüljön beállításra. Amennyiben a kimeneti feszültség túl magas az NFET jobban vezet, és a kimeneti feszültséget kissé lejjebb húzza. Amennyiben a kimeneti feszültség túl alacsony a PFET ennek megfelelően jobban vezet és a kimeneti feszültséget kissé magasabbra húzza. Végeredményképpen nyitott kapcsolók esetén a kimeneti feszültség körülbelül 4,5 V-ra áll be.
10. nap Piros, sárga vagy zöld Nyissa ki a 10. fiókot és vegyen ki egy további 10 MΩ-os ellenállást (barna, fekete, kék). Ezúttal összesen 4 FET kerül alkalmazásra. A második inverterrel az N2 és P2 FET-ekkel a Source csatlakozásokat (a 2-es és 4-es kivezetések) és a Drain csatlakozásokat (1-es és 5-ös kivezetések) is össze kell kötni. Ebben a kísérletben mindkét invertert egymás után kell kapcsolni. Ezzel a funkció még egyszer megfordul. Ha a felső érintkező zár, az alsó LED (zöld) felvillan, az alsó érintkező bekapcsolja a felső LED-et (piros). Nyugalmi állapotban a visszacsatolás miatt az első inverter fokozatban egy közepes feszültség keletkezik, ezáltal a kevert szín sárga lesz. Talán észrevette, hogy a második 10 MΩ-os ellenállást a kapcsolásban a 13-as és a 3-as kivezetések között egy huzalhidalással helyettesítenénk, ugyanúgy működne. Mindamellett segít megakadályozni a nem kívánt nagyfrekvenciás rezgéseket. Az áramkörben lévő összekötő vezetékek ugyanis kis kondenzátorokat képeznek, melyek az áramkör váratlan és véletlen működését eredményezhetik. Távolítsa el az áramkörből az első 10-MΩ-os ellenállást a 6-os kivezetés és a 8-as kivezetés között. Ezáltal nincs többé visszacsatolás, és a bemenet rendkívül nagy ellenállású. A két inverternek közösen nagy az erősítése. Az áramkör terében lévő elektromos mezők ezért a zöld és a piros közötti átváltást eredményezik, miközben a sárga köztes állapot alig vehető észre.
11. nap Fényvezérlés A tizenegyedik ajtó mögött egy fehér LED rejtőzködik. Ezt a kettős inverter bemenetére kell csatlakoztatni. A bemeneten két LED található záróirányban, ezek tehát nem világítanak. A 4,7-kΩ-os ellenállás csupán egy védőfunkciót tölt be arra az esetre, ha a két LED behelyezése véletlenül fordítva történne. Most mindkét LED fotodiódaként működik. A bemeneti feszültséget az IC a 6-os kivezetésén az határozza meg, a két érzékelő közül melyikra jut több fény. Egy LED mindenkori kézzel történő leárnyékolásával átkapcsolhatja a kimeneti állapotot. A fehér LED tehát tetszés szerint be- és kikapcsolható. A kísérlet valamennyi CMOS-IC egy bizonyos tulajdonságát mutatja, nevezetesen a rendkívül nagy ellenállású bemeneteket. Az átkapcsoláshoz ezért már a legkisebb áramok elegendőek. Egy LED fotodiódaként közepes fényerőnél csak pár nanoampert szolgáltat. Ennek ellenére ilyen kis áramok elegendőek egy biztos átkapcsoláshoz.
12. nap Elektromos mező érzékelő Egy további 4,7 kΩ-os ellenállást (sárga, ibolyakék, piros) talál a tizenkettedik fiókban. Ez ebben a kísérletben a két inverterfokozat összekapcsolására szolgál. A nyitott bemeneten ezúttal egy 10MΩ-os ellenállás van, egy antennaként van behelyezve. Tartsa kezét közel az antennához, és mozgassa a lábait egy szigetelő padlóburkolaton. Ekkor az elektromos töltések mozgásba jönnek, melyek a kimenetet átkapcsolják. Egy kis gyakorlattal a kimeneti állapotok célzottan kikapcsolhatók anélkül, hogy a kováltó ok láthatóvá válna. Azt gondolná az ember, hogy a LED-eket szellemi erők kapcsolták át. Lepje meg környezetét ezzel a kis varázstrükkel! Vegye kézbe az áramkört és mozogjon a szobában. A legtöbb esetben minden egyes lépés az elektromos mező változását erdeményezi. A LED-ek az Ön lépéseinek ütemére villognak. Közelítse az antennát egy szigetelt hálózati kábelhez. Ekkor hirtelen mindkét LED világít. A hálózati vezetéket egy 50-Hz- es váltakozó mező veszi körül, amely a LED-eket 50 Hz-es ütemben kapcsolja át. A gyors villogás alig felismerhető, úgy tűnik, hogy mindkét LED egyidejűleg világít. Az elektromos mező érzékelő olyan érzékeny, hogy még a falban lévő vezetékek is felkutathatók vele.
13. nap Flipflop memória Egy további 4,7 kΩ-os ellenállás (sárga, ibolya, piros) kerül elő a 13. számú ajtó mögül. Ezzel megvan a lehetőség arra, hogy mind a négy LED-et saját előtét ellenállásokkal lehessen üzemeltetni.
Ennek a napnak a kapcsolása egy statikus egy- bites memória működési módját mutatja. Ebben az esetben egy úgynevezett flipflopról van szó. Mindkét fokozatra történő visszacsatolással egy állapot tetszés szerinti ideig marad fenn. Az állapotot természetesen két érintkezővel lehet Reset-be (R) és Set-be (S) átkapcsolni. Az áramkört ezért RS flipflopnak is nevezzük.
A visszacsatolásnak az áramkörben az a szerepe, hogy, a FET-ek mindegyike vagy teljesen be-, bagy teljesen ki van kapcsolva. El lehet képzelni, hogy a bekapcsolást követő első pillanatban mindkét inverteren még közepes feszültség van. A középtől való legkisebb eltérés azonban felerősítésre kerül, és a visszacsatolással odahat, hogy a kiegyensúlyozatlanság gyorsan növekedik. Már pár mikrosecundum után is teljesen átbillen az áramkör a két lehetséges állapot valamelyikébe. Bekapcsoláskor a flipflop véletlen állapotba kerül, melyet nem lehet megjósolni. Csak gombnyomással érhető el biztosan egy kívánt állapot.
14. nap: Váltakozó villogó Villogó áramkör szükséges. Bár az utolsó áramkör visszacsatolása itt ismét rendelkezésre áll, de csak két kondenzátor található a visszacsatoló vezetékben. Egy állapot mindig csak addig marad fenn, amíg a kondenzátorok teljesen fel nem töltődnek. Ebben az esetben két darab 100 nF-os kondenzátor sorbakapcsolása történik. Ezáltal 50 nF-os kapacitást nyerünk, ami ebben az esetben körülbelül egy másodperces villogó intevallumot jelent.
A villogó lassabb működtetéséhez hidalja át a két kondenzátor egyikét. Az áramkör ekkor 100 nF-dal és körülbelül két másodperces ütemperiódussal működik. A villogó még lassabbam dolgozik, ha a két kondenzátort párhuzamosan kapcsolja.
15. nap Fényvezérlésű villogó A 15. ajtóban egy zöld LED-et talál. Cserélje ki az előző kapcsolás 10 MΩ-os ellenállását két sorba kapcsolt zöld LED-del, mint fényérzékelőkkel. A villogó gyorsasága ekkor az érzékelő LED-ek megvilágításától függ. Világítsa meg egy fényes lámpával közvetlenül az érzékelőket, ez egy gyors villogást eredményez. Közepes fényerő mellett a szobában eltelik pár perc a következő átváltásig. Az áramkör fénymérő készülékként is alkalmazható. Például össze lehet hasonlítani, hogy két zseblámpa közül melyik a fényesebb.
16. nap Vezetőképesség érzékelő A16. számú ajtó mögött egy további, 100 nF-os kondenzátort talál (felirat: 104). Most a villogót egy változtatható ellenállás érzékelőjévé alakíthatja át. Mindkét ellenőrző kábelt például megérinthetjük ujjal. Főként a bőrnedvességtől függő bőrellenállás befolyásolja a villogás frekvenciáját. Minél jobb a vezetőképesség, annál gyorsabban villog a LED. Fordítva, egy nagyobb bőrellenállás lassabb villogást eredményez. Tesztelje még egyszer a három kondenzátor különböző kombinációit, a többféle villogási frekvencia eléréséhez. Három 100nF-os kondenzátor sorba kapcsolva 33 nF-ot eredményez. Ezzel szemben párhuzamosan kapcsolva 300 nF-ot és csaknem tízszer kisebb villogási frekvenciát ér el.
17. nap Villanófény Egy következő, 4,7 kΩ-os ellenállás (sárga, ibolyakék, piros) rejtőzködik a 17. számú ajtó mögött. Valamennyi eddigi villogó teljesen szimmetrikus volt, azaz a LED a kimeneten egyenlő ideig volt beés kikapcsolva. Egy dióda segítségével a folyamat aszimmetrikussá válik. A piros LED ebben az áramkörben diódaként szolgál, és alig észrevehetően világít csak néhány pillanatig. Az egyik irányban a kondenzátorok a 10 MΩ-os ellenálláson keresztül lassan töltődnek, a másik irányban lényegesen gyorsabban töltődnek a LED-en és a 4,7kΩ-os ellenálláson keresztül. A fehér LED-en rövid felvillanások keletkeznek. Minden felvillanás rövidebb, mint egy millisecundum és ezért nem nagyon fényes. A teszteléshez több 4,7kΩ-os ellenállást alkalmazhat a piros LED-del sorba kapcsolva. Ez meghosszabbítja a felvillanásokat, ezáltal lényegesen jobban láthatóvá válnak. Fordítsa meg még egyszer a piros LED-et. Ekkor azt látjuk, hogy a fehér LED tartósan világít, ami periodikusan, rövid időre megszakad.
18. nap Fényvezérlésű villanófény A 18. számú ajtó mögött egy további, 100nF-os kondenzátor található. Az előző napi áramkör kis mértékben átépítésre kerül. A negatív visszacsatoló ellenállás nem kell az első inverter fokozatban, és a kondenzátor most négyszer 100 nF sorba kapcsolásából áll, amiből egy kisebb 25 nF-os kapacitás adódik. A zöld LED ebben az áramkörben egyúttal diódaként és fényérzékelőként működik. Áteresztési irányban a kondenzátor újratöltődik, ami egy rövid villanást eredményez. Záróirányban a töltési idő a mindenkori világítástól függ. Nagyon világos fénynél az egyes villanások gyorsabban követik egymást, kisebb világosságnál az egyes villanások közötti szünetek több percig tartanak. Hogy közepes fénynél ne kelljen túl sokat várni, a kondenzátor sorba kapcsolása csak 25nF-dal történik.
19. nap Elektronikus inga A 19. számú ajtóban egy további 100nF-os tárcsakondenzátor kerül elő. Most egy olyan áramkört építhet, melynek működése egy mechanikai ingáéhoz hasonlítható. Egy szabadon lengő ingát egyszer meglendítünk, ami hosszabb időn át, állandó ingafrekvenciával és csökkenő kilengéssel leng. Egy ingaóra minden mozgáskor egy kis energiát kap úgy, hogy a lengések fennmaradnak. Ez a kísérlet elektronikusan utánoz egy mechanikai ingát.
Az áramkör egy inverterből és egy fázistoló hálózatból áll, két, egyenként 10MΩ-os és 100nF-os RC-tagból. Egy további inverter kimeneti erősítőként szolgál egy LED-hez való csatlakozáshoz. Bekapcsoláskor az áramkör lassan lengeni kezd. A fehér LED periodikusan világosabb és gyengébb lesz. A fényerő-lengések gyengülnek és pár lengés után teljesen megszűnnek. Zárja rövidre a kapcsolóérintkezőt az inga ismételt meglökéséhez.
A kísérlet eredménye részben az elem állapotától függ. Éppen egy nagyon elhasznált elem okozhatja, hogy az áramkör vég nélkül villog. Ennek oka az elem nagyobb belső ellenállásában rejlik. A LED mindenkori bekapcsolásakor a feszültség legfeljebb 1 V-ra esik. Ez a feszültségugrás további visszacsatolást okoz a bemeneten és ezzel a lengéseket erősíti. Az alkáli elemeknek többnyire lemerült állapotban is van egy kis belső ellenállása. Az egyszerű cink-szén elemek esetében a belső ellenállás ezzel szemben nagyon nagy lehet.
20. nap Elektronikus hosszúidejű inga Nyissa ki a 10. számú fiókot és vegyen ki egy további 10MΩ-os ellenállást (barna, fekete, kék). Ez az ellenállás egy 100nF-os kondenzátorral együtt kerül alkalmazásra, hogy egy harmadik RC tagot megépíthessünk. A háromszoros fázistoló hálózattal javulnak a csillapítatlan lengések feltételei. Így a lengések lényegesen tovább tartanak, vagy tartósan meg is maradnak. Hogy az összes erősítés elegendő-e a korlátlan ideig tart lengésekhez, biztosan nem jósolható meg. Sok esetben A lengés lassan abbamarad, és közepes fényerővel végződik. A kapcsolóérintkező rövid idejű működtetésével az inga újból meglendíthető.
Az IC jellemzők szórásától és az elem állapotátol függően lehetséges, hogy ennek az áramkörnek elegendő az erősítése ahhoz, hogy tartós lengéseket hozzon létre. A lengés ebben az esetben nem áll le. A fényesség növelése érdekében a fehér LED-del párhuzamosan előtétellenállásként egy, vagy több 4,7kΩ- os ellenállást kapcsolhat. A későbbiek folyamán ebben az elektronokus kalendáriumban egyébként bemutatásra kerül az az áramkör, amely nagyobb erősítéssel működik, és tartós lengéseket garantál.
21. nap Érintésérzékelő Egy további, 100nF-os kondenzátor található a 21. számú ajtó mögött. Ennek a napnak az áramköre egy jelgenerátor a kilohertz tartomány frekvenciáihoz. A két zöld LED-et ezúttal kis kondenzátorokként alkalmazzuk. Mindegyik LED záróirányban egy nagyon kicsi, 5pF-os (pikofarad) kondenzátort jelenít meg. Egy lassú villogóból így egy gyors, körülbelül 2 kHz-es szignálgenerátor válik. A kimeneten a 100nF-os kondenzátoron keresztül váltakozó áram folyik, amitől a piros és a sárga LED világít. A kimeneti LED-eket ellentétes irányban kell beültetni, mivel mindegyikük a váltakozó áram egy félhullámát vezeti. Az áramkör két pontja a kivezető huzalok útján érinthető. Érintse meg először a B csatlakozást. Ekkor a rezgések megállnak, a LED-ek kialszanak. Ez tulajdonképpen meglepő, mert Ön csak egy pontot érint, és nem zár egy áramkört. Az Ön ujja és ezzel az egész teste ebben az esetben úgy működik, mint egy kondenzátor lemeze. A nagy kondenzátorlemez távolság miatt a kapacitás ennek ellenére kicsi és csupán pár pikofarád. Ez a kapacitás azonban elegendő ahhoz, hogy megállítsa a szignálgenerátort.
A második kísérlet során érintse meg együtt az A és B csatlakozókat. Ezúttal az erdemény épp az ellenkezője: A LED-ek fényesebben világítanak. Az érintés ugynis áthidalta a második, 10MΩ-os ellenállást az áramkörben, ezzel az összes erősítést és a frekvenciát legfeljebb 5 kHz-ig növelte.
22. nap Fénysorompó Egy további 4,7 kΩ-os ellenállás (sárga, ibolya, piros) kerül elő a 22. számú ajtó mögül. Kis változtatásokkal az utolsó kapcsolásból egy érzékelő lesz, amely a fényre és az árnyékra reagál. A két kivezető huzalra nincs szükség. Az áramkör kimenetén lévő csatolókondenzáror értékét a nagyobb fényerő érdekében meg kell kétszerezni. A két zöld LED itt is kis kondenzátorként működik és az áramkör kapcsolási frekvenciájáért felel. Ezek a LED-ek egyúttal fényérzékelők is. Nagyon nagy fény esetén a vezetőképességük úgy megnő, hogy egyre inkább ellenállásként viselkednek. Megfelelő fényerő esetén a jelgenerátorból hirtelen statikusan visszacsatolt flipflop lesz. Így a kimenet vagy bekapcsolt, vagy kikapcsolt állapotban áll meg. Döntő, hogy ne legyen több rezgés.
Így a kondenzátorokon keresztül nem folyik váltakozó áram, a LED-ek többé nem világítanak. Ha egy erős fényforrást irányít az érzékelő LED-ekre, a kimeneti LED-ek kialszanak. Ha azonban a fényt egy tárgy, vagy egy személy leárnyékolja, a kimeneti LED-ek ismét kigyulladnak. Cserélje ki a 10MΩ-os visszacsatoló ellenállást a két inverter között (13-as kivezetés, 3-as kivezetés) a sokkal kisebb 4,7kΩ-os ellenállásra. Ezzel nő a generátor frekvencia és a LED-ek fényesebben világítanak. Erősebb megvilágításkor a LED-ek mint eddig, kialszanak.
23. nap Háromfázisú gyűrűs oszcillátor A 23. számú fiókban még egy 4,7kΩ-os (sárga, ibolyaszín, piros) ellenállást talál. Ennek a napnak a kísérlete először alkalmazza mind a hat 4007-es FET-et. P3 és N3 harmadik inverterként kerül csatlakoztatásra. Mind a három inverter a 10 MΩ-os ellenállásokon keresztül gyűrűbe van csatlakoztatva. Együtt egy gyűrűs oszcillátort képeznek. Egy hullám valamennyi inverteren keresztül végig halad, így körbe fut. A három kondenzátor megfelelő lassulásról gondoskodik úgy, hogy a rezgések a három LED-en láthatóvá válnak. Ha a keletkezett rezgéseket egy körben képzeljük el, akkor a LED-ek között mindig 120 fokos fáziseltolódás van, tehát a teljes kör harmada. Ahhoz, hogy megértsük, minként keletkeznek a rezgések, mindenek előtt három inverterből kell kiindulnunk. A fázis összesen 180 fokban el lesz fordítva. A csatolás a kimenetről a bemenetre tehát egy negatív visszacsatolás. Meg kell várni, hogy egy stabil közepes feszültség beálljon. A közbeiktatott RC tagokkal egy zavar bizonyos időeltolódással kerül utánszabályozásra. Ez további fáziseltolódáshoz vezet, ami a negatív visszacsatolásból visszacsatolást csinál. Bizonyos frekvencián az összes fázisforgatás éppen nulla úgy, hogy színusz alakú rezgések keletkeznek.
24. nap Hatos LED villogó December 24-én egy egészen különleges áramkört épít. Az utolsó ajtó mögött egy kéken világító világítódiódát talál, átlátszó házban. Így összesen hat LED-del rendelkezik. Mindet egy közös áramkörben kell felhasználni. Ehhez az utolsó kísérlet áramköre három LED-del, három saját előtételellenállással bővül. A három felső LED éppen ellentétes fázisban világít az alsó LED-ekkel szemben. A három LED fázisból összesen hat lesz. A be és ki állapotok között mindig puha átmenetek vannak úgy, hogy ez a színes világítás kellemesen üdítő hatást kelt. Függessze ezt a szerkezetet a karácsonyfára és élvezze a különleges fényhatásokat.
Amennyiben az áramkörrel még egyéb kísérletet szeretne végezni, vegye figyelembe a megmaradt alkatrészeket. Van még három további100nF-os kondenzátora. Két kondenzátor párhuzamos kapcsolásával az áramkört félsebességgel működtetheti. Fordítva, az áramkör a két kondenzátor sorba kapcsolásával mégegyszer olyan gyorsan működik. A 4,7kΩ-os ellenállás sem került felhasználásra. A meglévő ellenállás párhuzamos kapcsolásával a megfelelő LED-et kétszeres árammal működtetheti. Erre akkor kerül sor, ha a LED-ek egyike túl gyengének bizonyul. Bizonyára van még sok értelmes áramköri variáció. Engedje szabadjára a találékonyságát!
Conrad adventi naptár 24 kísérlettel Elég már az unalmas csokoládés adventi naptárakból! Ezzel az adventi elektronikus kalendáriummal̈ érdekes kísérletekkel rövdítheti le a karácsonyi várakozási időt. Minden napon egy új alkatrészt talál̈ Ezzel az adventi elektronikus kalendáriummal̈ az ajtók mögött A mellékelt kézikönyv ehhez minden napra egy új kísérletet mutat be, anélkül, hogy forrasztani kellene és nagyon alkalmas̈ a hobbi, az iskola, a tanulmányok, a kiképzés és a hivatás területén! December 24-én az összegyűjtött alkaltrészekkel egy nagyobb projektet építhet, amellyel a karácsonyfáẗ̈ díszítheti. Több tanács nincs, de szabad izgulni!
Nem szükségesek előismeretek, ha ̈ lépésről-lépésre követi a könyv utasításait. A végére a kezdők is megszerzik az alapvető elektronikai és kapcsolástechnikai ismereteket. Ideális lehetőség fiatalok számára is,̈ hogy lelkesedjenek ez iránt az izgalmas téma iránt! Az egyetlen, amire még szükség van: egy 9V-os elem.
Plusz! Gyűjtő-bónusz A praktikus tudáskártyák December 24-e után vágja ki az információkaẗ a kalendárium hátlapján. Ezek karácsony után is jó szolgálatot tehetnek. A gyűjtőkártyákkal minden évben lépésről-lépésre bővíthetï elektronikai ismereteit.
Impresszum © 2012 Franzis Verlag GmbH, 85540 Haar bei München www.elo-web.de Autor: Burkhard Kainka ISBN 978-3-645-10103-1
Készült a Conrad Electronic SE megbízásából, Klaus-Conrad-Str. 1, 92240 Hirschau Minden jog fenntartva, a fotómechanikus lejátszásé és az elektronikus médiákon történő mentésé is. Másolatok előállítása és sokszorosítása papíron, adathordozón vagy az Interneten, különösen PDF-ként csak a kiadó írásos engedélyével lehetséges, ellenkező esetben büntetőjogi következményekkel járhat. A legtöbb hardver és szoftver termékmegnevezés, valamint céges logó, ami ebben a műben szerepel, rendszerint bejegyzett termékmegjelölés és aként kell őket tekinteni. A kiadó lényegében a gyártó írásmódját alkalmazza a termékmegnevezéseknél. A kézikönyvben bemutatott kapcsolások és programok a lehető legnagyobb gondossággal lettek kifejlesztve, bevizsgálva és tesztelve. Ennek ellenére nem lehet teljesen kizárni a kézikönyvben és a szoftverben előforduló hibákat. A kiadó és a szerző a hibás adatokért és következményeikért nem vállal felelősséget.
Elektromos és elektronikus készülékeket nem szabad a háztartási szeméttel együtt selejtezni! Az elhasznált terméket az érvényes törvényi előírásoknak megfelelően kell ártalmatlanítani. A leadáshoz gyűjtőállomásokat létesítettek, ahol ingyenesen leadhatja elektromos készülékeit. Lakhelyén a hatóságoknál informálódhat, hol talál ilyen gyűjtőállomást.
A termék megfelel a vonatkozó CE irányelveknek, amennyiben azt a mellékelt útmutató szerint használja. A használati útmutató a termékhez tartozik, és vele kell adnia, ha a terméket továbbadja.
