1. Přípravy k provádění experimentů Seznam součástek a dalších součástí stavebnice
Stavebnice pro elektroniky
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.
Obj. č.: 19 22 30
Obr. 1.1: Experimentální deska SYB-46 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 svítivých diod (LED) a tranzistorů 25 různými experimenty (zapojeními).
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.
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.
Obsah Strana 1. Přípravy k provádění experimentů ........................................................................................................................2 2. První pokusy se svítivými diodami .......................................................................................................................5 2.1 Svítivá dioda s předřazeným odporem....................................................................................................................5 2.2 Směr toku elektrického proudu svítivou diodou ......................................................................................................6 2.3 Velikost protékajícího proudu svítivou diodou.........................................................................................................6 2.4 Použití svítivé diody jako kontrolky (světelné signalizace) se spínačem (s tlačítkem) ...........................................7 3. Technologie obvodů spínací techniky se svítivými diodami .............................................................................8 3.1 Prahové hodnoty svítivých diod...............................................................................................................................8 3.2 Zapojení svítivých diod do série..............................................................................................................................9 3.3 Nízký odběr proudu (nízká spotřeba elektrické energie) – vysoká intenzita světla ..............................................10 3.4 Paralelní zapojení svítivých diod ...........................................................................................................................10 3.5 Barevné hry...........................................................................................................................................................11 3.6 Použití svítivé diody jako bleskového světla .........................................................................................................12 4. Testovací přístroje se svítivými diodami (zkoušečky) ......................................................................................12 4.1 Zkoušečka kabelů, pojistek, žárovek (optická signalizace průchodnosti obvodů) ................................................12 4.2 Kontrola vodní hladiny (zkoušečka naplnění nádrží vodou a elektrické vodivosti vody).......................................13 4.3 Poplachová zařízení se svítivými diodami (alarmy) ..............................................................................................14 4.4 Kontrola polarity napájecích zdrojů .......................................................................................................................14 4.5 Zkoušečka napětí baterií.......................................................................................................................................15 4.6 Svítivé diody jako čidla (senzory) teploty ..............................................................................................................16 5. Zapojení s tranzistory...........................................................................................................................................17 5.1 Tranzistor jako zesilovač (spínač).........................................................................................................................17 5.2 Doběhové řízení tranzistorem (zpožďovací obvod) ..............................................................................................17 5.3 Dotykové čidlo (senzor reagující na dotyk rukou) .................................................................................................18 5.4 Svítivá dioda reagující na světlo (světelné čidlo) ..................................................................................................19 5.5 Konstantní (neměnný) jas svítivé diody (stabilizace proudu) ................................................................................20 5.6 Čidlo teploty s tranzistory (proudové zrcadlo) .......................................................................................................20 5.7 Bistabilní klopný obvod (tranzistorový přepínač)...................................................................................................21 5.8 Použití svítivé diody jako přerušovaného světla (blikače).....................................................................................22
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 K napájení elektronických obvodů (zapojení) budete potřebovat různé baterie (s různým napětím). Kromě baterií můžete použít k napájení elektronických obvodů též vhodný (nejlépe stabilizovaný) síťový napájecí zdroj (adaptér).
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
2
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.
1,5 V
4,5 V
6V
9 . . . 12 V
Obr. 1.4: Schématické značky baterií s různým napětím Svítivé diody (LED) Zkratka LED znamená „Light Emitting Diode“ (dioda emitující [vyzařující] světlo). Tato stavebnice obsahuje dvě červené LED, jednu zelenou LED a jednu žlutou 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.
Barevné označení odporů proužky začíná prvním levým proužkem. První dva proužky znamenají dvě číslice základní hodnoty odporu, třetí proužek představuje násobitel (multiplikátor) základní hodnoty v ohmech (Ω) čtvrtý proužek znamená toleranci.
a
Tabulka 1.2: Barevné označení odporů Barva
1. proužek 1. číslice
Černá
2. proužek 1. číslice
3. proužek Multiplikátor
0
1
4. proužek Tolerance
Hnědá
1
1
10
1%
Červená
2
2
100
2%
Oranžová
3
3
1.000
Žlutá
4
4
10.000
Zelená
5
5
100.000
Modrá
6
6
1.000.000
Fialová
7
7
10.000.000
Šedá
8
8
Bílá
9
9
Zlatá
0,1
5%
Stříbrná
0,01
10 %
Rezistor označený žlutým, fialovým, hnědým a zlatým proužkem má hodnotu 470 Ω a toleranci ± 5 %. Tato stavebnice obsahuje po dvou rezistorech s následujícími hodnotami: 100 Ω (hnědý, černý a hnědý proužek); 220 Ω (červený, červený a hnědý proužek); 330 Ω (oranžový, oranžový a hnědý proužek); 470 Ω (žlutý, fialový a hnědý proužek); 1 kΩ Ω (hnědý, černý a červený proužek); 10 kΩ Ω (hnědý, černý a oranžový proužek); 100 kΩ Ω (hnědý, černý a žlutý proužek) Tranzistory Tranzistory jsou elektronické součástky, které zesilují proud. Tato stavebnice obsahuje dva křemíkové tranzistory NPN „BC547“.
Obr. 1.5: Svítivá dioda a její schématická značka Odpory (rezistory) Odpory (rezistory), které jsou součástí této stavebnice mají uhlíkovou vrstvu a toleranci ± 5 %. Jinak jsou tyto odpory vyrobeny z keramické trubičky a jejich uhlíková odporová vrstvička je opatřena ochranným nátěrem (lakem). Příslušnou hodnotu odporu a její přesnost (toleranci) poznáte podle uspořádání barevných proužků na ochranném nátěru.
Obr. 1.7: Tranzistor a jeho schématická značka 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.
Obr. 1.6: Odpor (rezistor) a jeho schématická značka Hodnoty odporů s tolerancí ± 5 % 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
3
1,5 27 4,7 8,2
1,6 3,0 5,1 9,1
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). 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
4
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 kondenzátoru s následnou explozí. Minus kontakt (-) těchto kondenzátorů bývá označen bílým proužkem a jeho vývod je kratší. V této stavebnici se nachází jeden elektrolytický kondenzátor 47 µF / 25 V DC.
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.
Nyní si vyzkoušejte druhou variantu tohoto zapojení. Prohoďte mezi sebou LED a její předřadný odpor. Elektrický proud začne v tomto případě protékat nejprve svítivou diodou a teprve poté jejím předřadným odporem. Jinak je funkce tohoto zapojení naprosto stejná jako v prvním případě.
Obr. 1.8: Elektrolytický kondenzátor a jeho schématická značka
2. První 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 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 (= 1000 Ω, s barvami proužků: hnědá, černá a červená).
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). 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. 2.2: Osazení experimentální desky (zapojení LED s předřadným odporem)
Pravděpodobně se svítivá dioda rozsvítí po prvním provedeném pokusu osazení experimentální desky. Pokus se tak nestane, pokuste se objevit chybu v provedeném propojení. Zkontrolujte polohu součástek (správnou polaritu
5
Obr. 2.3: Prohozené zapojení
Obr. 2.4: Osazení experimentální desky
2.2 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.
Obr. 2.5: Zapojení LED v závěrném směru (dioda nesvítí) Šipky v zapojení na obrázku 2.6 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. 2.6. 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. 2.6: Definice směru toku elektrického proudu 2.3 Velikost protékajícího proudu svítivou diodou Zapojte nyní do experimentální desky místo odporu 1 kΩ odpor s menší hodnotou 470 Ω (barvy proužků: žlutá, fialová, hnědá). Po této akci se LED rozsvítí jasnějším světlem. Toto znamená, že diodou protéká vyšší proud.
6
V tomto případě platí následující pravidlo: Čím vyšší hodnotu odporu předřadíte před svítivou diodu, tím nižší proud bude touto diodou protékat.
Obr. 2.9: Drátové tlačítko Obr. 2.7: Nižší hodnota předřadného odporu = vyšší jas LED Pokuste se nyní zjistit jas všech svítivých diod, které jsou součástí této stavebnice, předřazením odporů s hodnotami 1 kΩ (barvy proužků: hnědá, černá, červená), 470 Ω (barvy proužků: žlutá, fialová, hnědá) a 330 Ω (barvy proužků: oranžová, oranžová, hnědá). Nepoužívejte v tomto případě odpory s nižší hodnotou než 330 Ω, neboť by diodami protékal příliš velký proud a mohli byste je zničit.
Obr. 2.10: Zapojení LED s tlačítkem
Tuto konstrukci světelné signalizace můžete použít pro různé účely. V principu lze toto zapojení využít k přenosu zpráv pomocí Morseovy abecedy (morseovky). 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.
3. Technologie obvodů spínací techniky se svítivými diodami Je velmi snadné postavit nějaké zapojení podle předloženého schématu s doporučenými součástkami. Ale kdo se chce skutečně vyznat v technologii obvodů spínací techniky, měl by si prostudovat teorii a dále si například vypočítat hodnoty odporů, které bude potřebovat ke konstrukci určitého zapojení. V této kapitole přinášíme „trochu teorie“, která se týká této tématiky a která „nikoho nezabije“. Spojte praxi s teorií, navrhněte vlastní zapojení a otestujte je. 3.1 Prahové hodnoty 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.
Obr. 2.8: LED s předřadným odporem 470 Ω Maximální dovolený proud, který může protékat těmito svítivými diodami, činí 20 mA. V následující tabulce uvádíme závislost skutečného protékajícího proudu použitými diodami na hodnotě odporu, který před ně předřadíte. 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 k jejich výkonu, které se projeví snížením jejich jasu. Tabulka 2.1: Proud protékající LED při použití baterie 9 V Odpor
Červená LED
Žlutá LED
Zelená LED
330 Ω
21,4 mA
21,1 mA
20,8 mA
470 Ω
15,1 mA
14,9 mA
14,7 mA
1 kΩ (1.000 Ω)
7,2 mA
7,1 mA
7,0 mA
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 jednu červenou LED přímo k baterii s jmenovitým napětím 1,5 V (například k takzvané tužkové baterii velikosti „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.
2.4 Použití svítivé diody jako kontrolky (světelné signalizace) se spínačem (s tlačítkem) Vytvořte jednoduché tlačítko z odizolovaného propojovacího drátu (viz obr. 2.9). Toto tlačítko, bude-li nestisknuté, představuje přerušení obvodu. Po stisknutí tohoto tlačítka spojíte dva kontakty, čímž přivedete do diody elektrický proud. Jakmile uvolníte stisknutí tohoto drátového tlačítka, pak pružná síla tohoto drátku (tlačítka) způsobí rozpojení těchto dvou kontaktů. V zapojení použitá svítivá dioda bude svítit pouze tehdy, podržíte-li toto drátové tlačítko stisknuté.
Obr. 3.1: Přímé připojení LED k baterii 1,5 V
7
Obr. 3.2: Schéma zapojení
8
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). Žlutá svítivá dioda se se svými parametry nachází někde mezi červenou a zelenou LED a bude svítit v tomto případě velmi slabě (slaběji než červená LED). Jak velký proud protéká svítivými diodami při různém napětí? Na obrázku 3.3 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. 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 se zvyšujícím proudem, který protéká oběma svítivými diodami. Pouze nepatrné zvýšení napájecího napětí znamená značné zvýšení proudu, který může svítivé diody zničit.
Obr. 3.4: Červená a zelená LED v sérii
Obr. 3.5: Sériové zapojení dvou LED
3.3 Nízký odběr proudu (nízká spotřeba elektrické energie) – vysoká intenzita světla V mnoha případech znamená zapojení více svítivých diod do série vyšší účinnost, protože tímto dochází k úspoře elektrické energie, která se jinak mění ve ztrátovou tepelnou energii vyšším zahříváním předřadného odporu. Cílem takovéhoto zapojení je, aby byl úbytek napětí na předřadném odporu svítivých diod zapojených do série pokud možno co nejnižší. Na následujících dvou vyobrazeních (viz následující strana) vidíte zapojení červené, žluté a zelené svítivé diody do série. Celkové napětí na těchto svítivých diodách činí „1,8 V + 2,1 V + 2,2 V = 6,1 V“. Na předřadném odporu bude tedy úbytek napětí 2,9 V.
Obr. 3.3: Charakteristiky červené a zelené LED
Aby svítivými diodami protékal proud 20 mA, měli byste před dně zapojit odpor 145 Ω. Ale použijete-li podle normované řady E 24 předřadný odpor 220 Ω, budou ještě tyto svítivé diody svítit velmi jasně. Místo 20 mA bude jimi protékat proud 15 mA. Tím prodloužíte také životnost 9 V baterie.
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) podle následující tabulky. Tabulka 3.1: Typická napájecí napětí svítivých diod Barva
Napětí při 20 mA
Červená
1,9 V
Žlutá
2,1 V
Zelená
2,2 V
Obr. 3.6: Červená, žlutá a zelená LED v sérii
3.2 Zapojení svítivých diod do série 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 10 mA napětí na kontaktech „1,9 V + 2,2 V = 4,1 V“. Na kontaktech předřadného odporu bude tedy napětí „9 V – 4,1 V = 4,9 V“. Aby těmito do série zapojenými svítivými diodami protékal skutečně proud 10 mA, musí být jejich předřadný odpor správně dimenzován.
Obr. 3.7: Sériové zapojení tří LED
3.4 Paralelní zapojení svítivých diod Pokud budete napájet z jednoho zdroje dva nebo více elektrických spotřebičů, existují dvě možnosti jejich připojení: Paralelní nebo sériové zapojení.
Hodnotu předřadného odporu vypočítáme podle Ohmova zákona podle následující rovnice: Obr. 3.8: Paralelní a sériové zapojení (napájení) elektrických spotřebičů
R = U / I; R = 4,9 V / 10 mA = 490 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 470 Ω). V tomto případě bude oběma svítivými diodami protékat poněkud vyšší proud než 10 mA (cca 10,426 mA), což neznamená žádnou podstatnou změnu z důvodů strmých charakteristik svítivých diod.
Zapojíte-li dva elektrické spotřebiče k napájecímu zdroji do série (viz obr. 3.8 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).
9
10
Tento způsob zapojení jsme popsali v odstavci „3.2 Zapojení svítivých diod do série“. Při tomto zapojení 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. Zapojíte-li dva elektrické spotřebiče k napájecímu zdroji paralelně (viz obr. 3.8 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 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. Tabulka 3.2: Minimální hodnoty odporů při různých napájecích napětích LED Červená / 20 mA / 1,8 V Žlutá / 20 mA / 2,1 V Zelená / 20 mA / 2,2 V
3V 60 Ω 45 Ω 40 Ω
6V 210 Ω 195 Ω 190 Ω
9V 360 Ω 345 Ω 340 Ω
12 V 510 Ω 495 Ω 490 Ω
Na následujícím vyobrazení (obr. 3.9) vidíte příklad paralelního zapojení tří různých svítivých diod s vlastními předřadnými odpory. Žlutou svítivou diodou by měl protékat vyšší proud, aby se vyrovnal její jas s oběma dalšími svítivými diodami. V tomto zapojení (na obr. 3.9) uvádíme rovněž naměřené hodnoty proudu, který protéká jednotlivými LED. Celkem tyto LED odebírají proud 28,9 mA.
Obr. 3.11: Přepínání barev pomocí tlačítka
Obr. 3.12: 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. 3.6 Použití svítivé diody jako bleskového světla 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 8 Ws (wattsekund). Tento výše popsaný princip bleskového světla můžete napodobit také se svítivou diodou (například se žlutou). Takto vyrobený blesk však nebude tak výkonný, jako blesky s xenonovými žárovkami. Nabijte baterií 9 V přes odpor 100 kΩ elektrolytický kondenzátor 47 µF. Energie blesku z důvodů velmi nízkého protékajícího proudu kondenzátorem bude představovat hodnotu asi 2 mWs (miliwattsekundy).
Obr. 3.9: Paralelní zapojení tří různých LED
Obr. 3.10: Tři různé LED s různými předřadnými odpory 3.5 Barevné hry Podle kapitoly „2. První pokusy se svítivými diodami“ a jejího odstavce „2.1 Svítivá dioda s předřazeným odporem“ vytvořte obvod z baterie 9 V, z jedné zelené svítivé diody a z předřadného odporu 1 kΩ. Po provedení tohoto zapojení začne zelená svítivá dioda normálně svítit. Dále připojte paralelně k této zelené LED jednu červenou LED (tedy katodu ke katodě a anodu k anodě). Po této úpravě zapojení začne svítit červená LED, zatímco zelená LED svítit nebude. Možná, že se Vám bude zdát nenormální a překvapující, jestliže mezi anody obou svítivých diod zapojíte do série drátové tlačítko a tisknutím a uvolněním stisknutí tohoto tlačítka budete střídavě přepínat rozsvěcování obou svítivých diod (červené a zelené) – viz odstavec „2.4 Použití svítivé diody jako kontrolky (světelné signalizace) se spínačem (s tlačítkem)“.
11
Tento elektrolytický kondenzátor se nabije na dostačující náboj po uplynutí asi 5 sekund. Po uplynutí této doby stiskněte na experimentální desce drátové 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 drátové tlačítko déle stisknuté, nepatrně svítit, protože skrz ní protéká nepatrný proud přes odpor 100 kΩ.
Obr. 3.13: LED jako bleskové světlo
Obr. 3.14: Schéma zapojení blesku s LED
4. Testovací přístroje se svítivými diodami (zkoušečky) Často nám pomohou při vyhledávání různých závad jednoduché testovací přístroje, které nám usnadní provádění různých kontrol. Jednoduché přístroje se svítivými diodami šetří elektrický proud a jsou i přes svou jednoduchost velmi efektivní. K přednostem svítivých diod patří jejich dobrá viditelnost i při nízkém proudu, který jimi protéká, jakož i jejich prahová napětí, která můžeme použít jako napětí referenční. 4.1 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,
12
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. 4.1: Zkoušečka průchodnosti obvodů
Obr. 4.2: 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. U mnohých vadných síťových napájecích zdrojů neboli adaptérů bývá příčinou jejich nefunkčnosti většinou přepálená interní pojistka. 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 zkoušet v propustném směru.
je
Jestliže se svítivá dioda, kterou kontrolujete touto zkoušečkou, nerozsvítí, pak jste ji připojili ke zkoušečce v závěrném směru nebo je tato dioda přerušená. 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. 4.2 Kontrola vodní hladiny (zkoušečka naplnění nádrží vodou 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 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. 4.3: 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. 4.3 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. 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. 4.4: Poplachové zařízení
Obr. 4.5: Schéma zapojení alarmu
4.4 Kontrola polarity napájecích zdrojů
13
14
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. 4.9: Kontrola napětí v rozsahu 6 V až 9 V
Obr. 4.6: Zkoušečka polarity
Obr. 4.7: Schéma zapojení
Obr. 4.10: Zkoušečka baterií s napětím 9 V
4.6 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. 4.11 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.
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. 4.5 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 odstavec „3.1 Prahové hodnoty svítivých diod“ a „Obr. 3.1 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.
Obr. 4.8: 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. 4.8 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. U = Ucelk x R1 / (R1 + R2) U = 9 V x 220 Ω / 1220 Ω = 1,62 V V praktickém použití svítí tato 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. Použijete-li v tomto děliči napětí odpor R1 s hodnotou 330 Ω, pak je nožné stav nabití baterie zkontrolovat snadněji. Při napětí baterie 9 V bude tato 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 zcela svítit.
15
Obr. 4.11: Porovnání dvou teplot pomocí dvou LED 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).
Obr. 4.12: Stejná teplota a stejný jas obou LED 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. 4.13). 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.
16
Obr. 4.13: Přenos tepla drátkem
5. Zapojení s tranzistory Ve všech výše uvedených zapojeních byly použity pouze svítivé diody a odpory (rezistory) a v jednom případě také elektrolytický kondenzátor. V dalších zapojeních popisujeme obvody se svítivými diodami s použitím tranzistorů (včetně vysvětlení základních funkcí tranzistorů). 5.1 Tranzistor jako zesilovač (spínač) Zapojení na obr. 5.1 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 zasílení, 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. 5.3: Zpožďovací obvod (prodloužení vybití kondenzátoru) V tomto případě (viz obr. 5.3) 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 5 sekund. Po uplynutí této doby postačí malý proud báze k plnému otevření tranzistoru a červená LED bude svítit poměrně dlouhou dobu.
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.
Obr. 5.4: Zapojení minutového světla
Obr. 5.1: Tranzistor NPN v zapojení se společným emitorem
Abyste rozsvítili LED, pak v praxi postačí pouze krátké stisknutí drátového tlačítka na experimentální desce. Po této akci začne svítivá dioda svítit velmi jasně (naplno) po dobu asi 5 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. 5.3 Dotykové čidlo (senzor reagující na dotyk rukou) 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. 5.5) jsou propojeny kolektory obou tranzistorů (zapojení se společným kolektorem). Toto Darlingtonovo zapojení dvou tranzistorů se chová jako jeden tranzistor s vysokým zesilovacím činitelem.
Obr. 5.2: Osazení experimentální desky součástkami 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. 5.2 Doběhové řízení tranzistorem (zpožďovací obvod) Zesilovací činitel tranzistoru lze rovněž použít k prodloužení vybití kondenzátoru. V zapojení na obr. 5.3 je použit elektrolytický kondenzátor s kapacitou 47 µF, který nabijete krátkým stisknutím drátového tlačítka. Po uvolnění stisknutí drátového tlačítka vybijete tento kondenzátor malým proudem přes bázi tranzistoru v zapojení se společným emitorem.
17
Obr. 5.5: Darlingtonovo zapojení 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
18
odpor (10 MΩ), aby tento proud dokázal rozsvítit ke společnému kolektoru obou tranzistorů připojenou svítivou diodu. V praxi místo použití odporu s vysokou hodnotou (10 MΩ) můžeme použít takzvaný dotykový kontakt. Z důvodů vysokého zesílení postačí, když se tohoto kontaktu (například dvou odizolovaných vodičů) dotkneme lehce suchým prstem. Ochranný odpor 100 kΩ (zařazený do větve dotykového kontaktu) slouží k ochraně tranzistorů pro případ náhodného zkratování dotykového senzoru.
5.5 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. 5.9 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 dioda zapojená do okruhu kolektoru nepotřebuje žádný předřadný odpor, neboť proud, který ji protéká, je regulován tranzistorem.
Obr. 5.6: Dotykový senzor 5.4 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 můžete využít též jako fotodiodu. Velmi malý proud, který bude touto diodou protékat v závěrném směru, zesílíte dvěma tranzistory tak, že po osvětlení svítivé diody (fotodiody) začne svítit i druhá svítivá dioda.
Obr. 5.7: LED jako světelné čidlo (fotodioda) Budete-li provádět tento pokus při normální intenzitě okolního osvětlení, pak toto osvětlení postačí k tomu, aby se druhá svítivá dioda rozsvítila. Funkci tohoto zapojení vyzkoušejte zastíněním příslušné diody rukou (zastiňte rukou svítivou diodu, která představuje fotodiodu.
Obr. 5.9: Stabilizovaný zdroj proudu
obr. 5.10: Stabilizace jasu svítivé diody Vyzkoušejte toto zapojení s novou (zcela nabitou) baterií a s velmi vybitou baterií 9 V. Pokud bude na baterii dostatečné zbytkové napětí, bude zelená dioda stále velmi jasně svítit. 5.6 Čidlo teploty s tranzistory (proudové zrcadlo) Zapojení na obr. 5.11 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. 5.8: Osazení experimentální desky
19
20
Obr. 5.14: Jednoduchý tranzistorový přepínač Obr. 5.11: Takzvané proudové zrcadlo 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.
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. 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. 5.8 Použití svítivé diody jako přerušovaného světla (blikače) K tomuto účelu použijte následující bistabilní klopný obvod, který se sám přepíná. Zde se bude jednat opět o dva tranzistory v zapojení se společným emitorem. Funkci přepínacího tlačítka v tomto zapojení nahrazuje elektrolytický kondenzátor, který se stále nabíjí a vybíjí.
Obr. 5.12: Použití tranzistorů jako čidla (senzoru) teploty 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. 5.7 Bistabilní klopný obvod (tranzistorový přepínač) Zapojení tranzistorů se dvěma stabilními stavy se nazývá bistabilní klopný obvod nebo také tranzistorový přepínač. Jedna ze dvou svítivých diod bude svítit nebo svítit nebude. Na obr. 5.13 vidíte zapojení jednoduchého bistabilního klopného obvodu.
Obr. 5.15: Zapojení blikače (multivibrátoru) 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 47 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. 5.13: 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).
Obr. 5.16: Blikač se svítivou diodou
21
22
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 47 µF zabliká tato svítivá dioda si 2 x za sekundu.
6. Manipulace s bateriemi a akumulátory Nenechávejte baterie (akumulátory) volně ležet. Hrozí nebezpečí, že by je mohly spolknout děti nebo domácí zvířata! V případě spolknutí baterií vyhledejte okamžitě lékaře! Baterie (akumulátory) nepatří do rukou malých dětí! Vyteklé nebo jinak poškozené baterie mohou způsobit poleptání pokožky. V takovémto případě použijte vhodné ochranné rukavice! Dejte pozor nato, že baterie nesmějí být zkratovány, odhazovány do ohně nebo nabíjeny! V takovýchto případech hrozí nebezpečí exploze! Nabíjet můžete pouze akumulátory.
Vybité baterie (již nepoužitelné akumulátory) jsou zvláštním odpadem a nepatří do domovního odpadu a musí být s nimi zacházeno tak, aby nedocházelo k poškození životního prostředí! K těmto účelům (k jejich likvidaci) slouží speciální sběrné nádoby v prodejnách s elektrospotřebiči nebo ve sběrných surovinách! Šetřete životní prostředí!
7. 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!
8. Záruka Na stavebnici pro elektroniky poskytujeme záruku 24 měsíců. Záruka se nevztahuje na škody, které vyplývají z neodborného zacházení, nehody, opotřebení, nedodržení návodu k obsluze nebo změn na přístroji, provedených třetí osobou.
Překlad tohoto návodu zajistila společnost Conrad Electronic Česká republika, s. r. o. 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/1/2010
23
