Charles Platt - Elektronika. Od praktyki do teorii [PL] [pdf]-ocr

SAVE OFFLINE

Zbuduj działające urządzenia — od prostych po skomplikowane!

Elektronika Od praktyki do teorii WYJĄTKOWY

Charles Platt

PODRĘCZNIK DLA AAAATORÓW ELEKTRONIKI!

.

O REILLY

£

1 W

."

H elion

Tytuł oryginału: Make: Electronics Tłumaczenie: Janusz Grabis Skład: Marcin Chłąd ISBN: 978-83-246-5688-2 ©2012 Helion S.A. Authorized Polish translation of the English edition of Make: Electronics 1st Edition ISBN 9780596153748 © 2009 Helpful Corporation. This translation is published and sold by permission of O'Reilly Media, Inc., which owns or controls all rights to publish and sell the same. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from the Publisher. Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci jest zabronione. Wykonywanie kopii metodą kserograficzną, fotograficzną, a także kopiowanie książki na nośniku filmowym, magnetycznym lub innym powoduje naruszenie praw autorskich niniejszej publikacji. Wszystkie znaki występujące w tekście są zastrzeżonymi znakami firmowymi bądź towarowymi ich właścicieli. Autor oraz Wydawnictwo HELION dołożyli wszelkich starań, by zawarte w te j książce informacje były kompletne i rzetelne. Nie biorą jednak żadnej odpowiedzialności ani za ich wykorzystanie, ani za związane z tym ewentualne naruszenie praw patentowych lub autorskich. Autor oraz Wydawnictwo HELION nie ponoszą również żadnej odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikłe z wykorzystania informacji zawartych w książce. Wydawnictwo HELION ul. Kościuszki 1c, 44-100 GLIWICE tel. 32 231 22 19,32 2309863 e-mail: helion@hel¡on.pl WWW: http://helion.pl (księgarnia internetowa, katalog książek) Drogi Czytelniku! Jeżeli chcesz ocenic tę książkę, zajrzyj pod adres http://helion.pl/user/opinie/eleodp_ebook Możesz tam wpisać swoje uwagi, spostrzeżenia, recenzję. Printed in Poland.

•

Poleć książkę na Facebook.com

•

Księgarnia internetowa

•

Kup w wersji papierowej

•

Lubię to! » Nasza społeczność

•

Oceń książkę

Dla mojego najdroższego Erico

Spis treści

W stęp.................................................vii 1..Doświadczanie elektryczności . . . 1 Lista zakupów: Eksperymenty od 1 do 5 ............................... 1 Eksperyment 1: Posmakuj m o c y !........................................ 5 Eksperyment 2: Jak nie należy używać baterii........................9 Eksperyment 3: Twój pierwszy obwód.................................13 Eksperyment 4: Zmiana napięcia........................................ 18 Eksperyment 5: Zróbmy własną baterię............................... 32

2. Przełączanie i nie t y lk o ................39 Lista zakupów: Eksperymenty od 6 do 1 1 ........................... 39 Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie......................... 43 Eksperyment 7: Diody sterowane przekaźnikami.................. 55 Eksperyment 8: Oscylator zbudowany na przekaźniku........... 60 Eksperyment 9: Czas i kondensatory.................................. 68 Eksperyment 10: Przełączanie tranzystorami........................73 Eksperyment 11: Projekt modułowy.................................... 82

3. Wkraczamy g łę b ie j....................... 95 Lista zakupów: Eksperymenty od 12 do 1 5 ......................... 95 Eksperyment 12: Łączenie dwóch przewodów w je den ....... 104 Eksperyment 13: Podgrzewanie diody............................... 114 Eksperyment 14: Pulsujące św iatło.................................. 117 Eksperyment 15: Powrót do alarmu antywłamaniowego__ 127

4. Układy scalone............................. 147 Usta zakupów: Eksperymenty od 16 do 2 4 ....................... 147 Eksperyment 16: Generowanie im p u lsó w ......................... 153 Eksperyment 17: Ustawianie wysokości t o n u .................... 162 Eksperyment 18: Miernik czasu rea kcji............................. 170 Eksperyment 19: Podstawy logiki cyfro w e j....................... 181 Eksperyment 20: Funkcjonalne połączenie......................... 198 Eksperyment 21: Wyścig................................................. 204 Eksperyment 22: Przełączanie i odbijanie........................... 211 Eksperyment 23: Rzucanie ko ś ć m i.................................. 214 Eksperyment 24: Alarm antywłamaniowy — dokończenie. . . 223

5. Co d a le j? ....................................... 227 Lista zakupów: Eksperymenty od 25 do 36 ....................... .228 Przystosowanie Twojego miejsca pracy............................. 228 Źródła informacji............................................................ 233 Eksperyment 25: M agnetyzm..........................................236 Eksperyment 26: Generowanie prądu na własnym biurku__ 239 Eksperyment 27: Destrukcja głośnika............................... 242 Eksperyment 28: Zabawa z cewką.................................... 246 Eksperyment 29: Filtrowanie częstotliwości....................... 248 Eksperyment 30: Przesterowanie...................................... 257 Eksperyment 31: Radio bez lutowania i zasilania................ 262 Eksperyment 32: Robot w formie w ózka ........................... 268 Eksperyment 33: Ruch kro ko w y...................................... 284 Eksperyment 34: Połączenie sprzętu z oprogramowaniem . . . 293 Eksperyment 35: Zetknięcie z rzeczywistością.................... 306 Eksperyment 36: Ulepszona wersja zamka szyfrowego....... 310 Zakończenie................................................................. 317

Dodatek A. Producenci i sprzedawcy dostępni w internecie..................... 319 Podziękowania..............................................................323 0 autorze..................................................................... 325

vi

Spis treści

Wstęp

Jak przyjemnie spędzić czas z tą książką Każdy używa urządzeń elektronicznych, ale w iększość osób nie wie, co dzieje się w ich wnętrzu. O czywiście, możesz uważać, że nie m usisz tego wiedzieć. Skoro jeździsz sam ochodem bez wiedzy na tem at zasady działania silnika spalinowego, równie dobrze możesz używać iPada bez jakiegokolw iek pojęcia na tem at układów sca­ lonych. Niemniej jednak rozumienie podstaw elektryki i elektroniki jest przydatne z trzech pow odów : •

Ucząc się zasad funkcjonow ania danej technologii, zaczynasz lepiej kontrolow ać św iat w o kół siebie, zam iast być kontrolow anym przez niego. Kiedy napotkasz jakiś problem, możesz spróbow ać go rozwiązać, zam iast zwyczajnie popadać w frustrację z pow odu zaistniałej sytuacji.

•

Nauka elektroniki może stanow ić doskonałą rozrywkę, o ile tylko podejdziesz do całego procesu z odpow iednim nastawieniem. Narzędzia są tanie, całą pracę możesz w ykonać na sw oim biurku i nie jest to zajęcie czasochłonne (o ile sam tego nie chcesz).

•

Znajom ość elektroniki może podnieść Twoją w a rto ś ć jako pracow nika lub być może otw orzyć przed Tobą zupełnie now ą ścieżkę kariery.

Nauka przez odkrywanie W iększość książek w prow adzających do elektroniki zaczyna od definicji oraz faktów, a dopiero później stopniow o przechodzi do zadań praktycznych, w trakcie których postępując w edług instrukcji, budujesz proste obwody. Ta książka odw raca ten proces. Chcę, abyś zaczął od połączenia kom ponentów, a kiedy zaobserw ujesz działający układ, zrozumiesz, jakie procesy zachodzą w jego wnętrzu. Uważam, że nauka przez odkrywanie pozwala lepiej utrw alić wiedzę. 0 nauce przez odkrywanie m ów ią w yniki poważnych prac badawczych. Naukowcy zauważyli ten fenom en, którego nie można w yjaśnić na podstawie istniejących teorii, i zaczęli go badać. W yjaśnienie tej zagadki może doprow adzić do lepszego poznania zasady funkcjonow ania naszego świata. M y będziemy robić to samo, ale oczyw iście na dużo m niejszą skalę. Po drodze będziesz popełniał błędy. Tak m a być. Pomyłki są istotnym elementem procesu nauki. Chcę, żebyś palił 1 niszczył części, ponieważ w ten sposób dowiesz się, gdzie kończą się granice m ożliw ości części elektronicznych i m ateriałów. Będziemy używać niskich napięć i prądów, nie ma zatem ryzyka porażenia prądem, poparzenia ani wzniecenia pożaru.

Pozostań w bezpiecznej strefie C hociaż uważam , że w szyst­ kie zadania sugerow ane w te j książce są bezpieczne, zakiadam również, że nie będziesz w ykra­ cza ł poza ustalone przeze m nie granice. Proszę, abyś zawsze p rze strze g a ł m o ic h in stru k­ c ji i z w ra ca ł uwagę na o strze ­ żenia oznaczone ikonką, którą tu ta j widzisz. Jeżeli zign o ruje sz ostrzeżenia, narazisz siebie na niepotrzebne ryzyko.

Rysunek W.1. Nauka przez odkrywanie pozwala na rozpoczęcie budowy działających układów bez zbędnych wstępów przy użyciu kilku tanich komponentów, baterii i zaci­ sków krokodyików

Jakiego stopnia trudności mogę się spodziewać? Zakładam, że jesteś osobą początkującą, bez jakiejkolw iek wiedzy na tem at elektroniki. Dlatego też kilka pierw szych eksperym entów będzie bardzo prostych, bez konieczności lutowania lub używania ptytek prototypow ych do zbudo­ wania uktadu. Przewody będziesz łączył za pom ocą zacisków krokodyików. Stąd bardzo szybko przejdziesz do eksperym entów z tranzystoram i, a pod koniec rozdziału drugiego w ykonasz dzia­ łający obw ód, który realizuje użyteczną funkcję. Nie uważam, aby elektronika w wydaniu dla hob bystów m usiała być trudna. Może tak być, jeśli chcesz studiow ać elektronikę w sposób bardziej system atyczny i osiągnąć poziom, który pozwoli Ci na samodzielne projektowanie ukła­ dów. Ale w tej książce narzędzia i potrzebne części będą niedrogie, cele do zrealizowania jasno określone, a potrzebna wiedza m atem atyczna ograniczy się do dodawania, odejm owania, mnożenia, dzielenia i um iejętności przesuwania m iejsca dziesiętnego z jednego m iejsca w inne.

Jak korzystać z tej książki? W książce takiej jak ta istnieją dw a sposoby prezentowania inform acji: sam ouczki i sekcje zawierające inform acje teo­ retyczne. Ja zam ierzam użyć obu metod. Samouczki będą się składać z następujących części: •

listy zakupów,

•

opisu narzędzi,

•

eksperym entów.

Inform acje z zakresu teorii znajdziesz w sekcjach zaczynających się od nagłów ków: •

Teoria,

•

Podstawy.

. Wstęp

W jaki sposób skorzystasz z tych sekcji, zależy wyłącznie od Ciebie. Możesz pom inąć w iększość teorii i w rócić do niej później, ale jeśli będziesz m asow o om ijał sam ouczki, książka stanie się bezużyteczna. Nauka przez odkrywanie oznacza, że m usisz podejść entuzjastycznie do prac praktycznych, czyli zakupów części i zabawy z nimi. Niewiele zyskasz, próbując sobie jedynie wyobrazić to, co faktycznie jest do zrobienia. Potrzebne elementy elektroniczne i narzędzia są tanie i łatw o dostępne. W niemal każdym w iększym m ieście znaj­ dziesz jeden lub więcej sklepów sprzedających części elektroniczne i podstaw ow e narzędzia potrzebne do pracy z nimi. Niektóre sklepy posiadają szerszy asortym ent części niż inne. Przewody elektryczne, bezpieczniki i przełączniki znajdziesz w działach elektrycznych dużych m arketów budowlanych. Jeżeli w olisz zakupy przez internet, w szystkie potrzebne części bez problemu znajdziesz w licznych sklepach interne­ tow ych. Na kolejnych stronach książki będę zamieszczał adresy internetowe najpopularniejszych sklepów, gdzie zna­ leźć można potrzebne części. Kompletną listę adresów znajdziesz w dodatku na końcu książki.

Podstawy Zamawianie części i narzędzi przez internet Oto kilka głów nych źródeł zaopatrzenia w ykorzystanych w tej książce: www. radioshack. com RadioShack, znane jako The Shack. Oferuje zarówno części, jak i narzędzia. Nie zawsze najtańsze, ale strona ma prostą budowę i jest łatw a w obsłudze, a niektóre z narzędzi są dokładnie tym , czego szukasz. www.mouser.com M ouser Electronics. www.digikey.com Korporacja Digi-Key. www.newark.com Newark. Mouser, Digi-Key i Newark stanow ią dobre źródła części, których na ogół będziesz potrzebował w m ałych ilościach. www. allelectronics. com Korporacja Ali Electronics. M niejszy asortym ent części, ale przeznaczony szczególnie dla hobbystów, łącznie z gotow ym i zestawami. www.ebay.com Tutaj znajdziesz części pochodzące z nadwyżek, oferowane po bardzo korzystnych cenach. Będziesz m usiał jed­ nak sprawdzić kilku sprzedaw ców, aby znaleźć to, czego szukasz. Sklepy działające na terenie Hongkongu są często bardzo tanie, a ja przekonałem się, że są godne zaufania. www.mcmaster.com McMaster-Carr. Tutaj znajdziesz narzędzia o w ysokiej jakości. Zakupy przez internet um ożliwiają również sklepy Low e’s i Home Depot.

Podstawy

ix

Rysunek W.2.1/1/ sieci znajdziesz cale m nóstwo sklepów oferujących części, narzędzia, gotowe zestawy i gadżety

Nie wszystkie z w ym ienionych wyżej sklepów oferują sprzedaż i w ysyłkę bezpośrednio do Polski, możesz jednak sko­ rzystać z pośrednictw a polskich dystrybutorów : www.tme.eu Transfer M ultisort Elektronik Sp. z o.o. www.elfaelektronika.pl Elfa Distrelec Sp. z o.o. www.allegro.pl Znany serw is aukcyjny nie zajmuje się oczyw iście dystrybucją, ale często to tutaj możesz najłatwiej (i najtaniej) pozyskać potrzebne wyposażenie.

Zestawy do montażu Maker Shed (www.makershed.com) oferuje szereg zestaw ów do sam odzielnego montażu. Są to zarówno kompletne zestawy, jak i kom plety części używane w eksperym entach z tej książki. Jest to prosta, w ygodna i rozsądna pod względem cenow ym metoda pozwalająca zdobyć wszystkie narzędzia i materiały niezbędne do przeprowadzenia kolejnych eksperym entów.

Pytania i komentarze Wszelkie uwagi odnośnie tej książki możesz zam ieścić na jej stronie: http://helion.pl/ksiazki/eleodp.htm Znajdziesz tu również aktualną erratę oraz dodatkowe inform acje, np. zamieszczone w książce schematy.

x

Wstęp

Doświadczanie elektryczności

Chciałbym, abyś — dosłow nie — zakosztow ał prądu. Ten pierw szy rozdział książki pokaże Ci: •

Jak pojąć i zm ierzyć prąd i rezystancję.

•

Jak posługiw ać się częściami, unikając ich przeciążenia, uszkodzenia lub zniszczenia.

Nawet jeśli posiadasz już jakąś wiedzę na tem at elektroniki, powinieneś spróbo­ w ać tych eksperym entów, zanim przejdziesz do dalszej części książki.

Lista zakupów: Eksperymenty od 1 do 5 Jeżeli chcesz ograniczyć liczbę wycieczek do sklepów lub zakupów przez inter­ net, zajrzyj do list zakupów um ieszczonych w dalszej części książki i połącz je razem, w jedną dużą listę. W tym rozdziale wskażę wszystkie num ery części lub ich typy oraz źródła, gdzie możesz nabyć w szystkie narzędzia i komponenty, których będziem y uży­ w ać. Spodziewam się, że później nie będziesz potrzebował tak szczegółow ych inform acji, ponieważ nabierzesz dośw iadczenia w sam odzielnym szukaniu elementów.

Narzędzia Mate szczypce Pro’s Kit typ 8PK-102D, num er katalogowy 229 8 /5 9 (www.elfaelektronika. pi) lub XYTRONIC model AX102 (elektronika-sklep.pl).

I ZAWARTOŚĆ ROZDZIAŁU: Lista zakupów: eksperymenty od 1 do 5. Eksperyment 1: Posmakuj mocy! Eksperyment 2: Jak nie należy używać baterii. Eksperyment 3: Twój pierwszy obwód. Eksperyment 4: Zmiana napięcia. Eksperyment 5: Zróbmy własną baterię.

Maker Shed (www.makershed. com) stworzył serię zestawów do samodzielnego montażu dla tej książki. Zawiera ona wszystkie narzędzia i części użyte w ekspe­ rymentach. Jest to szybki, prosty i efektywny pod względem kosz­ tów sposób na zdobycie wszyst­ kiego, co będzie potrzebne do ukończenia projektów znajdują­ cych się w tej książce.

Możesz w yb rać również inne, podobne. Przyjrzyj się rysunkom 1.1 do 1.3. Narzędzia tego typu znajdziesz w specjalistycznych sklepach, działach z narzędziami dużych superm arketów budowlanych, a także w m iejscach w ym ienionych we wstępie do książki. Marka nie jest istotna. Kiedy poużywasz ich przez jakiś czas, w yrobisz sobie własne preferencje. W szczegól­ ności, będziesz m usiał zdecydować, czy w olisz szczypce ze sprężyną, czy też bez. W tym drugim przypadku będziesz potrzebował drugiej pary do usunięcia sprężyny z pierwszej.

1

Szczypce z ostrzem do cięcia drutu Pro’s Kit 1PK-036S, num er katalogowy 2 3 0 2 /5 9 (dostępne na przykład tutaj: www.elfaelektronika.pl) lub PROLINE model 287 10 (dostępne tutaj: eiektronika-sklep.pl). M ogą być również inne, podobne. Używaj ich wyłącznie do cięcia drutu miedzianego. Nie nadają się do tw a rd ­ szego drutu (rysunek 1.4).

Rysunek 1.2. Szczypce Rysunek 1.1. Podstawowe szczypce o wydłużonych koń­ o znacznie wydłużonych koń­ cówkach. Będziesz używał ich cówkach. Będziesz ich używał najczęściej do chwytania, zgi­ do sięgania w trudno dostępne nania i podnoszenia upuszczo­ m iejsca nych rzeczy

Rysunek 1.4. Obcążki, znane Rysunek 1.3. Szczypce o zaostrzonych końcówkach również jako szczypce boczne, są zaprojektowane do wytwa­ są szczególnie przydatne rzania biżuterii, ale przydają się również do chwytania bardzo m ałych elementów

Miernik uniwersalny Extech m odel EX410 (dostępny tutaj: www.tme.eu) lub Am probe model 5XP-A (dostępny tutaj: www.elfaelektronika.pl). Może być również in n y podobny. Ponieważ prąd elektryczny jest niew idoczny potrzebujem y narzędzia do w izu­ alizacji jego ciśnienia i przepływu — um ożliwi nam to m iernik uniwersalny. Do Twoich pierw szych eksperym en­ tó w w zupełności w ystarczy tani miernik. Jeżeli przymierzasz się do zakupu w internecie, sprawdź komentarze innych kupujących — niezawodność tanich urządzeń stoi często pod znakiem zapytania. Możesz porozglądać się w poszukiwaniu sklepów oferujących najniższe ceny. Nie zapomnij odwiedzić www.allegro.pl. M iernik m usi być cyfro w y — nie kupuj analogow ych m ierników starego typu, ze w skazów ką poruszającą się po nadrukowanej skali. W tej książce przyjęte zostało założenie, iż patrzysz na w yśw ietlacz m iernika cyfrow ego. Sugeruję, abyś nie kupow ał m iernika o autom atycznym doborze zakresu. „Autom atyczny dobór zakresu” brzmi zachęcająco — na przykład, kiedy chcesz zm ierzyć poziom napięcia w baterii 9 V, m iernik sam w yw nioskuje, że nie m ierzysz setek w o ltó w czy części dziesiętnych tej jednostki. Problem polega na tym , że bardzo łatw o możesz dać się zaskoczyć i zacząć popełniać błędy. Co się stanie, jeśli bateria jest zupełnie zużyta? Zaczniesz m ie­ rzyć dziesiętne części wolta, nie zdając sobie nawet z tego sprawy. Jedynym wskazaniem takiej sytuacji będzie łatw a do przeoczenia literka „ m ” , um ieszczona obok dużych cyfr w yniku, m ówiąca, iż w a rto ś ć wyrażona jest w m iliwoltach.

2

1. Doświadczanie elektryczności

W m ierniku o ręcznych zakresach Ty wybierasz zakres i jeśli mierzone źródło nie m ieści się w zadanym prze­ dziale, m iernik inform uje Cię, że popełniłeś błąd. To jest preferowane przeze mnie podejście. Jestem również mało cierpliw y w obec czasu, jakiego funkcja dopasowania zakresu potrzebuje za każdym razem do w ypracow ania odpowiedniego przedziału — to kwestia osobistych preferencji. Zdjęcia przykładow ych m ierników uniwersalnych zostały przedstawione na rysunkach od 1.5 do 1.7.

nnn uu.u

Rysunek 1.5. Po stopniu zużycia możesz poznać, że je s t to jeden z m oich najbardziej ulubionych m ier­ ników. Posiada wszystkie p odsta­ wowe i niezbędne cechy, a także potrafi mierzyć pojem ność (sekcja F od słowa „fa ra d ”). Potrafi rów ­ nież sprawdzać tranzystory. Zakres dobierany je s t ręcznie

Rysunek 1.6. M iernik firm y RadioShack ze średniego przedziału ceno­ wego, z podstawowym zestawem funkcji, ale każde ustawienie ma podwójne znaczenie, przełączane za pom ocą przycisku SELECT, co może być mylące. Jest to m iernik z auto­ matycznym doborem zakresu

Rysunek 1.7. M iernik o automa­ tycznym doborze zakresów firm y Extech oferuje podstawowe funkcje z dodatkową sondą do pom iaru tem ­ peratury, która może przydać się do pom iaru tem peratury takich kom po­ nentów, ja k żródla zasilania, w celu przekonania się, czy nie ulegają przegrzaniu

Zaopatrzenie Baterie Jedna bateria 9 V. 6 baterii AA, każda o napięciu 1,5 V. Powinny to być baterie alkaliczne jednorazowego użytku, najtańsze, jakie możesz znaleźć, ponieważ niektóre z nich praw dopodobnie zniszczymy. Do eksperym entów 1 i 2 w żadnym wypadku nie powinieneś używać akum u­ latorów ładow anych wielokrotnie. Rysunek 1.8. Złącze zatrzaskowe

Uchwyty na baterie i złącza

baterii 9 v

Złącze zatrzaskowe dla baterii 9 V, z dołączonym i przewodam i (rysunek 1.8). Liczba: 1. Może to być na przykład złącze o sym bolu BAT.CL.SN-1, typu 6F22 (dostępne na przykład tutaj: www.tme.eu). Dobre będzie każde złącze typu zatrzaskowego z dołączonym i przewodam i. U chw yt na pojedynczą baterię typu AA, z dołączonym i przewodam i (rysu­ nek 1.9). Liczba: 1. Może to być dow olny uchw yt z dołączonym i przew o­ dami, na przykład o sym bolu BAT.H.SN-12 (dostępny tutaj: www.tme.eu).

Lista zakupów: Eksperymenty od 1 do 5

Rysunek 1.9. U chw ytna pojedynczą baterię AA z dołączonymi przewodam i

3

U chw yt na cztery baterie AA z dołączonym i przewodam i (rysunek 1.10). Liczba: 1. Może to być uchw yt o sym bolu BAT.H.SN-18 (dostępny tutaj: www.tme.eu) lub inny podobny. Potrzebny będzie również podobny uchw yt na dwie baterie AA, dostępny z tego sam ego źródła. Zaciski krokodylki

Rysunek 1.10. Uchwyt na 4 baterie AA, do połączenia szeregowego, dostarcza­ ją cy w sumie 6 V

Izolowane w inylow o, na przykład firm y AXIOMET o sym bolu AX-CR-01SET (dostępne tutaj: www.tme.eu) lub inne podobne. Liczba: przynajmniej 6 sztuk. Patrz rysunek 1.11.

Części Możesz nie wiedzieć, czym w łaściw ie są te elementy lub do czego służą. Poszukaj ich po sym bolach lub num erach części i dopasuj do pokazanych na fotografiach. W szystkiego dow iesz się bardzo szybko w procesie nauki przez odkrywanie. Bezpieczniki

Rysunek 1.11. Zaciski krokodylki w winylowej izolacji, która zmniejsza ryzyko przypadkowego zwarcia

Używane w sam ochodach, o cienkich zaciskach, 3-am perow e, na przy­ kład o sym bolu AM F-2A firm y UNIVAL (www.tme.eu) lub FUS3B firm y BIKE IT (dostępny w sklepie z częściam i sam ochodo w ym i www.intercars.pl). Liczba: 3. Patrz rysunek 1.12. Potencjometry M ontowany do panelu, jednoobrotowy, liniowy, 2 k il , o minimalnej m ocy 0,1 W, na przykład o sym bolu RV170F-10 -1 5R 1-B23 firm y Alpha (pl.mouser. com) lub P160KNPD-2QC25B2K firm y BI Technologies ipl.mouser.com). Ewentualnie inny, podobny. Liczba: 2. Patrz rysunek 1.13. Rezystory Zestaw o m inimalnej m ocy 0,25 W, różnych w a rtości, ale w śród nich m uszą znaleźć się 470 £2,1 k£2, 2 k£2 lub 2,2 k£2. Liczba: przynajmniej 100 (iwww.centrumelektroniki.pl). Można również poszukać na www.allegro.pl, wpisując w polu w yszukiw ania „zestaw rezystorów ” .

Rysunek 1.12. Bezpiecznik 3 A prze­ znaczony głównie do samochodów, pokazany tutaj w powiększeniu

Diody świecące (LED) Dowolnego rozmiaru i koloru (rysunki 1.14 i 1.15). Liczba: 10. Dostępne niemal w każdym sklepie elektronicznym (www.tme.eu lub www.centrumelektroniki.pl). Będąc na stronie sklepu, wpisz do wyszukiwarki: d i o d a LED.

SM"

mmi

Rysunek 1.13. Potencjom etry mają

wiele kształtów i rozmiarów, z róż­ nym i długościam i wału przeznaczo­ nym i dla różnych pokręteł. Dla nas kształt nie odgrywa dużej roli, chociaż większe potencjom etry są łatwiejsze w obsłudze

4

Rysunek 1.14. Typowa dioda świecąca

(LED) o średnicy 5 mm

Rysunek 1.15. Bardzo duża dioda świecąca o średnicy 1 cm. Nie ma gwarancji, że będzie św iecić jaśniej. Do większości eksperymen­ tów w tej książce możesz kupić dowolne diody, które przypadną Ci do gustu

1. Doświadczanie elektryczności

Eksperyment 1: Posmakuj mocy! Czy można posm akow ać prądu? Może nie, chociaż uczucie jest podobne. Potrzebne będą: •

bateria 9 V,

•

złącze zatrzaskowe do końców ek baterii,

•

m iernik uniwersalny.

Procedura Zwilż sw ój język i dotknij nim m etalow ych końców ek baterii 9 V. Nagłe uczucie m rowienia, jakie poczujesz, jest spow odow ane prądem przepływ ającym z jed­ nej końcówki baterii (rysunek 1.16) poprzez w ilgoć na i w Twoim języku do dru­ giej końcówki. Ponieważ skóra Twojego języka jest bardzo cienka (w łaściw ie jest to m em brana śluzowa) i na jej pow ierzchni znajdują się nerwy, bez pro­ blemu możesz poczuć prąd.

- A Nie więcej niż 9 V Bateria o napięciu 9 V nie z ro b i Ci krzywdy. Nie w ykonuj je d n a k tego eksperym entu z baterią o w ięk­ szym napięciu lub baterią, która je s t w stanie dostarczyć prąd u o większym natężeniu. Jeżeli n osisz na zębach m e ta lo w y apa­ ra t korekcyjny, uważaj, a by nie d otknąć nim baterii.

W ysuń teraz swój język i w ysusz dokładnie jego końców kę przy użyciu chu­ steczki, a następnie pow tórz eksperym ent, zwracając uwagę na to, aby nie doprow adzić języka do zawilgocenia. Uczucie m row ienia pow inno zmaleć. Dlaczego tak się dzieje? Żeby się dowiedzieć, będziemy potrzebować m iernika uniwersalnego.

Narzędzia Przygotowanie miernika do pracy Sprawdź w instrukcji, którą dostałeś razem z m iernikiem , czy m usisz w łożyć do niego baterię (niektóre m ierniki sprzedawane są bez baterii, inne posiadają bate­ rię zam ontowaną przez producenta).

Rysunek 1.16. Pierwszy krok na dro­ dze nauki przez odkrywanie. Test bate­ rii 9 V z a pom ocą języka

W iększość m ierników posiada odpinane przewody pom iarowe, zwane również sondami pomiarowymi. Wiele z nich ma również trzy w yprow adzenia na panelu czołow ym , z których jedno zw yczajow o zarezerwowane jest do pom iaru prądu o w yso kim natężeniu (przepływ u). Na razie m ożem y je zignorować. Przewody, które otrzym ałeś razem z m iernikiem , są najprawdopodobniej koloru czerwonego i czarnego. Czarny przewód podłączany jest do gniazda o nazwie „C O M ” lub „C o m m o n ” . Czerw ony przewód podłącz do gniazda o nazwie „V” lub „v o lts ” . Patrz rysunki od 1.17 do 1.20. Drugie końce przew odów zakończone są m etalow ym i bolcam i, znanymi ró w ­ nież jako sondy. To nimi będziesz dotykał kom ponentów elektronicznych w celu przeprowadzenia pom iarów. Sondy w ykryw a ją prąd, ale same nie em itują go w znaczących ilościach, dlatego też same w sobie nie są w stanie zrobić Ci krzywdy, wyłączając ukłucie ostrą końcówką.

Rysunek 1.17. Czarny przew ód p od ­ łączasz do gniazda Common (COM), a czerwony niem al zawsze do gniazda znajdującego się po skrajnie prawej stronie miernika

Jeżeli Twój m iernik nie dobiera zakresu automatycznie, każda pozycja pokrętła opisana będzie liczbami. Liczba ta oznacza „nie więcej niż” . Dla przykładu, jeśli chcesz sprawdzić baterię 6-w oltow ą, a pozycja na m ierniku jest opisana liczbą 2, a następna liczbą 20, oznacza to, że 2 to „nie więcej niż 2 w o lty ” . M usisz przejść do następnej pozycji, która oznacza „nie więcej niż 20 w o ltó w ” .

Eksperyment 1: Posmakuj mocy!

5

Jeżeli popełnisz błąd i spróbujesz zm ierzyć coś w sposób nieprawidłowy, m iernik w yśw ietli kom unikat błędu w postaci litery „E” lub „L” 1. Przesuń pokrętło na w yższy zakres i spróbuj ponownie.

Rysunek 1.18.

Rysunek 1.20. Aby zmierzyć rezystancję i napięcie, podłącz czarny przew ód do gniazda wspólnego (COM lub common), a czerwony do gniazda napięciowego (V lub volts). Niemal wszystkie m ierniki posiadają oddzielne gniazdo, do którego m usisz podłączyć czerwony przewód, je ś li chcesz m ierzyć natężenie prądu (wyrażone w am perach), ale tym tem a­ tem zajm iem y się później

Rysunek 1.19.

PODSTAWY Omy Odległość m ierzym y w kilometrach lub milach, ciężar w kilogramach lub funtach, temperaturę w stopniach Celsjusza lub kelwinach, natomiast rezystancję elek­ tryczną w omach. Om jest jednostką międzynarodową.

Materiał posiadający bardzo dużą rezystancję nazy­ w a ny jest izolatorem. W iększość plastików, w łącza­ jąc w to kolorowe osłony przewodów, jest izolatorami.

Do wyrażenia om ó w używana jest grecka litera om ega (Q ) — patrz rysunki 1.21 i 1.22. Zapis k n (ewentual­ nie litera k lub K) oznacza kiloom, czyli 1000 om ów. Zapis M i i (ewentualnie litera M) oznacza megaom, czyli 1 000 000 om ów.

przewodnikami. Metale takie jak miedź, aluminium,

Liczba omów

Zwyczajowy Wyrażenie sposób wyrażania skrótowe

1000 om ów

1 kiloom

10 000 om ów

10 kiloomów

100 000 om ów

100 kiloomów

Materiały o bardzo małej rezystancji nazywane są srebro i złoto są doskonałym i przewodnikam i.

1 ko, 1 k lub 1 K 10 kQ lub 10 K 100 k n , 100 k lub 100 K

1 000 000 om ów

1 megaom

1 M D lub 1 M

10 000 000 om ów

10 m egaomów

10 M Q lub 10 M

Rysunek 1.21. Sym bol omega je s t używany na całym świecie do Rysunek 1.22. Sym bol ten może wyrażenia rezystancji być drukowany na wiele różnych w om ach sposobów

1 Niektóre mierniki wyświetlają w takiej sytuacji jedynie cyfrę „1 ” — przyp. tłum . 6

1. Doświadczanie elektryczności

Procedura Użyjemy miernika uniwersalnego do wyznaczenia rezystancji Twojego języka. Po pierwsze, ustaw sw ój m iernik na pom iar rezystancji. Jeżeli posiada on auto­ m atyczny dobór zakresu, zobacz, czy w yśw ietla „K ” (w artość wyrażona w kilo­ om ach), czy też „ M ” (w arto ść w yrażona w m egaom ach). Jeżeli posiadasz mier­ nik o ręcznym doborze zakresów, zacznij od w a rtości nie mniejszej niż 100 000 o m ó w (100 K). Patrz rysunki od 1.23 do 1.25. Dotknij języka końców kam i pom iarow ym i, w odległości około 2,5 cm . Zano­ tuj odczytaną w a rtość, która pow inna w yn osić około 50 k i l Odłóż końcówki, weź chusteczkę i dokładnie osusz język. Nie dopuszczając do ponownego zawilgocenia języka, pow tórz test — odczytana w a rto ś ć pow inna być wyższa. W końcu, dotknij końców kam i swojej ręki lub dłoni. Może okazać się, że nie odczytasz żadnej w a rtości, chyba że wcześniej zwilżysz skórę. Kiedy Twoja skóra jest wilgotna (na przykład pod wpływem pocenia), jej rezy­ stancja maleje. Ta zasada jest wykorzystywana w wariografach (zwanych potocznie wykrywaczami kłamstw), ponieważ osoba podejrzewana o wypowia­ danie kłamstwa ma tendencję do pocenia się pod wpływem stresu. 9-w o lto w a bateria zawiera związki chem iczne pow odujące uwalnianie elektro­ nów (cząstek elektrycznych), które w wyniku zachodzących reakcji chem icz­ nych chcą płynąć z jednej końcówki do drugiej. Dwa ogniwa w ew nątrz baterii możesz traktow ać jak dw a zbiorniki w odne — jeden pełny, drugi pusty. Jeżeli oba zostaną połączone rurą, w o da będzie przepływać m iędzy nimi aż do uzyska­ nia rów nych poziom ów. Rysunek 1.26 powinien pom óc Ci wyobrazić sobie ten przypadek. Podobnie, kiedy utworzysz elektryczne połączenie m iędzy dw iem a końców kam i baterii, elektrony będą przepływać z jednej do drugiej, nawet jeśli ścieżka ta zbudowana jest z w ilgoci na Twoim języku. Elektrony przepływają łatwiej przez pewne substancje (takie jak wilgoć na Twoim języku) niż przez inne (takie jak suchy język).

Rysunek 1.26. Wyobraź sobie, że bateria przypomina dwa zbiorniki, jeden p ełny wody, a drugi pusty. Otwórz połączenie pom iędzy zbiornikami, a woda zacznie przepływać m iędzy n im i aż do zrównania poziomów. Im m niejszy opór w połączeniu, tym szybszy będzie przepływ

Eksperyment 1: Posmakuj mocy!

Rysunek 1.25. Aby zmierzyć rezystan­ cję w omach, przesuń pokrętło na sekcję oznaczoną symbolem omega (omy). W przypadku miernika z auto­ matycznym doborem zakresu możesz nacisnąć kilkakrotnie przycisk Rangę, zmieniając w ten sposób zakres pracy miernika, lub zwyczajnie dotknąć koń­ cówkam i pom iarow ym i mierzonego obiektu i poczekać, aż m iernik automa­ tycznie dobierze zakres. M iernik m anu­ alny wymaga samodzielnego dobra­ nia zakresu przy użyciu pokrętła (do pom iaru rezystancji skóry powinieneś użyć zakresu 100 K lub większego). Jeżeli nie otrzymujesz prawidłowego odczytu, spróbuj na innym ustawieniu

7

TEORIA Człowiek, który odkrył rezystancję Georg Simon Ohm, przedstawiony na rysunku 1.27, urodził się w Bawarii w 1787 roku i pracow ał w zapo­ mnieniu przez większość sw ojego życia, studiując naturę prądu przy użyciu skonstruow anego sam o­ dzielnie przewodu m etalow ego (we w czesnych latach XIX w. nie istniały jeszcze superm arkety budowlane, do których można byłoby podjechać po szpulę prze­ wodu elektrycznego). Pom im o ograniczonych m ożliw ości i nieodpow ied­ niego przygotowania m atem atycznego Ohm był w stanie zadem onstrować w roku 1827, że rezy­ stancja przewodnika, takiego jak miedź, jest odw ro t­ nie proporcjonalna do jego pow ierzchni w przekroju, a płynący przez niego prąd jest proporcjonalny do przyłożonego napięcia, pod w arunkiem zachowania stałej temperatury. Czternaście lat później Towarzy­ stw o Królewskie w Londynie w końcu uznało wagę jego prac naukowych i odznaczyło go Medalem Copleya. W naszych czasach jego odkrycie znane jest pod pojęciem prawa Ohma.

Rysunek 1.27. Georg Simon Ohm, po uhonorowaniu za swoją pionierską pracę, której większą część wykonał w zupełnym zapomnieniu

Dalsze badania Podłącz złącze zatrzaskowe (pokazane wcześniej na rysunku 1.8) do 9-woltowej baterii. Weź dwa przewody wychodzące ze złącza i przytrzymaj je w taki sposób, aby ich końce były oddalone od siebie zaledwie o kilka milimetrów. Dotknij nimi swo­ jego języka. Teraz odsuń je od siebie na trzy centymetry i ponownie dotknij języka (patrz rysunek 1.28). Czy czujesz różnicę? Użyj miernika, aby zm ierzyć rezystancję sw ojego języka, zmieniając tym razem odległość pom iędzy końców kam i pom iarow ym i. Kiedy prąd podróżuje przez krótszy dystans, napotyka m niejszą rezystancję całkowitą. W wyniku prąd (przepływ elektronów na sekundę) zwiększa się. Możesz spróbow ać w ykonać podobny eksperym ent na sw oim ramieniu, tak jak pokazuje to rysunek 1.29. Zmierz sw o im m iernikiem rezystancję wody. Rozpuść w niej odrobinę soli i dokonaj kolejnego pom iaru. Następnie zm ierz rezystancję w o dy destylowanej (w czystym szkle). Świat w o kół Ciebie jest pełen m ateriałów przewodzących prąd o różnej rezystancji. Rysunek 1.28.

Modyfikacja testu z językiem w celu pokazania, iż krótszy dystans, z mniejszą rezy­ stancją, powoduje większy przepływ prądu i m ocniej­ szy trzask

8

Rysunek 1.29. Zwilż swoją skórę przed próbą pom iaru rezystancji. Powinieneś dowieść, że rezystancja wzrasta wraz ze wzrostem odległości pom iędzy końcówkami pomiarowym i. Rezystan­ cja je s t proporcjonalna do odległości

1. Doświadczanie elektryczności

Sprzątanie i recyklizacja W wyniku przeprowadzonych eksperym entów Twoja bateria nie pow inna ulec uszkodzeniu lub znaczącemu rozładowaniu. Będziesz m ógł użyć jej ponownie. Nie zapomnij w yłączyć sw ój m iernik przed odłożeniem go na półkę.

Eksperyment 2: Jak nie należy używać baterii Aby lepiej dośw iadczyć elektryczności, zrobisz coś, co w iększość książek odra­ dza. Dokonasz zwarcia baterii. Zwarcie to bezpośrednie połączenie obu stron źródła zasilania.

A

Rysunek 1.30. Każdy, kto przez przy­ padek upuścił metalowy klucz na nie­ 1 Zwarcie 1 zabezpieczone końcówki akumulatora samochodowego, powie Ci, że zwar­ i Zwarcie może być niebezpieczne. Nie próbuj testować zwarcia w gniazdku eiek- \ cia mogą być niebezpieczne już przy 1 trycznym: usiyszysz jedynie gfośny trzask, zobaczysz jasny rozbłysk, a prze- 1 „zaledw ie” 12 woltach, je ś li tylko bate­ , wód lub narzędzie, którego użyłeś, ulegnie częściowemu stopieniu. Dodatkowo , ria je s t dostatecznie duża

------------------------------------------------------------------------------ ’

i rozrzucone kawałki rozgrzanego metalu mogą Cię poparzyć lub oślepić.

i Jeżeli zewrzesz akumulator samochodowy, doprowadzi to do tak dużego prze- , i pływu prądu, iż sam akumulator będzie mógł eksplodować, oblewając Cię żrą- \ 1 cym kwasem (rysunek 1.30). ' Również baterie litowe są niebezpieczne. Nigdy nie próbuj ich zwierać. Mogą ■ ' ulec zapaleniu, prowadząc do poparzenia (rysunek 1.31). 1 1/1/ tym eksperymencie używaj wyłącznie baterii alkalicznej i tylko jednego 1 , ogniwa AA (rysunek 1.32). Powinieneś również założyć okulary ochronne, na , i wypadek gdyby Twoja bateria była uszkodzona. i

Potrzebne będą: •

1 ,5-w oltow a bateria typu AA,

•

uchw yt na pojedynczą baterię,

•

3-am perow y bezpiecznik,

•

okulary ochronne (wystarczą zwykłe okulary lub okulary przeciwsłoneczne),

•

zacisk krokodylow y (m ały lub duży).

Rysunek 1.31. Mała rezystancja wewnętrzna baterii litowych (często używanych w laptopach) pozwala na przepływ dużego prądu, co może p ro ­ wadzić do niespodziewanych wyni­ ków. Nigdy nie wygłupiaj się z użyciem baterii tego typu!

Procedura Użyj baterii alkalicznej. Nie używaj żadnej baterii wielokrotnego ładowania. Um ieść baterię w uchw ycie zaprojektowanym do przechow ywania pojedyn­ czego ogniwa z dw om a w yprow adzonym i przewodam i (patrz rysunek 1.32). Nie używaj innego rodzaju uchwytu na baterie. Użyj „kroko dylka” do połączenia ze sobą pozbawionych izolacji końców prze­ w odów, tak jak pokazuje to rysunek 1.32. Nie będzie iskry, ponieważ używasz jedynie 1,5 V. Odczekaj minutę, a przekonasz się, że przewody rozgrzewają się. Po kolejnej m inucie przekonasz się, że również bateria jest ciepła.

Eksperyment 2: Jak nie należy używać baterii

Rysunek 1.32. Zwarcie baterii alka­ licznej je st bezpieczne, jeśli szczegó­ łowo przestrzegasz wskazówek. Ale nawet wtedy bateria może stać się zbyt gorąca, aby dotykać je j gołym i palcami. Nie próbuj tego robić z jakimkolwiek typem baterii wielokrotnego użytku

9

Ciepło jest wynikiem przepływu prądu przez przewody i sam elektrolit (płyn prze­ wodzący) wewnątrz baterii. Jeżeli kiedykolwiek używałeś pompki do napom powa­ nia dętki rowerowej, wiesz, że pompka nagrzewa się. Podobne zachowanie w yka­ zuje przepływający prąd. Możesz sobie go wyobrazić jako zbiór cząstek (elektro­ nów), które nagrzewają przewód, próbując się przez niego przecisnąć. To porów ­ nanie nie jest doskonałe, ale w zupełności wystarczające do naszych potrzeb. Reakcje chem iczne zachodzące w ew nątrz baterii w y w o łu ją ciśnienie elek­ tryczne. W łaściw ą nazwą dla tego ciśnienia jest napięcie, mierzone w woltach — nazwa tej jednostki pochodzi od nazwiska Alessandra Volty, pioniera w dzie­ dzinie elektryczności. W racając do analogii z pojem nikam i w ody: w yso kość słupa w o d y w pojem niku jest proporcjonalna do ciśnienia tej w o dy i porów nyw alna z napięciem. Rysunek 1.33 powinien pom óc Ci wyobrazić sobie tę sytuację. Rysunek 1.33. Traktuj napięcie ja k ciśnienie, a natężenie prądu ja k prędkość przepływu

Ale w o lty to dopiero połow a historii. Kiedy elektrony przepływają przez przewód, sam przepływ określany jest m ianem natężenia albo, potocznie, prądu. To w ła ­ śnie prąd — natężenie — generuje ciepło.

TEORIA Dlaczego Twój język się nie nagrzał? Kiedy dotknąłeś 9-woltową baterią swojego języka, poczułeś mrowienie, ale nie uczucie ciepła. Kiedy zwarłeś baterię, wygenerowałeś zauważalną ilość ciepła, mimo że napięcie było znacznie mniejsze. Jak możemy to wytłumaczyć? Rezystancja Twojego języka jest bardzo duża, co znacznie redukuje przepływ elektronów. Rezystancja przewodu elektrycznego jest wielokrotnie mniejsza, zatem jeśli jedynie drut łączy dwa wyprowadzenia baterii, będzie przez niego płynąć znacznie większy prąd, generując więcej ciepła. Jeżeli wszystkie inne czynniki pozostają niezmienne: •

Mniejsza rezystancja pozwala na w iększy przepływ prądu (rysunek 1.34).

•

Ciepło generowane przez prąd jest proporcjonalne do jego przepływającej ilości (natężenia).

Oto kilka innych podstaw ow ych praw: •

Przepływ prądu w jednostce czasu (sekundzie) jest w yrażany w amperach.

•

Ciśnienie elektryczne, mierzone w woltach, w yw ołu je przepływ prądu.

•

Rezystancja (opór) przepływu jest m ierzona w om ach.

•

W yższa rezystancja ogranicza przepływ prądu.

•

Wyższe napięcie przeciwdziała rezystancji i zwiększa prąd.

■J O G RANICZO NY PRZEPŁYW

b

Rysunek 1.34. Wzrost rezystancji powoduje ograniczenie przepływu, ale je śli zwiększysz ciśnienie, może ono pokonać opór (rezystancję) i doprowadzić ponownie do więk­ szego przepływu

/ T v> REZYSTANCJA

10

1. Doświadczanie elektryczności

Jeśli zastanawiasz się nad tym , ile dokładnie prądu przepływa m iędzy stykami baterii po jej zwarciu, odpowiedź na to pytanie nie jest łatwa. Jeżeli spróbujesz do takiego pom iaru użyć miernika, najprawdopodobniej doprow adzisz do prze­ palenia bezpiecznika w ew nątrz niego. Możesz spróbow ać ze sw o im 3-am perow ym bezpiecznikiem, którego strata, ze względu na niską cenę, nie będzie zbyt odczuwalna. Zacznij od dokładnego przyjrzenia się bezpiecznikowi; możesz użyć do tego celu szkła powiększającego, jeśli takowe posiadasz. W um ieszczonym pośrodku przezroczystym okienku bezpiecznika powinieneś zobaczyć kształt przypom ina­ ją cy literkę „ S ” . Ta literka „S ” to kawałek metalu, który ulega łatw em u stopieniu. Usuń baterię, którą zwarłeś. W tej chw ili jest ona już bezużyteczna, pozbądź się jej z zachowaniem zasad recyklingu. W łóż świeżą baterię do uchw ytu, podłącz bezpiecznik tak, jak pokazano to na rysunku 1.35, i przyjrzyj mu się pon ow ­ nie. W środku kształtu S powinieneś zobaczyć przerwę, spow odow aną nie­ mal natychm iastow ym stopieniem metalu. Rysunek 1.36 pokazuje bezpiecznik przed podłączeniem, a rysunek 1.37 ten sam bezpiecznik po jego przepaleniu. W łaśnie tak działa bezpiecznik: topi się, aby zabezpieczyć resztę układu. Mała przerwa w bezpieczniku zapobiega dalszemu przepływ ow i prądu.

Wolty Ciśnienie elektryczne jest wyrażane i mierzone w woltach. W olt jest jed­ nostką międzynarodową. 1 m iliw o ltto 1/1000 wolta.

Liczba woltów 0,001 wolta 0,01 wolta 0,1 wolta 1 wolt

Zwyczajowy sposób wyrażania

Wyrażenie skrótowe

1 miliwolt 10 m iliwoltów

1 mV 10 mV

100 m iliwoltów

100 mV 1V

1000 m iliwoltów

Rysunek 1.35. Kiedy podłączysz oba przewody do bezpiecznika, m ały ele­ m ent w kształcie litery S w środku bezpiecznika niem al natychm iast ule­ gnie stopieniu

Rysunek 1.36.3-am perowy bezpiecz­ nik, zanim jego wewnętrzny element u legł stopieniu pod wpływem pojedyn­ czej 1,5-w oltow ej baterii

Ampery Prąd elektryczny m ierzym y i wyrażam y w amperach. Am per jest jednostką międzynarodową.

Liczba amperów

Zwyczajowy sposób wyrażania

Wyrażenie skrócone

0,001 ampera

1 miliamper

1 mA

0,01 ampera

10 miliamperów

10 mA

0,1 ampera 1 amper

100 miliamperów

100 mA 1A

1000 miliamperów

Eksperyment 2: Jak nie należy używać baterii

Rysunek 1.37. Ten sam bezpiecznik po przepaleniu przez prąd elektryczny

11

TEORIA

PODSTAWY

Wynalazca baterii

Prąd staty i zmienny

Alessandro Volta (rysunek 1.38) urodził się we W łoszech w roku 1745, na długo przed tym , jak nauka podzieliła się na poszczególne gałę­ zie. Po studiowaniu chem ii (w 1776 roku odkrył metan) został profeso­ rem fizyki i zainteresował się tzw. odpowiedzią galwaniczną, obse rw o­ waną jako drganie żabiej nogi pod w p ływ e m przyłożonego statycznego ładunku elektrycznego.

Prąd uzyskiwany z baterii jest znany jako prąd stały (DC, od ang. direct current). Tak jak w przypadku w o dy płynącej z kranu, strum ień jest stabilny i ma jeden kierunek.

Używając kieliszka napełnionego słoną wodą, Volta zadem onstro­ wał, iż reakcja chem iczna pom iędzy dw iem a elektrodami, z których jedna wykonana była z miedzi, a druga z cynku, powoduje powstanie sta­ łego prądu elektrycznego. W roku 1800 uspraw nił swoje urządzenie przez złożenie razem w ykonanych z miedzi i cynku płytek, oddzielonych od siebie tekturą nasączoną w odą z solą. Ten „stos Volty” był pierwszą baterią elektryczną.

Przepływ prądu z „gorącego” przewodu w Twoim gniazdku jest zupełnie inny. Ulega zmianie z w a rtości dodatniej na ujemną 50 razy na sekundę (w Stanach Zjednoczonych 60 razy na sekundę). Jest to tzw. prąd zmienny (AC, od ang. alternating current), przypom inający trochę pulsujący przepływ w o dy z m yjki ciśnieniowej. Prąd zmienny ma kluczowe znaczenie dla niektórych celów, takich jak podnoszenie napięcia w celu przesłania energii na dużą odległość. Jest on również przydatny we wszelkiego rodzaju sil­ nikach i dom ow ych urządzeniach AGD. Na rysunku 1.39 poka­ zane zostały elementy gniazdka elektrycznego używanego na terenie Stanów Zjednoczonych. Gniazdka w podobnym stylu uży­ wane są również w innych krajach, między innymi w Japonii. W przeważającej części tej książki będę m ów ił o prądzie stałym. Są ku temu dwa powody: po pierwsze, większość prostych ukła­ dów elektronicznych jest zasilana przez prąd stały, po drugie, zachowanie tego prądu jest o wiele łatwiejsze do zrozumienia. Nie będę dalej przypom inał, iż m am y do czynienia z prądem sta­ łym . Przyjmij, że tak jest, o ile tylko w tekście nie pojawi się jawne odniesienie do prądu zm iennego.

B

Rysunek 1.38. Alessandro Volta odkrył, iż reakcje chemiczne mogą prowadzić do powstania prądu elektrycznego Rysunek 1.39. Tego typu gniazdko elektryczne spotkać można na terenie A m eryki Północnej, Południowej, w Japonii i innych krajach. Gniazdka używane w Europie wyglądają inaczej, ale zasada ich działa­ nia je s t taka sama. Styk A stanowi „ży w ą ” część gniazdka, dostarcza­ jącą napięcie zmieniające się pom iędzy wartością dodatnią i ujemną, względem styku B, który nazywany je s t stroną „neutralną” gniazdka. Jeżeli urządzenie je s t podatne na uszkodzenia, na przykład przez oblu­ zowanie przew odów wewnętrznych, powinno chronić Cię poprzez zwarcie napięcia do styku C — uziemienia

12

1. Doświadczanie elektryczności

Sprzątanie i recyklizacja Pierwsza bateria AA, którą zwarteś, jest praw dopodobnie uszko­ dzona i nie można jej w żaden sposób zregenerować. Powinieneś się jej pozbyć. W rzucenie baterii do śm ietnika nie jest najlepszym po m y ­ słem, ponieważ zawiera ona metale ciężkie, które pow inny być trz y ­ mane z dala od naszego ekosystem u2. Przepalony bezpiecznik jest bezużyteczny i może zostać w yrzucony. Druga bateria, chroniona przez bezpiecznik, powinna być nadal sprawna. Również pojem nik na baterię nadaje się do dalszego użycia.

Eksperyment 3: Twój pierwszy obwód Nadszedł czas, aby w ykorzystać prąd do zrobienia czegoś, co chociaż w m ałym stopniu jest użyteczne. Do tego będziesz potrzebował kom ­ ponentów zwanych rezystorami oraz diody świecącej (LED). Potrzebne będą: •

1 ,5-w oltow e baterie typu AA, liczba: 4,

•

uchw yt na cztery baterie, liczba: 1,

•

rezystory: 470 Q , 1 k Q i 2 kQ lub 2,2 kQ (rezystory o w a rtości 2,2 k Q są częściej spotykane od tych z w a rtością 2 k ii ; obie w a rtości nadają się do tego eksperym entu), liczba: po jednym rezystorze z każdej w artości,

•

dioda LED, dow olny typ, liczba: 1,

•

zaciski krokodylki, liczba: 3.

TEORIA Ojciec elektromagnetyzmu Urodzony w 1775 roku we Francji Andre-M arie Ampere (rysunek 1.40) był cudo w nym dzieckiem m atem a­ tyki, a w późniejszych latach został nauczycielem nauk ścisłych, m im o że niemal całą sw oją wiedzę posiadł samodzielnie w bibliotece swojego ojca. Jego największym dziełem było w ypracow anie w roku 1820 teorii elektrom agnetyzm u, opisującej spo­ sób, w jaki przepływający prąd gene­ ruje pole elektromagnetyczne. To on również zbudow ał pierwsze urządze­ nie służące do pom iaru przepływu prądu (zwane galwanometrem ). Jest także o dkryw cą fluoru.

Przygotowanie Nadeszła pora na zapoznanie się z najbardziej fundam entalnym kom ­ ponentem, jakiego używać będziemy w obw odach elektronicznych: skrom nym rezystorem. Jak sugeruje jego nazwa, stawia on opór prze­ pływającem u prądowi. Jego w a rtość, jak pewnie się spodziewasz, m ierzona jest w om ach. Jeśli kupiłeś zestaw rezystorów z czyjejś wyprzedaży garażowej, naj­ prawdopodobniej nie masz żadnych inform acji na tem at ich faktycz­ nej rezystancji. Nic nie szkodzi, m ożem y to łatwo sprawdzić. M ówiąc szczerze, nawet gdyby były one jasno opisane, i tak chciałbym , abyś sprawdził ich w artości samodzielnie. Możesz zrobić to na dwa sposoby:

Rysunek 1.40. Andre-Marie Ampere odkrył, że prąd płynący przez przewód wytwarza w okół niego pole elektrom a­ gnetyczne. Wykorzystał tę zasadę do przeprowadzenia pierwszych wiarygod­ nych pom iarów tego, co później zostało określone mianem natężenia prądu

•

Użyj sw ojego m iernika uniwersalnego. Będzie to doskonały trening interpretacji w a rto ś c i w yśw ietlanych na jego wyśw ietlaczu.

•

Naucz się kodów paskowych, nadrukow anych na w iększości rezystorów. Instrukcje znajdziesz w poniższej sekcji — „Podstawy. O dczytywanie w a rto ś c i rezystorów ” .

Po ich sprawdzeniu dobrze jest je poso rtow ać do odpowiednio opisanych przedziałek w m ałym plastikow ym pudełku na części. Pudełka tego typu znajdziesz na przykład w dużych sklepach budow lanych lub w internecie. 2 W Polsce za wyrzucenie baterii lub akumulatorów do zwykłego pojemnika na śmieci grozi grzywna — przyp. tłum. Eksperyment 3: Twój pierwszy obwód

13

PODSTAWY Odczytywanie wartości rezystorów Niektóre rezystory mają swoją w a rtość wyrażoną w jasny sposób za pom ocą m ikroskopijnego nadruku, który możesz odczytać przy użyciu szkła powiększającego. Jednak w iększość z nich jest oznaczona kolorowym i paskami. Ten kod dziata w sposób następujący: po pierwsze, m usisz zignorować kolor samej obudowy. Po dru­ gie, szukaj paska srebrnego lub złotego. Jeżeli go znajdziesz, obróć rezystor tak, aby ten pasek znajdował się po Twojej prawej stronie. Kolor srebrny oznacza, że w a rtość rezystora jest wyrażona z 10-procentow ą precy­ zją, a złoty z 5-procentow ą precyzją. Jeżeli nie znajdziesz paska złotego lub srebrnego, obróć rezystor tak, aby kod paskowy znajdował się po Twojej lewej stronie. Powinieneś teraz patrzeć na trzy kolorowe paski po lewej stronie rezystora. Niektóre rezystory mają ich więcej, ale tym i zajm iem y się za chwilę. Patrz rysunki 1.41 i 1.42.

Rysunek 1.41. Niektóre nowoczesne rezystory mają swoją wartość nadrukowaną na sobie, chociaż do je j odczytania może być potrzebne szkio powiększające. Przedstawiony tutaj rezystor 15 k n ma nieco ponad centym etr długości

Rysunek 1.42. Patrząc od g óry w dół, w artości pokazanych rezystorów to: 56 000 om ów (56 k n ), 5600 om ów (5,6 k il) i 560 omów. Rozmiar rezystora mówi, ja k dużą m oc je s t on w stanie wytrzymać. Nie ma to nic wspólnego z rezystan­ cją. Mniejsze rezystory cechują się mocą 0,25 l/K większy, w środku, je s t w stanie wytrzymać m oc rzędu 1 l/l/

Zaczynając od lewej, w a rto ś ć pierwszego i drugiego paska zakodowana jest zgodnie z poniższą tabelą:

Trzeci pasek ma inne znaczenie: m ówi, ile zer należy dodać na końcu, w sposób następujący:

Czarny Brązowy

0 1

Czarny Brązowy

-

Brak zer

0

1 zero

Czerwony Pomarańczowy

2

Czerwony Pomarańczowy

00 000

2 zera 3 zera

Żółty Zielony

4

Żółty Zielony

0000

5

4 zera 5 zer

Niebieski Fioletowy

6 7

Niebieski Fioletowy

Szary

8 9

Biały

Biały

14

3

Szary

00000 000000 0000000 00000000 000000000

6 zer 7 zer 8 zer 9 zer

1. Doświadczanie elektryczności

PODSTAWY Zauważ, że kodowanie przy użyciu kolorów jest spójne, na przykład zielony oznacza w a rto ś ć 5 (dla pierw szych dw óch pasków) lub 5 zer (dla paska trzeciego). Ponadto, kolejność kolorów odpow iada kolejności w ystępu­ jącej w tęczy. Zatem, rezystor o oznaczeniu brązow o-czerw ono-zielonym m iatby w a rto ś ć 1, 2 i pięć zer, co daje w wyniku 1 200 000 o m ó w lub 1,2 M i l Rezystor o oznaczeniu pom arańczow o-pom arańczow o-pom arańczow ym miatby w a rto ść 3, 3 i trzy zera, dając w wyniku 33 000 o m ó w lub 33 kQ . Rezystor o oznaczeniu brązow o-czarnoczerw onym m iatby w a rto ś ć 1, 0 i dw a dodatkowe zera, czyli 1 kQ . Rysunek 1.43 pokazuje inne przykłady. ^ ------------ Większa przerwa pomiędzy paskami

"L ł I

_____ r

j

|

■

"

,

■ l

Srebrny lub złoty pasek

■

I I

II-I ^ Rysunek 1.43. Aby odczytać wartość rezystora, w pierw szej kolejności obróć go tak, aby srebrny lub zloty pasek znalazł się po praw ej stronie lub, mówiąc inaczej, wszystkie pozo­ stałe paski znalazły się po lewej stronie. Patrząc z g óry na dół: pierw szy rezystor ma war­ tość 1, 2 i pięć zer, czyli 1,2 M n . Drugi to 5, 6 i jedno zero, czyli 560 i l Trzeci to 4, 1 i dwa zera, czyli 4 ,7 k i l Ostatni to 5, 6, 1 i dwa zera, czyli 65 100 L i lub 65,1 k i l

Jeżeli natkniesz się na rezystor z czterema paskami zam iast trzech, pierwsze trzy będą cyfram i, a czwarty liczbą zer. Trzeci pasek num eryczny pozwala na lepsze w ykalibrow anie tolerancji w a rtości rezystora. Trudne do zapamiętania? Zdecydowanie. Dlatego prościej jest sprawdzić w a rto ś ć przy użyciu Twojego mier­ nika. M usisz jedynie być ś w iadom y tego, iż m iernik może pokazać w a rto ś ć odbiegającą nieco od dom niemanej w a rtości rezystora. W ynika to stąd, iż precyzja Twojego m iernika nie jest doskonała lub precyzja sam ego rezy­ stora nie jest doskonała (lub oba te przypadki zachodzą jednocześnie). Dla nas nie ma to większego znaczenia, o ile tylko w a rto ść nie odbiega od spodziewanej o więcej niż 5%.

Eksperyment 3: Twój pierwszy obwód

15

Oświetlenie diody LED Przyjrzyj się teraz jednej ze sw oich diod LED. Żarówka starego typu marnuje sporo energii, przekształcając energię elektryczną w ciepło. Diody LED są znacznie zmyślniejsze: niemal całą dostarczoną im energię konw ertują na światło, a ich żyw otność jest niemal nieskończona — pod w a runkiem że będziesz je traktow ał w odpowiedni sposób. Dioda LED jest dosyć wybredna pod względem ilości otrzym yw anej energii i sposobu jej dostarczania. Przestrzegaj zawsze następujących reguł: •

Dłuższa końców ka diody LED m usi otrzym ać wyższe dodatnie napięcie w porównaniu do końcówki krótszej.

•

Różnica potencjałów pom iędzy dłuższą i krótszą końców ką diody nie może przekroczyć limitu wyznaczonego przez jej producenta.

•

Prąd płynący przez diodę LED nie może przekroczyć górnej granicy wyznaczonej przez jej producenta.

Co się stanie, jeśli przekroczysz te w a rto ś c i? Przekonamy się. Upewnij się, że używane przez Ciebie baterie są świeże. Możesz to sprawdzić, przestawiając sw ój m iernik na pom iar w o ltó w (prąd stały) i dotykając końców kam i pom iarow ym i wyprow adzeń każdej baterii. Każda z nich pow inna gene­ rować „ciśnienie” rzędu 1,5 wolta. M ożliwe jest, że wskazywane napięcie będzie nawet nieco wyższe. Bateria roz­ poczyna od dostarczania napięcia powyżej swojej nominalnej w a rtości i w miarę używania w ytraca je. Baterie tracą napięcie również, kiedy stoją na półkach i nie są zaangażowane w żadną pracę. Załaduj baterie do uchw ytu (zwracając uwagę na ich kierunek — ujemne końcówki pow inny opierać się na sprę­ żynach). Użyj m iernika do sprawdzenia napięcia na przewodach w ychodzących z uchw ytu na baterie. Powinieneś widzieć m inim um 6 woltów. Teraz w ybierz rezystor 2 k i l Pamiętaj, że „2 k Q ” oznacza „2 0 0 0 o m ó w ” . Jeżeli rezystor ma oznaczenie paskowe, powinieneś widzieć czerw on y-czarny-czerw ony w zó r oznaczający 2, 0 z dw om a zerami. Ponieważ bardziej powszechne są rezystory 2,2 kQ , możesz użyć takiego. Powinien m ieć oznaczenie czerw ony-czerw ony-czerw ony. W epnij go w obw ód, tak jak pokazują to rysunki 1.44 i 1.45, tw orząc połączenia przy użyciu zacisków k r o k o d y lo ­ w ych. Powinieneś widzieć diodę LED św iecącą bardzo słabo.

16

1. Doświadczanie elektryczności

Zamień teraz sw ój 2-kilo o m o w y rezystor na rezystor 1 k o , który będzie oznako­ w any paskami brązowym , czarnym i czerw onym , oznaczającym i 1, 0 z dw om a dod atkow ym i zerami. Dioda pow inna teraz św iecić jaśniej. Zamień rezystor 1 kQ na 470 który powinien m ieć oznakowanie żółty-fioletow y-brązow y, oznaczające 4, 7 i jedno dodatkowe zero. Dioda pow inna św ie­ cić jeszcze jaśniej. To może w yglądać na bardzo elementarne ćwiczenie, ale udowadnia jedną istotną rzecz. Rezystor blokuje pewną część napięcia w układzie. Możesz trak­ tow ać go jako węzeł lub zwężenie w giętkim wężu. Rezystor o wyższej w a rtości blokuje więcej napięcia, pozostawiając go mniej dla diody. LED

Dłuższa

Rysunek 1.44. Obwód dla ekspery­ m entu nr 3, z widocznymi rezystorami 470 0., 1 ko. i 2 ko. l/l/ celu uzyska­ nia pewnego połączenia użyj zacisków krokodylkowych w miejscach poka­ zanych na zdjęciu. Wypróbuj kolejno każdy z wymienionych rezystorów w tym samym m iejscu obwodu, obser­ wując jednocześnie zachowanie diody

W Twoim uchwycie na baterie ten przewód może być niebieski lub czarny

Rysunek 1.45. Oto ja k wygląda cały układ z użyciem dużej diody. Jeżeli zaczniesz od rezystora o najwyższej wartości, po zamknięciu obwodu dioda powinna św iecić w miarę słabo. Rezystor zabiera większość napięcia, pozostawiając diodzie zbyt mało prądu, aby m ogła św iecić jasno

Sprzątanie i recyklizacja Baterii i diody użyjem y w następnym eksperym encie. Rezystory przydadzą się w przyszłości.

Eksperyment 3: Twój pierwszy obwód

17

Eksperyment 4: Zmiana napięcia Potencjom etry m ają różne rozm iary i kształty, ale wszystkie służą do tego sam ego celu: pozwalają na zmianę napię­ cia i natężenia prądu przez zmianę rezystancji. Ten eksperym ent pozwoli Ci dowiedzieć się więcej na tem at napięcia, natężenia i związku pom iędzy nimi. Dowiesz się również, jak odczytyw ać karty katalogowe producenta. Potrzebne będą baterie, uchw yt na nie, zaciski krokodylki oraz dioda LED, jakich używałeś w poprzednim ekspery­ mencie, plus: •

potencjometr, 2 kD , liniowy, liczba: 2; potencjom etry o dużych rozmiarach, jak ten przedstawiony na rysunku 1.46, stają się rzadkością — ich m iejsce zajmują wersje m iniaturowe; ja chciałbym , abyś użył dużego, ponieważ pracuje się z nim o wiele łatwiej,

•

jedna dodatkow a dioda LED,

•

miernik.

Zajrzyj do wnętrza swojego potencjometru Pierwszą rzeczą, jaką chcę, abyś wykonał, jest sprawdzenie zasady działania potencjom etru. Oznacza to, że będziesz m usiał dostać się do jego wnętrza. W łaśnie z tego pow odu na Twojej liście zakupów znalazły się dw a takie potencjo­ m etry (na w ypadek gdybyś nie był w stanie złożyć pierwszego z pow rotem w całość). W iększość potencjom etrów jest przytrzym yw ana przez m etalowe zakładki. Powinieneś być w stanie c hw ycić je przy użyciu szczypiec (okrągłych lub z ostrzem ), a następnie odgiąć na zewnątrz. Jeśli Ci się uda, potencjom etr otw orzy się, tak jak przedstawiono to na rysunkach 1.47 i 1.48.

Rysunek 1.46.

Rysunek 1.47.

Rysunek 1.48. Aby otworzyć potencjo­ metr, zacznij od podważenia czterech m ałych zakładek metalowych na brzegu (na rysunku 1.47 powinieneś zauważyć jedną z zakładek odgiętą po lewej stronie i drugą po prawej), l/l/ środku znajduje się zw ój drutu nawinięty na plastikowym rdzeniu i para sprężystych kontaktów (ślizgacz), które przewodzą prąd z lub do zwoju, w trakcie gdy kręcisz pokrętłem

W zależności od tego, czy kupiłeś najtańszy m ożliw y potencjometr, czy też trochę wyższej klasy, w środku znaleźć m ożesz pierścień przewodzącego plastiku lub nawinięty zwój drutu. W obu przypadkach zasada działania jest taka sama. Drut lub plastik stanowi pewną rezystancję (w tym przypadku o całkowitej w a rto ś c i 2 kQ ) i w miarę jak krę­ cisz w ałem potencjom etru, ślizgacz ociera się o tę rezystancję, dając Ci skrót pom iędzy dow oln ym punktem a środ­ kow ym wyprow adzeniem .

18

1. Doświadczanie elektryczności

Możesz spróbow ać złożyć go ponownie. Jeśli się nie uda, użyj potencjom etru zapasowego.

Omy

Aby przetestować potencjometr, przestaw swój m iernik na pom iar rezystancji (om y) i dotknij końców kam i wyprow adzeń potencjom etru, kręcąc jednocześnie pokrętłem w jednym kierunku, a następnie w przeciw nym (tak jak pokazuje to rysunek 1.49).

Przyciemnianie diody LED Zacznij od ustawienia potencjom etru w pozycji skrajnie skręconej przeciwnie do ruchu w skazów ek zegara, w przeciw nym wypadku spalisz diodę LED, zanim jeszcze zaczniesz na dobre eksperym ent. (Naprawdę bardzo m ała liczba poten­ cjo m etrów zwiększa i zmniejsza rezystancję w kierunku przeciw nym do opisa­ nego tutaj, ale jeśli tylko Twój potencjom etr po otwarciu wygląda podobnie do tego na rysunku 1.48, m ój opis powinien być praw idłow y). Teraz podłącz wszystko tak, jak pokazują to rysunki 1.50 i 1.51, zwracając szcze­ gólną uwagę na to, aby m etalowe części krokodylków nie stykały się ze sobą. Przekręć teraz bardzo powoli pokrętło potencjometru. Zauważysz, że dioda zaczyna św iecić coraz jaśniej — do m omentu, ups, kiedy zupełnie zgaśnie. Czy widzisz teraz, jak łatwo można zepsuć współczesną elektronikę? W yrzuć tę diodę LED. Ona już nie zaświeci. Weź nową — tym razem będziemy bardziej ostrożni.

Rysunek 1.49. Zmierz rezystancję pom iędzy tym i dwiema końcówkami potencjometru, kręcąc jednocześnie pokrętłem w jednym i drugim kierunku

LED

Rysunek 1.50. Schem at połączeń dla eksperymentu czwartego. Zmiana położenia walu potencjom etru 2 k i l zmienia jego rezystancję od 0 do 2000 f l Rezystancja ta chroni diodę LED przed pełnym napięciem 6 V baterii

Eksperyment 4: Zmiana napięcia

Rysunek 1.51. Dioda LED na tym rysunku je s t zgaszona, ponieważ prze­ kręciłem pokrętłem potencjom etru odrobinę za daleko

19

Podczas gdy baterie są podłączone do obw odu, ustaw sw ój m iernik na pom iar napięcia (w oltów ) prądu stałego (DC) — pokazują to rysunki od 1.52 do 1.54. Teraz dotknij obu stron diody LED. Spróbuj utrzym ać końcówki pom iarow e w tej pozycji i jednocześnie przekręcić potencjom etr odrobinę w dół. Powinie­ neś zauważyć, że napięcie na diodzie ulega odpowiednio zmianie. M ó w im y tutaj o zmianie potencjałów pom iędzy dw om a przewodam i diody. Jeżeli zam iast diody LED użyłbyś m iniaturow ej lampki w starym stylu, zauwa­ żyłbyś znacznie większe wahania różnicy potencjałów, ponieważ żarówka zachowuje się jak „c z y s ty ” rezystor, podczas gdy dioda LED w pew nym stop­ niu dostosow uje się, m odyfikując sw o ją rezystancję w miarę zmian napięcia. Dotknij teraz końców kam i pom iarow ym i dw óch w yprow adzeń potencjom etru, których używaliśmy. Będziesz m ógł w ten sposób zm ierzyć różnicę potencja­ łó w m iędzy nimi. Potencjom etr i dioda LED dzielą m iędzy siebie całe dostępne napięcie, zatem kiedy różnica potencjałów (spadek napięcia) na potencjom e­ trze rośnie, różnica potencjałów na diodzie LED maleje i vice versa. Przyjrzyj się rysunkom od 1.55 do 1.57. Kilka rzeczy do zapamiętania: •

Jeżeli zsum ujesz spadki napięcia na urządzeniach w obwodzie, całkowita sum a będzie taka sama, jak napięcie dostarczone przez baterie.

•

Napięcie m ierzysz w sposób względny, pom iędzy dw om a punktami w obwodzie.

•

Używaj m iernika jak stetoskopu, bez poruszania lub przerywania połączeń w obwodzie. Użyj swojego miernika do pomiaru napięcia pomiędzy tymi dwoma punktami

Rysunek 1.54. Każdy m iernik posiada inny sposób pom iaru w oltów napię­ cia stałego (DC). M iernik o ustawieniu manualnym (na sam ej górze) wymaga, abyś przesunął pokrętło do sekcji „D C ”, a następnie wybrał najwyższy zakres napięcia, jakie chcesz zmierzyć. l/l/ tym przypadku wybrane napięcie to 20 (ponieważ 2 byłoby zakresem nie­ wystarczającym). Używając miernika o automatycznym doborze zakresów (takiego ja k produkowane przez firmę RadioShack), ustawiasz pokrętło na „V ”, a on sam dobierze odpowiedni zakres pracy Rysunek 1.55. Jak mierzyć napięcie w prostym obwodzie elektrycznym

20

1. Doświadczanie elektryczności

Rysunek 1.56. M iernik pokazuje, ja k i spadek napięcia występuje na diodzie

Rysunek 1.57. M iernik wskazuje, ja ki spadek napięcia występuje na potencjometrze

Sprawdzanie przepływu Chciałbym, abyś dokonał teraz innego rodzaju pom iaru — pom iaru przepływu prądu w obwodzie, używając Twojego m iernika z ustawieniem m A (m iliam pery). Pamiętaj: •

Prąd możesz m ierzyć jedynie, kiedy przepływa on przez miernik.

•

M usisz w staw ić sw ój m iernik do obwodu.

•

Zbyt duży prąd spow oduje przepalenie bezpiecznika w ew nątrz miernika.

Zanim przejdziesz dalej, upewnij się, że ustawiłeś swój miernik na pomiar mA, a nie woltów. Niektóre mierniki wymagają do tego celu przełączenia jednego z przewodów pomiarowych do innego gniazda. Przyjrzyj się rysunkom od 1.58 do 1.61.

Eksperyment 4: Zmiana napięcia

21

Rysunek 1.58. Jeśli spróbujesz m ierzyć p rąd o zbył dużym natężeniu, każdy mier­ nik doprowadzi do przepalenia swojego wewnętrznego bezpiecznika, l/l/ naszym obwodzie nie ma takiego ryzyka, o ile tylko będziesz utrzym ywał potencjom etr w środku jego zakresu pracy. Wybierz ustawienie „m A ” i pamiętaj, że m iernik będzie wyświetlał liczby będące tysięcz­ nym i częściami ampera

Rysunek 1.59.

Rysunek 1.60.

10A

mA

COM

K i

a t O T » ' “ AUA> S€0 1 [ __ 10A MA) | UNRJSCI

L

Y © OOVw*X - T ' '

— ¥ hi O lj” T2704B

i « n

k 1

J

Rysunek 1.61. M iernik manualny, taki ja k przedstawiony na tym zdjęciu, może wymagać, abyś przełączył czerwony przew ód do innego gniazda w celu pom iaru miliamperów. Większość nowocze­ snych m ierników nie wymaga takiego zabiegu do momentu, kiedy zdecydujesz się na pom iar prądu o większych wartościach

W tącz sw ój m iernik do obw odu, tak jak pokazuje to rysunek 1.62. Nie przekręcaj potencjom etru dalej niż do potow y jego zakresu. Rezystancja potencjom etru będzie chronić Twój miernik, a także sam ą diodę LED. Jeżeli m iernik otrzym a zbyt duży prąd, będziesz zm uszony do w ym ia ny jego w ew nętrznego bezpiecznika. Przestawiając m inim alnie pozycję potencjom etru w górę i w dót, powinieneś zaobserw ow ać w p ty w zmieniającej się rezystancji w obwodzie na zmianę prądu — natężenia. Wtaśnie z tego pow odu w poprzednim eksperym encie spa­ leniu uległa dioda LED: zbyt duży prąd doprow adził do jej rozgrzania, a ciepło spow odow ało stopienie jej wnętrza, podobnie jak w przypadku bezpiecznika, którym zajm ow aliśm y się wcześniej. Wyższa rezystancja ogranicza prze­

pływ prądu (jego natężenie). Teraz w sta w m iernik w inne m iejsce obw odu, tak jak pokazuje to rysunek 1.63. Zmieniając położenie potencjom etru w górę i w dół, powinieneś uzyskać dokładnie takie same wyniki, jak w konfiguracji z rysunku 1.62. W ynika to stąd, że prąd jest taki sam we w szystkich punktach podobnego obw odu. Musi taki być, ponieważ elektrony nie m ają innego

miejsca, w kierunku którego mogłyby popłynąć.

22

1. Doświadczanie elektryczności

Nadeszła pora, aby przyjrzeć się liczbom . To ostatnia rzecz, jakiej spróbujesz. Odłóż na bok diodę LED i zastąp ją rezy­ storem o w a rto ści 1 kQ , tak jak pokazuje to rysunek 1.64. Całkowita rezystancja obw odu w ynosi w tej chw ili 1 kQ plus w a rto ść wynikająca z aktualnego ustawienia potencjom etru. (Również sam m iernik w p row adza pewną rezystan­ cję, ale jest ona na tyle mała, iż m ożem y ją pom inąć).

Rysunek 1.62. Żeby m óc mierzyć natężenie prąciu, tak ja k przedstawia to rysunek 1.63, prąd m usi płynąć przez miernik. Kiedy podnosisz rezystancję, ograniczasz prze­ p ływ prądu, a to z kolei prowadzi do słabszego świecenia diody LED

Eksperyment 4: Zmiana napięcia

23

Rysunek 1.64. Jeżeli zastąpisz diodę LED rezystorem, będziesz m ó gł potwierdzić, iż prąd płynący w obwodzie zmienia się wraz ze zmianą całkow itej rezystancji tego obwodu, przy zachowaniu tego samego napięcia

Przekręć potencjom etr do końca w kierunku przeciw nym do ruchu w skazów ek zegara. Uzyskasz w ten sposób cał­ kowitą rezystancję rzędu 3 k i i Twój m iernik powinien w skazyw ać przepływ prądu o natężeniu około 2 mA. Teraz przekręć potencjom etr do połowy, uzyskując rezystancję całkow itą zbliżoną do 2 kQ . Powinieneś widzieć prąd rzędu 3 mA. Przekręć potencjom etr do końca zgodnie z ruchem w skazów ek zegara, uzyskując w ten sposób rezystancję całkow itą 1 kQ , a zobaczysz prąd rzędu 6 mA. Zauważ, że jeśli przem nożym y rezystancję układu przez natężenie prądu, za każdym razem otrzym am y 6 — co akurat odpowiada napięciu, jakie um ieściliśm y w obwodzie. Spójrz na poniższą tabelkę:

24

Rezystancja całkowita

Prąd

Napięcie

[k n ]

[mA]

[V]

3

2

6

2

3

6

1

6

6

1. Doświadczanie elektryczności

M ożem y wręcz powiedzieć: w o lty = kiloom y x m iliam pery Ale skoro 1 kQ to 1000 om ów, a 1 m A to 1 /1000 ampera, nasza form uła pow inna w yglądać tak: w o lty = (om y x 1000) x (am pery x 1/1000) W spółczynniki tysięczne upraszczają się wzajem nie i otrzym ujem y: w o lty = om y x am pery Ta form uła jest znana jako prawo Ohma. W ięcej na jej tem at przeczytasz w sekcji „Podstawy. Prawo O hm a” .

PODSTAWY Połączenia szeregowe i równoległe Zanim będziemy mogli przejść dalej, powinieneś dowie­ dzieć się, w jaki sposób rezystancja zachowuje się w obwodzie, kiedy połączysz rezystory szeregowo lub równolegle. Ilustrują to rysunki od 1.65 do 1.67. Pamiętaj: •

W połączeniu szeregow ym rezystory występują jeden za drugim .

•

W połączeniu rów noległym rezystory znajdują się obok siebie.

Kiedy połączysz dwa rezystory o jednakowej rezystancji w sposób szeregowy, podwoisz całkowitą rezystancję, ponieważ prąd będzie musiał pokonać kolejno dwie bariery. Kiedy połączysz dw a rezystory o jednakowej w a rtości w sposób równoległy, podzielisz całkow itą rezystan­ cję przez dwa, ponieważ um ożliwisz prądowi przepływ przez dwie ścieżki zam iast jednej. W praktyce, zazwyczaj nie potrzebujem y łączyć rezy­ storó w w sposób równoległy, ale często łączym y tak inne komponenty. Dla przykładu, w taki sposób połą­ czone są w szystkie żarówki w Twoim dom u. W arto zatem rozumieć, że dodawanie kolejnych elem entów do obw odu w sposób rów noległy zmniejsza jego cał­ kow itą rezystancję.

6 w o ltów

=T ® ® ~ ^t= = r =0

r-n

p n

o im

111 ‘

■ Rezystancja obwodu 2000 omów Prąd 3 mA

Rysunek 1.66. Kiedy dwa rezystory połączone są szeregowo, prąd m usi przepłynąć przez pierw szy z nich, aby dotrzeć do drugiego, stąd każdy z nich zabiera połowę napięcia. Rezystancja w tej sytuacji wynosi 2000 om ów i, zgodnie z prawem Ohma, obwód pobiera U/R = 6/2000 = 0,003 A = 3 mA prądu

6 w o ltó w

1000 o m ó w

4

■ 6 w o ltó w ■

I

L

T

1000 om ow

f

■ Rezystancja obwodu 500 om ów

I

6 w o ltó w

I

Prąd 12 mA

— Rezystancja obwodu — 1000 omów Prąd 6 mA

Rysunek 1.65. Pojedynczy rezystor przyjmuje na siebie cate napięcie i, zgodnie z prawem Ohma, wymusza przepływ prądu o natężeniu U/R = 6/1000 = 0,006 A = 6 m A

Eksperyment 4: Zmiana napięcia

Rysunek 1.67. Kiedy dwa rezystory są połączone rów ­ nolegle, każdy z nich „narażony” je s t na pełne napię­ cie, zatem na każdym z nich występuje spadek 6 V. Prąd może teraz płynąć przez oba jednocześnie, zatem całko­ wita rezystancja je s t o połowę mniejsza od poprzedniej. Zgodnie z prawem Ohma, obwód pobiera U/R = 6/500 = 0,012 A = 12 mA prądu

25

Stosowanie prawa Ohma Prawo Ohma Z powodów, które wyjaśnię za chwilę, prąd (wyrażany w amperach) jest zazwyczaj reprezento­ wany przez literę I. U reprezentuje napięcie (wyrażone w woltach), a R rezystancję (w om ach). Uży­ wając tych sym boli, możesz zapisać prawo Ohma na trzy różne sposoby: U = lx R I = U/R R = U/l Pamiętaj, U jest różnicą napię­ cia pom iędzy dw om a punk­ tam i w prostym obwodzie, R to w yrażona w om ach rezystancja pomiędzy tym i sam ym i dw om a punktami, a I to prąd wyrażony w amperach ptynący przez obw ód pom iędzy tym i dw om a punktami. Litera I jest używana ze względu na fakt, iż początkowo prąd byt mierzony poprzez swoją indukcyjność, tzn. zdolność do tw o ­ rzenia pola magnetycznego. Być może mniej mylące bytoby użycie litery A do oznaczenia prądu, ale niestety jest już na to za późno.

Prawo Ohma jest niezwykle użyteczne. Pozwala nam między innym i na sprawdzenie, czy kom ponent może zostać bezpiecznie użyty w obwodzie. Zam iast obciążania części do m omentu, kiedy ulegnie spaleniu, m ożem y przewidzieć, czy będzie działać praw idłow o. Dla przykładu, kiedy pierw szy raz bawiłeś się potencjom etrem , nie w iedzia­ łeś, do jakiej pozycji możesz go przekręcić bez uszkodzenia diody LED. Czy nie byłoby lepiej m óc przewidzieć, jaką dokładnie rezystancję powinieneś połączyć szeregowo z diodą LED, aby chronić ją we w ła ś c iw y sposób i jed­ nocześnie dostarczać tyle światła, ile tylko jest m ożliwe?

Jak czytać strony katalogowe Tak jak w większości przypadków, odpowiedź na to pytanie można znaleźć w sieci. Oto jak znaleźć stronę katalogową producenta kom ponentu (rysunek 1.68). Po pierwsze, znajdź interesujący Cię kom ponent w zestawieniu, które otrzy­ małeś razem z częściami. Następnie użyj w yszukiw arki internetowej, w p i­ sując num er części i producenta. W dużej części przypadków odnośnik do strony katalogowej pojawi się jako jeden z pierw szych wyników . Niektóre sklepy internetowe (np. www.elfaelektronika.pi) jeszcze bardziej ułatwiają sprawę, udostępniając dla wielu produktów bezpośredni odnośnik do karty katalogowej producenta.

TLHG/R/Y540.

VISHAY

▼

High Efficiency LED in

Vishay Semiconductors

5 mm Tinted Diffused Package

Description The TLH .54.. senes was developed for standard applications like general indicating and lighting pur­ pose« n is housed a 5 mm tnted diffused piastic package The wide viewing angle of these devices provides a high on-off contrast Several selection types with different lurrunous inten­ sities are offered All LEDs are categorized in lumi­ nous intensity groups The green and yellow LEDs are categorized additionally «1 wavelength groups

That allows users to assemble LEDs with uniform appearance

Features

A p p lica tio n s Status lights OFF 10 N indicator Background illumination

• Choice of three bnght colors

Readout lights

X Standard T -1 *. package

Mamlenance Nghts

X S m ai mechanical tolerances

Legend light

X Suitable for DC and high peak current X W ide viewing angle X Lurranous intensity categorized X Yellow and green color categonzed X TLH .54 . with stand-offs X Lead-free device

Rysunek 1.68. Początek typowej strony katalogowej, zawierającej wszelkie specyfi­ kacje produktu i dostępnej za darmo w internecie

26

1. Doświadczanie elektryczności

TEORIA Ile prądu konsumuje przewód elektryczny? Zazwyczaj ig norujem y rezystancję przewodów, takich jak końców ki w ystające z rezystora, ponieważ jest ona niezwykle mata. Jeśli jednak spróbujesz w y m u s ić przepływ prądu o znacznych w a rtościa ch przez długie odcinki bardzo cienkiego przewodu, ich rezystancja może nabrać znaczenia. Jak dużego znaczenia? D ow iem y się tego, stosując ponownie prawo Ohma. Zatóżmy, że bardzo dtugi przewód ma rezystancję 0,2 Q, a m y chcem y przez niego przepuścić prąd o natęże­ niu 15 amperów. Ile napięcia „ukradnie” przewód w takim obwodzie ze względu na sw oją rezystancję? Zapiszm y to, co wiem y: R = 0,2 I = 15 C hcem y poznać U, różnicę potencjałów dla przewodu, zatem używ am y wzoru, w którym U znajduje się po lewej stronie równania: U = lx R Podstaw iam y w a rtości: U = 15 x 0,2 = 3 w o lty Trzy w o lty to nic wielkiego, jeżeli Twoje źródło zasilania dysponuje dużym napięciem, ale jeśli jest to na przykład 1 2 -w o lto w y akum ulator sam ochodowy, taki przewód zabierze jedną czw artą dostępnego napięcia. Teraz już wiesz, dlaczego okablowanie w sam ochodach nie należy do cienkich — celem jest zredukowanie rezystancji przew odów znacznie poniżej 0,2 n . Patrz rysunek 1.69.

Rysunek 1.69. Kiedy 12-woltowy akum ulator sam ochodowy zasila pewne urządzenie elektryczne poprzez długie i cienkie przewody, rezystancja tych przew odów powoduje zawłaszczenie pewnej ilości napięcia i rozproszenie go w postaci ciepła

Eksperyment 4: Zmiana napięcia

27

Początki mocy Urodzony w Szkocji w roku 1736 James Watt (rysunek 1.70) jest znany jako wynalazca maszyny parowej. Watt urządził sobie małą pracownię na uniwersytecie w Glasgow, gdzie usiłował dopro­ wadzić do doskonałości projekt efektywnego użycia maszyny parowej do poruszania tłokiem w cylindrze. Problemy finansowe oraz słabo rozwinięta wówczas sztuka form ow ania metali opóź­ niły pomyślne zakończenie prac aż do roku 1776. Pomimo trudności w uzyskaniu patentów (które w ow ym cza­ sie m ogły być przyznane jedynie aktem parlamentu) Watt i jego partner biznesowy w końcu zaro­ bili spore pieniądze na jego inno­ wacji. M im o że on sam pojawił się na kartach historii jeszcze przed erą elektryczności, w 1889 roku (70 lat po śm ierci) jego nazwisko zostało użyte do ozna­ czenia podstaw owej jednostki m ocy elektrycznej, która definio­ wana jest jako iloczyn natężenia i napięcia. Zajrzyj do sekcji „Pod­ stawy. W aty” .

Oto przykład. Załóżmy, że potrzebuję czerwonej diody LED, takiej jak pro­ dukowana przez firm ę Vishay o numerze TLH R5400 (dostępnej np. tutaj: www.elfaelektronika.pl). Mogę przejść na stronę katalogową tej diody, znaj­ dującą się w serwisie internetowym producenta — Vishay S em iconduc­ to r (www.vishay.com). W miarę szybko na m oim m onitorze w yśw ietlo ny zostaje dokum ent PDF. Znaleziona strona katalogowa dotyczy ty p ó w diod TLHR, TLHG i TLHY czyli odpowiednio czerw onych, zielonych i żółtych, co sugerują litery G (green), R (red) i Y (yellow) na końcu nazw typów. Prze­ chodzę niżej w dokum encie i patrzę na sekcję Optical and Electrical Cha­ racteristics („Charakterystyki elektryczne i optyczne” ). Dowiaduję się tutaj, że przy prądzie 20 m A dioda charakteryzuje się ty p o w y m (patrz sekcja TYP. — skrót od angielskiego słow a Typical) „napięciem przewodzenia” 2 V. M aksym alne (patrz sekcja MAX.) napięcie w yn osi 3 V. Przyjrzyjm y się teraz innej karcie katalogowej, gdyż nie wszystkie pisane są w ten sam sposób. W ybiorę inną diodę LED, firm y Kingbright, o numerze części W P7113SGC. Po wyszukaniu jej w przeglądarce kliknij na odnośnik prowadzący do strony katalogowej. Na drugiej stronie dokumentu dow ia­ dujem y się, że typow e napięcie przewodzenia to 2,2, a m aksym alne 2,5. M aksym alny prąd przewodzenia w ynosi 25 mA. Znaleźć tam można ró w ­ nież dodatkow e inform acje: m aksym alne napięcie wsteczne w yn osi 5 V, a m aksym alny prąd w steczny to 10 ^lA (m ikroam perów, czyli tysięcznych części m iliam pera). To m ów i nam, iż pow inn iśm y unikać przykładania do diody nadmiernego napięcia w odw rotnym kierunku. Jeżeli przekroczysz dopuszczalne napięcie wsteczne, ryzykujesz spalenie diody. Zawsze zw ra­ caj uwagę na polaryzację! Kingbright ostrzega nas również, ile ciepła jest w stanie w ytrzym ać dioda przez kilka sekund: 260°C . Jest to istotna inform acja, gdyż już niedługo odłożym y na bok zaciski krokodylki i będziemy używać stopionej cyny do łączenia ze sobą części elektronicznych. Ponieważ do tej pory, w zaledwie czterech eksperym entach, zniszczyliśm y już baterię, bezpiecznik i diodę LED, praw dopodobnie nie będziesz zaskoczony, kiedy pow iem Ci, że przyj­ dzie nam zniszczyć jeszcze kilka kom ponentów, testując ich w ytrzym ałość podczas lutowania rozgrzanym metalem. Tak czy inaczej, w iem y już, czego oczekuje dioda LED, m ożem y więc pom yśleć, jak zaspokoić jej potrzeby. Jeżeli masz problem y z posługiw a­ niem się ułam kam i dziesiętnymi, zanim przejdziesz dalej, zajrzyj do sekcji „Podstawy. Ułamki dziesiętne” .

Jak dużego rezystora potrzebuje dioda LED Załóżmy, że chcem y użyć diody LED firm y Vishay. Czy pamiętasz jej w y m a ­ gania w ynikające z karty katalogowej? M aksym alnie 3 wolty, a bezpieczny prąd to 20 mA.

Rysunek 1.70. Wkład Jamesa Watła

w rozwój maszyny parow ej um oż­ liw ił rewolucję przemysłową. Po śm ierci został uhonorowany przez nazwanie jego nazwiskiem p odsta­ wowej jednostki m ocy elektrycznej

28

Zamierzam ograniczyć napięcie do 2,5 V, aby m ieć pew ność, że jestem w bezpiecznej strefie. M am y baterię o napięciu 6 V. Odejm ujem y 2,5 od 6 i otrzym ujem y 3,5. Potrzebujemy zatem rezystora, który zabierze 3,5 V w obwodzie, pozostawiając 2,5 dla diody. Przepływ prądu jest taki sam we wszystkich m iejscach naszego prostego układu. Chcemy, aby m aksym alnie przez diodę przepływał prąd o natężeniu 20 mA, taka sam a ilość będzie przepływać przez rezystor. 1. Doświadczanie elektryczności

M ożem y zapisać teraz to, co w iem y na tem at rezystora w naszym obwodzie. Zauważ, że m usim y przekonw ertow ać wszystkie jednostki na wolty, am pery i omy, zatem 20 m A pow inno zostać zapisane jako 0,02 A: U = 3,5 (spadek napięcia na rezystorze) I = 0,02 (prąd płynący przez rezystor) Chcem y poznać R — rezystancję. U żyw am y zatem wariantu prawa Ohma, w którym R znajduje się po lewej stronie równania: R = U/l Podstaw iam y w artości: R = 3 ,5/0,02 Jeżeli nie radzisz sobie z ułamkami w pamięci, użyj kalkulatora. Odpowiedź to: R = 175 Q Akurat tak się składa, że 175 o nie jest w a rto ś c ią standardową. M usisz dobrać 180 lub 220 o , ale obie w a rto ś c i są dostatecznie blisko. Patrząc wstecz, można powiedzieć, że rezystor 470 f i, którego użyłeś w eksperym encie trzecim , był w yborem bar­ dzo zachow aw czym . Zasugerowałem taką w a rtość, ponieważ wcześniej powiedziałem, że możesz użyć dowolnej diody LED. Doszedłem do wniosku, że niezależnie do tego, jakiej diody użyjesz, nic nie pow inno się stać, jeśli zabez­ pieczysz ją 470 om am i.

Sprzątanie i recyklizacja Diodę możesz w yrzucić. Cała reszta nadaje się do ponownego użycia.

Ułamki dziesiętne Legendarny brytyjski polityk sir W inston Churchill jest znany ze sw ojego narzekania na tem at „tych przeklę­ tych kropek” . Odnosił się w ten sposób do m iejsc dziesiętnych. Ponieważ w tym czasie Churchill był m inistrem skarbu państwa, a zatem odpow iadał za w szystkie wydatki rządu, jego trudności z radzeniem sobie z ułam kam i stanow iły pewnego rodzaju problem. M im o to poradził sobie z nim w starym , dobrym , brytyjskim stylu. Skoro on sobie poradził, i Ty możesz. Możesz korzystać z pom ocy kalkulatora lub przestrzegać dw óch poniższych zasad.

Mnożenie to przesuwanie miejsca dziesiętnego Załóżmy, że chcesz pom nożyć 0,03 przez 0,002: 1. Przesuń m iejsce dziesiętne na koniec obu liczb. W tym przypadku m usisz przesunąć m iejsca dziesiętne w sum ie o 5 m iejsc, uzyskując w ten sposób liczby 3 i 2. 2. Pomnóż przez siebie powstałe liczby i zanotuj wynik. W tym przypadku będzie to 3 x 2 = 6. 3. Przesuń m iejsce dziesiętne z pow rotem o taką sam ą liczbę m iejsc, o jaką przesunąłeś je w pierw szym kroku. W tym przypadku otrzym asz 0,00006.

Dzielenie to usuwanie zer Załóżmy, że chcesz podzielić 0,006 przez 0,0002: 1. Przesuń m iejsca dziesiętne obu liczb w prawo o taką sam ą liczbę m iejsc aż do m om entu, kiedy obie będą większe od 1. W tym przypadku m usisz przesunąć m iejsce dziesiętne obu liczb o cztery miejsca. Otrzymasz zatem 60 dzielone na 2. 2. W ykonaj dzielenie. W ynikiem w tym przypadku jest 30.

Eksperyment 4: Zmiana napięcia

29

TEORIA Matematyka a Twój język Powrócę jeszcze raz do pytania, które zadatem przy okazji poprzedniego eksperym entu: dlaczego Twój język się nie rozgrzał? Teraz, kiedy znasz prawo Ohma, możesz w y w n io s k o ­ w ać przyczynę na podstawie liczb. Zatóżmy, że bate­ ria dostarcza faktycznie 9 woltów, a Twój język ma rezystancję rzędu 50 k ii , czyli 50 000 om ów. Zapisz to, co wiem y: U = 9 R = 50 000 C hcem y poznać w a rto ść płynącego prądu, zatem używ am y wersji prawa Ohma z prądem po lewej stro­ nie równania: I = U/R Podstaw iam y w artości: I = 9/50 000 = 0 ,00018 ampera Przesuń m iejsce dziesiętne o trzy m iejsca, aby przekonw ertow ać tę w a rto ść na m iliam pery: I = 0,18 mA Jest to prąd o bardzo małej w a rtości i nie w yp ro d u ­ kuje zbyt dużo ciepła przy 9 woltach. A co z przypadkiem , kiedy zwarłeś baterię? Jaka w a rto ść prądu doprowadziła do rozgrzania przew o­ dów ? Załóżmy, że przewody m ają rezystancję rzędu 0,1 om a (prawdopodobnie faktyczna w a rto ś ć jest jeszcze mniejsza, ale przyjm iem y, że jest to faktycz­ nie 0,1). Zapisujem y to, co wiem y: U = 1,5 R = 0,1 Ponownie, chcem y znaleźć w a rtość prądu, zatem używ am y wzoru: I = U/R Podstaw iam y w artości: I = 1,5/0,1 = 15 am perów

30

płynącego

To prąd o w a rtości ponad 100 000 razy większej niż ten, który płynął przez Twój język, co spow odow ało wygenerowanie znacznie większej ilości ciepła, m im o że napięcie było mniejsze. Czy taka m ała bateria faktycznie była w stanie w y d o ­ być z siebie 15 am perów ? Przypom nij sobie, że zarówno ona, jak i przew ody nagrzały się dosyć m ocno. To m ów i nam, że elektrony napotkały pewną rezystancję zarówno w baterii, jak i w prze­ w odach (gdyby było inaczej, skąd wzięłoby się cie­ pło?). W norm alnych warunkach m ożem y zapomnieć o wewnętrznej rezystancji baterii, ponieważ jest ona mała, ale przy dużych prądach staje się ona istotnym czynnikiem. Byłem niechętny zwieraniu baterii poprzez mier­ nik, aby spróbow ać zm ierzyć taki prąd. M ój mier­ nik wysiądzie, jeśli prąd przekroczy 10 A. Spróbo­ w ałem jednak w staw ić inne bezpieczniki do obwodu, aby przekonać się, czy one ulegną zniszczeniu. Kiedy użyłem bezpiecznika 10 A, okazało się, że ten się nie spalił. Dlatego jestem całkiem pewien, że dla tej marki baterii, której użyłem, płynący prąd m iał w a rtość poniżej 10 A, ale wiem , że był powyżej 3 A, ponieważ bezpiecznik 3 A spalił się niemal natychm iast. W ewnętrzna rezystancja 1,5-w oltow ej baterii zapo­ biegła przepływ ow i zbyt dużego prądu. W łaśnie dla­ tego przestrzegałem przed używaniem większej bate­ rii (w szczególności akum ulatora sam ochodow ego). Większe baterie m ają znacznie m niejszą rezystancję wewnętrzną, pozwalając na przepływ niebezpiecz­ nie wielkich prądów generujących ilość ciepła, która może doprow adzić wręcz do eksplozji. Akum ulator sam ochodo w y jest zaprojektow any do dostarcza­ nia wręcz setek amperów, kiedy następuje rozruch silnika. Prąd dostarczany przez akum ulator w ystar­ czyłby do spawania metalu. Również baterie litowe m ają m ałą rezystancję wewnętrzną, co czyni je bardzo niebezpiecznymi przy zwarciu. Prąd o dużym natężeniu może być równie niebezpieczny, jak w ysokie napięcie.

1. Doświadczanie elektryczności

Waty

Ocena mocy

Nie w spom niałem jeszcze o jednostce, która jest znana w szystkim jako wat.

W spom niałem wcześniej, że rezystory są zazwyczaj usta­ wione w szeregu dopuszczal­ nej mocy, który zawiera takie w a rto ś c i jak 0,25 W, 0,5 W, 1 W itd. Zasugerowałem, abyś kupił rezystory o m ocy 0,25 W lub wyższej. Skąd m iałem taką wiedzę?

Wat jest jednostką pracy. Inżynierowie m ają sw o ją w łasną definicję pracy — m ówią, że praca jest w ykonyw ana, kiedy człowiek, zwie­ rzę lub m aszyna popycha coś, pokonując opór mechaniczny. Przykła­ dam i takiej pracy m ogłyb y być: m aszyna parow a ciągnąca pociąg na płaskich torach (pokonując tarcie i opór powietrza) lub osoba w c h o ­ dząca po schodach (pokonując siłę grawitacyjną). Kiedy elektrony „przepychają” się przez obw ód, pokonują pewien rodzaj rezystancji, zatem w ykonują pracę, która może być zm ierzona i wyrażona w watach. Definicja jest prosta: w aty = w o lty x am pery Można ją również wyrazić, używając odpowiednich symboli. Trzy poniż­ sze form uły mają takie samo znaczenie:

W ró ćm y do obw odu z diodą LED. Jak pamiętasz, chcieli­ śmy, aby rezystor tracił napię­ cie 3,5 wolta, przy prądzie rzędu 20 mA. Jaką m oc w y m u ­ siłoby to na rezystorze ? Zapiszm y to, co wiem y:

P = U xl U = P/l I = P/U Waty, podobnie jak wolty, m ogą być poprzedzone przedrostkiem „ m ” oznaczającym „m ili” :

Liczba watów

Zwyczajowy sposób wyrażania

W yrażenie skrótowe

0,001 wata

1 m iliw at

1 mW

0,01 wata

10 m iliw atów

10 m W

0,1 wata

100 m iliw atów

100 m W

1 w at

1000 m iliw atów

1W

Ponieważ elektrownie m ają do czynienia ze znacznie w iększym i w ar­ tościam i, możesz czasem napotkać również kilowaty (z użyciem litery „ k ” ) i m egaw aty (z użyciem wielkiej litery „ M ” , której nie należy m ylić z m ałą literą „ m ” , służącą do wyrażenia m iliw atów ):

Liczba watów

Zwyczajowy sposób wyrażania

W yrażenie skrótowe

1000 w a tów

1 kilowat

1 kW

1 000 000

1 m egawat

1 MW

M oc żarówek jest wyrażana w watach, podobnie m oc kolum n gło­ śnikow ych. Wat pochodzi od nazwiska Jam esa Watta, wynalazcy m aszyny parowej. Nawiasem m ówiąc, w a rto ś ć m ocy wyrażoną w w atach m ożna przekonw ertow ać na odpow iednik w koniach m echanicznych i odwrotnie.

Eksperyment 4: Zmiana napięcia

U = 3,5 (w ym uszony spa­ dek napięcia na rezystorze) I = 20 m A = 0,02 A (prąd płynący przez rezystor) Chcem y poznać R zatem uży­ w a m y wzoru: P = U xl Podstaw iam y w a rtości: P = 3,5 x 0,02 = 0,07 W (m oc tracona przez rezystor) Rezystor o m ocy 0,25 W będzie m iał w takim przypadku cztero­ krotnie w iększy zapas. M ógł­ byś w łaściw ie użyć również rezystora o m ocy 0,125 W, ale w kolejnych eksperym en­ tach będziem y potrzebować takich o m ocy 0,25 W, a nic nie stoi na przeszkodzie, aby używać rezystorów o większej mocy, nawet jeśli dany obw ód elektryczny nie stawia takich wym agań.

31

Eksperyment 5: Zróbmy własną baterię Dawno temu, zanim wymyślono surfowanie po sieci, współdzielenie plików czy choćby telefony komórkowe, dzieci były do tego stopnia pozbawione zajęcia, że próbowały same wypełnić sobie czas eksperymentami kuchennymi, takimi jak tworzenie prymitywnej baterii przez wciskanie gwoździa i małej monety do cytryny. Trudno w to uwierzyć? Być może, ale to prawda! To naprawdę bardzo stara sztuka, ale m im o to chcę jej spróbow ać, ponieważ każdy, kto chce poczuć elektryczność, powinien zobaczyć, jak łatw o można w yłuskać ją z otaczających nas obiektów codziennego użytku. Dodatkowo, jeśli użyjesz cytryny, być może będziesz w stanie w ygenerow ać wystarczająco duże napięcie, aby zasilić diodę LED. P odstaw ow ym i elementam i baterii są dwie m etalowe elektrody zanurzone w elektrolicie. Nie będę tutaj definiow ał tych określeń (ich wyjaśnienie znaj­ dziesz w dalszej sekcji, zatytułowanej „Teoria. Natura elektryczności”). Na chw ilę obecną powinieneś tylko wiedzieć, że sok cytry n o w y będzie Twoim elek­ trolitem , natom iast miedź i cynk posłużą jako elektrody. Miedzi dostarczy np. jednocentówka, pod w arunkiem że jest w miarę nowa i błyszcząca. M onety tego typu nie są już w ykonyw ane wyłącznie z miedzi, ale nadal są nią pokryte, co w zupełności w ystarcza3.

Rysunek 1.71. Bateria złożona z trzech cytryn. Nie bądź rozczarowany, je ś li nie uda się z ich pom ocą oświetlić diody LED. Cytryny mają dużą rezy­ stancję wewnętrzną, dlatego nie mogą dostarczyć prądu o większym natęże­ niu, szczególnie przez względnie małą powierzchnię gwoździ i monet. Wyge­ nerowane przy ich p om ocy napięcie je s t jednak dostatecznie duże, aby można było zmierzyć je miernikiem uniwersalnym

Rysunek 1.72. Sok z cytryny w butelce wydaje się działać równie dobrze co ten wyciśnięty z samego owocu. Odciąłem dna trzech papierowych kubeczków, włożyłem do każdego z nich galwanizowany uchwyt, nato­ m iast do zrobienia dodatnich elek­ trod użyłem zwykłego grubego drutu miedzianego

Aby znaleźć element cynkowy, będziesz musiał udać się do sklepu z wyrobami metalowymi, gdzie powinieneś zapytać o gwoździe stosowane do budowy dachów. Gwoździe tego typu są pokryte cynkiem, co zapobiega ich rdzewieniu. Z cynku w yko­ nane są małe wsporniki i jest nim pokryta również blacha służąca do prac dekar­ skich. Elementy pokryte tym metalem powinny mieć srebrny, matowy odcień. Jeżeli mają bardziej błyszczące wykończenie, najprawdopodobniej są pokryte niklem. Przetnij cytrynę na pół, ustaw sw ój m iernik na pom iar napięcia stałego, rzędu dw óch woltów, i chw yć jedną końców ką element miedziany, a drugą cynkow y gwóźdź (lub inny obiekt pokryty cynkiem ). Teraz w ciśnij obie rzeczy do miąż­ szu cytryny, trzym ając je w miarę blisko siebie, ale tak, aby się nie dotykały. Na sw o im mierniku powinieneś odczytać napięcie pom iędzy 0,8 a 1 V. Możesz poeksperymentować z innymi obiektami i płynami, aby przekonać się, które z nich dają najlepszy wynik. Wydajność swojej baterii możesz zwiększyć, zanurza­ jąc monetę i gwóźdź w soku cytrynowym wyciśniętym do małego kieliszka lub pod­ stawki na jajko, chociaż możesz mieć wtedy problem z utrzymaniem wszystkiego razem. Jako zamiennika soku z cytryny można użyć soku z grejpfruta lub octu. Aby ośw ietlić typ o w ą diodę LED, potrzeba więcej niż jednego wolta. W jaki spo­ sób w ygenerow ać dodatkowe „ciśnienie” elektryczne? O czywiście, przez uło­ żenie baterii w szereg. Innym i słowy, trzeba więcej cytryn! (Lub więcej kielisz­ ków, względnie podstaw ek na jajko). Będziesz również potrzebował przew o­ dów, aby połączyć ze sobą poszczególne elektrody, co z kolei może w y m usić przejście do rozdziału drugiego, gdzie w yjaśniam , w jaki sposób zdjąć izolację z przewodów. Całą konfigurację pokazują rysunki 1.71 i 1.72. Jeśli ustawisz w szystko tak jak trzeba, upewniając się, że żadna z elektrod nie dotyka sw ojego sąsiada, być może będziesz w stanie ośw ietlić diodę przy uży­ ciu dw óch lub trzech baterii cytryno w ych połączonych w szereg. (Niektóre diody LED są bardziej czułe na m ały prąd niż inne. O tego typu diodach LED — w ym agających bardzo małego prądu — będziemy m ów ić później. Jeżeli zależy Ci na zwiększeniu szansy zadziałania Twoich baterii z cytryn, poszukaj niskoprądow ych diod LED w sieci i kup kilka sztuk).

Niestety, żadna z polskich monet nie jest pokryta miedzią. Dlatego można użyć do tego eksperymentu innego elementu miedzianego. Może to być na przykład jedna z miedzianych kształtek używanych do budowy instalacji wodnych, najlepiej zaślepka miedzianej rurki — przyp. tłum. 32

1. Doświadczanie elektryczności

TEORIA Natura elektryczności Aby zrozum ieć elektryczność, m usisz zacząć od pewnej podstaw ow ej wiedzy na tem at atomów. Każdy atom sktada się z jądra zawierającego pro­ tony o dodatnim ładunku elektrycznym . Jądro jest otoczone przez elektrony o ujem nym tadunku elektrycznym . Rozerwanie jądra atomu w ym aga sporo energii, ale jednocześnie prowadzi do uwolnienia sporej dawki energii — dzieje się tak w trakcie w ybuchu jądro­ wego. O wiele mniej energii w ym aga przekonanie kilku elektronów, aby opuściły atom (lub ztączyty się z nim). Dla przykładu, kiedy cynk reaguje chem icznie z kwasem , jest w stanie uw olnić elektrony. Taka sytu­ acja ma m iejsce w przypadku cynkow ej elektrody baterii chem icznej z eksperym entu num er pięć. Reakcja tego typu ulega szybko zatrzymaniu, elek­ trony akum ulują się na elektrodzie cynkow ej. Czują one siłę wzajem nego odpychania, ale nie m ają żad­ nego m iejsca, w które m ogłyby się udać. Możesz w yobrazić je sobie jako tłum w rogich osób, z których każda chce, aby cała reszta sobie poszła, i żadna nie chce, aby dołączył do nich ktoś now y (rysunek 1.73).

Zastanów się teraz, co się stanie, kiedy do cynkow ej elektrody, posiadającej nadwyżkę elektronów, podłą­ czony zostanie przewód łączący ją z inną elektrodą, która ma niedobór elektronów. Elektrony m ogą bar­ dzo łatw o przejść przez przewód, skacząc z jednego atomu na kolejny. Uciekają zatem z elektrody cynko­ wej i biegną przez przewód, napędzane sw o im w iel­ kim pragnieniem odsunięcia się od w szystkich pozo­ stałych. Zobacz rysunek 1.74. Ta wzajem na siła napędowa jest spraw cą prądu elektrycznego. Teraz, kiedy populacja elektronów na elektrodzie cyn­ kowej została zredukowana, kontynuowana może być reakcja chemiczna między cynkiem i kwasem, prowa­ dząc do zastąpienia brakujących elektronów nowymi, które natychm iast pójdą w ślady swoich poprzedników i spróbują oddalić się od siebie, biegnąc przez prze­ wód. Cały proces będzie kontynuowany do m omentu ustania reakcji chemicznej między cynkiem a kwasem, zazwyczaj ze względu na powstanie na powierzchni elektrody bariery w postaci tlenku cynku, która nie wchodzi w reakcję z kwasem i zapobiega reakcji z cynkiem znajdującym się w głębi elektrody. (Wła­ śnie z tego powodu Twoja elektroda może wyglądać na okopconą po wyjęciu jej z płynu elektrolitycznego).

ooooo ooooo ooooo ooooo ooooo ooooo ooooo ooooo Rysunek 1.73. Elektrony na elektrodzie mają „z łe ” podej­ ście, znane jako wzajemne odpychanie

Eksperyment 5: Zróbmy własną baterię

Rysunek 1.74. Kiedy tylko otworzymy ścieżkę z zapełnio­ nej elektronami elektrody cynkowej do elektrody miedzianej, zawierającej „dziury” dla elektronów, ich wzajemne odpycha­ nie sprawi, że będą próbowały jak najszybciej uciec od siebie nawzajem do nowego domu

33

TEORIA Natura elektryczności (ciąg dalszy) Ten opis ma zastosow anie do „podstaw ow ej baterii” , tzn. takiej, która jest gotow a do generowania prądu, kiedy tylko połączenie pom iędzy jej końców kam i pozwoli elektronom na przejście z jednej elektrody do drugiej. Ilość prądu, jaką jest w stanie w ygenerow ać podstaw ow a bateria, w ynika z szybkości uwalniania elektronów przez zachodzące w środku reakcje chemiczne. Kiedy surow y metal w elektrodach zostanie zużyty przez reak­ cje chemiczne, bateria nie jest w stanie w ygenerow ać więcej prądu i staje się bezużyteczna. Nie może zostać ponownie naładowana, ponieważ zachodzących w niej reakcji chem icznych nie da się cofnąć w prosty sposób, a elektrody są już najprawdopodobniej utlenione. W baterii w ielokrotnego ładowania, znanej również jako bateria drugiego rzędu, bardziej przem yślany dobór elektrod i płynu elektrolitycznego pozwala na odw rócenie reakcji chem icznych.

Ile prądu generuje Twoja cytryno w a bateria? Przestaw sw ój m iernik na pom iar m iliam perów i podłącz m iędzy gwóźdź i monetę. Ja zm ierzyłem około 2 mA, ale udało mi się uzyskać nawet 10 mA, kiedy monetę zastąpiłem grubym drutem miedzianym , a gwóźdź dużym cynkow anym kawałkiem blachy, zanurzonym i w filiżance soku z grejpfruta. Kiedy duża pow ierzchnia metalu ma lepszy kontakt z elektrolitem, m ożna uzyskać większy przepływ prądu. (Nie próbuj nawet podłączać m iernika w celu pom iaru natężenia m iędzy końców kam i prawdziwej baterii. Prąd będzie zbyt duży i może doprow adzić do przepalenia wew nętrznego bezpiecznika). Jaką rezystancję wewnętrzną ma Twoja cytryna? Odłóż na bok elektrody cynkow ą i miedzianą i wetknij w cytrynę końcówki pom iarow e Twojego m iernika. Ja odczytałem w a rto ś ć ok. 30 kQ , kiedy obie końcówki znajdow ały się w tej samej części miąższu cytryny, oraz ok. 40 kQ , kiedy końców ki były w różnych fragm entach. Czy rezystancja jest mniejsza w przypadku płynu w filiżance? Oto kilka dodatkow ych pytań, na które możesz poszukać odpowiedzi samodzielnie. Jak długo Twoja bateria z cytryny będzie generować prąd? I dlaczego Twoim zdaniem elektroda pokryta cynkiem traci kolor po dłuższym użytkowaniu? Prąd jest generowany w baterii przez w ym ianę jonów, lub w olnych elektronów, pom iędzy metalami. Jeżeli chcesz się dowiedzieć więcej na ten temat, zajrzyj do sekcji „Teoria. Natura elektryczności” .

Sprzątanie i recyklizacja Części metalowe, które wtykałeś w cytryny lub zanurzałeś w soku z cytryny, m ogły utracić sw ój pierw otny kolor, ale nadal nadają się do użytku. Decyzję o spożyciu cytryn pozostaw iam Tobie.

34

1. Doświadczanie elektryczności

PODSTAWY Dodatni i ujemny Jeżeli elektryczność to przepływ elektronów m ają­ cych ujem ny ładunek, dlaczego ludzie m ów ią o niej jako o przepływie z dodatniej do ujemnej końcówki baterii? Odpowiedź tkw i w fundam entalnej pom yłce, jaką popełniono u sam ych początków odkryw ania elek­ tryczności. Z różnych pow odów , kiedy Benjamin Franklin próbow ał zrozum ieć naturę prądu elek­ trycznego przez studiowanie zjaw isk takich jak bły­ skaw ice w czasie burzy, doszedł do przekonania, że obserw uje „elektryczną ciecz” płynąca z dodatniego do ujemnego źródła. Taką koncepcję zaproponow ał w roku 1747. W rzeczyw istości popełnił niefo rtunny błąd, który pozostał nienapraw iony do chw ili, kiedy fizyk J. J. Tho m son o g łosił sw oje odkrycie elektronu w 189 7 roku, czyli 150 lat później. Faktycznie prąd płynie z obszaru o w iększym ujem nym ładunku elek­ trycz n ym do obszaru, który je st „m niej u je m n y ” — czyli „bardziej dod a tn i” . Innym i słowy, elektryczność to przepływ cząstek naładow anych ujemnie. W bate­ rii pochodzą one z końcó w ki ujemnej i płyną w kie­ runku końcó w ki dodatniej. Być może pom yślałeś, że kiedy odkryto ten fakt, w szy scy powinni byli odrzucić ideę Franklina prze­ pływu od potencjału dodatniego do ujemnego. Kiedy jednak elektron porusza się przez przewód, możesz wyobrazić sobie rów now ażny dodatni ładunek poru­ szający się w kierunku przeciw nym . Kiedy elektron opuszcza sw ój dom, zabiera ze sobą m ały ładunek ujemny, a zatem jego dom pozostaje naładowany odrobinę dodatnio. Kiedy elektron dotrze do s w o ­ jego celu, jego ujem ny ładunek sprawi, że to m iejsce docelow e stanie się odrobinę mniej dodatnie. Mniej więcej coś takiego m iałoby miejsce, gdyby dom nie­ mana dodatnia cząsteczka podróżowała w kierunku przeciw nym . Co więcej, cały m echanizm m atem a­ tyczny opisujący zjawisko elektryczności będzie nadal prawidłowy, jeśli zastosujesz go do w y im a gino­ wanego przepływu ła dunków dodatnich. Ze względu na tradycję i przyzwyczajenia nadal utrzy­ m ujem y w m ocy błędny koncept Bena Franklina prze­ pływu ładunku od pozytywnego do negatywnego

Eksperyment 5: Zróbmy własną baterię

źródła, chociaż tak naprawdę nie ma on znaczenia. Przy sym bolach opisujących takie kom ponenty jak diody i tranzystory znajdziesz strzałki wskazujące, w jaki sposób te kom ponenty powinny być podłą­ czone — te strzałki wskazują od miejsca dodatniego w kierunku ujemnego, m im o że w praktyce sytu­ acja wygląda inaczej! Ben Franklin byłby zaskoczony, dowiadując się, że chociaż większość błyskawic występuje, kiedy ujemnie naładowane chm ury rozła­ dowują się, neutralizując dodatni ładunek ziemi, nie­ które form y wyładow ań są w rzeczywistości przepły­ wem elektronów z ujemnie naładowanej powierzchni ziemi w górę do pozytywnego ładunku w chmurach. Tak, to prawda: ktoś, kto został „porażony przez bły­ skaw icę” , m ógł doznać obrażeń w wyniku emitowania elektronów, a nie ich absorpcji (patrz rysunek 1.75).

Rysunek 1.75. W pewnych warunkach pogodowych prze­ p ływ elektronów podczas wyładowania elektrycznego może następować od podłoża, poprzez Twoje stopy, a następ­ nie głowę w kierunku chmur. Ta informacja zaskoczyłaby zapewne Benjamina Franklina

35

TEORIA Podstawy pomiarów Ładunek elektryczny jest m ierzony przez s u m ow a­ nie ładunków pojedynczych elektronów. Podstaw ową jednostką jest kulomb, będący równoważnikiem cał­ kowitego ładunku około 6 250 000 000 000 000 000 elektronów. Jeżeli wiesz, ile elektronów przepływa przez kawałek przewodu w każdej sekundzie, masz pojęcie o prze­ pływie prądu (natężeniu) m ierzonym w amperach. Dokładnie m ówiąc, jeden am per można zdefiniować jako jeden kulom b na sekundę, stąd: 1 am per = 1 kulom b/sekundę = około 6,25 kwintyliona elektronów/sekundę Nie ma m ożliwości, aby „zobaczyć” taką liczbę elek­ tro n ó w płynących przez przew odnik (rysunek 1.76), ale istnieją pośrednie sposoby w yw nio skow an ia tej inform acji. Na przykład, kiedy elektron „przebiega” przez przewód elektryczny, tw o rz y w o k ó ł siebie falę siły elektrom agnetycznej. Tę siłę m ożna zm ierzyć i przeliczyć na w a rto ść w am perach. Na tej zasadzie działa licznik prądu zam ontow any w Twoim domu przez przedstawiciela firm y energetycznej.

Jeżeli elektrony poruszają się swobodnie, nie w y k o ­ nują żadnej pracy. G dybyś dysponow ał pętlą drutu 0 zerowej rezystancji i potrafiłbyś w jakiś sposób zainicjować w niej przepływ elektronów, m ogłyby one płynąć bez końca. (Mniej więcej takie zjawisko zachodzi w nadprzewodniku). W norm alnych warunkach nawet przewód m iedziany wykazuje pewną rezystancję. Siła, której potrzebu­ jemy, aby przepchnąć przez niego elektrony, okre­ ślana jest mianem „napięcia” i tw o rz y przepływ prądu, który może generować ciepło, o czym przeko­ nałeś się, zwierając baterię. (Gdyby przewód, którego używałeś, m iał zerową rezystancję, przepływający przez niego prąd nie wygenerow ałby żadnego ciepła). W ygenerowane ciepło m ożem y w ykorzystać w spo­ sób bezpośredni, jak ma to m iejsce w piecach elek­ trycznych. Innym zastosow aniem dla energii elek­ trycznej jest na przykład poruszanie silników. Tak czy inaczej, w yd o b y w a m y energię z elektronów w celu w ykonania pewnej pracy. Jeden w o lt można zdefiniować jako ilość ciśnie­ nia potrzebną do wytw orzenia przepływu o natęże­ niu 1 ampera, który w ykona pracę 1 wata. Zgodnie z naszą poprzednią definicją, 1 w a t = 1 w o lt x 1 amper, chociaż faktyczna definicja pow stała w trochę inny sposób: 1 w o lt = 1 wat/1 am per Takie podejście jest bardziej znaczące, ponieważ wat może być zdefiniow any w sposób niezwiązany z elek­ trycznością. Jeśli jesteś zainteresowany, m ożem y prześledzić cały proces, posługując się jednostkam i system u m etrycznego: 1 w at = 1 dżul/sekundę 1 dżul równa się sile 1 niutona działającego na odcinku 1 metra

Rysunek 1.76. Gdybyś m ó gł spojrzeć do wnętrza prze­

wodu elektrycznego przy użyciu dostatecznie dużego szklą powiększającego, a w tym drucie następowałby właśnie przepływ elektronów o natężeniu 1 ampera, m ógłbyś teo­ retycznie zobaczyć 6,25 kwintyliona elektronów mknących w każdej sekundzie

36

1 niuton równa się sile potrzebnej do przesunięcia 1 kilogram a m asy o 1 m etr na sekundę, w każdej sekundzie Na tej podstawie można w yrazić w szystkie jed­ nostki elektryczne poprzez obserw ację masy, czasu i ładunku elektrycznego.

1. Doświadczanie elektryczności

Mówiąc praktycznie Bardziej użyteczne od teoretycznej wiedzy wydaje się być intuicyjne rozumienie elektryczności. Osobiście lubię analogie związane z wodą, które od w ieków sto­ sowane są w książkach pośw ięconych elektryczności. Rysunek 1.77 pokazuje zbiornik pełen wody, z otw orem w yb itym blisko jego podstawy. W yobraź sobie, że ten zbiornik reprezentuje baterię. W ysokość słupa w o d y odpow iada napięciu. Ilość w o dy przepływająca przez otw ór na sekundę odpow iada natężeniu prądu. Rozmiar otw oru odpowiada rezystancji (patrz rysunek 1.79). Gdzie na tym obrazku w idać m oc? Załóżmy, że w pobliżu zbiornika um ieścim y koło m łyńskie, w m iejscu gdzie będzie na nie trafiał strum ień wody. Teraz prze­ pływająca w oda w ykonuje pewną pracę (pamiętaj, że m oc jest miarą pracy). Być może w ygląda to tak, ja kbyśm y uzyskiwali coś z niczego, w ydobyw ali pracę z koła m łyńskiego bez wkładania energii z pow rotem do system u. Pamię­ taj jednak, że poziom w o d y w zbiorniku spada. Kiedy tylko dołączę pewnych pom ocników w lew ających zużytą wodę z pow rotem do zbiornika z jego szczytu (rysunek 1.78), zobaczysz, że m usim y w łożyć pewną pracę, aby następnie ją odzyskać.

Rysunek 1.77. Jeżeli chcesz wydobyć pracę z pewnego systemu...

Podobnie, bateria wydaje się dawać m oc bez przyjm ow ania niczego w zamian, ale tak naprawdę energię czerpiemy dzięki zachodzącym w jej środku reakcjom chem icznym , które zm ieniają czyste metale w ich związki. Jeżeli jest to bateria, którą m ożna ładow ać wielokrotnie, m usim y dostarczyć jej z pow rotem energii, aby odw ró cić reakcje chem iczne, które wcześniej były źródłem energii. W racając do zbiornika z wodą, załóżmy, że nie je steśm y w stanie w yd obyć z niej dostatecznie dużo energii, aby obrócić kołem. Jednym z rozwiązań tego problemu byłoby dolanie większej ilości wody. Zwiększenie w yso kości słupa w o d y stw orzy większą siłę. O dpow iadałoby to połączeniu dw óch baterii w sze­ reg, pozytyw nym końcem do ujemnego, i podwojeniu w ten sposób napięcia (patrz rysunek 1.80). Dopóki rezystancja w obwodzie pozostaje bez zmian, większe napięcie w ygeneruje większe natężenie prądu, ponieważ natężenie = napięcie/rezystancja. A co, jeśli chcem y obracać dw om a kołami zam iast je dnym ? M ożem y w ybić drugą dziurę w zbiorniku i w tedy siła (napięcie) przy obu z nich będzie taka sama, ale poziom w o d y w zbiorniku będzie spadał dw a razy szybciej. W rze­ czyw istości byłoby lepiej, gdyb yśm y zbudowali drugi zbiornik, i tutaj również pojawia się analogia do baterii. Jeżeli połączym y równolegle dwie baterie, otrzy­ m am y to sam o napięcie, ale na dw a razy dłużej. Dwie baterie m ogą również dostarczyć więcej prądu niż w przypadku użycia tylko jednej z nich (patrz rysu­ nek 1.81).

Rysunek 1.78.... w jakiś sposób m usisz najpierw włożyć w niego pracę

Podsum owując: •

Dwie baterie połączone szeregowo dostarczają dw ukrotnie więcej napięcia.

•

Dwie baterie połączone równolegle m ogą dostarczyć dwukrotnie większe natężenie prądu.

Myślę, że w ystarczy tej teorii na teraz. W następnym rozdziale będziemy kontynuow ać eksperym enty bazujące na naszej wiedzy odnośnie podstaw elektryczności i kierujące nas stopniow o w kierunku gadżetów, które dają dużo zabawy i jednocześnie m ogą być użyteczne.

Eksperyment 5: Zróbmy własną baterię

37

Wyższy poziom w od y

Wyższe napięcie

Większa siła tw o rzy w iększy strum ień, ponieważ natężenie = napięcie/rezystancja. W tym przypadku napięcie wzrosło, a rezystancja pozostała bez zmian

Taka sama rezystancja

Rysunek 1.79. Większa siła generuje większy strumień, p od warunkiem iż rezystancja pozostaje bez zmian

Rysunek 1.80. Kiedy połączysz dwie baterie szeregowo, podw oisz napięcie

38

Rysunek 1.81. Dwie takie same baterie połączone rów ­ nolegle dostarczą takiego samego napięcia, ale w czasie dwa razy dłuższym, niż zrobiłaby to bateria pojedyncza

1. Doświadczanie elektryczności

Przełączanie i nie tylko

Koncepcja przełączenia ma fundam entalne znaczenie w elektronice i nie mam tu na m yśli wyłącznie przełączników elektrycznych (takich jak kontakty ośw ie­ tleniowe). „Przełączanie” to używanie jednego strum ienia prądu do przełączania lub kontrolow ania innego. Jest to tak istotna rzecz, iż bez niej nie jest w stanie funkcjonow ać żaden układ elektroniczny. W dzisiejszych czasach przełączanie jest realizowane głównie przy użyciu pół­ przewodników. Zanim do nich dojdziemy, chciałbym zrobić krok w stecz i zilu­ strow ać całą koncepcję, ucząc Cię działania przekaźników, które są o wiele prostsze do zrozumienia, ponieważ możesz zobaczyć, co dzieje się w ich w nę­ trzu. Jeszcze przed przekaźnikami rozprawim y się ze zw ykłym i przełącznikami typu włączony/w yłączony, których działanie jest tryw ialne, jeśli tylko opanu­ je m y podstawy. W tym rozdziale przedstawię również pojęcie pojem ności. Pojem ność i rezy­ stancja mają fundam entalne znaczenie w obw odach elektronicznych. Pod koniec tego rozdziału będziesz bogatszy o podstaw ow ą wiedzę elektroniczną i będziesz w stanie zbudować m oduł generujący dźwięk dla alarmu antywłam aniow ego. Będzie to Twój pierw szy układ elektroniczny w ykonujący coś użytecznego!

2 ZAWARTOŚĆ ROZDZIAŁU: Lista zakupów: eksperymenty od 6 do 11. Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie. Eksperyment 7: Diody sterowane przekaźnikiem. Eksperyment 8: Oscylator zbudowany na przekaźniku. Eksperyment 9: Czas i kondensatory. Eksperyment 10: Przełączanie tranzystorami. Eksperyment 11: Projekt modułowy.

Lista zakupów: Eksperymenty od 6 do 11 Podobnie jak w przypadku poprzedniej listy zakupów, powinieneś odwiedzić wiele sklepów internetowych, aby sprawdzić ceny i dostępność danych części lub urządzeń. Producenci bardzo rzadko zgadzają się na bezpośrednią sprzedaż małej części tow aru. Kompletną listę adresów internetowych firm w s p om ina­ nych w książce znajdziesz w dodatku A.

Urządzenia •

Zasilacz uniwersalny, o zakresie napięć od 3 do 12 V i prądzie 1 A (1000 m A). Patrz rysunek 2.1. ZS 3-12V/1A (dostępny w www.tme.eu) lub zasilacz o numerze katalogowym 11569 (dostępny w sklepie www.centrumelektroniki.pl). Dużo zasilaczy tego typu znaleźć można również na http://www.allegro.pl.

•

Płytka prototypow a nadająca się do układów scalonych (zobacz rysunki 2.2 i 2.3). Liczba: 1. Na przykład SD12N, SD12F (dostępne w sklepie www.elfaelektronika.pl) lub podobna. Płytka z zakręcanym i zaciskami na jednej ze stron będzie łatwiejsza w użyciu, ale droższa od tej pozbawionej takich zacisków.

Rysunek2.1 .Zasilacze tego typu mogą dostarczać napięć różnej warto­ ści, z zakresu od 3 do 12 V

39

Rysunek 2.2. Ta płytka prototypowa posiada m etaIową podstawę i zakręcane końcówki pozwalające na przyłączenie przew odów źródła zasilania

Rysunek 2.3. Płytka prototypowa bez zakręcanych końcówek je s t niem al tak samo użyteczna, ale znacznie tańsza

Narzędzia Szczypce do zdejmowania izolacji Idealne narzędzie tego typu pow inno zdejm ow ać izolację z przew odów o średnicach od 0,4 do 1,3 m m . Zobacz rysunek 2.4 (w tej książce będziemy używać głównie przew odów o średnicach od 0,5 m m do 0,8 m m ). Do zdej­ m ow ania izolacji z przew odów o takich średnicach nadaje się model CSP 30-1 firm y Piergiacomi (dostępny w sklepie www.elfaelektronika.pl). Możesz również rozważyć zakup narzędzia zdejmującego izolację automatycznie, na przyktad o sym bolu TZB021 (dostępnego w sklepie www.tme.eu) lub GB SE-92 (dostępnego w sklepie www.amazon.com). Zobacz rysu­ nek 2.5. TZB-021 i GB są funkcjonalnie identyczne. Ich przewaga polega na m ożliw ości zdjęcia izolacji z przewodu przy użyciu jednej ręki, nie nadają się jednak do bardzo cienkich przewodów.

Rysunek 2.4. Aby użyć ściągacza izolacji, um ieść zaizolowany przew ód w dziurce o odpowiedniej śred­ nicy (między szczękami narzędzia), zaciśnij rączki i pociągnij fragm ent izolacji, który chcesz zdjąć

40

Rysunek 2.5. Narzędzie do automatycznego zdejmo­ wania izolacji, jak to, pozwala na wykonanie operacji jedną ręką, ale nie nadaje się do przewodów o bar­ dzo malej średnicy. Patrz również rysunek 2.19

2. Przełączanie i nie tylko

Zaopatrzenie Drut Drut 0,5 m m 2, min. 7,5 metra długości z każdego koloru. Zobacz rysunek 2.6. Może to być część o numerze 6685 ze sklepu www.centrumelektroniki.pl. Szukaj też na stronie www.eltronix.pl, w sekcji „Przew ody i sznury” . Dobre oferty znajdziesz również na Allegro.pl. Bardzo łatw o m ożna popełnić błąd i kupić drut złego typu. Potrzebujesz drutu jednożyłowego, tzn. takiego, który posiada tylko jeden przewodnik um ieszczony w plastikowej izolacji, a nie linki, składającej się z wielu cień­ szych przew odów zaplecionych razem. Zobacz rysunki 2.7 i 2.8. W trakcie prac będziesz w p ychał przewody do m ałych otw o ró w płytki prototypowej. Nie zdołasz je d n a k ie g o zrobić w przypadku, gdy przewód jest linką. R ów ­ nież drut grubszy niż 0,5 m m 2 może spraw ić problemy. Jeśli masz trochę więcej pieniędzy, możesz kupić zestaw przew odów przyciętych na małe odcinki, ze zdjętą izolacją na końcach i gotow ych do natychm iastow ego użycia. Zapytaj o takie przewody w sw o im sklepie elek­ tronicznym lub poszukaj ich na Allegro.pl. Zobacz rysunek 2.9.

Rysunek 2.6. Używanie drutów w izo­ lacjach o różnych kolorach pozw oli Ci w Twoim układzie odróżnić dany prze­ wód o d pozostałych

Przewody z końcówkami Przewody z końców kam i nie są niezbędne, ale za to bardzo wygodne. Nie potrzebujesz przew odów typu audio lub wideo z w tyczkam i na końcu. W ystarczą Ci przew ody z krokodylkam i na końcu, zwane czasem również „prze­ w odam i p o m ia ro w ym i” . Znajdziesz je na przykład w sklepie www.eltronix.pl (szukaj „przew ód pom iarow y z kro­ kodylkam i”). Zobacz rysunek 2.10.

Rysunek 2.7. D rut jednożyłowy o grubości 0,5 m m 2 lub 0,75 m m 2 będzie najlepszy do wszystkich eksperym entów w tym rozdziale

Rysunek 2.8. D rut wielożyłowy (linka) je s t bardziej ela­ styczny, ale trudno użyć go w połączeniu z płytką prototy­ pową, do której trzeba wtykać przewody

Rysunek 2.9. Przycięte przewody z zaostrzonym i koń­ cówkam i mogą zaoszczędzić sporo czasu i kłopotów, p od warunkiem że masz trochę więcej pieniędzy do wydania

Rysunek 2.10. Przewody z końcówkami, nazywane cza­ sem „przew odam i pom iarow ym i”, składają się z przewodu zakończonego z obu stron krokodylkami. Są one kolejnym przykładem małych luksusów, które pozwalają oszczędzić sobie kłopotów w trakcie zabawy z elektroniką

Lista zakupów: Eksperymenty od 6 do 11

41

Części Przełącznik przyciskany C hw ilow o włączony, SPST, czasami określany mianem typu OFF-(ON) lub (ON)-OFF. M usi być m ontow any do ptytki PCB lub PC, co znaczy, że będzie bardzo maty, z igietkowatym i kontaktami u dotu. Liczba: 1. Zobacz rysu­ nek 2.11. Rysunek 2.11. Końcówki wychodzące z tego małego przełącznika są rozsta­ wione zaledwie w odległości 0,5 cm, co sprawia, że nadaje się on idealnie do płytki prototypowej, którą będziesz się posługiw ał

Przykładowe części tego typu to: PS-03BU dostępny w sklepie www.tme. eu lub 1FJ1 78 -1-2 dostępny w sklepie www.elfaelektronika.pl. Jeżeli masz większy wybór, w ybierz najtańszy, będziem y go używać do przełączania bardzo małego prądu. Przełącznik biegunowy Jednopozycyjny, jednobiegunowy, dw upołożeniow y (SPDT), czasami okre­ ślany m ianem typu ON-ON. Zobacz rysunek 2.12. Idealny byłby m odel S 302T-R 0 firm y NKK; ma końcówki zakończone ś ru ­ bami, co eliminuje potrzebę stosow ania krokodylków (można go dostać na przykład w sklepie pl.mouser.com). Inna m ożliw ość to element 1M S2T1B1M1QE dostępny w sklepie www.tme.eu.

Rysunek 2.12. Ten względnie duży

przełącznik biegunowy, wyproduko­ wany przez firmę NKK, ma wyprowa­ dzenia zakończone śrubami, co znacz­ nie redukuje niewygodę przy podłącza­ niu do niego przewodów

wM A Rysunek 2.13. Sprzedawane tranzy­

story mają najczęściej obudowę meta­ lową (w formie m ałej puszki) lub są zalane małą bryłką plastiku, l/l/ naszym przypadku opakowanie nie ma więk­ szego znaczenia

Nie będziemy przełączać dużych prądów lub napięć, stąd dokładny typ przełącznika nie ma znaczenia. Zw róć jednak uwagę, iż w yprow adzenia w w iększych przełącznikach są od siebie bardziej oddalone, co sprawia, że łatwiej jest się nimi posługiwać. Przekaźniki DPDT, bez blokady, zasilany stałym napięciem 12 V. Liczba: 2. Istotne jest, abyś kupił o d p o w ie d n i typ, taki, którego k o nfig uracja będzie o d p o w ia d a ć u ż y w a n y m przeze m nie ry s u n k o m . Szukaj części typu F T R -F 1C A 012V lub FTR F1C D 012V fir m y Fujitsu (dos tę p n y c h w sk le ­ pie www.tme.eu), G 2R L-24-D C 12 firm y O m ron lub O M I-S H -2 1 2 D firm y Tyco (oba dostępne w sklepie pl.mouser.com). Unikaj zam ien ników . Potencjometr 1 -m eg aom ow y potencjom etr liniowy. Na przykład PR16 7 -1 M -A firm y TELPOD (www.tme.eu) , 23P SB-105M W A50N firm y Piher (www.elfaelektronika.pl) lub podobny. Tranzystory Tranzystor NPN, ogólnego przeznaczenia, taki jak 2N 2222 (dostępny w sklepie www.elfaelektronika.pl, jako część num er 7 1 -0 0 9 -0 6 ), PN2222 (dostępny w sklepie www.tme.eu). Zobacz rysunek 2.13. Tranzystor typu 2N 6027, program owalny, jednozłączow y (dostępny na przykład tutaj: www.elfaelektronika.pl). Liczba: 4 (dwie sztuki dodatkowo, na w ypadek uszkodzenia). Kondensatory

Rysunek 2.14. Asortym ent kondensa­

torów elektrolitycznych

42

Elektrolityczne, o różnych w a rtościa ch. W szystkie m uszą być przeznaczone dla m inim um 25 V i w śród nich powinien znaleźć się przynajmniej jeden o pojem ności 1000 ¡j F (m ikrofaradów ) i dw a o pojem ności 2,2 ¿uF. Jeżeli będziesz szukał na Allegro.pl, upewnij się, że znalezione kondensatory

2. Przełączanie i nie tylko

są elektrolityczne. Nie ma znaczenia, jeśli przewidziane są dla wyższego napięcia, chociaż w takiej sytuacji będą fizycznie większe. Zobacz rysu­ nek 2.14. Ceramiczne, o różnych w a rtościa ch. Upewnij się, iż jest w śród nich przy­ najmniej jeden o w a rto ś c i 0 ,0047 ¡j ? (jego w a rto ś ć może być również zapi­ sana jako 4,7 nF). Patrz rysunek 2.15. Rezystory Jeżeli kupiteś tylko m inim alny zestaw rezystorów, potrzebny do ekspery­ m entów od 1 do 5, teraz przyszła pora, aby kupić wielki asortym ent, który pozwoli Ci sw obodnie w ykonać kolejne eksperymenty. W szystkie rezystory pow inny mieć m oc m inim um 0,25 W.

Rysunek 2.15. Kondensatory cera­ miczne w większości wypadków wyglądają właśnie tak, chociaż nie­ które mogą być okrągłe lub podłużne. Sam kształt kondensatora nie ma dla nas znaczenia

Głośnik D o w o ln y 8 -o m o w y , m in ia tu ro w y głośnik, o ś re d n ic y ok o ło 3 cm , taki ja k K D S G -3 0 0 0 8 d o stę p n y w sklepie www.elfaelektronika.pl. Patrz ry s u ­ nek 2.1 6 .

Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie Potrzebne będą: •

baterie AA, liczba: 2,

•

uchw yt na dwie baterie AA, liczba: 1,

•

dioda LED, liczba: 1,

•

przełączniki biegunowe, SPDT, liczba: 2 (patrz rysunek 2.12),

Rysunek 2.16. Taki m iniaturowy gło ­ śnik, o średnicy około 3 cm, je s t bar­ dzo użyteczny przy weryfikacji dźwię­ ków generowanych przez obwody tranzystorowe

•

rezystor 220 Q lub podobny, m inim um 0,25 W, liczba: 1

•

zaciski-krokodylki, liczba: 8

•

drut lub przew ody testowe (pokazane wcześniej na rysunku 2.10),

•

szczypce z ostrzem do cięcia drutu oraz szczypce do zdejm owania izolacji, jeśli nie używasz przew odów testow ych (patrz rysunek 2.4).

Podczas trzeciego eksperym entu ośw ietliłeś diodę, podłączając ją do baterii, a następnie w yłączyłeś, usuwając bate­ rie. Dla większej w yg o d y nasze obw ody pow inny posiadać odpowiednie przełączniki kontrolujące źródło zasilania. Ponieważ jesteśm y przy tem acie przełączników, zamierzam przedstawić wszystkie m ożliwe rodzaje przełączników i zasugerować konkretne m ożliw ości przy użyciu obw odu elektrycznego. Połącz części zgodnie z rysunkam i 2.17 i 2.18. Dłuższa końców ka diody LED m usi zostać podłączona z rezystorem, ponieważ jest to część obw odu o w yższym potencjale. Przekonasz się, że będziesz m usiał zastosow ać kilka odcinków przewodu. Proponuję użyć przewodu koloru zielo­ nego, m ówiącego, iż te części nie są połączone bezpośrednio z dodatnim lub ujem nym źródłem zasilania. W ybór koloru pozostaw iam jednak Tobie. Jeśli zaopatrzyłeś się w przewody testowe, możesz posłużyć się nimi. Jakikolw iek sposób wybierzesz, prędzej czy później będziesz m usiał nauczyć się zdejm ow ać izolację z przewodów. Jest to bardzo ważna um iejętność. Rozprawm y się z nią już teraz.

Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie

43

Rysunek 2.17. Jeżeli dioda je s t włączona, przełączenie któregokolwiek z przełączników spowoduje je j wyłączenie. Przełączenie któregokolwiek z przełączników spowoduje je j włączenie. Użyj krokodylków do połączenia ze sobą przewodów, a także samych przełączników, je ś li te nie posiadają śrub na swoich końcówkach. Upewnij się, iż krokodylki nie dotykają siebie nawzajem

Rysunek 2.18. Duże przełączniki biegunowe zakończone śrubam i ułatwiają połączenie ele­ m entów tego obwodu

Narzędzia Jeżeli narzędzie do autom atycznego zdejm owania izolacji (rysunek 2.19) nie poradzi sobie z drutem o średnicy 0,65 m m w spraw ny sposób, spróbuj ideal­ nego ściągacza izolacji, pokazanego na rysunku 2.4. Możesz też użyć zw ykłych szczypiec z ostrzem, tak jak pokazuje to rysunek 2.20. Jedną ręką trzym asz przewód, a w drugiej narzędzie. Ściśnij rączki ze średnią siłą — wystarczającą do przecięcia samej izolacji, ale nie aż tak dużą, aby odciąć sam przewodnik w środku. Pociągnij przewód w dół, a sam o narzędzie w górę. Poświęcając tro ­ chę czasu na praktykę, będziesz w stanie zdejm ow ać izolację, odsłaniając koń­ ców kę przewodu. Rysunek 2.19. Kiedy ściśniesz rączki

narzędzia do automatycznego zdejm o­ wania izolacji, szczęki po lewej stro ­ nie chwycą przewód, a ostre rowki po praw ej wbiją się w izolację. Kiedy ściśniesz mocniej, obie szczęki oddalą się od siebie, zdejm ując izolację z przewodu

44

M iło śnicy elektroniki typu m acho m ogą użyć sw oich zębów do zdejm owania izolacji. Sam tak robiłem, będąc m łodszym . Na dow ód tego mogę pokazać dwa nieco uszczerbione zęby. Naprawdę, lepiej użyć odpowiedniego narzędzia do tego celu.

2. Przełączanie i nie tylko

Rysunek 2.20. Do usunięcia izolacji z końca przewodu możesz również użyć szczypiec z ostrzem. Wymaga to jednak trochę praktyki

Rysunek 2.21. Osoby mające tendencję do gubienia narzędzi i braku cierpliw ości do ich odnajdywania mogą ulegać pokusie zdejmowania izolacji przy użyciu wła­ snych zębów. Nie je s t to jednak dobre podejście

Problemy z połączeniem Jeżeli przełączniki biegunowe nie są zbyt duże, możesz m ieć problem y z podłą­ czeniem do nich krokodylków razem z przewodam i. M iniaturowe przełączniki, obecnie bardziej popularne od sw oich odpow iedników większego rozmiaru, m ogą sprawić szczególnie dużo problem ów (patrz rysunek 2.22). Bądź cier­ pliwy, już niedługo zaczniem y stosow ać płytkę prototypową, która całkowicie eliminuje potrzebę stosow ania krokodylków.

Testowanie Upewnij się, że dłuższy przewód diody jest podłączony do dodatniego źródła zasilania (w tym przypadku rezystora). Teraz przełącz dow olny z dw óch prze­ łączników biegunow ych. Jeżeli dioda św ieciła się, zgaśnie, a jeśli była zga­ szona, zaświeci się. Przełącz drugi przełącznik, a uzyskasz dokładnie taki sam wynik. Jeżeli dioda nie zapala się, praw dopodobnie podłączyłeś ją odwrotnie. Inna m ożliw ość to przypadkow e zwarcie baterii przez stykające się ze sobą zaciski krokodylki. Zakładając, że dw a przełączniki działają zgodnie z m oim opisem, co dzieje się w tym obw odzie? Nadeszła pora przyjrzeć się pew nym faktom .

Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie

Rysunek 2.22. Możesz korzystać z m iniaturowych przełączników bie­ gunowych, najlepiej w połączeniu z m iniaturow ym i zaciskam i krokodylkowymi, ale uważaj na zwarcia

45

PODSTAWY Wszystko o przełącznikach Kiedy przełączysz przełącznik b iegunow y jakiego uży­ łeś w eksperym encie num er 6, łączy on swoje środkow e w yprow adzenie z jednym z wyprow adzeń skrajnych. Przełącz go z pow rotem , a połączenie zostanie przenie­ sione na drugie w yprow adzenie zewnętrzne. Pokazuje to rysunek 2.23.

1M

I 1 I

Środkowe w yprow adzenie jest nazywane biegunem przełącznika. Ponieważ przełącznik może znajdow ać się w jednej z dw óch pozycji, tw orząc dw a m ożliwe połą­ czenia, nazywany jest przełącznikiem dwupozycyjnym. Jak w spom niałem wcześniej, przełącznik tego typu określany jest skrótem SPDT. Niektóre przełączniki są typu w łącz/w yłącz (on/off), co oznacza, że jeśli przełączysz je w jednym kierunku, utworzysz połączenie, ale w drugiej pozycji połączenia nie będzie. W iększość przełączników w Twoim dom u jest właśnie tego typu. Są one znane pod nazwą przełączni­ ków jednopozycyjnych, określanych skrótem SPST.

Połączone

Połączone

Rysunek 2.23. Środkowe wyprowadzenie je s t biegunem przełącznika. Kiedy przełączasz dźwignię, biegun zm ie­

Jeszcze inne przełączniki m ają dw a zupełnie niezależne nia swoje połączenie na przeciwne bieguny, dzięki czemu możesz tw orzyć dw a niezależne połączenia jednocześnie, przez jedno przełączenie pozy­ cji. Są to tzw. przełączniki dwubiegunowe. Przyjrzyj się rysunkom od 2.24 do 2.26, przedstawiającym prze­ łączniki „n o żo w e ” starego typu (używane nadal w szkołach na przedm iotach związanych z elektryką), a zoba­ czysz najprostszą m ożliwą reprezentację przełączania jedno- i dwubiegunow ego, a także jedno- i dw upozycyjnego. Różnorodne przełączniki biegunowe, z kontaktami zatopionym i w ich wnętrzu, przedstawione zostały na rysunku 2.27.

Rysunek 2.24. Ten prym itywnie wyglądający jednobiegunowy, dwupozycyjny przełącznik wykonuje dokład­ nie takie samo zadanie ja k przełącz­ niki biegunowe pokazane na rysun­ kach 2.23 i 2.27

46

Rysunek 2.25. Jednobiegunowy, jednopozycyjny przełącznik tworzy wyłącznie jedno połączenie. Jego dwoma stanami są: stan włączony i wyłączony

Rysunek 2.26. Dwubiegunowy, je d ­ nopozycyjny przełącznik tworzy dwa niezależne połączenia typu włączony/ wyłączony

2. Przełączanie i nie tylko

PODSTAWY Wszystko o przełącznikach (ciąg dalszy) Żeby jeszcze bardziej urozm aicić caty temat, możesz również kupić przełączniki o trzech lub czterech biegunach. (Niektóre przełączniki rotacyjne m ają ich jeszcze więcej, ale takich nie będziem y używ ać). Ponadto, niektóre przełączniki dw ubie­ gunowe m ają dodatkow ą pozycję środkow ą (typu „w yłą cz” ). Aby podsum ow ać w szystkie powyższe inform acje, zbu­ dow ałem tabelę m ożliw ych przełączników (rysunek 2.28). Możesz do niej zajrzeć, kiedy będziesz przeglądał katalog z częściami, aby przypom nieć sobie, co oznaczają poszcze­ gólne skróty.

Rysunek 2.27. To wszystko są przełączniki biegu­ nowe. Ogólna zasada mówi, że im większy prze­ łącznik, tym większy prąd może przewodzić

Jednobiegunowy

Dwubiegunowy

Trójbiegunowy

Czterobiegunowy

Jednopozycyjny

SPST ON-OFF

DPST ON-OFF

3PST ON-OFF

4PST ON-OFF

Dwupozycyjny

SPDT ON-ON

DPDT ON-ON

3PDT ON-ON

4PDT ON-ON

Dwupozycyjny ze środkową pozycją typu „wyłącz”

SPDT ON-OFF-ON

DPDT ON-OFF-ON

3PDT ON-OFF-ON

4PDT ON-OFF-ON

Rysunek 2.28. Tabela podsum owująca wszystkie m ożliwe opcje przełączników biegunowych i przyciskanych

A co z przełącznikami przyciskanym i? Kiedy naciskasz dzw onek u drzwi, tw orzysz połączenie elektryczne, w ięc jest to rodzaj przełącznika i, w rzeczy samej, jego w łaściw ą nazwą jest przełącznik chw ilowy, ponieważ tw o rzy on jedynie „c h w ilo w e ” połączenie. Każdy przełącznik ze sprężyną lub przycisk, który chce odskoczyć do swojej pierwotnej pozycji, określany jest mianem przełącznika chw ilow ego. Zachowanie takie w skazujem y przez umieszczenie stanu chw ilow ego w nawiasach. Oto kilka przykładów: •

OFF-(ON): Ponieważ stan ON (włączony) jest w nawiasach, jest stanem c hw ilo w ym . Zatem jednobiegunow y przełącznik tego typu tw o rz y połączenie jednie, kiedy go naciśniesz, a następnie, po puszczeniu, pow raca do pozycji pierwotnej, w której nie ma kontaktu. Jest on również znany jako „norm alnie o tw a rty ” przycisk chw ilowy, oznaczany skrótem „N O ” .

•

ON-(OFF): Przeciwny rodzaj chw ilow ego przycisku jednobiegunowego. Jego norm alnym stanem jest ON (włączony), ale kiedy go naciśniesz, przerwiesz połączenie. Zatem stan OFF (wyłączony) jest chw ilowy. Jest on również znany jako „norm alnie zam knięty” przycisk chw ilowy, oznaczany skrótem „N C ” .

•

(ON)-OFF-(ON). Taki przycisk ma środkow ą pozycję typu „w yłą czony” . Kiedy naciśniesz go w którym kolw iek kierunku, utw orzy chw ilow e połączenie, a po puszczeniu pow róci do w yjściow ej pozycji środkow ej.

M ożliwe są również inne warianty, takie jak ON-OFF-(ON) lub ON-(ON). Nie powinieneś mieć problemu z w yw nioskow aniem zachowania danego typu przycisku, o ile tylko będziesz pamiętał, że naw iasy oznaczają stan chw ilowy.

Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie

Rysunek 2.29. Szalony naukowiec je s t gotowy do podłączenia energii do swojego ekspery­ mentu. l/l/ tym celu stosuje jednobiegunowy, dwupozycyjny przełącznik „n ożo w y”, m on­ towany zwyczajowo na ścianie laboratorium umieszczonego w piw nicy

47

PODSTAWY Wszystko o przełącznikach (ciąg dalszy) przyciskany masz w ręce, m iernik pozwoli stwierdzić, Iskrzenie Kiedy tw orzysz i przerywasz połączenie elektryczne, ma ono tendencję do iskrzenia. Iskrzenie nie służy przełącznikom. Powoduje ich stopniowe uszkadza­ nie aż do m om entu, kiedy przełącznik nie jest już dłu­ żej w stanie utw orzyć pewnego połączenia. Z tego pow odu m usisz używać przełączników pasujących do napięcia i prądu, jakim i posługujesz się w danym przypadku. O bwody elektroniczne zazwyczaj ope­ rują na m ałych natężeniach i napięciach, dlatego możesz używać niemal dow olnych przełączników, ale jeśli przełączasz energię dla silnika, początkow y prąd zapłonu będzie m inim um dw a razy większy od prądu, jaki ten silnik pobiera w trakcie normalnej pracy. Do włączania i w yłączania silnika pobierają­ cego 2 am pery prądu powinieneś użyć przełącznika 4-am perow ego.

Sprawdzanie przełącznika Do sprawdzenia przełącznika możesz użyć swojego miernika. Dzięki tem u będziesz m ógł się przekonać, które w yprow adzenia są połączone dla danego usta­ wienia. Jeżeli zapomniałeś, jakiego typu przełącznik

Rysunek 2.30

Rysunek 2.31

czy jest on typu norm alnie otw artego (czyli takiego, który trzeba nacisnąć, aby utw orzyć połączenie), czy norm alnie zamkniętego (czyli takiego, który trzeba nacisnąć, aby przerwać połączenie). Ustaw swój m iernik na pom iar o m ó w i dotknij końców kam i w yprow adzeń przełącznika, m anipulując jednocze­ śnie sam ym przełącznikiem. Nie jest to zbyt w ygodne, ponieważ m usisz pocze­ kać, aż m iernik dokona odpowiedniego pom iaru. Jeśli chcesz się dowiedzieć jedynie, czy dane ustawienie tw o rz y połączenie, użyj m iernika z nastawieniem „akustycznego testu przewodzenia” . Będzie on w tedy w yd aw ał jednostajny dźw ięk w sytuacji napotka­ nia kontaktu elektrycznego m iędzy końców kam i lub zamilknie, jeśli takiego kontaktu nie będzie. Przykłady m ierników z testem przewodzenia pokazują rysunki od 2.30 do 2.32. Rysunek 2.33 przedstawia test przełącznika na okoliczność zwarcia (przewodzenia). Testu przewodzenia w sw oim m ierniku używaj w yłącz­ nie w obw odach lub kom ponentach, które nie są w danej ch w ili zasilane.

Rysunek 2.32. Aby sprawdzić, czy nie ma przerw y w obwodzie, ustaw pokrę­ tło swojego miernika na sym bol poka­ zany na zdjęciu. Używaj tego ustawie­ nia wyłącznie, kiedy mierzony kom po­ nent lub obw ód nie je s t zasilany

Rysunek 2.33. Kiedy przełącznik łączy dwie ze swoich końcówek, m iernik pokazuje zerową rezystancję między n im i i wydaje dźwięk, je śli ustawiłeś go na test przewodzenia

48

2. Przełączanie i nie tylko

TEORIA Pierwsze systemy przełączające Przełączniki w ydają się być tak fundam entalną rzeczą w naszym świecie, a ich koncepcja jest tak prosta, że bardzo łatw o można zapomnieć, iż przeszły one stopniow y proces rozwoju i udoskonalania. Pionierom elek­ tryki, którzy potrzebowali jedynie w łączyć lub w yłączyć zasilanie pewnego urządzenia w laboratorium, w zupeł­ ności w ystarczały proste przełączniki nożowe. Kiedy jednak zaczęły pow staw ać system y telefoniczne, zaszła potrzeba stworzenia rozwiązań bardziej zaawansow anych technicznie. Operator „łą czn icy” m usiał m ieć m ożli­ w o ść połączenia ze sobą par dziesięciu tysięcy linii. Jak można było zrealizować coś takiego? W roku 1878 Charles E. Scribner (rysunek 2.34) stw orzył „sc y z o ry k o w y przełącznik typu ja c k ” , nazywany tak ze względu na fakt, iż część trzym ana przez operatora w ręku wyglądała jak rączka od scyzoryka (ang. jackknife). Z rączki tej w ystaw ała wtyczka, która po włożeniu do gniazda tw orzyła połączenie w jego wnętrzu. Dokładnie m ówiąc, przełącznik stanow iło sam o gniazdo.

Rysunek 2.34. Charles E. Scribner w ym yślił „scyzorykow y przełącznik typu ja c k ”, aby zaspokoić potrzeby przełączania w systemach telefonicznych p od koniec XIX wieku. Dzisiejsze wtyczki typu jack, używane w systemach audio, nadal dzia­ łają na tej sam ej zasadzie4

Do dzisiaj na tej samej zasadzie funkcjonują połączenia gitar ze wzm acniaczam i, a kiedy nazywasz je połą­ czeniami typu „ja c k ” , term in ten w yw odzi się od wynalazku Charlesa Scribnera. Połączenia nadal tw orzone są w gnieżdzie typu jack. O czywiście, w obecnych czasach „łącznice” są tak rzadkie, jak sam i operatorzy telefoniczni. Na początku zostali oni zastąpieni przez przekaźniki — przełączniki sterowane elektrycznie, o których będę m ów ił w dalszej części tego rozdziału. Później przekaźniki zastąpiono tranzystoram i, które sprawiły, że w szystko zaczęło działać bez jakichkolw iek części ruchom ych. Zanim dotrzem y do końca tego rozdziału, Ty również będziesz przełączał prąd, używając tranzystorów.

4 Pokazane tutaj zdjęcie pojawiło się pierwszy raz w książce Herberta Newtona Cassona The H isto ry o f the Telephone wydanej w roku 1910 w Chicago przez A. C. McCIurg & Co. Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie

49

Wprowadzenie do schematów Na rysunku 2 .3 5 n a ryso w a łe m o b w ó d z ekspe rym entu n um er 6 w uproszczonej fo rm ie , zw anej „s c h e m a te m ” . Od tego m om e n tu będę p rzedstaw iał o b w o d y w fo rm ie s chem atów , poniew aż pozw alają one na ich łatw iejsze zrozum ienie. A b y m ó c je w ła ś c iw ie in terpretow ać, m usisz poznać zaledw ie kilka sym b o li. Większe wersje wszystkich schematów oraz płytek prototypowych dostępne są na stronie książki pod adresem http://helion.pl/ksiazki/ eleodp.htm.

Porównaj ten schem at z obw odem na rysunku 2.17. Oba pokazują dokładnie tę sam ą rzecz: kom ponenty i połączenia m iędzy nimi. Szare prostokąty to przełączniki, prostokąt reprezentuje rezystor, a sym bol z dw om a strzałkam i to dioda LED.

Sym bol diody LED zawiera dwie strzałki inform ujące, iż emituje ona światło. Jest to istotne, ponieważ istnieją inne diody — dotrzem y do nich później — którego tego nie robią. Trójkąt w ew nątrz sym bolu diody wskazuje zawsze kierunek od dodatniego do ujemnego potencjału zasilania. Prześledź ścieżki, którym i prąd może popłynąć przez obw ód, i w yobraź sobie przełączniki zmieniające pozycję. Powi­ nieneś teraz bez problemu zrozumieć, jak każdy z przełączników odw raca stan diody LED z w łączonego na w yłączony i odwrotnie. Taki sam obw ód jest używ any w dom ach, gdzie jeden przełącznik znajduje się u dołu schodów, a drugi u ich szczytu i oba kontrolują tę sam ą żarówkę. Przewody w dom u są znacznie dłuższe i ukryw ają się gdzieś w ścianach, ale ponie­ waż ich połączenia są takie same, m ogłyby być przedstawione przy użyciu tego sam ego podstaw ow ego schem atu. Patrz rysunek 2.36. Schemat nie m ówi, gdzie dokładnie należy um ieścić poszczególne komponenty. M ów i jedynie, jak połączyć je ze sobą. Jest tutaj jeden problem: różni ludzie używają nieco odm iennych sym boli do reprezentacji tej samej rzeczy. W ię­ cej na ten tem at dowiesz się w sekcji „Podstawy. Sym bole używane na schem atach” .

Rysunek 2.35. Ten schem at przedstawia taki sam obw ód ja k ten pokazany na rysunku 2.11 i ułatwia zrozumienie funkcji realizowanej przez przełączniki

50

Rysunek 2.36. Obwód z dwoma przełącznikami, pokazany na rysun­ kach 2 .17 i 2.35, można często spotkać w okablowaniu domowym, szczególnie je ś li przełączniki znajdują się na obu końcach długich schodów. Rysunek pokazuje, czego mógłbyś się spodziewać po usu­ nięciu tynku. Przewody łączą się w kostkach elektrycznych, znajdują­ cych się w puszkach schowanych p od tynkiem

2. Przełączanie i nie tylko

PODSTAWY Symbole używane na schematach

PI A

Sym bole schem atów są jak stówa w języku: z bie­ giem czasu ulegały m utacji, tw orząc często trudne do zrozumienia odmiany. Dla przykładu, prosty przełącz­ nik typu w łącz/w yłącz (SPST) może być reprezento­ w a ny przez jeden z sym boli pokazanych na rysunku 2.37. W szystkie one oznaczają dokładnie ten sam element.

PI B

Rysunek 2.38. Różne style przedstawiania przełącznika dwu­ biegunowego, dwupozycyjnego. 1/1/ niniejszej książce stoso­ wany je s t sym bol znajdujący się u dołu po praw ej stronie

Od czasu do czasu możesz spotkać schemat, w któ­ rym przełączniki są porozrzucane po całej okolicy, ale ich oznaczenia (takie jak P1A, P1B, P1C) sugerują, że w rzeczywistości jest to jeden przełącznik z w ie­ lom a biegunami.

\

X K on takt'

W tej książce przełączniki um ieszczone są na szarych prostokątach. Te prostokąty nie są częścią standar­ dow ego sym bolu; nie znajdziesz ich w innych książ­ kach. Robię tak wyłącznie, aby przypom nieć Ci, że zawarte w nim elementy stanow ią w rzeczywistości jedną zw artą całość. ' B ie g u n

Rysunek 2.37. Kilka różnych stylów stosowanych do przed­ stawienia jednobiegunowego, jednopozycyjnego przełącz­ nika na schematach. 1/1/ tej książce stosowana je s t wersja przedstawiona na samym dole

Rysunek 2.38. przedstawia przełączniki dw ubiegu­ nowe, dw upozycyjne. Przerywana linia wskazuje m echaniczne połączenie w ew nątrz przełącznika, które sprawia, że przestawienie pozycji w p ły w a jed­ nocześnie na oba bieguny. Pamiętaj, że bieguny są od siebie odizolowane elektrycznie.

Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie

W ażnym elementem stylu, który często podlega zm ia­ nom, jest sposób przedstawiania połączeń przew o­ dów z innymi. Według starej szkoły schem aty poka­ zyw ały półokrągły łuk w m iejscach, gdzie przewody krzyżowały się bez kontaktu elektrycznego. Ponieważ nowoczesne oprogram ow anie do rysow ania sche­ m atów nie w yróżnia skrzyżowań w ten sposób, ten styl jest rzadko używany. N ow y styl, który spotkasz, przeglądając schem aty w sieci, może zostać podsu­ m ow any następująco: •

Kropka łącząca dw a przewody wskazuje, że istnieje między nimi kontakt elektryczny.

•

Brak kropki wskazuje brak kontaktu elektrycznego.

51

PODSTAWY Symbole używane na schematach (ciąg dalszy) Problem polega na tym, że nie jest to zbyt intuicyjne, szczególnie jeśli dopiero zaczynasz korzystać ze schematów. Widząc dwa krzyżujące się przewody, tatwo można sobie wyobrazić, że tworzą one połączenie, nawet jeśli w miejscu ich przecięcia nie widać kropki. Właśnie z tego powodu postanowiłem w tej książce używać starego stylu z tukami (patrz rysunek 2.39). Można go podsumować następująco:

I Rysunek 2.39. l/l/ schematach połączeń kropka wskazuje zawsze kontakt elektryczny. Trzeba jednak dodać, iż połą­ czenie w stylu krzyża, przedstawione w prawym górnym rogu rysunku, je st uważane za przejaw złego stylu, ponie­ waż je śli kropka zostanie przypadkowo pominięta lub źle wydrukowana, przecięcie takie można łatwo pom ylić z poka­ zanym w lewym dolnym rogu, gdzie przewody nie tworzą kontaktu elektrycznego. Wszystkie trzy konfiguracje u dołu wskazują brak połączenia, przy czym dominuje styl przed­ stawiony jako pierwszy, styl środkowy je st spotykany najrza­ dziej, a ostatni je s t najbardziej staromodny — chociaż, ze względu na swoją klarowność, je s t używany w tej książce

•

Kropka łącząca dw a przewody wskazuje połączenie elektryczne m iędzy nimi.

•

Łuk na przewodzie krzyżującym się z innym przewodem wskazuje brak połączenia elektrycznego.

W niniejszej książce nie znajdziesz krzyżujących się przew odów bez kropki lub łuku. W obwodzie zasilanym baterią możesz znaleźć s ym ­ bol baterii, chociaż częściej spotkasz małą notkę wskazującą, gdzie dodatni potencjał zasilania w c h o ­ dzi do systemu, podczas gdy potencjał ujemny przed­ stawiany jest jako sym bol „m a s y ”5. Symbole tego typu m ogą być rozsiane po całym schemacie. Musisz

jednak pamiętać, że podczas budow y układu w szyst­ kie przewody prowadzące do m asy muszą być połą­ czone razem do ujemnego źródła zasilania. Idea sym bolu m asy sięga czasów, kiedy urządzenia elektroniczne były m ontow ane w m etalow ych obudo­ wach łączonych elektrycznie z ujem nym potencjałem zasilania. Sym bol m asy oznaczał faktycznie „p o d ­ łącz do o b u d o w y ” . Niektóre odm iany sym bolu m asy zostały przedstawione na rysunku 2.40.

Rysunek 2.40. Wszystkie przedstawione tutaj symbole mają to samo znaczenie: podłącz przew ód do „m a s y ” lub „o b u d o w y”, lub ujemnego potencjału źródła zasilania. W tej książce używany je s t sym bol skrajnie praw y

Książka zawiera kolorow y druk, dlatego będę stoso­ w a ł kolor czerw ony do oznaczenia potencjału dodat­ niego i niebieski do oznaczenia potencjału ujemnego, jasno wskazując, gdzie należy podłączyć źródło zasi­ lania. Nie będę używał sym b o ló w masy. M oim celem jest ponownie zm inim alizowanie ryzyka niezrozumie­ nia, ponieważ wiem , jak frustrujące potrafi być zbu­ dowanie obw odu, który nie chce działać. Z bardzo dużą niespójnością na schem atach repre­ zentowane są rezystory. Tradycyjny sym bol zygzaka został porzucony w Europie. Zamiast niego używany jest prostokąt z liczbą w środku wskazującą rezy­ stancję w om ach. Spójrz na rysunek 2.41. W Europie zm ieniony został również sposób reprezentacji m iej­ sca dziesiętnego: przecinki unikane są z całej siły, ponieważ źle w ydrukow ane kropki m ają tendencję do znikania (lub są z czasem m ylone z brudem pojawia­ jącym się na papierze). W związku z tym rezystor 4,7 k Q przedstawiany jest jako 4K7, a 1,2 M Q jako 1M2.

-W Ar 220

—

i

220

i—

Rysunek 2.41. Dwa style przedsta­ wiania rezystora 220 i l Wyżej wer­ sja stosowana w Stanach Zjedno­ czonych, niżej wersja europejska

5 Chociaż autor nazywa ten symbol „uziemieniem” (ang. ground), tekst tłumaczony będzie konsekwentnie mówił o masie układu (pozostawiając termin „uziemienie” dla obwodów elektrycznych wymagających specjalnego zabezpieczenia przepięciowego) — przyp. tłum.

52

2. Przełączanie i nie tylko

PODSTAWY Symbole używane na schematach (ciąg dalszy) Takim sam ym brakiem konsekwencji obarczony jest sposób oznaczania potencjom etrów pom iędzy Europą i Stanami Zjednoczonymi, ale w obu przypad­ kach znajdziesz strzałkę sym bolizującą miejsce, gdzie ruchom y element (zazwyczaj powiązany ze środko­ w ym wyprow adzeniem ) styka się z materiałem sta­ now iącym rezystancję. Patrz rysunek 2.42. Dodat­ kow o diody LED są czasem pokazywane w kółku, a czasem bez. Patrz rysunek 2.46.

A W

r

Rysunek 2.44. Sym bol baterii je s t przedstawiany często bez znaków + i Ja dodaję je dla przejrzystości

—

Rysunek 2.42. Symbole potencjom etrów : po lewej stronie wersja używana w Stanach Zjednoczonych, po praw ej wer­ sja europejska. 1/1/ obu przypadkach strzałka symbolizuje ruchom y elem ent dotykający rezystancji (najczęściej p od ­ łączony do środkowego wyprowadzenia)

Rysunek 2.45. Sym bol żarówki z żarnikiem

Pozostałe sym bole będę stopniow o przedstawiał w książce. Najważniejsze rzeczy do zapamiętania na teraz to: •

Pozycje kom ponentów na schem acie są nieistotne.

•

Konkretny styl użyty do przedstawienia sym boli na schem acie jest bez znaczenia.

•

Połączenia pom iędzy kom ponentam i są niezwykle istotne.

Rysunek 2.43. Trzy sposoby przedstawiania przełącznika

przyciskanego

Rysunek 2.46. Czasami dioda LED je s t przedstawiana w otaczającym ją okręgu, a czasem bez niego. 1/1/ tej książce stosuję wersję bez okręgu. Strzałki symbolizują emisję światła

Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie

53

PODSTAWY Symbole używane na schematach (ciąg dalszy) Dla przykładu trzy obw ody z diodą LED, które przed­ stawiłem na rysunku 2.47, pokazują kom ponenty w różnym położeniu i przy użyciu różnych sym boli, ale wszystkie trzy funkcjonują w dokładnie taki sam sposób, ponieważ ich połączenia są identyczne. Dokładnie m ów iąc, w szystkie przedstawiają obwód, który zbudowałeś podczas eksperym entu num er 4, przedstawionego na rysunku 1.50.

sygnałem audio w przypadku wzm acniaczy) po lewej stronie i w yjściem po prawej stronie. Zatem dodatnie napięcie dostarczane jest z góry, podczas gdy sygnał przepływa od lewej do prawej strony. Kiedy planowałem tę książkę, początkow o rysow ałem schem aty przestrzegające tych reguł „z góry w d ó ł” i „od lewej do praw ej” , ale po rozpoczęciu budowania i testow ania o b w odów zm ieniłem zdanie. Do tw orze­ nia obw o d ó w używ am y części zwanej płytką prototy­ pową. Jej wewnętrzne połączenia w ym agają, abyśm y rozkładali kom ponenty zupełnie odm iennie w porów ­ naniu do typow ego schem atu. Na początku nauki elektroniki bardzo m yląca jest konieczność przeno­ szenia kom ponentów ze schem atu do konfiguracji wym aganej przez płytkę prototypową. W łaśnie dlatego przekonasz się, iż w całej książce narysow ałem schem aty im itujące sposób, jaki zastosujesz do połączenia ich na płytce. Uważam, że korzyści płynące z takiego podejścia przeważają wadę, jaką stanowi odejście od powszechnie stoso­ wanego stylu schem atów.

9 220

t-O

*

Rysunek 2.47. Wszystkie trzy schem aty przedstawiają ten

sam obwód. Zbudowałeś go, używając potencjometru, w trakcie eksperymentu num er 4

Często sym bole na schem acie um iejscow ione są w taki sposób, aby cały obw ód był zrozum iały w spo­ sób intuicyjny, bez związku z tym , jak konkretnie zbu­ dujesz go przy użyciu fizycznych części. Porów ­ naj przykład na rysunku 2.48, przedstawiający dwa przełączniki DPDT, z w ersją pokazaną wcześniej na rysunku 2.35. W cześniejsza w ersja wygląda tak, jak­ byś w ygiął do góry część rysunku, natom iast rysu­ nek 2.48 jaśniej przedstawia przepływ prądu. Na wielu schem atach dodatni potencjał źródła zasi­ lania jest pokazany u góry diagramu, a ujemny lub m asa u dołu. Wiele osób ma również w z w y ­ czaju rysow ać schem aty z w ejściem (na przykład

54

A

i Rysunek 2.48. Jest to jedynie inny, prostszy i bardziej przejrzysty sposób pokazania obwodu, który pojawit się wcześniej na rysunku 2.35

2. Przełączanie i nie tylko

Eksperyment 7: Diody sterowane przekaźnikami Potrzebne będą: •

zasilacz, szczypce z ostrzem oraz szczypce do zdejm owania izolacji,

•

przekaźnik DPDT, liczba: 2,

•

diody LED, liczba: 2,

•

rezystor w pobliżu w a rtości 680 n , liczba: 1,

•

przełącznik przyciskany, SPST, liczba: 1,

•

przewód jednożyłowy, 0,5 m m 2 lub przew ody testowe,

•

krokodylki, liczba: 8,

•

nóż do prac technicznych.

Następnym krokiem na naszej ścieżce odkryw ania ob w o d ó w przełączają­ cych jest użycie zdalnie sterowanego przełącznika. Przez „zdalnie stero­ w a n y ” rozum iem taki, do którego możesz w ysłać sygnał, aby go w łączyć lub wyłączyć. Tego typu przełącznik określany jest mianem przekaźnika, ponie­ waż przekazuje instrukcję z jednej części obw odu do innej. Często przekaź­ nik jest kontrolow any przez niskie napięcie lub prąd, natom iast przełącza większe napięcie lub większy prąd. Taka konfiguracja może być bardzo wydajna. Na przykład kiedy urucham iasz silnik sam ochodu, względnie m ały i tani przełącznik w ysyła sygnał poprzez długi, cienki i niedrogi przewód do przekaźnika znajdującego się w pobliżu rozrusznika. Przekaźnik urucham ia silnik przez krótszy, grubszy i droższy przewód elektryczny zdolny do przenoszenia prądu rzędu 100 A. Podobnie, kiedy podnosisz pokryw ę ładowanej od góry pralki, gdy ta obraca bębnem, zam ykasz obw ód małego przełącznika, który w ysyła sygnał o małej w a rtości przez cienki przewód do przekaźnika. Przekaźnik odpowiada za wyłączenie potężnego silnika, który obraca bębnem pełnym m okrych ubrań. Zanim zaczniesz ten eksperym ent, m usisz podnieść klasę sw ojego źródła zasilania. Nie będziem y już korzystać z baterii, ponieważ w iększość przekaź­ ników w ym aga więcej niż 6 V. Ponadto powinieneś dysponow ać źródłem, które jest w stanie dostarczyć różnych w a rto ś c i napięcia. Najprostszym roz­ wiązaniem jest zasilacz uniwersalny. Zaczniesz od przygotowania zasilacza do pracy. Kiedy będzie działał, użyjesz go do zasilenia przekaźnika. Początkowo przekaźnik będzie przełączał obwód pomiędzy diodami, ale później zmodyfikujesz układ w taki sposób, aby diody zapalały się automatycznie. W końcu zbudujesz cały układ na płytce prototypowej i pożegnasz się z krokodylkami (od tej pory będziemy używać ich sporadycznie).

Przygotowanie zasilacza Zasilacz w pinany jest do gniazdka elektrycznego i pow oduje konwersję napięcia zm iennego o dużej w a rtości na małą, bezpieczną w a rto ś ć napię­ cia stałego, które może zasilać urządzenia elektroniczne. Każda ładowarka używana w połączeniu z telefonem kom órkow ym , tabletem lub laptopem jest swego rodzaju zasilaczem, który dostarcza danemu urządzeniu energię poprzez specjalnie zaprojektowaną do tego celu wtyczkę. Prosiłem Cię, abyś zakupił zasilacz uniwersalny, m ogący dostarczyć napięcia o różnych w a rto ­ ściach. Zaczniem y od pozbawienia go wtyczki.

Eksperyment 7: Diody sterowane przekaźnikami

Pomiar napięcia z zasilacza Jeżeli podłączysz swój zasilacz do gniazdka, a następnie pod­ łączysz m iernik do jego wyjścia (ustawiając go wcześniej na pom iar w o ltów napięcia stałego), możesz zostać zaskoczony nie­ spodziewanie dużym odczy­ tem. W ynika to stąd, iż napięcie dostarczane przez niektóre zasi­ lacze jest zdecydowanie większe przy braku odpowiednio dużego obciążenia, a właśnie tak się dzieje ze względu na bardzo dużą rezystancję wewnętrzną Twojego miernika (zasilacz „m y ś li” , że nie jest w ogóle obciążony). Aby test odpowiadał rzeczywistości, wybierz rezystor o w artości 680 D i w staw go pomiędzy w yp ro­ wadzenia zasilacza. To sprawi, że napięcie na zasilaczu spadnie do odpowiedniego poziomu. Przyłóż końcówki miernika do obu koń­ ców rezystora. Użycie rezystora o w a rtości m niejszej niż 680 Q nie jest zbyt dobrym pom ysłem , ponieważ te zakupione przez Ciebie mają m oc zaledwie 0,25 W i jeśli spró­ bujesz w y m u s ić na nich w ięk­ szą m oc, zaczną się nagrzewać i ostatecznie się przepalą. Prawo Ohma m ów i nam, że kiedy rezy­ stor o w a rto ś c i 680 n jest pod­ łączony do 12 V, płynący przez niego prąd jest rzędu 17,7 mA, a w tedy tracona m oc w ynosi 0,21 W. Możesz również spró­ bow ać połączyć kilka rezysto­ rów równolegle, aby przekonać się, jak zachowuje się napięcie przy silniejszym obciążeniu.

55

1. Zanim zaczniesz, upewnij się, że zasilacz nie jest podłączony do gniazdka! 2. Odetnij m ałą wtyczkę znajdującą się na końcu przewodu w yprow adzonego z zasilacza. Patrz rysunek 2.49. 3. Użyj noża lub scyzoryka, aby rozciąć dw a przewody na głębokość mniej w ięcej jednego centymetra, a następnie rozerwij je na kilka centym etrów. 4. Przytnij oba przewody, używając szczypiec z ostrzem. Jeden z przew odów utnij krócej od drugiego. W ten sposób zapobiegniesz przypadkow em u zwarciu obu przew odów (po odsłonięciu izolacji) i spaleniu zasilacza. 5. Usuń izolację z końców obu przewodów. W ystające przewody linki miedzianej zapleć, obracając je m iędzy kciukiem a palem wskazującym tak, aby żaden z nich nie odstawał. Patrz rysunek 2.50.

Rysunek 2.49. Przygotowanie zasila­ cza uniwersalnego. Zacznij od odcięcia wtyczki dostarczającej niskie napięcie i wyrzuć ją do kosza

6. Upewnij się, że oba przew ody nie dotykają siebie nawzajem, a następnie podłącz zasilacz do gniazdka. Ustaw m iernik na pom iar w o ltó w napięcia stałego (DC) i dotknij końców kam i przew odów zasilacza. Jeżeli w a rtość w yśw ietlona na zasilaczu jest poprzedzona znakiem m inus, znaczy to, że końców ki są podpięte do przew odów odwrotnie. Zamień je m iejscami, w tedy znak m inus powinien zniknąć. W ten sposób dowiesz się, który przewód jest dodatni. 7. Zaznacz dodatni przewód zasilacza. Jeżeli izolacja przewodu jest koloru białego, możesz użyć do tego celu czerwonego markera. Jeżeli izolacja jest czarna, możesz dokleić etykietkę. Przewód dodatni pozostaje zawsze z takim potencjałem, niezależnie od tego, jak podłączysz sam zasilacz do gniazdka.

Przekaźnik Przekaźnik, którego użycie Ci zalecam, ma małe szpilkowate nóżki u dołu obu­ dowy. Ich rozstaw jest standardowy. Jeżeli kupisz inny rodzaj przekaźnika, będziesz m usiał sam dojść do tego, które nóżki są podpięte do cewki, które łączą się z biegunami, a które z kontaktami norm alnie o tw artym i i normalnie zam kniętym i. Tego typu inform acje znaleźć możesz na stronie katalogowej pro­ ducenta, ale ja osobiście gorąco zachęcam Cię, abyś użył jednego z przekaźni­ ków w sp om nianych w liście zakupów. Dzięki tem u łatwiej będzie Ci przestrze­ gać zaw artych dalej instrukcji.

Rysunek 2.50. Po drugie, odizoluj przewody w taki sposób, aby jeden z nich byt krótszy od drugiego. Zmniej­ szysz w ten sposób ryzyko ich wza­ jem nego zetknięcia. Pokoloruj prze­ w ód z wyższym potencjałem, używając markera, lub doklej do niego etykietkę

56

Prosiłem, abyś kupił dw a przekaźniki. Jednego z nich będziesz m ógł użyć w celach badawczych, tzn. będziesz m ógł się do niego w łam ać i przekonać się, co znajduje się w środku. Jeżeli zrobisz to niezwykle ostrożnie, sam prze­ kaźnik powinien później nadal nadawać się do użytku. Jeśli się nie uda, masz drugi w zapasie. Najprostszy sposób otwarcia przekaźnika opiera się na użyciu noża do otw ie­ rania paczek lub innego noża do prac technicznych. Technikę otwierania poka­ zują rysunki od 2.52 do 2.54. Odcinaj delikatnie krawędzie plastikowej pow łoki zawierającej przekaźnik aż do m omentu, kiedy powstanie m inim alna przerwa. Nie posuwaj się dalej; elementy w środku znajdują się bardzo blisko krawę­ dzi. Teraz zdejmij górę. Możesz użyć cienkich szczypiec do w ydłubania pozo­ stałej części obudowy. Przestudiuj sekcję „Podstawy. W ewnątrz przekaźnika” , a następnie podłącz zasilanie do przekaźnika, aby przekonać się, jak działa.

2. Przełączanie i nie tylko

Rysunek 2.55

Rysunek 2.51. Oto jeden ze sposobów rozmieszczenia elem entów wewnątrz prze­ kaźnika. Cewka (A) wytwarza pole magnetyczne przesuwające dźwignię (B) w dół. Plastikowy element (C) napiera na giętkie metalowe paski i przesuwa bieguny prze­ kaźnika (D) pom iędzy kontaktami Rysunek 2.56. Najważniejszą rzeczą w trakcie otwierania obudowy przekaźnika je s t cierpliwość. Szybsze m etody przy uży­ ciu ciężkiego sprzętu lub ognia zaspokoją potrzeby emocjonalne osób o mniejszych m ożliwościach koncentracji uwagi, ale wyniki mogą być nieprzewidywalne

Rysunek 2.52. Aby zajrzeć do zapieczę­ Rysunek 2.53. Wsuń ostrze noża, aby towanego przekaźnika, przycinaj krawę­ odciąć górę obudowy, a następnie dzie przekaźnika do momentu, kiedy uzy­ pow tórz tę procedurę dla pozostałych ścian obudowy skasz m inimalną wolną przestrzeń

Rysunek 2.54. Jeżeli będziesz naprawdę ostrożny, przekaźnik powinien nadal dzia­ łać po otwarciu

Eksperyment 7: Diody sterowane przekaźnikami

Rysunek 2.57. Cztery przekaźniki różnego typu zasilane napięciem 12 V, pokazane w sw ojej obudowie i bez niej. Przekaź­ nik stosowany w sam ochodach (skrajnie lewy) je s t najprostszy i najłatwiejszy do zrozumienia, ponieważ przy jego projekto­ waniu rozm iar obudowy nie m iał szczegól­ nego znaczenia. Mniejsze przekaźniki są zaprojektowane bardziej pomysłowo, ich konstrukcja je s t bardziej złożona i trudniej­ sza do rozpracowania. Mniejsze przekaź­ niki są przeważnie przeznaczone do prze­ łączania mniejszych prądów niż ich więk­ sze odpowiedniki

57

PODSTAWY Wewnątrz przekaźnika Przekaźnik zawiera cewkę nawiniętą na m etalow ym rdzeniu. Kiedy przez cewkę przepływa prąd, meta­ low y rdzeń w ytw arza siłę elektromagnetyczną, która ciągnie plastikową dźwignię. Ta dźwignia napiera z kolei na sprężyste blaszki m etalowe, pow odując połączenie ze sobą dw óch w yprow adzeń. Zatem jak długo przez cewkę płynie prąd, tak długo przekaźnik jest „nała dow an y” i jego połączenia są zwarte.

Większość przekaźników nie wym aga polaryzacji, tzn. możesz zasilić cewkę w dowolnym kierunku, a przekaź­ nik i tak będzie działał. Najlepiej sprawdzić to w karcie katalogowej producenta. Niektóre przekaźniki zasilane są napięciem zmiennym, chociaż większość przekaźni­ ków niskiego napięcia korzysta z prądu stałego, takiego, jaki uzyskujesz na przykład z baterii. W tej książce będziemy korzystać z przekaźników prądu stałego.

Kiedy przez cewkę przestanie płynąć prąd, przekaźnik „odpuszcza” , a sprężyste m etalowe blaszki odska­ kują do swojej pierwotnej pozycji, rozwierając połą­ czenia. (Odstępstwo od tej zasady stanow ią przekaź­ niki zatrzaskowe, gdzie pow rót do pierwotnej pozy­ cji w ym aga im pulsu przechodzącego przez drugą cewkę, ale tego typu przekaźnikami będziem y zajm o­ w ać się w dalszej części książki).

Przekaźniki cierpią na tę sam ą przypadłość co prze­ łączniki: ich kontakty ulegają zniszczeniu pod w p ły ­ wem iskrzenia spow odow anego przełączaniem zbyt dużych napięć. Nie w a rto oszczędzać, kupując prze­ kaźniki przeznaczone dla m niejszego prądu i napię­ cia niż wym agane przez Twój układ. Przekaźnik może zawieść w najmniej oczekiwanym m omencie, a jego w ym iana będzie skom plikowana.

Przekaźniki dzielą się na takie same kategorie jak prze­ łączniki: SPST, DPST, SPDT itd.

Ze względu na dużą różnorodność ty p ó w przekaźni­ ków radzę, abyś dokładnie przestudiow ał specyfika­ cje, zanim dokonasz zakupu. Szukaj następujących pod staw ow ych inform acji:

Porównaj schem aty przedstawione na rysunku 2.58 ze schem atam i przełączników na rysunku 2.38. G łówna różnica polega na tym , że przekaźnik posiada cewkę, która aktywuje przełącznik. Sam przełącznik pokazany jest w sw oim stanie spoczynkow ym , kiedy cewka nie jest zasilana. Kontakty przedstawione są jako małe trójkąty. Jeśli w przekaźniku znajdują się dw a bieguny, cew ka akty­ wuje oba przełączniki jednocześnie.

tl prcnnsj

Rysunek 2.58. Różne sposoby przedstawiania przekaźnika na schematach. U g óry po lewej stronie przekaźnik typu SPST. U g óry po praw ej stronie i na dole po lewej SPDT. Na dole po praw ej DPDT. 1/1/ książce używane będą symbole umieszczone na dole rysunku

58

Minimalne napięcie zadziałania: M inimalne napięcie, jakiego potrzebuje przekaź­ nik, aby zam knąć styki. Będzie ono m inimalnie m niejsze od idealnego napięcia znam ionowego. Prąd pracy: Prąd płynący przez cewkę, zwykle wyrażany w m iliam perach, po zasileniu przekaźnika. Cza­ sam i zam iast prądu określa się pobór m ocy cewki w yrażony w m iliwatach.

-'innnr'-

fmnnsj

Napięcie znamionowe: Napięcie, jakiego powinieneś użyć do zasilenia przekaźnika.

Obciążalność styków: M aksym alny prąd m ożliw y do przełączania pom iędzy kontaktami w przekaźniku. Zazwy­ czaj jest on wyrażony w odniesieniu do pew ­ nego obciążenia w postaci stałej rezystancji, tzn. dla urządzenia pasywnego, takiego jak żarówka. Jeżeli używasz przekaźnika do przełączania sil­ nika, m usisz wiedzieć, że ten bierze znacznie w iększy prąd przy rozruchu niż podczas regu­ larnej pracy. Dla takiego przypadku najlepiej będzie, jeśli wybierzesz przekaźnik radzący sobie z prądem dw a razy w iększym od tego, jaki silnik pobiera w czasie norm alnej pracy.

2. Przełączanie i nie tylko

Procedura Odwróć przekaźnik nóżkami do góry i podłącz do nich przewody oraz diody LED tak, jak pokazuje to rysunek 2.59. Użyj rezystora 680 f i (jeżeli nie masz takiej w a rtości, może być również 1 k f i) . Podłącz również przełącznik przyci­ skany. (Twój konkretny typ przycisku może być inny od pokazanego, ale będzie działał tak samo, jeśli tylko jest to przycisk typu SPST z wyprow adzeniam i u dołu). Kiedy naciśniesz przycisk, przekaźnik spow oduje zgaśnięcie pierwszej diody i zapalenie drugiej. Po jego puszczeniu pierwsza dioda zapali się, a druga zgaśnie.

Jak to działa? Porównaj schem at na rysunku 2.60 z rysunkiem 2.59. Przyjrzyj się również rysunkow i 2.62, który dem onstruje wyprow adzenia przekaźnika tw orzące połą­ czenia w jego wnętrzu dla przypadku zasilenia cewki i jego braku. Jest to prze­ kaźnik typu DPDT, ale m y używ am y tylko jednego bieguna, zupełnie ignorując drugi. Dlaczego zatem nie kupiliśm y przekaźnika typu SPDT? Ponieważ zależy mi, aby przekaźnik m iał ten konkretny rozstaw w yprow adzeń, kiedy będziesz m odernizow ał sw ój obw ód, przenosząc go na płytkę prototypową, co nastąpi już niebawem.

Napięcie 12 V DC z zasilacza

Rysunek 2.59. Tak ja k poprzednio zam iast zwykłych przew odów pokaza­ nych na rysunku możesz użyć przew o­ dów testowych 680

Na schem acie pokazałem przekaźnik w jego stanie spoczynkow ym . Kiedy cew ka zostaje zasilona, przełącznik przesuwa się do góry, co wydaje się być sprzeczne z intuicją, ale ten konkretny przekaźnik skonstruow any jest właśnie w ten sposób. Jeżeli jesteś pewien, że rozumiesz zasadę działania tego układu, nadeszła pora, aby przejść do kolejnego etapu: małej m odyfikacji, która sprawi, że przekaźnik będzie przełączał się samodzielnie. Tym zagadnieniem zajm iem y się podczas eksperym entu num er 8.

Rysunek 2.60. Ten sam obw ód poka­ zany w formie schematu

Rysunek 2.61. Uktad wyprowa­ dzeń przekaźnika, wrysowany w siatkę o grubości oczka rów ­ nej 0,1 cala. Tego typu prze­ kaźnika będziesz potrzebow ał w eksperymencie num er 8

Rysunek 2.62. Połączenia między wyprowadzeniami przekaź­ nika, kiedy ten nie je s t zasilany (po lewej) i kiedy je s t zasilany (po prawej)

Większe wersje wszystkich schematów oraz płytek prototypowych dostępne są na stronie książki pod adresem http://heiion.pl/ksiazki/eleodp.htm.

Eksperyment 7: Diody sterowane przekaźnikami

59

Eksperyment 8: Oscylator zbudowany na przekaźniku Potrzebne będą: •

zasilacz, ptytka prototypowa, szczypce do cięcia drutu i zdejm owania izolacji,

•

przekaźnik DPDT, liczba: 1,

•

diody LED, liczba: 2,

•

przełącznik przyciskany, SPST, liczba: 1,

•

krokodylki, liczba: 8,

•

rezystor w pobliżu w a rto śc i 680 f i , liczba: 1,

•

kondensator elektrolityczny, 1000 juF, liczba: 1.

Przyjrzyj się popraw ionem u układowi połączeń na rysunku 2.63 oraz popraw ionem u schem atow i na rysunku 2.64. Porównaj je z ich poprzednikam i. W cześniej istniało bezpo­ średnie połączenie między przełącznikiem a cew ką przekaź­ nika. W nowej wersji zasilanie jest dostarczane do cewki przez kontakty przekaźnika. Teraz po naciśnięciu przycisku kontakty przekaźnika w sta­ nie spoczynku przekaźnika zasilają jego cewkę, a także diodę LED po lewej stronie, ale kiedy tylko cewka zostanie zasi­ lona, otwiera to połączenie m iędzy tym i kontaktami. To prze­ ryw a zasilanie cewki, pow odując przejście przekaźnika w stan spoczynku i ponowne zamknięcie kontaktów. Te dostarczają kolejną porcję energii do cewki, pow odując ponowne otwarcie kontaktów. Ten cykl powtarza się w nieskończoność.

Rysunek 2.63. Mala poprawka poprzedniego układu sprawia, że p od dostarczeniu energii przekaźnik zaczyna oscylować

Ponieważ używ am y bardzo małego przekaźnika, jego przełączanie odbyw a się bardzo szybko. W ciągu sekundy następuje w przybliżeniu 50 oscylacji (zbyt wiele, aby diody LED były w stanie pokazać, co w łaściw ie się dzieje). Upewnij się, iż Twój obw ód wygląda tak jak ten przedstawiony na diagramie, i na krótką chw ilę naciśnij przycisk. Powi­ nieneś usłyszeć bzyczenie dochodzące z przekaźnika. Jeżeli masz problem y ze słuchem , dotknij delikatnie przekaź­ nika, powinieneś poczuć jego w ibrowanie. Jeżeli pozwolisz na pracę przekaźnika w takiej form ie, narazisz go na spalenie lub uszkodzenie kontaktów. Dlatego pro­ siłem, abyś nacisnął przycisk jedynie na krótką chwilę. Aby uczynić ten obw ód bardziej praktycznym, potrzebujem y jakiegoś środka do spow olnienia przekaźnika i zapobieżenia jego sam ozniszczeniu. Tym środkiem jest kondensator. 680

* 12 V DC

O

—

Rysunek 2.64. Uktad oscylatora pokazany w formie schematu

* T

'

A

cmnn 60

2. Przełączanie i nie tylko

Dodawanie pojemności Podłącz kondensator elektrolityczny o pojem ności 1000 ji/F równolegle do cewki przekaźnika, tak jak pokazuje to rysunek 2.65 i schem at na rysunku 2.66. Jeżeli nie jesteś pewien, jak wygląda kondensator, w róć na chw ilę do rysunku 2.14. W artość 1000 / j F będzie nadrukow ana na jego boku. Znaczenie tej w a rtości w yjaśnię później. Upewnij się, iż krótsze w yprow adzenie kondensatora jest podłączone do ujemnej części obw odu, w przeciw nym wypadku nie będzie on działał. Oprócz krótszego wyprow adzenia powinieneś również znaleźć znak m inus na boku kondensatora. Jest to dodatkowe wskazanie, przypom inające, która z jego „n ó g ” jest ujemna. Kondensatory elektro­ lityczne są bardzo czute pod tym względem. Jeśli teraz naciśniesz przycisk, przekaźnik powinien zacząć klikać o wiele wolniej. Dlaczego tak się dzieje? Kondensator m ożna porów nać do m iniaturow ej baterii w ielo­ krotnego ładowania. Jest ona tak mata, iż taduje się w ciągu ułamka sekundy, zanim przekaźnik będzie m iał czas na otwarcie swojej położonej niżej pary kontaktów. Potem, kiedy kontakty zostaną otwarte, kondensator zachowuje się jak bateria i zasila przekaźnik. Cewka otrzym uje energię przez około sekundę. Po wyczerpaniu energii przez kondensator przekaźnik pow raca do stanu spoczynku i cały proces się powtarza.

PODSTAWY Farady Farad jest m iędzynarodową jednostką m iary pojem ności. Nowoczesne układy w ym agają zazwyczaj kondensato­ rów o małej pojem ności. Stąd o wiele łatwiej można spo­ tkać kondensatory o pojem nościach rzędu m ikrofaradów (m ilionow ych części farada), a nawet pikofaradów (bilio­ now ych części farada). W Europie (częściej niż w Sta­ nach Zjednoczonych) używane są również nanofarady. Przyjrzyj się poniższej tabeli konwersji. 0,001 nanofarada 0,01 nanofarada 0,1 nanofarada 1 nanofarad 0,001 mikrofarada 0,01 mikrofarada 0,1 mikrofarada 1 mikrofarad 0,000001 farada 0,00001 farada 0,0001 farada 0,001 farada

1 pikofarad 10 pikofaradów

1 PF 10 pF

100 pikofaradów

100 pF

1000 pikofaradów

1000 pF

1 nanofarad 10 nanofaradów

1 nF 10 nF

100 nanofaradów 1000 nanofaradów

100 nF

Napięcie 12 V D C z zasilacza

Rysunek 2.65. Dodanie kondensatora sprawia, że przekaźnik oscyluje wolniej 680

*

*

12 V DC

1000 nF

1 mikrofarad

1 juF

10 mikrofaradów

10 juF

100 mikrofaradów

100 juF

1000 mikrofaradów

1000 juF

M ożesz również trafić na kondensatory o pojem nościach większych niż 1000 juF, ale są one rzadko spotykane.

Eksperyment 8: Oscylator zbudowany na przekaźniku

t + I1 H 1 0 0 0 (JlF

Rysunek 2.66. Kondensator pojawia się na samym dole naszego schematu

61

PODSTAWY Kondensatory Prąd stały nie płynie przez kondensator, ale przyłożone napięcie prowadzi do bardzo szybkiego nagromadzenia się w jego wnętrzu ładunku, który pozostaje tam, nawet kiedy źródło zasilania zostanie odłączone. Pewne pojęcie na tem at tego, co dzieje się w ew nątrz kondensatora, kiedy ten jest w pełni naładowany, dają rysunki 2.67 i 2.68.

-

A

................

Kondensator może być niebezpieczny Jeżeli duży kondensator zosta­ nie naładowany przy użyciu wysokiego napięcia, jego ładu­ nek może przetrwać długi okres. Ponieważ obwody elektryczne budowane z pomocą tej książki używają bardzo niskiego napię­ cia, nie musisz martwić się tym zagrożeniem, ale jeśli będziesz dostatecznie lekkomyślny, aby włamać się do starego odbior­ nika telewizyjnego i zacząć w nim grzebać (czego nie pole­ cam), może Cię spotkać niemiła niespodzianka. Rozładowujący się kondensator może zabić Cię z równą łatwością co włożenie palców do gniazdka elektrycz­ nego. Nigdy nie dotykaj dużych kondensatorów, o ile nie jesteś pewien tego, co robisz.

O

o

Rysunek 2.67. Kiedy do kondensatora przyłożone zostanie stałe napięcie, nie płynie żaden prąd, ale on sam ładuje się tak ja k bateria. Dodatni i ujem ny ładu­ nek są jednakowe, ale przeciwstawne wobec siebie

Rysunek 2.68. Możesz wyobrazić sobie dodatnio naładowane cząstki skum ulo­ wane po jednej stronie kondensatora przyciągające ujemnie naładowane cząstki po jego drugiej stronie

W w iększości now oczesnych kondensatorów elektrolitycznych dwie płytki kondensatora zostały zredukowane do dw óch pasków bardzo cien­ kiej i giętkiej m etalowej folii, zwiniętych razem i odseparowanych jedynie równie cienkim izolatorem. Kondensatory ceram iczne o kształcie dysku zazwyczaj składają się jedynie z pojedynczego okrągłego elementu sta­ now iącego izolator z naniesionymi na obu stronach m etalow ym i okładzi­ nami, do których przym ocow ane są wyprowadzenia. Kondensatory w ykonyw ane są najczęściej jako ceram iczne (o względnie małej pojem ności) i elektrolityczne (mogące przechow yw ać duży ładu­ nek). Ceramiczne m ają często kształt dysku i pom alowane są na żółto, elektrolityczne przypom inają alum iniowe puszki z napojami i m ogą być niemal dow olnego koloru. Przykłady kondensatorów obu ty p ó w poka­ zane zostały na rysunkach 2.14 i 2.15.

62

2. Przełączanie i nie tylko

PODSTAWY Kondensatory (ciąg dalszy) Kondensatory ceram iczne nie m ają polaryzacji, możesz podłączyć ujemne napięcie do którejkolwiek nóżki. Kondensatory elektrolityczne m ają polaryzację i nie będą działać, jeśli nie podłączysz ich w prawi­ d łow y sposób. Sym bol reprezentujący kondensator ma dwie istotne odm iany: z dw om a prostym i liniami (sym bolizującym i okładziny w jego wnętrzu) lub z jedną linią prostą i jedną w ykrzyw ioną, tak jak pokazuje to rysunek 2.69. Widząc w ykrzyw ioną linię, powinieneś przyjąć, iż ta strona kondensatora pow inna być przyłączona do niższego potencjału niż druga. Sym bole na schem acie m ogą również zawierać znak plus ( + ) . Niestety, niektórzy tw ó rc y schem atów nie zadają sobie trudu narysow ania zakrzywionej linii dla kondensatora z polaryzacją, podczas gdy inni rysują ją nawet, jeśli kondensator nie m a polaryzacji.

Rysunek 2.69. Ogólny sym bol kondensatora znajduje się po lewej stronie. Wersja po praw ej stronie wskazuje na kondensator z polaryzacją, którego lewa okładzina powinna być „bardziej pozytywna ” niż prawa. Znak plus je s t często pom ijany

-

A

-

..........

Polaryzacja kondensatora K ondensator e lektrolityczny m u sisz p odłączać w ta ki sposób, aby je g o dłuższe w yprow adzenie m iało p o te n cja ł wyższy o d p o te n ­ cjału w yprow adzenia krótszego. Pokrywa kondensatora posiada zazwyczaj oznaczenie w p o s ta ci znaku m inusa w o kolicy kró t­ szego wyprowadzenia. N iektóre ko n d e n sa to ry m ogą za cho w a ć się n ie p rzew idyw a l­ nie, je ś li nie b ędziesz uw ażał na ich polaryzację. Zdarzyło m i się p o d łą czyć ko n d e n sa to r ta n ta low y do o b w o d u za sila ­ nego p rze z ź ró d ło w ydajne p rą ­ dow o. Przyglądałem się w łaśnie ca łe m u układow i, za stanaw iając się, cze m u nie działa, kied y k o n ­ d e n sa to r w ystrzelił, rozrzucając m a łe p ło n ą ce fra g m e n ty w p ro ­ m ie n iu kilku centym etrów . Zapo­ m n ia łem , że ko n d e n sa to ry ta n ­ talow e są bardzo w ybredne p o d w zględem s w o je j polaryzacji. W ynik tego e kspe rym e n tu p o k a ­ zuje rys u n e k 2.70.

Rysunek 2.70. Do tej płytki przez przypadek wpięty został odwrotnie konden­ sator tantalowy, a źródło zasilania było w stanie wygenerować duży przepływ prądu. Po m inucie działania kondensator „zbuntow ał s ię ”, wybuchając i rozrzu­ cając po okolicy małe płonące odłamki, które wypaliły plastik na płytce. Była to dobra nauczka, aby zwracać uwagę na polaryzację

Eksperyment 8: Oscylator zbudowany na przekaźniku

63

TEORIA Michael Faraday i kondensatory Pierwsze kondensatory składały się z dw óch m etalow ych ptytek z bardzo matą prze­ rw ą m iędzy nimi. Zasada ich dziatania byta bardzo prosta: •

Jeżeli jedna płytka byta podłączona do dodatniego potencjału, dodatni ładunek przyciągał ładunki ujemne do drugiej płytki.

•

Jeżeli jedna płytka była podłączona do ujemnego potencjału, ujemne ładunki przyciągały dodatnie ładunki do drugiej płytki.

Te proste zasady dem onstrują zamieszczone wcześniej rysunki 2.67 i 2.68. Zdolność do przechow yw ania ładunku przez kondensator jest znana jako pojemność i jest m ierzona w faradach. Jednostka ta pochodzi od nazwiska kolejnego pioniera w dziedzinie elektryczności — M ichaela Faradaya (rysunek 2.71). Był on angielskim chem ikiem i fizykiem, żyjącym w latach 1791 - 1 8 6 7 . Chociaż Faraday nie był człowiekiem wykształconym , a także słabo znał się na mate­ matyce, m iał m ożliw ość przestudiowania różnorodnych książek podczas siedm iolet­ niej pracy jako uczeń introligatorstw a i dzięki tem u sam odzielnego wykształcenia się. Ponadto, żył w czasach, kiedy względnie proste eksperym enty prowadziły do odkry­ wania fundam entalnych praw związanych z elektrycznością. To w szystko sprawiło, że dokonał wielkich odkryć. W śród nich znalazła się indukcja elektrom agnetyczna — zjawisko, które otw orzyło drogę do rozwoju silników elektrycznych. O dkrył również, że m agnetyzm może w p ływ a ć na promienie światła. Jego praca przyniosła mu niesam owite zaszczyty, a jego podobizna była w latach od 1991 do 2001 drukow ana na brytyjskich banknotach o nominale 20 funtów.

Rysunek 2.71. Michael Faraday

64

2. Przełączanie i nie tylko

Montowanie układu na płytce W cześniej obiecywałem , że uwolnię Cię od frustrujących krokodylków i właśnie nadeszła ta pora. Zwróć teraz uwagę na blok plastiku z dużą liczbą m ałych otworów , o którego zakup prosiłem Cię na początku rozdziału. Jest on nazywany płytką prototypową. Kiedy wepniesz kom ponent w otwory, ukryte pod spodem m etalowe paski utworzą dla Ciebie połączenia z innymi elementami układu. W ten sposób możesz stw orzyć układ, przetestować go i w prosty sposób dokonać niezbędnych m odyfikacji. Po skończonej pracy możesz w ym o n to w a ć wszystkie części z płytki i zachować je na potrzeby przyszłych eksperym entów. Płytki prototypowe są bez wątpienia najbardziej w yg odnym sposobem przetestowania układu, zanim podejm iesz decyzję o jego w ykonaniu w form ie ostatecznej. Niemal w szystkie płytki prototypowe są przystosow ane do w sp ółpracy z układami scalonym i (których będziem y uży­ wać, poczynając od rozdziału czw artego). Kość wpinana jest po obu stronach pustego kanału biegnącego przez śro­ dek płytki z wierszam i m ałych otw o ró w po jednej i drugiej stronie — zazwyczaj na jeden wiersz przypada około pięć otw orów . Do tych otw o ró w w staw iać będziesz pozostałe elementy układu. Dodatkowo, płytka pow inna posiadać kolum ny otw orów biegnące z góry na dół na obu sw oich krawędziach. Te uży­ wane są do dystrybucji dodatniego i ujemnego potencjału zasilania. Przyjrzyj się rysunkom 2.72 i 2.73, przedstawiającym górną część typow ej płytki prototypowej widzianą z góry, a także tę sam ą płytkę widzianą od środka, z m etalow ym i paskami przym o cow an ym i poniżej otworów.

.........................

.........................

Rysunek 2.72. Typowa płytka prototypowa. Pozwala na bar­ dzo szybkie zmontowanie i przetestowanie układu poprzez umieszczanie kom ponentów w otworach

...........................................................

Rysunek 2.73. „Prześwietlona” wersja płytki ukazuje miedziane paski osadzone w je j wnętrzu. Paski zapewniają przewodzenie pom iędzy poszczególnymi komponentami

Eksperyment 8: Oscylator zbudowany na przekaźniku

65

Ważna uwaga: niektóre płytki dzielą każdą pionow ą kolumnę o tw o ró w (po lewej i prawej stronie) na dwie oddzielne sekcje (górną i dolną). Użyj m iernika z ustaw ionym testem przewodzenia, aby przekonać się, czy płytka daje zasila­ nie na całej swojej w yso kości. Jeśli tak nie jest, możesz w miarę potrzeby użyć przewodów, aby połączyć ze sobą obie sekcje. Rysunek 2.74 pokazuje, w jaki sposób możesz pow tórzyć sw ój obw ód oscylatora na płytce prototypowej. Do płytki m usisz dostarczyć energię ze sw ojego zasilacza. W epchnięcie przew odów zasilacza w o tw o ry płytki może być trudne, gdyż te niemal na pewno wykonane są w form ie linki. Sposobem na obejście tego problemu jest w staw ienie do płytki dw óch drutów 0,5 m m 2, stanow iących wyprow adzenia, do których podepniesz przewody zasilacza. Patrz rysunek 2.75. (Tak, do podłączenia będziesz m usiał użyć dw óch krokodylków ). Innym rozwiązaniem jest użycie płytki prototypow ej z przym o cow an ym i do niej zakręcanym i końców kam i zasilającymi. Pozwalają one na wygodniejsze podłączenie zasilania.

12 V DC

Rysunek 2.74. Jeżeli um ieścisz swoje kom ponenty na płytce montażowej według pozycji pokazanych na rysunku, stworzą one taki sam obwód, jaki zbudowałeś podczas eksperymentu num er 8 z pom ocą przew odów i kro­ kodylków. Poszczególne kom ponenty to:

D1, D2: diody LED P1: przekaźnik typu DPDT P2: przełącznik chwilow y typu SPST C1: kondensator elektrolityczny, 1 000 ¡j F R1: rezystor, m inim um 680 n

66

Rysunek 2.75. Jeżeli Twoja płytka nie posiada zakrę­ canych końcówek zasilających, um ieść w otworach dwa kawałki drutu z odizolowanymi końcam i i p od ­ łącz do nich przew ody zasilacza, używając do tego celu krokodylków

2. Przełączanie i nie tylko

Będziesz potrzebował trochę więcej przewodu 0,5 m m 2 lub już przyciętych odcinków drutu, aby dostarczyć zasilanie do sw oich kom ponentów, które wpięte są w płytkę prototypową, tak jak pokazują to rysunki 2.76 i 2.77. Jeżeli uda Ci się połączyć w szystko prawidłowo, obw ód powinien funkcjonow ać w taki sam sposób, jak poprzednio. Geometria m etalow ych pasków łączących o tw o ry w płytce często będzie Cię zm uszać do łączenia kom ponentów okrężnym i drogam i. Dla przykładu, przełącznik przyciskany dostarcza zasilanie do bieguna przekaźnika, ale on sam nie może być um ieszczony dokładnie naprzeciw w yprow adzenia tego bieguna, ponieważ nie ma na to miejsca. Pamiętaj, że paski metalu na płytce niepodłączone z żadnymi przewodam i lub kom ponentam i nie m ają znaczenia dla budowanego układu. Nie pełnią żadnej funkcji. W dalszej części książki będę sugerow ał odpowiedni rozkład elem entów na płytce dla budow anych obw odów , ale prędzej czy później będziesz m usiał zacząć sam odzielnie rozplanow yw ać połączenie części i ich połączenia. Jest to kluczowa um iejętność m iłośnika elektroniki.

! Większe wersje wszystkich schematów oraz ptytekprototypowych dostępne \ \ są na stronie książki pod adresem http://helion.pl/ksiazki/eleodp.htm. \

Rysunek 2.76. Na płytce umieszczone zostały diody LED o przesadzonym rozmiarze, jeden rezystor i połączenia drutowe

Rysunek 2.77. Następnie dołożone zostały: przycisk, przekaźnik i kondensator. l/l/ ten sposób pow stał pełny układ pokazany wcześniej na schemacie. Po naci­

śnięciu przycisku przekaźnik zaczyna oscylować, powodując miganie diod

Eksperyment 8: Oscylator zbudowany na przekaźniku

67

Eksperyment 9: Czas i kondensatory Potrzebne będą: •

zasilacz, ptytka prototypowa, przewody, szczypce do cięcia i zdejm owania izolacji,

•

miernik,

•

przełącznik przyciskany, SPST, liczba: 1,

•

rezystory i kondensatory o różnych w a rtościa ch.

W eksperym encie ósm ym kondensator um ieszczony równolegle do cewki przekaźnika naładow yw ał się niemal natychm iast i rozpoczynał rozładowyw anie przez obw ód cewki. Jeżeli do kondensatora podepniesz szeregowo rezy­ stor, jego czas ładowania ulegnie wydłużeniu. Sprawiając, iż kondensator ładuje się dłużej, możesz m ierzyć czas. Ta koncepcja jest bardzo ważna. Usuń kom ponenty ze swojej płytki prototypowej, a następnie przygotuj bardzo prosty obw ód pokazany na rysunku 2.78, gdzie C1 to kondensator 1000 juF, R1 to rezystor 100 kQ , R2 to rezystor 100 Q , a P1 to przełącznik przyciskany, którego używ aliśm y wcześniej. Ustaw m iernik na pom iar napięcia stałego, um ieść końców ki pom iarow e na w y p ro ­ wadzeniach kondensatora i trzym ając w takiej pozycji, naciśnij przycisk. Powinieneś zobaczyć napięcie rosnące stop­ niowo wraz ze zbieraniem się ładunku w kondensatorze. (Pom iar łatwiej będzie w ykonać z użyciem miernika, który nie m a autom atycznego doboru zakresów, ponieważ w tedy nie m usisz czekać, aż urządzenie dostosuje zakres pracy przed podaniem w yniku). Rezystor R1 spow alnia czas ładowania kondensatora. 12 V DC

? ■— -

? ■ P1 ■

Rysunek 2.78. Obserwuj napięcie rosnące na kondensatorze w czasie, gdy trzymasz naci­ śnięty przycisk. Spróbuj innych w artości rezy­ stora R1. Aby pow tórzyć eksperyment, rozładuj kondensator, przykładając do niego równolegle rezystor R2, następnie ponownie przyłóż koń­ ców ki pomiarowe miernika

P1: Przycisk chwilow y typu OFF (ON) R1: (początkowo) 100 k i l R 2 : 100 n C 1 : 1000 n F

68

2. Przełączanie i nie tylko

Zwolnij przycisk, odłóż na bok sw ój m iernik i rozładuj kondensator, przykładając do niego rezystor R2 na sekundę lub dwie. Zastąp następnie R1 rezystorem o w a rtości 50 k f i i pow tórz eksperym ent. M iernik powinien zacząć liczyć w górę dw a razy szybciej.

Napięcie, rezystancja i pojemność W yobraź sobie, że rezystor to kurek kranowy, a kondensator to balon, który usiłujesz w ypełnić wodą. Kiedy przykręcisz kurek do tego stopnia, iż z kranu lecieć będzie jedynie strużka wody, w y p e ł­ nienie balonu w odą potrw a dłużej. Zm niejszony przepływ w o d y nadal jednak doprowadzi do całkow itego napełnienia balonu w odą i (przy założeniu, że balon nie pęknie) ustanie w chwili, kiedy ciśnie­ nie w ew nątrz balonu będzie odpowiadać ciśnieniu w przewodach dostarczających wodę. Patrz rysunek 2.79.

p£ZYSTANCJA

i

Podobnie, jeśli poczekasz odpowiednio długo ze sw o im obw odem , napięcie w końcu osiągnie taką sam ą w a rtość, jak źródło zasila­ nia. W obwodzie zasilanym przez 12 V napięcie na kondensatorze pow inno ostatecznie osiągnąć 12 V (chociaż „ostatecznie” może zająć dłużej, niż jesteś w stanie sobie wyobrazić). To może w yd aw ać się niezrozumiałe, ponieważ wcześniej dow ie­ działeś się, że po przyłożeniu napięcia do jednego końca rezystora otrzym ujesz na w yjściu mniejsze napięcie od tego w yjściow ego. Jak to możliwe, aby rezystor połączony z kondensatorem dostarczał peł­ nego napięcia?

Rysunek 2.79. Kiedy kran je s t zamknięty do połowy, napełnienie balonu zajmie więcej czasu, ale osta­ tecznie balon napełni się i nabierze odpowiedniego ciśnienia

Zapomnij na chw ilę o kondensatorze i przypom nij sobie, jak testowałeś dw a rezystory 1-kiloom ow e. W takiej sytuacji każdy rezystor stanow ił połowę rezystancji całego układu, zatem na każdym z nich następowała połow a całkowitego spadku napięcia. Umieszczając ujemną końcówkę m iernika na ujem nym wyprow adzeniu źródła zasilania, a dodatnią w środku pom iędzy dw om a rezystorami, zm ierzyłbyś 6 V. Ilustruje to rysunek 2.80. Załóżm y teraz, że usuniesz z obw odu jeden rezystor 1-k ilo o m o w y i zastąpisz go innym, o w a rtości 9 k ii . Całkowita rezystancja w obwodzie w ynosi teraz 10 k f i, a zatem 9-k ilo o m o w y rezystor traci 90% z Twoich 12 V. To 10,8 V. Powi­ nieneś sprawdzić to praktycznie. (Nie znajdziesz rezystora 9 k f i, ponieważ nie jest to w a rto ś ć standardowa; poszukaj innego o zbliżonej w a rtości). Idąc dalej, przyjm ijm y, że usuwasz z obw odu rezystor 9 k f i i zastępujesz go rezystorem 99 k f i. Spadek napięcia na nim wyniesie 99% dostępnego napięcia lub 11,88 V. Powinieneś już dostrzegać, dokąd to w szystko zmierza: im w ięk­ szy rezystor, tym większy w p ły w na spadek napięcia. W cześniej nadmieniłem jednak, że kondensator stanowi całkow itą blokadę dla napięcia stałego. Może akum ulować ładunek elektryczny, ale nie może przez niego płynąć prąd. Innymi słowy, dla napięcia stałego kondensator zachowuje się jak rezystor o nieskończonej rezystancji. (W praktyce izolacja w ew nątrz kondensatora pozwala na m inim alne „przecieki” , ale idealny kondensator posiadałby rezystancję nieskończoną). W artość rezystora połączonego szeregowo z kondensatorem staje się w takiej sytuacji nieistotna. Niezależnie od tego, jak w yso ką w a rto ść rezystora zastosujemy, znacznie większą rezystancję nadal stanow ić będzie sam kondensator. Oznacza to, że kondensator „kradnie” niemal cały spadek napięcia w obwodzie, a różnica potencjałów m iędzy jednym końcem rezystora a drugim w ynosi zero (przy założeniu, że pom iniem y pewną niedoskonałość sam ego kondensa­ tora). W zrozumieniu tej koncepcji powinien pom óc rysunek 2.80.

Eksperyment 9: Czas i kondensatory

69

1 kQ

12 V DC

12 V DC

12 V DC

12 V DC

OH

1 kO —

i O F , J

6 woltów

woltow

1 kQ

9 kO

OH

HO

—

1,2 wolta

10,8 wolta

1 kO

9 9 kO

OH

—

h©

0,12 wolta

11,88 wolta

1 kO

R e z y s ta n c ja n ie s k o ń c z o n a

OH o woltów

woltów

Rysunek 2.80. Kiedy dwa rezystory zostaną połączone szeregowo, ten o większej rezystancji powoduje większy spadek napięcia niż drugi, o rezystancji mniejszej. Jeżeli większa rezystancja zmierza do nieskończoności (jak w przypadku kondensatora), spadek napięcia na mniejszej rezystancji spada do w artości niemierzalnych i stąd potencjały na obu jego końcach są niem al identyczne

Powinieneś sprawdzić to zjawisko, używając rzeczywistych rezystorów i kondensatorów, chociaż napotkasz pewien problem. Kiedy użyjesz swojego m iernika w trybie pom iaru w o ltó w napięcia stałego, on sam podczas pom iaru pobie­ rze ułam kow ą część prądu płynącego w obwodzie. Ilość prądu płynącego przez m iernik jest tak mała, iż nie w p ływ a znacząco na napięcie mierzone na rezystorze. Rezystancja wewnętrzna m iernika jest w yższa niż w a rto ś ć w iększości znanych rezystorów. Pamiętaj jednak, że rezystancja kondensatora jest niemal nieskończona. W tej sytuacji rezystan­ cja wewnętrzna m iernika nabiera znaczenia. Ponieważ nie ma idealnego miernika, tak jak nie ma idealnych rezystorów i kondensatorów, będzie on w ch odził w pewną interakcję z m ierzonym układem i w związku z tym odczytywane war­ tości będą jedynie przybliżeniem w a rto ś c i rzeczywistych. Jeżeli spróbujesz zm ierzyć napięcie na kondensatorze, który został naładow any i nie jest podłączony do innych elem entów układu, przekonasz się, że napięcie stopniow o spada, ponieważ kondensator rozładowuje się poprzez miernik.

70

2. Przełączanie i nie tylko

TEORIA Stała czasowa Być może zastanawiasz się, czy istnieje jakiś sposób przewidywania, ile dokładnie czasu zajmie danemu kondensatorowi naładowanie się po połączeniu go z rezystorem o zadanej w a rtości. Czy istnieje w zó r do wyliczania tej w a rto ści? O czywiście, odpowiedź brzmi „ta k ” , ale sposób, w jaki to mierzymy, jest odrobinę podchwytliwy, ponieważ kondensator nie ładuje się w sposób liniowy. Pierw ­ szy w o lt akum uluje się bardzo szybko, drugi trochę wolniej, trzeci jeszcze wolniej itd. Możesz wyobrazić sobie, że elektrony zbierające się na okładzinach kon­ densatora przypom inają ludzi w chodzących na aulę i szukających m iejsca do siedzenia. Im mniej m iejsc do siedzenia, tym więcej czasu zajmuje poszczegól­ nym osobom znalezienie ich. Parametr opisujący to zjawisko jest określany mianem „stałej czasow ej” . Jej definicja jest bardzo prosta: RC = R x C gdzie RC to stała czasow a w yrażona w sekundach, C to pojem ność kondensatora wyrażona w faradach, ładowana przez rezystor o rezystancji R wyrażonej w om ach. W róć do obw odu, który właśnie skonstruowałeś, i spróbuj użyć go ponownie, tym razem z rezystorem 1 k Q i kondensatorem 1000 juF. W artości te m usim y zam ienić na farady i om y przed w staw ieniem ich do w zoru. 1000 juF to 0,001 farada, a 1 k i i to 1000 om ów, co daje po podstawieniu: RC = 1000 x 0,001 Innym i słowy, RC = zapamiętania:

1, bardzo prosta rzecz do

Rezystor 1-kiloomowy połączony szeregowo z kondensatorem 1000 juF mają stałą czasową równą 1.

Czy to oznacza, że kondensator zostanie naładowany do pełna w ciągu jednej sekundy? Nie, to nie takie proste. Stała czasow a RC to czas, jaki zajmuje kon­ densatorowi pozyskanie ładunku będącego odpo­ w iednikiem 63% przyłożonego napięcia, przy założe­ niu, że proces zaczął się od napięcia 0 V. (Dlaczego akurat 63% ? Odpowiedź na to pytanie jest zbyt skom plikowana, aby udzielać jej w tej książce. Inform acji na ten tem at możesz poszukać w innej lite­ raturze. Przygotuj się na obecność równań różniczko­ w ych ). Oto form alna definicja, która przyda nam się w przyszłości: Stała czasow a (RC) to czas potrzebny kondensato­ rowi do pozyskania 63% ładunku będącego różnicą pom iędzy jego bieżącym ładunkiem a przyłożonym napięciem. Przy R C = 1 kondensator uzyskuje 63% sw ojego pełnego ładunku w ciągu jednej sekundy, przy R C = 2 uzyskanie 63% pełnego ładunku zajmuje dwie sekundy itd. Co się dzieje, gdy kondensator jest dalej zasilany? Historia się powtarza. Kondensator akum uluje kolejne 63% pozostałej różnicy pom iędzy jego bieżącym ładunkiem a przyłożonym do niego napięciem. W yobraź sobie kogoś jedzącego okrągły torcik. W pierwszej chw ili osoba ta jest bardzo głodna i zjada 63% tortu w ciągu jednej sekundy. Po tym pierw szym zaspokojeniu głodu nie jest ona już tak zachłanna i zjada jedynie 63% pozostałej części w ciągu tego sam ego czasu co poprzednio. W ramach trzeciej por­ cji zjada 63% tego, co jeszcze pozostało, po n o w ­ nie w takim sam ym czasie, jaki zajęło jej zjedzenie poprzedniego kawałka. Sytuacja powtarza się dalej. O tej osobie można powiedzieć, że zachowuje się podobnie do kondensatora „zjadającego” ładunek elektryczny (rysunek 2.81).

Rysunek 2.81. Jeżeli nasz smakosz zjada zawsze jedynie 63% cia­ sta pozostającego na talerzu, „ła d u je ” sw ój brzuch w taki sam spo­ sób, ja k ro bi to kondensator. Niezależnie od tego, ja k długo będzie kontynuował posiłek, jego brzuch nigdy nie zostanie napełniony całą porcją ciasta

Eksperyment 9: Czas i kondensatory

71

TEORIA Stata czasowa (ciąg dalszy) Na talerzu zawsze pozostanie kilka okruchów do zjedzenia, ponieważ m iłośnik ciasta nigdy nie zjada 100% tego, co pozostało na talerzu. Podobnie, kon­ densator nigdy nie pozyska pełnego ładunku. W ide­ alnym świecie perfekcyjnych kom ponentów ten pro­ ces byłby kontynuow any w nieskończoność. W rzeczywistym świecie m ów im y nieco arbitralnie, że: Po czasie 5 x RC kondensator będzie niemal w pełni naładow any i nie przejm ujem y się pozo­ stałą różnicą.

zasilania. To pow inno zaspokoić w ym ogi każdego zajm ującego się tym zagadnieniem w warunkach rzeczywistych. Jeżeli spróbujesz zw eryfikow ać te liczby, mierząc w miarę ładowania napięcie na kondensatorze, pam ię­ taj, że faktycznie w a rtości m ogą być rozbieżne ze względu na prąd o m inimalnej w artości płynący przez m iernik w czasie pomiarów. Ta rozbieżność będzie rosła wraz z upływem czasu. Z praktycznego punktu widzenia nie ma to znaczenia.

W tabeli poniżej podane zostały w yliczenia (zaokrą­ glone do dw óch m iejsc po przecinku) pokazujące ładunek akum ulujący się na kondensatorze w o b w o ­ dzie o napięciu 12 V, gdzie stała czasow a w ynosi 1. Oto, jak należy rozumieć tę tabelę. U1 oznacza aktu­ alny ładunek kondensatora. Odejmij tę w a rto ś ć od napięcia zasilania (12 V) i pow stały w yn ik nazwij U2. Weź teraz 63% napięcia U2 i dodaj je do bieżącego ładunku (U1), nazywając w y n ik U4. Jest to nowa w a rto ść ładunku, jaką kondensator osiągnie po upły­ wie jednej sekundy. Kopiujem y ją zatem do następ­ nego wiersza naszej tabeli i w ten sposób staje się ona now ą w a rto ścią U1. Teraz pow tarzam y cały proces od nowa. Rysunek 2.82 pokazuje nasze działanie w form ie graficznej. Zauważ, że po pięciu sekundach kondensator osią­ gnął w a rtość 11,92 V, co stanow i 99% napięcia

Czas w sekundach

U1 (ładunek w kondensatorze)

U2 = 12-U1

U3 = 63% wartości U2

U2 = U1+U3

0 1

0,00 7,56

12,00 4,44

7,56 2,80

7,56 10,36

2

10,36

1,64

1,03

3

11,39

0,61

0,38

11,39 11,77

4

11,77 11,92

0,23

0,15

11,92

5

72

Rysunek 2.82. Kondensator zaczyna od napięcia 0V. Po upływie stałej czasowej dodaje 63% w artości dostęp­ nego napięcia. Po upływie kolejnej stałej czasowej dodaje kolejne 63% pozostałej różnicy napięć itd.

2. Przełączanie i nie tylko

Eksperyment 10: Przełączanie tranzystorami Potrzebne będą: •

zasilacz, płytka prototypowa, przewody i miernik,

•

dioda LED, liczba: 1,

•

rezystory o różnych w artościach,

•

przełącznik przyciskany, SPST, liczba: 1,

•

tranzystor 2N 2222 lub podobny, liczba: 1,

•

potencjometr, 1 MW, liniowy.

Tranzystor może przełączać przepływ prądu podobnie do przekaźnika. Różnica polega na tym , że jest o wiele bardziej czuły i wszechstronny, o czym przeko­ nasz się dzięki tem u ultraszybkiemu eksperym entowi. Zaczniem y od tranzystora 2N 2222, najpowszechniej stosowanej odm iany pół­ przewodnika w całej historii tej technologii (jego pierwsza wersja została w p ro ­ wadzona na rynek przez firm ę M otorola w 1962 roku i jest w produkcji do dziś).

Rysunek 2.83. Typowy tranzystor je s t umieszczony w m ałej m etalo­ wej puszce lub zatopiony w czarnym kawałku plastiku. Karta katalogowa producenta identyfikuje poszczególne nóżki względem płaskiej części czar­ nego plastiku lub m etalowej blaszki wystającej z puszki tranzystora

Zacznijm y od zapoznania się z tranzystorem . Ponieważ patenty M otoroli doty­ czące 2N 2222 dawno straciły ważność, każda firm a może produkow ać w ła ­ sne wersje tej części elektronicznej. Niektóre odm iany posiadają czarną pla­ stikow ą obudowę, inne są zamknięte w małej m etalowej „puszeczce” . Patrz rysunek 2.83. Niezależnie od obudowy, w środku znajdują się trzy w a rs tw y pół­ przewodnika nazywane kolektorem, bazą i emiterem. Ich rolę opiszę dokładniej za chwilę. Teraz wystarczy, jeśli będziesz wiedział, że w tym typie tranzystora kolektor zbiera prąd, baza go kontroluje, a em iter emituje. Użyj swojej płytki prototypowej do przygotowania obw odu przedstawionego na rysunku 2.85. Zw róć szczególną uwagę, aby nie podłączyć tranzystora w zły sposób! Patrz rysunek 2.84. W przypadku tranzystorów zaproponowanych przeze mnie na liście zakupów, płaska strona pow inna być zw rócona w prawo, jeśli tranzystor ma postać czarnego kawałka plastiku, lub w ystająca meta­ lowa blaszka pow inna być skierowana w lewy dolny róg, jeśli tranzystor jest zam knięty w m etalowej obudowie.

Rysunek 2.84. Tranzystor 2N2222 może m ieć obie formy: po lewej tran­ zystor w plastikowej obudowie. Po praw ej tranzystor w obudowie meta­ low ej (zwróć uwagę na małą m eta­ lową blaszkę wystającą z lewej strony u dołu). Jeżeli użyjesz innej odmiany tranzystora będziesz m usiał zw eryfi­ kować kolejność wyprowadzeń w kar­ cie katalogowej producenta. Wstaw tranzystor do płytki tak, aby jego p ła­ ska strona skierowana była w praw o (patrząc z góry) lub aby blaszka skie­ rowana była w lewy dolny róg (również patrząc z góry)

Rysunek 2.85. Tranzystor blokuje napięcie, które dociera do niego przez rezystor R1. Naciśnięcie przyci­ sku P1 m ów i tranzystorowi, aby ten pozw olił na prze­ p ływ prądu przez siebie. Tranzystory będą zawsze iden­ tyfikowane na rysunkach i schematach literką T

P1: Przełącznik przyciskany, chwilowy, OFF (ON) R 1 :180 Q R 2 :10 k i l R3: 680 Q T1:2N 2222 lub podobny D1: dioda LED Eksperyment 10: Przełączanie tranzystorami

73

_

r

0

n - ±

Początkowo dioda LED pow inna być zgaszona. Naciśnij teraz przycisk. Dioda pow inna się zaśw iecić. Prąd ptynie tutaj dw om a ścieżkami. Przyjrzyj się sche­ m atow i na rysunku 2.86, który pokazuje ten sam obw ód w sposób bardziej przejrzysty. Potencjał dodatni um ieściłem u góry, a potencjał ujem ny u dołu (tak jak ma to m iejsce na większości schem atów ). Pomoże to w wyjaśnieniu działania tego konkretnego obw odu. Jeżeli spojrzysz na schem at z boku (od strony plusa), łatwiej zauważysz jego podobieństw o do układu zm ontowanego na płytce. Napięcie dosięga górnego wyprow adzenia tranzystora (kolektora) poprzez rezy­ stor R 1. Tranzystor pozwala jedynie na m inim alny przepływ prądu przez sie­ bie, co sprawia, że dioda LED pozostaje wygaszona. Kiedy naciśniesz przycisk, napięcie jest dostarczane również drugą ścieżką przez rezystor R2 do środ­ kow ego w yprow adzenia tranzystora zwanego bazą. To sprawia, że tranzystor zam yka sw ój w ew nętrzny przełącznik i pozwala prądowi płynąć poprzez swój trzeci pin (emiter) i rezystor R3 do diody LED. Możesz użyć swojego miernika do sprawdzenia napięcia w poszczególnych m iej­ scach obwodu. Dotknij ujemną końcówką ujemnego potencjału źródła zasilania, a dodatnią końcówką kolejno górnego, środkowego i dolnego wyprowadzenia tranzystora. Po naciśnięciu przycisku powinieneś zauważyć zmianę napięć.

Przełączanie opuszką palca O Rysunek 2.86. Schematyczne przed­

stawienie obwodu zbudowanego na płytce prototypow ej z rysunku 2.85

Teraz coś bardziej zadziwiającego. Usuń z płytki rezystor R2 oraz przycisk i w staw dwa krótkie przewody, tak jak pokazuje to rysunek 2.87. Górny przewód połą­ czony jest z dodatnim źródłem zasilania, a dolny ze środkow ym wyprowadzeniem tranzystora (jego bazą). Dotknij teraz obu przewodów opuszką swojego palca. Dioda powinna zaświecić się ponownie, chociaż nie tak jasno, jak poprzednio. Poliż opuszkę i spróbuj jeszcze raz, teraz dioda powinna świecić jaśniej.

r

74

- A

\

-------------------------------------------------------------------------------------------,

■ Nigdy nie używaj obu dłoni jednocześnie

■

i i 1 , i i 1 i i

, i 1 , i 1 1 , i

Demonstracja przełączania za pomocą opuszki palca jest bezpieczna, jeśli prąd płynie wyłącznie przez Twój palec. Nie będziesz nawet tego czuł, ponieważ 12 Vze źródła zasilania jest w stanie dostarczyć maksymalnie prąd o natężeniu jednego ampera. Nie jest jednak dobrym pomysłem dotykanie palcami obu dłoni różnych przewodów jednocześnie. To mogłoby doprowadzić do przepływu prądu przez Twoje ciało. Chociaż szansa na to, że zrobisz sobie w ten sposób krzywdę, jest niezwykle mala, nie powinieneś jednak dopuszczać do sytuacji, w której prąd przepływa przez Ciebie z jednej dłoni do drugiej. Przewodów dotykaj w taki sposób, aby nie prowadzić do skaleczenia skóry.

2. Przełączanie i nie tylko

Opuszka Twojego palca pozwala na dostarczenie dodatniego napięcia bazie tran­ zystora. M im o w ysokiej rezystancji Twojej skóry tranzystor reaguje na dotknię­ cie. W wyniku sw ojego działania nie tylko wtącza i wytącza diodę LED, ale ró w ­ nież wzmacnia prąd ptynący do jego bazy. To zjawisko ma fundam entalne zna­ czenie: tranzystor wzmacnia wszelkie zmiany prądu płynącego w kierunku

jego bazy. Przyjrzyj się rysunkow i 2.88, aby lepiej zrozumieć, co się dzieje. Jeżeli dobrze przestudiow ałeś sekcję „Podstawy. Dodatni i ujem n y” w roz­ dziale pierw szym , w iesz już, że nie ma czegoś takiego jak napięcie dodatnie. W szystko, czym dysponujem y, to napięcie ujemne (w yw ołane ciśnieniem w o l­ nych elektronów) i jego brak (kiedy liczba w olnych elektronów maleje). Ponie­ waż jednak idea przepływu prądu od dodatniego do ujemnego bieguna była tak powszechnie uznawana w czasach przed odkryciem elektronu, a także ze względu na fakt, iż w ewnętrzne działanie tranzystora związane jest z „dziuram i” sym bolizującym i brak elektronów, które można traktow ać jako ładunki dodatnie, m ożem y nadal udawać, że prąd płynie od bieguna dodatniego do ujemnego. W ięcej na ten tem at dowiesz się z sekcji „Wiedza niezbędna. W szystko o tran­ zystorach NPN i PNP” . 12 V DC

Rysunek 2.87

Eksperyment 10: Przełączanie tranzystorami

Rysunek 2.88. Powyższe dwa rysunki pokazują te same komponenty, co poprzednio, ale z użyciem opuszki Twojego palca zam iast rezystora R2. Chociaż do bazy tranzystora dociera teraz zaledwie cienka strużka prądu, je s t ona wystarczająca, aby tranzystor zareagował

75

WIEDZA NIEZBĘDNA Wszystko o tranzystorach NPN i PNP Tranzystor jest półprzewodnikiem , tzn. czasem przewodzi prąd, a czasem nie. Jego rezystancja w ewnętrzna zmienia się w zależności od mocy, jaką przyłożysz do jego bazy. Tranzystory NPN i PNP są tranzystoram i bipolarnym i. Zawierają one dw a nieco odm ienne rodzaje półprzewodnika i przewodzą z uży­ ciem obu polaryzacji nośników — dziur i elektronów. Tranzystor NPN ma form ę kanapki, w której warstw ę środkow ą stanowi półprzew odnik typu p, natom iast w tranzystorze PNP środkow ą w arstw ę stanow i pół­ przewodnik typu n. Jeśli chcesz się dowiedzieć cze­ goś więcej na tem at tej term inologii i zachowania elektronów podczas próby pokonania złącza n-p lub p-n, będziesz m usiał poszukać innego źródła infor­ m acji na ten temat. Zagadnienie to jest zbyt s k o m ­ plikowane, aby pośw ięcać mu czas w tej książce. M usisz jedynie zapamiętać, że: •

W szystkie tranzystory bipolarne mają trzy połączenia: kolektor, bazę i emiter, opisywane w kartach katalogowych producenta literami, odpowiednio, C, B i E. Widząc te litery, będziesz w stanie zidentyfikować poszczególne nóżki.

Podstawy tranzystorów NPN •

Przyłóż dodatnie napięcie do bazy, aby zainicjować przepływ prądu z kolektora do emitera.

•

Strzałka na sym bolu tranzystora wychodzi z bazy i skierowana jest do emitera. Wskazuje kierunek przepływu dodatnich ła dunków prądu.

•

Przepływ prądu jest możliwy, kiedy napięcie na bazie jest większe od napięcia emitera o m inim um 0,6 V.

•

Potencjał kolektora m usi być wyższy od potencjału emitera.

Podstawy tranzystorów PNP

•

Tranzystory NPN są aktywow ane dodatnim napięciem na bazie względem emitera.

•

Przyłóż ujemne napięcie do bazy, aby rozpocząć przepływ prądu z emitera do kolektora.

•

Tranzystory PNP są aktywow ane ujemnym napięciem na bazie względem emitera.

•

Strzałka na sym bolu tranzystora wychodzi z emitera i skierowana jest do bazy, pokazując kierunek przepływu dodatnich ła dunków prądu.

•

Przepływ prądu jest możliwy, kiedy napięcie na bazie jest mniejsze od napięcia emitera o m inim um 0,6 V.

•

Potencjał emitera m usi być wyższy od potencjału kolektora.

W sw o im stanie pasyw nym oba typy tranzystorów blokują przepływ prądu pom iędzy kolektorem a em i­ terem, podobnie do przekaźnika typu SPST, którego kontakty są norm alnie otwarte. (W rzeczywistości tranzystor pozwala na przepływ prądu o bardzo małej w a rtości, zwanego prądem „s p o c z y n k o w y m ”). Rysunek 2.89.

Możesz traktować tranzystor bipolarny tak, jakby zawierał w środku przełącz­ nik, który może połą­ czyć kolektor z em ite­ rem. W tranzystorze NPN przełącznik naci­ skany je s t przez małą wartość dodatniego napięcia

76

Możesz spróbow ać potraktow ać tranzystor bipolarny tak, jakby zawierał w środku m ały przycisk, tak jak pokazują to rysunki 2.89 i 2.90. Po naciśnięciu przy­ cisku pozwala on na przepływ dużego prądu. Aby nacisnąć przycisk, w strzykujesz o wiele m niejszy prąd do jego bazy przez przyłożenie do niej małego napięcia. W tranzystorze NPN napięcie kontrolujące bazę jest dodatnie, w tranzystorze PNP ujemne.

Rysunek 2.90. 1/1/ tranzystorze PNP

ten sam efekt uzy­ skiwany je s t przez małe ujemne napię­ cie. Strzałki wskazują kierunek przepływu prądu o ładunkach dodatnich

2. Przełączanie i nie tylko

WIEDZA NIEZBĘDNA Wszystko o tranzystorach NPN i PNP (ciąg dalszy) Schem aty pokazują czasem tranzystory Podstawy dotyczące w okręgach, a czasem bez nich. Ja będę wszystkich tranzystorów •

Nigdy nie przykładaj napięcia zasilania bezpo­ średnio do tranzystora. Zbyt duży prąd może doprow adzić do jego spalenia. Chroń tranzystor rezystorem, tak jak zrobiłbyś to w przypadku diody LED. Unikaj zasilania tranzystora napięciem o biegu­ now ości odw rotnej do tej, która pow inna być. Czasami w obw odzie bardziej przydaje się tranzystor NPN, a czasem PNR Oba typy m ogą funkcjo now ać jako przełączniki i wzm acniacze. Różnica polega jedynie na tym , że do tranzy­ stora NPN przykładasz dodatnie napięcie na bazie, a do tranzystora PNP ujemne. Tranzystory PNP są rzadko używane, głównie ze względu na utrudniony proces ich produkcji w pierwszych latach istnienia półprzewodników. Elektronicy przyzwyczaili się do projektowania układów w okół tranzystorów NPN. Pamiętaj, że tranzystory bipolarne w z m a c ­ niają prąd, nie napięcie. Mała zm iana prądu płynącego w obwodzie bazy um ożliwia dużą zmianę prądu płynącego pom iędzy emiterem i kolektorem.

Rysunek 2.91. Symbol tranzystora NPN posiada zawsze strzałkę wychodzącą z bazy i skierowaną do emitera. Nie­ którzy umieszczają tranzystor w okręgu, inni nie zawracają sobie tym głowy. Styl sam ej strzałki może być różny, ale je j znaczenie je s t zawsze takie samo. l/l/ tej książce używana będzie wersja pokazana w lewym górnym rogu rysunku

Eksperyment 10: Przełączanie tranzystorami

przedstawiał je w okręgach, aby zw rócić na nie większą uwagę. Patrz rysunki 2.91 i 2.92.

Schematy mogą pokazywać emiter na górze, a kolektor na dole lub odwrotnie. Baza może być po lewej lub prawej stronie, w zależności od tego, jaki układ był wygodniejszy dla osoby rysującej schemat. Zwracaj uwagę na strzałkę tranzystora, aby mieć pewność, jaka końcówka znajduje się u góry i z jakim typem tranzystora masz do czynienia (NPN i PNP). Podłączając tranzystor w nieprawidłowy sposób, możesz doprowadzić do jego uszkodzenia. Tranzystory mogą mieć różne rozmiary i konfi­ guracje. W wielu przypadkach nie ma m ożliwo­ ści stwierdzenia, które przewody odpowiadają poszczególnym wyprowadzeniom tranzystora (kolektorowi, emiterowi i bazie), a niektóre z nich dodatkowo nie posiadają na sobie oznaczenia typu. Zanim wyrzucisz opakowanie, w którym otrzymałeś tranzystor pocztą, sprawdź, czy nie identyfikuje ono końcówek tranzystora. Jeżeli kolejność w yprow adzeń wyleciała Ci z głowy, możesz posłużyć się m iernikiem w yposażonym w funkcję identyfikującą emiter, kolektor i bazę tranzystora. Jak z niej skorzy­ stać, dowiesz się z instrukcji miernika.

Rysunek 2.92. Sym bol tranzystora PNP posiada zawsze strzałkę wychodzącą z emitera i skierowaną do bazy. Nie­ którzy umieszczają tranzystor w okręgu, inni nie zawracają sobie tym głowy. Styl sam ej strzałki może być różny, ale znaczenie je s t zawsze takie samo. l/l/ tej książce używana będzie wersja pokazana w lewym górnym rogu

77

TEORIA Początki tranzystorów Chociaż niektórzy historycy uznają, iż początki tranzystorów sięgają czasów w ynale­ zienia pierw szych diod (które pozwalają na przepływ prądu w jednym kierunku i jed­ nocześnie uniem ożliwiają przepływ w kierunku przeciw nym ), nie ma w ątpliw ości co do tego, że pierwsze działające tranzystory pow stały w laboratoriach firm y Bell w roku 1948, a ich w ynalazcam i byli John Bardeen, W illiam Shockley i W alter Brattain (rysunek 2.93). W illiam Shockley był kierow nikiem całego zespołu, który dostrzegł, jak niezwykle ważne m ogą stać się przełączniki pozbawione części m echanicznych. John Bardeen był teoretykiem , a W alter Brattain doprow adził do ostatecznego uruchom ienia tranzy­ stora. Do m om entu odniesienia sukcesu była to niezwykle produktyw na praca zespo­ łowa. Później Shockley zaczął prowadzić m anew ry m ające na celu opatentowanie tranzystora wyłącznie pod jego nazwiskiem. Kiedy pow iadom ił o tym sw oich w s p ó ł­ pracowników, byli oni oczyw iście niezadowoleni z takiego obrotu sprawy. Zły obraz w ytw o rzyła również publikowana szeroko fotografia przedstawiająca Shockleya siedzącego w centrum badawczym przed m ikroskopem , tak jakby to on w y k o ­ nyw ał rzeczywistą pracę, podczas gdy pozostali stali z tyłu, co sugerowało, iż ich rola była mniejsza. W rzeczywistości Shockley jako kierow nik rzadko byw ał obecny w laboratorium, gdzie w ykonyw ano prace badawcze. Produktywna w spółpraca szybko uległa zatarciu. Brattain poprosił o przeniesienie do innego laboratorium AT&T. Bardeen przeniósł się na uniwersytet stanu Illinois, aby prowadzić badania z zakresu fizyki teoretycznej. Shockley ostatecznie opuścił labo­ ratoria firm y Bell i założył w łasną firm ę Shockley Sem iconductor w m iejscu, które w krótce zyskało nazwę Doliny Krzem owej, ale jego am bicje przewyższały m ożliw ości współczesnej technologii. Jego firm a nigdy nie w yp uściła produktu, który odniósłby sukces rynkowy. Ośmiu w s p ółpracow ników Shockleya w jego firm ie zdecydowało w pew nym m om en­ cie o zerwaniu w sp ółpracy z nim i założeniu w łasnego przedsiębiorstwa, któremu nadano nazwę Fairchild Semiconductor. Firma ta odniosła ogrom ny sukces w pro­ dukcji tranzystorów, a później układów scalonych.

Rysunek 2.93. Fotografia udostępniona przez Fundację Nobla pokazuje od lewej do prawej Johna Bardeena, Williama Shockleya i Waltera Brattaina. Otrzymali oni w 1956 roku Nagrodę Nobla za wspólną pracę nad pierwszym działającym tranzystorem w 1948 roku

78

2. Przełączanie i nie tylko

WIEDZA NIEZDĘDNA Tranzystory i przekaźniki Jednym z ograniczeń tranzystorów NPN i PNP jest to, że ich naturalnym stanem jest stan wyłączony. Zachowują się jak przycisk norm alnie otwarty, który przewodzi prąd jedynie tak długo, jak długo jest przyciśnięty. Nie potrafią zachować się jak przełącz­ nik normalnie włączony, który pozostaje w takim stanie do m om entu, kiedy użyjesz odpowiedniego sygnału do jego wyłączenia. Przekaźnik oferuje więcej opcji przełączania. Może być norm alnie otwarty, normalnie zamknięty, może zawierać przełącznik dw upozycyjny, który daje m ożliw ość istnie­ nia dw óch różnych stanów włączenia. Może również przełączać dw a bieguny, czyli dw a zupełnie niezależne połączenia. Pojedyncze tranzystory nie są w stanie zapewnić cech przełączania dw upozycyjnego lub dwubiegunow ego, chociaż możesz skonstru­ ow ać bardziej złożone obwody, które będą sym ulow ać takie zachowanie. Poniższa tabela zawiera porównanie cech tranzystorów i przekaźników:

Tranzystor

Przekaźnik

doskonała

ograniczona

nie

tak

Zdolność do przełączania prądów o dużym natężeniu

ograniczona

dobra

Zdolność do przełączania prądu zmiennego

zazwyczaj nie

tak

Zdolność do przełączania przez prąd zmienny

zazwyczaj nie

opcjonalna

doskonała

bardzo ograniczona

wysoka

średnia

Długoterminowa żywotność Konfiguracja do przełączania w stylu DP lub DT

Zdolność do miniaturyzacji Wrażliwość na ciepło Zdolność do przełączania z dużą prędkością

doskonała

ograniczona

Przewaga cenowa przy zastosowaniu dla niskich napięć i prądów

tak

nie

Przewaga cenowa przy zastosowaniu dla wysokich napięć i prądów

nie

tak

Upływność w stanie wyłączenia

tak

nie

j

W ybór pom iędzy przekaźnikami a tranzystoram i będzie zależał za każdym razem od naszych konkretnych potrzeb.

Eksperyment 10: Przełączanie tranzystorami

79

TEORIA Prąd tranzystora Jeżeli chcesz dokładniej zrozum ieć działanie tranzy­ stora, powinieneś przejść przez ten krótki test. Poka­ zuje on dokładnie zachowanie i ograniczenia tran­ zystora typu 2N 2222, którego użyłeś w poprzednim eksperym encie. Powiedziałem, że w przypadku tranzystora NPN kolektor powinien zawsze posiadać potencjał w y ż ­ szy od emitera, a potencjał bazy powinien być gdzieś pośrodku między tym i dw om a napięciami. Ten m odny związek pokazuje rysunek 2.94. Teraz chciałbym zastąpić te ogólne stwierdzenia pew nym i liczbami.

Bardziej dodatnie

Bardziej ujemne Rysunek 2.94. Prawidłowe działanie tranzystora NPN wymaga, abyś utrzym ywał następujące związki pomiędzy napięciami

Przyjrzyj się schem atow i na rysunku 2.94 i sprawdź w a rtości poszczególnych kom ponentów. Zauważ, że całkow ita rezystancja nad tranzystorem (R 1 + R 2 ) jest taka sama, jak rezystancja pod nim (R 3 + R 4 ). Stąd potencjał na bazie tranzystora powinien znajdo­ w ać się w połowie pom iędzy w a rtościa m i ekstrem al­ nym i do m om entu, kiedy użyjesz potencjom etru P1, aby dostosow ać napięcie na bazie w górę lub w dół. Dwa rezystory o w a rtości 180 Q, R1 i R3, chro­ nią tranzystor przed przepuszczaniem prądu o zbyt dużym natężeniu. Dwa rezystory o w a rto ś c i 10 k f i, R2 i R4, chronią bazę w sytuacji, kiedy potencjom etr znajduje się w jednej z m aksym alnych pozycji. Gdybyś chciał zobaczyć, co dokładnie robi tranzy­ stor, m ierząc natężenie prądu w pływ ającego do bazy

80

w m iejscu oznaczonym A 1 , a także całkowite natę­ żenie prądu przepływającego przez em iter w m iej­ scu z oznaczeniem A2, byłoby dobrze, gdybyś m ógł posłużyć się dw om a m iernikami. Jeśli posiadasz tylko jeden miernik, posłuż się rysunkam i 2.96 i 2.97 — pokazują one, jak możesz przełączać sw ój m iernik pom iędzy tym i dw om a m iejscam i. Pamiętaj, że prąd m usi płynąć przez miernik, abyś m ógł go zm ierzyć. Oznacza to, że m usi on być w s ta ­ w io n y do obw odu, a przy każdych przenosinach m usisz naprawić połączenie w m iejscu, w którym był on wcześniej umieszczony. Rysunki przedstawia­ jące płytki prototypow e pokazują, jak możesz to zro­ bić. Na szczęście, usuwanie i wstaw ianie przew odów do płytki prototypow ej jest bardzo łatwe. Być może będziesz m usiał skorzystać z krokodylków w m iej­ scu, w którym przewody łączą się z potencjom etrem . Zacznij od pozycji potencjom etru mniej więcej w połowie jego zakresu. Zmierz w a rtości w punktach A1 i A2. Podkręć w a rto ś ć potencjom etru, a następnie zm ierz ponownie natężenie w obu m iejscach. Poni­ żej znajduje się tabela pokazująca pewne rzeczyw i­ ste wskazania uzyskane w obu tych m iejscach przy użyciu dw óch m ierników cyfrow ych podłączonych jednocześnie.

Natężenie prądu w miliamperach w punkcie A1

Natężenie prądu w miliamperach w punkcie A2

0,01

1,9

0,02

4,9

0,03

7,1

0,04

9,9

0,05

12,9

0,06

15,5

0,07

17,9

0,08

19,8

0,09

22,1

0,10

24,9

0,11

26,0

0,12

28,3

2. Przełączanie i nie tylko

TEORIA Prąd tranzystora (ciąg dalszy) Można zaobserw ow ać tutaj w yraźny związek. Prąd płynący przez em iter tranzystora w m iejscu A2 jest około 240 razy większy od tego płynącego w m iej­ scu A1 do bazy. W spółczynnik prądu płynącego przez em iter w tranzystorze PNP do prądu w p ły w a ­ jącego do jego bazy jest określany m ianem wartości beta tranzystora. W spółczynnik ten określa zdolność w zm acniającą tranzystora. W spółczynnik ten m a bardzo stałą w a rtość, o ile nie posuniesz się zbyt daleko. Powyżej 0,12 m A ten konkretny tranzystor zostaje „n a s y c o n y ” , inaczej m ów iąc, jego rezystancja wewnętrzna nie jest już w stanie zmaleć. Podczas m ojego małego eksperym entu przekona­ łem się, że m aksym alny prąd w punkcie A2 w yn ió sł 33 mA. Proste obliczenia na podstawie prawa Ohma pozw oliły stwierdzić, że wewnętrzna rezystancja tranzystora była w tedy bliska zeru. W łaśnie z tego pow odu powinieneś chronić tranzystor pewną dodat­ kow ą rezystancją w obwodzie. Jeśli tego nie zrobisz, mała wewnętrzna rezystancja pozwoli na przepływ prądu o ogrom nym natężeniu, który niemal natych­ m iast doprowadzi do spalenia kom ponentu.

A co z drugim końcem zakresu? Kiedy tranzystor przepuszcza zaledwie 1,9 mA, jego w ewnętrzna rezy­ stancja waha się w okolicach 6000 f i . Stąd wniosek, iż w zależności od tego, jaki prąd przyłożysz do tego tranzystora, jego wewnętrzna rezystancja zmienia się pom iędzy w a rto ścią zero a w przybliżeniu 6000 Q. Tyle, jeśli chodzi o teorię. Teraz zastanów m y się, co rozryw kow ego lub użytecznego m ożem y zrobić przy użyciu tranzystora? C okolw iek to jest, zrobim y to podczas eksperym entu num er 11! Rysunek 2.95. Ten obwód je s t niem al identyczny ja k poprzedni, z dodanym potencjom etrem i usu­ niętą diodą LED. W artości kom ponentów:

R 1 :180 n R 2 :10 k n R 3 :180 f i R 4 :10 k n P1: potencjom etr liniowy 1 M n T l: tranzystor 2M2222

Rysunek 2.97. Jeden z końców rezystora R3 zostat wypięty z płytki, dzięki czemu m iernik może teraz zmierzyć prąd płynący przez e m iter tranzystora do rezystora R3 w punkcie A2

Rysunek 2.96. M iernik m ierzy prąd p ły­ nący z potencjom etru do bazy tranzystora w punkcie A 1 (patrz rysunek 2.95)

Eksperyment 10: Przełączanie tranzystorami

81

Eksperyment 11: Projekt modułowy Potrzebne będą: zasilacz, ptytka prototypowa, przewody i miernik, dioda LED, liczba: 1, rezystory różnych w a rtości, kondensatory różnych w artości, tranzystor 2N 2222 lub podobny, liczba: 2, program ow alny tranzystor jednoztączowy typu 2N 6027, liczba: 2, m iniaturow y głośnik o im pedancji 8 f i , liczba: 1. Do tej pory opisyw ałem mate obwody, w ykonujące bardzo proste funkcje. Teraz nadeszła pora, aby zadem onstrować, iż m oduły m ogą być łączone, aby stw orzyć urządzenie, które robi coś więcej. K o ńcow ym produktem tego eksperym entu będzie obw ód w ydający dźwięki przypom inające m ałą syrenę, którą można w ykorzystać do alarm u antywłam aniow ego. Bez względu na to, czy jesteś zainteresowany posiadaniem alarmu, czte­ rostopniow y proces jego budow y jest ważny, ponieważ pokazuje, w jaki sposób indywidualne m oduły m ogą zostać zm uszone do wzajem nej kom unikacji między sobą. Zacznę od pokazania, w jaki sposób użyć tranzystora do zbudowania obw odu oscylującego, który wykonałeś w cze­ śniej z pom ocą przekaźnika w eksperym encie num er 8. Jeśli dobrze pamiętasz, przekaźnik był połączony w taki spo­ sób, iż jego cewka była zasilana przez jego własne kontakty. Kiedy tylko cewka została zasilona, otwierała kontakty, odcinając sam ą siebie od zasilania. Po przejściu kontaktów w stan spoczynkow y przekaźnik odzyskiw ał zasilanie i cały proces pow tarzał się od nowa. Takiej samej funkcji nie m ożna zrealizować, używając wyłącznie jednego tranzystora bipolarnego. Będziesz potrze­ bow ał dw óch, z których każdy będzie włączał lub w yłączał drugi tranzystor. Zrozumienie działania takiego układu jest dosyć trudne. Łatwiejszym podejściem jest użycie innego typu tranzystora, zwanego program ow alnym tranzystorem jednozłączow ym (ang. programmable unijunction transistor— PUT). Tranzystory jednozłączowe zostały wynalezione w latach pięćdziesiątych zeszłego wieku, ale popadły w niełaskę, kiedy okazało się, iż te same funkcje m ogą być realizowane dokład­ niej i taniej przez proste układy scalone. M im o to tzw. progra­ m ow alny tranzystor jednoztączowy jest w ciąż dostępny i uży­ w any w takich rozwiązaniach jak ściemniacze oświetlenia i kontrolery silników. Ponieważ jego podstaw ow ym przypad­ kiem użycia jest generowanie strum ienia im pulsów, będzie się on idealnie nadawał do naszych celów. Jeżeli połączysz ze sobą kom ponenty tak, jak pokazuje to rysunek 2.98, dioda LED pow inna zacząć migać, kiedy tylko dostarczysz energię do układu. Rysunek 2.98. Złóż razem poniższe komponenty, podłącz zasilanie, a dioda LED powinna zacząć natychmiast świecić

R 1 :4 7 0 k n R 2 :15 k i l R 3 :2 7 ko. C l: kondensator elektrolityczny 2,2 pF D1: dioda LED T1: program owalny tranzystor jednoztączowy 2N6027

82

Zauważ, że ten obw ód działa na 6 woltach. Nie popsu­ jesz niczego, zasilając go 12 w oltam i, ale w miarę dokłada­ nia kolejnych elem entów przekonasz się, że jego w ydajność jest lepsza przy zasileniu 6 w oltam i niż 12. Zasadę działa­ nia tego układu poznasz, czytając kolejną sekcję: „W ie­ dza niezbędna. W szystko o program ow alnych tranzystorach je dnozłączow ych” .

2. Przełączanie i nie tylko

A Wszystko o programowalnych tranzystorach jednoztączowych Sym bol tranzystora unipolarnego różni się sw oim w yglądem od sym bolu tranzystora bipolarnego, a jego części składowe noszą inne nazwy. Realizuje on jednak funkcję podobną do przełącznika o trw ałym stanie. Sym bol i nazwy trzech wyprow adzeń pokazane zostały na rysunku 2.99. Zauważ, że jest to rzadki przypadek (być może jedyny taki w całym świecie elektroniki), kiedy nie przydarzy Ci się spotkać m ylących odmian tego sam ego sym bolu na różnych schem atach. Tranzystor unipolarny z progra­ m ow alnym złączem wygląda zawsze tak, jak narysow ałem go tutaj. Uważam, że w yglądałby on lepiej, gdyb y­ śm y otoczyli go okręgiem, ale nikt tego nie robi, w ięc ja również pow strzym am się. Typ 2N 6027 jest praw dopodobnie najpopularniejszym typem tranzystora unipolarnego z program ow alnym złączem, a jego budowa i kolejność w yprow adzeń w ydają się przestrzegać pewnego standardu. W szystkie widziane przeze mnie modele m iały obudow ę plastikową. Rysunek 2.100 pokazuje funkcje wyprow adzeń Two­ jego tranzystora 2N 6027, jeśli został on w yp rod ukow an y przez firm y M otorola lub On Semiconductor. W przy­ padku tranzystora pochodzącego z innego źródła powinieneś sprawdzić jego kartę katalogową. Zauważ, że kiedy oba tranzystory pracują podobnie, płaska strona plastikowej obu dow y tranzystora unipolar­ nego skierowana jest przeciwnie niż w przypadku tranzystora bipolarnego 2N 2222. Tranzystor unipolarny blokuje prąd do m om entu, kiedy jego wewnętrzna rezystancja spadnie, pozwalając na przepływ m iędzy anodą i katodą. Pod tym względem jest on bardzo podobny do tranzystora NPN, ale istnieje duża różnica w okolicznościach, jakie sprawiają, iż tranzystor unipolarny obniża sw oją rezystancję. To, kiedy popłynie prąd, uzależnione jest od napięcia na anodzie. Załóżmy, że zaczynasz od napięcia rzędu 1 V na anodzie i pow oli je podnosisz. Tranzystor będzie blokował przepływ prądu do m omentu, kiedy napięcie wzrośnie do w a rtości bliskiej 6 V. Nagle „ciśnienie” pokona rezy­ stancję i prąd zaczynie płynąć od anody do katody. Jeżeli napięcie ponownie spadnie, tranzystor pow róci do sw ojego oryginalnego stanu i zablokuje przepływ prądu. Dołączyłem kolejny rysunek z „palcem na przycisku” , aby zobrazować tę koncepcję. Napięcie na anodzie sam o w sobie jest odpowiedzialne za naciśnięcie przycisku, który otwiera ścieżkę do katody. Patrz rysunek 2.101.

Anoda Bramka

T Katoda

Anoda Bramka Katooa

Rysunek 2.99. Symbol programowalnego

Rysunek 2.100. l/l/ tranzystorze jednoztączowym wyprodu­

tranzystora jednozłączowego

kowanym przez On Sem iconductor i M otorolę wyprowa­ dzenia są zgodne z przedstawionym i na rysunku

Eksperyment 11: Projekt modułowy

83

WIEDZA NIEZBĘDNA Wszystko o programowalnych tranzystorach jednoztączowych (ciąg dalszy) Możesz się zastanawiać, jaką rolę w takiej sytuacji spełnia bramka. Możesz traktow ać ją jako „asystenta” palca naciskającego przycisk. To właśnie bram ka stanow i program owalną część tranzystora. Ustawiając napięcie na bramce, możesz regulować poziom napięcia, przy którym przez tranzystor zaczyna płynąć prąd. Oto posum ow anie najważniejszych inform acji, które powinieneś zapamiętać: •

Anoda m usi posiadać potencjał w yższy od katody, natom iast potencjał bramki m usi znajdow ać się pom iędzy tym i dw iem a w a rtościa m i.

•

Kiedy poziom napięcia przekroczy próg zadziałania, od anody do katody zaczyna płynąć prąd.

•

Jeżeli napięcie anody spadnie poniżej progu zadziałania, tranzystor przestaje przewodzić prąd.

•

Napięcie przyłożone przez Ciebie do bramki określa w yso kość progu zadziałania.

•

Napięcie bramki dostosow ują dw a rezystory, pokazane jako R1 i R2 na prostym schem acie z rysunku 2.102. Typowo, każdy rezystor ma w a rto ś ć około 20 kQ . Tranzystor jest chroniony przed pełnym napięciem dodatniego źródła zasilania przez rezystor R3, który może mieć w yso ką w a rtość, rzędu 100 kQ lub więcej, ponieważ do dociążenia tranzystora w ystarczy bardzo niewielki prąd.

•

Sw ój sygnał dokładasz w form ie dodatniego napięcia na anodzie. Kiedy przekroczy on w a rto ś ć progu zadziałania, spow oduje przepływ prądu do katody i sterowanie pew nym urządzeniem w yjś c io w y m .

Pozostaje jedynie pytanie, jak zm usić tranzystor jednozłączow y do oscylow ania tak, aby w ytw o rzyć strum ień im pulsów typu w łączony/w yłączony. Odpowiedzią jest kondensator, który wpiąłeś do płytki na początku eks­ perym entu num er 11.

R1

R2

Rysunek 2.101. Kiedy napięcie na anodzie programowalnego tranzystora jednoziączowego przekroczy próg zadziałania (określony przez napięcie obecne na bramce), prąd prze­ dziera się przez barierę i zaczyna płynąć od anody do katody Napięcie na diodzie spełnia zatem rolę palca przyciskającego przycisk, aby otworzyć połączenie wewnątrz tranzystora, z małą pom ocą napięcia obecnego na bramce

84

Rysunek 2.102. Ten p rosty schem at pokazuje sposób użycia programowalnego tranzystora jednozłączowego. Rezystory R1 i R2 usta­ lają napięcie na bramce, które z kolei określa poziom zadziałania dla napięcia na anodzie. Przekroczenie poziom u zadziałania powoduje przepływ prądu pom iędzy anodą i katodą

2. Przełączanie i nie tylko

Krok 1: Wolna oscylacja Rysunek 2.103 jest schem atycznym odpowiednikiem obw odu z tranzystorem jednoztączowym pokazanym na rysunku 2.98, narysow anym w taki sposób, aby układ części byt jak najbar­ dziej zbliżony do tego z płytki.

6V DC

Rezystory 15 k f i i 27 k f i ustalają napięcie na bramce. Rezy­ stor 470 k f i zasila anodę tranzystora, chociaż ten znajduje się w stanie wyłączenia, blokując napięcie. To pow oduje rozpoczę­ cie ładowania kondensatora 2,2 juF. Być może pamiętasz, iż rezystor spow alnia tem po akum ulow ania ładunku przez kondensator. Im w iększy rezystor i/lub w ięk­ sza pojem ność kondensatora, tym więcej czasu zajmuje mu osiągnięcie pełnego naładowania. W tym obwodzie kondensa­ tor potrzebuje około pięciu sekund, aby osiągnąć napięcie 6 V. Zauważ jednak, że kondensator jest połączony bezpośrednio z tranzystorem . Dlatego napięcie „uzbierane” przez kondensator jest widoczne również dla sam ego tranzystora. Napięcie stop­ niowo rośnie, w końcu osiąga poziom zadziałania, który p ow o­ duje przełączenie tranzystora w stan włączony. Kondensator m omentalnie rozładowuje się przez tranzystor i św iecącą się w tej chw ili diodę LED do ujemnego źródła zasilania.

Rysunek 2.103. Takie przedstawienie uktadu pozwala łatwiej zobaczyć, co dzieje się w układzie zm ontow a­ nym na płytce prototypow ej

Przepływ prądu rozładowuje kondensator. Napięcie spada z pow rotem i tranzystor pow raca do sw ojego pierw otnego stanu. Teraz kondensator m usi naładować się ponownie i cały proces ulegnie powtórzeniu. Jeśli podm ienisz kondensator na inny o w a rto ś c i 22 /j F, cykl ładowania i rozładowania powinien w ydłużyć się dzie­ sięciokrotnie, co da Ci w ystarczająco dużo czasu, aby dokonać pom iarów. Ustaw swój m iernik na pom iar w o ltó w napięcia stałego i dotknij końców kam i pom iarow ym i obu wyprow adzeń kondensatora. Będziesz m ógł obserw ow ać zwiększanie się ładunku do m om entu osiągnięcia progu zadziałania, kiedy to kondensator rozładowuje się i napięcie spada z powrotem . M am y zatem nasz oscylator. Co dalej?

Eksperyment 11: Projekt modułowy

85

Krok 2: Poza ustalone granice Jeżeli zastąpisz kondensator innym, o mniejszej w a rtości, będzie się on tadowat szybciej, pow odując szybsze m iga­ nie diody. Załóżmy, że użyłeś kondensatora o pojem ności 0,0047 juF (która może być również w yrażona jako 4,7 nF). Ta w a rto ść wydaje się dosyć dziwna, ale jest ona jedną ze standardow ych pojem ności kondensatora. W ten sposób pojem ność spadnie niemal 500-krotnie, a co za tym idzie, dioda pow inna przełączać się około 500 razy szybciej, czyli mniej więcej 1000 razy na sekundę. Ludzkie oko nie jest w stanie w y k ry ć tak częstych zmian, ale ludzkie ucho jest w stanie usłyszeć częstotliw ości rzędu 10 000 drgań na sekundę, a nawet większe. Jeśli zastąpim y diodę m ałym gło­ śniczkiem, pow inn iśm y usłyszeć oscylacje. Rysunek 2.104 pokazuje, jak według mnie powinieneś to zrobić. Pozostaw, proszę, swój oryginalny wolno oscylu­ jący układ bez zmian i zrób jego kopię niżej, zastępując w artości elementów elektronicznych zgodnie z rysunkiem. Na rysunku 2.105 nowa część układu jest przedstawiona kolorem czarnym, a część istniejąca wcześniej kolorem szarym. 6 V DC

Rysunek 2.104. Dodatkowe komponenty, dodane w dolnej części płytki, pełnią takie same funkcje, ja k kom ponent na górze, chociaż ich warto­ ś ci są nieco inne

R 4 :470 k i l R 5 :33 ko. R 6 :2 7 k o R 7 : 100 O C 2 :0,0047 ¡j F G1: głośnik 8-omowy, około 3 cm średnicy

86

Rysunek 2.105. Poprzedni układ, który zbudowa­ łeś, je s t pokazany szarym kolorem. Część układu dodana teraz ma kolor czarny

2. Przełączanie i nie tylko

Chcę, abyś zachow ał w olno m igający układ oddzielnie, bez zmian, ponie­ waż m am pom ysł na jego wykorzystanie, który zaprezentuję później. Możesz pozostaw ić m igającą diodę LED. G łośnik powinien zostać podłączony szeregowo z rezystorem 100 f i , aby ograniczyć prąd płynący z tranzystora. Chociaż wyprow adzenia głośnika są zazwyczaj zakończone przewodam i czarnym i czerw onym , on sam nie ma żadnej polaryzacji. Możesz podłączyć go w dow olny sposób. Początkowo możesz być rozczarowany, ponieważ obw ód będzie sprawiał wrażenie niedziałającego. Jeśli jednak przyłożysz ucho do głośnika (zakła­ dając oczyw iście, że w szystko jest podłączone praw idłow o), powinieneś usłyszeć cichutkie bzyczenie, naśladujące lecącego komara. Taki poziom dźwięku jest zdecydowanie za niski, aby m ógł posłużyć do czegoś użytecz­ nego. M usim y go pogłośnić lub — m ów iąc inaczej — w zm ocnić. Być może zapamiętałeś, że tranzystor 2N2222, którym bawiłeś się poprzed­ nio, może realizować funkcję wzmacniacza. Spróbujm y użyć go w takiej roli.

Krok 3: Wzmocnienie Odłącz głośnik i połączony z nim szeregowo rezystor 100 f i . Następnie dodaj tranzystor 2N 2222 połączony z w yjściem z tranzystora jednozłączowego przez rezystor 1 k f i, który chroni go przed nadm iernym prądem. Patrz rysunek 2.107. Emiter tranzystora 2N 2222 jest podłączony do masy, a kolektor jest zasilany przez głośnik i połączony z nim szeregowo rezystor 100 f i . W ten sposób małe zm iany na w yjściu tranzystora jednozłączowego są w ykryw a ne przez bazę tranzystora 2N 2222 i zamieniane na większe zm iany pom iędzy kolek­ torem i emiterem, czyli prąd płynący przez głośnik. Sprawdź to na schem a­ cie z rysunku 2.108. Teraz dźwięk powinien być głośniejszy od poprzedniego bzyczenia, ale w ciąż zbyt słaby, aby posłużyć do praktycznych celów. Co m ożem y na to poradzić?

i l i H Montowanie głośnika Do roznoszenia dźwięku służy przepona głośnika, zwana też konusem. W miarę sw ojego wibrow ania w górę i w dół em i­ tuje ona dźwięk zarówno ze s w o ­ jej przedniej, jak i tylnej strony. Ponieważ oba dźwięki są prze­ ciw ne w fazie, m ają tendencję do wzajem nego wygaszania się. Dźwięk dochodzący z gło­ śnika można radykalnie popra­ w ić przez przerobienie go na syrenę w postaci tuby separują­ cej dźw ięk generow any z przodu i z tyłu głośnika. W przypadku głośnika o średnicy kilku cen­ tym etrów możesz użyć zwinię­ tego w rulon kartonu sklejonego taśmą. Patrz rysunek 2.106. Jeszcze lepszym rozwiązaniem byłoby zam ontowanie głośnika w pudełku absorbującym dźwięki wychodzące z jego tylnej czę­ ści. Ponieważ jest to raczej pro­ sty eksperym ent, nie będziemy zagłębiać się tutaj w tworzenie zaawansow anych projektów tłu ­ mienia i odbijania basów.

Co Ty na to, jeśli dodam y kolejny tranzystor 2N 2222? Tranzystory bipolarne m ogą być m ontowane szeregowo w taki sposób, aby w yjście pierwszego z nich sterowało bazą drugiego. W zmocnienie 240 do 1 pierwszego tran­ zystora jest mnożone przez kolejne wzm ocnienie tego sam ego rzędu, dając w wyniku całkowite wzm ocnienie rzędu 50 000 do 1. Ta technika ma swoje ograniczenia. Tranzystor 2N 2222 może przewodzić jedynie określoną ilość prądu bez w chodzenia w przeciążenie, a nadmierne w zm ocnienie może prowadzić do zniekształceń. Kiedy jednak budowałem ten układ, sprawdziłem przy użyciu miernika, iż znajdujem y się nadal w gra­ nicach m ożliw ości tranzystora 2N 2222. Dodatkowo, w tym konkretnym projekcie nie m usim y się przejm ow ać lekko zniekształconym dźwiękiem.

Eksperyment 11: Projekt modułowy

Rysunek 2.106. Głośnik emituje dźwięk ze sw ojej górnej i dolnej czę­ ści. Możesz użyć kawałka kartonu zwiniętego w rulon, tworząc swego rodzaju tubę, lub zamontować g ło ­ śnik w małym pudełku. Powinno to poprawić siłę emitowanego przez niego dźwięku

87

6V DC

Rysunek 2.107. Dodając tranzystor ogólnego przeznaczenia typu 2N2222, wzmacniamy sygnał w ychodzący z 72

R 8 :1 k ii T3:2N 2222

Rysunek 2.108

Pozostałe części są takie same, ja k w poprzednim kroku konstruowania tego obwodu

Dodaj drugi tranzystor 2N 2222, tak jak pokazuje to rysunek 2.109. Na rysunku 2.110 część obw odu przygotowana wcześniej pokazana została na szaro. Jeżeli zaczynasz tracić rozeznanie z pow odu przyrostu części na płytce, pamiętaj, że każdy zespół części ma swoją określoną funkcję, niezależną od pozostałej części układu. W celu zilustrowania tego faktu m ożem y narysow ać dia­ gram, taki jak przedstawiony na rysunku 2.112. Po zastosow aniu drugiego tranzystora 2N 2222 powinieneś przekonać się, iż sygnał w y jś c io w y daje o wiele lepszy efekt audio, przynajmniej na tyle, na ile pozwala Twój 3-centym e trow y głośnik. Otocz go dłońm i, a przekonasz się, że dźwięk staje się głośniejszy. Możesz również w yp rób ow ać głośnik o średnicy 7 cm, który w y tw o rz y lepszy dźwięk przy sterowaniu tym sam ym sygnałem w yprod ukow an ym przez malutki tranzystor 2N 2222. Przyjrzyj się rysunkom 2.106 i 2.111.

88

2. Przełączanie i nie tylko

6V DC

Rysunek 2.109. T4 je s t kolejnym tranzystorem 2N2222, który ponownie wzmacnia sygnał. Zasilanie dociera do niego poprzez rezystor R9 o rezystancji 2,2 kLl

6V DC

Rysunek 2.110. Ten schem at odpowiada rozłożeniu elementów z rysunku 2.109

Rysunek 2.111. Tranzystor 2N2222 je s t w stanie całkiem dobrze sterować głośnikiem o średnicy 1 cm, który wytworzy głośniej­ szy dźwięk w porównaniu do głośnika o średnicy 3 cm

Eksperyment 11: Projekt modułowy

89

Krok 4: Pulsujący sygnał wyjściowy

Zasilanie

Gdybyś chciat skorzystać z naszego sygnatu audio (jednostajnego, warkliwego szum u) jako pewnej fo rm y alarmu, efekt byłby niezadowalający. Znacznie lep­ szy bytby dźwięk pulsujący, który przyciąga uwagę.

ł Szybki oscylator

I Wzmacniacz

Czy to naprawdę takie proste? Tak i nie. Trik polega na uczynieniu sygnału w y j­ ściow ego z pierwszej sekcji kom patybilnym z w e jściem drugiej sekcji. Jeśli połączysz zwyczajnie przewód z katody pierwszego tranzystora jednozłączowego z anodą drugiego tranzystora tego typu, układ nie będzie działał, ponieważ drugi tranzystor oscyluje już pom iędzy niskim i w yso kim napięciem z częstotli­ w o ś c ią około 1000 razy na sekundę. Jeśli dołożysz jeszcze napięcia, zniszczysz rów now agę układu, która um ożliwia oscylację.

ł Głośnik

Zasilanie

ł

~

Wolny oscylator

ł

Pierwsza sekcja obw odu, którą zbudowałeś, w ytw arzała sygnał pulsujący mniej w ięcej dw a razy na sekundę. Użyłeś go do sterowania diodą świecącą. Być może je steśm y w stanie pozbyć się diody i przekazać sygnał z pierwszej sekcji układu do drugiej. Tę koncepcję przedstawia diagram z rysunku 2.112.

~

Szybki oscylator

I Wzmacniacz

ł Głośnik Rysunek 2.112. Podstawowe funk­ cje oscylatora wytwarzającego dźwięki, przedstawione w formie diagramu blokowego. U dołu te same funkcje z dodanym wolnym oscylatorem, który kontroluje szyb­ szy oscylator

Przypom nij sobie jednak, że napięcie na bram ce tranzystora jednozłączowego steruje poziom em, przy którym następuje przepływ prądu. Może gdybyśm y połączyli w yjście tranzystora T1 z bram ką tranzystora T2, bylibyśm y w sta­ nie autom atycznie dostosow ać poziom zadziałania. Napięcie nadal m usi jed­ nak znajdow ać się w przedziale uznawanym przez tranzystor za akceptowalny. M ożem y użyć różnych rezystorów, aby przekonać się, który z nich da najlep­ szy efekt. Jest to ni mniej, ni więcej jak tylko m etoda prób i błędów. W ykonanie obli­ czeń m atem atycznych w celu przewidzenia zachowania układu podobnego do tego jest zdecydowanie zbyt skom plikowane — przynajmniej dla mnie. Zaglą­ dam do karty katalogowej producenta i szukam przedziału rezystancji akcep­ tow anych przez tranzystor, a następnie w ybieram takie, które m oim zdaniem pow inny zadziałać. Jeśli usuniesz diodę LED i zastąpisz ją rezystorem R10, tak jak pokazuje to diagram z płytką prototypow ą na rysunku 2.113, przekonasz się, że pulsujący sygnał w y jś c io w y z tranzystora T1 zm usza T2 do em itowania dźwięku o dw óch tonach. Interesujące, ale to w ciąż nie to, co chcę osiągnąć. Myślę, że jeśli uda mi się uczynić im pulsy z tranzystora T 1 mniej gw ałtow nym i, w y n ik będzie lep­ szy. Sposobem na osiągnięcie tego celu jest podłączenie kolejnego konden­ satora, który naładuje się na początku każdego im pulsu, a następnie uwolni sw ój ładunek na jego końcu. Taką funkcję realizuje kondensator C3 pokazany na rysunku 2.114. Jest on zwieńczeniem obw odu, pow odując generowanie dźwięku przypom inającego do złudzenia praw dziw y alarm. Jeżeli nie słyszysz żadnych dźwięków, sprawdź dokładnie w szystkie prze­ wody. Połączenia tw orzone na płytce prototypowej są bardzo łatwe do pom y­ lenia, szczególnie pom iędzy trzem a nóżkami tranzystora. Użyj sw ojego mier­ nika, ustawionego na pom iar napięcia stałego, aby sprawdzić, czy każda sekcja układu jest zasilana dodatnim napięciem względem ujemnego bieguna zasilania. Rysunek 2.115 pokazuje, jak Twój układ powinien w yglądać na płytce prototypowej.

90

2. Przełączanie i nie tylko

6V DC

Rysunek 2.113. Rezystor R10 łączy wolny oscylator w górnej części płytki z bramką tranzystora T2 znajdującego się w czę­ ś ci środkowej, l/l/ ten sposób akustyczny o scylator je s t m odulo­ wany i wygładzany przez dodatkowy kondensator

Rysunek 2.114. Schemat przestawiający obw ód z rysunku 2.113

R 1 0 :10 k n C 3 :2,2 n F

Rysunek 2.115. Gotowy o bw ód dźwięku alarmu na płytce prototypow ej

Eksperyment 11: Projekt modułowy

91

Własna inwencja W tym m iejscu możesz wykazać się kreatywnością: •

Dostosuj częstotliw ość dźwięku. Zastąp kondensator C2 innym, o mniejszej lub większej pojem ności (użyj potow y jego w a rto ści lub w a rtości dw a razy większej). Zastąp rezystor R5 innym, o w a rto ś c i mniejszej lub większej.

•

Zm odyfikuj funkcję pulsowania przez użycie m niejszej lub większej w a rtości kondensatora C1 (potow y lub dw ukrotności jego pojem ności). Użyj m niejszego lub większego rezystora R2.

•

Dostosuj uktad całościow o. Spróbuj użyć większej w a rtości rezystora R1 oraz mniejszej lub większej w a rtości kondensatora C3.

•

Sprawdź, jak układ będzie się zachow yw ał po zasileniu napięciem 7,5 V, 10 V i 12 V.

Układy elektroniczne przedstawione w tej książce stanow ią jedynie punkt startow y. Zachęcam Cię do ich sam odziel­ nej m odyfikacji, dzięki czemu będziesz m ógł nazwać je sw o im i w łasnym i. Jeśli tylko będziesz przestrzegał nadrzęd­ nej zasady ochrony tranzystorów i diod LED rezystorami oraz szanował ich w y m ogi odnośnie dodatniego i ujemnego zasilania, istnieje bardzo duże praw dopodobieństw o, iż niczego nie spalisz. O czywiście, w ypadki są nieuniknione. Ja sam działam czasem bez dostatecznej uwagi — w trakcie przygotow yw ania tego układu spaliłem kilka diod LED przez podłączanie ich w złym kierunku.

Krok 5: Udoskonalenia Obwód generujący hałas jest jedynie sygnałem w y jś c io w y m . Aby w ykorzystać go praktycznie, m usiałbyś w p ro w a ­ dzić kilka poprawek: 1. Potrzebny jest jakiś czujnik antywłam aniow y. M ogą to być na przykład przełączniki magnetyczne do drzwi lub okien. 2. M usim y znaleźć sposób na uruchom ienie dźwięku, kiedy którykolw iek z czujników zostanie wyzw olony. Sposobem na realizację tego celu jest zazwyczaj przepuszczanie pewnego małego, ale stałego prądu szeregowo przez wszystkie przełączniki. Jeżeli którykolw iek z przełączników zostanie o tw arty lub jeśli dojdzie do uszkodzenia przewodu, przepływ prądu zostanie przerwany, co spow oduje uruchom ienie alarmu. Taką funkcję m ógłbyś zrealizować przy pom ocy przekaźnika dwupozycyjnego, zasilając go przez cały czas aż do m om entu przerwania obw odu, kiedy to jego styki przejdą do stanu spoczynkowego, otwierając jedną parę kontaktów i jednocześnie zam ykając drugą, zasilającą układ generujący dźwięk. 3. Problem polega na tym , iż przekaźnik pobiera całkiem sporą m oc w czasie sw ojej pracy i dodatkow o nagrzewa się. Ja chciałbym , aby mój system alarm ow y pobierał bardzo niewielką ilość prądu, kiedy znajduje się w stanie „czuw an ia” , co pozw oliłoby na zasilenie go baterią. System y alarm ow e nie pow inny nigdy zależeć całkow icie od zasilania prądem zm iennym dostępnym w dom u.

92

2. Przełączanie i nie tylko

4. Skoro nie przekaźnik, to czy m ożem y użyć tranzystora do przełączenia układu w chw ili przerwania zasilania? O czywiście. W ystarczy pojedynczy tranzystor. 5. Jak jednak uzbroim y alarm na początku? Potrzebujemy procedury składającej się z trzech kroków. Po pierwsze, spraw dzim y małe źródło światła, które zapali się, gdy wszystkie drzwi i okna zostaną zamknięte. Po drugie, naciśniem y przycisk, który rozpocznie 30-sekundow e odliczanie w dół, dające nam czas na opuszczenie chronionego obszaru, jeśli to właśnie chcem y zrobić. Po trzecie, alarm uzbroi się samodzielnie po 30 sekundach. 6. Jeśli uruchom iony zostanie alarm, co ma się stać dalej? Jeśli ktoś siłą otw orzy okno, czy alarm powinien zamilknąć, kiedy zostanie ono z pow rotem zamknięte? Nie, alarm powinien przejść do stanu blokady aż do m om entu, kiedy sam go nie w yłączysz. 7. Jak go w yłączyć? Przydałby się ukryty panel z klawiaturą do wprow adzenia kodu. 8. Jeśli alarm odpali się przypadkow o, gdy Ciebie akurat nie ma w pobliżu, nie powinien „w y ć ” w nieskończoność, irytując w szystkich Twoich sąsiadów, lecz zatrzym ać się po około 10 m inutach. Od tego m om entu alarm nie powinien dłużej hałasować, ale powinien zapalić diodę LED in form ującą o tym , co się stało. Będąc tego świadom y, będziesz m ógł nacisnąć przycisk w ygaszający tę diodę.

Implementacja listy życzeń Przedstawiona lista życzeń ma szansę skom plikow ać cały projekt co najmniej pięciokrotnie w porów naniu do jego obecnej postaci. Jest to norm alna sytuacja, kiedy próbujesz w yjść poza m ały projekt dem onstracyjny i skonstruow ać coś, co ma szansę być użyteczne w praw dziw ym życiu. Nagle lądujesz w sytuacji, w której m usisz sprostać wielu różnym okolicznościom i sytuacjom . Na szczęście, mogę pokazać Ci, jak dokonać w szystkich ulepszeń z listy życzeń, i zrobię to, ale w tym celu będziemy m usieli najpierw podejść bardziej poważnie do projektów elektronicznych. Jeżeli zamierzasz zbudować coś am bit­ nego, chciałbyś, aby to coś było trw ałe i m iało bardziej zw artą form ę niż kom ponenty wciśnięte w otw o ry płytki prototypowej. M usisz nauczyć się, jak łączyć w szystkie elementy ze sobą w sposób trw a ły przy pom ocy rozgrzanej cyny na płytce z w yw ierconym i otworam i, którą możesz um ieścić w m ałym pudełeczku z w ystającym i na zewnątrz przełącznikami i światełkam i. Lutow aniem i m ontow aniem elem entów elektronicznych zajm iem y się w następnym rozdziale. Później w ró c im y do naszego projektu alarmu.

Eksperyment 11: Projekt modułowy

93

Wkraczamy głębiej

Nie jestem pewien, jak bardzo chcesz zgłębić elektronikę, ale wiem , że poka­ załem Ci tyle, ile tylko jest m ożliwe, używając zaledwie kilku kom ponentów, trochę drutu, płytki prototypowej i kilku narzędzi. Aby kontynuow ać, będziesz potrzebował: •

dodatkow ych narzędzi i części,

•

podstaw ow ych um iejętności lutowania,

•

dodatkow ej wiedzy na tem at -

układów scalonych,

-

elektroniki cyfrow ej,

-

m ikrokontrolerów,

-

silników.

ZAWARTOŚĆ ROZDZIAŁU: Lista zakupów, eksperymenty od 12 do 15. Eksperyment 12: Łączenie dwóch przewodów w jeden. Eksperyment 13: Podgrzewanie diody. Eksperyment 14: Pulsujące światło. Eksperyment 15: Powrót do alarmu antywłamaniowego.

Narzędzia nie należą do szczególnie rzadkich lub drogich, natom iast lutow a­ nie jest um iejętnością, którą m ożna opanować bardzo m ałym w ysiłkiem . Nauka łączenia przew odów przy użyciu cyny jest o wiele prostsza w porów naniu do bardziej zaawansow anych um iejętności, takich jak wykonyw anie biżuterii czy spawanie. Pozostałe obszary wiedzy na tem at elektroniki są bardziej w ym agające od zagadnień, które przedstawiłem do tej pory. Pod koniec tej sekcji powinieneś z powodzeniem przenosić kom ponenty z płytki prototypow ej na płytkę szybkiego montażu, gdzie wszystkie części połączone będą rozgrzaną wcześniej cyną, a następnie m ontow ać ją w małej obu­ dow ie z przełącznikami i światełkam i na ścianie frontow ej, tw orząc w ten sposób urządzenie codziennego użytku.

Lista zakupów: Eksperymenty od 12 do 15 Narzędzia Każde z w ym ienionych niżej narzędzi jest oznaczone jako niezbędne, rekom endowane lub opcjonalne. Narzędzia nie­ zbędne pozwolą Ci przejść przez ten rozdział. Jeśli uzupełnisz je o narzędzia rekom endowane, powinieneś być zaopa­ trzony dostatecznie dobrze na treść całej książki. Narzędzia opcjonalne ułatwią Twoją pracę, ale to, czy w a rto w yd a­ w ać na nie pieniądze, zależy w yłącznie od Ciebie. Pamiętaj o dodatku na końcu książki, w którym znajdziesz adresy producentów i sklepów oferujących artykuły elektroniczne.

95

Zakładam, że posiadasz już pewne podstaw ow e um iejętności warsztatowe, takie jak wiercenie z użyciem w iertarki elektrycznej. Lutownica kolbowa, 15-watowa (niezbędna)

Rysunek Z A . Niska m oc tej lutownicy w kształcie ołówka pozwala na je j bez­ pieczne użycie w połączeniu z kom po­ nentam i czułym i na temperaturę. Ostra końcówka pozwala osiągnąć dużą p re­ cyzję lutowania

Na przykład model W M15L firm y Weller (dostępna w sklepie www.tme.eu pod symbolem WEL.WM15L) lub KD15 firm y SolderLab (dostępna w sklepie www. eltronix.pl). Patrz rysunek 3.1. Lutownice o m ocy 15 W są mniej popularne niż te o m ocy 25 W lub większej. Jednak w naszej pracy na małą skalę przyda się ona doskonale i znacznie zmniejszy ryzyko uszkodzenia komponentów przy długim nagrzewaniu. Porównując ceny, pamiętaj, że dodatkowo zabezpieczone końcówki grotów lutowniczych zwiększają cenę, ale będą służyć dłużej i ułatwią utrzymanie czystości, a także będą lepiej przewodzić ciepło w porównaniu do zwykłych końcówek miedzianych. Jeżeli specyfikacja producenta nie m ówi o zabez­ pieczeniu końcówki, dany produkt prawdopodobnie nie posiada takiej cechy. Lutownica kolbowa, 30- lub 40-watowa (niezbędna) Chociaż większość projektów w tej książce wym aga małych, czułych na cie­ pło kom ponentów i drutu, prędzej czy później będziesz chciał połączyć cyną większe elementy i/lub przewody. Lutownica 15-w atow a nie będzie w sta­ nie wygenerować dostatecznie dużo ciepła. Powinieneś rozważyć zaopatrze­ nie się w narzędzie o większej mocy, szczególnie że są one względnie tanie.

Rysunek 3.2. Ta lutownica o wyższej m ocy dostarcza dodatkowego ciepła, niezbędnego do lutowania grubszych przew odów lub kom ponentów o więk­ szych wymiarach. 1/1/ wyniku częstego używania końcówka szybko traci sw ój pierw otny kolor, ale nie ma to wpływu na je j funkcjonowanie, p o d warunkiem iż sam g ro t pozostaje czysty

Ja lubię model Weller Therma-Boost, pokazany na rysunku 3.2 (produkty tej firm y oferuje sklep www.tme.eu), ponieważ posiada on dodatkowy przycisk um ożliwiający dostarczenie większej ilości ciepła na żądanie. Jest to bardzo użyteczne rozwiązanie w sytuacji, kiedy chcesz, aby grot nagrzał się szybko, lub jeśli próbujesz lutować coś grubego, co absorbuje dużą ilość ciepła. Jeżeli nie możesz znaleźć lub nie lubisz produktów tej firmy, możesz użyć dowolnej innej lutow nicy o m ocy 30 lub 40 W. Sprawdź również na www.allegro.pl i w sw oim lokalnym sklepie z narzędziami i częściami elektronicznymi. Statyw lutowniczy (niezbędny) Posiada zazwyczaj dw a zaciski krokodylki, które m ogą utrzym yw ać część elektroniczną lub przew ody w pozycji odpowiedniej do ich lutowania. Nie­ które wersje tego narzędzia zaopatrzone są również w szkło powiększające, sprężynę będącą m iejscem na rozgrzaną lutow nicę oraz ściereczkę, w którą możesz w ytrzeć grot, kiedy ulegnie on zabrudzeniu. To dodatkowe w yp osa­ żenie narzędzia jest pożądane. Statywy lutownicze można kupić w w iększo­ ści sklepów hobbystycznych. Znajdziesz je m iędzy innymi w sklepie www. eltaelektronika.pl (szukaj w dziale „Narzędzia, ściągacze i narzędzia m ocu­ ją c e ”). Patrz rysunek 3.3. Szkto powiększające (niezbędne)

Rysunek 3.3. Uchwyt lutowniczy posiada dwa zaciski krokodylki utrzy­ mujące przedmiot, nad którym pra­ cujesz. Metalowa sprężyna stanowi bezpieczne miejsce dla rozgrzanego końca lutownicy, a gąbka pozwala na wycieranie grota

96

Niezależnie od tego, jak dobry masz wzrok, małe, poręczne szkło powiększające jest niezbędne do sprawdzania połączeń na płytce szybkiego montażu. Zestaw składający się z trzech soczewek, pokazany na rysunku 3.4, został zaprojekto­ wany tak, aby trzymać go blisko oka, a uzyskiwane w ten sposób powiększenie jest znacznie lepsze niż to, jakie daje szkło przymocowane do statywu lutowni­ czego. Szkło powiększające w zginanej ramie, widoczne na rysunku 3.5, przydaje się w sytuacjach, kiedy masz zajęte ręce. Tego typu elementy wyposażenia warsz­ tatu znaleźć można w sklepach elektronicznych i hobbystycznych. Nie zapomnij również sprawdzić na www.allegro.pl. Wystarczą w zupełności plastikowe szkła powiększające, pod warunkiem że będziesz obchodził się z nimi ostrożnie. 3. Wkraczamy głębiej

Rysunek 3.4. Plastikowe szklą powiększa­ jące są tanim i dobrym rozwiązaniem, p od warunkiem że obchodzisz się z n im i ostroż­ nie. Trzymane w d łoni szkło powiększa­ jące je s t narzędziem niezbędnym podczas sprawdzania połączeń lutowanych wykony­ wanych na płytce szybkiego montażu

Rysunek 3.5. Tego typu szkło pow ięk­ szające, stojące na Twoim biurku, przydaje się do odczytywania num e­ rów części zapisanych drobnym drucz­ kiem na m iniaturowych komponentach

Przewody pomiarowe z końcówkami zaciskanymi (niezbędne) Końcówki pom iarowe, które otrzym ałeś razem ze sw o im m iernikiem , wym agają, abyś sam odzielnie utrzym y­ w ał kontakt elektryczny w m iejscu odczytu. To zajmuje obie ręce, uniem ożliwiając wykonyw anie innej czynności w tym sam ym czasie. Używając pary przew odów z końców kam i w form ie haczyków, możesz podłączyć w sp ólny (ujem ny) przewód do m asy układu i pozostaw ić go tam, a drugim w ędrow ać po całym układzie. Potrzebujesz kabla firm y Pomona o numerze części 6 2 4 4 -4 8 -0 (pokazanego na rysunku 3.6). Możesz go zaku­ pić w sklepie pl.farnell.com. Jeśli nie możesz go znaleźć lub uważasz, że jest za drogi, spróbuj zbudować swoje własne kable, kupując jedynie dw a pasujące do Twojego m iernika zaciski bananowe (na przykład o sym bolu 1069-PRCl-RT, dostępne w sklepie www.tme.eu), drut o grubości 1,5 m m 2 lub grubszy i końców ki pom iarow e (na przykład firm y Kobiconn o sym bolu 13IC 331, dostępne w sklepie pl.mouser.com). Patrz rysunki 3.7 i 3.8.

Rysunek 3.6. Te miniaturowe zaci­ ski haczykowe ułatwiają pom iar prądu i napięcia. Naciśnij przycisk, co spo­ woduje wysunięcie małego haczyka. Uchwyć przew ód i zw olnij przycisk, l/l/ ten sposób Twoje ręce pozostaną wolne, dzięki czemu będziesz m ó g ł wykonywać inne czynności. Zawsze zastanawia mnie, dlaczego producenci m ierników nie dają tego typu przew odów w ramach standar­ dowego wyposażenia m ierników

Rysunek 3.7. Aby stworzyć swoje własne przewody pomiarowe z koń­ cówkam i haczykowymi, w pierwszej kolejności połącz przew ody z wtycz­ kam i bananowymi, l/l/ tym celu musisz przełożyć je przez plastikowe osłony, a następnie nawlec przez otw ory w metalowych wtykach

Lista zakupów: Eksperymenty od 12 do 15

Rysunek 3.8. Następnie nakręć m eta­ lowy pierścień na wystający przewód, a na niego plastikową osłonę. Drugi koniec przewodu trzeba przylutować do końcówki pom iarow ej

97

Opalarka (niezbędna)

Rysunek 3.9. Podobna do suszarki do w łosów opalarka posłuży do kurczenia izolacji, tworząc w ten sposób ciasną

Po połączeniu dw óch przew odów cyną lutow niczą często zachodzi potrzeba zaizolowania pow stałego złącza. Taśma elektryczna jest nieporęczna i czę­ sto ulega zsunięciu, odsłaniając styk elektryczny. Ty będziesz używał izolacji term okurczliwej, która tw o rz y bezpieczną, trw ałą osłonę w o k ó ł odkrytego złącza m etalowego. Do skurczenia izolacji użyjesz opalarki, która sw oją budową przypom ina niezwykle m ocną suszarkę do w łosów . Można je kupić w superm arketach ze sprzętem budow lanym . Sugeruję, abyś zakupił najtańszą, jaką uda się dostać. Patrz rysunek 3.9.

Odsysarka do cyny (niezbędna)

opaskę w okół metalowego złącza

j en m ały gadżet odsysa gorącą, stopioną cynę, kiedy chcesz się pozbyć połączenia lutowanego stw orzonego w złym m iejscu. Może to być na przy­ kład m odel o numerze 1003, dostępny w sklepie www.elfaelektronika.pl. Patrz rysunek 3.10.

Taśma do odsysania cyny (niezbędna) Zwana również czasem plecionką do odsysania cyny. Patrz rysunek 3.11. Będziesz jej używ ał do usunięcia cyny w połączeniu z odsysarką. Najtaniej dostaniesz ją na www.aiiegro.pl.

Zestaw maiych śrubokrętów (niezbędny) Małe części elektroniczne m ają często w sobie malutkie śruby. Jeśli spróbujesz je odkręcić zbyt dużym śrubokrę­ tem, doprow adzisz do zniszczenia główki śruby. Ja lubię zestaw śrubokrętów precyzyjnych firm y Stanley o num e­ rze części 66-052, pokazany na rysunku 3.12, ale może to być dow olny zestaw, o ile tylko znajdują się w nim śrubokręty płaskie i krzyżakowe.

Podstawka na lutownicę (zalecana) W podstaw ce umieszczasz grot lutownicy, kiedy jej nie używasz, ale sam grot pozostaje rozgrzany. Przykładowe produkty tego typu to model SR-SH814, dostępny w sklepie www.tme.eu, lub część o numerze 578 -P H 100, dostępna w sklepie pl.mouser.com. Sprawdź również na www.allegro.pl. Patrz rysunek 3.13. Czasami stojaki występują w kom plecie ze statyw em lutow niczym , ale prawie na pewno będziesz potrzebował drugiego dla s w o ­ jej drugiej lutownicy.

Rysunek 3.10. Aby usunąć cynę z połączenia, możesz podgrzać ją, aż przejdzie w stan płynny, a następnie wciągnąć ją przez przystoso­ waną do tego celu gumową gruszkę

98

Rysunek 3.11. Podczas usu­ wania płynnej cyny można również posłużyć się m ie­ dzianą plecionką

Rysunek 3.12. Zestaw małych śrubokrętów je s t niezbędnym elementem wyposażenia

Rysunek 3.13. Bezpieczny i prosty stojak dla rozgrzanej lutow nicy

3. Wkraczamy głębiej

Miniaturowa piła ręczna (zalecana) Zakładam, iż swoje ukończone układy elektroniczne będziesz chciał umieścić w ładnie wyglądających obudowach. Żeby osiągnąć ten cel, będziesz potrzebował narzędzia do cięcia i kształtowania plastiku. Możesz dla przykładu potrzebować wyciąć kwadratowy otwór, aby umieścić w nim przycisk przełączający energię. Do tego celu nie nadają się narzędzia zasilane energią elektryczną, za to idealna będzie piła ręczna. Narzędzia tego typu najłatwiej można dostać w sklepach dla m odelarzy i artystów . Może to być nożyk piła firm y Stanley, dostępny w sklepie www.narzedziak.pl, lub uchw yty z w ym iennym i ostrzami w kom plecie o nazwie SKALPEL-SET (dostępne w sklepie www.tme.eu). Poszukaj również większej piłki, potrzebnej do cięcia płytek m ontażowych.

Imadło miniaturowe (zalecane) M iniaturowe im adło pozwala na wykonyw anie zadań, których nie można zrealizować przy użyciu statywu lutowniczego. Ja używam swojego imadła do cięcia kaw ałków plastiku, a także jako obciążnika unierucham iającego płytkę m ontażową, gdy nad nią pracuję. Patrz rysunek 3.15.

Rysunek 3.14. Firma X-Acto wyko­ nuje caiy szereg p il o bardzo małych ostrzach, które nadają się idealnie do wycinania prostokątnych otw orów w obudowach plastikowych

Szukaj im adeł odlewanych o rozstawie szczęk 3 cm lub w iększym . Dosta­ niesz je w sklepie www.narzedziak.pl. Szukaj także na www.allegro.pl i w sklepach dla a rtystów i modelarzy.

Gratownik (zalecany) G ratownik ściera i wygładza wszelkie ostre krawędzie (powstałe na przy­ kład po przepiłowaniu plastiku lub w yw ierceniu w nim otw oru), a także nieznacznie powiększa same otwory. Ta ostatnia funkcja jest przydatna, ponieważ niektóre części m ogą być produkowane w jednostkach innych niż metryczne, co może spraw ić trudności podczas ich montażu w otw o ­ rach w yw ierconych w iertłam i o grubościach podanych w m ilimetrach. Małe sklepy m etalowe w pobliżu Twojego dom u m ogą nie posiadać takich narzędzi w swojej ofercie. Spróbuj poszukać ich w dużych superm arketach budowlanych, a także na www.aiiegro.pl. Patrz rysunek 3.16.

Rysunek 3.15. Imadło miniaturowe

Fazownik (opcjonalny) Fazownik potrzebny jest do fazowania otw o ró w przeznaczonych pod śruby, tak aby te nie w ystaw ały ponad powierzchnię. Jeżeli użyjesz nawiertnika w połączeniu z wiertarką, będziesz m iał problem y z utrzym aniem dostatecz­ nej precyzji, zwłaszcza w iercąc w cienkim, m iękkim plastiku. Fazowniki ręczne, którym i posługujesz się podobnie jak śrubokrętam i, są łatwe do znalezienia. Na rysunku 3.17 przedstawiona została m ało spo­ tykana w ersja tego narzędzia, działająca na zasadzie korby (z dołączonym zestawem końcówek). Taki m echanizm pozwala na szybszą pracę.

Zestaw haczyków i igieł (opcjonalny) Produkowany przez firm ę Stanley i dostępny w sklepie www.amazon.com pod num erem części 82-115. Podobne i nieco tańsze zestawy powinieneś znaleźć w sklepach z narzędziami. Patrz rysunek 3.18.

Suwmiarka (opcjonalna) To narzędzie może wydawać się zbyteczne, ale przydaje się bardzo do pomiaru zewnętrznej średnicy okrągłych obiektów (na przykład średnicy gwintu śrub mocujących przełączniki lub potencjometry), a także wewnętrznej średnicy otwo­ rów (do której być może będziesz chciał wpasować przełącznik lub potencjometr).

Lista zakupów: Eksperymenty od 12 do 15

Rysunek 3.16. To zmyślne małe ostrze z bezpieczną zaokrągloną końcówką jednym pociągnięciem wygładza ostre krawędzie powstałe po piłow a­ niu. Może również powiększać otwory, których rozm iary są zbliżone do ocze­ kiwanych, ale jednak minimalnie mniejsze

99

Lubię suwmiarki firm y Mitutoyo. Model z dolnej półki (pokazany na rysunku 3.19) w pełni zaspokaja moje potrzeby. Zapewne znajdziesz również tańsze produkty tego typu od innych producentów, ale patrząc z perspektywy długiego czasu użytkowania tego narzędzia, może nie warto oszczędzać kosztem jego precyzji. Suwmiarki firm y Mitutoyo znajdziesz na www.allegro.pl, a także w sklepie www.amazon.com, chociaż nie w szyscy sprzedawcy oferują wysyłkę do Polski.

Rysunek 3.17. Tym fazownikiem obraca się ja k korbą, tworząc odpo­ wiednie ścięcie na początku otworu. Dzięki temu je s t on w stanie pom ie­ ścić główkę śruby

Rysunek 3.18. Zestaw haczyków i igieł przydaje się w wielu nieoczekiwanych sytuacjach

Rysunek 3.19. Suwmiarki mogą mieć wyświetlacz cyfrow y (umożliwiający czasem przeliczanie m ilim etrów na inne jednostki) lub analogowy, ja k ten pokazany tutaj. Mając suwmiarkę ze zwykłym wskaźnikiem wskazówko­ wym, nie m usisz m artw ić się wyczer­ paniem baterii

Zaopatrzenie Cyna lutownicza Cynę będziesz topił w celu trw ałego połączenia ze sobą dw óch elementów. Będziesz potrzebował cienkiej cyny, o grubości 0,5 m m , dla bardzo m ałych kom ponentów, a także trochę grubszej, rzędu 1 m m , dla m asywniejszych elementów. Nie kupuj cyny przeznaczonej do robót instalacyjnych (łączenia rur itp.), a także używanej w rzemiośle i jubilerstwie. Różne grubości cyny lutowniczej pokazane zostały na rysunku 3.20. Upewnij się, iż kupowana przez Ciebie cyna nie zawiera ołowiu. Rysunek 3.20. Szpulki z cyną o różnej grubości

Cyna przeznaczona dla elektroników jest zmieszana z kalafonią. Dzięki temu łatwiej łączy się ze sobą części. Dostaniesz ją bez problemu w każdym sklepie prowadzącym sprzedaż artykułów elektronicznych, a także na www.allegro.pl.

Będziesz potrzebował standardow ych przew odów do tw orzenia elastycznych połączeń z budow anym i przez sie­ bie układami. Szukaj drutu 0,5 m m 2 w czerwonej, czarnej i zielonej izolacji, m inim um 3 m etry z każdego koloru. Jeżeli będziesz chciał zainstalować alarm antywłam aniow y, który ukończym y podczas eksperym entu num er 15, będziesz potrzebował białego podwójnego drutu w białej izolacji, używanego m iędzy innym i do podłączania d om ow ych dzwonków. Przewody tego typu, sprzedawane na m etry lub w rolkach o określonej długości, kupić można w większości superm arketów budowlanych. O tym , jakiej długości przewodu będziesz potrzebował, zde­ cydujesz po zmierzeniu odległości pom iędzy zam ontow anym i czujnikam i m agnetycznym i.

100

3. Wkraczamy głębiej

Izolacja termokurczliwa Do użycia w połączeniu ze w spom nianą wcześniej opalarką. Będziesz potrzebował różnych rozm iarów w kolo­ rach w edług w łasnego uznania. Patrz rysunek 3.21. Sprawdź w pobliskich sklepach z elektroniką, a także na www. allegro.pl. Ceny m ogą znacznie różnić się od siebie. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby kupić izolację najtańszą.

Miedziane zaciski krokodylki Absorbują ciepło podczas lutowania delikatnych kom ponentów. Część o numerze 8 3 5 -5 0 1 849C dostępna w sklepie pl.mouser.com jest zaciskiem krokodylkow ym z miedzi o dużym w ym iarze i m aksym alnej absorpcji ciepła. W tym sam ym sklepie dostaniesz również mniejsze zaciski tego typu, użyteczne w przypadku kom ponen­ tó w o m iniaturow ych rozmiarach.

Rysunek 3.21. Nasuń izolację na połą­ czenie i podgrzej ją, używając opalarki. l/l/ ten sposób powstanie ciasna opa­ ska, doskonale izolująca to połączenie

Rysunek 3.22. Te małe zaciski absorbują ciepło, chroniąc kom ponenty podczas ich lutowania

Płytki szybkiego montażu Kiedy będziesz gotow y przenieść sw ój układ z płytki prototypowej do jego stałej lokalizacji, przylutujesz w szystko do płytki uniwersalnej, zwanej ró w ­ nież płytką szybkiego montażu. Będziesz potrzebował płytki posiadającej miedziane paski naniesione na jednej ze stron płytki. Ich układ powinien do złudzenia przypom inać paski ukryte w płytce prototypowej, dzięki czemu będziesz m ógł zachować taki sam układ kom ponentów podczas ich lutowania. Patrz rysunki 3.23 i 3.2 4 6. Do pew nych eksperym entów, jak ten o numerze 15, będziesz potrzebował płytek nieco większych. Do bardzo małych eksperymentów, podczas których będziesz łączył kom po­ nenty, używając wyłącznie ich wyprowadzeń, przyda Ci się płytka pozbawiona miedzianego nadruku łączącego otwory. Ja lubię system Twin Industries 7100 (dostępny w sklepie pl.mouser.com) lub Vectorbaord firm y Newark Electro­ nics, pokazany na rysunku 3.257. Płytkę tego typu można w miarę potrzeby pociąć na mniejsze elementy. Są również odmiany tych płytek posiadające metalową warstwę wokół każdego otworu. Nie potrzebujemy ich do naszych celów, ale z drugiej strony nie stanowią one również problemu.

Rysunek 3.23. Płytka perforowana posiada naniesiony wzór w postaci ścieżek i metalizacji w okół otworów. Umożliwiają one połączenie ze sobą kom ponentów przy m inim alnym ryzyku popełnienia błędu w połączeniach. Takiej płytki użyjesz, kiedy będziesz gotowy do stworzenia trw ałej wersji swojego projektu

6 Znalezienie na naszym rynku płytek identycznych do tych, jakie proponuje autor, może okazać się niemożliwe. W takiej sytuacji najlepiej poszukać płytki podobnej. Bogaty wybór płytek szybkiego montażu oferują następujące sklepy: elektronika-sklep.pl i www.centrumelektroniki.pl— przyp. tłum. 7 Produkty firm y Newark Electronics spotkać można w serwisie eBay. Ze względu na wysoki koszt wysyłki warto poszukać zamienników w serwisie www.ailegro.pl — przyp. tłum. Lista zakupów: Eksperymenty od 12 do 15

101

Rysunek 3.24. Przykład większej płytki montażowej, o układzie połączeń podobnym do płytki prototypow ej

Rysunek 3.25. Zwykła płytka perforo­ wana (bez ścieżek miedzianych) może być użyta do połączenia komponentów poprzez ich własne wyprowadzenia i dodatkowe przewody

Rysunek 3.26. M ały fragm ent płytki perforow anej z miedzianą metalizacją w okół każdego otworu. Ułatwiają one montowanie części do płytki

Drewniana podkładka Podczas pracy z rozgrzaną cyną jej gorące krople będą spadać na stót lub biurko, przy którym pracujesz. Cyna niemal natychm iast zastyga i staje się trudna do usunięcia, a po usunięciu pozostawia ślady na powierzchni. Dla bezpieczeństwa najlepiej zabezpieczyć m iejsce sw ojej pracy, układając na nim płytę w ió ro w ą lub sklejkę o w ym iarach 0,5 x 0,5 m. Możesz ją kupić w dow olnym superm arkecie budowlanym .

Śruby Do zam ocow ania części z tyłu panelu przydadzą się śruby. Będziesz potrzebował śrub o m ałych rozmiarach. W yglądają one dobrze, jeśli ich łebki są płaskie i dobrze kom ponują się z sam ym panelem. Sugeruję zakup śrub nierdzewnych M3 o długości 1 2 ,1 6 , 20 i 25 m m , 100 sztuk z każdego rozmiaru, plus 400 podkładek i 400 nakrę­ tek M 3 z nylonow ym kołnierzem zapobiegającym poluzowaniu. Śruby, nakrętki i podkładki można kupić tanio na wagę w dużych superm arketach budowlanych.

Obudowy Obudowa to nic innego jak małe (zwykle plastikowe) pudełko ze zdejm ow aną pokryw ą. Przełączniki, potencjo­ m etry i diody świecące m ontujesz w otw orach w yw ierconych samodzielnie w obudowie, natom iast sam obw ód zm ontow any na płytce perforowanej wędruje do jej środka. Szukaj w sklepach www.tme.eu i www.elektronikasklep.pl, w działach „O bu dow y” . Będziesz potrzebował obudów o w ym iarach mniej więcej 15 na 10 cm i w yso kości około 5 cm (przykładem może być część o sym bolu KM -50 w sklepie www.tme.eu). Sugeruję zakup obu dów w kilku różnych rozmiarach, przy­ dadzą się w przyszłości.

102

3. Wkraczamy głębiej

Części Wtyki, gniazda zasilające i ztączki Po ukończeniu projektu i umieszczeniu go w obudowie będziesz potrze­ bow ał sposobu na dostarczenie mu energii. Kup parę izolow anych gniazd, takich jak część o numerze 4 0 -0 1 6 -2 4 w sklepie w w w .e lfa e le k tro n ik a .p l (patrz rysunek 3.27). Zaopatrz się również w gniazdo zasilające i w ty k typu ja ck (na przykład o sym bolach FC681445 i FC68147, dostępne w sklepie w w w .tm e .e u ). Patrz rysunek 3.28. W końcu, będziesz również potrzebował złączek o rozmiarze pasującym do otworów płytki perforowanej, w której otwory rozstawione są co 2,54 mm. Są one czasem nazywane „złączkami jednorzędowymi” lub „złączkami do druku” . Występują w postaci 36-stykowej lub większej. Możesz je łamać, tworząc złącza pasujące do Twoich potrzeb. Przykładowe części tego typu to produkty firm y 3M o numerach 929974-01-36-RK i 929834-01-36-RK, dostępne w sklepie p l.m o user.com . Dostaniesz je w sklepach z częściami elektronicznymi. Rysunek 3.29 pokazuje złączkę przed podzieleniem i po podzieleniu na mniejsze sekcje. Przed zakupem upewnij się, iż nóżki złączki mają rozstaw 2,54 mm.

Rysunek 3.27. Końcówki tego typu umożliwiają stworzenie pewnego połączenia z przewodam i posiadają­ cym i odizolowane końce. Są również dostępne w kolorze czarnym

Bateria Jeśli będziesz chciał praktycznie w ykorzystać projekt, który dop row adzim y do końca pod koniec tego rozdziału (po skończeniu eksperym entu num er 15), będziesz potrzebował baterii 12-w oltow ej. Poszukaj jej w sieci, w p is u ­ jąc b a t e r i a 12 V lub a k u m u l a t o r 12 V, a znajdziesz całkiem sporo produktów tego typu m ożliw ych do w ielokrotnego ładowania i przeznaczo­ nych do system ó w alarm ow ych. W ym iary niektórych z nich m ogą być bar­ dzo małe (rzędu 2 , 5 x 5 x 1 0 cm ) i w miarę tanie. Do akum ulatora będziesz potrzebował również ładowarki, za którą zapłacisz mniej więcej rów now ar­ tość ceny akumulatora.

Rysunek 3.28. Gniazdo po prawej stronie może zostać zamontowane na ścianie obudowy, aby odbierać zasila­ nie z wtyczki po lewej stronie

Przełączniki i przekaźniki Będziesz potrzebował przekaźnika DPDT i takiego sam ego przełącznika SPDT, który w sp om n iany został w liście zakupów z rozdziału drugiego. Do eksperym entu num er 15 będziesz potrzebował przełączników m agne­ tycznych, które można przym o cow ać do drzwi i okien. W pisz w w yszuki­ warce hasła k o n t a k t r o n d r z w i ow y lub k o n t a k t r o n y do o k i e n , a z pew nością znajdziesz artykuły tego typu. Będziesz również potrzebował przełącznika przyciskanego typu ON-(ON) z sty­ kami do lutowania. Może to być na przykład model MB2061SS1W01 -RO firm y NKK, dostępny w sklepie p l.m o u se r.c o m (z opcjonalnym kapturkiem). Szukaj również w innych sklepach internetowych, wpisując p r z y c i s k DPDT.

Rysunek 3.29. Złączki jednorzę­ dowe typu żeńskiego (u góry) i typu męskiego (w środku) pozwalają na tworzenie połączeń typu wtyczkagniazdko o bardzo m ałej powierzchni na płytkach drukowanych. Można je dzielić przez cięcie lub łamanie na mniejsze segm enty (u dołu). Poszcze­ gólne wyprowadzenia są oddalone od siebie o 2,54 m m

Diody Kup m inim um 6 czerw onych diod o rozmiarze 5 m m przeznaczonych dla napięcia około 2 V. Może to być na przykład m odel o numerze czę­ ści 7 5 -1 0 7 -5 8 w sklepie w w w .e lfa e le k tro n ik a .p l lub dioda o sym bolu SSLLX5093IT firm y Lumex, dostępna w sklepie p l.m o u s e r.c o m . Kup również 6 podobnych diod w kolorze zielonym. Dodatkowo będziesz potrzebował diody sygnałowej, typu 1N4001 (dow ol­ nego producenta). Rysunek 3.30 pokazuje diodę tego typu w dużym powiększeniu. Są one bardzo tanie i z dużym praw dopodobieństw em przy­ dadzą się w przyszłości. Proponuję zakup 10 sztuk. Lista zakupów: Eksperymenty od 12 do 15

Rysunek 3.30. Pokazana dioda

1N4001 ma około p ó ł centymetra dłu­ g ości i może wytrzymać do 50 V

103

Głośnik •

A

Aby ukończyć projekt podczas eksperym entu num er 15, będziesz potrzebował odpowiednio matego głośnika, aby zm ieścić go w obudo­ wie, ale jednocześnie głośniejszego niż 3-centym etrowy, którego uży­ wałeś poprzednio. Powinien m ieć średnicę około 6 cm . Jeżeli jesteś w stanie znaleźć głośnik 100 f i , uzyskasz lepszy efekt, ale równie dobry będzie głośnik 8 f i .

...................

■ Lutownice nagrzewają się ! bardzo mocno | P rzestrzegaj pon iższych p o d s ta w o i w ych zasad:

\ Używaj odpowiedniej podstawki (na i przykład będącej częścią Twojego sta1 tywu lutowniczego) do przechowywania \ lutownicy. Nie pozostawiaj je j w pozycji i leżącej gdzieś na biurku lub stole. i Je żeli w Twoim d o m u znajdują się i m ałe d zie ci lub zw ierzęta, pam iętaj, 1 że m o gą one p ró b o w a ć b aw ić się , lutow n icą lub kablem dop ro w a d za i ją c y m energię. M o gą w ten sp o só b

Eksperyment 12: Łączenie dwóch przewodów w jeden Twoja przygoda z lutow aniem zacznie się od prostego zadania połączenia jednego przewodu z drugim , ale później przejdziesz bardzo szybko do s tw o ­ rzenia całego układu elektronicznego na płytce z otw oram i. Zaczynamy. Potrzebne będą:

1 zra nić siebie lub Ciebie.

•

lutow nica 30- lub 40-w atow a,

i Z w ra caj uwagę, a b y nie dotykać roz1 g rzan ym ko ń ce m lu to w n ic y kabla i dosta rcza ją ceg o je j energię. Po i ro zto pie n iu p la stik u m e ta lo w y g ro t

•

m ała lutow nica 15-w atow a,

•

cienka cyna lutownicza (średnicy 0,5 m m lub podobnej),

•

średniej grubości cyna lutow nicza (średnicy 1 m m lub podobnej),

1 d o p ro w a d ziłb y do zw arcia d o m o w e j , in sta la cji elektrycznej.

•

szczypce do cięcia drutu i zdejm owania izolacji,

•

statyw lutow niczy do przytrzym ania przedm iotu Twojej pracy,

1 J e ś li u p u śc is z lutow nicę, nie p ró b u j i być bohaterem , łap iąc ją w locie. i N ajp ra w d o p o d o b n ie j złap iesz ją za 1 czę ść rozgrzaną, co bardzo z a b o li , (m ó w ię z dośw iadczenia). Po p o p a i rżeniu rę ki instynkto w n ie p u ś c is z 1 ją p onow nie. S tąd ró w n ie dobrze

\ m o żesz p o zw o lić je j o d razu upaść i na p od ło gę , bez p o ś re d n ie g o kroku 1 oparzenia w łasnego ciała. Oczy| w iście, kied y upadnie, p ow inie n eś i n a tych m ia s t p o d n ie ść ją z p o w ro 1 tem , ale re zerw u ją c so bie niezbędny ! czas na przem yślenie, za k tó ry i ko nie c ch w y cić ją na podłodze. , Pamiętaj, że inne osob y w Twoim i dom u są bardziej narażone na ryzyko 1 wyrządzenia sobie krzyw dy lutow nicą | niż Ty sam. Ty wiesz, że je s t ona rozi grzana, ale in n i nie muszą tego wie1 dzieć. W iększość lutow n ic nie posiada | lam p ki inform u jące j o je j podłączeniu i do prądu, dlatego zakładaj zawsze, że i lutow nica je s t włączona, naw et je ś li ' je j wtyczka je s t odłączona. Lutownica i m oże utrzym yw ać tem peraturę p ow o i dującą poparzenie na długo po odłą1 czeniu o d prądu.

104

•

izolacja term okurczliw a o różnych średnicach,

•

opalarka,

•

coś do ochrony Twojego m iejsca pracy przed rozgrzanymi kroplami cyny.

Twoje pierwsze połączenie lutowane Zaczniem y od użycia lu tow nicy codziennego użytku, czyli tej o m ocy 30 lub 40 W. Podłącz ją do prądu, końców kę um ieść w stojaku na lutow nicę i znajdź sobie inne zajęcie na następne 5 minut. Jeżeli zaczniesz używać lutownicy, nie dając jej czasu na pełne rozgrzanie, tw orzone przez Ciebie połączenia nie będą pewne. Zdejmij izolację z końcó w dw óch drutów 0,5 m m 2 i zam ocuj je w statywie lutow niczym tak, aby ich odizolowane końcówki krzyżowały się ze sobą. Patrz rysunek 3.31. Upewnij się, że lutow nica jest gotow a do pracy, topiąc m ałą porcję cyny dotknięciem rozgrzaną końców ką grota. Cyna pow inna stopić się natych­ m iastow o. Jeżeli topi się powoli, lutow nica nie jest jeszcze dostatecznie rozgrzana.

3. Wkraczamy głębiej

W ykonaj teraz kroki opisane poniżej (pokazane na rysunkach od 3.32 do 3.36): 1. Upewnij się, iż końców ka grota jest czysta (w miarę potrzeby w ytrzyj ją w w ilgotną gąbkę będącą częścią podstaw ki pod lutow nicę), a następnie na m niej więcej 3 sekundy dotknij nią m iejsca, gdzie stykają się ze sobą oba przewody, aby je podgrzać. Jeżeli masz tw ardą wodę w kranie, używaj w o dy destylowanej do zwilżania gąbki. W ten sposób na grocie nie będzie odktadat się kamień. 2. Utrzymując lutow nicę w tej pozycji, przytóż trochę cyny do m iejsca złączenia przewodów, tam gdzie dotykasz w łaśnie grotem lutownicy. W efekcie cyna, dw a łączone przew ody i grot lu tow nicy pow inny spotkać się w jednym m iejscu. W ciągu dw óch kolejnych sekund odsłonięte kawałki przew odów pow inny pokryć się cyną. 3. Odsuń lutow nicę i cynę. Dm uchnij na połączenie, aby je ochłodzić. Po 10 sekundach pow inno być dostatecznie chłodne, aby m ożna było go dotknąć.

Rysunek 3.31. Dwa przewody z odizo­ lowanymi końcam i umieszczone w sta­ tywie lutowniczym. Dla większej przej­ rzystości ze statywu zdjęte zostało szkło powiększające

4. Odepnij przew ody z zacisków i szarpnij nimi, aby przekonać się, czy jesteś w stanie je rozłączyć. Użyj siły! Jeżeli pom im o Twoich największych w y s iłk ó w przewody pozostają złączone, są połączone elektrycznie i pow inny pozostać w takim stanie. Jeżeli nie zrobiłeś dobrego połączenia, powinieneś z ła tw ością oddzielić oba przew ody od siebie. Prawdopodobne przyczyny takiego stanu rzeczy to zbyt niska tem peratura lub za m ała ilość cyny użyta w trakcie lutowania. Chciałem, abyś zaczął od lutow nicy o większej mocy, ponieważ dostarcza ona więcej ciepła, co ułatwia pracę.

Rysunek 3.32

Rysunek 3.33

Rysunek 3.35. Ten i poprzednie trzy rysunki ilustrują cztery kroki tworze­ nia połączenia lutowanego: podgrzanie drutów, przyłożenie cyny bez odrywania grota dostarczającego ciepło, odcze­ kanie do m om entu roztopienia cyny i w końcu odczekanie do zastygnięcia kropli cyny. Cały proces powinien zająć od 4 do 6 sekund

Eksperyment 12: Łączenie dwóch przewodów w jeden

Rysunek 3.34

Rysunek 3.36. Gotowe połączenie powinno być błyszczące, jednolite, o okrągłym kształcie

105

TEORIA Mity odnośnie lutowania M it 1: Lutowanie jest bardzo trudne Miliony osób nauczyło się lutować, a statystycz­ nie rzecz biorąc, nie ma podstaw, aby zakładać, iż masz mniejszą koordynację ruchową niż większość z nich. Ja przez większość mojego życia cierpię na schorzenie powodujące drżenie dłoni, które spra­ wia, iż mam problemy z utrzymaniem w bezruchu małych przedmiotów. Brakuje mi również cierpliwo­ ści przy wykonywaniu powtarzających się precy­ zyjnych czynności. Więc skoro ja potrafię lutować komponenty, każdy powinien być w stanie to robić.

M it 2: Lutowanie wymaga użycia szkodliwych chemikaliów Używana obecnie cyna lutow nicza nie zawiera ołowiu. Powinieneś unikać w dychania jej oparów

przez dłuższy czas, ale ta sam a reguła obow ią­ zuje dla produktów codziennego użytku, takich jak wybielacz czy farba. G dyby lutowanie stano­ w iło znaczące zagrożenie dla zdrowia, już dawno tem u ktoś zauważyłby w ysoki odsetek zgonów w śród hob bystów elektroników.

M it 3: Używanie lutownicy jest niebezpieczne Lutow nica jest mniej groźna od żelazka, którego używasz do prasowania koszul, ponieważ dostar­ cza m niejszą ilość ciepła. Z m ojego dośw iadcze­ nia wynika, iż lutowanie jest mniej niebezpieczne niż spora część czynności w ykonyw anych w ty p o w y m gospodarstw ie d om ow ym lub przy­ d o m ow ym warsztacie. Ta uwaga nie zwalnia jed­ nak z obowiązku zachowania ostrożności.

Alternatywy dla lutowania Już w latach pięćdziesiątych XX wieku połączenia w ew nątrz urządzeń elektrycznych, takich jak odbior­ niki radiowe, były lutowane ręcznie przez pracow ni­ ków na liniach m ontażow ych. Jednak rozwój central telefonicznych w ytw o rzył potrzebę szybszego tw o ­ rzenia dużej liczby błyskaw icznych i pew nych połą­ czeń m iędzy dow olnym i dw om a punktami. Skutecz­ nym rozwiązaniem okazały się połączenia owijane (ang. wire wrap). W projektach elektronicznych w ykorzystujących połączenia owijane kom ponenty m ontowane są na płytce drukow anej posiadającej wysokie, pozłacane prostokątne bolce o zaostrzonych końcach, w y s ta ­ jące z jej dolnej strony. Do połączeń używ any jest specjalny posrebrzany drut. Specjalne narzędzie, ręczne lub napędzane elektrycznie, zawija odizo­ lowaną część przewodu w o k ó ł wybranego bolca, w yw ierając dostatecznie dużą siłę, aby spoić „na zim n o ” m iękką w arstw ę srebra z bolcem . Sam pro­ ces zawijania pozwala stw orzyć dob ry kontakt elek­ tryczny, tym bardziej że zazwyczaj w yko nyw an ych jest od 7 do 9 owinięć, a każde z nich powoduje dotknięcie czterech krawędzi bolca.

106

W latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych ten system został zaadaptowany przez hobbystów budują­ cych swoje własne komputery. Rysunek 3.37 pokazuje przykładową płytkę drukowaną zbudowanego ręcznie komputera. Ta sama technika została użyta przez NASA do zbudowania komputera w pojeździe kosmicznym programu Apollo, który poleciał na Księżyc. Dzisiaj ta technika ma niewiele zastosowań komercyjnych.

Rysunek 3.37. Połączenia owijane w zbudowanym przez Steve’a Chamberlina 8-biłow ym procesorze i komputerze. Stworzenie takiej sieci połączeń w tamtych czasach przy użyciu lutowania byłoby niezwykle czasochłonne i podatne na błędy. Zdjęcie zaprezentowane dzięki uprzejm ości Steve’a Chamberlina

3. Wkraczamy głębiej

TEORIA Alternatywy dla lutowania (ciąg dalszy) Szeroko rozpowszechnione w przem yśle kom po­ nenty przewlekane przez o tw o ry takie jak układy sca­ lone w pierw szych kom puterach dom ow ych, w p ły ­ nęły na rozwój lutowania na fali stojącej. Technika ta polega na w ytw orzeniu fali lub w odospadu z roz­ topionej cyny i przesuwaniu nad nią podgrzanej płytki z obw odem drukow anym , do której w staw ione zostały wszystkie komponenty. Odpowiednia maska

na pow ierzchni płytki zapobiega przyklejaniu cyny w m iejscach, w których jest ona niepożądana. Jeszcze nowsza technika polega na m ontowaniu powierzchniowo komponentów, których rozmiary są mniejsze od ich odpowiedników przewlekanych. Każda część jest przyklejana do płytki pokrytej pastą lutow ni­ czą, następnie cały układ jest podgrzewany, co pow o­ duje stopienie pasty i stworzenie trw ałych połączeń.

NARZĘDZIA Osiem najczęstszych błędów związanych z lutowaniem: 1. Za niska temperatura Połączenie wygląda dobrze, ale ponieważ nie użyłeś dostatecznie dużej tem peratury pod­ czas lutowania, cyna nie stopiła się dostatecznie dobrze, aby zm ienić sw oją w ew nętrzną struk­ turę m olekularną. Pozostała w form ie granulkowej, zam iast przejść w stan całkow icie zwarty. Powstał tak zwany „zim ny lut” , który rozpad­ nie się, kiedy pociągniesz przew ody w przeciw ­ nych kierunkach. Podgrzej ponownie połączenie i dodaj nowej cyny. W iodącą przyczyną niedostatecznie podgrza­ nej cyny jest pokusa dołożenia jej do połą­ czenia bezpośrednio z grota lutownicy. Powo­ duje to, że chłodne przewody obniżają tem pe­ raturę cyny. Powinieneś w pierwszej kolejności dotknąć przew odów i podgrzać je, a dopiero potem dodać cynę. Dzięki tem u przewody będą gorące i pom ogą w stopieniu cyny, która ma do nich przywrzeć. Ponieważ jest to powszechnie spotykany pro­ blem, powtórzę jeszcze raz: Nigdy nie top cyny

na czubku grota w celu dołożenia jej następnie do połączenia. Twoim celem nie jest dołożenie gorącej cyny do zim nych przewodów, ale zimnej cyny do rozgrza­ nych przewodów.

Eksperyment 12: Łączenie dwóch przewodów w jeden

2. Za w yso ka temperatura Nie stanowi ona zagrożenia dla sam ego połącze­ nia, ale dla w szystkiego, co znajduje się blisko niego. Izolacja w inylo w a ulegnie stopieniu, uw i­ daczniając nagie przewody, co zwiększy ryzyko zwarcia. Możesz uszkodzić lub wręcz stopić pół­ przewodniki, a także w ewnętrzne plastikowe czę­ ści przekaźników i łączników. Uszkodzone kom ponenty muszą zostać wylutowane, co zajmie czas i może okazać się bardzo kłopotliwe (zobacz „Narzędzia. Rozlutowywanie”). 3. Zbyt m ało cyny Cienkie połączenie pom iędzy dw om a przew odni­ kami może nie być dostatecznie m ocne. Łącząc dw a przewody, sprawdź zawsze pod ich spodem, czy cyna dostała się w e wszystkie miejsca. 4. Przesuwanie łączonych elem entów przed zastygnięciem cyny W ten sposób możesz stw orzyć niewidoczne pęknięcie pom iędzy dw om a przewodnikam i. Być może nie będzie ono stanow iło przeszkody w przewodzeniu tego połączenia, ale w przy­ szłości, pod w p ływ e m w ibracji lub tem peratury pracy, doprowadzi do zwiększenia przerw y m ię­ dzy elementami i utraty kontaktu elektrycznego. Uszkodzenia tego typu często byw ają trudne do wyśledzenia. Unikniesz tego problemu, m ontując łączone elementy w zaciskach lub umieszczając je w otw orach płytki perforowanej.

107

NARZĘDZIA Osiem najczęstszych błędów związanych z lutowaniem (ciąg dalszy): 5. Brud i zatfuszczenie Cyna do celów elektrycznych zawiera kalafonię, która oczyszcza lutowaną powierzchnię. M im o to inne zanieczyszczenia m ogą uniem ożliwić stworzenie trw ałego połączenia. Jeżeli element w ygląda na zanieczyszczony, oczyść go papie­ rem ściernym przed lutowaniem 6. Węgiel na czubku grota Grot stopniow o pokryw a się czarnym i „pieg am i” w ęglow ym i, które tw orzą barierę dla przepływu ciepła. Czyść końcówkę grota na gąbce przym o­ cowanej do statyw u lub podstawki lutowniczej.

gdzie nie jesteś w stanie uchw ycić połączonych elementów palcami, wetknij pod nie ostrze śrubo­ kręta i spróbuj je lekko wygiąć, ewentualnie pocią­ gnij je m ałym i szczypcami. Nie przejmuj się m ożli­ w ością zniszczenia swojej pracy. Połączenie, które nie przetrwa takiego testu, nie było dobre. Najgorsze spośród ośm iu w ym ienionych błędów są suche/zim ne luty, ponieważ można je w ykonać z dużą ła tw ością i na pierw szy rzut oka wyglądają dobrze.

7. Niewłaściw e materiały Cyna lutow nicza jest przeznaczona do części elektronicznych. Nie nadaje się do łączenia alu­ m inium , stali nierdzewnej i innych materiałów. Będziesz w stanie zm usić ją do połączenia z ele­ m entami chrom ow anym i, ale nie będzie to łatwe. 8. Brak sprawdzenia skutecznego połączenia Nie zakładaj, że wykonane połączenie jest dobre. Jeśli jest to możliwe, wykonaj praktyczny test, używając odpowiedniej siły (idealny sposób postępowania pokazują rysunki 3.38 i 3.39). Tam,

Rysunek 3.38. Wynik testu na źle wykonanym połączeniu lutowanym

Rysunek 3.39. Wynik testu na dobrze wykonanym połączeniu lutowanym

Twoje drugie połączenie lutowane W ypróbuj teraz sw oją m niejszą lutownicę. Ponownie m usisz podłączyć ją do prądu i pozostaw ić na pięć minut, aby mieć pew ność, że jest dostatecznie dobrze rozgrzana. W tym czasie nie zapomnij w yłączyć z prądu drugiej lutow nicy i odłożyć jej w bezpieczne miejsce, gdzie będzie m ogła ostygnąć. Tym razem chciałbym , abyś ułożył przewody równolegle do siebie. Połączenie ich w takiej pozycji jest odrobinę tru d ­ niejsze niż w sytuacji, kiedy się krzyżują, ale ta um iejętność jest niezbędna. W przeciw nym razie nie będziesz w stanie w sunąć izolacji term okurczliw ej i zabezpieczyć połączenia. Sposób w ykonania takiego połączenia pokazują rysunki od 3.40 do 3.44. Końcówki przew odów nie m uszą się ze sobą całkow icie stykać, cyna uzupełni małe przerwy. Druty m uszą być jednak dostatecznie gorące, aby stopić cynę, a to może zająć kilka dodatkow ych sekund, zwłaszcza kiedy używasz lu tow nicy o m niejszej mocy. Pamiętaj, aby nakładać cynę tak, jak zostało to pokazane na zdjęciu. Nie próbuj nanosić cyny z końcówki grota. Zacznij od podgrzania łączonych drutów, a następnie dotknij ich i grota cyną (nie odryw ając grota od drutów ). Poczekaj, aż cyna się roztopi, a zobaczysz, jak chętnie w p ły w a ona m iędzy łączone końcówki. Jeśli tak się nie dzieje, w ykaż cier­ pliw ość i nagrzej przewody dłużej.

108

3. Wkraczamy głębiej

Rysunek 3.40

Rysunek 3.41 Rysunek 3.43. Ten i trzy poprzednie rysunki poka­ zują sposób łączenia ze sobą dwóch przew odów ułożonych równolegle. Stosując lutow ­ nicę o m niejszej mocy, należy pamiętać, aby odpowiednio długo nagrzewać ją do osią­ gnięcia odpowiedniej tempera­ tury. Można użyć cieńszej cyny

Rysunek 3.42 Rysunek 3.44.

Gotowe połączenie ma wystarczająco dużo cyny zapewnia­ jące j solidność, ale jednocześnie pozwala na nasunięcie izolacji term okurczliwej

TEORIA Teoria lutowania Im lepiej będziesz rozum iał proces lutowania, tym łatwiej będzie Ci robić dobre połączenia lutowane. Koniec grota lutow niczego jest gorący, a Ty chcesz przenieść to ciepło do tw orzonego połączenia. W takiej sytuacji możesz traktow ać ciepło jak płyn. Im większe połączenie pom iędzy grotem i lu tow anym m iejscem, tym większa ilość ciepła jest w stanie przepłynąć przez nie w ciągu sekundy. Dlatego powinieneś tak dobierać kąt, pod którym przykładasz grot do lutowanej powierzchni, aby kontakt odb yw ał się przy jak największej powierzchni. Jeżeli grot jedynie m inimalnie dotyka drutów, ogranicza to znacznie przepływ ciepła. Ilustrują to rysunki 3.45 i 3.46. Kiedy cyna zaczyna topnieć, poszerza powierzchnię kontaktu, co pozwala na w ięk­ szy transfer ciepła i sam oczynne przyspieszenie całego procesu. Naj­ trudniejszą rzeczą jest zainicjowanie całego procesu. Przepływ ciepła ma to do siebie, że czasem może doprow adzić do jego ucieczki z miejsca, w którym go potrzebujesz, i pojawienia się w m iejscu zupełnie nieoczekiwanym . Zlutowanie bardzo grubego przewodu może okazać się niemożliwe, ponieważ on sam nie nagrzewa się w ystarcza­ jąco m ocno, aby stopić cynę — m asyw ny przewód przewodzi ciepło, pow odując jego ucieczkę z m iejsca lutowania. Nawet 4 0-w a tow a lu to w ­ nica nie wystarczy, aby pokonać ten problem. W takiej sytuacji pozostaje zaopatrzyć się w narzędzie o jeszcze większej mocy. Przyjmij ogólną zasadę: Jeśli nie jesteś w stanie w ykonać połączenia lutowanego w 10 sekund, przykładasz zbyt małą ilość ciepła.

Eksperyment 12: Łączenie dwóch przewodów w jeden

Rysunek 3.45. Przy bardzo m ałej pow ierzchni kontaktu pom iędzy koń­ cówką grota i lutowaną pow ierzch­ nią przekazywana je s t niewystarcza­ jąca ilość ciepła

Rysunek 3.46. Większa pow ierzch­ nia kontaktu pom iędzy grotem i luto­ waną powierzchnią znacznie zwięk­ szy ilość przekazywanego ciepła

109

NARZĘDZIA Rozlutowywanie Rozlutowywanie jest znacznie trudniejsze od lutowania. M ogą w nim pom óc dw a narzędzia:

•

Pompka odsysająca. Zaczynasz od rozpuszczenia cyny do postaci płynnej, a następnie używasz tego prostego gadżetu, aby odessać jak największą jej porcję. Zazwyczaj nie uda Ci się usunąć dostatecznie dużo metalu, aby połączenie zostało przerwane, i będziesz m usiał pow tó rzyć próbę. Patrz rysunek 3.10.

•

Taśma lub plecionka do odsysania cyny. Jej zadaniem jest całkow icie w ch łoną ć cynę z połączenia, ale i tym razem nie uda się osiągnąć stuprocentow ego efektu. Znajdziesz się w nietypowej sytuacji, w której będziesz dłońm i próbow ał rozłączyć dw a elementy, jednocześnie dostarczając im ciepła, aby zapobiec zastygnięciu cyny. Patrz rysunek 3.11.

Nie m am zbyt wiele do dodania odnośnie rozlutowywania. Jest to, przynajmniej w m ojej opinii, dosyć fru s tru ­ jące doświadczenie, które może doprow adzić do nieodwracalnego uszkodzenia kom ponentów.

-

A Opalarki również bywają gorące! Zw róć uw agę na chrom ow aną o budow ę w ylotu opalarki. Stal je s t droższa o d plastiku, stą d w niosek, iż p ro d u c e n t u m ie ś c ił tam m etalow ą część nie bez pow odu. Ten p o w ó d to p o w ie ­ trze, które rozgrzew a się do te m ­ p e ra tu ry to p ią ce j plastik. M etalow a tuba je s t nagrzana do tego stopnia, iż je s t w stanie p op a rzyć Cię jeszcze kilka m in u t p o je j użyciu. Inne o s o b y i z w ie ­ rzaki d om o w e, nie św ia d o m e sto p n ia rozgrzania tego narzę­ dzia, są narażone na nie b e zpie ­ czeństw o. Najw ażniejsza rzecz, którą m u sisz uczynić, to u p e w ­ n ić się, iż n ik t w Twoim d o m u nie użyje n ig d y opalarki, zakładając błędnie, że je s t to suszarka do w ło s ó w (rysu ne k 3 .47). To narzędzie je s t tro ch ę b ard ziej niebezpieczne, n iż wygląda to na p ie rw s z y rz u t oka.

110

Dodawanie izolacji Kiedy osiągniesz sukces w tworzeniu dobrych liniow ych połączeń dw óch prze­ w odów , będziesz m ógł przystąpić do części łatwiejszej. W ybierz koszulkę ter­ m oizolacyjną, której rozmiar jest wystarczająco duży, aby w sunąć w nią połą­ czenie z zachowaniem małego luzu.

Rysunek 3.47. Inni członkowie Twojej rodziny pow inni m ieć świadomość, że wygląd opalarki — przypom inający suszarkę do w ło s ó w — je s t mylący

Przesuń izolację w taki sposób, aby miejsce złączenia w ypadło w jej środku, a następnie umieść całość przed wylotem opalarki i włącz jej zasilanie (trzymając palce z dala od strumienia gorącego powietrza). Obróć przewód tak, aby został podgrzany ze wszystkich stron. Jeśli nadmiernie podgrzejesz izolację, skurczy się ona tak bardzo, iż popęka. W takiej sytuacji będziesz m usiał ją usunąć i zacząć od nowa. W chwili kiedy izolacja utworzy ciasną opaskę w o kół przewodu, zadanie jest skończone — nie ma potrzeby dalej rozgrzewać przewodu. Pożądany w ynik pokazują rysunki od 3.48 do 3.50. Dla większego kontrastu na zdjęciach użyłem białej izolacji. Izolacje w innych kolorach są równie dobre.

3. Wkraczamy głębiej

Rysunek 3.48. Nasuń izolację na miejsce złączenia dwóch przew odów

Rysunek 3.49. Podgrzej izolację

Rysunek 3.50. Kontynuuj podgrzewanie do momentu, kiedy izolacja ciasno opasa m iejsce złączenia

Sugeruję, abyś p oćw iczył sw oje um iejętności lutowania, w ykonując dw a praktyczne projekty. W ramach pierwszego możesz dodać do sw ojego zasilacza kolorowe druty określające dodatni i ujem ny biegun, w ramach drugiego możesz skrócić kabel zasilacza sw ojego laptopa. Ponieważ w obu zadaniach nie w ystępują elementy czułe na ciepło, do ich realizacji lepiej będzie użyć lutow nicy o większej mocy.

Modyfikacja zasilacza W poprzednim rozdziale w spom niałem , że nie ma m ożliw ości wetknięcia prze­ w o d ó w zasilacza w otw o ry płytki prototypowej. S próbujm y rozwiązać ten problem: 1. Utnij dw a kawałki drutu 0,5 m m 2 — jeden czerwony, a drugi czarny. Każdy powinien m ieć około 5 cm długości. Zdejmij około 0,5 cm izolacji z obu końców przewodów. 2. Przytnij przewód ze sw ojego zasilacza. M usisz dostać się do świeżej, czystej linki miedzianej. W ten sposób będziesz m iał największą szansę stw orzyć m ocne połączenie lutowane.

-

A

Dobór odpowiedniej izolacji termokurczliwej Jeśli chcesz użyć izolacji termo­ kurczliwej na przewodzie 230 V, jak będzie to miało miejsce pod­ czas eksperymentu numer 6, upewnij się, że wybrana przez Ciebie izolacja przeznaczona jest dla napięcia 230 V.

Sugeruję skrócenie jednego z przew odów w celu zm inim alizow ania szansy zetknięcia się ze sobą odizolowanych końcówek, co s pow odow a­ łoby zwarcie. Jeśli nie jesteś pewien, który przewód jest dodatni, określ to, używając swojego m iernika ustawionego na pom iar napięcia stałego. Zlutuj przewody, a następnie dodaj izolację term okurczliw ą, tak jak robiłeś to w trakcie w cze śniejszego ćwiczenia. W ynik Twojej pracy pow inien przypom inać ten przedstaw iony na rysunku 3.51.

Skracanie przewodu zasilającego Kiedy podróżuję, lubię w szystko m inim alizow ać. Irytuje mnie zawsze to, że kabel zasilający do m ojego laptopa m a ponad m etr długości. Cieńszy przewód łączący zasilacz z kom pute­ rem ma również ponad m etr długości — za dużo jak na moje potrzeby. Rysunek 3.51. Kolorowe druty jednożyłowe, przylutowane do przew odów wychodzących z zasilacza, umożliwiają łatwe zasilenie płytki prototypowej. Zwróć uwagę, iż ich długości są różne, co zapobiega ryzyku ich przypadko­ wego zwarcia

Eksperyment 12: Łączenie dwóch przewodów w jeden

111

Po długich poszukiwaniach nie znalazłem kabla zasilającego do m ojego laptopa, który byłby krótszy niż metr. Dlatego zdecydowałem się skrócić go samodzielnie. Jeśli odczuwasz też taką potrzebę, powinieneś zacząć od przetestow a­ nia poniższej procedury na jakim ś starym kablu zasilającym. Przejdź przez wszystkie kroki, aby nabrać dośw iadcze­ nia w lutowaniu grubszych przew odów z linką w środku i używaniu izolacji term okurczliw ej o większych rozmiarach: 1. Odetnij przewód szczypcam i z ostrzem, a następnie użyj noża do rozdzielenia przewodów. Zadbaj o to, aby jeden z przew odów był krótszy od drugiego. Tnąc przewód przeznaczony dla dużego napięcia, który składa się z dw óch lub więcej żył, dobrze jest unikać sytuacji, w której odizolowane końce znajdują się naprzeciw siebie.

Rysunek 3.52

Rysunek 3.53

Rysunek 3.54

Rysunek 3.56

Rysunek 3.57

2. Zdejmij m inim alną część izolacji. W ystarczy około 3 m m . Tutaj użyteczne okażą się narzędzia do autom atycznego zdejm owania izolacji, o których w spom inałem w rozdziale pierw szym , chociaż poradzisz sobie również przy użyciu szczypiec. 3. Utnij dw a kawałki term oizolacji, każdy około 3 cm długości. Muszą być wystarczająco grube, aby można było nasunąć je na oddzielone przew ody kabla. Utnij jeszcze jeden, 5 -centym e trow y odcinek grubszej izolacji, który nasuniesz na całe połączenie po jego wykonaniu. Opisane do tej pory kroki zostały pokazane na rysunkach od 3.52 do 3.58. Rysunek 3.58. Rysunki od 3.52 do 3.58 ilustrują kolejne kroki na drodze do skró­ cenia kabla do zasilacza laptopa

112

4. Teraz rzecz najtrudniejsza: zapanowanie nad sw o ją zaw odną pamięcią. M usisz pamiętać, aby nasunąć izolację na przewody, zanim wykonasz trw ałe połączenie. Grube wtyczki na obu końcach uniem ożliwiają wsunięcie jakiejkolw iek izolacji później. Jeżeli cechujesz się podobnym brakiem cie rpliw ości jak ja, będziesz m iał trud ności z zapamiętaniem tej czynności za każdym razem.

3. Wkraczamy głębiej

5. Użyj statywu lutow niczego do praw idłow ego ułożenia pierwszego połączenia. Ułóż przew ody tak, aby ich końce pokryw ały się ze sobą, a następnie ściśnij je lekko pom iędzy palem w skazującym a kciukiem . Chodzi o to, aby żaden drobny przewód linki nie w ystaw ał ze złącza. Taki sterczący drucik może przedziurawić izolację, kiedy ta jest jeszcze miękka i gorąca. 6. Łączony przewód jest znacznie m asywniejszy od drutu 0,5 m m 2, na którym pracowałeś poprzednio, dlatego będzie pochłaniał więcej ciepła. Musisz dłużej zatrzymać na nim grot lutownicy. Upewnij się, iż cyna spływa swobodnie do złącza. Po jego ostygnięciu odw róć przewód i sprawdź połączenie od spodu. Najprawdopodobniej znajdziesz tam pewną liczbę drucików miedzianych nieprzykrytych spoiwem . Połączenie powinno przyjąć form ę twardego, zaokrąglonego bąbla. W trakcie lutowania trzym aj izolację term okurczliwą jak najdalej od złącza. W ten sposób wydzielające się ciepło nie doprowadzi do przedwczesnego skurczenia izolacji, co uniem ożliwiłoby nasunięcie jej na złącze.

Rysunek 3.59

Rysunek 3.60

Rysunek 3.61

Rysunek 3.62

Rysunek 3.63

Rysunek 3.64

7. Kiedy złącze ostygnie, nasuń na nie izolację i podgrzej całość opalarką. Następnie pow tórz cały proces na drugim przewodzie. Na końcu nałóż większą izolację na oba połączone przewody. Nie zapomniałeś nasunąć grubszej izolacji na początku, prawda? Rysunki od 3.59 do 3.65 pokazują w szystkie kroki aż do efektu końcowego. Jeżeli udało Ci się w ykonać w szystkie przedstawione do tej pory zadania z lutowania, masz w ystarczające um iejętności do zlutowania sw ojego p ie rw ­ szego układu elektronicznego. Najpierw chciałbym jednak, abyś przekonał się, jak bardzo m ałą tolerancję na gorąco m ają komponenty.

Eksperyment 12: Łączenie dwóch przewodów w jeden

Rysunek 3.65. Gotowy skrócony kabel do zasilacza laptopa

113

Eksperyment 13: Podgrzewanie diody W rozdziale pierw szym przekonałeś się, jak można zniszczyć diodę, przepusz­ czając przez nią zbyt silny prąd. Przepływający prąd w y tw o rz y ł ciepło, które stopiło diodę. Nie będzie zaskoczeniem, jeśli pow iem , że równie dobrze możesz stopić ją, nagrzewając zbyt m ocno jedną z jej nóżek podczas lutowania. Pozo­ staje jedynie pytanie: jaka ilość ciepła doprowadzi do uszkodzenia? Przeko­ najm y się. Potrzebne będą:

Rysunek 3.66. Łącząc końcówki diody i rezystora haczykami, minimalizujem y liczbę ścieżek, którym i ciepło może uciekać podczas kolejnego testu

•

lutow nica o m ocy 30 lub 40 W,

•

lutow nica o m ocy 15 W,

•

kilka diod św iecących (przeznaczonych do zniszczenia),

•

rezystor 680 Q ,

•

szczypce do cięcia oraz szczypce o ostrych końcach,

•

statyw lutow niczy do podtrzym ania Twojej pracy.

Nie chcę, abyś używ ał krokodylków przy podłączaniu diody do źródła zasilania, ponieważ one same absorbują ciepło wytw arzane przez lutownicę. Zamiast tego chciałbym , abyś użył szczypiec z zaostrzonym i końcami do w ygięcia końców ek diody w małe haczyki. To sam o zrób z w yprow adzeniam i rezystora i now ym i przewodam i na końcu Twojego zasilacza. Teraz możesz połączyć wszystkie haczyki w łańcuszek zgodnie z rysunkiem 3.66. Umieść diodę w zacisku statyw u lutowniczego. Plastik nie jest zbyt dobrym przewodnikiem ciepła, zatem statyw nie powinien zabrać zbyt dużo ciepła z naszego celu. Rezystor może zwisać przyczepiony do jednej z końców ek diody, a pod nim może w isieć jeden z przew odów zasilających. Siła grawitacji pow inna w ystarczyć do zadziałania tego układu. Ustaw zasilacz na 12 V i pod­ łącz go do prądu. Dioda pow inna rozświetlić się jasnym światłem . Użyłem białej diody wyłącznie w celu wykonania dobrej fotografii.

Rysunek 3.67. Podgrzewanie przy użyciu lutow nicy 15-watowej. Typowa dioda LED powinna wytrzymać takie traktowanie przez dwie lub trzy minuty, ale je ś li zamienisz lutownicę na 30-watową, dioda najprawdopodobniej spali się w ciągu m niej niż 15 sekund

Upewnij się, iż obie Twoje lutow nice są naprawdę gorące. Powinny być w łą ­ czone do prądu od co najmniej pięciu m inut. Weź teraz lutow nicę o mniejszej m ocy i dotknij jej końcem jednej z końców ek diody, m ierząc jednocześnie upły­ w a jący czas. Przygotowanie tego projektu pokazuje rysunek 3.67. Mogę przyjąć, że utrzym asz ten kontakt przez całe trzy m inuty bez spalenia diody. W łaśnie dlatego do lutowania delikatnych elem entów elektronicznych używasz lu tow nicy o m ocy 15 W — jej m oc nie zagraża kom ponentom . Zaczekaj, aż dioda ostygnie, a następnie przyłóż w to sam o m iejsce grot m ocniej­ szej lutownicy. Zakładając, że jest ona w pełni rozgrzana, Twoja dioda powinna zgasnąć już po 10 sekundach (trzeba jednak pamiętać, iż niektóre diody w y trz y ­ m ują wyższe tem peratury niż inne). Ta reakcja wyjaśnia, dlaczego nie używasz lutow nicy 30-w a tow ej do lutowania delikatnych elem entów elektronicznych.

W iększa lu tow nica niekoniecznie m usi osiągać większą temperaturę niż jej m niejszy odpowiednik. Ma ona jedynie większą zdolność do wydzielania ciepła. Innym i słowy, może z niej „w y p ły n ą ć ” więcej ciepła w szybszym tempie.

114

3. Wkraczamy głębiej

W yrzuć przepaloną diodę. W jej m iejsce w s ta w nową, podłączoną tak jak poprzednio, i dodatkow o przypnij do jej nóżki tuż pod obudow ą duży m iedziany zacisk krokodylkowy. Pokazuje to rysunek 3.68. Dotknij nóżki diody lutow nicą 30 - lub 40 -w a to w ą w m iejscu poniżej zaciśniętego krokodylka. Teraz pow inie­ neś utrzym ać m ocniejszą lutow nicę w m iejscu przez pełne dwie m inuty bez uszkodzenia diody. W yobraź sobie ciepło przepływające z końców ki grota Twojej lutow nicy do wyprow adzenia diody. Ciepło to napotyka po drodze zacisk (rysunek 3.69), który stanow i coś w rodzaju pustego naczynia czekającego na napełnienie. Miedź stanowi o wiele mniejszą rezystancję dla ciepła w porównaniu z pozo­ stałą częścią wyprow adzenia, stąd strum ień gorąca w p ły w a do zacisku, pozo­ stawiając diodę w stanie nienaruszonym . Jeśli pod koniec eksperym entu dotkniesz krokodylka, przekonasz się, że jest gorący, podczas gdy temperatura diody jest relatywnie mniejsza. Zaciski krokodylkowe są znanymi odprowadzeniam i ciepła. Powinny być w y k o ­ nane z miedzi, ponieważ ta jest jednym z najlepszych przew odników ciepła.

Rysunek 3.68. Po zastosowaniu m ie­ dzianego zacisku, działającego jako dodatkowy odbiornik ciepła, możesz dotknąć diody 30-watową lutownicą (poniżej zacisku), nie doprowadzając do je j uszkodzenia

Ponieważ 15-w a tow a lutow nica nie wyrządziła krzyw dy diodzie, m ógłbyś przy­ jąć, że jest ona zupełnie bezpieczna i nie w ym aga stosow ania dodatkow ych odprowadzeń ciepła. To może być prawda, ale nie m usi. Nigdy do końca nie wiesz, czy dany półprzew odnik nie jest bardziej czuły na ciepło niż zwykła dioda LED. Ze względu na duże niezadowolenie, jakie niesie ze sobą palenie części elektronicznych, sugeruję, abyś zachow yw ał zawsze dużą ostrożność i stoso­ w a ł odprowadzenia w następujących okolicznościach: •

Kiedy używasz 15-w atow ej lu tow nicy niezwykle blisko półprzewodnika dłużej niż 20 sekund.

•

Kiedy używasz 3 0-w a tow ej lu tow nicy w pobliżu rezystorów i kondensatorów dłużej niż 10 sekund. (Nigdy nie używaj jej w pobliżu półprzew odników ).

•

Kiedy używasz 3 0-w a tow ej lu tow nicy w pobliżu czegokolwiek, co może ulec stopieniu, przez dłużej niż 20 sekund. Do elem entów łatwo topliw ych zaliczyć m ożna izolację na przewodach, łączniki plastikowe, a także plastikowe części w ew nątrz przekaźników.

Rysunek 3.69. Odprowadzenie ciepła przechwytuje i pochłania ciepło, chro­ niąc diodę przed uszkodzeniem

Zasady odprowadzania ciepta 1. Lepszy efekt dają duże zaciski aligatorki wykonane z miedzi. 2. Przyczep zacisk jak najbliżej chronionego kom ponentu i jak najdalej od w ykonyw anego połączenia. (Twoim celem nie jest odprowadzenie ciepła ze złącza). 3. Upewnij się, że istnieje połączenie m etal-metal pom iędzy zaciskiem krokodylkiem i przewodem , zapewniające dob ry przepływ ciepła.

Eksperyment 13: Podgrzewanie diody

115

PODSTAWY Wszystko o płytkach perforowanych Od tego m om entu za każdym razem, kiedy będziesz chciał stw orzyć trwały, zlutow any układ, będziesz używał płytek perforow anych. Połączenia można w ykonać na jeden z trzech sposobów : 1. Połączenia m iędzy w ybranym i punktami. Używasz płytki perforowanej nieposiadającej połączeń między otw oram i. Płytka nie posiada naniesionej miedzi od spodu, rysunek 3.70, lub m etalizacja występuje jedynie w o kół otworów, rysunek 3.71. Te okrągłe w a rs tw y miedzi nie są ze sobą połączone i służą jedynie do ustabilizowania m ontow anych kom ponentów. Połączenia m iędzy w ybranym i punktami pozwa­ lają rozm ieścić części w dogodny, spójny spo­ sób, odpow iadający położeniu kom ponentów na schem acie. Na spodniej części płytki zagi­ nasz wyprowadzenia, aby połączyć je ze sobą. W miarę potrzeb dokładasz dodatkow e odcinki drutu. Zaletą tej m etody jest niezwykle zwarte ułożenie elem entów układu. Układ elem entów może być jednak m ylący i prowadzić do błędów.

2. Połączenia zgodne z układem płytki prototypowej. Użyj płytki perforowanej z ścieżkami miedzi nadrukowanym i według tego samego wzorca, jaki obowiązuje na płytce prototypowej. Kiedy układ zadziała na płytce prototypowej, przenieś kom ponenty po jednym na płytkę perforowaną, zachowując ich ułożenie względem siebie. Przylutuj nóżki kom ponentów do miedzianych ścieżek, kończąc tym sam ym cały układ. Nadmiarowe przewody przytnij szczypcami. Zaletą tej procedury jest jej szybkość, brak konieczności planowania rozmieszczenia elementów i zminimalizowanie możliwości popełnienia błędów. Wadą natomiast jest duże m arnotraw stw o miejsca. Przykładowa płytka dla tej metody pokazana została na rysunku 3.72. 3. Możesz w ytraw ić sw o ją w łasną płytkę drukowaną, z samodzielnie zaprojektow anym i ścieżkami miedzi prowadzonym i między w yb ran ym i punktami lutow niczym i. Jest to najbardziej profesjonalna m etoda w ykonania gotow ego układu elektronicznego, ale w ym aga więcej czasu, pośw ięcenia i wyposażenia. Połączenia między wybranymi punktami przypo­ minają połączenia przy użyciu krokodylków, ale w dużo mniejszej skali. Właśnie tej metody uży­ jem y do naszego pierwszego projektu lutowanego.

Rysunek 3.70

Rysunek 3.71. Stosując metodę połączeń między wybranymi punktami, podczas eksperymentu num er 14 można użyć tego typu p łytki lub płytki pokaza­ nej na rysunku 3.70

116

Rysunek 3.72. Płytka perforowana wytrawiona w taki sposób, aby miedziane ścieżki odwzorowywały układ płytki prototypowej. Jest to przykład płytki, jakiej uży­ je m y podczas eksperymentu num er 15

3. Wkraczamy głębiej

Eksperyment 14: Pulsujące światło Potrzebne będą: •

płytka prototypowa,

•

lutow nica 15-w atow a,

•

cienka cyna (0,5 m m lub podobna),

•

szczypce do cięcia i zdejm owania izolacji,

•

płytka perforowana (nie m usi posiadać naniesionej miedzi),

•

małe imadło lub zacisk do zam ocow ania płytki,

•

rezystory o różnych w artościach,

•

kondensatory elektrolityczne 100 jl/F i 220 ¿uF, po jednym z każdej w a rtości,

•

czerwona dioda LED o średnicy 5 m m , pracująca w zakresie 2 V,

•

program ow alny tranzystor jednozłączowy typu 2N 6027.

Twoim pierw szym układem w yko rzystują cym tranzystor jednozłączow y był w o lny oscylator zapalający diodę LED mniej więcej dw a razy na sekundę. Błyski m iały charakter „c y fro w y ” , tzn. dioda zapalała się i gasła bez stopniowego przechodzenia pom iędzy tym i dw om a stanami. Zastanawiam się, czy je steśm y w stanie zm odyfikow ać ten układ i sprawić, aby dioda pulsowała bardziej płynnie, w sposób przypom inający diody w laptopach inform ujące o stanie uśpienia. W yobrażam sobie, że tego typu element m ógłby stanow ić pewną form ę biżuterii, pod w arunkiem iż będzie dostatecznie m ały i elegancki. Myślę również, że ten pierwszy projekt lutowany posłuży trzem celom. Przetestuje i udoskonali Twoje umiejętności łączenia przewodów, nauczy Cię tworzenia połączeń między wybranym i punktami na płytce i umoż­ liwi Ci poznanie sposobu wykorzystania kondensatorów do dostosow a­ nia zależności czasowych. Przyjrzyj się oryginalnemu obw odow i z eksperymentu numer 11. Przy­ pomnij sobie zasadę jego działania. Kondensator ładuje się przez rezy­ stor do momentu, kiedy napięcie pokona wewnętrzną rezystancję tran­ zystora jednozłączowego. Wtedy kondensator rozładowuje się poprzez tranzystor, powodując świecenie diody. Gdybyś narysował wykres światła wydobywającego się z diody, byłby to wąski kwadratowy impuls, taki jak widać na rysunku 3.73. Jak możemy poszerzyć go do postaci podobnej do przedstawionej na rysunku 3.74, tak aby dioda zapalała się i gasła łagodnie, w sposób przypominający bicie serca? Jedna rzecz jest oczywista: w każdym cyklu dioda będzie em itować więk­ szą ilość światła. Dlatego będzie potrzebować więcej energii. Stąd w nio­ sek, iż kondensator C1 na rysunku 3.75 musi mieć większą pojemność. Większy kondensator w ym aga dłuższego czasu ładowania. Aby dopro­ wadzić do regularnych błysków, będziemy musieli obniżyć w artość rezystora R1. To zapewni dostatecznie szybkie ładowanie kondensatora. Dodatkowo zmniejszenie w artości rezystorów R2 i R3 przeprogramuje tranzystor na dłuższy cykl pracy. Co najważniejsze, chcę rozładować kondensator przez rezystor. W ten sposób gaśnięcie diody stanie się płynniejsze. Pamiętaj, że szeregowe połączenie kondensatora z rezystorem w pływ a jednocześnie na czas jego ładowania i rozładowania. Eksperyment 14: Pulsujące światło

Rysunek 3.74. Oryginalny oscylator na tran­ zystorze jednozlączowym w eksperymencie num er 11 pow odow ał krótkie, gwałtowne błyski diody. Wykres przedstawiony na rysunku 3.73 pokazuje, co m oglibyśm y zobaczyć, mierząc intensywność światła w czasie. Drugi wykres pokazuje łagodne zapalanie się diody, po któ­ rym następuje łagodne gaśnięcie. Do stworze­ nia tego efektu mogą posłużyć kondensatory

117

Wszystkie zmiany pokazuje rysunek 3.75. Porównaj go ze schematem na rysunku 2.103. Rezystor R1 ma teraz wartość 33 k f i zamiast 470 k i l R2 i R3 zostały zre­ dukowane do 1 k i l R4 ma teraz również wartość 1 k n , dzięki czemu rozładowanie kondensatora trw a dłużej. Pojemność kondensatora C1 wzrosła z 2,2 ji/F do 100 /j F.

C1 6V DC

O

R4

Złóż ten układ na płytce prototypowej i porównaj jego działanie z w staw ionym rezystorem R4 do działania z tym rezystorem zw a rtym przez kawałek drutu. W idać, że wygładza odrobinę puls, ale m ożem y to jeszcze poprawić, dodając kolejny kondensator na w yjściu tranzystora. Będzie się on ładow ał podczas im pulsu przepływającego przez tranzystor, a następnie pow oli rozładow yw ał przez inny rezystor, dzięki czemu światło diody zgaśnie wolniej.

R1

R2

L

R3

T1

Rysunek 3.75. Pierwszym krokiem na drodze do stworzenia łagodnego p ul­ sowania je s t użycie większego kon­ densatora C1 i rozładowywanie go przez rezystor R4. Mniejsze w artości rezystorów są niezbędne do ładowania kondensatora dostatecznie szybko

R 1 :3 3 k n R 2 :1 k n R 3 : 1 kQ R 4 :1 k n C 1 : 100 ¡iF elektrolityczny T1:2N 6027

Taki układ pokazany został na rysunku 3.76. C2 ma dużą w a rto ś ć — 220 ¿uF — zatem ładuje się swobodnie im pulsem pochodzącym z tranzystora, a następnie stopniow o rozładowuje przez 3 3 0 -o m o w y rezystor R5 i diodę LED. Zauważysz, że dioda zachowuje się teraz inaczej. Zamiast zgasnąć, natychm iast powoli ciemnieje. Dołożone rezystory spow odow ały jednak, iż jej jasność zmalała. Żeby odw ró cić ten efekt, powinieneś zwiększyć napięcie zasilania z 6 do 9 wolt. Pamiętaj, że kondensator wym usi efekt wygładzania jedynie, gdy jego jedna strona będzie miała kontakt z ujemnym źródłem zasilania. Obecność ujemnego ładunku na jednej z okładzin kondensatora przyciągnie pozytywny impuls z drugiej strony. Lubię ten efekt bicia serca. Jestem sobie w stanie wyobrazić biżuterię pulsującą w taki z m ysłow y sposób, zupełnie odm ienny od surowego oscylatora zm ienia­ jącego stan w sposób stanow czy i natychm iastowy. Pozostaje jedynie pytanie, czy uda nam się upakować kom ponenty do tak małego rozmiaru, aby m ożliwe było stworzenie biżuterii.

C1 9V DC R4 R1

R2

U T1

Rysunek 3.76. Drugim krokiem

w kierunku łagodnego pulsowania je s t dodanie kolejnego kondensatora, C2, który ładuje się szybko p rzy każ­ dym impulsie, a następnie rozładowuje pow oli przez rezystor R5 i znajdującą się niżej diodę LED Komponenty o takich samych wartościach ja k poprzednio plus: R 5 :330 n C 2 :220 n F elektrolityczny Zwiększenie zasilania do 9 V

118

R3 C2

R5

Rysunek 3.77. l/l/ ciemną noc poza miastem pulsujące światełko może przyciągnąć nieoczekiwanych g ości

3. Wkraczamy głębiej

Miniaturyzacja Należy zacząć od spojrzenia na fizyczne kom ponenty i wyobrażenia sobie, w jaki sposób można upakować je w małej przestrzeni. Trójw ym iarow ą wizualizację takiego pom ysłu przedstawia rysunek 3.78. Przyjrzyj się dokładnie i prze­ śledź w szystkie ścieżki w obwodzie, a przekonasz się, że układ połączeń jest dokładnie taki sam, jak na schem acie. Problem polega na tym , że jeśli zlutujem y je w takiej form ie, nie będą się one trzym ać zbyt dobrze. W szystkie druciki będą się z łatw ością w yginać, a zam ontowanie obw odu w czym ś lub na czym ś okaże się niemożliwe.

Rysunek 3.78. Ten układ kom ponentów odwzorowuje połączenia na schemacie i jedno­ cześnie upakowuje całość w m inim alnej przestrzeni

Odpowiedzią jest umieszczenie elem entów na substracie, czyli zwykłej płytce perforowanej, dla której elektronicy w ym yślili now y term in o bardziej technicz­ nym brzmieniu. Potrzebujemy zatem płytki z otw oram i. Rysunek 3.79 pokazuje te same kom ponenty przeniesione na płytkę o rozmiarach 2,5 na 2,0 cm. W ersja w środku rysunku pokazuje przerywanym i liniami, w jaki sposób kom ­ ponenty zostaną połączone ze sobą na spodzie płytki. Do w ykonania połączeń w większości w yp adków w ystarczą same w yprow adzenia części elektronicznych. Część rysunku na sam ym dole pokazuje tę sam ą płytkę odw ró coną z lewej strony na prawą (przypom inają o tym litery R i L pokazane po przeciw nych stro­ nach oraz ciem niejszy kolor sym bolizujący spód płytki). Miejsca, gdzie należy w ykonać połączenia lutowane, zaznaczone zostały pom arańczow ym i kółkami. Dioda nie pow inna być na stałe przytwierdzona do płytki, ponieważ m ożem y zechcieć uruchom ić ją w pewnej odległości od sam ego obw odu. Podobnie sprawa m a się ze źródłem zasilania. Na szczęście, m ożem y zakupić małe złą­ cza, pasujące do rozstawu o tw o ró w w płytce. Znajdziesz je w dużych sklepach, takich jak www.mouser.com. Niektórzy producenci nazywają je gniazdami i w ty ­ kami jednorzędow ym i, podczas gdy inni określają je m ianem gniazd m ontow a­ nych pow ierzchniow o i taśm w ielopinow ych. W ięcej inform acji na ten tem at znajdziesz, w racając do rysunku 3.29 i samej listy zakupów.

Rysunek 3.79. Do podtrzymania ele­ m entów elektronicznych może zostać użyta płytka perforowana. Końcówki kom ponentów są łączone przez luto­ wanie na spodniej części płytki, tw o­ rząc w ten sposób pożądany układ połączeń. Środkowa część rysunku pokazuje przew ody p od spodem p łytki jako przerywane linie. Dolna część rysunku pokazuje płytkę od spodu, po przewróceniu lewej strony na prawą. Pomarańczowe kółka pokazują miejsca lutowania połączeń

Jest to bardzo zw a rty projekt, który będzie w ym aga ł od Ciebie uważnego posługiwania się lu tow nicą o małej mocy. Ponieważ fragm ent płytki perforowanej jest bardzo mały, będzie m iał tendencję do „uciekania spod narzędzi” , dlatego sugeruję przytrzym anie go m iniaturow ym im adłem na jednym z jego końców. W ten sposób płytka zostanie unieru­ chom iona, ale jednocześnie z dużą łatw ością będziesz nią m anipulow ać.

Eksperyment 14: Pulsujące światło

119

Kiedy pracuję nad tego typu projektem, kładę go (razem z obciążnikiem w postaci m iniaturow ego imadła) na m ięk­ kiej piance poliuretanowej, jakiej używa się do tapicerow ania krzeseł. Pianka zabezpiecza kom ponenty przed uszko­ dzeniem, kiedy płytka jest odw rócona do góry nogami, i dodatkow o przeciwdziała jej przesuwaniu podczas pracy.

Krok po kroku Oto szczegółow a procedura w ykonania tego układu: 1. W ytnij m ały kawałek z dużej płytki perforowanej pozbawionej ścieżek m iedzianych. Do tego celu możesz użyć m iniaturow ej piły lub jeśli będziesz dostatecznie ostrożny, złamać ją wzdłuż linii otworów . Ewentualnie użyj odpowiednio przyciętej małej płytki z metalizacjami w o k ó ł otworów , które nie są ze sobą połączone. W tym projekcie nie będziesz używ ał miedzi naniesionej w o kół otworów . (Tworzeniem połączeń między kom ponentam i a ścieżkami m iedzianym i na płytce zajmiesz się w następnym eksperym encie). 2. Zbierz w szystkie kom ponenty i delikatnie w s ta w je w otwory. Zliczaj otwory, aby upewnić się, iż dana część trafiła w odpowiednie miejsce. Odwróć płytkę i pozaginaj przewody kom ponentów, m ocując je w ten sposób w płytce i tw orząc połączenia zgodnie z pokazanym wcześniej rysunkiem . Jeżeli któreś z wyprow adzeń jest zbyt krótkie, będziesz m usiał uzupełnić je dodatkow ym kawałkiem drutu 0,5 m m 2. Ponieważ połączenia wykonujesz na kawałku izolatora, możesz całkow icie zdjąć z niego izolację. 3. Przytnij wyprow adzenia do odpowiedniej długości, używając szczypiec z ostrzem. Rysunek 3.80. Komponenty zam onto­

wane na kawałku p łytki perforowanej

4. W ykonaj połączenia lutowane przy użyciu lu tow nicy o mniejszej mocy. Zauważ, że w tym projekcie łączysz ze sobą jedynie przewody. Kom ponenty są tak blisko siebie, iż same uniem ożliwią sw oim sąsiadom zbytnie przemieszczanie. Jeżeli używasz płytki z m etalizowanym i otw oram i (tak jak ja to zrobiłem ) i przylutowałeś do nich pewne połączenia, nie będzie z tym problemu, o ile tylko połączenie nie rozlało się na sąsiednie komponenty, doprow adzając do zwarcia. 5. Sprawdź każde połączenie przy użyciu szkła powiększającego i przetestuj je szczypcam i o szpiczastych końcach. Jeżeli w złączeniu jest zbyt m ało cyny, aby utw orzyć solidne połączenie, podgrzej je jeszcze raz i uzupełnij materiał. Jeśli cyna utw orzyła połączenie, którego nie pow inno być, w ytnij przerwę nożem, separując na now o obie części układu.

Rysunek 3.81. Złożony układ widziany od spodu. Miedziane metalizacje w okół otw orów nie są wymagane w tym projekcie. Do niektórych przy­ lgnęły połączenia, ale nie ma to większego znaczenia, o ile tylko nie pow stały przypadkowe zwarcia

Ja w kładam przeważnie trzy lub cztery komponenty, przycinam wstępnie wyprow adzenia, lutuję połączenia, przycinam w yprow adzenia do ostatecznej długości, a następnie robię krótką przerwę, aby sprawdzić jakość połączeń i ich rozmieszczenie. Łącząc zbyt wiele kom ponentów jeden po drugim , zmniejszam szansę zauważenia złego połączenia, a w ym ontow anie kom ponentu, kiedy w o k ó ł są już inne części i przewody, staje się problematyczne. Rysunki 3.80 i 3.81 pokazują m oją wersję skonstruow anego obw odu przed przycięciem wyprow adzeń do rozm iarów m inim alnych.

120

3. Wkraczamy głębiej

• A ---------------------------

1 Fruwające przewody

i Szczęki szczypiec tnących przewody wytwarzają sporą sifę, której wartość dochodzi do pewnej granicy, a następnie 1 gwałtownie spada, gdy drut zostanie ostatecznie przecięty Ta siia może zostać przełożona w gwałtowny ruch frag\ mentu przewodu. Miękkie przewody nie stanowią ryzyka, ale twardsze mogą poszybować z dużą prędkością wzupefi nie nieprzewidywalnym kierunku, trafiając Twoje oko. Szczególnie niebezpieczne pod tym względem są wyprowadze1 nia tranzystorów. i Myślę, że dobrym pomysłem podczas przycinania przewodów jest założenie okularów ochronnych.

Zakończenie prac Zawsze używam intensywnego oświetlenia. To nie luksus, ale konieczność. Jeżeli nie masz lampki na biurku, kup jakąś tanią. Ja używam świetlów ki, ponieważ utatwia mi ona odczytywanie kolorów kodów paskow ych rezystorów. Zwracam uwagę, iż lampa fluorescencyjna tego typu emituje catkiem sporo światła ultrafioletowego, które szkodzi soczew kom Twoich oczu. Unikaj patrzenia bezpośrednio w to światło z bliskiej odległości. Jeśli nosisz okulary, stano­ w ią one dodatkow ą w arstw ę ochronną. Niezależnie od tego, jak dobrze w idzisz z bliska, m usisz dokładnie sprawdzić każde połączenie, używając do tego celu szkła powiększającego. Będziesz zdziwiony, jak niedoskonałe m ogą być niektóre z Twoich połączeń. Przytrzymaj szkło powiększające blisko oka, następnie weź do ręki przedm iot, który chcesz analizować, i przybliżaj je aż do m om entu, kiedy uzyskasz ostrość. W końcu powinieneś dojść do działającego obw odu. Możesz w staw ić przewody zasilające do dw óch m iniaturow ych gniazd oraz diodę do dw óch pozostałych. Pamiętaj, że dw a środkow e gniazda są ujemne, a dw a skrajne dodatnie. Takie ułożenie było prostsze w realizacji. W celu uniknięcia pom yłki możesz oznaczyć je kolorow ym i pisakami. Masz zatem malutki układ, który pulsuje podobnie do bicia serca. Chyba że się nie udało. Jeżeli masz problem z uru­ chom ieniem , prześledź każde połączenie i porównaj je ze schem atem . Jeśli nie znalazłeś błędu, podłącz zasilanie, podepnij czarną końców kę m iernika do ujemnej części układu, a czerwoną końców ką sprawdź obecność napięcia w poszczególnych punktach układu. Każda część tego obw odu pow inna w ykazyw ać przynajmniej m inim alne napię­ cie podczas swojej pracy. Jeśli w którym ś m iejscu nie ma napięcia, być może przyczyną jest złe połączenie lutowane lub jego całkow ity brak. Po sprawdzeniu i uzupełnieniu braków sytuacja pow inna w yglądać lepiej. Jeśli się udało, możesz na chw ilę porzucić sw o ją rolę elektronika hobbysty i zamienić się w artystę rzemieślnika. Spróbuj w ym yślić, jak zam ienić Twój tw ó r na coś, co nadaje się do noszenia. W pierwszej kolejności należy rozwiązać problem zasilania. Ze względu na zastosowane kom ponenty potrzebujem y 9 w oltów. Jak przekształcić ten 9 -w o lto w y obw ód w kawałek biżuterii, skoro 9-w o lto w a bateria jest całkiem spora? Potrafię wyobrazić sobie trzy odpowiedzi: 1. Możesz um ieścić baterię w kieszeni, a m igającą diodę na jej zewnętrznej stronie, z m ałym i przewodam i przechodzącym i przez materiał. M iniaturowe gniazda zasilające pozwolą wetknąć w siebie przew ody z drutu 0,5 m m 2 pod warunkiem , że nie jest to linka, a jeśli tak, powlekłeś ją cyną. 2. M ógłbyś zam ontow ać baterię pod czapką z daszkiem, a diodę w yprow adzić na zewnątrz. 3. Możesz złożyć razem trzy 3 -w olto w e baterie o kształcie guzika, zaciskając je w jakim ś plastikow ym uchw ycie. Jeśli zdecydujesz się na tę opcję, nie próbuj lutow ać przew odów do baterii. Podgrzejesz m ocno płyn wew nątrz baterii, co raczej nie będzie dobre dla nich, a także dla Ciebie, jeśli bateria zagotuje się i zostanie rozerwana. Inny problem to słaba zdolność przylegania cyny do m etalow ych wyprow adzeń baterii.

Eksperyment 14: Pulsujące światło

121

W iększość diod LED w ytw a rza ostry stup światła. W celu uzyskania lepszego efektu możesz spróbow ać go rozmyć. Jednym ze sposo bów na osiągnięcie takiego efektu jest użycie przezroczystego kawałka szkła akrylow ego (czyli tzw. pleksiglasu) o grubości m inim um 0,6 m m . Patrz rysunek 3.82. Użyj papieru ściernego, aby zm atow ić fron tow ą część szybki. Idealnie byłoby użyć szlifierki oscylacyjnej, która nie doprowadzi do pow stania jednolitego w zoru na zm ato­ wionej powierzchni. Szlifowanie sprawi, iż pleksiglas straci przezroczystość i światło będzie jedynie prześwityw ać. W yw ierć otw ó r m inimalnie w iększy od samej diody z drugiej strony szybki. Nie przewiercaj otw oru na w ylot. Usuń ze środka wszelkie zanieczyszczenia, w dm uch ując do środka odrobinę sprężonego powietrza lub płukając, jeśli nie posiadasz kom presora. Po całkow itym w yschnięciu zagłębienia weź odrobinę przezroczystego silikonu lub szybkoschnącego kleju bezbarwnego i um ieść kroplę w ew nątrz zagłębienia. Następnie w s ta w do środka diodę, naciskając ją lekko tak, aby zm usić klej lub silikon do rozproszenia się w o k ó ł niej i stworzenia trw ałego m ocowania. Patrz rysu­ nek 3.82.

Rysunek 3.82. Przekrój poprzeczny pokazuje kawałek przezroczystego szkła akrylowego, w którym wywiercono zagłębienie. Ponieważ wiercenie tw orzy otw ór o kształcie stożkowym, a kontury diody są zaokrąglone, powstaje pusta przestrzeń, w której zm ieści się odrobina bezbarwnego silikonu lub kleju (przed wstawieniem diody)

Spróbuj ośw ietlić diodę; jeśli zajdzie taka potrzeba, możesz jeszcze bardziej zm atow ić szkło. Zdecyduj, czy chcesz zam ontow ać sw ój układ z tyłu szkiełka, czy też doprow adzisz przew ody z innego miejsca. Ponieważ dioda będzie m igać mniej więcej z częstotliw ością bicia ludzkiego serca w stanie spoczynku, możesz uzy­ skać wrażenie pom iaru własnego pulsu, zwłaszcza jeśli zam ontujesz diodę na środku sw ojej klatki piersiowej lub w o kół nadgarstka. Możesz udawać przed innymi, że jesteś w tak niezwykle dobrej form ie, że Twój puls nie zmienia się, nawet jeśli w ykonujesz ekstremalne ćwiczenia.

122

3. Wkraczamy głębiej

Do efektownego opakowania całości możesz posłużyć się dow olną techniką, poczynając od zalania całości klejem epoksydow ym po wyszukanie gustow nej szkatułki. Rozwiązanie tego problemu pozostaw iam Tobie, ponieważ ta książka dotyczy elektroniki, a nie sztuki zdobniczej. Nie om ieszkam jednak w sp om n ieć o ostatnim już problemie: jak długo działał będzie nasz gadżet? Jeżeli przeczytasz poniższą sekcję „Wiedza niezbędna. Czas życia baterii” , przekonasz się, że zwykła 9 -w olto w a alka­ liczna bateria pow inna w ystarczyć na 50 godzin pracy układu.

WIEDZA NIEZBĘDNA Czas życia baterii Za każdym razem, kiedy skończysz budować układ zasilany baterią, będziesz chciał obliczyć, jak długo będzie on w stanie działać bez konieczności jej wym iany. Można to łatw o sprawdzić, ponieważ producenci określają czas pracy sw oich baterii w tzw. am perogodzinach. Pamiętaj: •

Am perogodziny są reprezentowane przez skrót Ah. M iliam perogodziny są opisywane skrótem mAh.

•

Czas życia w am perogodzinach odpowiada prądowi wyrażonem u w amperach i przem nożonem u przez liczbę godzin, w trakcie których bateria będzie w stanie w ydaw ać z siebie taki prąd.

Stąd, w teorii, jedna am perogodzina m oże oznaczać 1 am per przez jedną godzinę lub 0,1 am pera przez 10 godzin, lub 0,01 am pera przez 100 godzin itd. R zeczyw istość nie jest jednak taka prosta, poniew aż związki chem iczne w baterii ulegają szybszem u w yczerpaniu, jeśli gen erow any je st prąd o dużym natęże­ niu, zw łaszcza jeśli bateria ulega rozgrzaniu. Nie m ożesz przekraczać lim itó w narzuconych dla danej baterii. Dla przykładu, jeśli m ała bateria jest oznaczona w a rto ś c ią 0,5 Ah, nie możesz oczekiwać, iż wyciągniesz z niej 30 A w ciągu jednej minuty, ale pow inno udać się w yciągnąć 0,005 A (5 m iliam perów ) przez 100 godzin. Pamiętaj jednak, że napięcie baterii będzie większe od znam ionowego, kiedy ta jest świeża, i będzie powoli spadać poniżej tej w a rtości wraz z dostarczeniem przez nią energii. Oto kilka liczb dla typow ych baterii, zgodnie z danymi, którym ufam (uważam, że są bardziej realistyczne od tych podawanych przez producentów baterii): •

Typowa 9 -w o lto w a bateria alkaliczna: 0,3 Ah przy prądzie 100 mA.

•

Typowa 1 ,5-w oltow a bateria alkaliczna rozmiaru AA: 2,2 Ah przy prądzie 100 mA.

•

Bateria w ielokrotnego użytku NiMH (niklow o-m eta low o-w odorkow a ): w ytrzym uje mniej więcej dw a razy tyle, co bateria alkaliczna tego sam ego rozmiaru.

•

Bateria litowa: w ytrzym uje być może trzy razy tyle, co zwykła bateria alkaliczna.

Eksperyment 14: Pulsujące światło

123

TEORIA Niespójność jednostek Do opisyw ania w y m ia ró w w yko rzystyw an y jest w tej książce gtównie system metryczny, ale czasami pojawiają się w tekście także cale. Nie w ynika to z braku spójności po mojej stronie, lecz odzwierciedla stan całego przem ysłu elektronicznego, w którym m ilim etry i cale mieszają się ze sobą w codziennej praktyce, często nawet na stronach tej samej karty katalogowej. Jedynym w iększym krajem używ ającym nadal starego system u jednostek, m ającego swoje korzenie w Anglii, są Stany Zjednoczone. (Dwa pozostałe, w edług opracow ania The World Factbook przygotowanego przez CIA, to Liberia i Birma). Nie przeszkodziło to jednak USA w dokonaniu dużego postępu w elektronice, włączając w to wynalezienie układów sca­ lonych, których rozstaw nóżek w yn osi 0,1 cala (2,54 m m ). Standardy tego typu zostały powszechnie zaakceptowane i trzym ają się dzielnie bez oznak zm iany kierunku. Jeszcze bardziej kom plikuje w szystko fakt, iż nawet w sam ych Stanach Zjednoczonych można natknąć się na dw a różne system y liczenia dziesiętnych części cala. Na przykład rozm iary w ierteł są podawane w w ielokrotnościach 1/64 cala, podczas gdy grubość m ate­ riału może być wyrażona dziesiętnie, na przykład 0,06 cala (czyli w przybliżeniu 1/16 cala). Nie można również powiedzieć, aby system m etryczny był bardziej racjonalny od tego sto­ sow anego w Stanach Zjednoczonych. Kiedy w roku 1875 system m etryczny został for­ malnie w prow adzony w życie, m etr był zdefiniow any jako jedna dziesięciom ilionow a odle­ głości pom iędzy biegunem północnym a równikiem , m ierzonej wzdłuż południka przebie­ gającego przez Paryż (zaiste, typow a francuska zarozum iałość). Od tego czasu jednostka ta została trzykrotnie przedefiniowana w celu osiągnięcia większej dokładności w ym aganej przez postępującą do przodu naukę. Co do użyteczności system u dziesiętnego, przesuwanie m iejsca dziesiętnego jest o czyw i­ ście zdecydowanie prostsze w porów naniu do obliczeń na sześćdziesiątych czw artych czę­ ściach cala, ale jedynym pow odem używania przez nas dziesiątek jest tak naprawdę liczba palców u rąk. Bardziej w yg odny m ógłby być system o podstawie 12, w którym liczby dzielą się bez reszty przez 2 i 3. Ponieważ nie ma ucieczki od kapryśnych aspektów pom iaru odległości, stw orzyłem tabele (rysunki 3.83 i 3.84), które pow inny pom óc w przechodzeniu z jednego system u na drugi. Z nich dow iesz się, że otw ór pod diodę 5 m m można w yw iercić w iertłem 3/16 cala. (Fak­ tyczny otw ór będzie trochę m niejszy niż 5 m m , ale dzięki temu dioda będzie się lepiej trzym ać).

124

3. Wkraczamy głębiej

64 32 25

li

64 32

16

-63 31

24

-61

190

15 -59

90

23

29

180

-57 22

7 -55

80

21

-53

29

-51

-11

170

27 13

160

25 -49

19 70

18

150 -47 23 -45

17

-43 21

16 60

15

- 9

140

11

130

-41 5 -39

120

19 -37

14

9

110

-35

-7

17 50

13 12

-33 100

-31 15 -29

11

40

10

9 8 30

-27 13

6

80

-25

- 5

3

-23

70

11 -21 -5 -19

7

90

-7

60

9 -17 50 -15

- 3 7

20

5 4

-13

40 -3

-11 5 -9

3 10

30 1

-7 3

2

-5

1

-3

20 -

1

10

-1 Setne części cala

Milimetry

Części ułamkowe cala

Tysięczne części cala

Milimetry

Części ułamkowe cala

Rysunek 3.83. Ponieważ jednostki m iary odległości nie są ustandaryzowane w elektronice, często wymagana je s t konwersja. Tabela po praw ej stronie stanowi pięciokrotne powiększenie dolnej sekcji tabeli z lewej strony

Eksperyment 14: Pulsujące światło

125

64 32

0,9844 -

16

8

16

-6 3

0,9688

31

-61

61 -

0,9375

15

15

0,9219- -5 9

5929

0,9063

64

6331

0,9531 -

32

29

0,8906- -5 7

577

0,875 0,8594- -5 5

5527

0,8438 0,8281 -

27

-5 3

5313

0,8125 0,7969 -

13

-51

0,7813

51 25

25

0,7656- -4 9

49-

0,7344- -4 7 0,7188

4723

0,7031 -

23

-4 5

45-

0,6875

11

11

0,6719- -4 3 0,6563

4321

21

0,6406- -41

41 5

0,625 0,6094 -

-3 9

3919

0,5938 0,5781 -

19

-3 7

37-

0,5625

9 0,5469 -

9

-3 5

0,5313

3517

17

0,5156- -3 3 0,4844 -

33-

-31

0,4688

31 15

0,4531 -

15

-2 9

29-

0,4375

7

7

0,4219- -2 7 0,4063

2713

13

0,3906- -2 5

253

0,375 0,3594- -2 3 0,3438

2311

0,3281 -

11

-21

21 -

0,3125

5 0,2969 -

5

-1 9

0,2813

19 9

9

0,2656- -1 7

17 -

0,2344 - - 1 5 0,2188

15 7

0,2031 -

7

-1 3

13 -

0,1875

3

3

0,1719- -11 0,1563

11 5

5

0,1406- - 9

91

0,125 0,1094- - 7 0,0938

73

3

0,0781 - - 5

51

0,0625 0,0469 - - 3

3-

0,0313 0,0156- - 1 a część cala w form ie ułamka dziesiętnego

1U łam kow e części cala

Setne części cala

Rysunek 3.84. Ta tabela umożliwia konwersję częściam i wyrażonymi jako ułam ki dziesiętne, tradycyjnym i częściam i ułam kowym i cala wyrażonymi jako ułam ki proste i setnym i częściam i cala

126

3. Wkraczamy głębiej

Eksperyment 15: Powrót do alarmu antywłamaniowego Nadeszła pora, aby w prow adzić pewne ulepszenia do alarmu antywłam aniow ego, o którym m ów iłem pod koniec eksperym entu num er 11. Pokażę Ci, jak uruchom iony może zostać alarm, kiedy w oknach i drzwiach sw ojego dom u zam ontujesz różne czujniki. Przedstawię również układ pozw alający alarm ow i na samodzielne uzbrojenie się i kon­ tynuow anie sw ojego działania (alarm owania dźwiękiem), nawet jeśli drzwi lub okno zostaną z pow rotem zamknięte. Ten eksperym ent zadem onstruje również metodę przenoszenia projektu z płytki prototypowej na kawałek płytki per­ forowanej posiadającej miedziane ścieżki o identycznym układzie połączeń, tak jak zostało to pokazane wcześniej na rysunku 3.72. G otowy projekt zam ontujesz w obudow ie z przełącznikami i podłączeniam i na fron tow ym panelu. Pod koniec tego eksperym entu osiągniesz poziom um ożliw iający budowanie układów elektronicznych na m asow ą skalę. W pozostałej części książki będę stopniow o zm niejszał szczegółow ość wyjaśnień, natom iast tem po nauki będzie stopniow o wzrastać. Potrzebne będą: •

lutow nica o m ocy 15 w at lub podobnej,

•

cienka cyna lutow nicza (0,5 m m lub podobna),

•

szczypce do cięcia i zdejm owania izolacji,

•

płytka perforowana pokryta miedzią, o układzie połączeń podobnym do stosowanego w płytce prototypowej,

•

małe imadło lub zacisk do unieruchom ienia płytki perforowanej,

•

te sam e komponenty, których używałeś podczas eksperym entu num er 11, plus: -

tranzystor NPN 2N 2222, liczba 1,

-

przekaźnik DPDT, liczba 1,

-

przełącznik SPDT, liczba 1,

-

dioda 1N 4001, liczba 1,

-

diody świecące 5 m m , po jednej z każdego koloru,

-

obudow a 1 5 x 7 x 5 cm ,

-

w ty k zasilający typu jack i pasujące do niego gniazdo,

-

złączki do druku,

-

drut 0,5 m m 2 w trzech różnych kolorach,

-

czujniki m agnetyczne, nadające się do użycia w domu,

-

okablowanie alarm owe, przeznaczone do Twojego dom u.

Eksperyment 15: Powrót do alarmu antywłamaniowego

127

Przełączniki magnetyczne Typowy czujnik alarm ow y sktada się z dw óch m odutów: m odułu magnesu i m odułu przełącznika. Patrz rysunki 3.85 i 3.86. M oduł m agnesu zawiera jedy­ nie magnes trw a ły i nic więcej. Przełącznik zawiera kontaktron, który (podobnie do przekaźnika) tw o rz y lub przerywa połączenie pod w p ływ e m pola m agnetycz­ nego. Kiedy zbliżysz m oduł m agnetyczny w pobliże m odułu przełącznika, usły­ szysz głuche kliknięcie oznaczające przejście z jednego stanu w drugi.

Rysunek 3.85.1/1/ tym prostym czuj­

niku alarm owym dolny m oduł zawiera magnes, który otwiera lub zamyka przełącznik kontaktronowy ukryty w module górnym

Podobnie jak inne przełączniki, kontaktron może być norm alnie otw a rty lub nor­ malnie zamknięty. Do tego projektu będziesz potrzebował przełącznika norm al­ nie otw artego i zam ykanego pod w p ływ e m zbliżenia m odułu magnetycznego. M oduł m agnetyczny zam ocuj do ruchom ej części drzwi lub okna, natom iast przełącznik do ramy. Po zam knięciu okna lub drzwi m oduł m agnetyczny pow i­ nien niemal dotykać m odułu przełącznika. M agnes pow oduje utrzym anie prze­ łącznika w stanie zam kniętym do m om entu, kiedy drzwi lub okno zostaną otwarte. W tedy przełącznik otwiera się.

Pytanie brzmi, jak w yko rzystam y ten kom ponent do budow y naszego alarmu. Kiedy przez w szystkie nasze prze­ łączniki płynie niewielki prąd, alarm powinien pozostawać w stanie czuwania, ale kiedy prąd ustanie, alarm powinien zacząć „w y ć ” . M oglibyśm y użyć przekaźnika „zawsze w łączonego” dla uzbrojonego stanu alarmu. Przerwanie obw odu spo w o d o ­ w a łoby przejście styków przekaźnika w stan spoczynku i zam knięcie drugiej pary, która zasiliłaby układ generujący dźwięk. Ten pom ysł jest jednak niedobry. Przekaźniki pobierają znaczną m oc i m ogą się nagrzewać. W iększość z nich nie została zaprojektowana do utrzym yw ania w ciągłym stanie włączenia. Znacznie lepsze będzie zrealizowanie tej funk­ cji przy pom ocy tranzystora.

N S

Rysunek 3.86. Przekrój czujnika alarmowego, pokazujący przełącznik kontaktronowy

(u dołu) i aktywujący go magnes (u góry). Przełącznik zawiera dwa giętkie, namagnetyzowane paski, górny o biegunie południowym i dolny o biegunie północnym , oba połą­ czone z kontaktami elektrycznymi. Kiedy dodatni biegun magnesu zbliża się do prze­ łącznika, siła pola magnetycznego (pokazana przerywanym i liniami) odpycha p o łu ­ dniowy styk i przyciąga północny, powodując ich zetknięcie. Kontakty wewnątrz obu­ dowy są połączone ze śrubam i widocznym i z zewnątrz

128

3. Wkraczamy głębiej

Przerwa na wykonanie obwodu tranzystorowego Przypom nij sobie zasadę działania tranzystora NPN. Kiedy baza nie ma dosta­ tecznie w ysokiego potencjału, tranzystor blokuje przepływ prądu pom iędzy kolektorem i emiterem, ale kiedy potencjał taki zostanie osiągnięty, prąd zaczyna płynąć.

12 V DC

Przyjrzyj się schem atow i na rysunku 3.87, który został zbudow any w o kół naszego starego przyjaciela — tranzystora NPN typu 2N 2222. Zamknięty prze­ łącznik pow oduje połączenie bazy tranzystora z ujem nym napięciem poprzez rezystor 1 k i l Jednocześnie baza jest połączona z dodatnim źródłem zasilania przez tranzystor 10 k f i. Ze względu na różnicę w rezystancjach oraz w zględ­ nie duże napięcie pracy diody następuje wym uszenie spadku napięcia na bazie poniżej jej progu zadziałania i ograniczenie przepływu prądu. Dioda będzie w najlepszym przypadku św iecić przyciem nionym światłem . Co się dzieje, kiedy przełącznik jest otw arty? Baza tranzystora traci kontakt z ujem nym biegunem zasilania i ma dostęp jedynie do bieguna dodatniego. Jej potencjał rośnie w yso ko w górę, powyżej poziomu włączenia tranzystora, co oznacza obniżenie jego rezystancji wewnętrznej i przepuszczenie większej ilo­ ści prądu. Dioda świeci jasnym światłem . W yłączenie przełącznika powoduje zatem ponowne włączenie diody. O bserwowane zachowanie wydaje się być tym , czego potrzebujemy. W yobraź sobie teraz cały zestaw takich przełączników zam iast jednego (rysunek 3.88). Obwód będzie nadal pracow ał w taki sam sposób, nawet jeśli przełączniki zostaną rozrzucone po całym dom u, ponieważ rezystancja przew odów łączą­ cych je ze sobą będzie pom ijalna w porównaniu do rezystancji 1-kiloom ow ego rezystora.

12 V DC

680 0

10 kO

/

Przełączniki aktywowane otwartymi drzwiami lub oknem

Rysunek 3.87. Kiedy przełącznik je s t otw arty na tym schemacie dem on­ stracyjnym, odcina bazę tranzystora od ujemnego napięcia, powodując obniżenie jego rezystancji wewnętrz­ nej i przepływ prądu przez diodę LED. Zatem otwarcie (wyłączenie) przełącz­ nika powoduje włączenie diody

©

T1

1 kO Rysunek 3.88. Pojedynczy przełącznik z rysunku 3.87 można zastąpić kilkoma połączonym i szeregowo. Teraz każdy prze­ łącznik spowoduje przerwanie ciągłości i zmianę punktu pracy tranzystora

Eksperyment 15: Powrót do alarmu antywłamaniowego

129

Pokazałem przełączniki w stanie o tw artym , ponieważ w taki sposób są one rysowane na schem atach, ale wyobraź je sobie w stanie zam kniętym . Baza tranzystora jest teraz zasilana przez długi przewód łączący wszystkie zamknięte przełączniki, a dioda jest zgaszona. Teraz, kiedy dow olny z przełączników zostanie o tw arty lub ktoś zacznie m ajstro­ w ać przy przewodzie, doprowadzając do jego przerwania, baza tranzystora utraci swoje połączenie z ujem nym bie­ gunem zasilania, tranzystor zacznie przewodzić i dioda się zaświeci. Kiedy przełączniki pozostają zamknięte, obw ód pobiera bardzo m ały prąd, rzędu 1,1 mA. M ógłbyś zatem zasilać go z typow ej 12-w o ltow ej baterii. Załóżmy teraz, że usuniem y z obw odu diodę LED i w jej m iejsce w s ta w im y przekaźnik, tak jak pokazuje to rysunek 3.89. Użycie przekaźnika w tym m iejscu nie jest groźne, ponieważ nie będzie on działał w stanie „zawsze w łą c z o n y m ” . Przez większość czasu będzie pozostaw ał wyłączony. Zacznie pobierać prąd dopiero, kiedy zadziała alarm.

12 V DC

LU PI

Rysunek 3.89. Jeśli dioda LED i rezystor 680 Q z rysunku 3.88 zostaną zastąpione przekaźnikiem, ten będzie aktywowany otwarciem któregokolwiek z przełączników w sieci czujników

W ypróbuj jeden z przekaźników 1 2-w o ltow ych używ anych podczas w cześniejszych eksperym entów. Przekonasz się, że kiedy przełącznik zostanie otwarty, przekaźnik zostanie zasilony. Po zam knięciu przełącznika przekaźnik przejdzie ponownie w stan spoczynku. Zauważ, że usunąłem z obw odu rezystor 680 f i — przekaźnik nie potrzebuje żadnej ochrony ze strony 12-w o ltow ego źródła zasilania.

130

3. Wkraczamy głębiej

Przekaźnik samozatrzaskowy Pozostaje jeszcze jeden problem: chcemy, aby alarm kontynuow ał generowanie dźwięku, nawet jeśli osoba, która wdarta się do środka, zamknęła za sobą drzwi lub okno. Innym i słowy, kiedy przekaźnik zostanie aktywowany, pow i­ nien pozostać w takim stanie. Jednym ze sposo bów osiągnięcia takiego stanu byłoby użycie przekaźnika zatrzaskowego. W tedy potrzebow alibyśm y jednak dodatkow ego układu do jego odblokow ania. Zamiast tego wolę pokazać Ci, w jaki sposób możesz dop row a­ dzić do podtrzym ania stanu włączenia dowolnego przekaźnika, nawet jeśli ten otrzym ał wyłącznie jeden im puls ener­ gii. Ta m etoda przyda Ci się również w dalszej części książki. Sekret polega na dostarczeniu energii do przekaźnika przez jego dw a kontakty, które norm alnie znajdują się w stanie o tw artym . (Zwróć uwagę, że jest to podejście dokładnie przeciwne do użytego przy budowie oscylatora, w którym energia była dostarczana do cewki przez kontakty norm alnie zamknięte. Taki układ połączeń sprawiał, że przekaźnik w yłączał się natychm iast po sw o im włączeniu. Przy tym układzie połączeń przekaźnik po aktywacji pozostanie w sta­ nie w łączonym ). Ilustrują to cztery schem aty na rysunku 3.90. Spróbuj wyobrazić je sobie jako cztery kolejne klatki film u, zrobione w m ikrosekundow ych odstępach. Na pierw szym schem acie styki przekaźnika są otwarte, a jego rdzeń nie jest zasi­ lany. Na drugim przełącznik został zamknięty, pow odując zasilenie przekaźnika. Na trzecim rdzeń spow odow ał prze­ łączenie kontaktów w ew nątrz przekaźnika, dzięki czemu energia dociera teraz do cewki dw om a różnym i ścieżkami. Na czw a rtym schem acie przełącznik został otwarty, ale przekaźnik nadal zasila cewkę przez sw oje własne kontakty. Pozostanie w takim stanie aż do m omentu, kiedy zostanie odcięty dop ływ prądu do cewki. 12 V DC

12 V DC

1J

12 V DC

1J

l/i

Rysunek 3.90. Cztery kolejne schem aty pokazują zdarzenia zachodzące w przekaźniku po dostarczeniu m u energii. Początkowo przekaźnik je s t w stanie otwartym. Po zamknięciu styków przełącznika przekaźnik zasila swoją cewkę przez własne styki i pozo­ staje w takim stanie, nawet je ś li dopływ energii z pierwotnego miejsca ulegnie przerwaniu. Przełączane przez przekaźnik źródło energii je s t dostępne w punkcie oznaczonym literą A

W celu realizacji w praktyce tego pom ysłu m usim y jedynie zastąpić przełącznik „w łą cz/w yłącz” tranzystorem i pod­ piąć układ w punkcie A, prowadząc przewód z tego m iejsca do m odułu generującego hałas. Zasadę działania pokazuje schem at na rysunku 3.91. Kiedy tranzystor zostanie aktyw ow any przez którykolw iek z przełączników połączonych w szereg, zacznie zasilać przekaźnik. Przekaźnik zablokuje się i dalsze zachowanie tran­ zystora przestanie mieć znaczenie.

Eksperyment 15: Powrót do alarmu antywłamaniowego

131

Zasilanie dla układu generującego hałas

Zasilanie

Przełączniki magnetyczne ----------------- * -----------------Przekaźnik samozatrzaskowy

i Wolny oscylator

I Szybki oscylator

i Wzmacniacz

I Głośnik Rysunek 3.91. Samozatrzaskowy przekaźnik, pokazany na rysunku 3.90, został połą­ czony z obwodem alarmu. Jeśli zatem dowolny z przełączników połączonych sze­ regowo zostanie otwarty, przekaźnik wym usi ciągłe generowanie hałasu, nawet je ś li przełącznik zostanie ponownie zamknięty

Rysunek 3.92. Schem at blokowy, pokazany poprzednio na rysunku 2.112, uaktualniony o sieć prze­ łączników magnetycznych i sys­ tem zapewniający blokowanie się przekaźnika

Po dodaniu now ych elem entów do oryginalnego obw odu alarm u uaktualniłem schem at blokow y z rysunku 2.112. Jest to dow ód na to, że nadal je steśm y w stanie rozbić całość na m oduły realizujące proste funkcje. Poprawiony sche­ m at znajduje się na rysunku 3.92.

Blokada szkodliwego napięcia Pozostał m ały problem do rozwiązania: kiedy tranzystor przejdzie w stan wyłączenia, podczas gdy przekaźnik będzie nadal pracował, prąd płynący przez przekaźnik osiągnie em iter tranzystora i będzie próbow ał przebić się do jego bazy o niższym potencjale (w ynikającym z podłączenia jej przez zespół przełączników i rezystor 1 kQ do m asy układu). Podłączenie zasilania do tranzystora w kierunku przeciw nym jest niewskazane. Dlatego ostatni schem at z tej serii pokazuje jeszcze jeden now y element, którego nie widziałeś do tej pory: diodę oznaczoną sym bolem D 1. Patrz rysu­ nek 3.93. Jej sym bol przypom ina środek sym bolu diody świecącej, co odpowiada rzeczywistości, ponieważ pod­ staw ow y m echanizm działania jest taki sam. Różnica polega jedynie na odporności. Dioda pozwala, aby prąd płynął wyłącznie w jednym kierunku, od źródła dodatniego do ujemnego, zgodnie ze strzałką na sym bolu. Jeżeli prąd spró­ buje popłynąć w kierunku przeciw nym , dioda zablokuje go. Cena za tę funkcję to m ały spadek napięcia na diodzie, kiedy prąd płynie przez nią w praw idłow ym kierunku.

132

3. Wkraczamy głębiej

Zatem teraz płynący prąd może przedostać się z tranzystora poprzez diodę do cewki przekaźnika i rozpocząć cały proces. Przekaźnik zasila się samodzielnie, a dioda uniem ożliwia dodatnim ładunkom przedostawanie się do tranzy­ stora w złym kierunku. Być może bardziej eleganckim rozwiązaniem tego problemu byłoby podłączenie norm alnie otw artego kontaktu prze­ kaźnika przez rezystor 10 k f i do bazy tranzystora. Kiedy przekaźnik jest wyłączony, kontakt tego typu pozostaje bez­ w ładny i zachowuje się jak pojem ność pasożytnicza. Po zasileniu przekaźnika nóżka zaczyna dostarczać 12-w olto w e napięcie ze w spólnego zacisku przez 1 0 -k iloom ow y rezystor do bazy tranzystora. W takiej konfiguracji tranzystor nigdy nie jest narażony na potencjalnie niebezpieczne napięcie, a Ty nie m usisz stosow ać dodatkow ych elem entów zabezpieczających układ przed „w ycie kam i” . Użycie diody dało mi jednak okazję do przedstawienia ogólnej koncepcji ich działania. Przeczytasz o niej w sekcji „Wiedza niezbędna. W szystko o diodach” .

Zasilanie dla układu generującego hałas

Rysunek 3.93. l/l/ celu ochrony emitera tranzystora T1 przed dodatnim napięciem obecnym po włączeniu przekaźnika do układu dodana została dioda D1

Eksperyment 15: Powrót do alarmu antywłamaniowego

133

WIEDZA NIEZBĘDNA Wszystko o diodach Dioda jest jednym z pierw szych elem entów półprzew odnikow ych. Pozwala na przepływ prądu w jednym kierunku i blokuje jego przepływ w drugą stronę. (Dioda św iecąca została wynaleziona znacznie później). Zwykła dioda, podobnie do diody świecącej, może zostać uszkodzona przez napięcie przyłożone w przeciw nym kierunku, chociaż większość z nich ma znacznie większą w ytrzym ałość niż diody LED. Końcówka diody blokująca dodatnie napięcie jest zazwyczaj oznaczona odpow iednim paskiem na końcu obudowy, chociaż zdarzają się również diody bez takiego oznaczenia. Diody przydają się szczególnie w obw odach logicz­ nych. M ogą również służyć od konw ersji napięcia zm iennego (AC) na stałe (DC). Istnieje specjalny rodzaj diody — nazywany diodą Zenera — której nie będziemy używać w tej książce. Blokuje ona całkow icie przepływ prądu w jednym kierunku, a także w drugim do m om entu przekroczenia pewnego progu napięcia (pod tym względem zachowuje się bar­ dzo podobnie do tranzystora jednozłączowego). Diody sygnałow e oferują szeroki wachlarz napięć i mocy. Dioda o sym bolu 1N 4001, którą zaleciłem dla układu aktywującego alarm, jest w stanie w ytrzym ać znacznie większe obcią­ żenie, przy znacznie w yższym napięciu. Użyłem jej jednak ze względu na jej małą rezystancję wewnętrzną. Zależało mi na m inim alnym spadku napięcia, tak aby jak największa jego w ar­ tość dotarła do przekaźnika. Dobrą praktyką jest używanie diod poniżej ich m aksym alnych w a rtości. Podobnie do innych półprzewodników, w ystaw ione na czynniki ekstremalne diody m ogą się przegrzewać i w kon­ sekw encji ulegać zniszczeniu. Sym bol reprezentujący diodę na schem acie ma tylko jedną znaczącą odmianę: czasem repre­ zentujący ją trójkąt rysow any jest z w ypełnieniem (rysunek 3.94).

ł ł

Rysunek 3.94. Oba symbole mogą być użyte do przedstawienia diody na schemacie, ale częściej

stosowany je s t sym bol po lewej stronie

134

3. Wkraczamy głębiej

Zakończenie prac nad obwodem alarmu na płytce prototypowej Nadeszła pora, aby zbudow ać obw ód kontrolujący pracę modutu generującego hatas. Schemat połączeń na płytce prototypowej pokazuje rysunek 3.95. Zakładam, że w ciąż posiadasz układ generujący dźwięk o niezmienionej funkcjo­ nalności. Jego kom ponenty pow inny być um ieszczone w górnej części płytki. W celu zaoszczędzenia m iejsca dodat­ kowe części um ieścim y w dolnej części tej samej płytki. Zw róć uwagę, że od tej pory nie dostarczasz energii bezpośrednio do skrajnych „to ró w ” płytki, ale do sekcji zawierają­ cej tranzystor i przekaźnik. Dopiero kiedy przekaźnik zewrze swoje styki, energia zostanie dostarczona do tych torów. To powoduje zasilenie górnej części płytki. Odłącz zatem przewody zasilające od swojej płytki m ontażowej i połącz je zgodnie z rysunkiem 3.95. Ponieważ jest to przekaźnik dwubiegunowy, używam go do przełączania jednocześnie napięcia dodatniego i ujem ­ nego. Oznacza to, że kiedy styki przekaźnika pozostają otwarte, układ generujący dźw ięk jest całkow icie odcięty od świata. Zasilanie dla modułu generującego hałas w górnej części płytki prototypowej

Do czujników alarmowych Rysunek 3.95. Schemat, który tworzyliśm y na poprzednich stronach, może być zasymulowany przy użyciu kom ponentów na płytce prototypowej. P1 odpowiada przekaźnikowi DPDT. Przewody prowadzące do czujników alarmowych muszą zostać podłączone w m iejscu pokazanym u dołu rysunku

Eksperyment 15: Powrót do alarmu antywłamaniowego

135

Obwód przekaźnika na płytce prototypowej jest dokładnie taki sam jak na schem acie z rysunku 3.93. Komponenty zostały rozłożone inaczej i nieco upakowane, tak aby zm ieścić się w pobliżu przekaźnika. Dwa przewody w lewej dol­ nej części płytki prowadzą do sieci przełączników m agnetycznych w yzw alających alarm. W trakcie testó w możesz zewrzeć odizolowane końce tych przewodów, sym ulując w ten sposób stan zam knięcia wszystkich przełączników, lub odsunąć je od siebie, udając przerwanie obwodu. Dwa kolejne przew ody dostarczają energii do płytki m ontażowej po obu jej stronach. Do nich powinieneś podłączyć sw ój zasilacz w trakcie testowania. W yjście przekaźnika (jego dw a górne styki) jest połączone ze skrajnym i torami płytki prototypowej przez dw a m ostki: jeden po lewej i drugi po jego prawej stronie. Nie zapomnij ich dodać! Podobny m ostek w lewym dolnym rogu (bardzo ła tw y do przeoczenia) łączy lewy tor zasilający z lewym wyprow adzeniem cewki przekaźnika. Dzięki tem u przekaźnik, zasilając układ generujący dźwięk, zasila również siebie. W stawiając diodę, pamiętaj, że w yprow adzenie zaznaczone paskiem biegnącym w o kół obu dow y blokuje przepływ dodatniego prądu. W tym obwodzie to w yprow adzenie pow inno być skierowane w dół. Sprawdź, czy w szystko razem działa. Zewrzyj przew ody czujników, a następnie podłącz zasilanie. Alarm powinien być „n ie m y ” . Brak zasilania na torach bocznych możesz sprawdzić przy użyciu sw ojego miernika. Oddziel teraz od siebie przewody prowadzące do czujników. Przekaźnik powinien przeskoczyć w drugą pozycję, dostarczając energii torom bocznym . To z kolei uruchom i układ dźwiękowy. Nawet jeśli z pow rotem połączysz ze sobą oba przewody, przekaź­ nik powinien zostać w pozycji włączonej. Jedynym sposobem jego wyłączenia jest całkowite odłączenie zasilania. W trakcie pracy układu tranzystor połączony z diodą pow odują nieznaczny spadek napięcia, nie pow inno to jednak przeszkodzić w działaniu 12-w o ltow ego przekaźnika. W sw o im obw odzie w yp rób ow ałem trzy różne przekaźniki; pobierały one prądy w przedziale od 27 do 40 m A przy napięciu 9,6 V. Pewien prąd nadal przedostawał się przez tranzystor, gdy ten znajdow ał się w stanie w yłączonym , ale było to zaledwie kilka m iliam perów przy napięciu 0,5 V. Tak niskie napięcie było zdecydowanie poniżej progu w y m a ­ ganego do uruchom ienia przekaźnika.

Przeprowadzka na płytkę perforowaną Jeżeli obw ód działa, kolejnym krokiem jest utrwalenie go na płytce perforowanej. Użyj płytki o takim sam ym układzie połączeń, jak na płytce prototypowej (patrz rysunek 3.72). W skazówki odnośnie tworzenia połączeń na tego typu płyt­ kach znajdziesz w sekcji „Wiedza niezbędna. Procedura m ontow ania na płytkach p erforo w anych” . Zajrzyj również do kolejnej sekcji, opisującej najczęściej popełniane błędy.

136

3. Wkraczamy głębiej

WIEDZA NIEZBĘDNA Procedura montowania na płytkach perforowanych Określ dokładną pozycję kom ponentu na płytce pro­ totypow ej, a następnie przenieś go w dokładnie to sam o m iejsce na płytce perforowanej, przewlekając jego wyprow adzenia przez otwory. Odwróć płytkę do góry nogami i upewnij się, że leży stabilnie. Sprawdź, w którym m iejscu w ystają z niej przewody (patrz rysunek 3.96). O tw ory mają m ie­ dzianą metalizację, która łączy się z innymi otworam i. Twoim zadaniem jest stopienie cyny w tym m iejscu tak, aby przylgnęła ona do wystającego drutu i samej miedzi, tw orząc w ten sposób trw ałe i solidne połą­ czenie m iędzy tym i przewodnikam i. Weź do jednej ręki swoją mniejszą lutownicę, a do drugiej cynę. Dotknij grotem przewodu oraz m ie­ dzi i przyłóż cynę w to sam o miejsce. W ciągu kilku

Rysunek 3.96

Rysunek 3.97

sekund cyna powinna się zacząć topić. Stop w ystar­ czającą ilość cyny, aby zalała ona miedziane kółko i przewód, tak jak pokazuje to rysunek 3.97. Pocze­ kaj, aż cyna całkowicie stwardnieje, następnie chw yć w ystający drut szczypcam i i poruszaj nim. Przeko­ nasz się w ten sposób, czy stworzyłeś solidne połą­ czenie. Jeśli wszystko w ygląda dobrze, przytnij odsta­ jące przewody szczypcam i z ostrzem (rysunek 3.98). Ponieważ trudno jest sfotografow ać połączenie luto­ wane, do przedstawienia drutu przed wykonaniem połączenia i po jego w ykonaniu używ am rysunku. Dobrze wykonane połączenie w idoczne jest jako biała plama obwiedziona czarną obwódką. Prawdziwa płytka z wykonanym i połączeniami lutowa­ nymi przedstawiona została na rysunkach 3.99 i 3.100.

Rysunek 3.99. Ta fotografia została wykonana w trakcie przenoszenia kom ponentów z płytki prototypow ej na p erfo ­ rowaną. l/l/ jednym kroku do płytki montowane są dwa lub trzy komponenty, a ich wyprowadzenia zostają wygięte, aby uniknąć wypadnięcia

4

Rysunek 3.98. Aby połączyć drut z miedzianą ścieżką, należy przewlec go przez otwór, następnie zlutować (w celu lepszego zilustrowania cyna została przedsta­ wiona kolorem białym). Nadmiernie wystający przewód można obciąć

Eksperyment 15: Powrót do alarmu antywłamaniowego

4

4

*m-i'

*

Rysunek 3.100. Po przylutowaniu przycinam y wyprowa­ dzenia i sprawdzamy jakość połączeń przy użyciu szkła powiększającego. Wstawiamy trzy kolejne kom ponenty i powtarzam y cały proces

137

NARZĘDZIA Cztery najczęstsze btędy popełniane podczas montowania w płytce perforowanej 1. Zbyt dużo cyny Zanim się zorientujesz, cyna rozleje się po płytce, przyklejając się do sąsiadujących ścieżek (rysu­ nek 3.101). Kiedy nastąpi taka sytuacja, m usisz poczekać, aż cyna ostygnie, a następnie w yciąć ją nożem narzędziowym . Możesz również próbo­ w ać usunąć ją odsysarką lub taśm ą do usuwania cyny, ale pewna jej część zapewne pozostanie. Nawet m ikroskopijna ścieżka cyny w ystar­ czy, aby spow odow ać zwarcie. Sprawdź połą­ czenia pod szkłem pow iększającym , obracając płytkę tak, aby światło padało na nią z różnych stron. Jeśli znajdziesz cynę w m iejscu, gdzie nie pow inno jej być, odessij ją.

Rysunek 3.102. Zbyt mała ilość cyny (lub niedostateczne rozgrzanie miejsca lutowania) może sprawić, że pokryty cyną drut będzie fizycznie oddzielony od pokrytej cyną ścieżki na płytce. Nawet przerwa o grubości włosa wystar­ czy, aby uniem ożliwić kontakt elektryczny

3. Źle wstawione komponenty Bardzo łatw o można um ieścić kom ponent o jedną dziurkę za daleko od pozycji, w której powinien się on znaleźć. Równie łatw o m ożna przeoczyć konieczność stworzenia połączenia. Sugeruję, abyś w y d ru k o w a ł kopię schem atu i za każdym razem, kiedy utworzysz połączenie na płytce perforowanej, oznaczał je na kopii sche­ matu za pom ocą markera. Rysunek 3.101. Zbyt duża ilość cyny powoduje powstanie

niechlujnego połączenia, które dodatkowo może doprowa­ dzić do niechcianego zwarcia z innym przewodnikiem

2. Zbyt mało cyny Jeżeli połączenie jest słabe, przewód może ode­ rwać się od cyny, kiedy ta jeszcze stygnie. Nawet mikroskopijnych rozmiarów przerwa wystarczy, aby układ przestał działać. W przypadkach eks­ tremalnych cyna przykleja się do drutu i miedzia­ nej ścieżki w okół niego, ale m im o to nie tworzy połączenia między nimi. Widać jedynie przewód pokryty cyną, ale nadal wiszący w powietrzu (rysu­ nek 3.102). Są przypadki, kiedy nie widać tego gołym okiem, a jedynie z bliska, w powiększeniu. Jeżeli uznasz, że cyny jest za mało, zawsze możesz dodać jej więcej. Pamiętaj, aby w cześniej odpow iednio rozgrzać całe połączenie.

138

4. Odpadki Podczas przycinania w ystających przew o­ dów odcięte fragm enty nie znikają. Zbierają się w m iejscu pracy. Każdy z nich ma szansę utknąć gdzieś w płytce, tw orząc niechciane połączenie elektryczne. Jest to kolejny pow ód, aby podłożyć coś m ięk­ kiego pod płytkę, na przykład piankę poliureta­ nową. Będzie ona „zbierać” wszystkie drobne odpadki, zapobiegając tym sam ym ich przycze­ pieniu do płytki. Przed podłączeniem płytki do prądu w yczyść jej spód starą (suchą) szczoteczką do zębów. Dbaj również, aby m iejsce Twojej pracy było czyste. Im bardziej będziesz pedantyczny, tym mniej pro­ blem ów możesz spodziewać się w przyszłości. Jeszcze raz przypom inam , abyś sprawdzał każde połączenie przy użyciu szkła powiększającego. 3. Wkraczamy głębiej

Przenoszenie części z płytki prototypowej na płytkę perforow aną nie pow inno spraw ić żadnych problemów, o ile tylko nie będziesz próbow ał robić tego ze zbyt dużą liczbą kom ponentów jednocześnie. Przestrzegaj w skazów ek opisa­ nych wcześniej w sekcji „Wiedza niezbędna. Procedura m ontow ania na płyt­ kach p erforo w anych” i rób regularne przerwy, aby sprawdzić wykonane połą­ czenia. W tego typu pracy najczęstszą przyczyną błędów jest niecierpliwość. Rysunek 3.103 pokazuje sekcję układu na płytce perforowanej odpowiedzialną za generowanie dźwięku. Kom ponenty zostały ułożone w taki sposób, aby zm ie­ ścić w szystko na jak najmniejszej powierzchni. Na rysunku 3.104 w idać płytkę perforow aną z przekaźnikiem i otaczającym i go kom ponentam i. Dwa czarne przewody prowadzą do głośnika, para w kolorach czarnym i czerw onym będzie zasilać układ, natom iast zielone przewody służą do połączenia z przełącznikami m agnetycznym i. Każdy z tych przew odów przechodzi przez płytkę i jest przylutow an y do miedzianej ścieżki z drugiej strony.

Rysunek 3.103. Uktad generujący dźwięk po przeniesieniu z ptytki p roto ­ typowej na perforowaną, bez jakichkol­ wiek dodatków lub zmian

Przetestuj go teraz w taki sam sposób, jak zrobiłeś to, kiedy cały układ znajdo­ w a ł się jeszcze na płytce prototypowej. Jeżeli nie działa, posłuż się kolejną sek­ cją, „Wiedza niezbędna. W yszukiw anie usterek w praw dziw ym ś w iecie” .

WIEDZA NIEZBĘDNA Wyszukiwanie usterek w prawdziwym świecie Oto opis poszukiwania usterek zaczerpnięty z rzeczywistości. Kiedy zm ontow ałem oba układy (dźw iękow y i kontrolujący czujniki) na płytce perforowanej, sprawdziłem sw o ją pracę i podłączyłem prąd. Cho­ ciaż przekaźnik „p strykn ą ł” , z głośnika nie w y d o b y w a ł się żaden dźwięk. O czywiście, na płytce prototypow ej w szystko działało bezbłędnie. W pierwszej kolejności przyjrzałem się rozmieszczeniu komponentów, ponieważ tę rzecz można zweryfikow ać najłatwiej. Nie znalazłem żad­ nych błędów. Następnie wygiąłem lekko płytkę, kiedy ta była zasilana. Gło­ śnik wydał z siebie krótki dźwięk. Po takim zdarzeniu możesz być niemal pewien, że któreś z połączeń lutowanych ma mikroskopijne pęknięcie. Następnym krokiem było zakotwiczenie czarnej końcówki m ojego mier­ nika w ujem nym punkcie zasilania, włączenie zasilacza i sprawdzanie napięcia w układzie punkt po punkcie, idąc od góry do dołu. W tak pro­ stym obw odzie jak ten każdy element powinien mieć na sobie chociaż m inim alny poziom napięcia. Kiedy jednak doszedłem do drugiego tranzystora 2N 2222, który dostarcza energii głośnikowi, okazało się, że jego w yjście jest kompletnie m artwe. Albo stopiłem tranzystor podczas jego lutowania (mało prawdopodobne), albo któreś z połączeń zostało wykonane wadliwie. O dwróciłem płytkę i sprawdziłem w szystkie połączenia, używając szkła powiększającego. Okazało się, że cyna opłynęła jedną z końców ek tranzystora, nie dotyka­ jąc jej faktycznie. Przerwa m ogła być m niejsza niż kilka tysięcznych m ili­ metra, ale m im o to dostatecznie duża. Praw dopodobną przyczyną takiego stanu rzeczy był brud lub tłuszcz.

Rysunek 3.104. Płytka po dodaniu obwodu kontrolującego alarm opar­ tego na tranzystorze i przekaźniku. Przewody prowadzące do urządzeń zewnętrznych zostały przewleczone przez o tw ory i przy lutowane do m ie­ dzianych ścieżek. Zielone przewody prowadzą do sieci czujników, czarne do głośnika, a para w kolorach czar­ nym i czerwonym je s t połączona z zasilaczem

Tego typu cierpliwe dochodzenie musisz powtórzyć, kiedy obwód nie chce działać. Sprawdź, czy Twoje komponenty są rozłożone prawidłowo, czy zasilacz działa, czy napięcie dociera do płytki. Zbadaj napięcie w każdym punkcie układu. Jeśli będziesz uparty, na pewno znajdziesz źródło problemu.

Eksperyment 15: Powrót do alarmu antywłamaniowego

139

Przełączniki i gniazda alarmu Teraz m usisz uczynić cały system tatw ym w użyciu. Schemat na rysunku 3.105 pokazuje jeszcze jeden dod atkow y blok niemal na sam ym początku sekwencji: Kontrolki użytkownika. Składają się na nie przełączniki, diody LED i połą­ czenia ze światem zewnętrznym . Aby zaplanować tę część prac, muszę wcześniej podsum ow ać sposób działania naszego alarmu na obecnym etapie jego ewolucji. W pełni w yposażony alarm do m o w y pracuje zazwyczaj w dw óch trybach: „w d o m u ” i „poza d o m e m ” . •

Tryb „w d o m u ” włączasz, kiedy pozostajesz w dom u, dzięki czemu zostaniesz ostrzeżony, jeśli w łam yw acz otw orzy okno lub drzwi.

•

W celu włączenia trybu „poza d o m e m ” wpisujesz specjalny kod cyfrow y. Następnie masz około 30 sekund, aby w yjść na zewnątrz i zam knąć drzwi za sobą. Kiedy wrócisz, uruchom isz alarm otw arciem drzwi, ale będziesz m iał 30 sekund na dotarcie do panelu kontrolnego i ponowne w prow adzenie sw ojego kodu, co pow strzym a alarm przed uruchom ieniem sygnalizacji dźwiękowej. Alarm, który budow aliśm y do tej pory, działa jedynie w trybie „w d o m u ” . Taka funkcjonalność jest dla wielu ludzi wystarczająca i zapewnia poczucie bez­ pieczeństwa. W dalszej części książki zaproponuję sposób m odyfikacji tego układu, który pozwoli w zbogacić go o tryb „poza d o m e m ” . Na obecną chwilę dostatecznie dużym w yzw aniem będzie przystosowanie go do praktycznego w ykorzystania w ew nątrz dom u. Spróbuj wyobrazić sobie sposób jego codziennego użycia. Niezbędny jest prze­ łącznik w łączający zasilanie. Po włączeniu każdy czujnik m agnetyczny powinien być w stanie wzbudzić alarm. Co pow inno się stać, jeśli włączysz alarm, nie zdając sobie sprawy, że jedno z okien jest otw arte? W takiej sytuacji syrena nie pow inna zostać uruchom iona. Potrzebujesz funkcji testującej obw ód alarmowy, która powie Ci, czy wszystkie drzwi i okna są zamknięte. Po takim sprawdzeniu będziesz m ógł w łączyć alarm. Do testow ania obw odu czujników dob ry będzie przełącznik przyciskany. Po jego naciśnięciu zapali się zielona dioda świecąca, wskazując, iż obw ód jest zamknięty. Po zaobserw ow aniu świecenia tej diody możesz puścić przycisk i w łączyć przełącznik zasilania, który zapali czerwoną diodę. Będzie to inform a­ cja, że alarm jest uzbrojony i gotow y do pracy. Przydałaby się jeszcze jedna funkcja: system testujący m oduł dźw iękow y alarmu. Dzięki niej będziesz m ógł się upewnić, iż system jest w stanie w ygene­ rować dźwięk, kiedy zajdzie taka potrzeba.

Rysunek 3.105. Ostateczna postać schematu blokowego dla tej fazy p ro ­ jektu, uwzględniająca kontrolki użyt­ kownika realizujące dodatkowe funkcje

W szystkie w spom niane cechy posiada obw ód pokazany na rysunku 3.106. P1 jest przełącznikiem SPDT, P2 przyciskiem c h w ilo w y m DPDT typu ON-(ON). Aby w łączyć P2 do układu, przeciąłem zielone przewody prowadzące do czujników, a następnie jedną parę podłączyłem z jednej strony tego przełącznika, a drugą parę z drugiej strony (pokazuje to rysunek). Schemat pokazuje stan spoczyn­ kowy, kiedy przycisk nie jest naciśnięty. D1 to czerw ona dioda LED, a D2 zielona. J1 to złącze zasilające typu jack (do połączenia z zew nętrznym źródłem zasilania 12 V). Ochronę diodom zapewnia rezystor R1 o w a rto ś c i 680 f i . Zwróć uwagę, iż J1 przestrzega ogólnie przyjętej zasady dostarczania dodatniego napięcia przez kontakt znajdujący się w środku i ujemnego przez okrągłą osłonę m etalow ą na zewnątrz.

140

3. Wkraczamy głębiej

Kiedy P1 znajduje się w pozycji wyłączonej, dostarcza dodatnie napięcie poprzez sw ój górny zacisk do przycisku P2. Kiedy przycisk jest naciśnięty (znajduje się w pozycji „Test” ), jego biegun tączy się z napięciem zasilającym i przeka­ zuje je dalej przez serię czujników zam ocow anych na drzwiach i oknach. Przewody prowadzące do tych czujników będą podłączone przez złącze jednorzędow e (2-stykow e), pokazane na schem acie w form ie dw óch m ałych kółek. Jeżeli czujniki są zamknięte, napięcie dociera przez drugi ze styków złącza oraz dolny zestaw kontaktów przełącznika P2 i pow oduje zapalenie diody D2. Ponieważ przełącznik P1 nie dostarcza energii obw odow i alarmu, nie ma m ożliw o­ ści wygenerowania dźwięku w takiej konfiguracji. Kiedy P1 zostanie przestawiony w pozycję „w łą czony” , zasili kom ponenty znajdujące się na płytce. Sekcja z przekaź­ nikiem przekaże energię przez zielone przewody do przełącznika P2. Kiedy przycisk nie będzie przyciśnięty, napięcie będzie w ę drow ać przez sieć czujników z pow rotem przez przełącznik P2 do sekcji przekaźnika, tak jak m iało to m iej­ sce przed w staw ieniem P2. Alarm pozostaje bez dźwięku, ale jeśli tylko któryś z czujników przerwie obw ód, układ zacznie hałasować. Jedyną m ożliw ością pow strzym ania go będzie przełączenie P1 w pozycję „w yłą czony” .

Rysunek 3.106. Ten schem at sugeruje wygodny sposób dodania do alarmu przełącznika włącz/wyłącz, funkcji testowania obwodu alarmowego oraz funkcji testowania układu dźwiękowego alarmu

W końcu, jeśli naciśniesz przycisk P2, gdy P1 jest w stanie w łączonym , przerwiesz połączenie sieci czujników i akty­ wujesz układ dźw iękow y alarmu. Z tego punktu widzenia P2 pełni podw ójną rolę: kiedy P1 jest wyłączony, P2 testuje ciągłość obw odu czujników. Kiedy P1 jest włączony, P2 testuje układ generujący dźwięk, pozwalając upewnić się, że z głośnika w yd o b yw a się hałas. Uważam, że jest to najprostszy m ożliw y sposób wprow adzenia tych funkcji.

Eksperyment 15: Powrót do alarmu antywłamaniowego

141

Instalowanie przełączników

Rysunek 3.107. Wydrukowany układ przełączników, diod LED i innych kom ponentów został przyklejony do wewnętrznej części panelu frontowego obudowy. Przyciskając punktak przez papier do plastiku w miejscach wyzna­ czających środki otworów, wyznaczyli­ śm y wszystkie miejsca wierceń

Zakładam, że będziesz używat plastikowej obudowy, ponieważ wiercenie o tw o ­ rów w metalu jest trudniejsze. M usisz w ybrać uktad p rzycisków i innych kom ­ ponentów, które znajdą się na fron tow ym panelu obudowy. Ja lubię, kiedy uktad elem entów jest przemyślany, dlatego zadaję sobie trud narysow ania go przy użyciu programu kom puterowego, chociaż możesz równie dobrze zrobić odręczny rysunek w naturalnej skali. Upewnij się jedynie, iż każda część ma zapewnioną odpowiednio dużą ilość miejsca, i spróbuj rozm ieścić je podobnie do ich położenia na schem acie. Zm inimalizujesz w ten sposób praw dopodo­ bieństwo popełnienia błędu. Przyklej sw ój rysunek do wewnętrznej strony panelu frontow ego, tak jak poka­ zuje to rysunek 3.107, a następnie użyj narzędzia z ostrym końcem (może to być na przykład punktak), aby zaznaczyć w plastiku wszystkie miejsca, gdzie pow inny pow stać otwory. Powstałe wgłębienia ułatwią prowadzenie w iertła dokładnie w środku m iejsca, gdzie spodziew any jest otwór. Pamiętaj, że m usisz wykonać wiele otworów , aby um ożliw ić w ydobyw anie się dźwięku z głośnika, który zam ontow any zostanie pod panelem fron tow ym . Efekt końcow y pokazuje rysunek 3.108. Umieściłem na górze w szystkie kom ponenty oprócz gniazda zasilającego, które znalazło się na jednym z boków. Każdy otw ó r m usi m ieć odpowiednio duży roz­ miar, aby zm ieściła się w nim dana część. Do ustalenia grubości w ierteł przyda się suw m iarka. Jeśli nie posiadasz jej, zgadnij, które w iertło będzie odpow ied­ nie (lepiej w ybrać w iertła za małe niż za duże). Zbyt m ały otw ó r możesz posze­ rzyć m inim alnie fazownikiem . W ten sposób kom ponent wejdzie weń ciasno. Taka sytuacja może m ieć m iejsce, jeśli w yw iercisz otw ó r w iertłem 3/1 6 cala pod diodę o średnicy 5 m m . Powiększ m inimalnie taki otwór, a dioda powinna w e jść bardzo ciasno. Jeśli głośnik nie posiada o tw o ró w m ontażow ych, będziesz m usiał go przykleić. Ja użyłem do tego celu błyskawicznego kleju epoksydowego. Nie przesadź z jego ilością. Klej nie może dotknąć konusa. W iercenie dużych otw orów w cienkim , m iękkim plastiku obu dow y może być trochę problematyczne. W iertło ma tendencję do zakopywania się i tworzenia nieprecyzyjnego w ycięcia w plastiku. Możesz podejść do tego problemu na jeden z trzech sposobów :

Rysunek 3.108. Zewnętrzna część panelu po zakończeniu wiercenia otworów. Jeżeli miejsca na otw ory zostały zaznaczone precyzyjnie, otrzy­ m am y bardzo ładny efekt, posługując się zwykłą wiertarką bezprzewodową

1. Użyj o tw ornicy do wiercenia w drewnie, która tw o rzy bardzo precyzyjne otwory. 2. W yw ierć kilka otworów, zwiększając za każdym razem średnicę wiertła. 3. W yw ierć m niejszy otwór, a następnie poszerz go, używając fazownika. Niezależnie od tego, które podejście wybierzesz, będziesz potrzebował zacisku, który przytrzym a panel w taki sposób, aby jego zewnętrzna strona była skiero­ wana w dół i oparta na kawałku drewnianej deski lub sklejki. W ierć od środka, przedostając się przez plastik do drewna. Po wywierceniu wszystkich otw orów zamontuj wszystkie kom ponenty na panelu (patrz rysunek 3.109) i przenieś uwagę na wnętrze obudowy.

142

3. Wkraczamy głębiej

Płytka z układem elektronicznym będzie przym ocow ana na dole czterema śru­ bami M3 z podkładkam i i przeciwnakrętkam i. M usisz użyć przeciwnakrętek, aby w ye lim in ow ać ryzyko odkręcenia samej nakrętki i dostania się pom iędzy kom ­ ponenty, gdzie m ogłaby doprow adzić do zwarcia. Będziesz m usiał przyciąć sam ą płytkę perforowaną, aby dopasow ać ją do obu­ dowy. Bądź ostrożny. W trakcie cięcia nie możesz uszkodzić żadnego znajdują­ cego się na niej kom ponentu. Po zakończeniu cięcia sprawdź, czy na spodzie płytki nie pojaw iły się miedziane ścieżki oderwane od podłoża. W yw ierć otw o ry w płytce perforowanej, ponownie zwracając uwagę, aby nie uszkodzić żadnego z kom ponentów. Następnie zaznacz otw o ry w plastikowym dnie obu dow y i w yw ierć je. W ygładź otw o ry naw iertnikiem (możesz na przy­ kład w ykonać zagłębienia, dzięki którym głów ka śruby schow a się w plastiku i nie będzie w ystaw ać ponad powierzchnię). W epchnij śrubki od spodu i zain­ staluj płytkę. Nie przesadzaj z siłą, jakiej użyjesz do przykręcenia płytki. Nad­ mierne napięcie materiału może spow odow ać w yrw anie połączenia lub m ie­ dzianej ścieżki z płytki. Ja um ieszczam pod płytką miękki kawałek plastiku, który zapobiega nadmier­ nemu wygięciu płytki. Ponieważ używasz przeciwnakrętek, które przeciw dzia­ łają poluzowaniu m ocowania, nie ma potrzeby zbyt m ocnego dokręcania. Po przym ocow aniu płytki do obu dow y na wszelki w ypadek sprawdź jeszcze raz cały układ.

Lutowanie przełączników Rysunek 3.110 pokazuje sposób połączenia ze sobą wszystkich fizycznych ele­ mentów. Pamiętaj, że P1 jest przełącznikiem pozycyjnym , a P2 przyciskiem typu DPDT. Zdecyduj, w jakim kierunku pow inny być one ułożone. Przy pom ocy m iernika zbadaj, które ze styków są połączone w danej pozycji przełącznika oraz kiedy przycisk jest przyciśnięty. Prawdopodobnie będziesz chciał, aby przycisk przechodził w pozycję włączoną, kiedy dźwignia przełącznika jest skierowana do góry. Zwróć szczególną uwagę na orientację przycisku, ponieważ jeśli podłą­ czysz go do góry nogami, będzie non stop w pozycji testowania alarmu.

Rysunek 3.109. Widziany od spodu panel czołowy z zamontowanymi czę­ ściami. Głośnik został przyklejony. Nadmiar kleju został rozprowadzony wokół diod LED. Przełącznik włącz / wyłącz typu SPDTznajduje się u g óry po praw ej stronie, a przycisk DPDT je s t u g óry po lewej stronie. U dołu widać dwa zaciski służące do podłą­ czenia sieci czujników magnetycznych

Pamiętaj, że środkow a końców ka dowolnego przełącznika dw upozycyjnego jest niemal zawsze biegunem przełącz­ nika łączącym końcówki znajdujące się nad i pod nim. Do łączenia płytki z elementam i na panelu lepiej nadaje się przewód w form ie linki, ponieważ jest bardziej giętki i w yw iera m niejszą siłę na połączenia lutowane. Zaplatanie przew odów w warkocze zapobiega nadm iernem u bałaga­ nowi w ew nątrz płytki. Pamiętaj, aby m ontow ać diody LED z ich krótszym i, ujem nym i nóżkami połączonym i z rezystorem. Będzie to w y m a ­ gało połączeń lutow anych pom iędzy przewodam i. W celu zm inim alizow ania ryzyka zwarcia po zamknięciu obudow y w ypadałoby ochronić „g o łe ” nóżki izolacją term okurczliwą. Mała lutow nica generuje zbyt m ało ciepła, aby m óc stw orzyć dobre połączenia lutowane pom iędzy przewodam i a końców kam i przełączników. W tych m iejscach możesz użyć lutow nicy o większej mocy, ale nie zapomnij um ieścić dobrego odprowadzenia ciepła chroniącego diody LED, jeśli te zostały już zam ontowane, i nie przedłużaj kontaktu roz­ grzanego grota lu tow nicy z czym kolw iek przez dłużej niż 10 sekund. Po tym czasie izolacja zacznie się szybko topić i nawet w ewnętrzne części przełączników m ogą zostać narażone na uszkodzenie.

Eksperyment 15: Powrót do alarmu antywłamaniowego

143

W projektach bardziej złożonych niż ten wskazane byłoby połączenie panelu frontow ego z płytką w sposób bardziej przemyślany. Do tego celu idealnie nadawałaby się w ielokolorow a taśm a przew odów z gniazdem i wtyczką, pozwala­ jącą podłączyć całość do płytki. Ponieważ jest to projekt wstępny, nie poszedłem tak daleko. Przewody sterczą sobie wszędzie (patrz rysunek 3.111).

Rysunek 3.110. Części mogą zostać podłączone w pokazany sposób, tworząc połącze­ nia zgodne z pokazanymi na schemacie. Zielone i czerwone kółko oznaczają diody LED. Czarne kropki symbolizują połączenia lutowane typu przewód-przewód

Rysunek 3.111. Płytka z układem została zamontowana w dnie obu­ dowy, a gniazdo zasilania przykręciliśm y do dolnej ścianki. Poszcze­ gólne punkty połączyliśm y skręconym i param i przew odów bez zwra­ cania szczególnej uwagi na przejrzystość rozwiązania, gdyż je s t to w miarę m ały projekt. Biała izolacja w prawym górnym rogu panelu frontowego to fragm ent rurki term okurczliwej zakrywającej połącze­ nie lutowane i rezystor obciążający 680 f l Styki przycisku mają bar­ dzo m ały rozstaw — ich lutowanie wymaga uwagi i precyzji

144

3. Wkraczamy głębiej

Test końcowy Po skończonym montażu przetestuj gotow y projekt! Jeżeli nie masz przygotowanego zestawu czujników m agnetycz­ nych, możesz połączyć zaciski zw ykłym kawałkiem drutu. Upewnij się, że przełącznik P1 jest w pozycji wyłączonej, następnie przylutuj odpowiednią wtyczkę do sw ojego 12-w o ltow ego źródła zasilania i wetknij ją do gniazda zasila­ jącego. Kiedy naciśniesz przycisk, zielona dioda LED pow inna zaśw iecić się, w skazując ciągłość obw odu pom iędzy zaciskami. Odłącz teraz przewód sym ulujący układ czujników i naciśnij przycisk ponownie; zielona dioda pow inna pozostać w stanie zgaszonym. Połącz jeszcze raz zaciski czujników alarm ow ych, przełącz P1 do pozycji włączonej. Powinna zapalić się dioda czer­ wona. Kiedy naciśniesz przycisk, alarm zacznie „w y ć ” . Zatrzymaj go, przełączając P1 do pozycji w yłączonej. Odłącz przewód m iędzy zaciskami. Alarm powinien znowu zacząć działać i nie przestawać, nawet jeśli ponownie podłączysz przewód. Jeżeli w szystko działa zgodnie z zamierzeniami, nadeszła pora w epchnięcia przew odów do środka i przykręcenia gór­ nej części obudowy. Używasz dużej obudowy, w ięc nie ma ryzyka przypadkow ego zetknięcia się ze sobą m etalow ych części, ale na wszelki w ypadek postępuj ostrożnie.

Instalacja alarmu Zanim zainstalujesz swoje magnetyczne czujniki alarm owe, powinieneś przete­ stow ać każdy z nich, przesuwając część z m agnesem w pobliżu sam ego prze­ łącznika i m ierząc jednocześnie jego przewodzenie m iernikiem . Przełącznik powinien zam knąć obw ód, kiedy magnes znajdzie się blisko, i otw orzyć go, gdy magnes zostanie odsunięty. Narysuj następnie schem at połączenia w szystkich czujników razem. Pamiętaj, że m uszą być połączone szeregowo, nie równolegle! Tę koncepcję pokazuje rysunek 3.112. Dwa końce przew odów prowadzą do zacisków Twojego urzą­ dzenia kontrolującego (pokazanego na zielono), natom iast ciem noczerw one prostokąty są przełącznikami m agnetycznym i na drzwiach i oknach. Ponieważ przewód do tego typu instalacji m a zazwyczaj dw a przewody, możesz ułożyć go w sposób pokazany na rysunku, a następnie pociąć i zlutować, aby utw orzyć odpowiednie rozgałęzienia. M iejsca lutowania zostały pokazane jako pom arań­ czowe kropki. Zw róć uwagę, w jaki sposób prąd przepływa szeregowo przez wszystkie przełączniki, zanim pow róci do układu kontrolnego.

Rysunek 3.112. Do podłączenia końcówek alarmu z przełącznikami m agnetycznym i (przedstawionymi jako ciemnoczerwone prostokąty) można użyć białego dwużyłowego przewodu. Ponieważ czujniki muszą być połączone szeregowo, drut należy pociąć, a następnie połączyć w m iej­ scach zaznaczonych pom arańczowymi kropkami

Bez wątpienia będziesz potrzebował sporej ilości przewodu. Może to być biała dw użyłow a linka używana do podłączania dzw onków lub term ostatów. Zazwy­ czaj jest to przewód 0,5 m m 2 lub grubszy. Po zainstalowaniu w szystkich przełączników końcówki prowadzące normalnie do obu dow y alarmu podłącz do sw ojego miernika. Ustaw m iernik na pom iar ciągłości obw odu i otwieraj kolejno każde z okien i drzwi podłączonych do insta­ lacji. Sprawdź, czy obw ód jest przerywany. Jeżeli w szystko jest w porządku, podłącz przewody do obudowy. Teraz zajm ijm y się zasilaniem. Użyj sw ojego zasilacza ustawionego na 12 V z odpowiednią w tyczką. Ewentualnie podłącz taką w tyczkę do 12-w oltow ej baterii przeznaczonej do alarmów.

Eksperyment 15: Powrót do alarmu antywłamaniowego

Rysunek 3.113 pokazuje tę samą sieć w sytuacji, kiedy masz dwa okna i drzwi. Niebieskie prostokąty to m oduły magnetyczne, które aktywują przełączniki.

145

Jeżeli używasz baterii, zwróć szczególną uwagę, aby przewód prowadzący do środkow ej końcówki wtyczki m iał potencjał dodatni! 12-w o ltow a bateria potrafi w ytw o rz y ć znaczny prąd, który z łatw ością spali Twoje części, jeśli podłączysz prąd w przeciw nym kierunku. Trochę przykro byłoby zniszczyć cały projekt na tym etapie. Pozostaje już tylko opisać przełącznik, przycisk, gniazdo zasilania i zaciski przew odów sieci alarm ow ej. Wiesz, że przełącznik włącza i w yłącza zasilanie, a przycisk testuje obw ód i układ dźwiękowy, ale inne osoby nie mają o tym poję­ cia, a zapewne będziesz chciał, aby pod Twoją nieobecność m ogli skorzystać Twoi goście. Nie ma również gwarancji, że Ty sam będziesz pam iętał przezna­ czenie poszczególnych kontrolek po m iesiącach lub latach. Czy odgadniesz, że to urządzenie w ym aga zasilania napięciem 12 V? Dołożenie etykietek opisujących to dob ry pom ysł, ale jak widzisz na rysunku 3.114, nie zrobiłem tego dla urządzenia, które sam zbudowałem . Rysunek 3.114. Gotowy alarm antywłamaniowy umieszczony w obudowie

Rysunek 3.113.1/1/ instalacji składającej

się z dwóch okien i drzwi przełączniki magnetyczne (niebieskie prostokąty) m ogłyby być ułożone tak, ja k poka­ zuje to rysunek. 1/1/ ich pobliżu znaleźć powinny się przełączniki (zaznaczone kolorem ciemnoczerwonym)

Podsumowanie Projekt alarm u przeprowadził Cię przez podstaw ow e etapy, z którym i będziesz m iał na ogół do czynienia podczas tw orzenia dow olnego rozwiązania: 1. Narysuj schem at i upewnij się, iż dobrze rozumiesz jego działanie. 2. Zm odyfikuj go tak, aby nadawał się do połączenia na płytce prototypowej. 3. Zainstaluj kom ponenty na płytce prototypowej i przetestuj podstaw ow e funkcje.

4. Dokonaj niezbędnych m odyfikacji i poprawek. Przetestuj całość ponownie. 5. Przenieś w szystko na płytkę perforowaną, przetestuj i wyśledź błędy, jeśli zachodzi taka konieczność. 6. Dodaj przełączniki, przyciski, gniazdo zasilające oraz w tyczki (lub gniazdka) potrzebne do połączenia obw odu ze światem zewnętrznym . 7. Zmontuj w szystko w obudowie (opisz w szystkie kontrolki). M am nadzieję, że wykonując kolejne kroki, poznałeś podstaw y elektroniki, włączając w to pewne elementy teorii i fun­ damentalne zasady funkcjonow ania kom ponentów elektronicznych. Ta wiedza pow inna w ystarczyć, abyś m ógł przejść dalej do rzeczywistości o wiele bardziej funkcjonalnych układów scalonych, które om ów ię w rozdziale czw artym .

146

3. Wkraczamy głębiej

Układy scalone

Zanim przejdę do fascynującego tematu układów scalonych (ang. integrated circuits — 1C), muszę coś wyznać: pewne rzeczy, które chciałbym , abyś w y k o ­ nał w rozdziale trzecim , można było zrealizować prościej. Czy to znaczy, że mar­ nowałeś sw ój czas? Nie, jestem m ocno przekonany, że budując układy przy użyciu starośw ieckich kom ponentów — kondensatorów, rezystorów i tranzy­ storó w — utrw aliłeś podstaw y elektroniki w najlepszy m ożliw y sposób. Nie­ mniej jednak teraz przekonasz się, iż układy scalone zawierające dziesiątki, setki lub nawet tysiące tranzystorów pozw olą pójść na skróty.

Lista zakupów: Eksperymenty od 16 do 24 Narzędzia Jedyne nowe narzędzie, które polecam stosow ać w połączeniu z układami sca­ lonymi, to sonda logiczna. Pozwala ona stwierdzić, czy pojedynczy pin układu ma w ysoki lub niski stan napięcia. Taka wiedza pozwala na łatwiejsze w y w n io ­ skowanie, co dokładnie dzieje się w układzie. Sonda ma funkcję pam ięci — zapali zieloną diodę i nie pozwoli jej zgasnąć w odpowiedzi na im puls, który m ógł być zbyt szybki, aby Twoje oko m ogło go zaobserw ow ać. Poszukaj w sieci i kup najtańszą sondę, jaką uda Ci się znaleźć. Nie m am żad­ nych konkretnych rekom endacji odnośnie marki. Rysunek 4.1 pokazuje zupełnie przeciętną sondę logiczną.

4 ZAWARTOŚĆ ROZDZIAŁU: Lista zakupów, eksperymenty od 16 do 24. Eksperyment 16: Generowanie impulsów. Eksperyment 17: Ustawianie wysokości tonu. Eksperyment 18: Miernik czasu reakcji. Eksperyment 19: Podstawy logiki cyfrowej. Eksperyment 20: Funkcjonalne połączenie. Eksperyment 21: Wyścig. Eksperyment 22: Przełączanie i odbijanie. Eksperyment 23: Rzucanie kośćmi. Eksperyment 24: Alarm antywłamaniowy — dokończenie.

Zaopatrzenie Zintegrowane układy scalone Jeżeli kupisz w szystko z tej listy zakupów, a także masz w szystkie podsta­ w o w e części, takie jak rezystory i kondensatory, w ym ienione wcześniej, powinieneś być zaopatrzony w ystarczająco dobrze, aby przeprowadzić w szystkie eksperym enty opisane w tym rozdziale. Układy scalone są względnie tanie (około 1,5 zł za sztukę). Sugeruję, abyś kupow ał z nadmiarem. W ten sposób będziesz dysponow ał rezerwą na w ypadek spalenia. Nie będziesz m usiał również dokonyw ać now ych zaku­ pów przed kolejnym i projektami. Przed rozpoczęciem zakupów proszę, abyś przeczytał kolejną sekcję, „W ie­ dza niezbędna. W ybór układów s c a lonych” . Układy scalone powinieneś kupić bez problemu we wszystkich większych sklepach elektronicznych, a także na www.allegro.pl. Listy sklepów szukaj w dodatku.

Rysunek 4.1. Sonda logiczna wykrywa niski lub wysoki stan napięcia na dowolnym pinie układu scalonego. Potrafi również wychwycić im pulsy pojawiające się na tyle szybko, iż nie można ich dostrzec gołym okiem

147

WIEDZA NIEZBĘDNA Wybór układów scalonych To, co nazywa się często układem scalonym , poka­ zane zostało na rysunku 4.2. Układ jest w rzeczy­ w isto ści „w y ry ty ” na m ałym waflu krzemu, osadzo­ nym w czarnym kawałku plastiku zwanym obudow ą (ang. package). M ikroskopijne przewody wew nątrz obu dow y łączą układ z rzędami wyprow adzeń po obu stronach. W dalszej części książki będę używał słow a „k o ś ć ” w odniesieniu do całego obiektu, łącz­ nie z wyprow adzeniam i. Jest to jedno z częstszych określeń układów scalonych.

Niemal każda kość ma nadrukow any na sobie num er części. Numer części na rysunku 4.2 to KA555. Na rysunku 4.3 w idać kość w obudowie DIP o num e­ rze części M 74HC00B1 oraz m ontow aną pow ierzch­ niowo kość o numerze części 74LVC07AD. Drugi wiersz liczb i/lub liter możesz zignorować, ponieważ nie należy on do num eru części. Zwróć uwagę, iż obie kości na rysunku 4.3 w yg lą­ dają zupełnie odmiennie, ale każda z nich ma „ 7 4 ” w sw o im numerze części. Jest tak, ponieważ obie należą do rodziny układów logicznych „7 4 0 0 ” , której num ery części zaczynały się od w a rto ś c i 7400 i szły w górę (7400, 7401, 7402, 7402 itd.). Są one często określane mianem kości „7 4 x x ” , gdzie „xx” to w szystkie m ożliwe liczby tej rodziny. Będę bar­ dzo często używał układów tej rodziny, w ięc m usisz wiedzieć, jak je kupić. Udzielę Ci pewnej rady na ten tem at bez wyjaśniania, do czego w łaściw ie one służą.

Rysunek 4.2. Kość układu scalonego w plastikowej dwu­ rzędowej obudowie opisywanej skrótem PDIP (ang. Plastic Dual-lnline Pin package) lub częściej DIP

Piny są rozmieszczone w dwóch rzędach. Przerwa między poszczególnymi pinami wynosi 2,54 mm (0,1 cala). Rzędy mają rozstaw 7,62 m m (0,3 cala). Ten form at znany jest pod skrótem PDIP lub częściej po prostu DIP Kość na zdjęciu ma cztery piny w każ­ dym wierszu, ale inne mogą mieć znacznie więcej. Pierwszą rzeczą, którą musisz wiedzieć przed rozpo­ częciem zakupów, jest to, że będziesz używał w yłącz­ nie kości w obudowie DIP W tej książce nie będziemy posługiwać się kośćm i w now ym typie obudowy „montow anej pow ierzchniow o” , ponieważ obudowy tego typu są znacznie mniejsze i trudniejsze w obsłu­ dze. W ymagają również specjalnych narzędzi, które nie należą do tanich. Na rysunku 4.3 można zoba­ czyć porównanie rozmiarów 14-pinowej kości w obu­ dowie DIP i 14-pinowej kości w obudowie m ontow a­ nej powierzchniowo. Wiele układów m ontowanych powierzchniowo jest jeszcze mniejszych.

148

Rysunek 4.3. Kość w obudowie DIP z tyłu ma piny o roz­ stawie 2,54 m m (0,1 cala) i nadaje się do zam ontowa­ nia w płytce prototypow ej lub perforowanej. Może zostać zlutowana bez specjalnych narzędzi. Kość typu SOIC (ang. small-outline integrated circuit) ma wyprowadzenia o roz­ stawie 0,127 m m (0,05 cala). Inne kości montowane powierzchniowo mają piny o rozstawie 0,0635 m m (0,025 cala) lub nawet mniejszym (wym iary te są najczęściej wyrażane w milim etrach). Kości montowane pow ierzch­ niowo są projektowane dla linii produkcyjnych ze zautoma­ tyzowanym montażem i raczej nie nadają się do m ontowa­ nia w sposób ręczny, l/l/ celu lepszego zobrazowania skali żółte linie na tym zdjęciu mają rozstaw 25,4 m m (1 cala)

4. Układy scalone

WIEDZA NIEZBĘDNA Wybór układów scalonych (ciąg dalszy) Przyjrzyj się rysunkow i 4.4, który pokazuje sposób interpretacji typow ego num eru części z rodziny 74xx. Litery na początku identyfikują producenta (z naszego punktu widzenia nie ma to znaczenia, więc możesz je zignorować). Pomijaj litery do m om entu, kiedy napo­ tkasz „ 7 4 ” . Potem powinieneś napotkać jeszcze dwie litery, które m ają znaczenie. Rodzina 74xx ew olu­ ow ała przez wiele generacji uktadów. Dwie litery za „ 7 4 ” inform ują o tym , z jaką generacją masz do czy­ nienia. Oto kilka m ożliw ych generacji: •

74L

•

74LS

•

74C

•

74HC

•

74AHC

Są jeszcze inne. Ogólnie m ówiąc, kolejne generacje stają się szybsze i bardziej wszechstronne od sw oich poprzedników. W tej książce, z pow odów , które w y ja ­ śnię później, w w iększości przypadków będziemy używać generacji HC. Po literach identyfikujących generację znajdziesz dwie (czasem więcej) cyfry. Te specyfikują kon­ kretną funkcję kości. Pozostałe c y fry i litery możesz zignorować. Spoglądając jeszcze raz na rysunek 4.3, przekonasz się, że kość w obudowie DIP m a num er M 74HC 00B1, czyli należy do rodziny 74xx, generacji HC, a jej funkcja ma identyfikator 00. Kość m onto­ wana pow ierzchniow o ma num er części 74LVC07AD. Pochodzi z rodziny 74xx, jej generacja to LVC, a reali­ zowana funkcja ma identyfikator 07. Upraszczając,

m oglibyśm y określić te kości jako „7 4 H C 0 0 ” i „7 4 V C 0 7 ” ponieważ, pom ijając ich różnych pro­ ducentów i użyte obudowy, pod staw ow y obw ód w ew nątrz pozostaje taki sam. To długie wytłum aczenie ma jeden cel: nauczyć Cię interpretowania list zaw artych w katalogach, kiedy będziesz kupow ał kości. Możesz szukać „7 4 H C 0 0 ” . D ostaw cy działający w sieci powinni m ieć swoje skrypty skonstruow ane dostatecznie dobrze, aby pokazać Ci odpowiednie kości różnych producentów, m im o że w yśw ietlone nazwy m ają dodatkowe litery z przodu i z tyłu w porów naniu do tego, co w pisałeś w wyszukiwarkę. Załóżmy, że obw ód w ym aga kości 74HC04. Jeżeli na stronie sprzedaw cy części poszukasz „7 4 H C 0 4 ” , m ożesz znaleźć w ersje takie jak CD 74H C04M 96 firm y Texas Instrum ents, 74HC04N firm y NXP Sem i­ conductors lub M M 74H C 04N firm y Fairchild Sem i­ conductor. W szystkie m ają w środku „7 4 H C 0 4 ” , więc wszystkie będą się nadawać. Zwróć jedynie uwagę, aby kupić układ w większej obudowie typu DIFJ a nie w obudowie do montażu powierzchniowego. Jeżeli numer części kończy się literą „N ” , możesz być pewny, że jest to obudowa DIP Przy braku tej litery na końcu nie ma gwarancji co do typu obudowy. Będziesz m usiał poszukać fotografii lub przejrzeć dodatkowy opis, aby zyskać pewność. Jeśli numer części zaczyna się od SS, SO lub TSO, bez w ąt­ pienia jest to kość m ontowana pow ierzchniowo, której nie chcesz. Wiele katalogów pokazuje zdjęcia kości, które ułatwiają dokonanie prawidłowego zakupu.

Rodzaj kości 7400 Bramki NAND

rn

rn

SN74HC00N i_ ______ i I Producent Texas Instruments

Generacja kości High Speed CMOS

V

|_ Rodzaj obudowy Dual in-line pin

Rysunek 4.4. Szukaj rodziny kości (w tym przypadku 74xx) o odpowiedniej generacji (w tym przypadku HC) ukry­ tych w numerze części. Upewnij się, że kupujesz układ w obudowie DIP, a nie wersję do montażu powierzchniowego. Producent je s t nieistotny

Lista zakupów: Eksperymenty od 16 do 24

149

Oto lista kości:

Rysunek 4.5. Kiedy montujesz w płytce perforow anej układ scalony, podstawki eliminują ryzyko przegrzania kości oraz zniszczenia ich ładunkiem elektrosta­ tycznym. Podstawki pozwalają również na łatwą wymianę układu

Rysunek 4.6. Kość generacji HC dostarcza zaledwie 4 mA prądu na każdym ze sw oich pinów. Jest to ilość niewystarczająca do sterowania typową 5-m ilim etrową diodą LED (po prawej), która wymaga prądu rzędu 20 mA. Miniaturowa dioda LED (po lewej) połączona szeregowo z rezysto­ rem zużywa zaledwie 1 mA i nadaje się idealnie do obw odów testowych, gdzie chcesz zobaczyć stan wyjść bez zbęd­ nego rozbudowywania obw odów

•

Układ czasowy 555, STMicroelectronics SA555N, Fairchild NE555D, Texas Instruments TLC555CP lub podobny. Nie kupuj uktadu wykonanego w technologii CMOS lub innej fantazyjnej wersji, na przykład uktadu 0 wysokiej precyzji. Kupuj najtańsze części, jakie znajdziesz. Liczba: 10. Kość na rysunku 4.2 to właśnie układ czasowy 555.

•

Różne rodzaje kości logicznych: 74HC00, 74HC02, 74HC04, 74HC08, 74HC32 i 74HC86. Rzeczywiste num ery części w tym przypadku to na przykład M 74HC00B1, M74HC04B1 itd. produkowane przez STM icro­ electronics lub SN74HC00N, SN74HC02N, SN74HC04N itd. firm y Texas Instrum ents. M ogą to być również kości dowolnego innego producenta.

•

Pamiętaj, że każdy num er części powinien zawierać w środku „H C ” 1 że potrzebujesz obu dow y DIP lub PDIR a nie obu dow y do montażu pow ierzchniow ego. Liczba: po 4 każdego typu.

•

Licznik dziesiętny 402 6 (kość, która zlicza w układzie dziesiętnym). Texas Instrum ents CD-4026BE lub podobny. Liczba: 4 (będziesz potrzebował 3, ale ponieważ jest to kość w technologii CMOS, bardzo w rażliw a na ładunki statyczne, powinieneś m ieć jedną w zapasie). Dowolna kość zawierająca 402 6 w swojej nazwie pow inna pasować.

•

Licznik 74LS92, inw ertery z o tw artym kolektorem 74LS06 i kość potrójnej bramki NOR 74LS27. Liczba: po dwie sztuki każdego typu. Zwróć uwagę na „LS ” w num erach części! W jednym eksperym encie będę chciał, abyś użył generacji LS zam iast HC.

Podstawki pod układy scalone Sugeruję, abyś unikał lutowania układów bezpośrednio do płytek perforo­ w anych. Jeśli je uszkodzisz, trudno będzie je usunąć. Kup podstaw ki DIFJ przylutuj je do płytki, a następnie w s ta w kości. Możesz użyć najtańszych podstawek, jakie znajdziesz (do realizowanych eksperym entów nie potrze­ bujesz podstaw ek z pozłacanym i stykam i). Będziesz potrzebował podsta­ w e k DIP na 8 pinów, 14 pinów i 16 pinów. M ogą to być części o sym bolach ICVT-8R ICVT-14P i ICVT-16R dostępne w sklepie www.tme.eu. Patrz rysu­ nek 4.5. Liczba: m inim um 5 sztuk każdego rodzaju.

Niskoprądowe diody świecące Kości układów logicznych, których będziesz używał, nie są zaprojektowane do dostarczania dużej mocy. Do sterowania jasną diodą lub przekaźnikiem potrzebny będzie dodatkowy tranzystor. Ponieważ dodawanie tranzystora za każdym razem jest trochę kłopotliwe, proponuję rozwiązanie alternatywne: specjalne diody LED o niskiej mocy, które pobierają prąd o natężeniu zaled­ wie 1 mA. Może to być na przykład model Everlight T-100, dostępny w skle­ pie pl.mouser.com. Na rysunku 4.6 można porównać rozmiar takiej diody w odniesieniu do zwykłej diody LED o średnicy 5 mm. Liczba: 10 (m inim um ). Rysunek 4.7. Wyświetlacze siedm io­ segmentowe stanowią najprostszy środek umożliwiający wyświetlanie wyniku w postaci cyfr. Mogą być ste­ rowane bezpośrednio przez niektóre kości w technologii CMOS. W goto­ wych projektach są montowane za kawałkiem przezroczystego szkła akrylowego

150

Wyświetlacze siedmiosegmentowe W ostatnim eksperymencie tego rozdziału będziemy chcieli wyśw ietlać cyfry na wyświetlaczu siedm iosegm entowym . Będziesz potrzebował trzech nieza­ leżnych m odułów lub jednego wspólnego z m iejscem na trzy cyfry, takiego jak część o numerze BC56-11EWA firm y Kingbright (dostępna na przy­ kład w sklepie pl.mouser.com). Do tego konkretnego modelu części będę odnosił się jawnie w zamieszczonych dalej schematach. Jeśli kupisz inny 4. Układy scalone

wyśw ietlacz siedmiosegmentowy, musi być on oparty na diodach LED ze „wspólną katodą” . (Nie kupuj w yśw ietlaczy LCD, do ich sterowania potrzebna jest inna elektronika). Jeżeli masz w yb ór pomiędzy produktami o różnej mocy, wybierz ten o najmniejszym poborze prądu. Patrz rysunek 4.7.

Przekaźniki zatrzaskowe Będziesz potrzebował 5-w olto w ego przekaźnika zatrzaskowego o dw óch cew kach zam iast jednej. Pierwsza cewka przełącza przekaźnik do jednej pozycji, a druga z pow rotem do pozycji startow ej. Przekaźnik nie pobiera dodatkowej energii, pozostając pasywnie w jednym ze sw oich stanów. Pro­ ponuję m odel DS2E-SL2-DC5V firm y Panasonic (dostępny na przykład w sklepie www.tme.eu). Jeśli chcesz kupić inny, m usi to być przekaźnik o dw óch cew kach, pracujący na zasilaniu stałym 5 V i przełączający prąd rzędu m inim um 1 A w układzie „2 Form C” , który um ożliwi wstaw ienie go do płytki prototypowej.

Potencjometry Będziesz potrzebował potencjom etrów liniow ych 5 kQ , 10 k f i i 100 k f i (po jednym z każdej w a rtości) oraz trym era 10 k f i. Producent nie ma znaczenia.

Regulatory napięcia Ponieważ wiele kości układów logicznych w ym aga dokładnie 5 V napięcia stałego, będziesz potrzebował regulatora napięcia. Taką funkcję realizuje LM 7805. Tutaj również num er kości może m ieć przedrostek inform ujący 0 producencie i końców kę oznaczającą typ obudowy. Przykładem może być część o numerze LM 7805C T firm y Fairchild. Część dowolnego producenta będzie dobra, ale obudow a m usi przypom inać tę pokazaną na rysunku 4.8. Jeśli masz wybór, w ybierz część, która może dostarczyć prąd rzędu 1 A.

Rysunek 4.8. Wiele układów scalo­ nych wymaga kontrolowanego napię­ cia o w artości 5 V, które może być dostarczone przez pokazany regulator, je ś li tylko zostanie zasilony napięciem m iędzy 7,5 a 9 V. Skrajnie praw y styk stanowi wejście napięcia dodatniego, środkowy podłączony je s t do masy układu, a skrajnie lewy stanowi wyjście 5 V. W przypadku prądów przekracza­ jących 250 mA powinieneś przykręcić regulator do metalowego radiatora, używając otworu w jego górnej części

Mikroprzetączniki Są to przyciski typu SPST (przełączniki chw ilow e), zwykle zaopatrzone w cztery nóżki. Szukaj części o numerze SKFIHAKA010 firm y ALPS (jest dostępna na przykład w sklepie pl.mouser.com) lub podobnej z czterema nóżkami pasującym i do Twojej płytki perforowanej. Patrz rysunek 4.9.

Klawiatura numeryczna 12-znakowa 12-znakow a klawiatura num eryczna firm y Velleman. Listę dystryb uto­ rów na Polskę znajdziesz, w chodząc na stronę firm y (www.velleman.eu) 1wybierając odnośnik Dystrybutorzy.

Rysunek 4.9. M ikroprzełączniki dzia­ łają po ich lekkim naciśnięciu opuszką palca. Niemal zawsze są to przyciski typu SPST, zaprojektowane do m on­ towania w płytkach perforowanych o standardowym rozstawie otw orów 2,54 m m (0,1 cala)

Ten rodzaj klawiatury ma taki sam układ klawiszy, jak telefony z w ybiera­ niem to n o w ym starszego typu. Klawiatura pow inna posiadać m inim um 13 wyprow adzeń, z których 12 prowadzi do indywidualnych klawiszy, a trzyna­ sty połączony jest z drugą stroną wszystkich klawiszy. Inaczej m ów iąc, ostatni styk jest w sp ólny dla w szystkich klawiszy i stąd urządzenie tego typu określane jest często m ianem klawiatury o w sp ólnym w yjściu. To, czego nie chcesz dostać, to klawiatura z kodowaniem m a tryco w ym posiadająca mniej niż 13 w yprow adzeń i w ym agająca dodatkow ego układu elektronicznego. Patrz rysunki 4.10 i 4.11. Jeżeli nie możesz znaleźć klawiatury firm y Vel­ leman, sugeruję, abyś dokładnie przeglądał opisy i zdjęcia, upewniając się, że klawiatura, którą kupujesz, nie ma układu m atrycow ego, lecz w spólne w yjście. Rozwiązaniem alternatywnym jest skonstruow anie w łasnej klawiatury w małej obudowie przy użyciu 12 tanich przycisków SPST normalnie otw artych.

Lista zakupów: Eksperymenty od 16 do 24

151

Rysunek 4.10. Klawia­ tura numeryczna powinna posiadać 12 klawiszy w układzie przypominają­ cym klawiaturę starszych telefonów z wybieraniem tonowym, a także m ini­ m um 13 wyprowadzeń. Na tym zdjęciu kontakty widoczne są na krawędzi bocznej panelu

e

o

0

®

0

Rysunek 4.11. Ta kla­ wiatura ma za mało wyprowadzeń i nie będzie w spółpraco­ wać z układami budo­ wanymi w tej książce

.

^

i

TEORIA Jak powstały układy scalone Koncepcja zintegrow anych kom ponentów bez rucho­ m ych części w ew nątrz jednej obu dow y powstata w głowie naukow ca Geoffreya W. A. Dummera, zaj­ m ującego się radarami. Rozważał on taką m ożliw ość na wiele lat przed podjęciem nieudanej próby zbudo­ wania prototypu w roku 1956. Pierwszy układ sca­ lony został stw orzony dopiero w roku 1958 przez Jacka Kilby’ego, pracującego dla tirm y Texas Instru­ ments. W ersja układu w wykonaniu Kilby’ego bazo­ wała na germanie, ponieważ ten pierw iastek był już używ any do produkcji półprzewodników . (Do diody germ anow ej dotrzemy, kiedy będziem y rozm awiać o radiach budowanych na kryształach w następnym rozdziale książki). Na lepszy pom ysł w padł jednak Robert Noyce (rysunek 4.12). Urodził się w 1927 roku w Stanach Zjednoczonych, w stanie Iowa. W latach pięćdziesiątych przeniósł się do Kalifornii, gdzie zaczął pracow ać dla W illiam a Shockleya. Stało się to w krótce po tym , jak Shockley rozpoczął w łasny biznes oparty na tranzystorze, który wynalazł wraz z innymi pracow nikam i Bell Labs.

w ykorzystyw ane były niemal wszystkie kości w y p ro ­ dukowane od roku 1960 do 1963, a ich cena spa­ dła z tysiąca do dwudziestu pięciu dolarów za sztukę, w odniesieniu do w a rto ś c i dolara z roku 1963. Pod koniec lat sześćdziesiątych pojaw iły się układy scalone średniej skali integracji, z których każdy zawierał setki tranzystorów. W połowie lat siedem ­ dziesiątych pojaw iły się układy dużej skali integra­ cji, pozwalające na umieszczenie tysięcy tranzysto­ rów w ew nątrz pojedynczej kości. Dzisiejsze układy scalone m ogą zawierać nawet kilka m iliardów tranzystorów. Robert Noyce założył w końcu firm ę Intel wspólnie z Gordonem M oore’em, ale niestety zm arł nieoczeki­ wanie z pow odu ataku serca w 1990 roku. W ięcej na tem at fascynującej historii projektowania i produkcji układów scalonych dowiesz się, odwiedzając witrynę www. siliconvalleyhistoricał. org.

Noyce był jednym z ośm iu pracow ników , których iry­ to w a ł sposób zarządzania przez Shockleya, w wyniku czego odeszli z pracy i założyli firm ę Fairchild Sem i­ conductor. Będąc menadżerem firm y Fairchild, Noyce wynalazł bazujący na półprzewodnikach zintegro­ w any układ scalony, który pozwalał uniknąć tru d n o ­ ści produkcyjnych, jakie wiązały się z użyciem ger­ manu. Jemu przypisuje się um ożliwienie produkcji układów scalonych na m asow ą skalę. Pierwsze w yp rodukow ane układy znalazły zastoso­ wanie w przem yśle w ojennym — pociski M inuteman potrzebow ały m ałych i lekkich kom ponentów do sw oich system ó w naprowadzania. W ten sposób

152

Rysunek 4.12. R obert Noyce w późnych latach sw ojej kariery. Zdjęcie pochodzi z kolekcji Wikimedia Commons

4. Układy scalone

Eksperyment 16: Generowanie impulsów Przedstawię Ci teraz jedną z najbardziej udanych kości, jakie kiedykolw iek stw orzono: uktad czasow y 555. Ponieważ sieć zawiera różnorodne strony pośw ięcone tem u układowi, możesz stawiać pod znakiem zapytania konieczność om awiania go tutaj, ale są ku tem u trzy pow ody: 1. Nie ma m ożliw ości pom inięcia tego układu. Najzwyczajniej w świecie m usisz go znać. W edług oceny niektórych źródeł rocznie nadal produkuje się około m iliarda kości tego typu. Będzie on używany w większości pozostałych układów elektronicznych tej książki. 2. Ze względu na sw oją solidność, różnorodność zastosow ań oraz oferowanie dw óch funkcji — kom paratora i przerzutnika dw ustanow ego — którym i będziem y się zajm ow ać później, nadaje się idealnie do wprow adzenia w układy scalone. 3. Po przeczytaniu w szystkich przew odników po układzie 555, jakie udało mi się znaleźć, poczynając od oryginalnych kart katalogowych firm y Fairchild Semiconductor, aż po różnorodne teksty napisane przez hobbystów, doszedłem do wniosku, iż w ew nętrzny sposób funkcjonow ania tego układu jest bardzo rzadko w yjaśniany w sposób zupełnie przejrzysty. Chcę przedstawić w sposób graficzny to, co dzieje się w środku, ponieważ jeśli tego nie zrozumiesz, nie będziesz w stanie korzystać z tej kości w sposób kreatywny. Potrzebne będą: •

9-WOltOWe źródło zasilania,

•

płytka prototypowa, przewody i miernik,

•

liniow y potencjom etr 5 kQ , liczba: 1,

•

układ czasow y 555, liczba: 1,

•

rezystory i kondensatory o różnych w artościach,

•

mikroprzełączniki SPST, liczba: 2,

•

dioda LED (dowolnego typu), liczba: 1.

Zagłębienie

Zasilanie ne (masa)

Wycięcie

Zasilanie dodatnie

cerowanie

Procedura Kość 555 jest bardzo solidnym układem, ale m im o to nadal możesz uszkodzić ją zw ykłym im pulsem ładunku elektrostatycz­ nego. Dlatego, aby uniknąć takiego niebezpieczeństwa, pow inie­ neś uziemić się przed dotknięciem układu palcam i. W ięcej na ten tem at dowiesz się z ostrzeżenia „Uziemianie siebie” w dalszej części tego rozdziału. Chociaż ostrzeżenie to odnosi się do kości typu CMOS, które są szczególnie narażone na uszkodzenia ładun­ kiem statycznym , częste uziemianie siebie jest dobrym środkiem zaradczym.

Rysunek 4.13. Kość układu czasowego 555 widziana z góry. Piny układu scalonego są zawsze num ero­ wane przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, zaczy­ nając od pinu w lewym górnym rogu (oznaczonego specjalnym okrągłym zagłębieniem w obudowie)

Poszukaj małego zaokrąglenia w obudowie kości i odw ró ć ją tak, aby było ono widoczne w lew ym górnym rogu z rzę­ dami nóżek skierow anym i w dół. Zam iast wgłębienia kość może posiadać w ycięcie na jednym z końcó w obudowy; w takim przypadku obróć ją tak, aby w ycięcie znalazło się u góry. Piny kości są zawsze num erowane przeciwnie do ruchu w skazów ek zegara, zaczynając od pinu w lewym górnym rogu (obok zagłębienia). Na rysunku 4.13 pokazane zostały nazwy pinów układu czasowego 555. Znajom ość w ięk­ szości z nich nie jest Ci teraz jeszcze potrzebna.

Eksperyment 16: Generowanie impulsów

153

W staw kość do płytki prototypowej tak, aby jej piny były rozdzielone kanałem biegnącym przez jej środek. Teraz m ożesz bez większego w ysiłku dostarczyć napięcie do pinów po obu stronach i odczytać sygnały, które się na nich pojawiają. Szczegółow y schem at połączeń pierwszego projektu pokazuje rysunek 4.14. Układ czasow y został ozna­ czony jako US1 (skrót od słó w „układ scalony”).

3 -----------------------------C 3 ______________________ _

O —

■

9V DC

— o

Rysunek 4.14. Ten obwód pozw oli Ci odkryć zachowanie układu czasowego 555. Użyj swojego miernika do monitorowania stanu drugiego pinu zgodnie z rysunkiem. Rezy­ story R1, R2 i R3 oraz kondensatory C1 i C2 zostaną dodane później. Wartości kom po­ nentów na tym schemacie:

R 4:100 kn R5:2,2 kn R 6:10 kn R 7:1 kn R8: potencjom etr liniow y 5 kn C 3 :100 ¡iF elektrolityczny C 4 :4 7 ¡j F elektrolityczny C 5 :0,1 ¡j F ceramiczny US1: układ czasowy 555 P1, P2: m ikroprzełączniki SPST (przyciski) D1: dowolna dioda LED R5 utrzymuje dodatni potencjał na wyzwalaczu (pin nr 2) do m om entu naciśnięcia przy­ cisku P1, który obniża napięcie stosowane do ustawienia potencjom etru R8. Kiedy napięcie na nóżce wyzwalacza (komparatora) spadnie poniżej jednej trzeciej zasilania, pin wyjściowy kości (nr 3) przechodzi w stan wysoki na okres zdeterm inowany przez w artości R4 i C4. Przełącznik P2 wyzerowuje układ czasowy przez zmniejszenie napię­ cia na pinie num er 4 („wyzerowanie”), a kondensator C5 izoluje pin num er 5 tak, aby ten nie zaburzał pracy naszego układu testowego. (Pinu kontroli użyjemy w przyszłych eksperymentach)

W szystkie układy scalone w ym agają zasilania. Kość typu 555 jest zasilana ujem nym napięciem na pinie num er 1 i dodatnim na pinie num er 8. Jeśli przez przypadek odw rócisz napięcie, może to doprow adzić do nieodwracalnego uszkodzenia kości, dlatego bądź ostrożny podczas tworzenia połączeń.

154

4. Układy scalone

Ustaw sw oje źródło zasilania na 9 V. D latego eksperym entu w ygodne będzie podłączenie dodatniego zasilania po pra­ wej, a ujemnego po lewej stronie płytki prototypowej, tak jak pokazuje to rysunek 4.14. C3 jest kondensatorem o dużej pojem ności (m inim um 100 jl/F) um ieszczonym pom iędzy zasilaniem w celu wygładzenia napięcia, zapewnienia lokal­ nego zbiornika ła dunków zasilającego szybko przełączające się obwody, a także w celu ochrony przed chw ilo w ym i zakłóceniami napięcia. Chociaż 555 nie jest układem szczególnie szybkim, inne układy m ogą takie być, dlatego pow i­ nieneś w yrobić w sobie naw yk chronienia ich. Zacznij od ustawienia potencjometru w pozycji skrajnie lewej (przekręconej maksymalnie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara), zapewniającej największą rezystancję pomiędzy dwoma używanymi przez nas wyprowadzeniami. Kiedy przyłożysz sondę miernika do pinu numer 2, powinieneś zmierzyć napięcie rzędu 6 V po naciśnięciu przycisku P1. Teraz przekręć potencjometr zgodnie z ruchem w skazówek zegara i naciśnij ponownie przycisk P1. Jeżeli dioda LED nie zaświeciła się, kontynuuj zmianę pozycji potencjometru, jednocześnie naciskając i puszczając przycisk. Po przekręceniu potencjometru mniej więcej do pozycji dwóch trzecich jego zakresu powinieneś zobaczyć zapaloną diodę przez okres około 5 sekund (kiedy naciśniesz i puścisz przycisk). Oto kilka faktów, które powinieneś zweryfikow ać samodzielnie: •

Dioda nie przestaje św iecić po zwolnieniu przycisku.

•

Możesz naciskać przycisk przez dow olny odcinek czasu (mniejszy od cyklu sam ego układu czasow ego), a dioda i tak będzie em itować taki sam im puls światła.

•

Układ czasow y jest w yzw alany przez opadające napięcie na pinie num er 2. Możesz sprawdzić to sw o im m iernikiem .

gv DC

•

Dioda jest w pełni w łączona lub w pełni wyłączona. Nie jesteś w stanie dostrzec stopniow ego przygasania przy przechodzeniu w stan w yłączony lub stopniow ego przechodzenia z tego stanu do stanu włączonego. Oba stany są od siebie wyraźnie odróżnione.

Zobacz na rysunku 4.16, jak Twoje kom ponenty pow inny w yglądać na płytce prototypowej, a następnie przyjrzyj się schem atow i z rysunku 4.15, aby zro­ zumieć, co się dzieje. Komponenty oznaczone R1, R2, C1 i C2 dodam później, w celu zachowania zgodności z kartam i katalogowym i układów 555. Z tego pow odu nasz początkow y obw ód posiada rezystory oznaczone od R4 w górę oraz kondensatory od C3 w górę. Kiedy P1 (mikroprzełącznik) jest otwarty, drugi pin układu 555 otrzymuje dodatnie napięcie przez rezystor R5 o wartości 2,2 k i l Ponieważ rezystancja wejściowa układu jest bardzo wysoka, napięcie na pinie numer dwa wynosi niemal pełne 9 V.

£

i= 3

—

1

8 —1

2 US1 7

3

6

-c

Rysunek 4.15. Schematyczne przedsta­ wienie obwodu pokazanego na rysunku 4.14. W całym rozdziale schematy będą m iały układ odwzorowujący naj­ bardziej prawdopodobne ułożenie kom ­ ponentów na płytce. Nie zawsze je st to układ najprostszy, ale będzie najprost­ szy do zbudowania. W artości kom po­ nentów znajdziesz na rysunku 4.14

Kiedy naciskasz przycisk, łączysz ujemne napięcie przez rezystor R8 (5-kiloo m o w y potencjom etr) do pinu num er 2. Powstaje w tedy podzielnik napięcia złożony z rezystorów R5 i R8, w którego środek podłączony jest pin 2. Takie rozwiązanie pow inno być Ci już znajom e — podobnej konfiguracji używałeś podczas testow ania tranzystorów. Napięcie pom iędzy rezystancjam i będzie się zm ieniać w zależności od ich w a rtości. Jeżeli przekręcisz R8 mniej więcej do połowy, jego rezystancja będzie w przy­ bliżeniu odpowiadać w a rto ś c i R5, zatem środkow y punkt podłączony do pinu num er 2 będzie m iał około połow y pełnego napięcia zasilania — dziewięciu w oltów . Jeżeli jednak przekręcisz potencjom etr tak, iż jego rezystancja spadnie, negatywne napięcie zacznie przewyższać dodatnie, pow odując stopniow y spa­ dek potencjału na pinie num er 2. Jeżeli posiadasz przewody pomiarowe z zaciskami, możesz podłączyć je do naj­ bliższych przewodów łączących i obserw ować wskazania miernika w trakcie, gdy będziesz kręcił potencjometrem w górę i w dół, naciskając jednocześnie przycisk.

Eksperyment 16: Generowanie impulsów

Rysunek 4.16. Wygląd komponentów po ich zm ontowaniu na płytce p ro ­ totypowej. Zaciski krokodylki mocują przew ód łączący kondensator 100 liF z potencjometrem . Na zdjęciu nie widać źródła zasilania

155

W ykresy na rysunku 4.17 pokazują, co dzieje się w układzie. Pierwszy w ykres obrazuje napięcie przyłożone do pinu num er 2 przez losowe naciskanie przycisku i przy różnych ustawieniach potencjom etru. Dolny w ykres pozwala prze­ konać się, że układ 555 jest w yzw alany tylko i wyłącznie wtedy, kiedy napięcie na pinie num er 2 spadnie z w a rtości powyżej 3 V do w a rtości poniżej 3 V. Co takiego szczególnego jest w trzech w oltach? Jest to jedna trzecia napięcia zasilania (9 V). Oto, co należy zapamiętać z tego doświadczenia: •

W yjście układu 555 (pin num er 3) generuje dodatni im puls, kiedy napięcie na wyzw alaczu (pin num er 2) spadnie poniżej jednej trzeciej napięcia zasilania.

•

Układ 555 generuje zawsze dodatni im puls o takiej samej długości (o ile nie będziesz przedłużał stanu niskiego napięcia na pinie num er 2).

•

Duża w a rto ść rezystora R4 lub kondensatora C4 spow oduje wydłużenie im pulsu.

•

W yjście w stanie w yso kim (pin 3) ma napięcie niemal równe napięciu zasilania. Kiedy w yjście przejdzie w stan niski, jego stan będzie rów ny niemal zeru.

Układ 555 przekształca ułom ny św iat w o kół siebie w dokładny i godny zaufania sygnał w yjściow y. Nie przełącza się ze stanu wyłączonego do włączonego natychm iastow o, ale jest dostatecznie szybki, aby sprawiać takie wrażenie. Teraz kolejna rzecz do wypróbow ania. Uruchom układ tak, aby zapaliła się dioda LED. W czasie gdy dioda się świeci, naciśnij P2 — drugi przycisk, który zwiera pin c zw a rty („w yzerow anie” ) do masy. Dioda pow inna natychm iastow o zgasnąć. Kiedy napięcie w yzerow ujące przejdzie w stan niski, również w yjście przechodzi w taki stan, niezależnie od tego, jaki potencjał ma pin wyzwalający. Zanim przejdziem y do bardziej praktycznego użycia układu czasowego, powinieneś zauważyć jeszcze jedną rzecz. Um ieściłem w obwodzie rezystory R5 i R6, dzięki którym układ nie emituje im pulsu po pierw szym włączeniu, ale jest do tego gotowy. Te rezystory dostarczają dodatnie napięcie do pinów, w yzw alające i resetujące, aby m ieć pewność, że układ będzie przygotow any do em itowania im pulsów zaraz po jego zasileniu. Dopóki napięcie wyzwalające ma stan wysoki, układ nie wygeneruje im pulsu. (Im puls zostanie wygenerowany, kiedy napięcie w yzw alające spadnie). Dopóki napięcie zerujące będzie wysokie, układ czasowy będzie w stanie podtrzymywać impuls (zakończy go dopiero, kiedy spanie napięcie zerujące). R5 i R6 określane są m ianem „rezystorów podciągających” , ponieważ podciągają napięcie. Ich działanie można bar­ dzo łatw o pokonać przez podłączenie ich bezpośrednio do ujemnej strony zasilania. Typowy rezystor podciągający dla układu 555 ma w a rto ść 10 k i l Przy 9 -w o lto w y m zasilaniu przepuszcza zaledwie 0,9 m A (co w ynika z prawa Ohma). W końcu zastanawiająca może być obecność kondensatora C5 podłączonego do pinu num er 5. Pin ten określany jest mianem pinu „kontrolnego” , co oznacza, że dostarczając mu napięcia, jesteś w stanie kontrolow ać czułość układu czasowego. Do szczegółów dojdziem y za chwilę. Ponieważ teraz nie używ am y tej funkcji, dobrym zwyczajem jest podłączyć to w yprow adzenie do kondensatora, aby chronić je przed wahaniam i napięcia, które m ogłoby prowadzić do zakłócenia norm alnego funkcjonowania. Poświęć trochę czasu na dokładne zapoznanie się z funkcjonow aniem układu 555, zanim przejdziesz do dalszej czę­ ści rozdziału.

156

4. Układy scalone

Rysunek 4.17. Wykres u g óry pokazuje napięcie na pinie wyzwalającym (numer 2) dla różnych odstępów czasu, pom iędzy którym i naciskany je s t przycisk, oraz przy różnych ustawieniach potencjom etru. Dolny wykres prezentuje stan wyjścia (pin num er 3), którego wartość rośnie niemal do w artości zasilania, kiedy napięcie na pinie num er 2 spada poni­ żej jednej trzeciej pełnego napięcia zasilania

Naciskanie i zwalnianie przycisku w różnych odstępach czasu przy je dnoczesnym dostosow yw aniu napięcia potencjom etrem

^nr

9V .

wyzwalające

i

r

1

-

wyjściow e

Długość im pulsu pozostaje niezmienna i trw a około 5,2 sekundy

Poniższa tabela pokazuje czas trw ania im pulsu z uktadu 555 w stanie m onostabilnym : •

Czas trw ania w sekundach przy zaokrągleniu do dw óch m iejsc po przecinku.

•

Skala pozioma pokazuje w a rto ś ć rezystorów pom iędzy pinem num er 7 i dodatnim napięciem zasilania.

•

Skala pionow a pokazuje typow e w a rtości kondensatora pom iędzy pinem num er 6 i ujem nym napięciem zasilania.

Aby wyznaczyć inny czas trw ania im pulsu, pom nóż rezystancję (wyrażoną w kiloom ach) przez pojem ­ ność (wyrażoną w m ikrofaradach) i przez w a rtość 0,0011. Powstaty w yn ik będzie czasem trw ania im pulsu w yrażonym w sekundach.

Tabela 4.1. Długość trwania im pulsu z układu czasowego 555 w zależności od w artości kondensatora C4 i rezystora R4

w trybie monostabilnym

47 ji/F

0,05

0,11

0,24

0,52

1,1

2,4

5,2

11

24

52

22 juF

0,02

0,05

0,11

0,24

0,53

1,1

2,4

5,3

11

24

10 juF

0,01

0,02

0,05

0,11

0,24

0,52

1,1

2,4

5,2

11

0,01

0,02

0,05

0,11

0,24

0,52

1,1

2,4

5,2

0,01

0,02

0,05

0,11

0,24

0,53

1,1

2,4

0,01

0,02

0,05

0,11

0,24

0,52

1,1

0,01

0,02

0,05

0,11

0,24

0,52

0,01

0,02

0,05

0,11

0,24

0,01

0,02

0,05

0,11

0,01

0,02

0,05

0,01

0,02

4,7 ¡j ? 2,2 ¡j ?

1,0 ji/F 0,47 a/F 0,22 a/F 0,1 / j F 0,047 jl/F 0,022 jl/F 0,01 ¡j F

0,01 1 k il

2,2 k i l

4,7 k i l

Eksperyment 16: Generowanie impulsów

10 k i i

22 k i l

47 k i l

100 k i l

220 k i l

470 k i l

1 M il

157

TEORIA Wewnątrz układu czasowego 555: tryb monostabilny Plastikowa obudow a uktadu 555 zawiera płytkę półprzewodnikow ą, na której znajdują się dziesiątki połączeń tranzystorow ych ułożonych w edług wzoru, który jest zbyt skom plikowany, aby go tutaj wyjaśniać. Niemniej jednak jestem w stanie w yjaśnić funkcję tych tranzystorów przez podzielenie ich na grupy zgodnie z rysunkiem 4.18. Na tym schem acie w idać również zewnętrzny rezystor i dw a zewnętrzne kondensatory oznaczone w taki sam sposób, jak na rysunku 4.15. Sym bole zasilania dodatniego i ujemnego w ew nątrz kości są w rzeczyw istości tym sam ym źródłem zasilania, które podpięte zostało do nóżek, odpowiednio, 1 i 8. Dla przejrzystości pom inąłem wewnętrzne połączenia pom iędzy tym i pinami. Dwa żółte trójkąty to „ko m p a ra to ry” . Każdy z nich porów nuje stan dw óch w ejść (u podstaw y trójkąta) i zwraca w yn ik (u szczytu trójkąta) zależny od tego, czy w ejścia m ają stan podobny czy też różny. W dalszej części tej książki będziem y używać kom paratorów do innych celów niż teraz.

Rysunek 4.18. Wewnątrz uktadu czasowego 555. Biate linie oznaczają połączenia wewnątrz kości. A i B t o komparatory. FF to przerzutnik, który może pozostawać w jednym z dwóch stanów, podobnie do przełącznika dwustanowego. Spadek napięcia na pinie num er 2 je s t wykrywany przez kom parator A, który wymusza przejście przerzutnika do pozycji „d o ln e j” i wysłanie dodatniego im pulsu przez pin num er 3. Kiedy kondensator C4 naładuje się do dwóch trzecich napięcia zasila­ nia, wartość ta je s t wykrywana przez kom parator B, który powoduje wyzerowanie przerzutnika do jego pozycji „g ó rn e j” . To powoduje rozładowanie kondensatora C4 przez pin num er 1

158

4. Układy scalone

TEORIA Wewnątrz układu czasowego 555: tryb monostabilny (ciąg dalszy) Zielony prostokąt oznaczony literami FF jest przerzutnikiem (ang. flip-flop). Przedstawiłem go w form ie prze­ łącznika DPDT, ponieważ tutaj w ykonuje w łaśnie taką funkcję, chociaż w rzeczyw istości nie posiada o czyw i­ ście żadnych ruchom ych części. W pierwszej chw ili po zasileniu kości przerzutnikjest w pozycji „g ó rn e j” , która pow oduje dostarczanie niskiego napięcia przez pin w y jś c io w y num er 3. Jeśli przerzutnik otrzym a sygnat z kom paratora A, przejdzie do pozycji „doln ej” i pozostanie w niej. Kiedy otrzym a sygnat z kom paratora B, przeskoczy z pow rotem do stanu „gór­ nego” i pozostanie tam. Określenia „g ó rn y ” i „d o ln y ” w odniesieniu do kom paratorów pom ogą Ci zapamiętać, co robi każdy z nich po swojej aktywacji. Przerzutniki są jedną z fundam entalnych koncepcji w elektronice. Są niezbędnym elementem każdego komputera. Zw róć uwagę na zewnętrzny przewód łączący pin sió dm y z kondensatorem C4. Dopóki przerzutnik znajduje się w pozycji „gó rn e j” , drenuje napięcie pochodzące z rezystora R4 i uniem ożliwia naładowanie kondensatora. Jeżeli napięcie na pinie num er 2 spadnie do jednej trzeciej napięcia zasilania, fakt ten zostanie w y k ry ty przez kom parator A i przekształcony w dodatni im puls na pinie num er 3. Jednocześnie pin num er 7 zostanie odcięty od ujemnego zasilania i kondensator C4 zacznie ładow ać się poprzez rezystor R4. W tym czasie kontynuow any będzie dodatni impuls. W zrost napięcia na kondensatorze jest m onitorow any przez kom parator B poprzez pin num er 6, określany m ia­ nem pinu progu zadziałania. Kiedy ładunek na kondensatorze przekroczy dwie trzecie napięcia zasilania, kom ­ parator B w ysyła im puls do przerzutnika, pow odując jego przełączenie do stanu pierwotnego. To powoduje rozładowanie kondensatora przez pin num er 7, nazywany pinem rozładowania. Ponadto przerzutnik kończy dodatni stan zasilania na pinie num er 3 i zastępuje go zasilaniem ujem nym . W ten sposób układ 555 w raca do sw ojego oryginalnego stanu. Podsumuję tę sekw encję wydarzeń bardzo prosto: 1. Początkowo przerzutnik uziemia do m asy kondensator i w yjście (pin 3). 2. Spadek napięcia na pinie num er 2 do jednej trzeciej napięcia zasilania lub jeszcze niżej zm ienia stan w y jś c ia (pin 3) na w y s o k i potencjał i um ożliw ia rozpoczęcie ładow ania kondensatora C4 przez rezystor R4. 3. Kiedy kondensator osiągnie dwie trzecie napięcia zasilania, układ rozładowuje go, a w yjście na pinie trzecim w raca do stanu niskiego. W takiej konfiguracji układ 555 jest „m o n osta bilny” , tzn. generuje wyłącznie jeden im puls. W ygenerowanie kolejnego w ym aga jego ponownego pobudzenia. Długość każdego im pulsu możesz dostosow ać, zmieniając w a rtości R4 i C4. Jak dobrać odpowiednie w a rto ­ ści? Sprawdź w zamieszczonej wcześniej tabeli 4.1, która przedstawia przybliżone czasy i pozwala w y w n io ­ skow ać ogólny w zór do sam odzielnego wyliczania w artości. Postanowiłem nie umieszczać w tabeli im pulsów krótszych niż 0,01 sekundy, ponieważ tak krótki okres ich trw ania sprawia, że są one m ało przydatne. W artości w tabeli zostały zaokrąglone do dw óch m iejsc znaczą­ cych — bardzo rzadko m ożna spotkać w a rto ś c i pojem ności podawane z większą precyzją niż ta.

Eksperyment 16: Generowanie impulsów

159

TEORIA Jak powstał układ czasowy W latach siedem dziesiątych ubiegłego wieku, kiedy przem ysł półprzew odnikow y dopiero kiełkow ał w Dolinie Krzem owej, mała firm a o nazwie Signetics kupiła pom ysł inżyniera Hansa Camenzinda. Była to przełom ow a koncepcja — zaledwie 23 tranzystory i kilka rezystorów funkcjonujących jako program ow alny układ czasowy. Układ był wszechstronny, stabilny i prosty, ale te cechy były jedynie dodatkiem do głównej cechy m arketingo­ wej — użycia rozwijającej się technologii układów scalonych, dzięki której Signetics m ógł reprodukow ać cały układ na płytce krzemowej. Powstanie układu było efektem prób i błędów. Camenzind pracow ał samodzielnie, początkow o budując urzą­ dzenie w dużej skali na płytce prototypowej przy użyciu dostępnych na rynku tranzystorów, rezystorów i diod. Kiedy całość zadziałała, zaczął ją m odyfikow ać, podstaw iając nieco zm ienione w a rto ś c i kom ponentów, aby przekonać się, czy obw ód będzie tolerow ał odchylenia powstające w procesie produkcji, a także inne czynniki, takie jak zm iany tem peratury w ynikające z nagrzewania się kości w czasie pracy. W ykonał m inim um 10 róż­ nych wersji układu, a praca zajęła mu kilka miesięcy. Następnie przyszła pora na prace rzeźbiarskie. Camenzind zasiadł przy swojej desce projektowej i używając specjalnie przystosow anego noża firm y X-Acto, w yrzeźbił sw ój obw ód w dużym kawałku plastiku. Signetics zm niejszył ten obraz m etodam i fotograficznym i w stosunku 300 do 1. Tak pow stały w zó r zaczęto przenosić na półprzew odnikow e płytki, które następnie osadzano w półcalowej plastikowej obudowie z nadrukow anym na górze num erem części. W ten sposób narodził się układ czasow y 555. Układ czasow y 555 okazał się jedną z najbardziej udanych kości w całej historii układów scalonych, zarówno pod względem liczby sprzedanych sztuk (dziesiątki m iliardów), jak i długow ieczności sam ego projektu (bez zmian od niemal czterdziestu lat). Układ 555 był używ any we w szystkim , poczynając od zabawek po pojazdy kosm iczne. Jest w stanie m igać światłam i, aktyw ow ać układy alarm owe, w staw iać przerw y pom iędzy sygnały dźw ię­ kowe, a także tw o rzyć te sygnały. Dzisiaj układy scalone projektowane są przez duże zespoły ludzi, a ich działanie testuje się przy użyciu specjalnych program ów kom puterow ych. Inaczej m ówiąc, układy scalone w kom pute­ rach um ożliwiają projektowanie jeszcze większej liczby takich urządzeń. Czasy sam odzielnych projektantów, takich jak Hans Camenzind, daw no odeszły w niepamięć, ale ich geniusz jest nadal w idoczny w ew nątrz każdego układu scalonego 555, który schodzi z taśm produkcyjnych. (Jeżeli chciałbyś dowiedzieć się czegoś więcej o historii układów scalonych, zajrzyj tutaj: www. siliconvalleyhistorical. org).

160

Rysunek 4.19. Hans Camenzind, wynalazca i projektant układu czasowego 555, stw orzo­ nego dla firm y Signetics

4. Układy scalone

PODSTAWY Na czym polega użyteczność układu 555 W sw o im stanie m onostabilnym (który wtaśnie widziałeś) układ 555 generuje pojedynczy im puls o ustalonej (ale program owalnej) długości. Czy potra­ fisz sobie w yobrazić, jak można w ykorzystać takie działanie? Załóż, że im puls z 555 będzie kontrolow ał inny kom ponent — być może czujnik ruchu ośw ie­ tlenia drzwi frontow ych. Kiedy działający w pod­ czerwieni detektor ruchu „zobaczy” coś ruchom ego, zapala światło na ustalony przedział czasu. Kontrolę nad tym czasem może spraw ow ać układ 555.

A co z alarm em antyw łam aniow ym opisanym pod koniec rozdziału trzeciego? Nie w yko naliśm y jeszcze jednej z w ym ienionych tam cech — przerwania pracy po ustalonym czasie. Do realizacji tej funkcji m ożem y w ykorzystać zmianę stanu w yjściow ego układu 555.

Innym zastosow aniem m ógłby być toster. Dźwignia opuszczająca tosty do środka zam yka obw ód rozpo­ czynający cykl podgrzewania. Do zm iany czasu trw a ­ nia cyklu m ógłbyś użyć potencjom etru w m iejsce rezystora R4, um ieszczając go gdzieś w zewnętrznej obudowie, jako pokrętło ustawiające stopień przypie­ czenia tostów. Pod koniec cyklu tostow ania w yjście z układu 555 zostałoby przepuszczone przez tranzy­ stor mocy, aby aktyw ow ać solenoid (przypom inający przekaźnik, ale bez kontaktów) odpowiedzialny za podniesienie to stó w do góry.

1. Układ może pracow ać przy zasilaniu stabilnym napięciem z zakresu od 5 do 15 V.

Przerywany cykl pracy wycieraczek samochodowych mógłby być kontrolowany przez układ 555 — we wcze­ snych modelach samochodów faktycznie tak było.

Eksperyment, który właśnie w ykonałeś, wydaje się być trywialny, ale dzięki niemu przedstawiona została cała rzesza m ożliw ych zastosowań.

Ograniczenia układu 555 2. W iększość producentów zaleca stosowanie na pinie num er 7 rezystora o w a rtości od 1 k n do 1 M n. 3. Jeśli potrzebujesz długiego czasu trwania impulsu, możesz użyć dowolnie dużej wartości kondensa­ tora, ale precyzja układu ulegnie pogorszeniu. 4. Na wyjściu możliwy jest prąd o maksymalnej war­ tości 100 mA, przy zasilaniu rzędu 9 V. Taka war­ tość powinna wystarczyć dla małego przekaźnika lub miniaturowego głośnika, o czym przekonasz się podczas następnego eksperymentu.

r-- A Unikaj zmiany kolejności pinów na schematach! Na wszystkich schem atach w te j książce będę ryso w a t uktady scalone tak, jakbyś patrzyf na nie z g ó ry — z p inem n um e r jed e n w lew ym górnym rogu. Na schem atach, które zobaczysz w sie c i lub w książ­ kach innych autorów, m ożesz spotkać się z odm ienną praktyką. Dla w ygody układy scalone będą rysowane z poprzestaw ianym i n um e­ ra m i p in ó w — zatem o bo k p in u n um e r 1 niekoniecznie p o ja w i się pin n um e r 2. Przyjrzyj się sch em a to w i na rysunku 4 .2 0 i p oró w na j go ze sch e ­ m atem na rysunku 4.15. Połączenia są takie same, ale schem at z rysunku 4 .2 0 grupuje piny, aby zredukow ać dom niem any stopień skom plikow ania połączeń. Przestawianie p in ó w je s t pow szechną praktyką, poniew aż pozwala na to wiele p ro g ra m ó w służących do rysow ania schem atów. Przy w ięk­ szych kościach przestaw ianie ko le jno ści je s t w ręcz niezbędne w celu zachowania funkcjonalnej p rzejrzysto ści schem atu (np. w przypadku logicznego pogrupow ania p in ó w w spółpracujących z pam ięcią). Uważam jednak, że z punktu widzenia poznawania układów scalonych p ie rw szy raz łatw ie j będzie zrozum ieć schematy, je ś li pozycje p in ó w będą odpow iadać ich num erom . Tego założenia będę się trzymał.

Eksperyment 16: Generowanie impulsów

Rysunek 4.20. Wielu elektroników rysuje schematy, w których num ery pinów są poprzestawiane w celu uproszczenia lub przynajm niej objętościowego zmniejsze­ nia rysunku. Stanowi to pewne utrudnienie podczas budowania układu. Pokazany tutaj schem at odpowiada tem u przedstawionemu na rysunku 4.15. Ta wersja byłaby trudniej­ sza do odtworzenia na płytce prototypow ej

161

Eksperyment 17: Ustawianie wysokości tonu Pokażę Ci dw a inne sposoby w ykorzystania układu czasow ego 555. Potrzebne będą te same elementy, których użyłeś podczas eksperym entu num er 16, plus: •

dod atkow y układ czasow y 555, liczba: 1,

•

m iniaturow y głośnik, liczba: 1,

•

potencjom etr liniow y 100 k f i, liczba: 1.

Procedura Pozostaw kom ponenty z eksperym entu num er 16 na płytce, tam gdzie są, i dodaj kolejną sekcję poniżej. Patrz rysu­ nek 4.21. W poprzednim układzie piny 6 i 7 były zwarte, teraz znajduje się m iędzy nimi rezystor R2. Nie ma również zewnętrznego podpięcia do pinu num er 2. Zamiast tego pin num er 2 jest połączony przewodem do pinu num er 6. Naj­ prostszym sposobem zrealizowania tego połączenia jest przejście przewodem górą nad obudow ą kości. Schemat z rysunku 4.22 nie zawiera kondensatora wygładzającego. Zakładam, że urucham iasz ten układ na tej samej płytce prototypowej, na której w ykonyw ałeś poprzedni eksperym ent, i kondensator wygładzający nadal tam jest. W celu zadem onstrowania w yjśc ia z układu zastąpim y diodę LED głośnikiem połączonym szeregowo z rezystorem 100 f i (R3). Nie zam ierzam zerować układu, dlatego odpowiedzialny za tę funkcję pin num er 4 został w yłączony z użycia przez podłączenie go do dodatniego napięcia zasilania. Co się stanie, kiedy podłączysz zasilanie? Powinieneś od razu usłyszeć hałas z głośnika. Jeśli nic nie słyszysz, niemal na pewno popełniłeś błąd w połączeniach. Zauważ, że nie m usisz już teraz aktyw ow ać kości za pom ocą przycisku. W ynika to z faktu, iż podczas ładowania i roz­ ładow yw ania kondensatora C1 zmieniające się napięcie trafia przez przewód przechodzący nad obudow ą kości do pinu num er 2 (wyzwalacza). W ten sposób układ 555 w yzw ala się samodzielnie. Jeśli chcesz wiedzieć dokładnie, co się dzieje, zajrzyj do sekcji „Teoria. W ewnątrz układu czasow ego 555: tryb astabilny” , gdzie dokładnie w yjaśniam to zachowanie. W tym trybie układ jest „asta bilny” , czyli niestabilny, ponieważ przełącza się bez przerw y z jednej pozycji do drugiej i z pow rotem . Cykl powtarza się nieprzerwanie. Zatrzymać może go tylko odłączenie zasilania. Im pulsy są tak szybkie, iż można je usłyszeć w form ie szumu w ytw arzanego przez głośnik. W artości rezystorów R1, R2 i kondensatora C1 sprawiają, iż układ 555 generuje około 1500 im pulsów na sekundę. Innymi słowy, w ytw arza dźwięk o częstotliw ości 1,5 kHz. Zajrzyj do tabeli 4.1, aby przekonać się, jak różne w a rto ś c i R2 i C1 m ogą w płynąć na częstotliw ość generowanych im pulsów w trybie astabilnym . Pamiętaj, iż treść tabeli zakłada w a rto ś ć 1 k f i dla rezystora R 1!

162

4. Układy scalone

Rysunek 4.21. Komponenty pow inny zostać dodane do tej sam ej płytki prototypo­ wej, poniżej kom ponentów pokazanych na rysunku 4.14. Do przetestowania układu 555 w trybie astabilnym użyj następujących w artości komponentów:

R 1 :1 k n R 2 : 10 k n R 3 : 100 i i C 1 :0,047 ¡JtF ceramiczny lub elektrolityczny C 2 :0 ,1 ¡j F ceramiczny US2: układ czasowy 555 9V DC

R1 »1 ,2

8« US2

7 ,

,3 ,4

5 i

R2

R3 C2

t

Eksperyment 17: Ustawianie wysokości tonu

C1 Rysunek 4.22. Schematyczna wersja obwodu pokazanego na rysunku 4.21. W artości kom ponentów są takie same

163

TEORIA Wewnątrz układu czasowego 555: tryb astabilny Pomocą w przedstawieniu tego, co się dzieje, będzie ilu­ stracja na rysunku 4.23. Początkowo przerzutnik zwiera C1 do masy w taki sam sposób, jak miało to miejsce poprzednio, ale niskie napięcie kondensatora jest pod­ łączone zewnętrznym przewodem od pinu numer 7 do pinu numer 2. Niskie napięcie powoduje wyzwolenie układu. Przerzutnik posłusznie przechodzi do pozycji włączonej i wysyła dodatni impuls do głośnika, usuwa­ jąc jednocześnie ujemny potencjał z pinu numer 7.

w staw iony został rezystor R2. Gdy kondensator roz­ ładowuje się, jego napięcie spada, a nadal pozostaje połączony z pinem numer 2. Kiedy potencjał spad­ nie do jednej trzeciej napięcia zasilania, komparator A przystępuje do działania i wysyła kolejny impuls do przerzutnika, zaczynając cały proces od nowa. Podsum owując: 1. W trybie astabiinym, natychm iast po podłączeniu zasilania, przerzutnik zmniejsza napięcie na pinie num er 2, wyzw alając kom parator A, który przełącza przerzutnik do pozycji „doln ej” . 2. Pin w y jś c io w y (3) przechodzi w stan wysoki, a kondensator zaczyna się ładow ać przez połączone szeregowo rezystory R1 i R2. 3. Kiedy kondensator naładuje się do dw óch trzecich napięcia zasilania, przerzutnik przechodzi do stanu „g ó rn e g o ” , a napięcie na w yjściu (pin num er 3) spada. Kondensator zaczyna rozładow yw ać się przez rezystor R2. 4. Kiedy napięcie na kondensatorze spadnie do jednej trzeciej napięcia zasilania, pociągnięty w dół potencjał pinu num er 2 w yzw ala ponownie przerzutnik i cały cykl zaczyna się od nowa.

Nierówne długości stanów włączonego i wyłączonego Rysunek 4.23. l/l/ układzie astabiinym m iędzy pinam i num er 6 i 7 umieszczony je s t rezystor R2, a sam pin 6 je s t połączony zewnętrznym przewodem z pinem num er 2. l/l/ ten sposób układ 5 55 wyzwala sam siebie

Teraz, podobnie jak m iało to m iejsce podczas pracy w trybie m onostabilnym , C1 zaczyna się ładować, z tą różnicą, iż robi to przez połączone szeregowo rezystory R1 i R2. Ponieważ rezystory oraz sam kon­ densator C1 m ają m ałą w a rtość, ładowanie trw a bar­ dzo krótko. Po osiągnięciu dw óch trzecich pełnego napięcia zasilania kom parator B podejm uje taką samą akcję jak wcześniej i rozładowuje kondensator, koń­ cząc im puls na pinie num er 3. Rozładowanie trw a dłużej niż wcześniej, ponieważ pomiędzy pin rozładowujący (numer 7) a kondensator

164

Kiedy układ pracuje w trybie astabiinym, kondensator C1 ładuje się przez połączone szeregowo rezystory R1 i R2, ale podczas rozładowania ładunek „ucieka” jedy­ nie przez R2. Oznacza to, że więcej czasu zajmuje nała­ dowanie kondensatora niż jego rozładowanie. Podczas ładowania pin numer 3 jest w stanie wysokim, podczas rozładowania w stanie niskim. Konsekwencją tego jest zawsze dłuższy czas trwania stanu włączonego (wyso­ kiego) w porównaniu do stanu wyłączonego (niskiego). Tę regułę w formie wykresu pokazuje rysunek 4.24. Jeżeli chcesz, aby stan w ysoki i niski trw a ły jedna­ kow o długo, lub chcesz dopasow ać czas trw ania jed­ nego z tych stanów niezależnie od drugiego (na przy­ kład w ysłać bardzo krótki im puls do drugiej kości, a następnie odczekać dłużej przed kolejnym takim im pulsem ), wystarczy, że dodasz diodę, tak jak poka­ zuje to rysunek 4.25.

4. Układy scalone

TEORIA Wewnątrz układu czasowego 555: tryb astabilny (ciąg dalszy) Teraz po naładowaniu kondensatora C1 prąd ptynie przez R1 tak jak poprzednio, ale om ija R2, wybierając skrót przez diodę D1. Podczas rozładowyw ania dioda blokuje przepływ prądu w odw ro tnym kierunku, zatem rozła­ dowanie m usi nastąpić przez rezystor R2. Po dołożeniu diody R1 kontroluje samodzielnie czas ładowania, a R2 czas rozładowania. W zór pozwalający w yliczyć częstotliw ość przedstawia się następująco: Częstotliwość = 1,44/((R1 + R 2 ) x C 1 ) lub Częstotliwość = 1 ,4 /(( R 1 + R 2 )x C 1 ) Jeżeli dobierzesz rezystancje w taki sposób, aby R1 = R2, uzyskasz cykle stanu w ysokiego i niskiego o nie­ mal takiej samej długości („niem al” , ponieważ sam a dioda w prow adza spadek napięcia rzędu 0,6 V). Dokładna w a rto ść zależy od procesu technologicznego użytego do w ytw orzenia diody. Czas trwania każdego cyklu w stanie wysokim jest proporcjonalny do rezystancji R1 + R2 9V Napięcie na pinie 6 V — wyjściowym (numer 3) 3 V — OV —

Czas trwania każdego cyklu w stanie niskim jest proporcjonalny wyłącznie do wartości rezystancji R2 Rysunek 4.24. Układ czasowy w sw ojej typowej konfiguracji astabilnej ładuje kondensator przez rezystancję R 1+R 2, a następnie rozładowuje ją wyłącznie przez R2. Stąd cykle w stanie wysokim są dłuższe od cykli w stanie niskim

Rysunek 4.25. Modyfikacja schematu z rysunku 4.22. Dodając diodę do układu czasowego 555 pracującego w stanie astabilnym, elim inujemy R2 z cyklu ładowania kondensatora C1. Teraz m ożem y dostoso­ wać czas im pulsu wysokiego (włączonego) wartością R1, a czas im pulsu niskiego (wyłączonego) wartością R2. Oba czasy stają się niezależne od siebie

Eksperyment 17: Ustawianie wysokości tonu

165

PODSTAWY Aby wyliczyć inną częstotliwość, pomnóż R2 przez dwa, w ynik dodaj do R1, powstałą sumę pomnóż przez C1. Otrzymaną wartość użyj jako dzielnika liczby 1440:

Poniższa tabela pokazuje częstotliw ość pracy układu czasow ego 555 w trybie astabilnym : •

Częstotliwość jest w yrażona w liczbie im pulsów na sekundę przy zaokrągleniu do jednego m iejsca po przecinku.

•

Skala poziom a pokazuje typow e w a rtości rezystancji dla rezystora R2.

•

Skala pionow a pokazuje typow e w a rtości dla kondensatora C1.

•

Przyjętą w a rto ścią rezystora R1 jest 1 k i l

Częstotliwość = 1440/((R1 + 2 x R 2 ) x C 1 ) Hz W tym wzorze R1 i R2 wyrażone są w kiloom ach, C1 jest w m ikrofaradach, a w yliczona częstotliw ość w hercach (cyklach na sekundę). Zauważ, że często­ tliw o ś ć jest m ierzona od startu jednego im pulsu do startu następnego. Czas trw ania im pulsu jest różny od przerw y między nimi. Ten problem był om aw iany w poprzedniej sekcji.

Tabela 4.2. Częstotliwość pracy układu czasowego w trybie astabilnym

47 juF

10

5,7

3

1,5

0,7

0,3

0,2

0,1

22 jl/F

22

12

6,3

3,1

1,5

0,7

0,3

0,2

0,1

10 / j F

48

27

14

6,9

3,2

1,5

0,7

0,3

0,2

0,1

4,7 a/F

100

57

30

15

6,8

3,2

1,5

0,7

0,3

0,2

2,2 jL/F

220

120

63

31

15

6,9

3,3

1,5

0,7

0,3

1,0 |UF

480

270

140

69

32

15

7,2

3,3

1,5

0,7

0,47 a/F

1

570

300

150

68

32

15

7

3,3

1,5

0 ,2 2 / j F

2,2

1,2

630

310

150

69

33

15

7

3,3

0,1 ji/F

4,8

2,7

1,4

690

320

150

72

33

15

7,2

0,047 juF

10

5,7

3

1,5

680

320

150

70

33

15

0,022 a/F

22

12

6,3

3,1

1,5

690

330

150

70

33

0,01 £7F

48

11

14

6,9

3,2

1,5

720

330

150

72

1 kn

2,2 kQ

4,7 kQ

10 k f i

22 k f i

47 k i l

100 kQ

220 kQ

470 k n

1 MQ

Modyfikacje trybu astabilnego Jeśli zastąpisz rezystor R2 potencjom etrem 100 k f i w układach pokazanych na rysunkach od 4.22 do 4.25, będziesz m ógł dostosow yw ać częstotliw ość w górę lub w dół przez zmianę położenia pokrętła. Inna m ożliw ość to dostrojenie układu czasow ego poprzez pin num er 5 (zwany pinem kontroli), tak jak pokazuje to rysunek 4.26. Odłącz kondensator, który był podłączony do tego pinu, i zastąp go połączonym i szeregowo rezysto­ rami. R9 i R11 są rezystorami 1-kilo o m o w ym i podłączonym i z obu stron do potencjom etru 100 -kiloom ow ego R10. Zapewniają one obecność m inim um 1-kilo om o w ej rezystancji pom iędzy pinem a dodatnim i ujem nym napięciem zasi­ lania. Podłączenie pinu bezpośrednio do zasilania nie uszkodzi kości, ale uniem ożliwi generowanie słyszalnych dźw ię­ ków. W miarę kręcenia pokrętłem potencjom etru w obu kierunkach zmianie ulegać będzie częstotliw ość. Jeżeli chcesz ustawić układ na generację konkretnej częstotliw ości, użyj trym era zam iast potencjom etru.

166

4. Układy scalone

G łówną zaletą dostosow yw ania częstotliw ości poprzez pin num er 5 jest to, że możesz zrobić to zdalnie. Podłącz w yjście (pin num er 3) innego układu cza­ sow ego 555 pracującego wolniej w trybie astabilnym przez rezystor 2,2 k f i do pinu num er 5. W ten sposób, kontrolując drugi układ pierw szym , uzyskasz syrenę dw utonow ą. Jeśli oprócz tego dodasz jeszcze kondensator 100 /j F m ię­ dzy pinem num er 5 a masą, jego ładowanie i rozładowyw anie zapewni efekt płynnego przechodzenia pom iędzy tonam i (w przeciw nym razie przejścia będą dosyć gw ałtow ne). Opiszę ten tem at dogłębnie już za m om ent. To prowadzi nas do całego zagadnienia kontrolow ania jednej kości przez inną, które będzie przedm iotem ostatniej odm iany tego eksperym entu.

Łączenie kości w łańcuch Układy scalone projektowane są w taki sposób, aby m ogły ze sobą „rozm aw iać” . Rysunek 4.26. Pin kontroli (num er 5) je s t rzadko używany, ale może być Układ 555 wręcz idealnie nadaje się do tego celu: •

Pin num er 3 (wyjście) jednego układu czasow ego 555 może być podłączony bezpośrednio do pinu num er dw a (wyzwalacza) drugiej kości 555.

•

Ewentualnie w yjście jest w stanie dostarczyć wystarczającą moc, aby zasilić pin num er 8 drugiego układu 555.

•

W yjście nadaje się również do zasilania innych ty p ó w kości.

Powyższe opcje ilustruje rysunek 4.27. Kiedy w yjście pierwszej kości 555 przechodzi w stan w ysoki, osiąga w a rtość około 7 0 -8 0 % sw ojego napięcia zasilania. Innymi słowy, przy 9 -w o lto w y m zasilaniu stan w ysoki ma w a rto ś ć około 6 V. Ta w a rto ś ć jest powyżej m inim al­ nego progu 5 V, potrzebnego drugiej kości do poprawnego zadziałania kom pa­ ratora, w ięc nie ma problemu.

użyteczny. Zmieniając jego potencjał, można dostosować szybkość dzia­ łania. Powyższy układ pozwala prze­ testować to zachowanie. Wartości komponentów: R1: 1 kn R2: 10 kn R3: 1 0 0 L I R9, R11:1kn R10: potencjom etr liniow y 100 k n C1: 0,047 nF

Rysunek 4.27. Trzy sposoby łańcuchowego połączenia układów czasowych 555. Wyjście pierw szej kości może zasilać drugą kość, wpływać na potencjał pinu kontroli lub aktywować pin wyzwalający

Możesz połączyć w łańcuch dw a układy 555, które masz już wpięte w płytkę prototypową. Rysunek 4.28 pokazuje, w jaki sposób połączyć ze sobą dw a obw ody pokazane wcześniej na rysunkach 4.15 i 4.22. Przeciągnij przewód od pinu num er 3 (w yjścia) pierwszej kości do pinu num er 8 (dodatniego zasilania) drugiej kości, a następnie odłącz ist­ niejący przewód łączący pin num er 8 z zasilaniem. Nowe połączenie zostało w yróżnione kolorem czerw onym . Jeśli teraz naciśniesz przycisk aktyw ujący pierw szą kość, jej w yjście zasili drugą kość.

Eksperyment 17: Ustawianie wysokości tonu

167

Możesz również użyć w yjścia z jednej kości do wyzw alania drugiej (łącząc pin num er 3 pierwszej kości z pinem num er 2 drugiej). Kiedy stan w yjścia pierwszej kości jest niski, ma w a rto ś ć około pół wolta, czyli o wiele mniej, niż w ynosi próg zadziałania drugiej kości. Dlaczego zatem takie połączenie ma sens? Możesz chcieć, aby oba układy czasowe pracow ały w trybie m onostabilnym . W tedy koniec im pulsu pierwszej kości (zbocze opadające) w yzw oli im puls drugiej kości. W ten sposób możesz zestawić dow olną liczbę kości, tw orząc pętlę przez połączenie w yjścia ostatniej z w e jściem w yzw alającym pierwszej. Stworzony układ m ógłby ośw ietlać sekw encyjnie serię diod LED służących jako lampki choinkow e. Rysunek 4.29 pokazuje przykład takiego połączenia m iędzy czte­ rema układami czasow ym i 555 w konfiguracji, której celem jest zajęcie jak naj­ mniejszej pow ierzchni (przy połączeniach punktow ych na płytce perforowanej, ale nie na płytce prototypow ej). Każde w yjście ponum erow ane od 1 do 4 m ia­ łoby wystarczającą m oc, aby sterować około dziesięciom a diodam i LED, pod w arunkiem iż ograniczysz przepływ prądu, stosując odpowiednio duży rezystor obciążający.

Rysunek 4.28. Możesz połączyć dwa układy pokazane na rysunkach 4.15 i 4.22 przez odłączenie przewodu zasi­ lającego pin num er 8 drugiego układu i podłączenie innego (pokazanego na czerwono)

.

r iii i

ł fi

ir r

Rysunek 4.29. Cztery układy czasowe 555 połączone w łańcuszek mogą sterować czterema zestawami diod, będących na przykład światełkam i choinkowym i

168

Nawiasem m ówiąc, możesz ograniczyć liczbę kości, używając układów czaso­ w ych 556 zamiast 555. Kość 556 zawiera parę układów czasowych 555 w jednej obudowie. Ja nie zdecydowałem się na ten wariant, ponieważ nadal trzeba w yko­ nać taką samą liczbę połączeń zewnętrznych (pomijając doprowadzenie zasilania). Jest jeszcze kość 558, zawierająca cztery układy czasowe 555 skonfigurow ane do pracy w trybie astabilnym . Postanowiłem nie korzystać z nich tutaj, ponie­ waż ich w yjścia zachowują się inaczej w porównaniu do zw ykłych układów 555. Jeśli masz ochotę, możesz zaopatrzyć się w kość 558 i poeksperym entow ać samodzielnie. Nadaje się ona idealnie do zbudowania łańcuszka czterech ukła­ dów, który sugerow ałem wcześniej. Takie zastosowanie sugeruje nawet sama karta katalogowa. Na koniec w róćm y jeszcze do pomysłu modyfikowania częstotliwości układu 555 w trybie astabilnym. Możesz połączyć łańcuchowo dwa układy zgodnie z ilustra­ cją na rysunku 4.30. Czerwony przewód pokazuje połączenie z wyjścia pierw­ szego układu do pinu kontrolnego drugiego układu. Pierwszy układ jest teraz skon­ figurowany do pracy w trybie astabilnym, co sprawia, że jego wyjście oscyluje pomiędzy stanem wysokim i niskim około cztery razy na sekundę. Sygnał w y j­ ściow y zapala i gasi diodę LED (dzięki czemu możesz obserw ować zachowanie układu) oraz steruje pinem kontroli drugiego układu poprzez rezystor R7. Po drodze jest jeszcze duży kondensator C2, który potrzebuje trochę czasu, aby naładować się przez rezystor R7. Podczas ładowania napięcie w ykryw a ne przez pin num er 5 pow oli rośnie, co sprawia, że ton generowany przez układ US2 stopniow o maleje. Układ US1 dochodzi do końca sw ojego cyklu w łączonego i w yłącza się, co pow oduje rozładowanie kondensatora C2 i spadek w yso kości tonu generowanego przez US2. Możesz modyfikować układ, tworząc wszelkie możliwe rodzaje dźwięku przy znacz­ nie większym stopniu kontroli, niż dawały Ci tranzystory jednozłączowe używane wcześniej do tego samego celu. Oto kilka rzeczy, których mógłbyś spróbować: •

Zmniejsz lub zwiększ dw ukrotnie w a rto ś ć kondensatora C2.

•

Pomiń zupełnie w a rto ś ć kondensatora C2 i poeksperym entuj z w a rtością rezystora R7.

•

Zastąp rezystor R7 potencjom etrem 10 k i l

4. Układy scalone

•

Zmień kondensator C4, aby zwiększyć lub zm niejszyć czas cyklu kości US1.

•

Zmniejsz o połowę w a rto ś ć R5, zwiększając jednocześnie dw ukrotnie w a rto ś ć C4, dzięki czemu czas cyklu US1 pozostanie mniej więcej bez zmian, ale czas stanu w ysokiego będzie znacznie dłuższy od czasu stanu wyłączonego.

•

Zmień napięcie zasilania w obwodzie z 9 V na 6 lub 12 V.

Pamiętaj, że takim i zm ianam i nie jesteś w stanie uszkodzić układu czasow ego 555. Upewnij się jedynie, iż ujemna strona zasilania jest podłączona do pinu num er 1, a dodatnia do pinu num er 8. 9V DC

Rysunek 4.30. Kiedy oba układy czasowe są astabilne, ale US1 pracuje znacznie wolniej od US2, wyjście z układu US1 może zostać użyte do modulowania tonu generowanego przez US2. Zwróć uwagę, iż schem at został znacząco zm odyfiko­ wany. Kilka kom ponentów ma teraz inną nazwę. Być może najlepszym sposobem uniknięcia błędów będzie zdemontowanie starego układu z płytki prototypow ej i zbudowanie tej w ersji od zera. Na początek spróbuj z następującym i wartościami:

R1, R4, R6, R 7 :1 k n R2, R 5 :10 k n R 3 :100 n C l: 0 ,0 4 7 iiF C2, C3: 100 n F C4: 68 fjF C5: 0,1 aiF

Eksperyment 17: Ustawianie wysokości tonu

169

Eksperyment 18: Miernik czasu reakcji Układ czasow y 555 może pracow ać z częstotliw ością tysięcy cykli na sekundę. To pozwala nam użyć go do pom iaru czasu reakcji człowieka. Mając takie urzą­ dzenie, możesz zorganizować zaw ody ze sw o im i przyjaciółm i, aby przekonać się, kto potrafi szybciej zareagować, a także jak na ten param etr w p ły w a nastrój, pora dnia czy ilość snu podczas ostatniej nocy. Zanim przejdziem y dalej, muszę Cię ostrzec, iż ten układ będzie m iał więcej połączeń od pozostałych, z którym i do tej pory miałeś do czynienia. Sam układ nie jest skom plikowany, ale w ym aga sporej liczby przew odów i zm ieści się jedynie na płytce prototypowej posiadającej 63 wiersze z otw oram i. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby budować go stopniow o, co pozwoli Ci w y k ry ć ewentualne błędy w okablowaniu. Rysunek 4.31. Po umieszczeniu 1-kilo­ omowego rezystora pom iędzy katodą wyświetlacza a ujemnym napięciem zasilacza możesz użyć dodatniego końca zasilania do oświetlenia kolejno każdego z segm entów wyświetlacza

Potrzebne będą: •

układ 4026, liczba: 4 (w rzeczywistości potrzebujesz jedynie trzech, ale weź jeden więcej na w ypadek uszkodzenia któregoś z pozostałych),

•

układ 555, liczba: 3,

•

mikroprzełączniki (SPST chw ilow e), liczba: 3,

•

trzy w yśw ietlacze siedm iosegm entow e lub jeden z trzem a cyfram i LED (dokładny opis tej części znajduje się w liście zakupów na początku rozdziału), liczba: 1,

•

płytka prototypowa, rezystory, kondensatory i miernik.

Krok 1: Wyświetlacz Możesz użyć trzech niezależnych w yśw ietlaczy sie dm iosegm entow ych, ale ja sugeruję, abyś kupił wyśw ietlacz firm y Kingbright o numerze B C 56-11 EWA, o którym w spom niałem wcześniej przy okazji om awiania listy zakupów. Zawiera on trzy c y fry w jednej wspólnej obudowie.

Rysunek 4.32. Najczęściej stoso­ wany wyświetlacz num eryczny składa się z siedm iu segm entów (diod LED) identyfikowanych kolejnym i literami. Oprócz nich obecny je s t jeszcze dodatkowy segm ent dla kropki repre­ zentującej miejsce dziesiętne

Powinieneś być w stanie wpiąć go do swojej płytki prototypowej pom iędzy prze­ rwę biegnącą przez sam środek. Umieść go na sam ym dole płytki, tak jak poka­ zuje to rysunek 4.31. C hw ilow o nie umieszczaj innych kom ponentów na płytce. Ustaw sw ój zasilacz na 9 V i podłącz ujemny koniec do rzędu otw o ró w w gór­ nej części płytki po prawej stronie. W staw rezystory 1 k n pom iędzy ujem nym napięciem zasilania a pinami w yśw ietlacza o num erach 18, 19 i 26, które sta­ now ią „w spólną katodę” , czyli ujemne połączenie współdzielone przez każdy z segm entów zasilacza. (Num ery pinów w yśw ietlacza zostały pokazane na rysunku 4.33. Jeżeli używasz innego modelu wyśw ietlacza, będziesz m usiał zajrzeć do karty katalogowej, aby dowiedzieć się, które z pinów pow inny otrzy­ m ać ujemne napięcie zasilania).

W łącz zasilanie i zacznij dotykać w o lnym dodatnim przewodem zasilania otw orów w wierszach prowadzących do w yśw ietlacza z jego lewej i prawej strony8. Powinieneś obse rw ow ać zapalanie się kolejnych segm entów w yśw ietla­ cza, zgodnie z rysunkiem 4.31.

8 Autor opisuje połączenia i wiersze płytki tak, jakby płytka była ona umieszczona pionowo (z ujemnym zasilaniem po prawej, a dodatnim po lewej). Na zdjęciach jest ona jednak pokazana w pozycji poziomej, z ujemnym zasilaniem u góry i dodatnim na dole. W takiej pozycji wiersze należy traktować raczej jako kolumny — przyp. tfum.

170

4. Układy scalone

Odpowiednie grupy segm entów odpowiadają cyfrom od 0 do 9. Segmenty są identyfikowane m ałym i literami od a do g (patrz rysunek 4.32). Na wyśw ietlaczu często obecny jest również segm ent punktu dziesiętnego — oznaczony literką h — którego m y nie będziem y używać. Rysunek 4.33 pokazuje w yśw ietlacz firm y Kingbright. Każdy pin jest opisany realizowaną przez siebie funkcją. Możesz dotknąć kolejno wszystkich w y p ro ­ wadzeń dodatnim przewodem zasilającym i upewnić się, iż zapala się odpo­ wiedni segment. Nawiasem m ówiąc, ten w yśw ietlacz ma dw a piny, o numerach 3 i 26, przezna­ czone do odbioru ujemnego zasilania przez pierw szą z cyfr. Dlaczego dw a piny, a nie jeden? Nie wiem . W ystarczy, że będziesz używał jednego z nich, a ponie­ waż jest to kość pasywna, pozostawienie końcówki niepodpiętej nie będzie m iało znaczenia. M usisz jedynie uważać, aby nie podłączyć do niej dodatniego napięcia zasilania, co spow odow ałob y zwarcie. Wyświetlacz numeryczny nie posiada własnej wewnętrznej logiki. Jest jedynie kolekcją diod świecących, które są mało użyteczne, o ile nie wym yślim y sposobu na zapalanie ich w odpowiednich grupach. Tym zajmiemy się w następnej kolejności.

Krok 2: Zliczanie Na szczęście, m amy kość o numerze 4026, która otrzymuje impulsy, zlicza je i tworzy sygnał w yjściow y zaprojektowany do współpracy z wyświetlaczem sied­ miosegmentowym pokazującym cyfry od 0 do 9. Jedyny problem to staroświecka technologia tego układu — CMOS (ang. Complementary Metal Oxide Semiconduc­ tor) — bardzo czuła na statyczne ładunki elektryczne. Zanim przystąpisz do dalszej pracy, zapoznaj się z sekcją „Uziemianie siebie” umieszczoną trochę niżej. W yłącz sw ój zasilacz i podłącz jego przewody w górnej części płytki. Do tego eksperym entu będziemy potrzebować dodatniego i ujemnego napięcia zasilania po obu stronach płytki. Szczegóły znajdziesz na rysunku 4.34. Jeśli Twoja płytka prototypow a nie posiada kolumn oznaczonych kolorami, sugeruję, abyś zrobił to sam, używając niezm yw alnych m arkerów. Unikniesz w ten sposób błędów związanych z polaryzacją, które m ogą doprow adzić do spalenia kom ponentów.

1e [ T

28]

1d \ T

17] 1f

©

1c [ T

^

O-

n

E

ÜD © i 2 -n 1 a

-

~24l 1b

1h [ T 2e \ T 2d \ T

Ig

23] 2f

^

o.

2c \ T

22]

O"

2g

T [| 2a

2h \ T

~2Ó1 2b

3e [ k[

U

© 2

za

©

J t]

3f

3d [T [ 3g D I 3c 3h OT

•

Q-

^ U"

3

~ję1 3a 1 ¡] 3b

Rysunek 4.33. Ta kość firmy Kingbright zawiera trzy wyświetlacze siedmioseg­ mentowe w jednej obudowie i może być sterowana przez trzy połączone kaska­ dowo liczniki dziesiętne 4026. Przy samej obudowie umieszczone zostały numery pinów. Segmenty od a d o g pierwszej cyfry odpowiadają wypro­ wadzeniom od la d o 1g. Segmenty od a d o g drugiej cyfry odpowiadają wypro­ wadzeniom od 2a do 2g. Segmenty od a d o g trzeciej cyfry odpowiadają wyprowadzeniom od 3a do 3g 9V

Po zasileniu dziewięcioma woltami układ 4026 ma moc wystarczającą ledwie do sterowania diodami LED. Upewnij się, iż kość jest skierowana odpowiednim bokiem do góry i w staw ją w płytkę bezpośrednio nad wyświetlaczem siedmioseg­ mentowym. Zostaw jedynie jeden pusty wiersz pomiędzy tymi dwiema częściami. Schem at na rysunku 4.35 pokazuje sposób połączenia wyprow adzeń układu 4026. Strzałki m ówią, które z pinów w yśw ietlacza pow inny być połączone z pinami licznika. Rysunek 4.36 opisuje funkcje pinów układu 4026. Porównaj ten rysunek ze schem atem na rysunku 4.35. Umieść mikroprzełącznik pomiędzy dodatnim napięciem zasilania a pinem numer jeden układu 4026. Dodatkowo podłącz ten pin przez rezystor 10-kiloom ow y do ujemnego napięcia zasilania, aby utrzym ywać niski potencjał wejścia układu do momentu, kiedy naciśnięty zostanie przycisk. Kiedy upewnisz się, że połączenia między dodatnim i ujemnym zasilaniem są prawidłowe, włącz zasilacz. Powinie­ neś odkryć, iż każde naciśnięcie mikroprzełącznika przesuwa licznik do przodu, wyśw ietlając kolejno cyfry od 0 do 9, a następnie powraca z powrotem do zera.

Eksperyment 18: Miernik czasu reakcji

Rysunek 4.34. Budując obwody zawiera­ jące kości układów scalonych, dobrze jest posiadać dodatnie i ujemne napięcie zasi­ lania po obu stronach płytki prototypowej. Ilustracja pokazuje sposób przygotowa­ nia 9-woltowego zasilania z kondensato­ rem wygładzającym 100 ¡j F. Jeżeli Twoja płytka prototypowa nie posiada kolumn oznaczonych kolorami po swojej lewej i prawej stronie, sugeruję, abyś naniósł takie oznaczenia samodzielnie, używając niezmywalnego markera

171

Być może zauważysz również, iż czasem licznik źle interpretuje Twoje naciśnięcia przycisku i przeskakuje o dwie lub trzy cyfry. Tym problemem zajmiemy się później. Diody świecące wyświetlacza nie świecą zbyt jasno, ponieważ sterowane są poprzez rezystory 1 -kiloomowe, które ogra­ niczają moc. Są one niezbędne, aby uniknąć zbytniego obciążenia w yjść licznika.

A

Uziemianie siebie J e ś li nie lu b isz sytuacji, kied y p o w łączeniu zasilania o b w o d u n ic się nie dzieje, p o d e jm ij o dp o w ie d nie ś ro d k i o stro ż­ n o ś c i p rz e d p rzystą pie n ie m do p ra c y ze sta rsz ym i u kła d a m i typ u CM OS (ich n u m e ry c zę ści zaczynają się o d w a rto ś c i 4 0 0 0 w górę, na p rzy kła d 4002, 4 0 2 0 itd.). K o ści są często dystryb uo w a ne z n óżka m i w p ię tym i w czarną piankę przew odzącą p rą d elektryczny. Nie w y jm u j ich sta m tą d do m om en tu , kied y b ędziesz g o to w y do ich użycia. Je żeli otrzym a łe ś k o ś c i zapakow ane w p la stiko w e osłony, m o żesz je z n ich w yjąć i w etknąć w k a w a łki p rzew o dzą ce j p ia n ki lub z w y kłe j fo lii a lum iniow ej. C elem takiego działania je s t uniknięcie naładow ania któ re g o ko lw ie k p in u ładunkiem e le ktryczn ym o znacznie w yższej w a rto ś c i n iż ład u n ek p oz o sta łyc h pinów. Podczas p ra c y z k o ś ć m i typ u CM OS bardzo isto tn e znaczenie m a uziem ienie siebie. P rzy s u c h e j pog o d zie w ystarczy p rze jś ć się w skarpetkach zaw ierających sztuczne w łókna p o p la s tik o w e j m a cie ch ro n ią ce j p od ło gę , a by ze bra ć na so bie ła d u n ek statyczny. M o żesz ku pić specjalną b ransoletkę zapew niającą uziem ienie lub p rz e d d o tk n ię cie m p ły tk i z u kła d e m dotkn ąć d ow o ln e g o dużego obie ktu z m etalu, takiego ja k szafka na dokum enty. Ja m a m zw yczaj p ra co w a ć z je d n ą sto p ą (ubraną je d yn ie w skarpetkę) o partą na m e ta lo w e j szafce, co ca łko w icie rozw iązuje p rob lem . N ig d y n ie lu tu j k o ś c i typ u CMOS, g d y je s t ona zasilana. D o b rym p o m y s łe m je s t u ziem ienie k o ń c ó w k i g rota lutow nicy. N ajlepiej je d n a k w ogóle nie lutow ać ukła d ó w typu CMOS. Kiedy b ędziesz g o to w y do stw orzenia ostatecznej fo rm y p ro ­ jektu, czyli przeniesienia go z p ły tk i p ro to typ o w e j na płytkę p erforow aną, w lu tu j specjalną podstaw kę, a następnie w staw do nie j kość. J e śli w p rzys zło ś ci dojdzie do awarii, będziesz m ó g ł w ym ontow ać u kład sca lo n y ¡za s tą p ić go innym. l/l/ m iejscu , w k tó ry m p racujesz, u żyw aj u zie m ion e j p rzew o dzą ce j p odkładki. N ajtańszym rozw iązaniem będzie zw y­ kła folia a lu m inio w a (spięta za p o m o c ą krokodylka z p rze w o d e m odp ro w a d za ją cym ładunek) uziem iona do kaloryfera, ru rk i lub inn e g o dużego o bie ktu z m etalu. Ja kładę w m ie js c u p ra c y dużą p ła c h tę p ia n k i p rz e w o d z ą c e j— je s t to taki sa m ro dza j pianki, jaka używana je s t d o pakow ania układów. J e s t ona je d n a k d osyć droga.

Rysunek 4.35. US3 je s t liczni­ kiem typu 4026, a US4 p otrój­ nym wyświetlaczem siedm io­ segmentowym. Strzałki infor­ mują o tym, które piny wyświe­ tlacza pow inny zostać podpięte do pinów licznika

'-»4 '->24 27 Output i C Outpt ? c 4 pwrai 3 1Output 3 C '1

IB ~) input 1 /ADC 1 13 □ input 0 i ADC 0 / irifc.un *i ^ Input 7 r luaytuinJ data i i 3 input« /fc*yU4rdchxK J *v nj “1 Output 7 12 -I Output« 11 □ Output S «U 3 Output 4 / Sc sd

PICAXE-28X1

Res« r ULPWUI ADC Q /h a O II ADC 1 / h a l L PIC A XE-18M ADC 2 / to a2 E ii J fivut 1 ADC 1 A 0 C 3 /h a 3 L A C C 2 /li*iu t2 L 1 S«rial in C tr J VputO ' ACC 0 / M ian Sa«*IOul C 2 Serial Out t_ S *« H n C 3 t 3 mput f ! keyboard data OV L 1! ~l ttpul 8 / kAybcwd cfeck Ra m i r * Rnnonutor C 'i 3 +v ov C S R«MMUtU« C i; -I Output 7 Outu! 0 i tntrftcot L a 13- J Output S brnar dk t Out cO / tn 0 C Output. Sti r n □ Output 5 p*m 1 .'Outcl Hn 1 C Outait 2 C 0 r 3 Output 4 hpwiwA/pwm2/Oulc2Mn2C Output 1 / pwm 3 - a spi sck / i2c ad / Out c3 / In 3 C ?

U

u

U H “1 Output 7 J S® J 3 ZJ □ Z3 □ ii J 31 J 23 5 *9 D in □ WJ 16 n II □

S 5 r l 9

*1

Outputs Outputs Output 4 f hp*m D Output J Output 2 t hpwm 0 Output 1 f hp C Output 0 *v av in 7 f Out C7 f hienn ■ kb data inßi'O jteß fh»arout / kb dk ins/O itc5i*p««