Praktyczny_kurs_elektroniki_cz_7.pdf

Na warsztacie

PRAKTYCZNY

KURS

ELEKTRONIKI

cz. 7

Oto siódma część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w numerze lutowym MT

i będziemy kontynuować przez kilkanaście miesięcy. Zainteresowanie tym kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydo-

waliśmy się umożliwić czytelnikom dołączenie do kursu w dowolnym momencie. Po prostu, wszystkie poprzednie

części są dla wszystkich dostępne w formacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Można z nich korzystać w komputerze

lub wydrukować sobie. Można też kupić wszystkie archiwalne numery MT na www.ulubionykiosk.pl. Publikacja każ-

dej kolejnej części jest zawsze poprzedzona jedną stroną wstępnych informacji (jest to właśnie ta strona), żeby nowi

czytelnicy mogli zapoznać się z zasadami KURSU i dołączyć do kursantów. ZAPRASZAMY!

iśmy w numerz

Jeśli nie masz bladego pojęcia o elektronice, ale chętnie

byś poznał jej podstawy, to nadarza Ci się jedyna, niepowta-

rzalna okazja. We współpracy z bratnią redakcją miesięcz-

nika Elektronika dla Wszystkich publikujemy w Młodym

Techniku cykl kilkunastu fascynujących lekcji dla zupełnie

początkujących. Jest to Praktyczny Kurs Elektroniki (PKE)

z akcentem na Praktyczny , gdyż każda Lekcja składa się

z projektu i wykładu z ćwiczeniami , przy czym projekt

to konkretny układ elektroniczny samodzielnie monto-

wany i uruchamiany przez „kursanta”. Pewnie myślisz

sobie – pięknie, ale jak ja mam montować układy nie mając

lutownicy ani żadnych części elektronicznych. Otóż jest

rozwiązanie. Lutownicy nie będziesz w ogóle używać, gdyż

wszystkie układy będą montowane na płytce stykowej ,

do której wkłada się „nóżki” elementów na wcisk.

I rzecz najważniejsza! Wydawnictwo AVT przygo-

towało zestaw EdW 09 , zawierający płytkę stykową

i wszystkie elementy, jakie będą potrzebne do wykonania

kilkunastu projektów zaplanowanych w PKE. Zestaw

EdW 09 można kupić w sklepie internetowym

www.sklep.avt.pl lub w sklepie ﬁ rmowym AVT

(Warszawa, ul. Leszczynowa 11) – cena brutto 47 zł.

Ale Ty nie musisz kupować! Dostaniesz ten zastaw

za darmo , jeśli jesteś prenumeratorem MT lub wykupisz

wkrótce prenumeratę. Wystarczy wysłać na adres:

prenumerata@avt.pl dwa zdania:

„Jestem prenumeratorem MT i zamawiam bezpłatny

zestaw EdW09. Mój numer prenumeraty: ......................”

Jeśli otrzymamy to zamówienie przed 31. sierpnia

2013 roku, to zestaw EdW09 wyślemy Ci w połowie

września wraz z październikowym numerem MT.

Uwaga uczniowie!

Szkoły prenumerujące MT otrzymują Pakiety Szkolne

PS EdW09 , zawierające po 10 zestawów EdW09 (każdy

zestaw EdW09 zawiera komplet elementów z płytką sty-

kową) skalkulowane na zasadach non pro ﬁ t w promocyj-

nej cenie 280 zł brutto za jeden pakiet PS EdW09 (tj. z ra-

batem 40% – 28 zł brutto za pojedynczy zestaw EdW09,

którego cena handlowa wynosi 47 zł). Upewnij się, czy

Twoja szkoła prenumeruje MT (niemal wszystkie szkoły

ponadpodstawowe i wiele podstawowych otrzymują

MT w prenumeracie sponsorowanej przez Ministerstwo

Nauki i Szkolnictwa Wyższego) i przekaż nauczycielom

informację o Praktycznym Kursie Elektroniki z promo-

cyjnymi dostawami Pakietów Szkolnych PS EdW09

do ćwiczeń praktycznych.

Zestaw EdW09 zawiera następujące

elementy (specy ﬁ kacja rodzajowa):

Diody prostownicze

4 szt.

2. Układy scalone

4 szt.

3. Tranzystory

8 szt.

4. Fotorezystor

1 szt.

5. Przekaźnik

1 szt.

6. Kondensatory

22 szt.

7. Mikrofon

1 szt.

Diody LED

11 szt.

9. Przewód

1 m

10. Mikroswitch

2 szt.

11. Piezo z generatorem

1 szt.

12. Rezystory

64 szt.

13. Srebrzanka

1 odcinek

14. Zatrzask do baterii 9V

1 szt.

15. Płytka stykowa prototypowa

840 pól stykowych

1 szt.

Cena zestawu EdW09 – 47 zł brutto

(www.sklep.avt.pl)

Uwaga Szkoły

Tylko dla szkół prenumerujących

Młodego Technika przygotowano

Pakiety Szkolne zawierające

10 zestawów EdW09

(PS EdW09) w promocyjnej

cenie 280 zł brutto,

t.j. z rabatem 40%.

Autorem zaplanowanego na ponad rok Praktycznego

Kursu Elektroniki jest Piotr Górecki , redaktor naczelny

kultowego w świecie hobbystów elektroników miesięcz-

nika Elektronika dla Wszystkich i autor legendarnych cy-

kli artykułów i książek uczących elektroniki od podstaw.

m.technik

m.technik - www.mt.com.pl

PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI

Projekt 7

Tajemniczy sensor

zbliżeniowy

Na fotogra ﬁ i wstępnej przedstawiony jest układ tajemniczego sensora zbliżeniowego . Wyposażony

jest on w izolowaną „antenkę” (niebieski drut z lewej strony). Zbliżenie ręki do tej „antenki” po pierwsze

powoduje zaświecanie niebieskiej diody LED i terkot brzęczyka. Po drugie zaczyna pracować efektowny

wielobarwny wąż świetlny, składający się z pięciu różnokolorowych diod LED.

Układ jest tajemniczy dlatego, że reakcja następuje na odległość – wystarczy samo zbliżenie ręki. Nie

trzeba niczego dotykać. Wykorzystujemy prosty sensor, czyli czujnik pojemnościowy.

Działanie prezentowanego układu możesz obejrzeć na ﬁ lmiku, dostępnym w dwóch wersjach (o różnej

jakości i objętości), w Elportalu pod adresem www.elportal.pl/pke

W trakcie ﬁ lmiku podawane są informacje o warunkach pracy i sposobach zasilania układu. Jak widać,

czułość sensora bardzo się zmienia, zależnie od różnych czynników. Czułość jest najmniejsza przy zasila-

niu z baterii, jednak zależy między innymi od tego, czy w pomieszczeniu są włączone jakieś urządzenia

elektryczne, choćby żarówki. Czułość zdecydowanie wzrasta, jeżeli obwód masy zostanie uziemiony,

czyli dołączony elektrycznie do ziemi za pośrednictwem sieci wodociągowej czy nawet instalacji central-

nego ogrzewania. Zdecydowanie większą, nawet zbyt dużą czułość, układ uzyskuje przy zasilaniu z zasi-

lacza, dołączonego do sieci energetycznej.

Nie zdziw się więc, że gdy zrealizujesz taki układ i zaczniesz go testować, jego czułość zapewne będzie

trochę inna niż w poka-

zanym na ﬁ lmie moim

modelu.

+U ZAS

LED6

10k

UWAGA! W ŻADNYM

WYPADKU nie dołą-

czaj układu wprost

do jakiegokolwiek

punktu sieci energe-

tycznej. W domowej

sieci energetycznej

występuje śmiertelnie

groźne dla życia na-

pięcie 230 V!

„antena” -

izolowany

drut

R X

4017

2 x

BC558

BC548

LED1

masa

1N4148

LED2

LED3

Na warsztacie

Jedynym wyjątkiem jest użycie do zasilania stabilizowanego fabrycznego zasilacza sieciowego, np.

wtyczkowego, o napięciu 7,5...12 V.

Zaskakujące działanie prezentowanego nieskomplikowanego układu oparte jest na prostych, ale słabo

rozumianych zasadach. Dlatego warto potraktować ten i inne opisane dalej układy i ćwiczenia nie tyl-

ko jako ciekawostki, ale jako znakomitą sposobność do praktycznego zapoznania się z zarysami bardzo

ważnego problemu zakłóceń „pojemnościowych”, dotyczącego wszystkich układów elektronicznych,

w szczególności występujących w ulubionych przez hobbystów układach audio.

Wy kład i proponowane ćwiczenia udowadniają, że wbrew potocznym wyobrażeniom, w elektronice

nie ma działania żadnych tajemnych sił nieczystych. Są tylko ścisłe, niepodważalne prawa ﬁ zyki oraz

skomplikowana rzeczywistość, w której czasami trudno ogarnąć wszystkie szczegóły.

Opis układu dla „zaawansowanych”

Schemat tajemniczego sensora jest pokazany na rysunku A . Wejściem jest punkt

X. Tranzystory T1-T3 tworzą „supertranzystor” o ogromnym wzmocnieniu prądo-

wym. Gdy popłynie choćby znikomo maleńki prąd bazy T1, zostanie on wzmoc-

niony. W obwodzie kolektora T1 popłynie taki wzmocniony prąd, a potem zosta-

nie on jeszcze wzmocniony najpierw przez T2, potem przez T3. Wzmocnienie

prądowe takiego „supertranzysotra” może być większe niż milion, więc już zniko-

mo mały prąd bazy T1, rzędu nanoamperów, czyli miliardowych części ampera,

spowoduje zaświecenie niebieskiej diody LED6 i reakcję brzęczyka piezo Y1.

Wcześniejsze informacje o tranzystorach wskazują, iż reakcja taka nastąpi, gdy

w punkcie X pojawi się napięcie dodatnie.

Jak udowadnia umieszczony w Elportalu ﬁ lm, po zbliże-

niu ręki do izolowanej anteny, dioda LED6 będzie migotać,

a brzęczyk Y1 wyda przerywany, terkoczący dźwięk. Przy

zbliżaniu ręki do izolowanej antenki, w punkcie X pojawia

się napięcie, ale nie stale, tylko zmienne, o czym świadczy

terkot i migotanie. Dodatnie połówki tego napięcia zmienne-

go powodują przepływ prądu przez złącze baza-emiter tran-

zystora T1, natomiast ujemne połówki, powodują przepływ

prądu przez diodę D1.

Uwaga! Z uwagi na ogromne wzmocnienie zestawu trzech

tranzystorów i na tzw. prądy zerowe tranzystorów, może się

zdarzyć, że w spoczynku brzęczyk Y1 będzie wydawał cichy

ciągły dźwięk, a dioda LED6 będzie się leciutko świecić.

Gdyby się tak zdarzyło, należy dołączyć rezystor o jak naj-

większej wartości (10 M V lub mniej) między emiter tranzy-

stora T3 i bazę tranzystora T3 albo T2 - na rysunku A jest to

narysowany szarym kolorem rezystor Rx.

W związku z przerywaną pracą, na emiterze T3, czyli

w punkcie P występuje przebieg pulsujący, który powodu-

je migotanie diody LED6 i terkot brzęczyka. Ten przebieg

pulsujący jest podany na wejście układu scalonego U1 typu

CMOS4017. Dodatkowy rezystor R2 podciąga napięcie w punkcie P, gdy tranzystory są zatkane (bez nie-

go „stan wysoki” ograniczałoby napięcie przewodzenia diody LED6). Układ 4017 to licznik, zliczający od

0 do 9. Ma on 10 wyjść, z których wykorzystujemy 5, dołączając do nich różnokolorowe diody LED1...

LED5. Gdy w punkcie P pojawi się pulsujący przebieg (zmiany napięcia), licznik zaczyna liczyć. Każdy

impuls w punkcie P powoduje zwiększenie stanu licznika i stan wysoki pojawia się na kolejnym z jego

dziesięciu wyjść. Stany wysokie, pojawiające się na pięciu wykorzystanych wyjściach powodują zaświe-

canie linijki LED1...LED5, dając efekt „płynącej fali”.

Montując układ na płytce stykowej zwróć uwagę na sposób wygięcia nóżek i włożenia w płytkę tranzy-

storów, a zwłaszcza tranzystora T1 (BC548), co jest pokazane na fotogra ﬁ i B .

W tym układzie po raz pierwszy wykorzystujesz układ scalony w obudowie zwanej DIL (dual-in-line).

Zapamiętaj raz na zawsze, że w tego typu obudowach numeracja nóżek jest standardowa: patrząc na

obudowę od góry tak, żeby napisy – oznaczenia były normalnie czytelne, z lewej strony zawsze masz

znak szczególny – wycięcie. I zawsze nóżka nr 1 jest przy tym wycięciu z lewej strony na dole. Ilustruje

to rysunek C .

Uwaga! Przed realizacją projektu tytułowego, najpierw starannie zapoznaj się z zamieszczonym dalej

wykładem.

m.technik

m.technik - www.mt.com.pl

PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI

Wykład z ćwiczeniami 7

Poznajemy elementy i układy elektroniczne

W tym wykładzie zajmiemy się przebiegami zmiennymi, zaczynając nietypowo od problemu zakłóceń.

Proponowane ćwiczenia pozwolą zapoznać się z tym ogromnie ważnymi, a bardzo słabo rozumianymi

problemami zewnętrznych zakłóceń, przedostających się do układów elektronicznych z zewnątrz.

Sensor dotykowy . Możesz zbudować układ według rysunku 1a . Gdy będziesz montować go na płytce

stykowej, z co najmniej dwóch względów zwróć uwagę na dołączenie nóżek tranzystora T1, jak pokazuje

wcześniejsza fotogra ﬁ a B. Gdy w układzie z rys. 1 jednocześnie dotkniesz jednym palcem do punktu X,

drugim do punktu Y, dioda LED zaświeci się ciągłym światłem i głośno odezwie się brzęczyk Y1. Nasza

skóra ma jakąś (zwykle dużą) rezystancję, więc dotykajc palcami punkty X, Y włączamy między te punk-

ty rezystor. Tranzystor T1 wzmacnia maleńki prąd płynący przez rezystancję naszego ciała, T2 wzmacnia

prąd tranzystora T1, a T3 wzmacnia prąd T2. Diody LED na pewno nie zaświeci jednoczesne dotkniecie

punktów X i Z, czyli włączenie rezystancji ciała między te punkty.

Przy okazji: połączenie według rysunków 1b to tak zwany układ Darlingtona , a według rysunku 1c

– układ Sziklai’ego . Wzmocnienie prądowe (b=I C /I B ) jest równe iloczynowi wzmocnień obu tranzysto-

rów (b=b 1 *b 2 ),

w praktyce

1500...500000

razy. Zwróć

też uwagę na

wartości U BE ,

niezbędne do ich

otwarcia.

My w układzie

tytułowym i na

rysunku 1a rea-

lizujemy bardzo

czuły sensor, łą-

cząc trzy tranzy-

story: pojedynczy

npn T1 i układ

Darlingtona

T2+T3. Możesz

też wykorzystać

inne kombinacje trzech tranzystorów, w tym wersję z rysunku 1d - „potrójnego darlingtona”, ale do ot-

warcia takiego „potrójnego darlingtona” potrzebne jest napięcie U BE o potrójnej wielkości (około 1,5 V).

Na fotogra ﬁ i 2 pokazany jest układ w wersji z rysunku 1a. Tranzystory BC548B i BC558B typowo mają

wzmocnienie prądowe około 300 lub trochę więcej, więc teoretycznie uzyskujemy „supertranzystor”

o niebotycznej wartości wzmocnienia prądowego, rzędu 27 milionów. W praktyce bardzo dużo, ale nie

aż tyle, z uwagi na zmniejszone wzmocnienie prądowe tranzystora T1 przy maleńkich prądach. Ponadto

tranzystory T2, T3 będą wzmacniać tak zwany

prąd zerowy kolektora tranzystora T1, w kata-

logach oznaczany I CE0 , o wartości rzędu nano-

amperów. W zależności od wielkości prądu I CE0

oraz wzmocnienia T2, T3 może się zdarzyć, że

w układzie z rysunku 1a w spoczynku i brzę-

czyk i dioda LED będą leciutko pracować. Aby

w takim przypadku tranzystor T3 w spoczynku

nie przewodził, należy go „znieczulić”, by małe

prądy bazy go nie otwierały. Zapewnia to rezy-

stor włączony między emiterem a bazą. Można

go włączyć jako R A między bazę i emiter T3,

albo między bazę T2 i emiter T3 jako R B – ma-

lutkie prądy płyną wyłącznie przez taki rezy-

stor, a prąd bazy jest równy zeru, dopóki spadek

napięcia (U=I*R) jest mniejszy od napięcia

npn

+U ZAS

LED

niebieska

pnp

R B

npn

R A

pnp

I CE0

2 x

BC558

BC548

10M :

10nF

(103)

npn

Na warsztacie

progowego U BE .

Przebadałem w ten sposób kilkanaście tranzystorów

i tylko w jednym przypadku potrzebny był rezystor

„znieczulający” – wystarczył R B o wartości 10 MV.

W takim czujniku wszystko jest jasne – do zadziałania

wykorzystujemy rezystancję naszego ciała włączaną

między punkty X, Y. Mniej jasne jest zachowanie nieco

zmody ﬁ kowanych wersji układu...

Na początek usuń rezystor R1=10 MV. Gdy na chwilę

dotkniesz palcami punktów X, Y, włączysz diodę LED

i brzęczyk na długi czas. Naładujesz C1 o maleńkiej po-

jemności 10 nF i potem będzie się on zaskakująco długo

rozładowywał znikomym prądem bazy T1. Świadczy to,

że do zadziałania układu wystarczy znikomo mały prąd

bazy T1.

A teraz włóż R1=10 MV, a za to usuń C1. Dotknij

tylko punktu X, nie dotykając ani punktu Y ani Z.

Najprawdopodobniej zaobserwujesz coś zaskakują-

cego – dotknięcie tylko jednego punktu spowoduje

reakcję układu. Gdybyś zmniejszył wartość R1,

zmniejszysz tym czułość układu. Zbadajmy to do-

kładniej, bo to bardzo ważne zagadnienie.

Sensor pojemnościowy - zbliżeniowy .

Zmody ﬁ kuj układ według rysunku 3 , nie zapo-

minając o zamontowaniu tranzystora T1 według

fotogra ﬁ i B (chodzi m.in. o to, żeby obwód bazy nie

sąsiadował bezpośrednio z kolektorem). Rezystor

R1 zastępujemy diodą D1 włączoną „odwrotnie”.

W razie potrzeby dobierz jak największy rezystor

R X , żeby w spoczynku brzęczyk nie wydawał cią-

głego pisku. Najpierw dołącz do punktu X „an-

tenkę” w postaci kawałeczka drutu BEZ izolacji .

Nie dotykaj do punktu Y, ani do punktu Z, ani

do żadnego innego punktu w układzie, a jedynie

dotknij palcem do punktu X. Najprawdopodobniej

zacznie migotać dioda LED1, a brzęczyk Y1 wyda

nie ciągły dźwięk, tylko terkot.

Następnie wymień „antenkę”: zastosuj kawałek

drutu w izolacji – jak na fotogra ﬁ i 4 . Nie dotykaj innych punktów układu, tylko ściśnij dwoma palcami

taką izolowaną „antenkę” – brzęczyk też powinien wydać terkot, a prawdopodobnie zaświeci się także

dioda LED. Czułość będzie jednak zależna od różnych czynników.

Takie eksperymenty i zamieszczony w Elportalu ﬁ lm nie tylko dziwią, ale na pozór podważają podsta-

wowe zasady elektroniki. Po pierwsze dziwimy się, dlaczego tranzystory zostają otwarte po dotknięciu,

a nawet tylko przy zbliżeniu ręki do „antenki”? Z wcześniej zdobytych informacji zdaje się wynikać, że

przez kondensator nie może płynąć prąd. Teraz wszystko wskazuje, że przez kondensator C1 prąd jednak

płynie i to ten prąd otwiera tranzystor T1.

Pod drugie, powszechnie wiadomo, choćby ze szkolnych zajęć ﬁ zyki, że prąd elektryczny zawsze pły-

nie w zamkniętych obwodach, pętlach, jak ilustruje to rysunek 5 . Tymczasem jak mówić o przepływie

prądu w zamkniętej pętli, gdy jeden palec dotyka lub tylko zbliża się do punktu X? Nie widać tu żadnej

„drogi powrotnej” dla prądu.

Być może sądzisz, że nasza antena i układ reagują na fale radiowe. Nie w tym przypadku – odebrane

fale radiowe dają bardzo maleńkie napięcia, rzędu mikrowoltów, najwyżej pojedynczych miliwoltów.

Może też przypomnisz sobie o napięciach wytwarzanych przez ludzkie ciało, o badaniach EKG i EEG

i o bioprądach. Też nie tędy droga – to też byłyby napięcia rzędu miliwoltów. A przecież my mamy na

wejściu tranzystor T1, a jak wiemy, do jego otwarcia potrzebne jest napięcie U BE około 600...700 mV

(0,6...0,7 V). W tym przypadku wystarczy znikomo mały prąd bazy, który popłynie już przy napięciu

rzędu 0,5 V, a może nawet troszkę mniej. W każdym razie do otwarcia tranzystorów T1...T3 potrzebne

jest dodatnie napięcie w punkcie X o wielkości około +0,5 V względem masy i oczywiście „dodatni” prąd

bazy, płynący od punktu X przez kondensator C1 i złącze baza-emiter T1.

+U ZAS

R X *

10nF

2 x

BC558

BC548

1N4148

obwód

SU]HSá\ZX

SUąGX

obwód

SU]HSá\ZX

SUąGX

SUąGSá\QLHSU]H]

REZyGPDV\

m.technik

m.technik - www.mt.com.pl

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: