User manual

ManualsBrandsFRANZIS VERLAG ManualsScience KitsCourse material Franzis 14 years and over

Experimentální stavebnice

pro elektrotechniky

Obj. č.: 130 09 04

Vážená zákaznice, vážený zákazníku,

velice nás potěšilo, že jste se rozhodla (rozhodl) pro koupi této stavebnice, která Vás nebo Vaše děti zasvětí

do tajů elektrotechniky (elektroniky) polovodičových součástek, svítivých diod (LED), tranzistorů a integrovaných

obvodů 50 různými experimenty (zapojeními).

Pomocí součástek, která tato stavebnice obsahuje, si postavíte světlené a zvukové senzory, detektory reagující

na otřesy, klopné obvody, elektronické blinkry (oscilátory, multivibrátory), zesilovače, signální (zvukové) generátory,

krátkovlnný přijímač a také přijímač včetně vysílače v pásmu velmi krátkých vln.

Pokud budete chtít některé zapojení používat trvale, můžete příslušné součástky na experimentální desce trvale

připájet.

Tento návod k použití je součástí tohoto výrobku. Obsahuje důležité pokyny k provedení různých elektronických

zapojení. Ponechte si proto tento návod k použití, abyste si jej mohli kdykoliv přečíst.

Jestliže tuto stavebnici prodáte nebo ji darujete, předejte kupci nebo darovanému tento návod k použití.

Obsah

Strana

1. Popis součástí a součástek stavebnice ............................................................................................................... 3

Simulační programy ................................................................................................ Chyba! Záložka není definována.

Experimentální zastrkovací deska SYB-46 ................................................................................................................... 3

Baterie (napájení obvodů) ............................................................................................................................................. 4

Svítivé diody (LED) ....................................................................................................................................................... 5

Odpory (rezistory) ......................................................................................................................................................... 5

Kondenzátory ................................................................................................................................................................ 6

Tranzistory .................................................................................................................................................................... 7

Křemíkové usměrňovací diody ...................................................................................................................................... 7

Fotoodpor (fotorezistor) ................................................................................................................................................ 7

Tlačítko (tlačítkový spínač) ........................................................................................................................................... 7

Piezoelektrický generátor zvuku (akustický měnič) ...................................................................................................... 8

Integrované obvody (IO) ............................................................................................................................................... 8

2. Pokusy se svítivými diodami ................................................................................................................................. 8

2.1 Svítivá dioda s předřazeným odporem (svítilna) ..................................................................................................... 8

2.2 Změna barvy ......................................................................................................................................................... 11

V našem případě se bude jednat o hodnotu odporu 470

Ω

, který je součástí této stavebnice. V tomto případě bude

protékat diodou nižší proud, který bude mít hodnotu asi 8,5 mA. V případě potřeby (abyste zvýšili jas diody) můžete

použít jako předřadný odpor dva rezistory 470

Ω

zapojené paralelně. ....................................................................... 11

Tím docílíte hodnoty předřadného odporu 235

Ω

(proud, který bude protékat svítivou diodou bude mít hodnotu asi

17 mA) – viz odstavec „2.8 Zapojení svítivých diod do série“ a obr. 2.18 a 2.19. ....................................................... 11

2.3 Směr toku elektrického proudu svítivou diodou .................................................................................................... 11

2.4 Paralelní zapojení svítivých diod ........................................................................................................................... 12

2.5 Barevné hry se svítivými diodami .......................................................................................................................... 13

2.6 Použití svítivé diody jako kontrolky (světelné signalizace) se spínačem (s tlačítkem) ......................................... 14

2.7 Prahové hodnoty (charakteristiky) svítivých diod .................................................................................................. 14

2.8 Zapojení svítivých diod do série ............................................................................................................................ 16

3. Použití kondenzátorů v zapojeních se svítivými diodami ................................................................................ 17

3.1 Vybíjení kondenzátoru přes svítivou diodu (bleskové světlo) ............................................................................... 17

3.2 Použití svítivé diody jako bleskového světla (pomalé nabíjení kondenzátoru) ..................................................... 18

3.3 Použití dvou svítivých diod jako bleskového světla ............................................................................................... 19

4. Zapojení s tranzistory ........................................................................................................................................... 19

4.1 Tranzistor jako zesilovač (spínač) ......................................................................................................................... 20

4.2 Tranzistor PNP ...................................................................................................................................................... 22

4.3 Elektronická jednosměrná cesta (hradlové vrstvy tranzistoru) ............................................................................. 22

4.4 Tranzistor jako invertor (přepínač) ........................................................................................................................ 23

4.5 Zpožďovací obvod (minutové světlo) .................................................................................................................... 24

4.6 Soumrakový senzor (spínač) ................................................................................................................................ 24

4.7 Dotykové čidlo (senzor reagující na dotyk rukou), Darlingtonovo zapojení .......................................................... 25

4.8 Darlingtonovo zapojení tří tranzistorů (dotykový senzor) ...................................................................................... 26

4.9 Komplementární Darlingtonovo zapojení tranzistorů (dotykový senzor) ............................................................... 27

4.10 Modifikované Darlingtonovo zapojení tří tranzistorů (detektor záporných iontů) ................................................ 27

4.11 Svítivá dioda reagující na světlo (světelné čidlo) ................................................................................................ 28

4.12 Konstantní (neměnný) jas svítivé diody (stabilizace proudu) .............................................................................. 29

4.13 Stabilizátor proudu (napětí) se dvěma tranzistory ............................................................................................... 30

4.14 Čidlo teploty s tranzistory (proudové zrcadlo) ..................................................................................................... 30

5. Nízkofrekvenční zesilovače ................................................................................................................................. 31

5.1 Praskot v reproduktoru.......................................................................................................................................... 31

5.2 Zesilovače zvuku................................................................................................................................................... 33

5.3 Dvoustupňové zesilovače se dvěma tranzistory ................................................................................................... 34

5.4 Zesilovač s dolní pásmovou propustí (rádiové zvuky) .......................................................................................... 35

5.5 Zesilovač se společným kolektorem (s emitorovým sledovačem) ........................................................................ 37

5.6 Dvojčinný zesilovač ............................................................................................................................................... 38

6. Zapojení s klopnými obvody ................................................................................................................................ 38

6.1 Bistabilní klopný obvod (tranzistorový přepínač) ................................................................................................... 38

6.2 Náhradní zapojení tyristoru s tranzistory ............................................................................................................... 39

6.3 Schmittův klopný obvod (soumrakový spínač) ...................................................................................................... 41

6.4 Schmittův klopný obvod se zpětnou vazbou ......................................................................................................... 42

7. Blikače, oscilátory a multivibrátory .................................................................................................................... 42

Summary of content (34 pages)

PAGE 1
Obsah Strana Experimentální stavebnice pro elektrotechniky Obj. č.: 130 09 04 Vážená zákaznice, vážený zákazníku, velice nás potěšilo, že jste se rozhodla (rozhodl) pro koupi této stavebnice, která Vás nebo Vaše děti zasvětí do tajů elektrotechniky (elektroniky) polovodičových součástek, svítivých diod (LED), tranzistorů a integrovaných obvodů 50 různými experimenty (zapojeními).
PAGE 2
7.1 Použití svítivých diod jako přerušovaného světla (blikače) ................................................................................... 43 7.2 Zjednodušené zapojení přerušovaného světla (blikače)....................................................................................... 43 7.3 Tónový generátor s fotoodporem .......................................................................................................................... 45 7.4 Oscilátor řízený velikostí napětí ................
PAGE 3
1,5 V 4,5 V 6V 9 . . . 12 V Schématické značky baterií s různým napětím Svítivé diody (LED) Zkratka LED znamená „Light Emitting Diode“ (dioda emitující [vyzařující] světlo). Tato stavebnice obsahuje jednu červenou LED a jednu zelenou LED. U všech svítivých diod je nutné dodržet při jejich zapojování správnou polaritu jejich vývodů. Kratší vývod minus (–) přestavuje katodu a delší vývod plus (+) představuje anodu.
PAGE 4
kondenzátoru s následnou explozí. Minus kontakt (–) těchto kondenzátorů bývá označen bílým proužkem a jeho vývod je kratší. V této stavebnici se nacházejí dva elektrolytické kondenzátory s kapacitou 100 µF a jeden elektrolytický kondenzátor s kapacitou 22 µF. Obr. 1.11: Tlačítko a jeho schématická značka Obr. 1.7: Elektrolytický kondenzátor a jeho schématická značka Tranzistory Tranzistory jsou elektronické součástky, které zesilují proud.
PAGE 5
Obr. 2.1: Jednoduché zapojení LED s předřadným odporem Horní přípojnici na experimentální desce propojte s plus (+) kontaktem baterie (s červeným kabelem, který vede od konektoru baterie). Dolní přípojnici na experimentální desce propojte s minus (–) kontaktem baterie (s černým kabelem, který vede od konektoru baterie). Tyto kabely zajistěte kouskem izolovaného drátu, aby nemohly při manipulaci s experimentální deskou vypadnout (viz obr. 2.2).
PAGE 6
2.2 Změna barvy Zapojte do obvodu místo červené LED zelenou LED. Na kontaktech zelené svítivé diody naměříte vyšší napětí (2,2 V) než na kontaktech červené svítivé diody (1,8 V). Z tohoto důvodu bude úbytek napětí na předřadném odporu nižší a diodou bude protékat rovněž nižší proud (14,5 mA), přičemž jas zelené svítivé diody bude přibližně stejný jako jas červené svítivé diody. Šipky v zapojení na obrázku 2.7 znázorňují směr toku elektrického proudu svítivou diodou.
PAGE 7
2.6 Použití svítivé diody jako kontrolky (světelné signalizace) se spínačem (s tlačítkem) Postavte si jednouché zapojení svítivé diody s předřazeným tlačítkem a s předřadným odporem. Po stisknutí tohoto tlačítka spojíte dva kontakty, čímž přivedete do diody elektrický proud. Jakmile uvolníte stisknutí tohoto tlačítka, pak pružná síla tohoto tlačítka způsobí rozpojení jeho dvou kontaktů. V zapojení použitá svítivá dioda bude svítit pouze tehdy, podržíte-li toto tlačítko stisknuté.
PAGE 8
Simulační program „Diodenkennlinien“ (Charakteristiky diod) vám ukáže závislost svítivých diod na okolní teplotě. Obr. 2.14: Měření charakteristiky svítivé diody Jak velký proud protéká svítivými diodami při různém napětí? Na obrázku 2.15 jsou zobrazeny změřené charakteristiky červené a zelené LED v názorném společném grafu.
PAGE 9
Přepínač na výše uvedeném zapojení (obr. 3.1) podle své polohy buď nabíjí elektrolytický kondenzátor nebo jej vybíjí přes svítivou diodu. Obr. 2.18: Červená a zelená LED v sérii Obr. 3.2: Osazení experimentální desky (nabíjení a vybíjení kondenzátoru drátovým můstkem) Abyste mohli zapojení podle obr. 3.1 zkonstruovat, použijte místo přepínače se dvěma polohami (kontakty) drátový můstek podle obr. 3.2.
PAGE 10
4.1 Tranzistor jako zesilovač (spínač) Zapojení na obr. 4.1 znázorňuje základní funkci tranzistoru NPN. Každý tranzistor představuje dva proudové okruhy. V řídícím proudovém okruhu protéká malý proud bází tranzistoru, v druhém proudovém okruhu se zátěží (předřadný odpor a svítivá dioda) protéká vyšší proud kolektorem tranzistoru. Oba proudy protékají společně emitorem tranzistoru.
PAGE 11
Ke zjištění maximálního zesilovacího činitele tranzistoru můžete provést zvýšení hodnoty odporu, který zapojíte před bázi tranzistoru. Použijete-li k tomuto účelu odpor 1 MΩ, bude stále červená LED svítit, i když poměrně slaběji. Zapojíte-li do série dva odpory 100 kΩ, získáte odpor 200 kΩ, který tento tranzistor zcela otevře. V tomto případě bude mít tranzistor asi 200-násobné zesílení. V praxi bývá zesílení obráceně zapojeného tranzistoru pěti- až dvacetinásobné.
PAGE 12
Po stisknutí tlačítka začne protékat proud zelenou svítivou diodou a bází tranzistoru. Tranzistor se otevře a vypne napájení červené svítivé diody, kterou nebude protékat téměř žádný proud. Proud bude protékat odporem 1 kΩ, který je zapojen ke kolektoru tranzistoru a k anodě červené svítivé diody. Ve skutečnosti však zůstane mezi emitorem a kolektorem tranzistoru zbytkové napětí asi 80 mV, které je příliš nízké na to, aby se červená svítivá dioda rozsvítila.
PAGE 13
V praxi místo použití odporu s vysokou hodnotou (10 MΩ) můžeme použít takzvaný dotykový kontakt. Z důvodů vysokého zesílení postačí, když se těchto dvou kontaktů (například dvou odizolovaných vodičů) dotkneme lehce suchým prstem. Ochranný odpor 100 kΩ (zařazený do větve dotykových kontaktů) slouží k ochraně tranzistorů pro případ náhodného zkratování dotykového senzoru (obou dotykových kontaktů). Obr. 4.
PAGE 14
4.9 Komplementární Darlingtonovo zapojení tranzistorů (dotykový senzor) Darlingtonovo zapojení dvou tranzistorů představuje jeden tranzistor přibližně s dvojnásobným napětím mezi bází prvního tranzistoru a emitory obou tranzistorů. V mnoha aplikacích může toto znamenat jistou nevýhodu. Tuto nevýhodu lze odstranit modifikovaným Darlingtonovým zapojením se dvěma komplementárními (spárovanými) tranzistory NPN a PNP.
PAGE 15
Budete-li provádět tento pokus při normální intenzitě okolního osvětlení, pak toto osvětlení postačí k tomu, aby se druhá (červená) svítivá dioda rozsvítila. Funkci tohoto zapojení vyzkoušejte zastíněním příslušné diody rukou (zastiňte rukou svítivou diodu, která představuje fotodiodu). Vyzkoušejte toto zapojení s novou (zcela nabitou) baterií a s velmi vybitou baterií 9 V. Pokud bude mít baterie dostatečné zbytkové napětí, bude zelená dioda stále velmi jasně svítit. 4.
PAGE 16
Splnění podmínek, aby měly oba tranzistory naprosto stejné parametry, nelze v praxi zcela uskutečnit. Takováto zapojení jsou osazována integrovanými obvody, které obsahují v jednom čipu mnoho tranzistorů se stejnými parametry. Aby toto zapojení proudového zrcadla fungovalo výše uvedeným způsobem, je třeba, aby měly oba tranzistory stejnou teplotu, protože se jejich charakteristika mění rovněž v závislosti na jejich teplotě. Obr. 5.2: První experiment s piezoelektrickým akustickým měničem Obr. 4.
PAGE 17
5.2 Zesilovače zvuku Každý nízkofrekvenční zesilovač by měl reprodukovat elektrické oscilace (zvuky) s velmi nízkým zkreslením. Z tohoto důvodu by se neměly tranzistory používané v zesilovačích otevírat a uzavírat zcela naplno. To znamená, že proud protékající kolektorem tranzistoru by měl být zvyšován nebo snižován pouze frekvencí zvuku (oscilacemi). Protože většinou neznáme přesnou hodnotu zesilovacího činitele tranzistoru, pak lze s výhodou použít v zapojeních zesilovačů takzvanou zápornou zpětnou vazbu.
PAGE 18
Postavíte-li si takovýto zesilovač (viz obr. 5.8 a 5.9), může se z akustického měniče ozývat praskot. V tomto případě se jedná o takzvané vlastní (zpětnovazební) oscilace, které způsobí, že se takovýto zesilovač nedá používat. Tyto oscilace závisejí na stavu nabití baterie. Frekvence těchto oscilací se mění v závislosti na intenzitě osvětlení fotoodporu. Příčinou těchto nežádoucích vlastních oscilací zesilovače bývá vnitřní odpor baterie.
PAGE 19
přijímat signály s vyššími frekvencemi, má vnitřní odpor Vašeho těla naopak velmi nízkou hodnotu. Z tohoto důvodu zaručuje odpor 1 kΩ na vstupu tohoto zesilovače vyšší podíl přenosu vysokofrekvenčních signálů než síťového brumu 50 Hz, který je tímto způsobem částečně vyfiltrován. I když se Vám bude zdát tento experiment na první pohled jako nesmyslný, odhalí Vám nedostatky techniky výroby nízkofrekvenčních zesilovačů. Pouze ten, kdo zná působení rušivých vlivů, dokáže tyto nedostatky odstranit.
PAGE 20
Teoreticky by mělo toto zapojení náhradního tyristoru fungovat i bez odporu 1 kΩ, který je zapojen mezi bázi a emitor tranzistoru NPN (BC547). Bez použití tohoto odporu by mohly tento obvod náhradního tyristoru „zapálit“ i nepatrné nedostatky izolace. Toto mohou způsobit nízké kapacity hradlových vrstev tranzistorů, kterými protéká malý nabíjecí proud.
PAGE 21
6.3 Schmittův klopný obvod (soumrakový spínač) Schmittův klopný obvod představuje spojovací článek mezi analogovými a digitálními elektronickými obvody. Libovolné vstupní napětí provádí přepnutí do zapnutého stavu a vypnutého stavu (zapíná a vypíná elektrický spotřebič). Jako příklad tohoto zapojení uvádíme soumrakový spínač (přepínač, který zapíná po soumraku osvětlení a při rozbřesku osvětlení opět vypíná).
PAGE 22
7.1 Použití svítivých diod jako přerušovaného světla (blikače) K tomuto účelu použijte následující astabilní klopný obvod, který se sám přepíná. Zde se jedná opět o dva tranzistory v zapojení se společným emitorem. Funkci přepínacích tlačítek v tomto zapojení nahrazují elektrolytické kondenzátory, které se stále nabíjejí a vybíjejí. Tyto kondenzátory vytvářejí zpětnou vazbu.
PAGE 23
7.4 Oscilátor řízený velikostí napětí Na obr. 7.9 vidíte zapojení napěťově řízeného oscilátoru (VCO, Voltage Controlled Oscillator). Oba odpory zapojené před báze obou tranzistorů vytvářejí napěťový vstup. Čím bude toto napětí vyšší, tím se zvýší nabíjecí proud a tím bude i vyšší frekvence (kmitočet) oscilátoru. Nastavitelný napěťový dělič (světlem měnitelný odpor fotorezistoru) dodává na vstup různé napětí, které řídí frekvenci oscilátoru. Toto zapojení bylo provedeno nesymetricky.
PAGE 24
8. Operační zesilovače Operační zesilovače jsou integrované obvody s komplexním zapojením, které se používají k provádění analogových početních operací. Základní početní operaci, kterou tyto operační zesilovače provádějí, představuje násobení. Kromě toho lze operační zesilovače též používat k přesnému sčítání a odčítání. Původně byly tyto operační zesilovače vyvinuty pro analogové počítače (pro předchůdce dnešních počítačů). V současné době se operační zesilovače používají v různých aplikacích.
PAGE 25
Tento výše popsaný diferenciální zesilovač (viz obr. 8.1) je základním prvkem operačních zesilovačů. Integrovaný obvod LM358 je ve skutečnosti složen ze dvou zesilovačů s cca 50 tranzistory. Na vstupu těchto dvou zesilovačů se nacházejí diferenciální (rozdílové) zesilovače, které se podobají výše uvedenému zapojení (viz obr. 8.1). 8.
PAGE 26
napětím. V zesilovači na obr. 8.11 je použit přídavný zpětnovazební kondenzátor v děliči napětí. Pro stejnosměrná napětí platí úplná záporná zpětná vazba a zesílení rovné jedné. Pro střídavá napětí s dostatečně vysokou frekvencí vykazuje toto zapojení jedenáctinásobné zesílení. Obr. 8.8: Operační zesilovač s dvojnásobným zesílením Na výstupu tohoto zesilovače bude tedy dvojnásobné napětí než na jeho vstupu. Toto poznáte podle citlivější reakce zesilovače na intenzitu dopadajícího osvětlení na fotoodpor.
PAGE 27
Se zvyšující se intenzitou okolního osvětlení se zvyšuje frekvence výstupního signálu a snižuje se hystereze komparátoru. Amplituda signálu s trojúhelníkovým průběhem klesá tak dlouho, dokud při vysoké intenzitě okolního osvětlení nezaznamenáte již žádné kolísání jasu zelené svítivé diody. Výstupní frekvenci lze změnit v širokém rozsahu snížením nebo zvýšením kapacity kondenzátoru. Dvojnásobné zvýšení frekvence dosáhnete použitím keramického kondenzátoru s kapacitou 10 nF.
PAGE 28
Obr. 9.3: Tónový generátor (osazení experimentální desky součástkami) 9.2 Blikač s pomalým přerušováním světla Zapojení na obr. 9. 4 zobrazuje jinou variantu zpětné vazby. V tomto zapojení postačí použít pouze jeden odpor 100 kΩ, který zapojíte k výstupu dvojčinného zesilovače (Out, vývod č. 3) a ke kontaktu elektrolytického kondenzátoru s kapacitou 22 µF. Obr. 9.1: Vnitřní zapojení integrovaného obvodu NE555 9.1 Tónový generátor s integrovaným obvodem NE555 Zapojení na obr. 9.
PAGE 29
9.3 Světelná závora Schmittův klopný obvod – viz kapitola „6.3 Schmittův klopný obvod (soumrakový spínač)“ – představuje spojovací článek mezi analogovými a digitálními elektronickými obvody a vytváří jednoznačné stavy sepnutí (zapnutí a vypnutí) v závislosti na úrovni analogového vstupního napětí. Stejnou funkci má také integrovaný obvod NE555. Na obr. 9.6 vidíte zapojení, které reaguje na intenzitu okolního osvětlení.
PAGE 30
10.2 Krátkovlnný přijímač Jak jsme již uvedli v kapitole „5.4 Zesilovač s dolní pásmovou propustí (rádiové zvuky)“, dokáže tranzistorový zesilovač přijímat za určitých podmínek rádiové signály. Zapojení na obr. 10.3 znázorňuje tranzistorový předzesilovač s anténním vstupem, cívkou a s uzemněním, jehož signály jsou dále zesilovány koncovým nízkofrekvenčním zesilovačem, který tvoří operační zesilovač. Obr. 9.11: Detektor lži s prstovými elektrodami 10. Speciální zapojení 10.
PAGE 31
Oba levé v Darlingtonově zapojení se společným kolektorem obracejí fázi o 180 °. Aby byla zajištěna střední velikost stejnosměrného napětí, je tento obvod vybaven silnou zápornou zpětnou vazbou. Napětí na odporu 470 Ω vytváří výstupní napětí asi 1,2 V, které zajišťuje konstantní proud asi 2,5 mA. Tento zdroj kontaktního proudu napájí obě svítivé diody. Tři RC-členy provádějí potřebné posunutí fáze kladnou zpětnou vazbou s frekvencí asi 0,5 Hz. Obr. 10.
PAGE 32
10.5 Rádio VKV (97,0 MHz) Pomocí součástek této stavebnice můžete vyrobit rozhlasový přijímač v pásmu velmi krátkých vln a dále vysílač v pásmu velmi krátkých vln s frekvencí cca 97,0 MHz (viz obr. 10.12). K tomuto účelu se hodí tranzistor BC547, který má mezní kmitočet 100 MHz a který vyhovuje rozhlasovému pásmu VKV. Na obr. 10.11 vidíte standardní zapojení oscilátoru velmi krátkých vln. Jedná se o takzvaný kapacitní tříbodový oscilátor.
PAGE 33
o destilovanou vodu). Ponoříte-li tyto drátky neboli elektrody hlouběji do vody, bude použitá svítivá dioda svítit jasnějším světlem. Takto můžete například zjistit, že byla určitá nádoba naplněna dostatečným množstvím vody (například sud na dešťovou vodu). Přidáte-li do vody trochu kuchyňské soli, zvýše se značně její elektrická vodivost a svítivá dioda začne svítit silněji. Stejný účinek na zvýšení vodivosti vody má například zažívací (jedlá) soda, citrónová šťáva nebo jiné kyseliny (například ocet).
PAGE 34
dioda svítit velmi jasně, při napětí 7 V až 8 V se jas této svítivé diody odpovídajícím způsobem sníží a při napětí 6 V přestane tato dioda svítit – viz obr. 11.9. Recyklace Elektronické a elektrické produkty nesmějí být vhazovány do domovních odpadů. Likviduje odpad na konci doby životnosti přístroje přiměřeně podle platných zákonných ustanovení. Šetřete životní prostředí! Přispějte k jeho ochraně! Záruka Na experimentální stavebnici pro elektrotechniky poskytujeme záruku 24 měsíců. Obr. 11.