SLO - NAVODILO ZA NAMESTITEV IN UPORABO Št. izd. : BUSCH EKSPERIMENTI ELECTRONIC 4000 Št. izdelka:

Transkripcija

1 SLO - NAVODILO ZA NAMESTITEV IN UPORABO Št. izd. : BUSCH EKSPERIMENTI ELECTRONIC 4000 Št. izdelka:

2 KAZALO Pred začetkom eksperimentiranja nujno upoštevajte!...4 Mi pričnemo!...4 Mi naredimo tokokrog...5 Zakaj LED sveti?...5 Načrt izgradnje in vezalni načrt...5 Upor je obrnjen na glavo...8 Svetilna dioda bo obrnjena...9 Svetilna dioda in upor bosta zamenjana...11 Veliki in majhni upori...12 Kaj točno je tok?...13 V žici se premikajo majhni elektroni...15 Kako nastane napetost?...15 Fizikalna in tehnična smer toka...16 Lahko tok teče tudi v vodi?...17 Upor...18 Svetilna dioda bo zatemnjena...18 Ohmov zakon...19 Sedaj bo elektronsko: tranzistor...21 Tranzistorski tester...24 Tranzistor kot regulator napetosti in ojačevalnik toka...25 Kako lahko s pritiskom na tipko prekinemo tokokrog...26 Protivlomna alarmna naprava...28 Kontakt vrat...28 Dvotranzistorska tipka...29 Optična naprava za opozorilo na dež...31 Indikator ravni vode...32 Blum-o-mat...32 Senzorska tipka kot stikalo izklopa...33 Prevodnik neprevodnik polprevodnik...35 Javljalnik vloma...35 Alarmna naprava z»lovilno potjo«...38 Elektronsko pomnilniško vezje: bistabilna stopnja preklopa...40 Sproženje...42 Osnovna vezja tranzistorja...44 Samodejno počasno preklapljanje svetlo-temno...48 Kaj povzroča kondenzator?...50 Polnjenje in praznjenje kondenzatorjev...52»notranje življenje«kondenzatorja...54»zakasnjena«senzorska tipka...55 Svetlobni avtomat za stopnišča...57 Ura za kviz (časomer)...58 Tester baterij...59 Samodejno časovno stikalo...61 Vezje zakasnitve (zakasnjen vklop)...63 Utripa nestabilna stopnja preklopa...65 Alarmna naprava z vezjem utripanja (utripajočimi lučmi)...68 Vezje utripajočih luči z nastavljivo frekvenco utripanja...69 Elektronski zatemnilnik...71 Vezje utripajočih luči z brezstopenjsko nastavljivo frekvenco utripanja...73 Daljinsko upravljan elektronski rele

3 Javljalnik požara opozorilo na poledico...76 Zaporedna vezava vzporedna vezava...79 Vezja iz računalniške in digitalne tehnike...81 Kaj je digitalno?...82 Razsmernik...84 Kaj se zgodi, ko bosta dva razsmernika zaporedno vezana?...85 IN povezava...86 Kaj je IC?...87 ALI povezava...88 NE-IN povezava...89 NE-ALI povezava...90 Pomnilniško vezje računalniški pomnilnik

4 Pred začetkom eksperimentiranja nujno upoštevajte! Eksperimentirajte samo s predvideno 9V baterijo ali BUSCH napajalnikom V nobenem primeru ne vzpostavite priklopov z vtičnico! To bi bilo življenjsko nevarno! Nekateri gradbeni deli, kot so tranzistorji, diode, elektrolitski kondenzatorji, itd. so lahko pri napačni izgradnji vezja uničeni. Zaradi tega je potrebno»občutljive dele«namestiti na rdeče elemente. Pri eksperimentiranju z rdečimi elementi izgradnje pred priključitvijo baterije točno preverite. Upoštevati morate tudi znak (+) in (-). Na preizkusni plošči nataknjenih elementov nikoli ne potegnite ven za električne elemente vedno primite plastično telo oziroma uporabite»pripomoček za dvigovanje elementov«. Vezalne načrte vestno izdelajte in navodila upoštevajte. Če nimate znanj, potem ne izvajajte lastnih eksperimentov. Vedno uporabljajte najbolj kratke možne žice. Dolžine žic so označene z različnimi barvami. Baterija bo načeloma priključena kot zadnji element. Vzpostavljene povezave obkljukajte na slikah, da ugotovite eventualne manjkajoče žice. Za razumevanje funkcij elektronskih delov se priporoča, da poskuse izvedete v zaporedju navedenem v navodilih. Kdor pa želi na začetku več eksperimentirati in manj brati, lahko vezja naredi tudi brez znanja, če bo načrte izgradnje točno upošteval. Vsi elektronski elementi imajo v embalaži njihovo posebno mesto hranjenja. Če boste elemente po eksperimentih zložili nazaj v embalažo, je za nadaljnja vezja zagotovljena hitra najdba. Za preprečitev napak pri vezavi, točno upoštevajte razlike oznak. Primer: 100Ω upor je nekaj popolnoma drugega kot upor označen z 100KΩ. Nenavadna elektrika Čeprav elektrika ni vidna in je ne zaznamo z našimi čutili, nas učinki elektrike spremljajo dnevno in skoraj povsod. Ljudje lahko uporabijo elektriko, ko poznajo zakone, katerim sledi elektrika. BUSCH eksperimentni sistemi prikazujejo in razlagajo te zakone s številnimi poskusi. Z znanjem, kako elektrika reagira na določene vzroke, jo lahko zlahka obvladujete. Zaradi tega morate upoštevati pogoje, pod katerimi naredi elektrika točno tisto, kar je bilo pripravljeno za eksperimente. Če bo potrebna elektrika (torej tok) odvzeta bateriji, ni nevarna. Vendar pa nikoli ne smejo biti vzpostavljene povezave narejenih vezij z vtičnico. Ali lahko elektriko občutimo? Baterija ima dve priključni točki (imenovani tudi kot priključna pola). Pri dotiku obeh polov ne boste ničesar občutili. Če pa se boste obeh točk dotaknili z jezikom, lahko sedaj občutite tekoč, zelo majhen tok. Z nizko napetostjo baterije nastane na konici jezika ščemeč občutek. Mi pričnemo! 4

5 Za sledeče eksperimente potrebujemo električni tok kot energijo. Vendar pa elektronska vezja ne delujejo z vsakim poljubnim tokom. Vi potrebujete enosmerni tok točno določene veličine. Potrebni enosmerni tok da 9V baterija. Baterija bo vstavljena v držalo elementa. S pritiskom priključne sponke na baterijo, bo vzpostavljen kontakt k priključkom (+) in (-) na elementu (glejte sliko 1). Če boste pogosto in dolgo eksperimentirali je priporočljivo, da nabavite BUSCH napajalnik Napajalnik pretvori (nevaren) 220V izmenični tok iz vtičnice v nenevaren 9V tok za eksperimente. Mi naredimo tokokrog Elemente ustrezno s sliko 1 nataknite na predvidena mesta preizkusne plošče. Pri sistemov eksperimentov bo kot preizkusna plošča uporabljen karton z ustreznimi štancami (v embalaži). Pri večjih BUSCH eksperimentalnih sistemih je na voljo posebna plastična preizkusna plošča. Za vzpostavitev povezav je potrebno uporabiti izolirane žice različnih dolžin (vsaka dolžina ima drugo barvo). Gole konce žic vtaknite v ustrezne priključke elementov in bodo trdno držane z natisnjenim plastičnim vtičem. Vedno uporabite najkrajšo možno žico. Slika 1 Ko so vse povezave pravilno izvedene in je baterija priključena na elementu, bo pri pritisku na tipko svetilna dioda zasvetila rdeče. Ko boste spustili tipko, se bo svetilna dioda ugasnila. S tem vezjem je dan zelo preprost tokokrog, kot je poznan pri vsaki žepni svetilki. Vendar pa je ta primer idealno primeren za razlago postopkov v elektronskem tokokrogu. Če bo med seboj povezanih več elektronskih elementov, nastane elektronsko vezje. Da takšno vezje deluje, mora teči tok. Tok pride z baterije in teče skozi povezovalne žice preko priključenih elementov nazaj k bateriji. Dokler ne boste pritisnili na tipko, logično tok ne more teči, ker je povezava prekinjena. Pri pritisnjeni tipki teče tok z baterije preko tipke k svetilni diodi in preko upora nazaj k bateriji. Tok teče v krogu in pravimo, da je tokokrog zaprt. Zakaj LED sveti? Svetilna dioda (LED angleško Light Emmiting Diode) bo zaradi toka električnega toka pričela svetiti. Vendar v vezju prisoten upor pusti teči samo zelo majhen tok. Brez upora bi bil tok prevelik LED bi bila zaradi prevelikega toka uničena. Svetilne diode sodijo k modernim elektronskim elementom. Te so iznašli kasneje kot že znane žarnice. V primerjavi z običajnimi žarnici potrebujejo LED zelo malo toka. To je zanimivo predvsem pri obratovanju z baterijami, ker logično baterija zdrži dlje časa. Svetilne diode nimajo žarilnih nitk. Te bodo zasvetile zaradi posebnih fizikalnih značilnosti. S tem je za svetilne diode podana skoraj neomejena življenjska doba. Zapomnite si: Tok teče samo v zaprtem tokokrogu! LED nikoli ne uporabite brez upora! Načrt izgradnje in vezalni načrt 5

6 Prvo preprosto vezje je bilo prikazano na sliki 1. Zahtevna vezja, ki so podana pri sledečih eksperimentih, bi bila na ta način nepregledna. Zaradi tega so uporabljeni tako imenovani vezalni načrti, na katerih so posamezni elementi označeni z internacionalno znanimi znaki vezave. Baterija LED Tipka Upor Slika 2 6

7 Slika 3 Dodatno poleg vezalnih načrtov bo pri sledečih eksperimentih prikazan načrt izgradnje (slika 2). Ta poleg simbolov vezave prikazuje tudi pravilno razporeditev elektronskih gradbenih delov. Vezalni načrt (slika 3) prikazuje povezovalne linije za žice in simbole elementov. Pri zahtevnejših vezjih se ne da izogniti temu, da se žice ne bodo križale. Ko so te, kot je označeno na sliki 4 (leva stran), ni električne povezave. Če bo pri prekrižanih žicah dana električna točka, bo to označeno z debelo piko (slika 4 desno). Slika 4 Slika 6 7

8 Upor je obrnjen na glavo Poskus bo narejen ustrezno s sliko 5. Pri pritisku na tipko zasveti LED. Primerjava z poskusno izdelavo prejšnjega eksperimenta po načrtu izgradnje 2 prikazuje, da je bil upor obrnjen za 180 o. Za električni tok se s tem ni nič spremenilo tok teče tako kot prejšnjem poskusu skozi tokokrog in povzroči svetenje LED. Slika 5 8

9 Svetilna dioda bo obrnjena Poskus bo spremenjen ustrezno s sliko 7. Če boste sedaj pritisnili na tipko, bo LED ostala temna! Čeprav ste pritisnili na tipko, tokokrog načeloma ni zaprt? Primerjava s prejšnjim poskusom prikazuje, da je bila sedaj svetilna dioda obrnjena za 180 o. S tem eksperimentom bo razložena načelna lastnost svetilne diode: LED pusti teči tok samo v smeri puščice. Če bo LED vgrajena v vezje glede na napačno polarnost, blokira tokokrog in ne sveti. Mi rečemo, da je LED vezana v zaporni smeri. Slika 7 Ker imata oba priključka LED očitno različne funkcije, bosta ta tudi različno označena. Priključek k prečni črti bo imenovan katoda, priključek k puščici bo anoda. Ta opisa sta odvzeta s prejšnje cevne tehnike. Anoda Katoda 9

10 Medtem, ko je pri svetlobni diodi in pri bateriji potrebno upoštevati polarnost, lahko upor uporabite glede na poljubno polarnost. Upori in vsi drugi nameščeni beli elementi so tako imenovani»bipolarni elementi«, t.j. pri priključitvi ni potrebno paziti na polarnost. Pri na rdečih delih nameščenih elementih je nujno potrebna priključitev glede na pravilno polarnost! Slika 8 Slika 10 10

11 Svetilna dioda in upor bosta zamenjana Pri obratovanju poskusa po sliki 9, LED normalno sveti. Pri primerjavi poskusne izgradnje z prvim tokokrogom (slika 2) ugotovimo, da sta svetilna dioda in upor med seboj zamenjana. Za tok ne igra vloge, v katerem zaporedju mora teči skozi različne elemente. Zamenjate lahko tudi baterijo s tipko ali tipko z uporom brez, da bi se kaj spremenilo (LED sveti pri pritisku na tipko). Slika 9 11

12 Veliki in majhni upori Proti toku namestimo večji upor V poskusu po načrtu izgradnje 11 bo do sedaj uporabljen upor zamenjan z uporom z oznako 1KΩ. Znak Ω je uporabljen za Ohm, z katerim je označena veličina upora. Vrednost je na uporu prikaza z barvnimi obročki. Upori so internacionalno označeni z R (angleško: Resistor). Vrednost upora bo navedena na vezalnem načrtu ali poleg simbola upora. Na vezalnih načrtih brez oznake vrednosti bodo upori oštevilčeni (npr. R1, R2, itd.) in vrednosti bodo navedene v tabeli. Slika 11 Pomembno je, da v vezju predvidene vrednosti uporov točno upoštevate in da npr. 470Ω ne zamenjate z 470KΩ (K = kilo in pomeni 1000, 470KΩ = Ω). Nazaj k pripravljeni izgradnji vezja: Če bo s pritiskom na tipko tokokrog zaprt, LED sveti. V primerjavi s prejšnjimi poskusi razlika v svetilnosti skoraj ni opazna. 12

13 Namesto 1KΩ upora bo sedaj v vezje vgrajen 2,2KΩ upor. Pri ponovnem pritisku na tipko sveti LED manj kot pri predhodnih poskusih. Večja vrednost upora pusti teči samo še zelo nizek tok. S svetilno diodo proizvedena svetloba bo manjša (svetilnost se zmanjša). Sedaj bo v vezje namesto 2,2KΩ upora vgrajen 10KΩ upor. Pri pritisku na tipko lahko ugotovite močen padec svetilnosti. Če bo 10KΩ upor zamenjan z 47KΩ uporom je svetenje LED še komaj vidno. Pri uporabi 100KΩ upora, pri normalni dnevni svetlobi svetenje ni več vidno. V popolnoma zatemnjenem prostoru pa lahko še vedno prepoznate šibko svetenje svetilne diode. Na tem mestu še enkrat pazite na to, da lahko svetilna dioda obratuje samo v povezavi z uporom. Brez upora bi LED zaradi zelo velikega toka svetila tako močno, da bi se zaradi notranjega segretja samodejna uničila. To uničenje je izvedeno tako hitro, da je vidna samo kratek blisk. Zaradi tega, tega poskusa ne izvedite v praksi! Zapomnite si: Upor v tokokrogu ovira tok. Tem večja kot je vrednost upora, tem manjši bo tok! Kaj točno je tok? Za razumevanje sledečih vezij je pomembno, da boste sledeče izvedbe prebrali in razumeli. Pri uvodnih eksperimentih je bilo govora o»tekočem toku«in»tokokrogu«. Ker električnega toka (elektrike) ne moremo videti, so prikazane različne povezave za boljše razumevanje z znanim in vidnim elementom vodo. Podobno kot teče voda po ceveh, teče tudi električni tok po povezovalnih kablih. Tem bolj kot so cevi debele, tem več vode lahko teče. Isto velja tudi za električni tok. Voda v vodovodni napeljavi pa teče samo takrat, ko bo premaknjena s pritiskom (npr. črpalko). Slika 13 Medtem, ko voda ne potrebuje nujno kroženja vode, temveč lahko tudi steče, je za tekoč tok potreben»tokokrog«. Zaradi tega primerjajte razmere v električnem tokokrogu z»zaprtim kroženjem vode«(glejte sliko 13). 13

14 V steklenem cilindru je prisoten premični bat. Bat razdeli cilinder v zgornji in spodnji prekat. Oba prekata sta vključno z cevjo napolnjena z vodo. Za povzročitev kroženja vode, je potreben pritisk. S težo bo bat premaknjen navzdol, z čimer nastane preko cevi kroženje vode od spodnjega k zgornjem prekatu bata. Kar povzroči teža steklenega cilindra pri kroženju vode, povzroči baterija v električnem tokokrogu. Vodni tlak je primerljiv z električno napetostjo. Napetost bo merjena v voltih (V). Napetost bo proizvedena ali z baterijo ali z generatorji v elektrarni. Da električna napetost povzroči električni tok, mora biti tokokrog zaprt. Veličina tekočega toka bo merjena v amperih (A). Če bi oba z (+) in (-) označena priključna pola 9V baterije med seboj povezali z žico (tokokrog bo zaprt), povzroči napetost električen pretok toka. Vendar pa bi med obema poloma baterije tekel tako velik tok, ki bi baterijo hitro izpraznil. Zaradi tega, tega poskusa v nobenem primeru ne izvedite! Slika 14 Še enkrat h kroženju vode. Če bi cev stisnili z kleščami, bi kljub vodnem tlaku prišlo do ustavitve. Podobno deluje tipka v električnem vezju. Pri pritisnjeni tipki (zaprt tokokrog) sta oba priključna pola 9V baterije med seboj povezana, z čimer je možen tok električnega toka. Pri odprti (nepritisnjeni) tipki je tokokrog prekinjen. Na sliki 14 je bila v cev vstavljena zožitev. Sedaj je razumljivo, da bo pri kroženju vode (pri istem pritisku) teklo manj vode. Ta zožitev je primerljiva z uporom v tokokrogu, kateri skrbi za to, da teče manjša količina toka. Zelo dolga cev močno zavira vodni tok. Potreben bo večji pritisk, da bo teklo zadosti vode. Podobno se obnaša zelo dolg kabel pri električnem tokokrogu. Približno 10 km dolg kabel (s presekom kot so žice našega izdelka) ovirajo tok v približno istem načinu kot 1KΩ upor. Če bo npr. pri prijatelju na oddaljenosti 5 km instalirana LED (z kablom v obeh smereh) nastane med plus in minus polom baterije 10 km dolg tokokrog. S pritiskom na tipko lahko prijatelju s pomočjo Morsejeve abecede nekaj sporočimo. Pri oddaljenosti 500 km (to poda naprej in nazaj dolžino kabla 1000 km), bi instalirana LED še komaj svetila. Ta dolg kabel ima isti učinek kot 100KΩ upor. Sedaj bo naš problem primer za elektroniko. Zapomnite si: Napetost bo merjena v voltih (V). Jakost toka merimo v amperih (A). Kabli imajo isti učinek kot upori! 14

15 V žici se premikajo majhni elektroni Kroženje vode v ceveh je znano. Kaj pa teče v električnem kablu? Lahko z bakreno žico kaj premaknemo? Če bi bakreno žico zelo močno povečali bi lahko ugotovili, da dozdevno trdna žica ni tako stabilna, kot bi lahko domnevali. Ta je sestavljena iz milijon najmanjših delcev: iz majhnih atomov (glejte sliko 15). Če bi lahko te atome prav tako močno povečano opazovali, bi ugotovili, da je atom sestavljen iz jedra (atomsko jedro) in veliko okoli njega migajočih majhnih delcev. Ti majhni delci se imenujejo elektroni. Ti krožijo okoli atomskega jedra, podobno kot luna (ali sateliti) okoli Zemlje. Elektroni so tisti, ki se bodo v bakreni žici pri prisotni napetosti premikali. K vsakem atomskem jedru sodi določeno število elektronov. Tudi na vsakem mestu bakrene žice je prisotna določena količina elektronov. V eni žici se lahko premika naprej samo toliko elektronov, kot jih istočasno na drugem mestu na novo pride. Pri primerjavi kroženja vode z električnim tokokrogom je potrebno upoštevati, da lahko voda na koncu cevi steče ven, medtem ko elektroni pod normalnimi pogoji ne morejo steči ven. Slika 15 Kako nastane napetost? Elektroni so negativno nabiti delci. V bateriji bo (z elektro-kemičnimi postopki) na enem priključnem polu nastal presežek elektronov, na drugem priključnem polu pa pomanjkanje elektronov. Logično je, da je priključni pol s presežkom elektronom negativ v primerjavi s priključnim polom s pomanjkanjem elektronov. Elektroni imajo potrebo, da se izravnajo tako, da je na obeh priključnih polih točno enaka količina elektronov. Če bosta oba pola baterije povezana z kablom, se lahko elektroniko preko tega kabla porazdelijo. Tok teče. Ta postopek deluje tako dolgo, dokler presežek in pomanjkanje elektronov ni izenačeno. Z nato manjkajočo»napetostjo«ni več možno nadaljnje premikanje elektronov. Pravimo:»baterija je prazna«. 15

16 Fizikalna in tehnična smer toka Priključna točka baterije s presežkom elektronov je imenovana minus pol. Druga priključna točka s pomanjkanjem elektronov je imenovana plus pol. Če bosta oba priključna pola povezana, potem bo izvedena opisana porazdelitev elektronov. Na eni strani bodo odvečni elektroni potisnjeni v kabel in na drugi strani bo ista količina elektronov potegnjena ven. V preteklih letih so izhajali iz tega, da tok teče od plusa k minusu. Ta smer toka električnega toka je označena kot»tehnična smer toka«. Šele kasneje je bilo ugotovljeno, da elektroni dejansko tečejo od minusa k plusu. Dejanski tok električnega toka (od minusa k plusu) je označen kot»fizikalna smer toka«(glejte sliko 16). Slika 16 Zapomnite si: Elektroni imajo potrebo, da se porazdelijo. Tehnična smer toka s plusa proti minusu je bila določena ob času, ob katerem še ničesar niso vedeli o elektronih. Fizikalna smer toka ustreza dejanski smeri toka od minusa k plusu. Tok, ki vedno teče v isti smeri imenujemo enosmerni tok. 16

17 Lahko tok teče tudi v vodi? Sledeč eksperiment prikazuje, da je lahko tudi voda dober prevodnik. Potrebovali boste baterijo, 470Ω upor, svetilno diodo in kozarec vode. Vezje naredite ustrezno s sliko 17. Ko boste priključne žice baterije in LED z golimi konci potopili v vodo, se voda obnaša tako kot velik upor, t.j. da teče samo majhen tok, ki ne zadostujte za svetenje LED. Po umešanju ene čajne žlice soli (vodo dobro premašajte), potopite spet gole konce žic. LED šibko sveti. Tem manjša kot bo oddaljenost med obema koncema žic, tem bolj svetlo sveti LED. Slika 17 Slano vodo izlijte iz kozarca, v kozarec nalijte svežo vodo in vmešajte sladkor. Če boste sedaj potopili oba konca žic v vodo boste ugotovili, da LED ne bo zasvetila. Voda je lahko torej prevodna samo z določenimi vmešanimi snovmi. V normalni vodovodni vodi so veliko majhne količine soli, mineralov, itd. Voda je lahko pri večjih napetostih (npr. 220V omrežna napetost) zelo nevarna. Zaradi tega morajo biti luči in vtičnice v mokrih prostorih (kopalnica, kuhinja, itd.) zaščitene pred vplivi vlage. Tudi običajno slabo prevodni materiali, kot je les, blago in celo izolacije so lahko z vlago nekontrolirano prevodni. 17

18 Slika 18 Zapomnite si: Tem bolj, kot je voda onesnažena, tem bolj je prevodna (npr. s soljo). Voda moti kontroliran tok električnega toka. Pri večjih napetosti je lahko vlaga življenjsko nevarna! Upor Vsak električni vodnik predstavlja električni upor. To velja tudi za kable, predvsem, če so zelo dolgi. Tudi slana voda iz prejšnjega poskusa je električni upor. Znotraj elektronskih vezij so potrebni upori s točno določeno vrednostjo upornosti. Za to bo uporabljen element upor: Z dvema priključnima žicama opremljena izolirana cevčica, na kateri je nameščenih manj ali več prevodnih plasti. V našem paketu razpoložljivi upori so iz keramike oziroma porcelana, ki so opremljeni z ogljikovo plastjo (ali z zelo tanko plastjo kovine) in so pokriti s slojem laka. Debelina in sestava ogljikove plasti odloča o vrednosti upora. Vrednost upornosti bo navedena v Ohm (Ω), Kilo-Ohn (KΩ) ali Mega-Ohm (MΩ). Svetilna dioda bo zatemnjena Tako imenovan zatemnilniki za brezstopenjsko nastavitev svetilnosti luči v prostorih so na splošno znani. Uravnavanje svetilnosti za našo LED bo doseženo z sledečim eksperimentom. Za to potrebujemo»spremenljiv upor«, ki ga sami naredimo: Na list papirja narišite s svinčnikom približno 5 cm široko in 5 cm dolgo, po možnosti debelo površino. Na drug konec slike pritrdite prost konec žice prejšnjega poskusa (po sliki 17) s pisarniško sponko. Z drugim koncem žice se v različnih razmikih približajte pritrjenega konca žice. Tem bolj kot sta oba konca žic skupaj, tem bolj svetlo sveti LED. Pri večji oddaljenosti se bo svetilnost LED zmanjšala, kar pomeni, da bo tok električnega toka manjši. Svinčnik simulira spremenljiv upor. 18

19 Ohmov zakon Pred izvedbo naslednjih poskusov je potrebno še malo teorije. Za utrditev dosedanjih spoznanj, bodo še enkrat pojmi tok, napetost in upornost bolj izčrpno obravnavani. Tok bo povzročen z napetostjo. Veliko toka je odvisna od upornosti, ki mora teči skozi tok. S tokom bo označen tok elektronov. Tok lahko teče samo v zaprtem tokokrogu. V nasprotju z tekočim tokom nastane»mirujoča napetost«. Napetost ne teče, temveč poda, kako velik je presežek elektronov na eni strani oziroma kakšno je pomanjkanje elektronov na drugi strani. Tem večji kot je presežek elektronov (oziroma pomanjkanje elektronov), tem večja je napetost in tem večje je prizadevanje elektronov, da izravnajo to razliko v napetosti. Napetost je torej načeloma med dvema točkama vezja. Obe električni veličini tok (znak formule I) in napetost (znak formule (U) sta odvisni druga od druge. Skozi upor (R) teče pri enakomerni napetosti enakomeren tok določene jakosti (glejte sliko 19). Ko bo napetost povečana, se poveča tudi tok, ki teče skozi upor. Ko bo napetost manjša, bo tudi tekoč tok manjši. Če bo pri enakomerni napetosti povečana vrednost upornosti, bo tekoči tok manjši. Če bo upornost zmanjšana, potem teče več toka. Pomembno je spoznanje, da so tri veličine napetost (U), tok (I) in upor (R) tesno medsebojno odvisne. Če bo ena izmed teh veličin spremenjena, se samodejno spremeni tudi druga veličina. To medsebojno odvisnost je leta 1826 prepoznal nemški fizik Georg Simon Ohm in jo je označil kot»ohmov zakon«. Slika 19 Veličina Znak formule Enota Kratica Tok I Amper A Napetost U Voltr V Upornost R Ohm Ω 19

20 Ko sta dve veličini znani, lahko z formulo (glejte sliko 19) izračunate tretjo neznano veličino. Ta zakonitost je lahko npr. uporabljena za izračun, kako velik mora biti predupor za svetilno diodo, da LED ne bo uničena. Obratovalna napetost LED znaša približno 1,4V. Z napetostjo več kot 2V je LED lahko uničena. Tok svetilnih diod naj ne bi prekoračil 20mA (0,02A). Slika 20 V tokokrogu slike 20 je prisotna skupna napetost 9V. Ker ima LED obratovalno napetost 1,4V, mora biti preostalih 7,6V (9V minut 1,4V = 7,6V) na uporu. Če izhajamo iz tega, da se napetost dejansko razdeli na ta način, potem lahko skozi 470Ω upor tekoč tok izračunamo s formulo s slike 19: I = U : R = 7,6V : 470Ω = 0,016A ali 16mA Ker mora skozi 470Ω upor tekoč tok teči tudi skozi LED, je sedaj znan tok električnega toka skozi LED (16mA). Pravkar smo izvedeli, da lahko tekoč tok skozi LED znaša maksimalno 20mA. Posledično lahko vrednost upornosti nekoliko zmanjšamo, da tok z 16mA povečamo na 20mA. Z Ohmovim zakonom lahko izračunamo tudi idealno vrednost upornosti: RI = U : I = 7,6V : 0,02A (20mA) = 380Ω Največjo možno svetilnost LED, brez da bi ta bila uničena, bi dosegli tako, da kot predupor uporabimo 380Ω upor. Upora z manjšo vrednostjo v nobenem primeru ne smete uporabiti. Za doseg določene varnosti, je v našem eksperimentnem sistemu uporabljen 470Ω upor. Zapomnite si: Vse povezave elektrotehnike in elektronike temeljijo na Ohmovem zakonu. Iz tega bodo narejene sledeče formule: I = U : R R = U : I U = R x I 20

21 Sedaj bo elektronsko: tranzistor Tranzistor šteje k najbolj zanimivim elementom elektronike. Dejansko je tranzistor elektronsko stikalo ali bolje povedano majhna elektronska krmilna naprava, ki deluje z zelo nizkimi napetostmi. Tranzistor je nameščen na rdečem delu z elementi. Rdeča signalizira:»previdno občutljiv element nujno pazite na pravilno priključitev«. Pri sledečih vezjih morate nujno paziti na to, da plus (+) in minus (-) priključki ne bodo zamenjani. Trije priključki tranzistorja so označeni z B (osnova), C (zbiralnik) in E (oddajnik). Trije priključki v nobenem primeru ne smejo biti zamenjani. Načrte izgradnje točno upoštevajte, da preprečite poškodbe tranzistorja. Pomembno: Pri izgradnji vezja (in pri spremembah) bo baterija načeloma priključena kot zadnji element, da bo preprečeno nenamerno uničenje elementov. Pred priključitvijo baterije preverite, če vse priključne žice ustrezajo načrtu izgradnje. Po končani izvedbi eksperimenta prekinite priključitev baterije (povezovalna žica z baterije k naslednjem elementu), da preprečite nepotrebno porabo toka. Prvi poskus tranzistorja bo narejen ustrezno s sliko 21. Po priključitvi baterije mora pri pritisku na tipko LED zasvetiti če to ni primer, baterijo takoj odklopite in poiščite napako: Je bil element zamenjan? Preverite povezovalne žice, v priključke lahko vtaknite samo gole konce žic. Če bo barvna izolacija zraven vtaknjena, potem manjka potreben kontakt in poskus ne more neoporečno delovati! Slika 21 21

22 Kakšen je namen tega eksperimenta? V prejšnjih poskusih smo povzročili svetenje LED z bistveno bolj preprostimi vezji! S sledečo zamenjavo uporov funkcije tranzistorjev zlahka razumljive. 1KΩ upor (nad tipko) bo zamenjan z 10KΩ uporom. Ko boste sedaj pritisnili na tipko, bo LED nespremenjeno svetila. Tudi ko bo 10KΩ upor zamenjan s 100KΩ uporom, pri pritisku na tipko LED zasveti. Spomnimo se na prejšnje poskuse in razlage. Mi vemo, da 10KΩ upor ustreza 100 km dolgem kablu oziroma 100KΩ upor 1000 km dolgem kablu. Namesto upora lahko med vezje in tipko damo 1000 km kabla in pri pritisku na tipko bi LED še vedno svetila. Mi prepoznano, da tranzistor zazna tudi najmanjše toke, z katerimi bodo aktivirane funkcije preklopa tranzistorja. Slika 22 prikazuje pregleden vezalni načrt narejenega eksperimenta. Prepoznavna sta dva tokokroga. Tokokrog je podan od baterije, preko 1KΩ upora, (odprte) tipke in od tranzistorja nazaj k bateriji. V drem tokokrogu je svetilna dioda preko 470Ω upora in tranzistorja prav tako povezana z baterijo. Dejansko bi morala svetilna dioda (tudi brez pritiska na tipko) svetiti? Slika 22 Svetilna dioda ne sveti, ker tranzistor (kot elektronsko stikalo) ker preko njegovih priključkov C in E blokira tok k bateriji. Tranzistor deluje šele takrat, ko skozi njegovo osnovo (B) teče minimalen krmilni tok. Slika 23 prikazuje stanje preklopa pri zaprti tipki. Sedaj teče preko 1KΩ upora (ali zamenjanega 10KΩ oziroma 100KΩ upora) lasten osnovni tok. Tranzistor»preklopi skozi«. Tokokrog svetilne diode bo vklopljen preko poti zbiralnika-oddajnika tranzistorja LED sveti. Slika 23 22

23 Slika 24 prikazuje, kako je lahko naše vezje razdeljeno v dve postaji in kako je lahko z več 100 km dolgimi kabli medsebojno povezan. S tem bi bilo možno tudi posredovanje Morsejevih znakov s postaje 1 (tipka) k postaji 2 (elektronsko vezje, sestavljeno iz baterije, LED in tranzistorja). Tipka da na osnovo tranzistorja potreben minimalen»krmilni tok«, z katerim bo upravljan»obremenitveni tok«za LED. Pozor: Primer slike 24 lahko brez upora obratuje samo takrat, ko je dejansko prisotnih več 100 km kabla (kot upor), ker bo tranzistor pri polni 9V napetosti na osnovi uničen. Kaj se zgodi, ko upor na osnovi tranzistorja še bolj povečamo? Ker je 100KΩ upor največji upor v našem eksperimentalnem paketu, moramo poiskati drug»upor«, ki je večji za to je zelo dobro primeren naš prst. Poskus bo spet narejen po sliki 21 z 1KΩ in baterija priključena. Obe žici, ki vodita k tipki, bosta odstranjeni s tipke in premoščeni z našimi prsti (proste konce žic držite med palcem in kazalcem ene roke tako, da se ne dotikajo). LED bo sedaj temno svetila eventualno prste malo navlažite. Glede na to, koliko so konci žic med seboj oddaljeni, bo LED svetila svetleje ali temneje. Slika 24 23

24 Ta poskus prikazuje nadaljnjo posebnost tranzistorja: Tranzistor ne deluje samo kot stikalo (odpiranje ali zapiranje tokokroga), temveč»krmili«z različno velikim krmilnim tokom (osnovni tok) ustrezno manjši ali močnejši obremenitveni tok preko poti oddajnika-zbiralnika. Obremenitveni tok preko zbiralnika-oddajnika je 100 do 1000-krat močnejši kot krmilni tok, kateri teče preko osnove in oddajnika. Slika 25 prikazuje krmilne funkcije tranzistorja. Zapomnite si: Z majhnim osnovnim tokom krmili tranzistor velikokrat večji tok zbiralnika. Previsoka napetost osnove uniči tranzistor. Slika Ni napetosti osnove: tranzistor blokira. 2. Nizka napetost osnove: Tranzistor deloma odpre pot C-E. 3. Zadostna napetost osnove: C-E pot je popolnoma odprta. Pri previsoki napetosti osnov tranzistor pregori. Tranzistorski tester Izgradnja vezja ustrezno s sliko 21 je lahko uporabljena tudi kot preprost tranzistorski tester. Če bodo kasneje pri sledečih eksperimentih obstajale nejasnosti o tem, če je za eventualno ne delovanje kriv tranzistor, lahko s tem vezjem izvedete preveritev delovanja. 24

25 Tranzistor kot regulator napetosti in ojačevalnik toka Pod osnove-oddajnika tranzistorja načeloma predstavlja elektronski regulator napetosti, kateri se vedno nastavi tako, da med osnovo in oddajnikom nastane približno 0,7V napetost (glede na vrsto izgradnje tranzistorja). Za funkcijo reguliranja bo uporabljeno načelo»delilnika napetosti«. Opazujte npr. sliko 26: Upor R ima določeno veličino. Tudi pot osnove-oddajnika predstavlja upor, kateri se samodejno nastavi tako, da med osnovo in oddajnikom vedno ostane 0,7V. Na uporu R mora torej biti prisotnih preostalih 8,3V. Z znanim Ohmovim zakonom je lahko tok, ki teče skozi tranzistor od baze do oddajnika, zlahka izračunan: Predpostavljeno, da upornost na osnovi tranzistorja znaša 100KΩ, napetost na uporu znaša 8,3V (9V napetost baterije minus 0,7V med osnovo in oddajnikom tranzistorja), se poda sledeč izračun: I = U : R = 8,3V : Ω (100KΩ) = 0,000083A = 0,083mA. Tok električnega toka skozi upor in pot osnove-oddajnika tranzistorja znaša 0,083mA. Mi vemo, da je lahko preko poti zbiralnika-oddajnika tekoč obremenitveni tok približno 100 do 1000-krat večji kot krmilni tok, ki teče preko osnove in oddajnika. Naš uporabljen tranzistor ima»ojačanje toka«približno 500, t.j., da je obremenitveni tok približno 500-krat večji kot krmilni tok. Izračunano je bilo, da krmilni tok znaša 0,083mA. Ko je obremenitveni tok 500-krat večji, potem ta znaša 500 x 0,083mA = 41,5mA. Ko obremenitveni tok od zbiralnika k oddajniku tranzistorja znaša 41,5mA, potem teče teoretično tudi isti tok kot kozi 470Ω upor in LED. Vendar pa bo ta tok z 470Ω uporom omejen tako, da LED ne bo poškodovana. Sedaj razumemo, zakaj LED tudi pri uporabi 100KΩ upora še vedno sveti. Ko bo osnovna upornost 100KΩ zmanjšana, je lahko tudi obremenitveni ustrezno večji. Vendar pa je tukaj potrebno upoštevati, da lahko maksimalno dopusten zbiralni tok našega uporabljenega tipa tranzistorja znaša samo maksimalno 100mA. Večji tok uniči tranzistor. Slika 26 25

26 Če je teoretični zbiralni tok večji kot dejanski zbiralni tok, govorimo o»preveč krmiljenem«tranzistorju. Nato ne igra vloge, če osnovni tok znaša 6mA, 10mA ali 20mA, ker je pot zbiralnikaoddajnika tranzistorja vedno popolnoma prevodna, t.j. vedno teče enakomerno velik tok (LED sveti enakomerno svetlo). Šele, ko bo osnovni tok (tok z base k oddajniku tranzistorja) bistveno manjši, se spremeni tudi zbiralni tok v razmerju z manjšim osnovnim tokom. Zapomnili si naj bi sledeče»strokovne izraze«: Osnovni tok: tok električnega toka od osnove k oddajniku tranzistorja. Zbiralni tok: tok električnega toka od zbiralnika k oddajniku tranzistorja. Osnovna napetost: Napetost med osnovo in oddajnikom tranzistorja se samodejno nastavi na približno 0,7V. Osnovna upornost: Upornost med osnovo tranzistorja in plus polom vira napetosti. Oskrbovanje s tokom (napajanje): Poda za kolikokrat je lahko zbiralni tok maksimalno večji kot osnovni tok. Kako lahko s pritiskom na tipko prekinemo tokokrog Pri prejšnjem poskusu je bilo običajno, da je bil s pritiskom na tipko prekinjen tokokrog zaprt. Na sliki 27 in 28 prikazano vezje obrne vse, kar ste se do sedaj naučili. Če bo to vezje pravilno narejeno in bo priključena 9V baterija, sveti LED, čeprav niste pritisnili na tipko. Pri pritisku na tipko se LED izklopi. LED spet sveti, ko boste tipko spustili. Delovanje tega vezja vam bo hitreje jasno, če si boste vezalni načrt 28 bolj podrobno ogledali. Dokler ne boste pritisnili na tipko, lahko teče krmilni tok (kot pri prejšnjih vezjih) z baterije preko 1KΩ upora k poti osnove-oddajnika tranzistorja. Tranzistor preklopi njegovo pot zbiralnikaoddajnika LED prejme potrebno energijo in sveti. Pri pritisnjeni tipki tok ne teče preko poti osnove-oddajnika, temveč si poišče preprosto in direktno pot preko zaprte tipke. Mi smo pot osnove-oddajnika tranzistorja premostili strokovnjak reče tudi»narejen je kratek stik«. Pri opazovanju vezalnega načrta, je delovanje očitno: Pri pritisnjeni tipki bo osnova tranzistorja povezana direktno z oddajnikom in minus polom baterije. Baterija ima na njenem minus polu napetost 0V, ta 0V napetost se nahaja tudi na osnovi tranzistorja, ker sta osnova in minus pol baterije medsebojno povezana preko tipke. Mi vidimo, da pri pritisnjeni tipki na osnovi tranzistorja napetost ne more biti prisotna, čeprav je tranzistor preko 1KΩ upora povezan tudi s plus polom baterije (9V). 26

27 Slika 27 Slika 28 27

28 Protivlomna alarmna naprava Če iz predhodnega vezja odstranimo tipko in za to položimo dolgo, kar se le da tanko žico imenovano kot»varnostna zanka«, nastane ustrezno s sliko 29 preprosta protivlomna alarmna naprava. Varnostna zanka je lahko za varovanje objekta (npr. hiše) uporabljena kot»žica za spotikanje«. Tudi vrata ali okna lahko zavarujemo z tanko žico, ki se zlahka pretrga. Ker vlomilec tanke žice (predvsem ponoči) ne vidi, se bo pri njegovem spotikanju ali pri odpiranju vrat žica zlahka strgala. Dokler žična zanka ni poškodovana, ostane pot osnove-oddajnika tranzistorja premoščena: LED ne sveti. Če se varnostna zanka strga, teče osnovni tok v tranzistor in sedaj goreča LED prikazuje, da je alarm bil sprožen. Kontakt vrat Za to ostane vezje ustrezno z načrtom 29. Varnostna zanka bo na sredini prekinjena in vodena k dvema aluminijastima ploščicama na okviru vrat. S pisarniškimi sponkami pritrdite gole konce žic vsakokrat na aluminijasto folijo in jih s filmov pritrdite na okvir vrat tako, da nadaljnja aluminijeva folija (srebrn papir) pri zaprtih vratih prekrije obe nasproti ležeči aluminijasti foliji. Po potrebi podložite aluminijaste folije z tanko peno. Vse tri aluminijaste ploščice se morajo pri zaprtih vratih brez izoliranih ovir dotikati (glejte sliko 31). Vrata so zaprta LED ne sveti, ker bo na tranzistorju pot osnove-oddajnika premoščena z zaprtim kontaktom vrat. Vrata sedaj zamenjajo tipko. Vrata bodo odprta LED sveti, ker lahko secdaj osnovni tok teče k tranzistorju. Slika 29 28

29 Slika 30 Slika 31 Dvotranzistorska tipka Pri radijskih in televizijskih napravah bodo pogosto namesto mehanskih stikal vgrajene tako imenovane»senzorske tipke«(imenovano tudi stikalo na dotik). Za preklop televizijskega programa ne bo pritisnjeno nobeno stikalo, temveč bo z kratkim dotikom znanega mesta postopek preklopa elektronsko sprožen. Takšno visoko občutljivo stikalo naredimo ustrezno s sliko 32. Preden bo baterija priključena kot zadnji element, še enkrat preverite povezovalne žice ustrezno z načrtom izgradnje (najbolje, da na načrtu vzpostavljene povezave prečrtane s svinčnikom). Med drug poleg drugega ležečima uporoma 1KΩ in 2,2KΩ ni prisotna povezava. Če se boste s prstom dotaknili obeh prostih točk teh uporov, bo LED svetila. Brez mehanskega pritiska bi bil sprožen mehanski postopek. Senzorske tipke so pogosto uporabljene, ker so bolj varne kot stikala z mehanskimi deli in ker imajo takšne senzorske tipke praktično neomejeno življenjsko dobo. 29

30 Slika 32 Kako deluje vezje? Poglejmo na vezalnem načrtu 33 oba tranzistorja. Za boljše razlikovanje sta označena s T1 in T2. najprej se osredotočimo na tranzistor T1. če tam med osnovo in oddajnikom teče zelo majhen tok, potem vemo, da bo med zbiralnikom in oddajnikom dan približno 500-krat večji tok. Ta večji tok tranzistorja T1 teče v pot osnove-oddajnika tranzistorja 2. S tem preklopi njega pot zbiralnikaoddajnika spet približno 500-krat večji tok. Z dvema zaporedno vezanima tranzistorja je dano dvojno»ojačanje«. S tem zadostuje čisto majhen osnovni tok na T1, da bo LED zasvetila. Pri tem eksperimentu teče zelo majhen tok po naših prstih in povzroči krmiljenje obeh tranzistorjev. Z našim prstom smo za delovanje tranzistorja potreben krmilni tokokrog zaprli. To nekoliko edinstveno vezje (ožičenje) obeh tranzistorjev imenujemo tudi»darlington vezje«. Z obema zaporedno vezanima tranzistorja se pomnožijo njihova ojačanja toka tako, da na tranzistorju T1 v primerjavi z nizkim osnovnim tokom nastavne kratno ojačanje (500 x 500 = ). Na podoben način je lahko vezanih tudi več uporov. To vezje je uporabljivo za vrsto zanimivih poskusov naprav, ki bodo sledeče na kratko opisani. Zapomnite si: Pri Darlington vezju se pomnožijo ojačanja tokov tranzistorjev. 30

31 Slika 33 Testna naprava za električno prevodnost Vezje ustrezno z načrtom 32 ostane nespremenjen. Na prosta kontaktna mesta 2,2KΩ in 1KΩ upora priključimo nekoliko daljši siv kabel. Sedaj vzamemo v vsako roko gole konce obeh žic. S tem teče čisto majhen krmilni tok od ene roke do glave in od tam do druge roke. LED sveti. Ta nizek, nenevarni tok prikazuje, da je naše telo»prevodno«, da se v našem telesu lahko prav tako premikajo elektroni z napetostjo. Tudi ko več oseb naredi verigo, se torej držijo za roke, in se prva in zadnja oseba v verigi dotakne prostega konca žice, bo LED zasvetila. Za naslednji poskus držite oba konca»testnih žic«tako, da se golih koncev žic ne boste dotikali. Med oba testna kabla lahko držite različne predmete in na svetilni diodi opazite, če so ti predmeti prevodni. Pri dotiku npr. banane bo LED svetila. Pri suhem lesu ne boste ničesar videli. Vendar pa bo LED zasvetila takoj, ko bo les vlažen. Pri preveritvi različnih materialov boste ugotovili zanimive stvari. Našli bomo novi, za katere si nikoli ne bi mislili, da so lahko prevodne. Optična naprava za opozorilo na dež Tudi za to napravo ostane isto prejšnje vezje. Gole konce obeh testnih kablov pritrdite s pisarniškimi sponkami na trak pivnega papirja (ki je npr. pritrjen na leseno ploščico). Testni kabli bodo prav tako z majhnimi žebljički pritrjeni na to leseno ploščico, da pri nenamernem premiku element ne bo poškodovan (glejte sliko 34). Testni element položite na prosto. Ko bo pričelo deževati bo list vlažen s tem bo prevoden in LED sveti. 31

32 Indikator ravni vode Na podoben način lahko naredite tudi indikator ravni vode. Če naj bo npr. na vrtu bazen napolnjen z vodo, bi morali med drugim tako dolgo stati zraven, da so lahko pipo pravočasno zaprete, da voda ne bo tekla čez. Če bosta samo oba konca žic (v tem primeru samo goli kabli brez papirja) pritrjena na notranjem robu bazena na višini, ki je predvidena kot zgornja višina polnjenja, potem LED zasveti takoj, ko prideta oba konca žic v stik z naraščajočo vodo (glejte sliko 35). Slika 34 Blum-o-mat Osnovno vezje po sliki 32 je primerno tudi za preveritev, če morajo rože biti zalite. Oba testna kabla vtaknite v razdalji nekaj centimetrov v zemljo cvetličnega lončka. Ko LED sveti, je zemlja še vlažna. Ko bo zemlja suha, LED ne sveti več rože je potrebno zaliti. Predstavljivo je, da lahko s tem vezjem in majhnim dodatkom elektronike obratuje tudi vodna črpalka, ki samodejno črpa vodo k cvetličnem lončku takoj, ko bo zemlja preveč suha. Če naj bo»blum-o-mat«uporabljen za stalno obratovanje, bi bilo neugodno, če bi pri še vlažni zemlji LED stalno svetila, ker bo s tem po nepotrebnem porabljena energija baterije. V kabel z minus pola baterije k oddajniku desnega tranzistorja lahko vstavimo tipko. Vezje je nato brez toka. Za preveritev zemlje pritisnite na tipko. Ko LED sveti, je zemlja še zadosti vlažna. Če LED ne sveti, morate zemljo zaliti. Gotovo se bomo spomnili še nadaljnjih naprav za nadzor, ki jih lahko izvedemo s tem preprostim vezjem. Podobna vezja so pogosto uporabljena tudi v praksi. V avtu npr. zasvetijo opozorilne lučke. 32

33 Slika 35 Senzorska tipka kot stikalo izklopa V prejšnjih poskusih je bila senzorska tipka uporabljena za vklop svetilne diode. To vezje se lahko zelo preprosto spremeni tako, da bo LED s senzorsko tipko izklopljena. Naredite poskus po sliki 36 in priključite baterijo. LED sveti. Ko se boste obeh kontaktnih mest (priključki uporov 1KΩ in 2,2KΩ ) dotaknili s prstom, se bo LED izklopila. Če bodo na proste priključke obeh uporov priključeni testni kabli, lahko to vezje na primer zelo dobro uporabite kot Blum-o-mat (glejte prejšnji poskus). Dokler je zemlja v cvetličnem lončku vlažna, bo LED ostala izklopljena. Šele, ko se bo zemlja izsušila bo LED zasvetila. Slika 36 33

34 Kako deluje vezje? V primerjavi s prejšnjim poskusom po sliki 32, bi bila spremenjena zgolj priključitev svetilne diode. S tem nastane za tok električnega toka skozi LED nova situacija: Slika 37 Če prosti priključki 1KΩ in 2,2KΩ ne bodo premeščeni, osnova ne prejme napetosti s T1 tranzistor T1 je blokiran. S tem tudi tranzistor T2 ne more dobiti osnovne napetosti, ta prav tako blokira. S tem lahko s plus pola 9V baterije preko 470Ω upora in svetilne diode teče tok nazaj k minus polu baterije. LED sveti. Če bodo prosti priključki obeh uporov premoščeni s prstom, bo tranzistor T1 prevoden, z čimer tudi tranzistor T2 prejme potrebno osnovno napetost in bo prav tako prevoden. S tem sta obe priključni točki svetilne diode povezani z minus polom baterije. Ustrezno z vezalnim načrtom 37, je priključek LED povezan direktno z minusom polom baterije, drug priključek je preko sedaj prevodne poti zbiralnika-oddajnika tranzistorja 2 prav tako povezan z minus polom baterije. Sedaj ne obstaja več razlika v napetosti med obema priključnima točkama LED. Kjer je prisotna razlika v napetosti, tok ne more teči in s tem tudi LED ne sveti. 34

35 Prevodnik neprevodnik polprevodnik V tem poglavju se želimo ukvarjati z prevodnimi, neprevodnimi in pod določenimi predpostavkami nastalimi prevodnimi materiali. S svetilno diodo in tranzistorjem smo spoznali že dva tipična polprevodna elementa. Baker je za tekoč tok (tok elektronov) dobro primeren toda tudi v aluminiju, železu in različnih drugih kovinah so lahko elektroni zlahka premaknjeni, ko je prisotna ustrezna napetost. Posebej dobri prevodni kovini sta srebro in zlato, ki pa sta vendar za splošne električne povezave predragi. Zaradi tega je za povezave uporabljen cenovno ugoden in zadosti prevoden baker. Električno prevodni materiali so označeni kot»prevodniki«. Obstajajo tudi materiali, v katerih se elektroni samo stežka premikajo, kot je npr. v izolacijskih materialih. Takšni materiali so označeni kot»neprevodniki«. Poleg prevodnikov in neprevodnikov obstaja tretja skupina materialov: tako imenovani polprevodniki. Dejansko so polprevodniki prav tako neprevodniki pri čemer že najmanjše umazanije vodijo k posebno prevodnim lastnostim. Javljalnik vloma S tem poskusom po sliki 29 smo že spoznali preprosto alarmno napravo. Vendar pa ima ta alarmna naprava odločilno slabost: ko bo varnostna zanka prekinjena, bo alarm sicer sprožen, vendar pa se LED izklopi takoj, ko bo varnostna zanka zaprta. Če je bil namesto varnostne zanke uporabljen kontakt vrat, bo alarm sprožen samo tako dolgo, dokler bodo vrata ostala odprta. S sledečim vezjem po sliki 38 bo ta pomanjkljivost odpravljena, ker bo sprožen alarm shranjen. Vezje bo narejeno ustrezno s sliko 38. Pred priključitvijo baterije vezje še enkrat točno preverite. Varnostna zanka leži med 10KΩ uporom in osnovo prvega tranzistorja (T1). Ko bo pri priključeni bateriji pritisnjena tipka, se mora LED ugasniti, če je po priključitvi baterije svetila. Če bo sedaj varnostna zanka prekinjena, LED sveti. Posebnost vezja je v tem, da LED še naprej sveti tudi takrat, ko bo varnostna zanka spet v redu ali ko bodo vrata pri kontaktu vrat spet zaprta. Svetilna dioda se izklopi šele takrat, ko boste pritisnili na tipko. S tem je možno tudi naknadno ugotoviti, če je bil alarm, npr. v varovanem prostoru sprožen. 35

36 Slika 38 Kako deluje vezje? Mi izhajamo iz tega, da je varnostna zanka v redu in da LED ne sveti. Nato so odebeljeno prikazani tokokrogi na sliki 40 zaprti. Osnova tranzistorja T1 prejme s plus pola 9V baterije preko 470Ω upora, svetilne diode in 10KΩ upora potrebno osnovno napetost. S tem je tranzistor T1 prevoden in osnova tranzistorja T2 je preko poti zbiralnika-oddajnika tranzistorja T1 povezana z minus polom baterije. Tranzistorju T2 manjka potrebna osnovna napetost tako, da pot zbiralnika-oddajnika ostane blokirana. Osnovni tok s tranzistorja T1, ki teče s plus pola baterije preko 470Ω upora, LED in 10KΩ upora, je tako majhen, da LED ne sveti. Slika 39 36

37 Ko bo varnostna zanka prekinjena (slika 41), tranzistor T1 logično ne prejme več osnovne napetosti njegova pot zbiralnika-oddajnika je blokirana. S tem prejme osnova od tranzistorja T2 preko 2,2KΩ upora s plus pola 9V baterije potrebno osnovno napetost. Pot zbiralnika-oddajnika tranzistorja T2 bo prevodna tako, da LED prejme potrebni tok obratovanja in sveti. Ko bo sedaj varnostna zanka spet popravljena (zaprta), je osnova od T1 preko 10KΩ upora in prevodne poti zbiralnika-oddajnika tranzistorja T2 povezana z minus polom baterije. S tem ostane blokirana tudi pot zbiralnika-oddajnika T1 tako, da lahko osnova od T2 še naprej prejme njeno napetost s plus pola baterije preko 2,2KΩ upora. Pot zbiralnika-oddajnika od T2 ostane še naprej prevodna, z čimer LED še naprej sveti. Pri pritisku na tipko bo osnova tranzistorja T2 preko tipke povezana s plus polom baterije. Med osnovo in oddajnikom tranzistorja T2 ni razlike v napetosti T2 blokira njegovo pot zbiralnika-oddajnika. S tem prejme osnova tranzistorja T1 spet potrebno obratovalno napetost (preko 10KΩ upora, LED in 470Ω upor s plus pola baterije) tako, da bo pot zbiralnika-oddajnika tranzistorja T1 prevodna. Tudi, ko boste tipko sedaj spustili, ostane osnova tranzistorja T2 preko poti zbiralnika-oddajnika tranzistorja T1 povezana z minus polom baterije. T2 še naprej blokira in LED ostane temna. Slika 40 V tem vezju tranzistorja je ali prevoden prvi tranzistor ali drugi blokira ali pa prvi tranzistor blokira in drugi je prevoden. Takšna vezja, pri katerih se dva tranzistorja vedno izmenično preklapljata oziroma blokirata, imenujemo»preklopna vezja«. V sledečih poskusim se bomo bolj intenzivno ukvarjali s preklopnimi stikali, ker so lahko s temi dosežene različne funkcije v zahtevnih vezjih in v računalniški tehniki. Slika 41 37

38 Alarmna naprava z»lovilno potjo«z majhnimi spremembami lahko predhodno vezje predelamo tako, da LED ne bo vklopljena s prekinitvijo žice, temveč z vzpostavljeno povezavo. To vezje je prikazano na sliki KΩ upor bo povezan direktno z osnovo tranzistorja T1. Obe žici, preko katerih naj bo alarm vklopljen, bosta priključeni na osnovo in oddajnik prvega tranzistorja. Če bosta po začetku obratovanja vezja obe žici medsebojno električno povezani (npr. z uporabo na sliki 31 opisanega kontakta vrat), se LED vklopi in sveti tako dolgo, dokler ne boste pritisnili na»tipko za brisanje«. Slika 43 Govorimo o»lovilnem vezju«, ker v tem primeru alarm ne bo sprožen takoj pri vdoru v prostor, temveč bo sprožen šele takrat, ko bodo nevedno npr. zaprta odprta vrata. LED bi lahko bila teoretično nameščena tudi na policiji in tam sprožila alarm brez, da bi to vlomilec opazil. Delovanje tega vezja je identično s preteklim poskusom. V mirovanju vezja (lovilna pot je odprta) nastane isto stanje kot pri zaprti varnostni zanki. Tranzistor T1 prejme potrebno osnovno napetost in je s tem prevoden tako, da je tranzistor T2 blokiran in LED ne sveti. Če bosta obe kontaktni točki lovilne poti med seboj povezani, bo ta preko osnove tranzistorja T1 povezana z minus polom baterije. Osnovi tranzistorja T2 manjka potrebna pozitivna napetost (med osnovo in oddajnikom ni dana razlika napetosti) tako, da pot zbiralnika-oddajnika tranzistorja T1 blokira. S tem prejme tranzistor T2 preko 2,2KΩ upora potrebno osnovno napetost, bo prevoden in LED sveti. To stanje ostane ohranjeno tako dolgo, dokler ne boste pritisnili na tipko. 38

39 Slika 42 39

40 Elektronsko pomnilniško vezje: bistabilna stopnja preklopa S poskusom po sliki 44 predhodna izgradnja nadgrajena k bistabilni stopnji preklopa. Po začetku obratovanja na kratko pritisnite na tipko, da LED ne sveti. Če bo z k kratkim koncem žice osnova in oddajnik levega tranzistorja premoščen, bo svetilna dioda vklopljena. Tudi, ko bo premostitev med osnovo in oddajnikom tranzistorja odstranjena, LED še naprej sveti. Šele s ponovnim pritiskom na tipko bo LED spet izklopljena. V računalniški tehniki je potrebno, da bodo podatki (znaki in številke) shranjeni. Že preprosti žepni računalniki imajo tipko za hranjenje, da bodo vmesni rezultati obdržani. Po načelni konstrukciji so računalniki in žepni računalniki (kalkulatorji) zelo preprosto narejeni. Ti lahko dejansko obdelajo samo stanja»prisotna napetost«oziroma»napetost manjka«. Za to bodo številke (in črke) kodirane v zaporedju ničel in enic, ker je lahko ničla preprosto prikazana kot»napetost manjka«(led ne sveti) in enka kot»napetost prisotna«(led sveti). Računalniški pomnilniki imajo isto izgradnjo kot vezje pomnilnika iz trenutno izvedenega poskusa. Računalniki imajo med drugim več milijon takšnih vezij. Vsi podatki bodo v teh vezjih shranjeni samo z obema stanjema»0«in»1«. Kapaciteta pomnilnika je pri računalnikih merjena v bitih. Bit pomeni, da je lahko shranjena ali»0«ali»1«, poskus po sliki 44 je 1-bitno pomnilniško vezje. Za večji pomnilnik z kapaciteto npr. 128 bit je potrebnih 128 takšnih pomnilniških celic. Vezje po sliki 44 je označeno kot bistabilna stopnja preklopa.»bi«izhaja iz latinskega jezika in pomeni dvakrat. To pomeni, da ima ta stopnja preklopa dve stabilni stanji, ki se nikoli ne spremenijo sami, temveč samo z drugim vplivom. Bistabilne stopnje preklopa so označene tudi kot»dvojček«. Slika 44 40

41 Kako deluje vezje? Če primerjamo vezalni načrt slike 45 z vezalnim načrtom predhodnega poskusa slike 43, ugotovimo, da je bil zgolj dodatno vstavljen 47KΩ upor. S tem nastane simetrično vezje, z katerim so lahko izravnane tolerance elementov. Dodatna prednost ima simetrična izgradnja, če bomo z našim preklopnim vezjem še naprej eksperimentirali. V poskusni izgradnji po sliki 44 bo 2,2KΩ upor zamenjan z zaporedno vezavo LED in 470Ω. Ko boste sedaj pritisnili na tipko, se bo LED vklopila. S premostitvijo osnove in oddajnika levega tranzistorja bo spet vklopljena. V primerjavi s prejšnjim poskusom je dan obraten potek delovanja.»zakaj«bo razloženo, ko boste še enkrat skrbno prebrali opis delovanja poskusa»javljalnik vloma«. Slika 45 Slika 46 Svetilna dioda z 470Ω uporom je po naši zadnji spremembi vezja priključena med zbiralnikom tranzistorja T1 in plus polom baterije. Ko bo sedaj 47kΩ upor odstranjen iz vezja (oziroma njegova priključka premoščena z kratko žico), nam bo razumljiva simetrična izgradnja vezja: Vseeno, če boste sedaj pritisnili na tipko ali bo pot osnove-oddajnika levega tranzistorja T1 premoščena, LED vedno sveti. S to majhno spremembo je bilo vezje spremenjeno tako, da ne deluje več preklopna stopnja, čeprav je v primerjavi s sliko 43 dana samo majhna razlika. Vezalni načrt 46 prikazuje, kako bo bistabilna stopnja preklopa običajno prikazana. Simetrična izgradnja vezja bo v tem simetrično narejenem vezalnem načrtu posebej jasna. 41

42 Sproženje Impulz, preko katerega bo bistabilna stopnja preklopa preklopljena iz stabilnega stanja v drugo stabilno stanje, je imenovano»impulz sproženja«. Oba impulza preklopa sta označena tudi s»set«za nastavitev (vklop LED) in»reset«za povrnitev (izklop LED). Za sproženje stopenj preklopa obstaja več možnosti: Prvo možnost smo spoznali v predhodnem poskusu. Pot osnove-oddajnika tranzistorja je bila premoščena (s tipko oziroma kratkim koncem žice). Druga možnost je podana s premostitvijo poti zbiralnika-oddajnika tranzistorjev. Ta možnost je prikazana na vezalnem načrtu 47. Sedaj naj bi bili z branjem vezalnih načrtov seznanjeni že toliko, da lahko poskus naredite pred načrta izgradnje. Kot osnova je lahko uporabljen načrt izgradnje po sliki 44, pri čemer bo 2,2KΩ upor zamenjan z 1KΩ uporom. Poleg tega je podana spremenjena priključitev tipke oziroma spremenjena priključitev s točkami označenega kabla. Tretja možnost sproženja bistabilnih stopenj preklopa je dana z kratkočasnim dajanjem pozitivne napetosti na eno izmed obeh osnov tranzistorja. Vezalni načrt 48 prikazuje potrebno dodatno vezje, ki ga lahko zlahka razumemo. Ko način razumete način delovanja bistabilne stopnje preklopa, je razumljivo zakaj deluje tudi ta vrsta sproženja: Blokira npr. tranzistor T1, nato je tranzistor T2 prevoden in LED sveti. Slika 47 Ko boste sedaj pritisnili na tipko, prejme osnova tranzistorja T1 preko tipke in 2,2KΩ upora pozitivno napetost od baterije in odpre njegovo pot zbiralnika-oddajnika. Preko poti zbiralnikaoddajnika tranzistorja T1 in 47KΩ upora bo osnova tranzistorja T2 povezana z minus polom. Vezje se preklopi T2 blokira (LED se izklopi) in T1 ostane prevoden (tudi, če ne boste pritisnili na tipko). V praksi so za sproženje stopenj preklopa uporabljene vse tri možnosti. Vrste sproženja so lahko uporabljene tudi kombinirano. Stopnjo preklopa se lahko npr. nastavi in povrne tako, da bo za kratek čas premoščena pot osnove-oddajnika ali pot zbiralnika-oddajnika tranzistorja. Za boljše razumevanje naj bi bile različne možnosti kombinacij izvedene enkrat tudi v praksi. 42

43 Lahko se zgodi, da so nekateri bralci nekoliko zmedeni zaradi številnih strokovnih izrazov in razlag in mogoče vsega tudi niso razumeli, kar je bilo poskušeno razložiti. Če si ne morete predstavljati, za kaj naj bi vse to bilo potrebno, je potrebno vedeti, katere možnosti obstajajo in katere povezave obstajajo. Veliko bo razloženo nadalje s sledečimi poskusi in mogoče naj bi razlago kasneje še enkrat prebrali. Vendar pa smo sedaj v sredini sveta elektronike in smo se naučili veliko stvari, kar bo zelo uporabno pri kasnejših poskusih. Slika 48 Zapomnite si: Bistabilna stopnja preklopa ima dve stabilni stanji. Ta načeloma predstavlja»pomnilniško celico«. 43

44 Osnovna vezja tranzistorja V sledečem poglavju bomo različna osnovna vezja tranzistorjev bolj podrobno spoznali. Kdor želi nadalje eksperimentirati, lahko to poglavje načeloma preskoči. Za razumevanje sledečih poskusov je pomembno, da ste spoznali osnovna vezja tranzistorja. Tranzistorji so temeljni elementi celotne elektronike. Vsepovsod, kjer po danes uporabljena elektronika, so potrebni tranzistorji. Ali kot stikalo, ojačevalnik v HiFi stereo napravi ali bistabilno vezje v računalniku brez tranzistorjev tehnični razvoji zadnjega desetletja ne bi bili možni. V dosedanjih poskusih in eksperimentih so bili tranzistorji vedno uporabljeni v tako imenovanem»vezju oddajnika«. Vezje oddajnika pomeni, da je oddajnik tranzistorja direktno povezan s priključkom vira napetosti (baterija) medtem, ko je med zbiralnikom in drugim priključkom vira napetosti priključena svetilna dioda s preduporom (krmiljena»obremenitev«). V praksi pa je uporabljeno tudi drugo vezje tranzistorja, tako imenovano»vezje zbiralnika«. Pri vezju zbiralnika je zbiralnik tranzistorja povezan direktno s plus polom baterije, medtem ko bo med oddajnikom in minus polom baterije vstavljena svetilna dioda s preduporom. Tipično vezje zbiralnika prikazuje slika 49. Tudi delovanje nam je verjetno takoj jasno. Dokler bo tipka pritisnjena, LED sveti. Verjetno se vprašamo, za kaj naj bi ta variacija bila dobra? Dejansko je vseeno, če je svetilna dioda s preduporom priključena med oddajnikom in minus polom baterije ali zbiralnikom in plus polom baterije. V obeh primeri lahko LED sveti. V praksi pa vendar nastanejo velike razlike: Vezje oddajnika tranzistorjev (LED med zbiralnikom in plus polom baterije) je uporabljeno, ko naj bo LED popolnoma vklopljena oziroma izklopljena. Vezje zbiralnika pa je uporabljeno vedno takrat, ko naj bodo tranzistorji uporabljeni kot ojačevalnik. V radijskih napravah naj bodo, npr. zelo majhni signali glasbe, ki jih sprejme antena, ojačani toliko, da lahko zvočnik obratuje. Logično je, da tranzistor tukaj ne sme delovati kot stikalo za vklop in izklop, temveč za ojačanje ustrezno s signalom glasbe večjega ali manjšega toka preko njegove poti zbiralnikaoddajnika. Za to funkcijo krmiljenja je vezje zbiralnika bistveno bolj primerno kot do sedaj uporabljeno vezje oddajnika. 44

45 Slika 49 Za boljše razumevanje funkcije uravnavanja (reguliranja) bo poskus po sliki 51 spremenjen z dodajanjem 2,2KΩ uporom. Če boste sedaj pritisnili na tipko, LED še sicer vedno sveti, vendar temneje kot v prejšnjem poskusu po sliki 49. Če opazujemo vezalni načrt 52, bi bilo dejansko logično, da je pri pritisku na tipko tranzistor popolnoma prevoden (LED svetlo sveti), ker je med osnovo tranzistorja in plus polom baterije priključen sorazmerno majhen upor 1KΩ. Dejansko pa tranzistor deluje kot elektronski regulator. Za razumevanje bi bilo sedaj zelo preprosto, če bi imeli na voljo merilni instrument. Ker to verjetno ni primer, lahko napetosti na tranzistorju relativno preprosto izračunamo tudi z Ohmovim zakonom. Slika 50 45

46 Najprej bomo izračunali napetost na osnovi tranzistorja: Oba upora 1KΩ in 2,2KΩ sta zaporedoma vezana. S tem se seštejeta obe vrednosti upornosti tako, da je podana skupna upornost 3,2KΩ. Skupna napetost znaša 9V (baterija). Iz teh dveh veličin se lahko izračuna, kako velik je tok, ki teče skozi oba upora: I = U : R = 9V : 3200Ω = 0,0028A = 2,8mA S tem lahko sedaj izračunamo še napetost, ki nastane na osnovi tranzistorja med 1KΩ in 2,2KΩ uporoma. Izračunan tok skozi oba upora znaša 2,8mA. Ta tok logično teče tudi skozi 2,2KΩ upor. Ko je znan tok skozi upor in vrednost upora, lahko z Ohmovim zakonom izračunamo tudi napetost: U = R x I = 2200Ω x 0,0028A = 6,2V Ko je na 2,2KΩ uporu prisotna 6,2V napetost, je ista napetost 6,2V prisotna tudi na osnovi tranzistorja. Poleg tega vemo, da tranzistor deluje kot elektronski regulator napetosti, ki se vedno regulira tako, da med osnovo in oddajnikom nastane napetost približno 0,7V. Rečemo lahko tudi, da tranzistor regulira napetost na njegovem oddajniku tako, da je ta manjša za 0,7V kot napetost na osnovi. V našem poskusu je bila napetost na osnovi izračunana z 5,2V tako, da na oddajniku nastane napetost 5,5V (6,2V minus 0,7V = 5,5V). Pri opazovanju vezalnega načrta 52, sedaj razumemo tudi, zadaj LED ne more več svetiti s polno svetilnostjo. 470Ω upor je bil prvotno izbran, da je bila pri priključitvi na 9V baterijo dosežena največja možna svetilnost LED brez, da bi bila LED uničena. Ker je 470Ω upor z LED sedaj priključen na oddajniku tranzistorja, nastane samo še 5,5V napetost, kar je zgolj malo več kot polovica napetosti baterije. Nizka napetost pomeni tudi nizek tok. Majhen tok pomeni majhno svetilnost. Slika 51 46

47 Za tiste, ki želijo točno vedeti: Iznajdljive osebe bodo imele kaj proti našim izračunom. Izhajali smo iz tega, da teče tok s plus pola baterije skozi 1KΩ in 2,2KΩ upora k minus polu baterije. Dejansko pa teče še tudi majhen tok od plus pola baterije skozi 1KΩ upor in pot osnove-oddajnika tranzistorja k minus polu baterije. S teče minimalno večji tok skozi 1KΩ upor kot skozi 2,2KΩ upor. Dejansko pa je tok preko poti osnove-oddajnika tranzistorja tako majhen, da ga lahko za naše izračune zanemarimo. Slika 52 V poskusni izdelavi slike 51 bo 1KΩ upor zamenjan z 2,2KΩ uporom. Pri pritisku na tipko LED še samo šibko sveti. Če bo sedaj izračunana napetost na osnovi tranzistorja, kot je opisano zgoraj, ugotovimo, da osnovna napetost znaša se samo 2,8V. S tem je na oddajniku nastala napetost 2,1V. Logično, da lahko LED še samo šibko sveti. Če je prisoten merilnik napetosti, lahko te vrednosti zlahka zmerite. Kot sledeče bo 1KΩ upor zamenjan z 47KΩ uporom in 2,2KΩ upor s 100KΩ uporom. Pri pritisku na tipko bi LED sicer šibko svetila, vendar pa ne temneje kot v prejšnjem poskusu, čeprav so upornosti na osnovi tranzistorja postale 50-krat večje. Če bodo izračuni za povečane upornosti uporabljeni, da tok skozi oba upora pade na 0,06mA, vendar pa napetost na osnovi tranzistorja še naprej znaša približno 2,8V oziroma na oddajniku 2,1V. Povzetek do sedaj naučenega prikazuje, da pri vezju zbiralnika napetost oddajnika vedno sledi napetosti na osnovi. Ta vrsta vezja je imenovana tudi kot»sledilnik oddajnika«. S spremenljivo napetostjo na osnovi tranzistorja se lahko spremeni napetost na oddajniku. S tem bo krmiljen tudi tok preko poti zbiralnika-oddajnika. Zapomnili naj bi si, da je lahko pri sledilniku oddajnika z zelo majhnim osnovnim tokom krmiljen velikokrat večji tok preko poti zbiralnika-oddajnika tranzistorja. Zaradi tega je sledilnik oddajnika (vezje zbiralnika) posebej primerno za ojačanje toka, kot je npr. potrebno pri stereo napravah, da lahko obratujejo veliki zvočniki. 47

48 Samodejno počasno preklapljanje svetlo-temno Elektrolitski kondenzator Pri preteklih eksperimentih je bila lahko LED s pritiskom na tipko vklopljena ali izklopljena oziroma s spremembo kombinacij uporov spremenjena njena svetilnost. Z vezjem po sliki 53 bodo dosežen samodejni počasen vklop in počasen izklop LED. Slika 53 Prvič bo uporabljen nov element, elektrolitski kondenzator (kratek opis Elko). Pri elektrolitskih kondenzatorjih nujno upoštevajte! Rdeči elementi elektrolitskih kondenzatorjev signalizirajo, da je potrebno paziti na pravilno polarnost priključkov. Dlje časa napačno priključeni elektrolitski kondenzatorji ne bodo več uporabni. Po tem, ko so vse povezave vzpostavljene in so bile še enkrat preverjene, priključite baterijo. Pri zaprti (pritisnjeni) tipki LED vedno svetleje sveti. Tipko držite pritisnjeno dokler LED ne bo dosegla njene polne svetilnosti. Ko boste tipko spustili (odprta tipka), se zgodi nekaj čudnega, ker bi se LED po dosedanjih spoznanjih pri prekinjenem tokokrogu morala takoj izklopiti. To pa sedaj ne bo narejeno LED se počasi ugasne. Ker se LED v navajenem načinu vklopi in izklopi, iz majhne spremembe nastane: K plus polu elektrolitskega kondenzatorja napeljana žica bo odstranjena. Pri pritisku na tipko LED takoj svetlo zasveti. Pri spustitvi tipke se LED direktno ugasne. Odstranjeno žico k plus polu elektrolitskega kondenzatorja namestite nazaj in pri ponovnem pritisku na tipko spet nastane prej ugotovljena zakasnitev samodejnega vklopa in izklopa LED. S tem poskusom bo način delovanja kondenzatorja v elektronskem vezju posebej dobro ponazorjeno. 48

49 Preden bodo razložene dejanske funkcije kondenzatorja, so potrebni še nadaljnji eksperimenti. Najprej bo 10μF elektrolitski kondenzator zamenjan s 100μF elektrolitskim kondenzatorjem. S tem bo kapaciteta (zmogljivost pomnilnika) podeseterena. To bo jasno, ko boste tipko držali pritisnjeno dlje časa. Zakasnitev vklopa oziroma izklopa traja sedaj okoli 10-krat dlje. Sedaj bo 100μ elektrolitski kondenzator zamenjan s 100nF kondenzatorjem. Kapaciteta 100nF kondenzatorja je 1000-krat manjša kot kapaciteta 100μF elektrolitskega kondenzatorja. Pri pritisku na tipko ni več prepoznaven zakasnjen vklop oziroma izklop. V poskusni izdelavi bo spet uporabljen 10μF elektrolitski kondenzator (ustrezno s sliko 53). Povezovalna žica med 1KΩ in 100KΩ bo odstranjena. Pri pritisku na tipko nastane ista zakasnitev vklopa kot pri našem prvem eksperimentu kondenzatorjem, zakasnitev vklopa pa bi bila bistveno daljša. Slika 54 49

50 Kaj povzroča kondenzator? Za boljše razumevanje so bila na začetku navodil v poglavju»kaj je tok«primerjana razmerja v električnem tokokrogu z tokokrogom vode. Z isto metodo je lahko zlahka razložen tudi način delovanja kondenzatorja. Na sliki 55 bo baterija spet prikazana ko cilinder z batom in utežjo. Utež proizvede v sistemu napolnjenem z vodo pritisk (podoben kot električna napetost). S tem nastane kroženje. Delovanje kondenzatorja v tem kroženju vode bo prikazano z majhnim cilindrom (leva stran slike). V tem cilindru je prav tako nameščen premični bat, ki bo z dvema vzmetema držan v vmesni poziciji. Na zgornjem robu slike je vidna tudi stisnjena cev (kot upor). Slika 55 Ko bo z obešanjem uteži na velik cilinder nastal vodni tlak, poteka skozi tesno mesto (upor) počasno premikanje vode, ki v majhnem»kondenzatorskem cilindru«bat počasi potisne navzgor. Tem bolj kot bo ta bat potisnjen iz vmesne leg, tem bolj močno delujejo vzmeti proti temu premikanju. To traja tako dolgo, dokler se ne nastavi ravnovesje. V tem ravnovesju vzmeti v kondenzatorju povzročijo enak pritisk kot na velikem cilindru obešena utež. Spoznanja vodnega tokokroga bodo prenesena na preprosto elektronsko vezje, ki na sliki 56 prikazuje kombinacijo baterije, upora in kondenzatorja. Vezja ne naredite. To je namenjeno zgolj teoretični razlagi. Pri pritisnjeni tipki 1 nastane tokokrog od baterije preko kondenzatorja in upora nazaj k bateriji. Podobno tokokrogu vode teče električni tok v kondenzator. Vendar pa teče samo majhen tok, ker bo omejen z uporom. V kondenzatorju nastane počasna naraščajoča napetost. V kondenzator tekoč tok bo vedno manjši in takoj, ko je napetost na kondenzatorju točno tako velika kot na bateriji se tok električnega toka konča. Kondenzator je bil napolnjen na 9V. Ko boste na sliki 56 (teoretično) spustili pritisnjeno tipko, ostane v kondenzatorju nabrana količina toka shranjena. Nastane podobna situacija, kot je prikazana v»tokokrog vode«na sliki 57. Tam je v cilindru natekla količina vode napela vzmet. 50

51 Slika 56 Zaradi stisnjene cevi z kleščami nadaljnji pretok vode ni več možen. Vzmeti ostanejo v napeti poziciji. Ko bodo klešče odstranjene, se lahko shranjena količina vode izprazni. Izpraznitev poteka počasi, ker je v tokokrogu vode prisotno ozko mesto (upor). Isto poteka v električnem tokokrogu: Ko bo tipka 2 (slika 56) zaprta, se bo shranjena energija (plus pol kondenzatorja) počasi izpraznila preko upora in tipke 2 k minus polu kondenzatorja. Tem večja kot je upornost, tem manjši je pretok toka. S tem nastane kombinacija časa polnjenja in izpraznitve iz kombinacije vrednosti upornosti in kapacitete pomnilnika kondenzatorja. Načeloma kondenzator predstavlja majhen akumulator, ki je lahko vgrajen na vsako poljubno mesto vezja kot dodaten (kratkočasen) vir energije. Preden po sliki 53 še narejen poskus ponovno pričnemo obratovati, bo tam vstavljen 10μF kondenzator in povezovalni kabel (žica) bo spet vstavljen med 1KΩ in 100KΩ upor. Svetlenje in temnenje LED prikazuje na kondenzatorju prisotna napetost. Pri nizki napetosti kondenzatorja je LED temna pri večji napetosti kondenzatorja je LED svetlejša. Tudi napetost bo sedaj razumljiva. Glede na stanje polnjenja elektrolitskega kondenzatorja nastane na njegovem plus polu različna napetost. Ta napetost nastane tudi na osnovi tranzistorja, ki je vezan kot sledilnik oddajnika. Ustrezno z napetostjo na plus polu elektrolitskega kondenzatorja oziroma osnove tranzistorja bo uravnana tudi napetost na oddajniku tranzistorja in s tem bo upravljan tudi tok skozi pot zbiralnika-oddajnika tranzistorja. Bilo je že ugotovljeno, da je trajanje polnjenja oziroma izpraznitve odvisna od kapacitete kondenzatorja. Jasno je tudi, da je postopek polnjenja in praznjenja pri kondenzatorju z majhno kapaciteto hitrejše kot pri kondenzatorju z veliko (pomnilnik) kapaciteto. Na koncu je potrebno še preveriti vpliv upora na čas polnjenja in izpraznitve. Do sedaj uporabljen 100KΩ upor bo zamenjan s 47KΩ uporom. Z manjšim uporom poteka čas polnjenja in izpraznitve približno dvakrat tako hitro, ker lahko teče večji tok. Brez upora bi bilo polnjenje in praznjenje hitro izvedeno. Pri tem vezju želen zakasnjen vklop in izklop ne bi bil izveden. 51

52 Polnjenje in praznjenje kondenzatorjev Če želimo postopek polnjenja in praznjenja kondenzatorja opazovati brez»elektronskega ojačanja«, je lahko narejen poskus po sliki 58. Po priključitvi baterije bo elektrolitski kondenzator najprej izpraznjen tako, da z žičnim mostičkom na kratko med seboj povežemo oba priključka elektrolitskega kondenzatorja. Pri pritisku na tipko LED na kratko zasveti (približno ½ sekunde). Kondenzator je bil napolnjen preko 470Ω upora, LED in tipke z baterije. Po kratkem svetenju LED lahko prepoznate, da je za polnjenje potreben samo relativno nizke tok. Slika μF elektrolitski kondenzator bo previdno odstranjen iz vezja (pazite na to, da obe priključni točki ne bosta povezani med seboj, da elektrolitski kondenzator obdrži njegovo polnjenje). Namesto 100μF elektrolitskega kondenzatorja bo v vezje vgrajen 10μF elektrolitski kondenzator in poskus ponovljen. Najprej za izpraznitev oba priključka elektrolitskega kondenzatorja premostite z kratko žico in nato pritisnite na tipko. Po zelo kratkem blisku lahko prepoznate, da je bil čas polnjenja, kot pričakovano, skrajšan. Če bo 10μF elektrolitski kondenzator zamenjan z 100nF kondenzatorjem in boste poskus ponovili, lahko pri temi vidite še samo čisto kratek blisk. Če ste blisk zamudili, lahko kondenzator spet izpraznite tako, da njegova oba priključka na kratko povežete z koncem žice in nato za ponovitev poskusa še enkrat pritisnete na tipko. 52

53 Poskus bo spremenjen po sliki 60. Za ta eksperiment je potrebno uporabiti sveže napolnjene kondenzatorje iz prejšnjega poskusa (po možnosti vse poskuse zaporedoma izvedite). Pri vgradnji 100μF elektrolitskega kondenzatorja pazite na to, da na tipko ne boste pomotoma pritisnili ali da oba priključka elektrolitskega kondenzatorja ne bosta med seboj povezana. Mi opazimo, da pri tem poskusu baterija ni priključena. Pri pritisku na tipko, LED spet kratko zasveti (približno ½ sekunde). S tipko, 470Ω uporom in LED se lahko elektrolitski kondenzator izprazni. S tokom izpraznitve LED zasveti. Poskus izpraznitve ponovimo z 10μF elektrolitskim kondenzatorjem in z 100nF kondenzatorjem. Ugotovimo, da je trajanje vklopa LED pri izpraznitvi kondenzatorja tako dolgo, kot je pri polnjenju. To je tudi logično, ker pri polnjenju teče enaka količina toka v kondenzator, kot lahko pri praznjenju teče ven. Tipično področje uporabe hranjenja energije v kondenzatorjih so npr. foto bliskavice. S pomočjo elektronskega vezja bo relativno majhna napetost baterije pretvorjena v napetost več 1000V. S to visoko napetostjo bo kondenzator počasi napolnjen. S slikanjem bo nato kondenzator preko cevčice zelo hitro izpraznjen tako, da nastane svetel blisk. Slika 59 Slika 61 53

54 Slika 60»Notranje življenje«kondenzatorja Kondenzator je sestavljen iz dveh izoliranih ploščic, ki lahko shranita določene količine toka (količino elektronov). Tem večja kot je možnost hranjenja, tem večja je kapaciteta (kot pri akumulatorju). Kapaciteta bo merjena v Faradih (F). Razlikujemo nano-farad (nf) in Mikro Farad (μf). nf = 0, F 1μF = 1000nF ali 0, F V sistemu eksperimentov so priloženi elektrolitski kondenzatorji (Elko), katerih kapaciteta je navedena v μf. Ti elektrolitski kondenzatorji imajo veliko kapaciteto v primerjavi s prav tako prisotnimi kondenzatorji, katerih napetost je navedena v nf. Tem bolj kot so velike površine obeh plošč, tem večja je kapaciteta kondenzatorja. Odločilna je tudi oddaljenost med obema ploščama. Ti faktorji vodijo k različnim oblikam. V sistemu eksperimentov so pretežno prisotni»stoječi«kondenzatorji (s priključnimi žicami na eni strani). Obstajajo pa tudi»ležeči«kondenzatorji z levo in desno usmerjenimi priključnimi žicami (podobno uporu). Poleg kondenzatorjev, ki imajo kljub ustreznim zunanjim meram samo nizko kapaciteto, obstajajo tudi kondenzatorji z veliko kapaciteto pri majhni velikosti. Elektrolitski kondenzatorji vsebujejo prevodno elektrolitsko tekočino. Zapomnite si: Kondenzator shrani električno energijo. Tem večja kot je kapaciteta, tem več energije je lahko shranjene. Kondenzatorji, ki niso priključeni glede na pravilno polarnost bodo po kratkem času neuporabni. 54

55 »Zakasnjena«senzorska tipka Poskus ustrezno s tipko 62 je nadgradnja znane senzorske tipke. Ta poskus ponazarja možnost pomnilnika kondenzatorja. Po izgradnji in priključitvi baterije je senzorska tipka pripravljena na obratovanje. Ko bosta s prstom oba prosta priključka 1KΩ in 2,2KΩ upora premoščena, LED sveti. Ko boste prst umaknili z kontaktnih površin, se LED ne bo takoj ugasnila, temveč se po eni sekundi počasi ugasnila. Slika 62 55

56 Kako deluje vezje? Ko bosta obe točki senzorja premoščeni s prstom, prejme tranzistor T1 preko 1KΩ upora, prsta in 2,2KΩ upora potrebno osnovno napetost. Njegova pot zbiralnika-oddajnika bo nekoliko prevodna tako, da tranzistor T2 preko 470Ω upora, LED in poti zbiralnika-oddajnika tranzistorja T1 prav tako prejme potrebno obratovalno napetost in bo prevoden. Istočasno bo 100μF elektrolitski kondenzator preko 470Ω upora, LED in poti zbiralnika-oddajnika tranzistorja T1 napolnjen. Ko boste prst umaknili s priključkov, tranzistor T1 blokira. Elektrolitski kondenzator se izprazni preko poti osnove-oddajnika tranzistorja T21 tako, da T2 med časom izpraznitve od elektrolitskega kondenzatorja še naprej prejme potrebno osnovno napetost in ostane prevoden. Slika 63 56

57 Svetlobni avtomat za stopnišča V velikih stanovanjskih zgradbah bo osvetljava stopnišča z kratkim pritisk na tipko vklopljena. Po določenem času se bodo luči samodejno ugasnile. Načelo takšnega samodejna delujočega vezja bo narejeno ustrezno s sliko 64. Kot običajno, priključimo baterijo šele takrat, ko je vezje popolnoma narejeno in je še enkrat bilo preverjeno. Nato pritisnimo na kratko na tipko. LED sveti in se po približno 3 sekundah samodejno izklopi. Slika 64 57

58 Kako deluje vezje? Če opazujemo vezalni načrt 65, takoj prepoznamo, kako to vezje deluje. Pri kratkem pritisku na tipko bo elektrolitski kondenzator zelo hitro napolnjen na napetost baterije. Pri spustitvi tipke, se elektrolitski kondenzator počasi izprazni preko velikega 100KΩ upora kot krmilni tok preko poti osnove-oddajnika tranzistorja. Tranzistor bo prevoden in LED sveti. Da bo izpraznitev izvedena nekoliko hitreje, se tok izpraznitve razveji tudi še v 47KΩ upor. V tem poskusu je bila svetilna dioda s preduporom preklopljena med zbiralnik in plus pol baterije. s tem je oddajnik tesno povezan s plus polom baterije. Napetost na oddajniku stalno znaša 0V in ne more slediti osnovni napetosti. S tem bo doseženo, da se vezje relativno hitro preklopi tako, da bo svetilna dioda nenadoma izklopljena in se ne bo počasi ugasnila. Vezje ima še eno posebnost: Če boste med časom vklopa še enkrat pritisnili na tipko, bo kondenzator spet popolnoma napolnjen in čas vklopa se ustrezno podaljša. Tudi pri osvetlitvi stopnišča se luč ne ugasne, dokler v majhnih razmakih ne boste zadostikrat pritisnili na tipko. Slika 65 Ura za kviz (časomer) Vezje po sliki 64 je lahko uporabljeno kot časomer ali ura za kviz. Pri ugankah naj bi bilo npr. na postavljeno vprašanja odgovorjeno v roku določenega časa ali pri šahu naj bi bil za vsako figuro na voljo samo določen čas. S pritiskom na tipko bo pričel čas teči (LED sveti). Čas je iztekel takoj, ko se LED ugasne. Za ta namen uporabe pa vendar najprej dan čas igranja približno 3 sekund v večini primerov ni zadosten. Z našim znanjem o polnjenju in praznjenju kondenzatorjev je pa zelo zlahka možno spremeniti čas. Pri odstranitvi 47KΩ upora iz vezja se čas vklopa LED podaljša na približno 10 sekund. Če bo potreben še daljši čas, bo 10μF elektrolitski kondenzator zamenjan s 100μF elektrolitskim kondenzatorjem. Različni nadaljnji časi so lahko doseženi z kombinacijami: npr. uporaba 100μF elektrolitskega kondenzatorja in dodatna vgradnja 47KΩ upora, itd. 58

59 Tester baterij Izvedenih je bilo cela vrsta poskusov in eksperimentov. Verjetno še vedno delamo z baterijo, ki gotovo ima zadostno napetost za sledeče poskuse. Vendar pa je za sledeče eksperimente pomembno, da je baterija še neoporečna. Za ugotovitev tega, naredimo preprost tester baterij. Baterije oddajo njihovo energijo kot električni tok. Nova in neoporečna baterija ima na njenih priključnih polih 9V napetost. Baterija, ki je bila uporabljana dlje časa, ne bo nenadoma prazna, temveč izhodna napetost počasi pade na 8V, 7V, itd. Veliko poskusov je lahko izvedenih tudi z nekoliko šibkejšo baterijo. Če pa poskus sploh ne deluje ali ne deluje tako, ko je opisano, obstaja možnost, da je baterija naredila prenizko napetost. V tem primeru ponovite poskus z novo baterijo. Pri tej priložnosti naj bi bilo nakazano tudi na posebno zmogljivost alkalno-manganovih baterij. Alkalno-manganove baterije so sicer dražje kot običajne cink-ogljikove baterije, njihovo trajanje uporabe pa je bistveno daljše in zanesljivejše. Ko bo veliko eksperimentirano, se priporoča, da priključite poseben BUSCH napajalnik Tester baterij naredimo ustrezno s sliko 66. Tester baterij bo priključen na sponke držala za baterije. Ko LED pri pritisku na tipko sveti svetlo, je baterija še neoporečna. Ko LED sploh ne sveti več, znaša izhodna napetost baterije manj kot 7V. Ko LED sveti šibko, znaša napetost baterije približno 7-7,5V. Pri samo šibko svetleči ali nesvetleči LED, baterija za nadaljnje poskuse ne more več biti uporabljena. Slika 66 59

60 Slika 67 Stare baterije ne sodijo med gospodinjske odpadke. Baterije vsebujejo materiale, ki delno škodujejo okolju. V veliko trgovinah so zaradi tega postavljene zbiralne posode, kjer lahko pri nakupu novih baterij oddate izrabljene baterije. Kako deluje vezje? Tranzistorja T1 in T2 sta vezana k Darlington stopnji. S tem se oba tranzistorja obnašata kot en tranzistor z zelo visokim ojačanjem toka. Ker je svetilna dioda vezana med oddajnikom tranzistorja T2 in minus polom baterije, lahko stopnja Darlington tranzistorja deluje po načelu sledilnika oddajnika. Z zaporedno vezavo obeh tranzistorjev nastane med osnovo tranzistorja T1 in oddajnikom tranzistorja T2 razlika v napetosti 1,4V ( 2x0,7V). Z kombinacijo 1KΩ, 2,2KΩ in 10KΩ uporov nastane pri 7,5V napetosti baterije na osnovi tranzistorja T1 približno 2,7V napetost. S tem se napetost na oddajniku tranzistorja T2 (in s tem na LED) nastavi približno na 1,3V. Pri tej napetosti LED še komaj sveti. Minimalne spremembe obratovalne napetosti imajo tudi ustrezne spremembe na osnovi tranzistorja T1 in s tem na oddajniku tranzistorja T2. Če napetost baterije naraste nad 7,5V, naraste tudi napetost na oddajniku tranzistorja T2 na približno 1,4V in s tem doseže polno obratovalno napetost LED. Če je napetost baterije še večja, bo LED zaščitena z 470Ω. Če skupna napetost baterije pade npr. na 7V, nastane na osnovi tranzistorja T1 2,5V napetost in na oddajniku tranzistorja T2 1,1V napetost. Z 1,1V je obratovalna napetost LED bistveno nižja LED ne sveti več. S 100KΩ uporom bo tok od uporov k osnovi tranzistorja T1 toliko zmanjšan, da s tem dodatnim tokom rezultat merjenja ne bo popačen. K obema Darlington stopnjama vezana tranzistorja sta potrebna, da bo nizek osnovni tok spet toliko ojačan, da LED svetlo zasveti. 60

61 Samodejno časovno stikalo Samodejno časovno stikalo po sliki 68 prikazuje razvoj svetlobnega stopniščnega avtomata. Elektronsko upravljana časovna vezja so v praksi pogosto uporabljena. Npr. v motornem vozilu pri napravi brisalcev šip. Z kratkim impulzom (pritisk stikala) bo sedaj vode razpršene po vetrobranskem steklu, brisalni določen čas delujejo in se nato samodejno izklopijo. Strokovno so takšna vezja označena kot»monostabilna stopnja preklopa«. Za razliko od že razložene bistabilne stopnje (čigar stanje je vklopljeno ali izkopljeno), ima monostabilna stopnja preklopa stabilno in nestabilno stanje. Stopnja bo vklopljena z kratkim impulzom. Po določenem času se preklopi nazaj v izhodno leto se izklopi. Stanje izklopa je nato spet stabilno zaradi tega ime»monostabilna stopnja preklopa«. Po izgradnji vezja po sliki 68 bo tipka na kratko pritisnjena (kratek impulz zadostuje), LED sveti in se po približno 10 sekundah samodejno izklopi. Če bo na tipko večkrat pritisnjeno, v primerjavi z vezjem svetlobnega avtomata za stopnišča, ne bo dana sprememba zakasnitve izklopa približno 10 sekund. Za krmiljenje časa bo uporabljena spet električna kapaciteta pomnilnika kondenzatorja v povezavi z uporom. Ko bo 100μF elektrolitski kondenzator zamenjan z 10μF, znaša čas vklopa še samo približno 1 sekundo. V tem primeru je bila kapaciteta pomnilnika kondenzatorja zmanjšana na desetino. Če bo v vezje spet vstavljen 100μF elektrolitski kondenzator in namesto tega 100KΩ upor zamenjan z 10KΩ uporom, prav tako nastane čas vklopa 1 sekunde. Zaradi faktorja 10 zmanjšana vrednost upornosti lahko teče 10x večji tok, z čimer bo čas spremenjen. Slika 68 61

62 Kako deluje vezje? Najprej je potrebno preiskati stabilno stanje (LED izklopljena) (glejte vezalni načrt slika 69). Majhen tok teče preko 100KΩ upora k osnovi tranzistorja T1. Ta je prevoden in tranzistorju T2 bo preko priključenega 47KΩ upora napetost odvzeta, ker je osnova tranzistorja T2 preko 47KΩ upora in s prevodno potjo zbiralnika-oddajnika tranzistorja T1 povezana z minus polom baterije. Tranzistor T2 blokira, LED ne sveti. Katero nalogo ima elektrolitski kondenzator 100μF? Njegov minus pol je povezan z osnovo tranzistorja T1. Tam je prisotna 0,7V napetost v primerjavi z oddajnikom tranzistorja T1 in s tem tudi minus polu 9V elementa. Preko 470Ω upora in LED bo kondenzator napolnjen 8,3V (0,7V napetost osnove-oddajnika in 8,3V na kondenzatorju podata polno 9V napetost baterije). Vezje v tem stanju ostane stabilno dokler ne boste pritisnili na tipko. Slika 69 Pri zaprti tipki se situacija spremeni: LED sveti. Tok lahko sedaj teče s plus pola baterije preko 470Ω upora, LED in tipke k minus polu baterije. Dokler je tipka pritisnjena (zaprta), je plus pol na 8,3V napolnjenega elektrolitskega kondenzatorja povezan s plus polom baterije. S tem nastane na minus polu elektrolitskega kondenzatorja in s tem tudi na osnovi tranzistorja T1 napetost minus 8,3V (»negativna«napetost v primerjavi z minus polom baterije). Na osnovi tranzistorja T1 manjka potrebna pozitivna napetost T1 blokiran. Po tem ko je tranzistor T1 blokiran, prejme tranzistor T2 preko uporov 1KΩ in 47KΩ potrebno (pozitivno) osnovno napetost preklopi se, LED še naprej sveti tudi ko boste spustili tipko. Tudi plus pol elektrolitskega kondenzatorja ostane preko sedaj prevodne poti zbiralnika-oddajnika tranzistorja T2 povezan z minus polom baterije, t.j. da na osnovi tranzistorja T1 še naprej ostane prisotna negativna napetost. Za trajanje svetenja je odgovorna kombinacija napolnjenega elektrolitskega kondenzatorja, kot prej teče preko 100KΩ upor majhen tok vendar ne k osnovi tranzistorja T1, temveč samo k minus polu napolnjenega elektrolitskega kondenzatorja. S tem bo v elektrolitskem kondenzatorju prisotna razlika v napetosti počasi izravnana, t.j. elektrolitski kondenzator se počasi izprazni. Ko je elektrolitski kondenzator izpraznjen, na njegovem minus polu in s tem tudi na osnovi tranzistorja T1 ni več negativne napetosti v primerjavi z minus polom baterije. Preko 100KΩ upora prejme osnova tranzistorja T1 pozitivno upravljalno napetost, T1 se preklopi. Osnova tranzistorja T2 je preko 47KΩ upora in poti zbiralnika-oddajnika tranzistorja T1 povezana z minus polom baterije. T2 je blokiran, vezje se preklopi nazaj v prvotno stabilno stanje. 62

63 Najbolje je, da opis delovanja še enkrat preberete in poti pozitivnih in negativnih napetost (razlike napetosti) označite na vezalnem načrtu z barvicami, ker kdor to poglavje pravilno razume, je zelo daleč v navideznih skrivnostih elektronike. S tem prepoznamo, da je časovni potek odvisen tako od kapacitete elektrolitskega kondenzatorja, kot tudi od 100KΩ upora. Za časovni potek v tem vezju ni odgovoren čas polnjenja, temveč čas izpraznitve elektrolitskega kondenzatorja preko upora. Tema»pozitivne in negativne napetosti«bo še enkrat izčrpno obdelana v drugem poglavju navodil. Zapomnite si: Z monostabilno stopnjo preklopa so lahko impulzi podaljšani na točno določen čas. Ta čas je odvisen od kapacitete kondenzatorja in vrednosti pripadajočega upora. Vezje zakasnitve (zakasnjen vklop) Zakasnjeni vklopi so uporabljeni vsepovsod tam, kjer je potreben določen čas med vklopom in sproženjem funkcije, npr. nekateri elektromotorji ne smejo takoj biti priključeni na polno napetost. Šele po kratki zakasnitvi, t.j. ko je doseženo določeno število vrtljajev, bo priključena polna napetost. V zvezi z alarmno napravo lahko takšno vezje, npr. zakasni vklop alarma. To je pri samodejni alarmni napravi pomembno, saj je lahko tam običajno naprava vklopljena in izklopljena samo izven samodejnega območja. Ko lastnik avtomobila odpre vrata, ima zaradi vezja zakasnitve nekaj sekund časa, da izklopi nameščeno stikalo. Tat, ki ne ve, da je vozilo zavarovano in ki tudi ne pozna lege stikala, naprave v roku kratkega časa ne more izklopiti. Alarm bo sprožen. Sliki 70 in 71 prikazujeta načrt izgradnje in vezalni načrt vezja zakasnitve. Po kontroli povezovalnih kablov priključite baterijo. Tipko držite pritisnjeno, ker bo LED vklopljena šele z zakasnitvijo približno 1 sekunde. Tudi v tem vezju je za časovni potek odvisen elektrolitski kondenzator. Če bo npr. 100μF elektrolitski kondenzator zamenjan z 10μF elektrolitskim kondenzatorjem se čas zakasnitve zmanjša na desetino (poskusite). 63

64 Slika 70 Slika 71 Kako deluje vezje? Pri vklopu (tipka zaprta (pritisnjena)) prejme tranzistor T1 potrebno pozitivno osnovno napetost preko 100Ω in 1KΩ uporov in 100μF elektrolitskega kondenzatorja. Ta nizek krmilni tok (istočasno tok polnjenja za elektrolitski kondenzator) zadostuje, da bo tranzistor T1 prevoden in bo preko njegove poti oddajnika-zbiralnika osnova tranzistorja T2 povezana z minus polom baterije T2 je blokiran. Sedaj bo 100μF elektrolitski kondenzator počasi napolnjen, z čimer bo napetost na njegovem z osnovo tranzistorja T1 povezanim minus polom vedno manjša (negativna). S počasnim nadaljnjim polnjenjem elektrolitskega kondenzatorja bo osnovi tranzistorja T1 odvzet potreben pozitiven krmilni tok T1 blokiran. Sedaj tranzistor T2 prejme potrebno osnovno napetost preko 47KΩ upora se preklopi. LED sveti tako dolgo, dokler naprava ostane vklopljena (pritisnjena tipka). 64

65 Utripa nestabilna stopnja preklopa Po že znanih bistabilnih in monostabilnih stopnjah preklopa bo sedaj razložena tudi nestabilna (astabilna) stopnja preklopa. Tipična nestabilna stopnja preklopa je vezje utripanja (npr. vse vrste vezij utripajočih luči na gradbiščih, prehodih čez progo, smerniki vožnje v motornih vozilih, itd.). Utripajoče luči imajo dve posebni prednosti: Ob enem je stopnja pozornosti pri utripajoči luči bistveno močnejša kot pri istočasno svetleči luči. Ob drugem utripajoča vezja z kratkim časom vklopa luči in dolgim časom izklopa varčujejo z energijo tako, da lahko utripajoče luči, itd. obratujejo bistveno dlje časa kot stalno svetleče luči z baterijami ali akumulatorji. Po tem, ko je bil poskus po sliki 72 preverjen, pritisnite na tipko. Dokler bo tipka pritisnjena bo LED utripala. 1KΩ upor zamenjamo z zaporedno vezavo iz LED in 470Ω upora. To pomeni, da bo svetilna dioda (z 470Ω uporom) priključena na zbiralnik levega tranzistorja medtem, ko bo zbiralnik levega tranzistorja in plus pol 100μF elektrolitskega kondenzatorja povezan z 1KΩ uporom. Če boste sedaj vezje pričeli obratovati, LED utripa v primerjavi s prejšnjim poskusom razlika ni ugotovljiva. Mi prepoznano, da ima bistabilna stopnja preklopa simetrično izgradnjo in ni pomembno na kateri tranzistor bo LED priključena. Če imamo BUSCH sistem eksperimentov 6000 ali 7000, lahko namesto 1KΩ upora zaporedno z drugim 470Ω vežemo tudi drugo svetilno diodo. Po začetku obratovanja (s pritiskom na tipko) ugotovimo, da obe LED izmenično utripata. Slika 72 65

66 Slika 73 Če se želimo med branjem sledeče razlage razveseliti nad utripanjem LED, se lahko tipko premosti z kratkim koncem žice. Nastane stalno utripanje. Kako deluje vezje? Če bo vezalni načrt nestabilne stopnje preklopa (slika 73) primerjan z vezalnim načrtom monostabilne stopnje preklopa (slika 69) opazimo, da sta obe vezji skoraj identični. Zamenjan je bil zgolj 47KΩ upor monostabilne stopnje preklopa v nestabilni stopnji preklopa z elektrolitskim kondenzatorjem. S tem drugim elektrolitskim kondenzatorjem se vezje obnaša kot dve monostabilni stopnji preklopa, ki sta medsebojno vezani. Primer: Če je 100μF elektrolitski kondenzator napolnjen in LED ravno prične svetiti, prejme tranzistor T2 preko 100KΩ upor potrebno osnovno napetost. Istočasno je plus pol 100μF elektrolitskega kondenzatorja preko poti zbiralnika-oddajnika tranzistorja T2 povezan s plus polom baterije. Ker je bil 100μF elektrolitski kondenzator napolnjen, sedaj pa je njegov plus pol povezan z minus polom baterije, nastane na minus polu elektrolitskega kondenzatorja negativna napetost k minus polu baterije, ki je prisotna tudi na osnovi tranzistorja T1. S tem tranzistorju T1 manjka potrebna osnovna napetost tranzistor je blokiran. Preko 10KΩ upora teče majhen tok, vendar ne k osnovi tranzistorja T1, temveč k negativno napolnjenem minus polu elektrolitskega kondenzatorja. V elektrolitskem kondenzatorju prisotna razlika v napetosti bo počasi izravnana, t.j., elektrolitski kondenzator se izprazni. Istočasno bo 10μF elektrolitski kondenzator preko 1KΩ upora napolnjen. Takoj, ko je 100μF elektrolitski kondenzator (preko 10KΩ upora) izpraznjen, pride majhna negativna krmilna napetost preko 10KΩ upora na osnovo tranzistorja T1 tranzistor se preklopi. Sedaj je plus pol napolnjenega 10μF elektrolitskega kondenzatorja preko poti zbiralnika-oddajnika tranzistorja T1 povezan z minus polom baterije. Na minus polu 10μF elektrolitskega kondenzatorja (in na osnovi tranzistorja T2) nastane negativna napetost v primerjavi z minus polom baterije tranzistor T2 je blokiran: LED se ugasne. Preko 470Ω upora in svetilne diode bo 100μF elektrolitski kondenzator počasi napolnjen medtem, ko se lahko istočasno 10μF elektrolitski kondenzator preko 100KΩ upora počasi izprazni, dokler razlika napetost med plus in minus polom 10μF elektrolitskega kondenzatorja ni izravnana. Nato prejme osnova tranzistorja T2 preko 100KΩ upora potrebno krmilno napetost tranzistor T2 se preklopi, LED sveti. Postopek preklopa spet poteka tako, kot je opisano na začetku. Vezje se stalno preklaplja sem ter tja. 66

67 Dolžina časa svetenja LED (svetla faza) nastane iz kombinacije 100μF elektrolitskega kondenzatorja in 10KΩ upora. Čas izklopa nastane iz kombinacije 10μF elektrolitskega kondenzatorja in 100KΩ upora. V vezju po sliki 72 sta fazi svetenja in izklopa LED približno isto dolgi. Če bo sedaj v tem vezju 10μF elektrolitski kondenzator zamenjan s 100μF elektrolitskim kondenzatorjem, nastanejo kratka utripanja z ustrezno dolgimi premori (poskusite). Pogostost utripanja LED se ne spremeni. Sedaj bosta upora 10KΩ in 100KΩ med seboj zamenjana. Po začetku obratovanja spet nastane enakomerno utripanje s približno isto fazo svetenja in izklopa. Sedaj še enkrat zamenjamo 100μF in 10μF elektrolitska kondenzatorja. Sedaj nastane relativno dolg čas svetenja LED in samo kratka faza izklopa (teme). Vendar pa pogostost utripanja LED ostane nespremenjena. Mi prepoznamo, da način utripanja odvisen od elektrolitskih kondenzatorjev in uporov. Na koncu zamenjajmo 100μF elektrolitski kondenzator s 100nF kondenzatorjem. Po začetku obratovanja vezja nastane efekt stroboskopa. LED utripa v hitrem ritmu. V primerjavi s prejšnjimi poskusi se je pogostost utripanja povečala. Pogostost utripanja LED je označena tudi kot frekvenca utripanja. Enota frekvence je hertz (Hz) in poda, kako pogosto bo LED v roku ene sekunde vklopljena oziroma izklopljena. Frekvenca 10Hz pomeni, da LED v eni sekundi 10-krat zasveti (utripa). Zapomnite si: Nestabilna stopnja preklopa nima stabilnega stanja. Njena frekvenca se spreminja z ustreznimi merami delov v širokih mejah. 67

68 Alarmna naprava z vezjem utripanja (utripajočimi lučmi) Vezje utripanja iz prejšnjega poskusa je lahko zelo preprosto spremenjeno v alarmno napravo z utripajočimi lučmi. Na načrtu izgradnje 74 oziroma vezalnem načrtu 75 je kot varnostna zanka prikazana premoščena žica od osnove k oddajniku tranzistorja T1. Ko bo alarmna naprava s priključitvijo baterije pričela obratovati, navidezno ne nastane nobeno delovanje, svetilna dioda ostane temna (izklopljena). Če bo seda prej kot žica premostitve nameščena žična zanka (na tranzistorju T1) prekinjena, prične vezje samodejno utripati. To vezje lahko uporabimo na isti način, kot pri opisanem vezju alarma. Ali bo ustrezna varnostna zanka uporabljena kot žica za spotaknitev ali kot varovalo kontakta vrat. Slika 74 68

69 Slika 75 Vezje utripajočih luči z nastavljivo frekvenco utripanja Mi želimo naše vezje utripajočih luči še nekoliko spremeniti in s tipko spremeniti čas utripanja. Najprej bo baterija odklopljena in pri prejšnjem poskusu nameščena varnostna zanka na tranzistorju T1 bo odstranjena. Dodatno bo v vezje vstavljena tipka in 47KΩ upor (glejte sliko 76). Če bo sedaj baterija priključena, utripa vezje kot pričakovano, pri čemer se frekvenca utripanja pri pritisku na tipko še bolj poveča. Slika 76 69

70 Kako deluje vezje? Tudi to vezje utripanja je spet sestavljeno iz znane nestabilne stopnje preklopa. Za čas izpraznitve 100μF elektrolitskega kondenzatorja je odgovoren 2,2KΩ upor. Dokler tipka ne bo pritisnjena, bo čas izpraznitve 10μF elektrolitskega kondenzatorja določal 100KΩ upor. Pri pritisku na tipko lahko teče dodaten tok izpraznitve preko 47KΩ upora. S tem bo čas izpraznitve 10μF elektrolitskega kondenzatorja skrajšan, vezje se hitreje preklopi, frekvenca utripanja LED narašča. Če opazujemo vezalni načrt 77, prepoznamo, da sta pri pritisku na tipko 47KΩ in 100KΩ upor vezana drug poleg drugega. Strokovnjak reče:»oba upora sta vzporedno vezana«. Pri vzporedni vezavi uporov teče tok skozi vsak posamezen upor. S tem lahko skupaj teče večji tok. Če bosta npr. dva 100KΩ vzporedno vezana, je tekoč tok skozi oba upora dvakrat toliko velik, kot če bi bil uporabljen samo en upor. To pomeni, da je skupna upornost vzporedne vezave manjša od vrednosti posameznih uporabljenih uporov. Z vzporedno vezavo dveh 100KΩ uporov bo dosežena skupna vrednost upornosti 50KΩ. Zapomnimo si, da lahko vzporedna vezava več uporov doseže poljubno skupno vrednost upornosti. Slika 77 70

71 Elektronski zatemnilnik Pri enem izmed prvih poskusov v teh navodilih je bila LED s pomočjo črte svinčnika»zatemnjena«. Ker je bila svetilnost LED krmiljena preko»upornosti svinčnika«, uravnavanje do sedaj ni bilo dobro. S pomočjo elektronike lahko sedaj naredimo vezje elektronskega zatemnilnika, z katerim je lahko svetilnost LED zelo fino nastavljena od zelo temne do zelo svetle svetilnosti. Najprej si moramo narediti spremenljiv upor. Za to na list papirja z mehkim svinčnikom narišite približno 10 x 20 mm veliko polje. Pomembno je, da bo uporabljen mehek svinčnik (ker ima grafit v svinčniku potrebne lastnosti. Zaradi tega ne uporabite kemičnega svinčnika, nalivnega peresa ali flomastra). Polje kar se le da na debelo prebarvajte. Na začetku in koncu polja vsakokrat s pisarniško sponko pritrdite eno žico. Vezje bo narejeno ustrezno s sliko 78. Po priključitvi baterije je»zatemnilnik«pripravljen na obratovanje. Žico, ki je napeljana od 1KΩ upora do našega»nastavljivega upora«, lahko na narisanem polju premikate sem ter tja, z čimer bo spremenjena tudi svetilnost LED. Če se žica nahaja na spodnjem koncu upora svinčnika (pisarniška sponka s priključni žici k LED), LED ne sveti. Ko bo žica premaknjena navzgor, se bo svetilnost LED povečala. Slika 78 71

72 Narejen, nastavljiv upor deluje po istem načelu kot industrijsko izdelan»potenciometer«. Tudi pri teh potenciometrih bo s pomočjo brusa narejena grafitna plast upora. Potenciometri imajo tri priključke, po en priključek na začetku in koncu grafitne plasti in en priključek na stikalu z katerim je lahko odčitana spremenljiva upornost. Simbol vezave potenciometra je skoraj enak kot simbol upora, zgolj brus bo prikazan z dodatno puščico. Kako deluje vezje? Potenciometer Oba tranzistorja sta vezana k Darlington stopnji in delujeta po znanem načelu oddajnika-sledilnika. Napetost na oddajniku tranzistorja T2 (in s tem tudi LED) sledi vhodni napetosti na osnovi tranzistorja T1. Zgornji konec slike narejene s svinčnikom je povezan s plus polom baterije tako, da nastane napetost 9V. Spodnji del grafitne plasti je povezan z minus polom baterije tako, da tam logično napetost ne more biti prisotna. Med tema obema priključnima točkama nastane tudi na grafitni plasti napetost, čigar veličina stalno narašča od spodaj navzgor z 0 na 9V. Glede na to, kje bo napetost s prostim koncem žice odvzeta z grafitne plasti in bo preko 1KΩ upora osnove tranzistorja T1 dovedena, nastane na tranzistorju T2 ustrezna napetost, ki krmili svetilnost LED. Slika 79 72

73 Vezje utripajočih luči z brezstopenjsko nastavljivo frekvenco utripanja Slika 80 prikazuje poskus izdelave vezja utripajočih luči, pri kateri je lahko z uporabo narejenega potenciometra brezstopenjsko nastavljena hitrost utripanja (frekvenca utripanja). Na enem koncu grafitnega polja bo žica pritrjena s sponko in napeljana k 100Ω uporu. Z osnove desnega tranzistorja prišla žica ne bo pritrjena, temveč je namenjena za reguliranje frekvence utripanja. Po začetku obratovanja vezja (priključitev baterije) je lahko prost konec žice dotaknjen samodejno narejenem uporu in s tem nastavljena frekvenca utripanja v območju približno 0,1Hz do 10Hz. Delovanje nam je verjetno jasno. Velikost toka izpraznitve 10μF elektrolitskega kondenzatorja nestabilne stopnje je odvisna od velikosti vrednosti upornosti, ki nastane zaradi oddaljenosti obeh koncev žic na grafitnem polju. 100Ω upor v vezju ima funkcijo zaščite, da tranzistor T2 ne bo direktno povezan z +9V baterijo, če se bi oba konca žic na grafitnem polju dotaknila. Slika 80 73

74 Slika 81 Daljinsko upravljan elektronski rele Pri prejšnjih poskusih smo s pritiskom na tipko zaprti tokokrog, ki je bil spet prekinjen takoj, ko je bila tipka spuščena. S sedaj sledečim poskusom bo z kratkim pritiskom na tipko LED vklopljena in z nadaljnjim kratkim pritiskom spet izklopljena. Če bi imeli več tipk, bi lahko LED celo vklopili in izklopili z različnih mest. Takšna daljinsko upravljana stikala so npr. uporabljena v velikih zgradbah, da bo osvetlitev stopnišča tako v kleti kot tudi v zgornjem nadstropju ter v vsakem poljubnem nadstropju s pritiskom na tipko vklopljena in izklopljena. Po tem, ko je bilo vezje ustrezno s sliko 82 še enkrat preverjeno, bo sedaj priključena baterija. Na tipko sedaj na kratko pritisnite. LED se mora pri pritisku na tipko vklopiti in pri naslednjem pritisku izklopiti. Naše vezje ima dve stabilni stanji (LED vklopljena ali LED izklopljena) in je posledično s tem bistabilna stopnja preklopa. V primerjavi s prejšnjimi narejenimi bistabilnimi stopnjami preklopa je potrebno samo eno stikalo za preklop v eno in drugo smer. 74

75 Slika 82 Kako deluje vezje? Pri branju sledečih opisov delovanja se zdi prikazovanje verjetno nekoliko težko. Zelo lažje razumljivo bo, če bodo z rdečim pisalom na vezalnem načrtu 83 razloženi tokokrogi jasno označeni. Domnevajmo, da LED ne sveti. Preko 470Ω upora, LED in 10KΩ prejme tranzistor T1 pozitivno osnovno napetost. Njegova pot zbiralnika-oddajnika je prevodna in s tem odvzame tranzistorju T2 osnovno napetost, ker je osnova tranzistorja T2 preko 100Ω upora in odprte poti zbiralnikaoddajnika tranzistorja T1 povezana z minus polom baterije. S tem ostane tranzistor T2 blokiran. Istočasno bo preko 470Ω upora, LED in 1KΩ upora 100μF elektrolitski kondenzator napolnjen. Pri pritisku na tipko prejme osnova tranzistorja T2 pozitivno napetost s plus pola 100μF elektrolitskega kondenzatorja. S tem bo tranzistor T2 prevoden LED sveti. Istočasno je sedaj osnova tranzistorja T1 preko 10KΩ upora in prevodne poti zbiralnika-oddajnika tranzistorja T2 povezana z minus polom baterije. tranzistorju T1 manjka pozitivna osnovna napetost tranzistor je blokiran. S tem prejme tranzistor T2 pozitivno osnovno napetost preko 2,2KΩ upora s plus pola baterije tudi, ko bo tipka spuščena. Istočasno je lahko 100μF elektrolitski kondenzator preko 1KΩ upora in prevodne poti zbiralnika-oddajnika tranzistorja T2 izpraznjen. S tem pade napetost na plus polu elektrolitskega kondenzatorja na 0V (napetost ni več prisotna). Če bo sedaj, torej pri vklopljeni LED, ponovno pritisnjena tipka, odvzame elektrolitski kondenzator tranzistorju T2 osnovno napetost. Tranzistor T2 je blokiran, LED se ugasne. Istočasno prejme tranzistor T1 preko 10KΩ upora, LED in 470Ω upora potrebno osnovno napetost tranzistor T1 bo prevoden. S tem je bilo doseženo stabilno stanje preklopa in spet nastane ista situacija, kot je razložena na začetku. 75

76 Slika 83 Javljalnik požara opozorilo na poledico Na splošno bodo temperature merjene s termometri (tako, da bo raztezanje živega srebra odčitano na skali v stopinjah). S pomočjo elektronike so lahko temperature določene bistveno bolj natančno. Istočasno lahko elektronika sproži dodatne opozorilne signale ali posebne funkcije preklopov. Tipični nameni uporabe so npr. elektronski javljalniki požara, ki pri določeni temperaturi samodejno sprožijo protipožarno napravo. V modernih vozilih bo opozorjeno pri nizki temperaturi 3 stopinj nakazano na»nevarnost poledice«. Temperaturna stikala vklopijo pri določeni temperaturi ventilator za hladilno vodo in elektronski termostati nadzorujejo ogrevanje in klimatske naprave, da bo nastavljena temperatura prostora točno obdržana. Za elektronske meritve temperature bodo običajno vstavljeni senzorji, ki s spremembo temperature spremenijo njihovo vrednost upornosti. Posebej temperaturno odvisne vrednosti upornosti imajo polprevodnike. Ker nimamo na voljo posebnega senzorja temperature, bomo v sledečem poskusu uporabili tranzistor kot tipalo temperature. Vezje bo narejeno po sliki 84 in bo pričelo obratovati s priključitvijo baterije. Za prikaz temperature je namenjena svetilna dioda, ki pri sobni temperaturi sveti s»polovično svetilnostjo«. S sledečim poskusom naj bo preiskano, kako vezje reagira na ohladitev. Za to celotno narejeno vezje za nekaj minut dajte v hladilnik ali zamrzovalno skrinjo. Ko boste pričeli obratovati vezje, bo LED svetila s polno svetilnostjo. Segretju vezja lahko sledimo LED bo počasno temna. Postopek segrevanja je lahko pospešen tako, da lev tranzistor, ki je namenjeno kot temperaturno tipalo, segrejemo med prsti. Sledeč poskus naj prikazuje, kaj se zgodi pri večjih temperaturah. Za to bo lev tranzistor s sušilnikom za lase dodatno segret. Mi opazujemo, da bo LED temna oziroma se izklopi. Ko bo sušilnik izklopljen, lahko ohladitev temperaturnega tipala prepoznamo na svetilni diodi, ki pri dosegu sobne temperature spet sveti s polovično svetilnostjo. 76

77 V praksi so tranzistorji kot temperaturno tipalo manj dobro primerni. Za elektronske merilne instrumente temperature so običajno uporabljeni polprevodni elementi, ki so bili narejeni posebej za te namene. Ti polprevodni elementi spremenijo njihovo notranjo upornost pri spremembi temperature bistveno močneje, kot naš uporabljen tranzistor. Verjetno pa si lahko predstavljamo, da so lahko s podobnimi vezji reguliranja in funkcije zelo preprosto sprožene. Sika 84 Slika 85 77

78 Kako deluje vezje? 1KΩ upor je vezan tako med osnovo in plus polom baterije kot tudi med zbiralnikom tranzistorja T1 in baterijo (glejte sliko 85). S tem je tranzistor T1 nekoliko prevoden in osnova tranzistorja T2 prejme preko 10KΩ upora relativno majhno osnovno napetost. Pri sobni temperaturi je tranzistor T2 ravno toliko prevoden, da LED malo sveti. S tem naraste napetost na osnovi tranzistorja T2, ta bo bolj močno prevoden in po njegovi poti zbiralnika-oddajnika lahko teče večji tok. LED sveti svetleje. Ko bo tranzistor T1 segret, se poveča njegova prevodnost tako, da s sedaj odprto potjo zbiralnika-oddajnika tranzistorja T1 pade napetost na osnovi tranzistorja T2. T2 je blokiran in LED ne sveti več. S tem poskusom smo spoznali nov fenomen: Kot vemo, je za prevodnost oziroma pretok toka odgovorno število prosto premičnih elektronov. V polprevodnikih tudi v drugih materialih se poveča število prosto premičnih elektronov pri segretju oziroma zmanjša zaradi ohladitve. Načeloma za število prosto premičnih elektronov ni odgovorna samo temperatura, temveč dovedena količina energije. Na prevodnost polprevodnikov npr. luč ne more vplivati. Polprevodniki tranzistorjev so nameščeni v črnem ohišju, ki prepušča svetlobo, da vpliv prevodnosti ne odpade s svetlobno energijo. Pri optoelektronskih elementih, npr. foto tranzistorjih bo sprememba prevodnosti s svetlobo zaželena in uporabljena za naloge preklopov in merjenja. Temperaturna odvisnost polprevodnih elementov je v praksi pogosto moteča. Pri ojačevalnikih, ki oddajo velike moči, se npr. tranzistorji segrejejo z velikim pretokom toka. S tem ogretjem bodo tranzistorji močneje prevodni, z čimer se»delovna točka«ojačevalnika premakne in se zvok pri stereo napravah poslabša. Pri kakovostnih napravah bo zaradi tega temperaturno odvisna sprememba prevodnosti izravnana z zapletenimi vezji reguliranja. 78

79 Zaporedna vezava vzporedna vezava V prejšnjih poskusih in eksperimentih so bili pogosto povezani upori ali kondenzatorji v zaporednih ali vzporednih povezavah. Ker so zaporedne in vzporedne povezave zelo pomembne, bo način delovanja še enkrat na kratko razložen. Zaporedna vezava dveh uporov Slika 86 prikazuje tipično zaporedno vezavo dveh uporov. Pod zaporedno vezavo razumemo, da so upori v tokokrogu razporejeni tako, da mora tok najprej teči skozi prvega in nato skozi drugi upor. Logično je, da bo v primerjavi s tokom skozi samo en upor, tok skozi dva upora bolj oviran. Vrednost skupne upornosti lahko izračunamo po sledeči formuli: Slika 86: Slika 87: R = R1 + R2 Če bo en 100KΩ in en 47KΩ zaporedno vezan, to za tok povzroči isti efekt, kot če bil prisoten samo en 147KΩ upor. Razumljivo je, da je z zaporedno vezavo z več upori dosegljivo poljubno skupno število upornosti. 79

80 Vzporedna vezava dveh uporov Slika 87 prikazuje vzporedno vezavo dveh uporov. Tekoč tok se lahko razdeli na oba elementa. Če bosta dva upora vzporedno vezana, je logično, da je skupna vrednost upornosti manjša od upornosti vsakega posameznega elementa. Tudi tukaj nastane formula: R = R1 x R2 R1 + R2 Ko bo en 100KΩ in 47KΩ upor vzporedno vezan, je lahko s to formulo izračunana skupna upornost: R = R1 x R2 R1 + R2 = 31,97KΩ Skupna vrednost upornosti znaša ca. 32KΩ. Tudi pri vzporedni vezavi uporov so lahko dosežene poljubne vrednosti upornosti. Slika 88: Slika 89: 80

81 Zaporedna vezava kondenzatorjev Tudi kondenzatorji so lahko zaporedoma vezani (slika 88). S tem se spremeni njihova skupna kapaciteta. Skupna kapaciteta je vedno manjša od kapacitete najmanjšega kondenzatorja. Formula za izračun skupne kapacitete: C = C1 x C2 C1 + C2 Vzporedna vezava kondenzatorjev Pri vzporedni vezavi kondenzatorje se poveča skupna kapaciteta. Skupna kapaciteta ustreza vsoti kapacitet posameznih kondenzatorjev: C = C1 + C2 Lastnosti zaporednih in vzporednih vezav uporov in kondenzatorjev si naj bi dobro zapomnili, ker so te variacije vezav nujne za razumevanje številnih elektronskih poskusov. Vezja iz računalniške in digitalne tehnike Z razvojem digitalne tehnike se je pričela nova elektronska prihodnost. Moderni majhni žepni računalniki, natančne kvarčne utre, digitalna obdelava slike in zvoka (CD predvajajlnik) ali računalniška tehnika brez digitalne elektronike ne bi bili možni. S to novo tehniko je ljudem prvikrat uspelo razviti elektronske stroje, ki berejo, pišejo, računajo in lahko celo sprejmejo odločitve. Ali lahko laik zapletene elektronske postopke digitalne tehnike še sploh razume? S sledečimi eksperimenti so razložene osnove digitalne tehnike. 81

82 Kaj je digitalno? Vezje bo narejeno in obratovalo ustrezno s sliko 90. Pri pritisku na tipko LED zasveti če tipka ne bo pritisnjena, tudi LED ne more svetiti. Zakaj to vezje? Preprost tokokrog smo spoznali že v prvem poglavju teh navodil! Kljub temu to vezje posreduje osnovna spoznanja digitalne elektronike. Svetilna dioda ima lahko v tem poskusu samo dve stanji: ali sveti ali ne sveti. Druga možnost ne obstaja. Tudi v digitalni tehniki obstajata samo dve stanji: Napetost (LED sveti) ali ni napetost (LED ne sveti). Stanja preklopa bi lahko imenovali tudi z»da«ali»ne«. Vmesni položaj, ko npr. LED samo na pol sveti, v digitalni tehniki ne obstaja. Pojem»digitalno«izhaja iz latinske besede»digitus«in pomeni»prst«. S tem naj bi bilo izraženo, da se bo v digitalni tehniki delalo samo z celimi enotami. Ko npr. za seštevanje uporabimo prste, lahko računamo samo z celimi prsti seštevanje polovičnih enot (pol prsta) ni možno. Slika 90 82

83 Slika 91 Kitajci uporabljajo kot abakus znano računsko tablico, ki ima tudi nekatere ABC upornike»1+1=2«. Iz tega»računskega stroja«so lahko izpeljana bistvena digitalna spoznanja. Če bo npr. računano samo z enotami EUR 1,-- do EUR 10,--, zadostuje 10 premičnih krogel. Če naj bodo računani tudi centi, potem je potrebnih nadaljnjih 99 krogel. Tem bolj natančno kot naj bo izračunano, tem več kroglic je potrebnih. V digitalni elektroniki in računalniški tehniki bodo tudi najbolj zapleteni izračuni izvedeni samo z obema stanjema»prisotna napetost«ali»ni napetosti«. Te dve stanji bosta prikazani tudi s številko»1«in»0«. Osnovni elementi digitalne tehnike so tako imenovani vezni členi, ki imajo enega ali več vhodov in en izhod. Elektronika povezuje vhodne signale in proizvede določen izhodni signal. Vezalni načrt 91 prikazuje, da ima naš prvi digitalni eksperiment načeloma en vhod (tipko) in en izhod (LED). Zelo preprosto»logično vezje«. Mimogrede logika digitalna tehnika zahteva logično mišljenje. Nazaj k številkama»1«in»0«. Za številko»1«lahko uporabimo tudi»da«ali»nekaj se dogaja«. Za»0«bi se nato uporabilo»ne«ali»nič se ne zgodi«. Pri pritisku na tipko (kot vhod vezja), se tam nekaj naredi, torej»da«ali»1«. Ko LED sveti (na izhodu vezja), potem se tam tudi nekaj dogaja, torej»da«ali»1«. Če tipka ne bo poritisnjena, se na vhodu nič ne bo zgodilo (torej»0«). Tudi na vhodu se nič se zgodi (ker LED ne sveti) torej prav tako»0«. Takšno vezje lahko imenujemo tudi kot»da vezje«. Če npr. našemu vezju postavimo vprašanje»potrebujemo pri dežju dežnik?«(pritisk na tipko), prejmemo pravilen odgovor»da«(led sveti). Kaj pa se zgodi če bo vprašanje spremenjeno? Npr»Potrebujem pri soncu dežnik?«. Tukaj bi bil pravilen odgovor»ne«. Tudi za sedaj potrebno uporabljivo»ne vezje«obstaja v digitalni tehniki poseben»vezni člen«. 83

84 Razsmernik Načrt 92 prikazuje elektroniko digitalnega»ne vezja«. Pri obratovanju vezja LED sveti. Pri pritisku na tipko se LED ugasne. Če je na vhodu prisotna napetost (=da), potem manjka na izhodu napetost (= ne) in obratno. S tem vezjem je lahko pravilno odgovorjeno na naše vprašanje glede dežnika pri soncu (na vhodu se nekaj zgodi zaradi pritiska na tipko torej»da«ali»1«. Vendar pa LED ne sveti torej»ne«ali»0«).»ne vezja«, ki povzročijo obrnitev funkcije, so strokovno označena z»razsmernik«. Podoben poskus smo izvedli že v poglavju»kako s pritiskom na tipko prekinemo tokokrog«. Kljub temu nastane razlika: primerjajmo vezalni načrti slike 28 z vezalnim načrtom slike 93. Mi ugotovimo, da je na sliki 28 LED priključena na plus pol napajanja in tipka na minus pol. V»novem«poskusu so elementi»obrnjeno«priključeni. To vodi k spoznanju: Ko je tranzistor pri zaprti tipki prevoden, je njegov zbiralnik preko oddajnika povezan z minus polom baterije. Na»izhodu razsmernika«(na LED) znaša napetost 0V (torej ni napetosti). Ko je tranzistor blokiran, pride preko 470Ω upora napetost k zbiralniku tranzistorja in s tem k izhodu (LED) našega logičnega vezja. S tem nastaneta glede na stanje preklopa 2 možnosti: Na vhodu razsmernika (osnova tranzistorja) je prisotna napetost (= 1), potem LED ne sveti (= 0). Na vhodu ni napetost (= 0), potem LED sveti (= 1). Slika 92 84

85 Slika 93 Kaj se zgodi, ko bosta dva razsmernika zaporedno vezana? Slika 94 prikazuje izgradnjo dveh zaporedoma vezanih razsmernikov. Če bo po začetku obratovanja pritisnjena tipka, LED sveti. Če tipka ne bo pritisnjena, potem LED ne sveti. Dejansko nam je logika jasna. Če je na vhodu prvega razsmernika prisotna napetost (1), potem na izhodu prvega razsmernika manjka napetost (0). Ker je izhod prvega razsmernika povezan z vhodom drugega razsmernika, tam prav tako manjka napetost tako, da je pogojeno z logiko preklopa na izhodu drugega razsmernika spet prisotna napetost (1). Načeloma naredi dvojni razsmenik dvojno zanikanje:»ko ne dežuje, ne potrebujemo dežnika«. Ta digitalna logika se nam mogoče zdi primitivna. Dejansko pa je tako, da vse digitalne delujoče naprave (tudi računalniki) narejene zgolj s takšnimi preprostimi logičnimi elementi. Celo veliki računalniki, katerih izjema je, da lahko sprejmejo zelo zapletene odločitve, delujejo s to preprosto da-ne logiko. Ukvarjajmo se še z nadaljnjimi»vezni vezji«: Slika 94 85

86 IN povezava Tako v»dnevnem življenju«kot tudi v računalniški praksi morajo biti sprejete odločitve, če nastaneta dva dogodka. Kot primer želimo naše»vprašanje dežnika«še nekoliko bolj razčleniti (podrobno opisati)» Potrebujem dežnik, ko dežuje in želim iti ven?«. Pravilen odgovor je sigurno»da«. Odgovor DA pa je pravilen samo takrat, ko nastaneta oba v dogodku navedena dogodka: mora deževati in morate iti na prosto. Takšni dogodki so lahko elektronsko (digitalno) ovrednoteni. Poskus izgradnje bo narejen po sliki 95. Na levih priključkih 10KΩ in 47KΩ uporov bodo priključene kratke žice, ki najprej prosto visijo. Za začetku obratovanja LED ne bo svetila. Žica s priključka A bo držana na priključek +9V baterije nič se ne spremeni. Sedaj bo žica dana od priključka B k priključku +9V baterije. Tudi tokrat LED ne sveti. Kot sledeče bodo povezani priključki A in B s priključkom +9V. Sedaj LED sveti. Mi prepoznamo delovanje IN povezave. Na izhodu je nato napetost prisotna samo, ko je na obeh vhodih prisotna napetost. Če je napetost prisotna samo na enem vhodu, ostane tudi izhod izklopljen. Slika 96 prikazuje elektronski vezalni načrt IN vezave: Samo, ko imata oba Tranzistorja pozitivno napetost na njihovih osnovah (oba tranzistorja sta prevodna), lahko LED sveti. V digitalni praksi obstaja veliko možnosti uporabe za IN povezavo, npr. v alarmni napravi je lahko alarm sprožen samo takrat, ko je naprava s stikalom vklopljena in ko bo varnostna zanka uničena. V motornem vozilu bo signal sprožen samo takrat, ko žarometi svetijo in je motor ugasnjen. Obdelovalni stroj je lahko vklopljen samo takrat, ko je obdelovanec vstavljen in je varnostni pokrov zaprt. Takšne naloge kontrole in nadzora so lahko z digitalno elektroniko zelo preprosto izvedene. V praksi ta digitalna vezja v bodo narejena s tranzistorji, temveč z IC-ji. Slika 95 86