Część 4 - tranzystory

Część 4 - tranzystory

Witaj

Zaczynamy kurs czarnej magii!

Czym jest tranzystor? Dobre pytanie! A oto odpowiedź:

Jest to półprzewodnikowy element elektroniczny, wyposażony z reguły w 3 elektrody. Jego właściwość, która czyni z niego najważniejszy komponent stosowany w dzisiejszej elektronice to wzmacnianie sygnału. 

Zajmiemy się podstawowym typem tranzystorów, czyli tranzystorami bipolarnymi. Mają one określony kierunek przepływu prądu (polaryzację). Występują w dwóch typach: NPN i PNP, różnią się kierunkiem przepływu prądu. (wynika to z różnic w budowie, w którą nie będę się wgłębiał) 

Tranzystory bipolarne mają trzy wyprowadzenia, bez względu czy są NPN czy PNP. Wyprowadzenia te to:

-kolektor (C)

-emiter (E)

-baza. (B)

Tak wyglądają tranzystory na schemacie: 

Strzałka przy emiterze wskazuje kierunek przepływu prądu w tranzystorze. Więc: w NPN płynie on od kolektora do emitera (kolektor to + a emiter to -) a w PNP płynie od emitera do kolektora (emiter to + a kolektor to -). 

W OBJAŚNIENIACH POSŁUŻĘ SIĘ TRANZYSTOREM NPN! 

Baza jest najbardziej interesującym wyprowadzeniem. Dlaczego? Bo im silniejszy prąd płynie między bazą i emiterem tym silniejszy prąd popłynie od kolektora do emitera. 

Jest to zjawisko wzmocnienia, ponieważ prąd podawany na bazę jest wzmacniany kilkadziesiąt - kilka tysięcy razy. Ciekawe! 

Tranzystor może działać na dwa sposoby: analogowo i cyfrowo. Zależy to od tego, jak mocny prąd podamy na bazę. 

Jest pewien zakres mocy, w którym wzmocnienie tranzystora ma charakter liniowy. Co znaczy, że moc prądu płynącego od kolektora do emitera rośnie wprost proporcjonalnie do mocy prądu podawanego na bazę. Tranzystor wzmacnia wówczas sygnał - działa analogowo. (właściwość ta wykorzystywana jest, np.: we wzmacniaczach dźwięku) .

Cyfrowa praca tranzystora, czyli wyłącznie stany 0 i 1 uzyskujemy przez podawanie na bazę odpowiednio 0V (tranzystor zamknięty) oraz mocy prądu powyżej granicy nasycenia. Nasycenie oznacza, że tranzystor jest już w pełni otwarty i nie będzie przewodził bardziej, niezależnie od tego czy podamy na bazę silniejszy prąd. 

W ten sposób pracuje obecnie większość tranzystorów - w oparciu o to działają wszystkie układy w elektronice cyfrowej, na przykład procesory. 

Wygląd tranzystorów:

Tranzystory mogą się mocno grzać, dlatego dobrze jest zamocować radiator na tych, które pracują na większych mocach. 

Część 3 - inne

Witam ponownie

W tej części omówię kilka prostych elementów.
Będą to: dioda prostownicza, dioda LED, tact switche i przełączniki. Nie trudno się domyślić, że zbudowanie układu bez ich użycia jest raczej niemożliwe.

Zaczynamy!

1. Dioda prostownicza 


Symbol:

Diody posiadają polaryzację, czyli + i -. Oto jak je odróżnić:

Anoda diody jest + a katoda -. Na obudowie diody, po stronie katody umieszczony jest zawsze pasek w wyróżniającym się kolorze. 

Więc jakie są właściwości diody?

Interesuje nas tylko jedna, podstawowa jej właściwość. Mianowicie : przepuszcza prąd w jedną, i tylko jedną stronę. Prąd musi mieć kierunek anoda -> katoda, ponieważ dla prądu katoda -> anoda opór diody jest nieskończony - nie przewodzi. 

Ok. A zatem do czego można jej użyć? 

Jedyne interesujące nas teraz zastosowanie to zabezpieczenie przed odwróconą polaryzacją zasilacza. A po polsku : zabezpieczenie, dzięki któremu nasz układ się nie spali kiedy jakiś miły jegomość wepnie baterię odwrotnie. Wygląda to tak:

Jeżeli bateria jest wpięta właściwie prąd płynie przez diodę od anody do katody, czyli prawidłowo. Jeżeli jednak zostanie wpięta odwrotnie prąd będzie ,,chciał" popłynąć od katody do anody - dioda przestanie przewodzić i obwód nie zostanie zamknięty. No i mamy idioto-odporny zasilacz. 

Diody są stosowane w dosyć specyficznych sytuacjach. Z reguły montujemy je tam gdzie może nastąpić przypadkowe i niechciane odwrócenie polaryzacji, które może grozić spaleniem układu, oraz tam gdzie nakazuje specyfikacja podzespołów. Niektóre układy scalone wymagają podłączenia zewnętrznych diód prostowniczych - sprawdzajcie to zawsze przed ich użyciem. 

2. Dioda LED

Dioda LED pełni przede wszystkim funkcję informacyjną. Dzięki niej układ może sygnalizować człowiekowi różne stany, np.: podłączenie do prądu, różnicę potencjałów na złączach itd. Zastosowań jest tyle ile pomysłów, czyli nieskończenie wiele. 

LED-y przy okazji pełnią tą samą funkcję co ich prostowniczy bracia - przepuszczają prąd tylko w jedną stronę. Ale nie radzę używać ich jako diód prostowniczych, ponieważ są wyjątkowo podatne na spalenie - nie można podawać im za dużej mocy. 

Symbol LEDa:

Polaryzacja LEDa:

Co robi LED? W zasadzie świeci :) 

A jak go zmusić do świecenia? Trzeba stworzyć różnicę potencjałów na jego nóżkach - oczywiście zgodnie z polaryzacją. 

ZAWSZE PAMIĘTAJ O DODANIU OPORNIKA PRZED LED! 

Na początek przyjmij że 500Ohm to wartość bezpieczna. Ja używam LEDów z opornikami między 200-700Ohm. (dla napięcia 5V i LEDów o średnicy 3mm)

3. Tact switch

Najbardziej przerażające przyciski jakie kiedykolwiek powstały. Pewnie dlatego że mają aż 4 nóżki :) 

Po co im one? Dla stabilizacji. 4 nóżki trzymają się po przylutowaniu pewniej niż dwie. Oto cała tajemnica. 

Oczywiście istnieją również tact switche z dwiema nóżkami, ale są mniej popularne. 

Połączenia:

Nóżki podzielone są na dwie pary. Dwie nóżki w każdej parze są ze sobą trwale połączone bez względu na to czy przycisk jest wciśnięty czy nie. Wciśnięcie go po prostu zwiera obie pary ze sobą. Dlatego przy projektowaniu schematu tact switch należy traktować jako zwykły przycisk z dwiema nóżkami.  

Czym różni się tact switch od zwykłego przycisku? 

- jest przystosowany do montażu na płytce drukowanej

- jest malutki

- ma minimalne drgania styków (później się dowiesz co to)

A tak wygląda ten czworonożny potwór:

To jest jego symbol na schematach:

Jak widać nóżki 1 i 2 oraz 3 i 4 są ze sobą połączone.

I tyle w temacie tact switch.

4. Przełączniki 

99,9% przełączników działa na tej samej zasadzie. Mają dwie nastawy : 1+2 oraz 2+3

Każdy z nich ma trzy nóżki. W nastawie 1+2 zwiera ze sobą nóżki 1 i 2 a w nastawie 2+3 zwiera nóżki 2 i 3.

Prawda, że proste?

Podstawowe rodzaje przełączników to:

a) suwakowe

b) dźwigienkowe

To tyle w tej części. Zapraszam do lektury kolejnych! 

Część 2 - kondensatory

Część 2 - kondensatory


Kondensatory są bardzo ważnymi elementami. Pojawiają się we właściwie każdym układzie.

Budowa:

Kondensator jest prosty jak budowa cepa. Są to dwie przewodzące płytki oddzielone od siebie izolatorem. Na jednej z nich gromadzi się ładunek + a na drugiej ładunek -. 

Podstawowe właściwości:

1. Nie przewodzi prądu stałego. 

2. Przewodzi prąd zmienny. 

3. Gromadzi i oddaje ładunek podobnie jak bateria. 

Podstawowym parametrem kondensatora jest jego pojemność. Wyrażamy ją w jednostce Farad.

Jeden farad to bardzo dużo, dlatego z reguły spotykamy się z pojemnościami podanymi w -piko , -nano oraz -mikro faradach. 

Pojemność kondensatora liczymy ze wzoru C = Q/U , gdzie:

C- pojemność w faradach

Q- ładunek w Culombach zgromadzony na jednej blaszce

U- różnica potencjałów pomiędzy blaszkami 

Symbol kondensatora:

Funkcje kondensatora:

1. Filtrowanie zakłóceń

Jest to podstawowa funkcja kondensatora. Wykorzystuje się tutaj jego właściwość polegającą na przewodzeniu prądu zmiennego. Jak to działa? 

Weźmy taki układ: 

Zasilamy jakiś układ scalony, na przykład procesor. Wszystko jest super, ale co jeśli pojawi się zakłócenie? 

Taka ,,szpilka" na wykresie napięcia oznacza problem. Czasem nawet spalony układ. Niektóre elementy (głównie indukcyjne), na przykład silniki potrafią generować krótkie, ale bardzo wysokie skoki napięcia. Na przykład procesor zasilany 5V nagle dostanie strzał 50V. To tak jakby przyłożył ci w twarz zawodowy bokser :) 

Jak sobie z tym radzić? Z pomocą przychodzi kondensator. Zamontujmy sobie kilka w tym układzie.

Teraz wykres napięcia podczas zakłócenia będzie wyglądał tak:

Prawda, że lepiej? Teraz nasza szpilka jest niegroźna i nie wywoła większych zakłóceń w pracy układu. 

Ale jak to się stało?

Podczas skoku napięcia "w dół" kondensator zaczął oddawać zgromadzony ładunek aby "podciągnąć" je do poprzedniej wartości, a podczas skoku w górę kondensator ,,zjadł" nadmiar ładunku i zaczął go powoli oddawać z powrotem nie wywołując żadnych większych zmian na wykresie napięcia. 

Bardzo proste, prawda? :)

2. Filtr dolnoprzepustowy 

Teraz coś nieco trudniejszego. Jest to układ złożony z opornika i kondensatora. Co robi? 

Na niebiesko jest zaznaczony zwykły sygnał prostokątny. Na przykład na zmianę występujący stan 0V i 5V. 

Na czerwono zaznaczyłem napięcie, które otrzymamy po przepuszczeniu tego sygnału przez filtr dolnoprzepustowy. 

W uproszczeniu układ ten wyciąga średnią z podawanego napięcia. 

Jeżeli więc puścimy sygnał prostokątny składający się z cyklicznie powtarzanego co 15 milisekund stanu 5V i 0V otrzymamy całkiem stabilne 2,5V. 

Jeżeli natomiast puścimy sygnał składający się z trwającego 40ms stanu 5V i trwającego 10ms stanu 0V otrzymamy uśrednione 4V. 

Układ ten pełni jeszcze jedną funkcję - wygładza krawędź zboczy sygnału. Mniej więcej tak jak na rysunku poniżej: 

Na niebiesko zaznaczyłem zwyczajny sygnał a na czerwono jego przebieg po zastosowaniu filtru dolnoprzepustowego. Jak widać układ wygładził krawędzie zbocza i dzięki temu reakcja układów sterowanych takim sygnałem przebiegłaby znacznie płynniej. 

Typy kondensatorów:

1. Ceramiczne 

Podstawowy rodzaj kondensatorów. Mają małą pojemność, występują w kilku formach i co najważniejsze - są tanie :)

Kondensatory ceramiczne nie mają rozróżnionego + i - więc nie ważne jak się je podłącza. 

Zdecydowanie najczęściej używane przeze mnie pojemności to 100nF (nano faradów) i 22pF (piko faradów)

2. Elektrolityczne

Drugi często stosowany typ kondensatora. Elektrolity od kondensatorów ceramicznych różnią się pojemnością, wielkością, polaryzacją i kształtem. 

Najczęściej korzystam z pojemności 47uF (mikro faradów) , 220uF oraz 470uF

Kondensatory elektrolityczne:

- posiadają polaryzację (podział na + i -), jest ona oznaczona na dwa sposoby: nóżka + jest wyraźnie dłuższa od nóżki -, oraz po stronie nóżki - jest nadrukowany biały pasek z minusami. Podłączenie kondensatora odwrotnie spowoduje, że napęcznieje on i eksploduje (serio) , więc radzę tego nie robić :)

- mają dużą pojemność - tysiące razy większą niż ich ceramiczni bracia, lecz nie radzą sobie z wyłapywaniem bardzo małych zakłóceń (można powiedzieć, że mają mniejszą czułość)

- najczęściej mają kształt walców o różnych wymiarach.

- mają inny symbol od kondensatora ceramicznego:

Istnieje oczywiście o wiele więcej typów kondensatorów, ale chwilowo te dwa wystarczą w zupełności. 

Sposoby łączenia kondensatorów:

1. Szeregowo:

W tym wypadku pojemność zastępczą liczymy ze wzoru:

1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 

2. Równolegle

I znów odwrotnie jak w przypadku oporników:

C = C1 + C2 + C3 

Część 1 - oporniki

Część 1 - oporniki

Oporniki są jednymi z najważniejszych elementów, które znajdą się w twoim przyszłym warsztacie. Ale jakie właściwie mają zastosowanie?
Upewnij się, że masz wolne najbliższe 15 minut i zapraszam do lektury.

Umowny symbol opornika stosowany w schematach wygląda tak:

Ta "falbanka" na górze to symbol opornika stosowany w USA a prostokąt na dole jest używany właściwie wszędzie indziej, chociaż prawdopodobnie spotkasz się z obydwoma.

Kilka podstawowych zasad:

1. Opornik nie ma + i - (inaczej: nie posiada polaryzacji) , czyli nie ważne jak go podłączymy do układu zawsze zadziała tak samo.

2. Opornik zamienia cały "przechwycony" przez siebie ładunek w energię cieplną, dlatego jeśli puszczamy przez niego dużą moc musimy zastosować większy opornik, ponieważ mały może się roztopić. 

3. Wartość opornika, który musimy zastosować zawsze przeliczamy, albo wykorzystujemy wartość podaną w specyfikacji układów. Nigdy nie "zgadujemy" prawidłowej wartości, ponieważ możemy uszkodzić elementy. 

Co można zrobić z opornikiem?

1.

Można go wpiąć szeregowo, tzn. przepuścić cały płynący prąd prze niego. Wygląda to tak:

Widzimy tutaj opornik wpięty szeregowo z diodą LED. Co on robi w tym układzie? 

Puszczenie przez diodę LED prądu, który nie jest ograniczony przez opornik jest równoznaczne ze spaleniem jej, dlatego ZAWSZE trzeba umieścić przed nią rezystor. 

2.

Można kilka oporników wpiąć równolegle. O tak:

I doszliśmy do pojęcia opór zastępczy. Jest ono bardzo proste do zrozumienia. Posłużę się przykładem, który ułatwi jego przyswojenie: wyobraź sobie, że masz firmę złożoną z trzech oddziałów. Pierwszy oddział przynosi zysk 500zł, drugi 700zł a trzeci 200zł. Gdybyśmy chcieli policzyć ich "zysk zastępczy" dla całej firmy musielibyśmy po prostu dodać do siebie te sumy. Otrzymamy zysk zastępczy 1400zł. 

Tak samo postępujemy z opornikami. Weźmy taki przykład. Jest to szeregowe połączenie kilku oporników.

W tym przypadku po prostu sumujemy wszystkie opory. Czyli korzystamy ze wzoru: R = R1+R2+R3

Mamy dane wartości oporników : R1 = 200R, R2 - 400R oraz R3 = 2k opór zastępczy wyniesie równo 2,6k. Prawda, że proste? 

Teraz opór zastępczy układu oporników wpiętych równolegle. 

Liczymy go według wzoru:  1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3

3. 

Ostatnie z najważniejszych moim zdaniem zastosowań to dzielnik napięć. Pozawala on w bardzo precyzyjny sposób zmniejszyć napięcie płynące w danym przewodzie. Wygląda to tak:

U(we) oznacza wejściową różnicę potencjałów. Możemy tam wpiąć na przykład baterię. 

U(wy) oznacza wyjściowe, już "podzielone" napięcie. 

Układ ten działa, ponieważ na oporniku następuje spadek napięcia, którego wartość liczymy z prawa Ohma.

Mamy napięcie 5V i dwa szeregowo wpięte oporniki 100R. Chcemy policzyć spadek napięcia.

Wygląda to mniej więcej tak: 

Chcemy więc policzyć U(OUT). Posłużymy się prawem Ohma. 

Najpierw liczymy natężenie prądu przepływające przez cały układ. Posługujemy się przy tym oporem zastępczym, czyli w tym przypadku 200R.

R = U/I

I = U/R

zatem: I = 5/200

I = 0,025A

Teraz policzymy spadek napięcia na pierwszym oporniku, czyli różnicę napięć między + oraz U(OUT).

U = I*R

czyli U = 0,025 * 100

U = 2,5V

Oznacza to że spadek napięcia wyniesie 2,5V.

Spadek napięcia to inaczej różnica potencjałów pomiędzy końcówkami opornika. 

Na takiej zasadzie działa dzielnik napięć. 

W powyższym przykładzie celowo posłużyłem się dwoma rezystorami o identycznych wartościach, aby pokazać, że dzielnik napięć w takim przypadku dzieli napięcie w stosunku 1:2. Przy wykorzystaniu innych wartości stosunek będzie oczywiście inny. 

Napięcie na U(OUT) będzie zawsze niższe niż napięcie, które podajemy na wejście dzielnika napięć. 

4. 

Potencjometry

Są to regulowane oporniki. Ich opór zmienia się w zależności od tego jak zakręcimy pokrętłem. 

Działają one na zasadzie klasycznego dzielnika napięć. 

Dzielą się na dwa rodzaje podstawowe rodzaje ze względu na zasadę działania:

1. potencjometry liniowe - opór wzrasta/maleje liniowo podczas zmiany nastawy pokrętła/suwaka

2. potencjometry logarytmiczne - opór wzrasta/maleje logarytmicznie podczas zmiany nastawy 

Dzielą się również na kilka rodzajów ze względu na budowę:

-osiowe

-montażowe (moje ulubione - małe, proste w użyciu i bardzo tanie)

-precyzyjne

5. 

Odczytywanie wartości oporników.

Występują dwa główne rodzaje oznaczeń:

-tekstowe (już nie używane)

~ 300R = 300Ohm

~ 10k = 10 000Ohm

~ 560R = 560Ohm

- paskowy (używany na wszystkich opornikach, są to nadrukowane kolorowe okręgi, każdy kolor oznacza określoną cyfrę, dwa z nich to liczba a ostatni to mnożnik, dodatkowy określa precyzję opornika)

Wartość odczytujemy według tego klucza:

Polecam wykorzystać do identyfikacji oporników jeden z licznych, umieszczonych w sieci kalkulatorów, które po ustawieniu kolorów same podają wartość rezystora. Znacznie przyśpiesza to pracę i częściowo eliminuje ryzyko błędu. 

To tyle o opornikach. Zapraszam do lektury kolejnej części :) 

Podstawy

Jak zacząć?

Sporo ludzi odpuszcza sobie kilkanaście minut po zadaniu tego pytania. Pewnie dlatego, że po wpisaniu w google hasła: "elektronika dla początkujących" zalewają ich tysiące wyników złożonych głównie z pozornie losowych ciągów liter i cyfr - są to z reguły kody robocze podzespołów wykorzystywanych w układach, czyli najgroźniej wyglądająca rzecz :)

Więc jak się do tego zabrać?
1. Zaznajomić się z podstawowymi wzorami fizycznymi związanymi z prądem. Szczególnie ważne jest prawo Ohma.
2. Poznać działanie podstawowych elementów. Są to przyciski, przełączniki, oporniki (rezystory), różne rodzaje kondensatorów, diody i oczywiście tranzystory. Chwilowo łatwizna.
3. Zdobyć tak zwaną płytkę stykową. Pozwala ona na składanie prototypów układów bez lutowania - czyli elementy nadają się do ponownego wykorzystania i nie są w żaden sposób niszczone.(chyba że się coś spali)
4. Zbudować kilka podstawowych układów - tranzystor zapalający lampkę, poeksperymentować z diodami prostowniczymi, LEDami, opornikami itd.
5. Teraz coś strasznego :) Czas zapoznać się z prostym mikrokontrolerem!

Jesteś tam jeszcze? Tak? To zaczynamy.

Oto prawo Ohma : R = U/I*
R- opór (rezystancja)
U- napięcie (w Voltach)
I- natężenie (w Amperach)

Czym jest opór? Wyobraź sobie prosty układ hydrauliczny. Dwa zbiorniki wody : jeden położony wyżej a jeden niżej i połączone ze sobą zaworem.
Korzystając z zachodzących w takim układzie zjawisk można stosunkowo prosto wyjaśnić podstawowe właściwości prądu elektrycznego.

Uproszczona definicja prądu elektrycznego: uporządkowany i jednostajny przepływ jednoimiennych ładunków w jednym kierunku.

Skorzystam teraz z naszego układu zbiorników.
Załóżmy, że ten położony niżej jest pusty, a ten wyżej pełny wody. Rura która je łączy ma średnicę dna zbiornika i jedyne co powstrzymuje jej przepływ to zawór.
Teraz omówię kilka sytuacji:

1. Zawór całkowicie odkręcony: woda płynie wartkim strumieniem, nic jej nie hamuje i nie ogranicza przepływu. Górny zbiornik niemal natychmiast się opróżnia i przelewa do drugiego.

2. Zawór połowicznie odkręcony: woda płynie lecz dużo wolniej. Jej przepływ jest bardziej kontrolowany i spokojniejszy.

3. Zawór odkręcony w 10% : woda płynie powoli, jednostajnym strumieniem i spokojnie napełnia położony niżej zbiornik.

Teraz pokażę, gdzie w tym jest analogia do układu elektrycznego.

Zawór to po prostu opornik, im bardziej przykręcony tym większy opór, im mniej tym opór jest mniejszy. Woda przelewająca się między zbiornikami to przepływające ładunki a różnica wysokości między nimi to różnica potencjałów (napięcie).

Teraz prościej mi będzie objaśnić działanie tych elementów.
Opornik służy do ograniczenia przepływu prądu w sytuacjach kiedy zbyt mocny prąd doprowadziłby do spalenia zasilanego elementu lub jego nieprawidłowego działania.
Prąd płynie zawsze od + do -.
Jeżeli między + i - nie ma żadnego oporu, który ograniczyłby przepływ prądu to mamy do czynienia ze zwarciem.
Niekontrolowany przepływ ładunków powoduje wówczas wydzielenie się olbrzymich ilości energii cieplnej w krótkim czasie i spalenie układów. W ŻADNYM WYPADKU NIE NALEŻY DOPUŚCIĆ DO ZWARCIA. Trzeba zawsze izolować przewody w budowanych układach. Z pomocą przychodzą nam rurki termokurczliwe i taśma izolacyjna.

To koniec pierwszej części :) Zapraszam do przeczytania kolejnej.