Darmowy fragment publikacji:
• Kup książkę
• Poleć książkę
• Oceń książkę
• Księgarnia internetowa
• Lubię to! » Nasza społeczność
Spis treści
Wstęp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
1 . Doświadczanie elektryczności . . . 1
Lista zakupów: Eksperymenty od 1 do 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Eksperyment 1: Posmakuj mocy! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Eksperyment 2: Jak nie należy używać baterii . . . . . . . . . . . . . . 9
Eksperyment 3: Twój pierwszy obwód. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Eksperyment 4: Zmiana napięcia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Eksperyment 5: Zróbmy własną baterię . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2 . Przełączanie i nie tylko . . . . . . . . . 39
Lista zakupów: Eksperymenty od 6 do 11 . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie. . . . . . . . . . . . . . . 43
Eksperyment 7: Diody sterowane przekaźnikami . . . . . . . . . . . 55
Eksperyment 8: Oscylator zbudowany na przekaźniku . . . . . . . 60
Eksperyment 9: Czas i kondensatory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Eksperyment 10: Przełączanie tranzystorami . . . . . . . . . . . . . . 73
Eksperyment 11: Projekt modułowy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3 . Wkraczamy głębiej . . . . . . . . . . . . . 95
Lista zakupów: Eksperymenty od 12 do 15 . . . . . . . . . . . . . . . 95
Eksperyment 12: Łączenie dwóch przewodów w jeden . . . . . 104
Eksperyment 13: Podgrzewanie diody . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Eksperyment 14: Pulsujące światło . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Eksperyment 15: Powrót do alarmu antywłamaniowego . . . . 127
v
4 . Układy scalone . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Lista zakupów: Eksperymenty od 16 do 24 . . . . . . . . . . . . . . 147
Eksperyment 16: Generowanie impulsów . . . . . . . . . . . . . . . 153
Eksperyment 17: Ustawianie wysokości tonu . . . . . . . . . . . . 162
Eksperyment 18: Miernik czasu reakcji . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Eksperyment 19: Podstawy logiki cyfrowej . . . . . . . . . . . . . . 181
Eksperyment 20: Funkcjonalne połączenie. . . . . . . . . . . . . . . 198
Eksperyment 21: Wyścig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Eksperyment 22: Przełączanie i odbijanie. . . . . . . . . . . . . . . . 211
Eksperyment 23: Rzucanie kośćmi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Eksperyment 24: Alarm antywłamaniowy — dokończenie . . . 223
5 . Co dalej? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Lista zakupów: Eksperymenty od 25 do 36 . . . . . . . . . . . . . . 228
Przystosowanie Twojego miejsca pracy. . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Źródła informacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Eksperyment 25: Magnetyzm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Eksperyment 26: Generowanie prądu na własnym biurku. . . . 239
Eksperyment 27: Destrukcja głośnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Eksperyment 28: Zabawa z cewką. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Eksperyment 29: Filtrowanie częstotliwości . . . . . . . . . . . . . . 248
Eksperyment 30: Przesterowanie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Eksperyment 31: Radio bez lutowania i zasilania . . . . . . . . . . 262
Eksperyment 32: Robot w formie wózka . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Eksperyment 33: Ruch krokowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Eksperyment 34: Połączenie sprzętu z oprogramowaniem . . . 293
Eksperyment 35: Zetknięcie z rzeczywistością . . . . . . . . . . . . 306
Eksperyment 36: Ulepszona wersja zamka szyfrowego . . . . . 310
Zakończenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Dodatek A . Producenci i sprzedawcy
dostępni w internecie . . . . . . . . . . . . 319
Podziękowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
O autorze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
vi
Spis treści
są elektrolityczne. Nie ma znaczenia, jeśli przewidziane są dla wyższego
napięcia, chociaż w takiej sytuacji będą fizycznie większe. Zobacz rysu-
nek 2.14.
Ceramiczne, o różnych wartościach. Upewnij się, iż jest wśród nich przy-
najmniej jeden o wartości 0,0047 µF (jego wartość może być również zapi-
sana jako 4,7 nF). Patrz rysunek 2.15.
Rezystory
Jeżeli kupiłeś tylko minimalny zestaw rezystorów, potrzebny do ekspery-
mentów od 1 do 5, teraz przyszła pora, aby kupić wielki asortyment, który
pozwoli Ci swobodnie wykonać kolejne eksperymenty. Wszystkie rezystory
powinny mieć moc minimum 0,25 W.
Głośnik
Dowolny 8-omowy, miniaturowy głośnik, o średnicy około 3 cm, taki
jak KDSG-30008 dostępny w sklepie www.elfaelektronika.pl. Patrz rysu-
nek 2.16.
Eksperyment 6:
Bardzo proste przełączanie
Potrzebne będą:
Rysunek 2.15. Kondensatory cera-
miczne w większości wypadków
wyglądają właśnie tak, chociaż nie-
które mogą być okrągłe lub podłużne.
Sam kształt kondensatora nie ma dla
nas znaczenia
Rysunek 2.16. Taki miniaturowy gło-
śnik, o średnicy około 3 cm, jest bar-
dzo użyteczny przy weryfikacji dźwię-
ków generowanych przez obwody
tranzystorowe
• baterie AA, liczba: 2,
• uchwyt na dwie baterie AA, liczba: 1,
• dioda LED, liczba: 1,
• przełączniki biegunowe, SPDT, liczba: 2 (patrz rysunek 2.12),
• rezystor 220 Ω lub podobny, minimum 0,25 W, liczba: 1
• zaciski-krokodylki, liczba: 8
• drut lub przewody testowe (pokazane wcześniej na rysunku 2.10),
• szczypce z ostrzem do cięcia drutu oraz szczypce do zdejmowania izolacji, jeśli nie używasz przewodów
testowych (patrz rysunek 2.4).
Podczas trzeciego eksperymentu oświetliłeś diodę, podłączając ją do baterii, a następnie wyłączyłeś, usuwając bate-
rie. Dla większej wygody nasze obwody powinny posiadać odpowiednie przełączniki kontrolujące źródło zasilania.
Ponieważ jesteśmy przy temacie przełączników, zamierzam przedstawić wszystkie możliwe rodzaje przełączników
i zasugerować konkretne możliwości przy użyciu obwodu elektrycznego.
Połącz części zgodnie z rysunkami 2.17 i 2.18. Dłuższa końcówka diody LED musi zostać podłączona z rezystorem,
ponieważ jest to część obwodu o wyższym potencjale.
Przekonasz się, że będziesz musiał zastosować kilka odcinków przewodu. Proponuję użyć przewodu koloru zielo-
nego, mówiącego, iż te części nie są połączone bezpośrednio z dodatnim lub ujemnym źródłem zasilania. Wybór
koloru pozostawiam jednak Tobie. Jeśli zaopatrzyłeś się w przewody testowe, możesz posłużyć się nimi. Jakikolwiek
sposób wybierzesz, prędzej czy później będziesz musiał nauczyć się zdejmować izolację z przewodów. Jest to bardzo
ważna umiejętność. Rozprawmy się z nią już teraz.
Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie
43
Dłuższa
nóżka diody
Krótsza
nóżka diody
Zestaw baterii 3V
Rysunek 2.17. Jeżeli dioda jest włączona, przełączenie któregokolwiek
z przełączników spowoduje jej wyłączenie. Przełączenie któregokolwiek
z przełączników spowoduje jej włączenie. Użyj krokodylków do połączenia
ze sobą przewodów, a także samych przełączników, jeśli te nie posiadają
śrub na swoich końcówkach. Upewnij się, iż krokodylki nie dotykają siebie
nawzajem
Rysunek 2.18. Duże przełączniki biegunowe
zakończone śrubami ułatwiają połączenie ele-
mentów tego obwodu
Narzędzia
Jeżeli narzędzie do automatycznego zdejmowania izolacji (rysunek 2.19) nie
poradzi sobie z drutem o średnicy 0,65 mm w sprawny sposób, spróbuj ideal-
nego ściągacza izolacji, pokazanego na rysunku 2.4. Możesz też użyć zwykłych
szczypiec z ostrzem, tak jak pokazuje to rysunek 2.20. Jedną ręką trzymasz
przewód, a w drugiej narzędzie. Ściśnij rączki ze średnią siłą — wystarczającą
do przecięcia samej izolacji, ale nie aż tak dużą, aby odciąć sam przewodnik
w środku. Pociągnij przewód w dół, a samo narzędzie w górę. Poświęcając tro-
chę czasu na praktykę, będziesz w stanie zdejmować izolację, odsłaniając koń-
cówkę przewodu.
Miłośnicy elektroniki typu macho mogą użyć swoich zębów do zdejmowania
izolacji. Sam tak robiłem, będąc młodszym. Na dowód tego mogę pokazać dwa
nieco uszczerbione zęby. Naprawdę, lepiej użyć odpowiedniego narzędzia do
tego celu.
Rysunek 2.19. Kiedy ściśniesz rączki
narzędzia do automatycznego zdejmo-
wania izolacji, szczęki po lewej stro-
nie chwycą przewód, a ostre rowki
po prawej wbiją się w izolację. Kiedy
ściśniesz mocniej, obie szczęki oddalą
się od siebie, zdejmując izolację
z przewodu
44
2. Przełączanie i nie tylko
Rysunek 2.20. Do usunięcia izolacji z końca
przewodu możesz również użyć szczypiec
z ostrzem. Wymaga to jednak trochę praktyki
Rysunek 2.21. Osoby mające tendencję do gubienia
narzędzi i braku cierpliwości do ich odnajdywania mogą
ulegać pokusie zdejmowania izolacji przy użyciu wła-
snych zębów. Nie jest to jednak dobre podejście
Problemy z połączeniem
Jeżeli przełączniki biegunowe nie są zbyt duże, możesz mieć problemy z podłą-
czeniem do nich krokodylków razem z przewodami. Miniaturowe przełączniki,
obecnie bardziej popularne od swoich odpowiedników większego rozmiaru,
mogą sprawić szczególnie dużo problemów (patrz rysunek 2.22). Bądź cier-
pliwy, już niedługo zaczniemy stosować płytkę prototypową, która całkowicie
eliminuje potrzebę stosowania krokodylków.
Testowanie
Upewnij się, że dłuższy przewód diody jest podłączony do dodatniego źródła
zasilania (w tym przypadku rezystora). Teraz przełącz dowolny z dwóch prze-
łączników biegunowych. Jeżeli dioda świeciła się, zgaśnie, a jeśli była zga-
szona, zaświeci się. Przełącz drugi przełącznik, a uzyskasz dokładnie taki sam
wynik. Jeżeli dioda nie zapala się, prawdopodobnie podłączyłeś ją odwrotnie.
Inna możliwość to przypadkowe zwarcie baterii przez stykające się ze sobą
zaciski krokodylki.
Zakładając, że dwa przełączniki działają zgodnie z moim opisem, co dzieje się
w tym obwodzie? Nadeszła pora przyjrzeć się pewnym faktom.
Rysunek 2.22. Możesz korzystać
z miniaturowych przełączników bie-
gunowych, najlepiej w połączeniu
z miniaturowymi zaciskami krokodyl-
kowymi, ale uważaj na zwarcia
Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie
45
PoDStaWy
Wszystko o przełącznikach
Kiedy przełączysz przełącznik biegunowy, jakiego uży-
łeś w eksperymencie numer 6, łączy on swoje środkowe
wyprowadzenie z jednym z wyprowadzeń skrajnych.
Przełącz go z powrotem, a połączenie zostanie przenie-
sione na drugie wyprowadzenie zewnętrzne. Pokazuje to
rysunek 2.23.
Środkowe wyprowadzenie jest nazywane biegunem
przełącznika. Ponieważ przełącznik może znajdować się
w jednej z dwóch pozycji, tworząc dwa możliwe połą-
czenia, nazywany jest przełącznikiem dwupozycyjnym.
Jak wspomniałem wcześniej, przełącznik tego typu
określany jest skrótem SPDT.
Niektóre przełączniki są typu włącz/wyłącz (on/off),
co oznacza, że jeśli przełączysz je w jednym kierunku,
utworzysz połączenie, ale w drugiej pozycji połączenia
nie będzie. Większość przełączników w Twoim domu jest
właśnie tego typu. Są one znane pod nazwą przełączni-
ków jednopozycyjnych, określanych skrótem SPST.
Jeszcze inne przełączniki mają dwa zupełnie niezależne
bieguny, dzięki czemu możesz tworzyć dwa niezależne
połączenia jednocześnie, przez jedno przełączenie pozy-
cji. Są to tzw. przełączniki dwubiegunowe. Przyjrzyj się rysunkom od 2.24 do 2.26, przedstawiającym prze-
łączniki „nożowe” starego typu (używane nadal w szkołach na przedmiotach związanych z elektryką), a zoba-
czysz najprostszą możliwą reprezentację przełączania jedno- i dwubiegunowego, a także jedno- i dwupozy-
cyjnego. Różnorodne przełączniki biegunowe, z kontaktami zatopionymi w ich wnętrzu, przedstawione zostały
na rysunku 2.27.
Rysunek 2.23. Środkowe wyprowadzenie jest biegunem
przełącznika. Kiedy przełączasz dźwignię, biegun zmie-
nia swoje połączenie na przeciwne
Połączone
Połączone
Rysunek 2.24. Ten prymitywnie
wyglądający jednobiegunowy, dwupo-
zycyjny przełącznik wykonuje dokład-
nie takie samo zadanie jak przełącz-
niki biegunowe pokazane na rysun-
kach 2.23 i 2.27
Rysunek 2.25. Jednobiegunowy,
jednopozycyjny przełącznik tworzy
wyłącznie jedno połączenie. Jego
dwoma stanami są: stan włączony
i wyłączony
Rysunek 2.26. Dwubiegunowy, jed-
nopozycyjny przełącznik tworzy dwa
niezależne połączenia typu włączony/
wyłączony
46
2. Przełączanie i nie tylko
PoDStaWy
Wszystko o przełącznikach
(ciąg dalszy)
Żeby jeszcze bardziej urozmaicić cały temat, możesz również
kupić przełączniki o trzech lub czterech biegunach. (Niektóre
przełączniki rotacyjne mają ich jeszcze więcej, ale takich nie
będziemy używać). Ponadto, niektóre przełączniki dwubie-
gunowe mają dodatkową pozycję środkową (typu „wyłącz”).
Aby podsumować wszystkie powyższe informacje, zbu-
dowałem tabelę możliwych przełączników (rysunek 2.28).
Możesz do niej zajrzeć, kiedy będziesz przeglądał katalog
z częściami, aby przypomnieć sobie, co oznaczają poszcze-
gólne skróty.
Rysunek 2.27. To wszystko są przełączniki biegu-
nowe. Ogólna zasada mówi, że im większy prze-
łącznik, tym większy prąd może przewodzić
Jednobiegunowy
Dwubiegunowy
Trójbiegunowy
Czterobiegunowy
Jednopozycyjny
SPST ON-OFF
DPST ON-OFF
3PST ON-OFF
4PST ON-OFF
Dwupozycyjny
SPDT ON-ON
DPDT ON-ON
3PDT ON-ON
4PDT ON-ON
Dwupozycyjny ze środkową
pozycją typu „wyłącz”
SPDT ON-OFF-ON DPDT ON-OFF-ON 3PDT ON-OFF-ON 4PDT ON-OFF-ON
Rysunek 2.28. Tabela podsumowująca wszystkie możliwe opcje przełączników biegunowych i przyciskanych
A co z przełącznikami przyciskanymi? Kiedy naciskasz dzwonek u drzwi, tworzysz połączenie elektryczne,
więc jest to rodzaj przełącznika i, w rzeczy samej, jego właściwą nazwą jest przełącznik chwilowy, ponieważ
tworzy on jedynie „chwilowe” połączenie. Każdy przełącznik ze sprężyną lub przycisk, który chce odskoczyć
do swojej pierwotnej pozycji, określany jest mianem przełącznika chwilowego. Zachowanie takie wskazujemy
przez umieszczenie stanu chwilowego w nawiasach. Oto kilka przykładów:
• OFF-(ON): Ponieważ stan ON (włączony) jest w nawiasach, jest stanem chwilowym. Zatem
jednobiegunowy przełącznik tego typu tworzy połączenie jednie, kiedy go naciśniesz, a następnie,
po puszczeniu, powraca do pozycji pierwotnej, w której nie ma kontaktu. Jest on również znany jako
„normalnie otwarty” przycisk chwilowy, oznaczany
skrótem „NO”.
• ON-(OFF): Przeciwny rodzaj chwilowego przycisku
jednobiegunowego. Jego normalnym stanem jest
ON (włączony), ale kiedy go naciśniesz, przerwiesz
połączenie. Zatem stan OFF (wyłączony) jest chwilowy.
Jest on również znany jako „normalnie zamknięty”
przycisk chwilowy, oznaczany skrótem „NC”.
• (ON)-OFF-(ON). Taki przycisk ma środkową pozycję
typu „wyłączony”. Kiedy naciśniesz go w którymkolwiek
kierunku, utworzy chwilowe połączenie, a po puszczeniu
powróci do wyjściowej pozycji środkowej.
Możliwe są również inne warianty, takie jak ON-OFF-(ON) lub
ON-(ON). Nie powinieneś mieć problemu z wywnioskowaniem
zachowania danego typu przycisku, o ile tylko będziesz pamiętał,
że nawiasy oznaczają stan chwilowy.
Rysunek 2.29. Szalony naukowiec jest gotowy
do podłączenia energii do swojego ekspery-
mentu. W tym celu stosuje jednobiegunowy,
dwupozycyjny przełącznik „nożowy”, mon-
towany zwyczajowo na ścianie laboratorium
umieszczonego w piwnicy
Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie
47
PoDStaWy
Wszystko o przełącznikach (ciąg dalszy)
Iskrzenie
Kiedy tworzysz i przerywasz połączenie elektryczne,
ma ono tendencję do iskrzenia. Iskrzenie nie służy
przełącznikom. Powoduje ich stopniowe uszkadza-
nie aż do momentu, kiedy przełącznik nie jest już dłu-
żej w stanie utworzyć pewnego połączenia. Z tego
powodu musisz używać przełączników pasujących
do napięcia i prądu, jakimi posługujesz się w danym
przypadku. Obwody elektroniczne zazwyczaj ope-
rują na małych natężeniach i napięciach, dlatego
możesz używać niemal dowolnych przełączników,
ale jeśli przełączasz energię dla silnika, początkowy
prąd zapłonu będzie minimum dwa razy większy od
prądu, jaki ten silnik pobiera w trakcie normalnej
pracy. Do włączania i wyłączania silnika pobierają-
cego 2 ampery prądu powinieneś użyć przełącznika
4-amperowego.
Sprawdzanie przełącznika
Do sprawdzenia przełącznika możesz użyć swojego
miernika. Dzięki temu będziesz mógł się przekonać,
które wyprowadzenia są połączone dla danego usta-
wienia. Jeżeli zapomniałeś, jakiego typu przełącznik
przyciskany masz w ręce, miernik pozwoli stwierdzić,
czy jest on typu normalnie otwartego (czyli takiego,
który trzeba nacisnąć, aby utworzyć połączenie),
czy normalnie zamkniętego (czyli takiego, który
trzeba nacisnąć, aby przerwać połączenie). Ustaw
swój miernik na pomiar omów i dotknij końcówkami
wyprowadzeń przełącznika, manipulując jednocze-
śnie samym przełącznikiem.
Nie jest to zbyt wygodne, ponieważ musisz pocze-
kać, aż miernik dokona odpowiedniego pomiaru. Jeśli
chcesz się dowiedzieć jedynie, czy dane ustawienie
tworzy połączenie, użyj miernika z nastawieniem
„akustycznego testu przewodzenia”. Będzie on wtedy
wydawał jednostajny dźwięk w sytuacji napotka-
nia kontaktu elektrycznego między końcówkami lub
zamilknie, jeśli takiego kontaktu nie będzie. Przykłady
mierników z testem przewodzenia pokazują rysunki
od 2.30 do 2.32. Rysunek 2.33 przedstawia test
przełącznika na okoliczność zwarcia (przewodzenia).
Testu przewodzenia w swoim mierniku używaj wyłącz-
nie w obwodach lub komponentach, które nie są
w danej chwili zasilane.
Rysunek 2.30
Rysunek 2.31
Rysunek 2.32. Aby sprawdzić, czy nie
ma przerwy w obwodzie, ustaw pokrę-
tło swojego miernika na symbol poka-
zany na zdjęciu. Używaj tego ustawie-
nia wyłącznie, kiedy mierzony kompo-
nent lub obwód nie jest zasilany
Rysunek 2.33. Kiedy przełącznik łączy dwie ze
swoich końcówek, miernik pokazuje zerową
rezystancję między nimi i wydaje dźwięk, jeśli
ustawiłeś go na test przewodzenia
48
2. Przełączanie i nie tylko
tEoRia
Pierwsze systemy przełączające
Przełączniki wydają się być tak fundamentalną rzeczą w naszym świecie, a ich koncepcja jest tak prosta, że
bardzo łatwo można zapomnieć, iż przeszły one stopniowy proces rozwoju i udoskonalania. Pionierom elek-
tryki, którzy potrzebowali jedynie włączyć lub wyłączyć zasilanie pewnego urządzenia w laboratorium, w zupeł-
ności wystarczały proste przełączniki nożowe. Kiedy jednak zaczęły powstawać systemy telefoniczne, zaszła
potrzeba stworzenia rozwiązań bardziej zaawansowanych technicznie. Operator „łącznicy” musiał mieć możli-
wość połączenia ze sobą par dziesięciu tysięcy linii. Jak można było zrealizować coś takiego?
W roku 1878 Charles E. Scribner (rysunek 2.34) stworzył „scyzorykowy przełącznik typu jack”, nazywany
tak ze względu na fakt, iż część trzymana przez operatora w ręku wyglądała jak rączka od scyzoryka (ang.
jackknife). Z rączki tej wystawała wtyczka, która po włożeniu do gniazda tworzyła połączenie w jego wnętrzu.
Dokładnie mówiąc, przełącznik stanowiło samo gniazdo.
Rysunek 2.34. Charles E. Scribner wymyślił „scyzorykowy przełącznik typu jack”, aby zaspokoić potrzeby przełączania
w systemach telefonicznych pod koniec XIX wieku. Dzisiejsze wtyczki typu jack, używane w systemach audio, nadal dzia-
łają na tej samej zasadzie4
Do dzisiaj na tej samej zasadzie funkcjonują połączenia gitar ze wzmacniaczami, a kiedy nazywasz je połą-
czeniami typu „jack”, termin ten wywodzi się od wynalazku Charlesa Scribnera. Połączenia nadal tworzone są
w gnieździe typu jack.
Oczywiście, w obecnych czasach „łącznice” są tak rzadkie, jak sami operatorzy telefoniczni. Na początku
zostali oni zastąpieni przez przekaźniki — przełączniki sterowane elektrycznie, o których będę mówił w dalszej
części tego rozdziału. Później przekaźniki zastąpiono tranzystorami, które sprawiły, że wszystko zaczęło działać
bez jakichkolwiek części ruchomych. Zanim dotrzemy do końca tego rozdziału, Ty również będziesz przełączał
prąd, używając tranzystorów.
4
Pokazane tutaj zdjęcie pojawiło się pierwszy raz w książce Herberta Newtona Cassona
The History of the Telephone wydanej w roku 1910 w Chicago przez A. C. McClurg Co.
Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie
49
Wprowadzenie do schematów
Na rysunku 2.35 narysowałem obwód z eksperymentu numer 6 w uproszczonej formie, zwanej „schematem”.
Od tego momentu będę przedstawiał obwody w formie schematów, ponieważ pozwalają one na ich łatwiejsze
zrozumienie. Aby móc je właściwie interpretować, musisz poznać zaledwie kilka symboli.
Większe wersje wszystkich schematów oraz
płytek prototypowych dostępne są na stronie
książki pod adresem http://helion.pl/ksiazki/
eleodp.htm.
Porównaj ten schemat z obwodem na rysunku 2.17. Oba pokazują
dokładnie tę samą rzecz: komponenty i połączenia między nimi.
Szare prostokąty to przełączniki, prostokąt reprezentuje rezystor,
a symbol z dwoma strzałkami to dioda LED.
Symbol diody LED zawiera dwie strzałki informujące, iż emituje ona
światło. Jest to istotne, ponieważ istnieją inne diody — dotrzemy do
nich później — którego tego nie robią. Trójkąt wewnątrz symbolu diody wskazuje zawsze kierunek od dodatniego do
ujemnego potencjału zasilania.
Prześledź ścieżki, którymi prąd może popłynąć przez obwód, i wyobraź sobie przełączniki zmieniające pozycję. Powi-
nieneś teraz bez problemu zrozumieć, jak każdy z przełączników odwraca stan diody LED z włączonego na wyłączony
i odwrotnie.
Taki sam obwód jest używany w domach, gdzie jeden przełącznik znajduje się u dołu schodów, a drugi u ich szczytu
i oba kontrolują tę samą żarówkę. Przewody w domu są znacznie dłuższe i ukrywają się gdzieś w ścianach, ale ponie-
waż ich połączenia są takie same, mogłyby być przedstawione przy użyciu tego samego podstawowego schematu.
Patrz rysunek 2.36.
Schemat nie mówi, gdzie dokładnie należy umieścić poszczególne komponenty. Mówi jedynie, jak połączyć je ze
sobą. Jest tutaj jeden problem: różni ludzie używają nieco odmiennych symboli do reprezentacji tej samej rzeczy. Wię-
cej na ten temat dowiesz się w sekcji „Podstawy. Symbole używane na schematach”.
220
Rysunek 2.35. Ten schemat przedstawia taki
sam obwód jak ten pokazany na rysunku 2.17
i ułatwia zrozumienie funkcji realizowanej
przez przełączniki
Rysunek 2.36. Obwód z dwoma przełącznikami, pokazany na rysun-
kach 2.17 i 2.35, można często spotkać w okablowaniu domowym,
szczególnie jeśli przełączniki znajdują się na obu końcach długich
schodów. Rysunek pokazuje, czego mógłbyś się spodziewać po usu-
nięciu tynku. Przewody łączą się w kostkach elektrycznych, znajdują-
cych się w puszkach schowanych pod tynkiem
50
2. Przełączanie i nie tylko
PoDStaWy
Symbole używane na schematach
Symbole schematów są jak słowa w języku: z bie-
giem czasu ulegały mutacji, tworząc często trudne do
zrozumienia odmiany. Dla przykładu, prosty przełącz-
nik typu włącz/wyłącz (SPST) może być reprezento-
wany przez jeden z symboli pokazanych na rysunku
2.37. Wszystkie one oznaczają dokładnie ten sam
element.
P1A
P1B
Rysunek 2.38. Różne style przedstawiania przełącznika dwu-
biegunowego, dwupozycyjnego. W niniejszej książce stoso-
wany jest symbol znajdujący się u dołu po prawej stronie
Od czasu do czasu możesz spotkać schemat, w któ-
rym przełączniki są porozrzucane po całej okolicy, ale
ich oznaczenia (takie jak P1A, P1B, P1C) sugerują,
że w rzeczywistości jest to jeden przełącznik z wie-
loma biegunami.
W tej książce przełączniki umieszczone są na szarych
prostokątach. Te prostokąty nie są częścią standar-
dowego symbolu; nie znajdziesz ich w innych książ-
kach. Robię tak wyłącznie, aby przypomnieć Ci, że
zawarte w nim elementy stanowią w rzeczywistości
jedną zwartą całość.
Ważnym elementem stylu, który często podlega zmia-
nom, jest sposób przedstawiania połączeń przewo-
dów z innymi. Według starej szkoły schematy poka-
zywały półokrągły łuk w miejscach, gdzie przewody
krzyżowały się bez kontaktu elektrycznego. Ponieważ
nowoczesne oprogramowanie do rysowania sche-
matów nie wyróżnia skrzyżowań w ten sposób, ten
styl jest rzadko używany. Nowy styl, który spotkasz,
przeglądając schematy w sieci, może zostać podsu-
mowany następująco:
• Kropka łącząca dwa przewody wskazuje,
że istnieje między nimi kontakt elektryczny.
• Brak kropki wskazuje brak kontaktu
elektrycznego.
Kontakt
Biegun
Rysunek 2.37. Kilka różnych stylów stosowanych do przed-
stawienia jednobiegunowego, jednopozycyjnego przełącz-
nika na schematach. W tej książce stosowana jest wersja
przedstawiona na samym dole
Rysunek 2.38. przedstawia przełączniki dwubiegu-
nowe, dwupozycyjne. Przerywana linia wskazuje
mechaniczne połączenie wewnątrz przełącznika,
które sprawia, że przestawienie pozycji wpływa jed-
nocześnie na oba bieguny. Pamiętaj, że bieguny są od
siebie odizolowane elektrycznie.
Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie
51
PoDStaWy
Symbole używane na schematach (ciąg dalszy)
• Problem polega na tym, że nie jest to zbyt
intuicyjne, szczególnie jeśli dopiero zaczynasz
korzystać ze schematów. Widząc dwa krzyżujące
się przewody, łatwo można sobie wyobrazić, że
tworzą one połączenie, nawet jeśli w miejscu
ich przecięcia nie widać kropki. Właśnie z tego
powodu postanowiłem w tej książce używać
starego stylu z łukami (patrz rysunek 2.39).
Można go podsumować następująco:
jednak pamiętać, że podczas budowy układu wszyst-
kie przewody prowadzące do masy muszą być połą-
czone razem do ujemnego źródła zasilania.
Idea symbolu masy sięga czasów, kiedy urządzenia
elektroniczne były montowane w metalowych obudo-
wach łączonych elektrycznie z ujemnym potencjałem
zasilania. Symbol masy oznaczał faktycznie „pod-
łącz do obudowy”. Niektóre odmiany symbolu masy
zostały przedstawione na rysunku 2.40.
Rysunek 2.39. W schematach połączeń kropka wskazuje
zawsze kontakt elektryczny. Trzeba jednak dodać, iż połą-
czenie w stylu krzyża, przedstawione w prawym górnym
rogu rysunku, jest uważane za przejaw złego stylu, ponie-
waż jeśli kropka zostanie przypadkowo pominięta lub źle
wydrukowana, przecięcie takie można łatwo pomylić z poka-
zanym w lewym dolnym rogu, gdzie przewody nie tworzą
kontaktu elektrycznego. Wszystkie trzy konfiguracje u dołu
wskazują brak połączenia, przy czym dominuje styl przed-
stawiony jako pierwszy, styl środkowy jest spotykany najrza-
dziej, a ostatni jest najbardziej staromodny — chociaż, ze
względu na swoją klarowność, jest używany w tej książce
• Kropka łącząca dwa przewody wskazuje
połączenie elektryczne między nimi.
• Łuk na przewodzie krzyżującym się z innym
przewodem wskazuje brak połączenia
elektrycznego.
W niniejszej książce nie znajdziesz krzyżujących się
przewodów bez kropki lub łuku.
W obwodzie zasilanym baterią możesz znaleźć sym-
bol baterii, chociaż częściej spotkasz małą notkę
wskazującą, gdzie dodatni potencjał zasilania wcho-
dzi do systemu, podczas gdy potencjał ujemny przed-
stawiany jest jako symbol „masy”5. Symbole tego
typu mogą być rozsiane po całym schemacie. Musisz
Rysunek 2.40. Wszystkie przedstawione tutaj symbole
mają to samo znaczenie: podłącz przewód do „masy” lub
„obudowy”, lub ujemnego potencjału źródła zasilania.
W tej książce używany jest symbol skrajnie prawy
Książka zawiera kolorowy druk, dlatego będę stoso-
wał kolor czerwony do oznaczenia potencjału dodat-
niego i niebieski do oznaczenia potencjału ujemnego,
jasno wskazując, gdzie należy podłączyć źródło zasi-
lania. Nie będę używał symbolów masy. Moim celem
jest ponownie zminimalizowanie ryzyka niezrozumie-
nia, ponieważ wiem, jak frustrujące potrafi być zbu-
dowanie obwodu, który nie chce działać.
Z bardzo dużą niespójnością na schematach repre-
zentowane są rezystory. Tradycyjny symbol zygzaka
został porzucony w Europie. Zamiast niego używany
jest prostokąt z liczbą w środku wskazującą rezy-
stancję w omach. Spójrz na rysunek 2.41. W Europie
zmieniony został również sposób reprezentacji miej-
sca dziesiętnego: przecinki unikane są z całej siły,
ponieważ źle wydrukowane kropki mają tendencję do
znikania (lub są z czasem mylone z brudem pojawia-
jącym się na papierze). W związku z tym rezystor 4,7
kΩ przedstawiany jest jako 4K7, a 1,2 MΩ jako 1M2.
Rysunek 2.41. Dwa style przedsta-
wiania rezystora 220 Ω. Wyżej wer-
sja stosowana w Stanach Zjedno-
czonych, niżej wersja europejska
220
220
5
Chociaż autor nazywa ten symbol „uziemieniem” (ang. ground), tekst tłumaczony będzie konsekwentnie mówił
o masie układu (pozostawiając termin „uziemienie” dla obwodów elektrycznych wymagających specjalnego
zabezpieczenia przepięciowego) — przyp. tłum.
52
2. Przełączanie i nie tylko
PoDStaWy
Symbole używane na schematach (ciąg dalszy)
Takim samym brakiem konsekwencji obarczony
jest sposób oznaczania potencjometrów pomiędzy
Europą i Stanami Zjednoczonymi, ale w obu przypad-
kach znajdziesz strzałkę symbolizującą miejsce, gdzie
ruchomy element (zazwyczaj powiązany ze środko-
wym wyprowadzeniem) styka się z materiałem sta-
nowiącym rezystancję. Patrz rysunek 2.42. Dodat-
kowo diody LED są czasem pokazywane w kółku,
a czasem bez. Patrz rysunek 2.46.
Rysunek 2.44. Symbol baterii jest przedstawiany często
bez znaków + i –. Ja dodaję je dla przejrzystości
Rysunek 2.42. Symbole potencjometrów: po lewej stronie
wersja używana w Stanach Zjednoczonych, po prawej wer-
sja europejska. W obu przypadkach strzałka symbolizuje
ruchomy element dotykający rezystancji (najczęściej pod-
łączony do środkowego wyprowadzenia)
Rysunek 2.45. Symbol żarówki z żarnikiem
Pozostałe symbole będę stopniowo przedstawiał
w książce. Najważniejsze rzeczy do zapamiętania na
teraz to:
• Pozycje komponentów na schemacie są
nieistotne.
• Konkretny styl użyty do przedstawienia
symboli na schemacie jest bez znaczenia.
• Połączenia pomiędzy komponentami są
niezwykle istotne.
Rysunek 2.43. Trzy sposoby przedstawiania przełącznika
przyciskanego
Rysunek 2.46. Czasami dioda LED jest przedstawiana w otaczającym ją okręgu, a czasem bez niego. W tej książce stosuję
wersję bez okręgu. Strzałki symbolizują emisję światła
Eksperyment 6: Bardzo proste przełączanie
53
PoDStaWy
Symbole używane na schematach (ciąg dalszy)
Dla przykładu trzy obwody z diodą LED, które przed-
stawiłem na rysunku 2.47, pokazują komponenty
w różnym położeniu i przy użyciu różnych symboli,
ale wszystkie trzy funkcjonują w dokładnie taki sam
sposób, ponieważ ich połączenia są identyczne.
Dokładnie mówiąc, wszystkie przedstawiają obwód,
który zbudowałeś podczas eksperymentu numer 4,
przedstawionego na rysunku 1.50.
sygnałem audio w przypadku wzmacniaczy) po lewej
stronie i wyjściem po prawej stronie. Zatem dodatnie
napięcie dostarczane jest z góry, podczas gdy sygnał
przepływa od lewej do prawej strony.
Kiedy planowałem tę książkę, początkowo rysowałem
schematy przestrzegające tych reguł „z góry w dół”
i „od lewej do prawej”, ale po rozpoczęciu budowania
i testowania obwodów zmieniłem zdanie. Do tworze-
nia obwodów używamy części zwanej płytką prototy-
pową. Jej wewnętrzne połączenia wymagają, abyśmy
rozkładali komponenty zupełnie odmiennie w porów-
naniu do typowego schematu. Na początku nauki
elektroniki bardzo myląca jest konieczność przeno-
szenia komponentów ze schematu do konfiguracji
wymaganej przez płytkę prototypową.
Właśnie dlatego przekonasz się, iż w całej książce
narysowałem schematy
jaki
zastosujesz do połączenia ich na płytce. Uważam,
że korzyści płynące z takiego podejścia przeważają
wadę, jaką stanowi odejście od powszechnie stoso-
wanego stylu schematów.
imitujące sposób,
2 kΩ
Ω
k
2
220
Rysunek 2.47. Wszystkie trzy schematy przedstawiają ten
sam obwód. Zbudowałeś go, używając potencjometru,
w trakcie eksperymentu numer 4
Często symbole na schemacie umiejscowione są
w taki sposób, aby cały obwód był zrozumiały w spo-
sób intuicyjny, bez związku z tym, jak konkretnie zbu-
dujesz go przy użyciu fizycznych części. Porów-
naj przykład na rysunku 2.48, przedstawiający dwa
przełączniki DPDT, z wersją pokazaną wcześniej na
rysunku 2.35. Wcześniejsza wersja wygląda tak, jak-
byś wygiął do góry część rysunku, natomiast rysu-
nek 2.48 jaśniej przedstawia przepływ prądu.
Na wielu schematach dodatni potencjał źródła zasi-
lania jest pokazany u góry diagramu, a ujemny
lub masa u dołu. Wiele osób ma również w zwy-
czaju rysować schematy z wejściem (na przykład
Rysunek 2.48. Jest to jedynie inny, prostszy i bardziej
przejrzysty sposób pokazania obwodu, który pojawił się
wcześniej na rysunku 2.35
54
2. Przełączanie i nie tylko
Eksperyment 7: Diody sterowane przekaźnikami
Potrzebne będą:
• zasilacz, szczypce z ostrzem oraz szczypce do zdejmowania izolacji,
• przekaźnik DPDT, liczba: 2,
• diody LED, liczba: 2,
• rezystor w pobliżu wartości 680 Ω, liczba: 1,
• przełącznik przyciskany, SPST, liczba: 1,
• przewód jednożyłowy, 0,5 mm2 lub przewody testowe,
• krokodylki, liczba: 8,
• nóż do prac technicznych.
Następnym krokiem na naszej ścieżce odkrywania obwodów przełączają-
cych jest użycie zdalnie sterowanego przełącznika. Przez „zdalnie stero-
wany” rozumiem taki, do którego możesz wysłać sygnał, aby go włączyć lub
wyłączyć. Tego typu przełącznik określany jest mianem przekaźnika, ponie-
waż przekazuje instrukcję z jednej części obwodu do innej. Często przekaź-
nik jest kontrolowany przez niskie napięcie lub prąd, natomiast przełącza
większe napięcie lub większy prąd.
Taka konfiguracja może być bardzo wydajna. Na przykład kiedy uruchamiasz
silnik samochodu, względnie mały i tani przełącznik wysyła sygnał poprzez
długi, cienki i niedrogi przewód do przekaźnika znajdującego się w pobliżu
rozrusznika. Przekaźnik uruchamia silnik przez krótszy, grubszy i droższy
przewód elektryczny zdolny do przenoszenia prądu rzędu 100 A.
Podobnie, kiedy podnosisz pokrywę ładowanej od góry pralki, gdy ta obraca
bębnem, zamykasz obwód małego przełącznika, który wysyła sygnał o małej
wartości przez cienki przewód do przekaźnika. Przekaźnik odpowiada za
wyłączenie potężnego silnika, który obraca bębnem pełnym mokrych ubrań.
Zanim zaczniesz ten eksperyment, musisz podnieść klasę swojego źródła
zasilania. Nie będziemy już korzystać z baterii, ponieważ większość przekaź-
ników wymaga więcej niż 6 V. Ponadto powinieneś dysponować źródłem,
które jest w stanie dostarczyć różnych wartości napięcia. Najprostszym roz-
wiązaniem jest zasilacz uniwersalny.
Zaczniesz od przygotowania zasilacza do pracy. Kiedy będzie działał, użyjesz
go do zasilenia przekaźnika. Początkowo przekaźnik będzie przełączał obwód
pomiędzy diodami, ale później zmodyfikujesz układ w taki sposób, aby diody
zapalały się automatycznie. W końcu zbudujesz cały układ na płytce prototypowej
i pożegnasz się z krokodylkami (od tej pory będziemy używać ich sporadycznie).
Przygotowanie zasilacza
Zasilacz wpinany jest do gniazdka elektrycznego i powoduje konwersję
napięcia zmiennego o dużej wartości na małą, bezpieczną wartość napię-
cia stałego, które może zasilać urządzenia elektroniczne. Każda ładowarka
używana w połączeniu z telefonem komórkowym, tabletem lub laptopem
jest swego rodzaju zasilaczem, który dostarcza danemu urządzeniu energię
poprzez specjalnie zaprojektowaną do tego celu wtyczkę. Prosiłem Cię, abyś
zakupił zasilacz uniwersalny, mogący dostarczyć napięcia o różnych warto-
ściach. Zaczniemy od pozbawienia go wtyczki.
PoDStaWy
Pomiar napięcia
z zasilacza
Jeżeli podłączysz swój zasilacz
do gniazdka, a następnie pod-
łączysz miernik do jego wyjścia
(ustawiając go wcześniej na
pomiar woltów napięcia stałego),
możesz zostać zaskoczony nie-
spodziewanie dużym odczy-
tem. Wynika to stąd, iż napięcie
dostarczane przez niektóre zasi-
lacze jest zdecydowanie większe
przy braku odpowiednio dużego
obciążenia, a właśnie tak się
dzieje ze względu na bardzo dużą
rezystancję wewnętrzną Twojego
miernika (zasilacz „myśli”, że
nie jest w ogóle obciążony). Aby
test odpowiadał rzeczywistości,
wybierz rezystor o wartości 680
Ω i wstaw go pomiędzy wypro-
wadzenia zasilacza. To sprawi, że
napięcie na zasilaczu spadnie do
odpowiedniego poziomu. Przyłóż
końcówki miernika do obu koń-
ców rezystora.
Użycie rezystora o wartości
mniejszej niż 680 Ω nie jest zbyt
dobrym pomysłem, ponieważ
te zakupione przez Ciebie mają
moc zaledwie 0,25 W i jeśli spró-
bujesz wymusić na nich więk-
szą moc, zaczną się nagrzewać
i ostatecznie się przepalą. Prawo
Ohma mówi nam, że kiedy rezy-
stor o wartości 680 Ω jest pod-
łączony do 12 V, płynący przez
niego prąd jest rzędu 17,7 mA,
a wtedy tracona moc wynosi
0,21 W. Możesz również spró-
bować połączyć kilka rezysto-
rów równolegle, aby przekonać
się, jak zachowuje się napięcie
przy silniejszym obciążeniu.
Eksperyment 7: Diody sterowane przekaźnikami
55
1. Zanim zaczniesz, upewnij się, że zasilacz nie jest podłączony do
gniazdka!
2. Odetnij małą wtyczkę znajdującą się na końcu przewodu
wyprowadzonego z zasilacza. Patrz rysunek 2.49.
3. Użyj noża lub scyzoryka, aby rozciąć dwa przewody na głębokość mniej
więcej jednego centymetra, a następnie rozerwij je na kilka centymetrów.
4. Przytnij oba przewody, używając szczypiec z ostrzem. Jeden
z przewodów utnij krócej od drugiego. W ten sposób zapobiegniesz
przypadkowemu zwarciu obu przewodów (po odsłonięciu izolacji)
i spaleniu zasilacza.
5. Usuń izolację z końców obu przewodów. Wystające przewody linki
miedzianej zapleć, obracając je między kciukiem a palem wskazującym
tak, aby żaden z nich nie odstawał. Patrz rysunek 2.50.
6. Upewnij się, że oba przewody nie dotykają siebie nawzajem, a następnie
podłącz zasilacz do gniazdka. Ustaw miernik na pomiar woltów napięcia
stałego (DC) i dotknij końcówkami przewodów zasilacza. Jeżeli wartość
wyświetlona na zasilaczu jest poprzedzona znakiem minus, znaczy to,
że końcówki są podpięte do przewodów odwrotnie. Zamień je miejscami,
wtedy znak minus powinien zniknąć. W ten sposób dowiesz się, który
przewód jest dodatni.
7. Zaznacz dodatni przewód zasilacza. Jeżeli izolacja przewodu jest koloru
białego, możesz użyć do tego celu czerwonego markera. Jeżeli izolacja
jest czarna, możesz dokleić etykietkę. Przewód dodatni pozostaje zawsze
z takim potencjałem, niezależnie od tego, jak podłączysz sam zasilacz do
gniazdka.
Przekaźnik
Przekaźnik, którego użycie Ci zalecam, ma małe szpilkowate nóżki u dołu obu-
dowy. Ich rozstaw jest standardowy. Jeżeli kupisz inny rodzaj przekaźnika,
będziesz musiał sam dojść do tego, które nóżki są podpięte do cewki, które
łączą się z biegunami, a które z kontaktami normalnie otwartymi i normalnie
zamkniętymi. Tego typu informacje znaleźć możesz na stronie katalogowej pro-
ducenta, ale ja osobiście gorąco zachęcam Cię, abyś użył jednego z przekaźni-
ków wspomnianych w liście zakupów. Dzięki temu łatwiej będzie Ci przestrze-
gać zawartych dalej instrukcji.
Prosiłem, abyś kupił dwa przekaźniki. Jednego z nich będziesz mógł użyć
w celach badawczych, tzn. będziesz mógł się do niego włamać i przekonać
się, co znajduje się w środku. Jeżeli zrobisz to niezwykle ostrożnie, sam prze-
kaźnik powinien później nadal nadawać się do użytku. Jeśli się nie uda, masz
drugi w zapasie.
Najprostszy sposób otwarcia przekaźnika opiera się na użyciu noża do otwie-
rania paczek lub innego noża do prac technicznych. Technikę otwierania poka-
zują rysunki od 2.52 do 2.54. Odcinaj delikatnie krawędzie plastikowej powłoki
zawierającej przekaźnik aż do momentu, kiedy powstanie minimalna przerwa.
Nie posuwaj się dalej; elementy w środku znajdują się bardzo blisko krawę-
dzi. Teraz zdejmij górę. Możesz użyć cienkich szczypiec do wydłubania pozo-
stałej części obudowy. Przestudiuj sekcję „Podstawy. Wewnątrz przekaźnika”,
a następnie podłącz zasilanie do przekaźnika, aby przekonać się, jak działa.
Rysunek 2.49. Przygotowanie zasila-
cza uniwersalnego. Zacznij od odcięcia
wtyczki dostarczającej niskie napięcie
i wyrzuć ją do kosza
Rysunek 2.50. Po drugie, odizoluj
przewody w taki sposób, aby jeden
z nich był krótszy od drugiego. Zmniej-
szysz w ten sposób ryzyko ich wza-
jemnego zetknięcia. Pokoloruj prze-
wód z wyższym potencjałem, używając
markera, lub doklej do niego etykietkę
56
2. Przełączanie i nie tylko
D
B
D
C
A
Rysunek 2.55
Rysunek 2.51. Oto jeden ze sposobów rozmieszczenia elementów wewnątrz prze-
kaźnika. Cewka (A) wytwarza pole magnetyczne przesuwające dźwignię (B) w dół.
Plastikowy element (C) napiera na giętkie metalowe paski i przesuwa bieguny prze-
kaźnika (D) pomiędzy kontaktami
Rysunek 2.52. Aby zajrzeć do zapieczę-
towanego przekaźnika, przycinaj krawę-
dzie przekaźnika do momentu, kiedy uzy-
skasz minimalną wolną przestrzeń
Rysunek 2.53. Wsuń ostrze noża, aby
odciąć górę obudowy, a następnie
powtórz tę procedurę dla pozostałych
ścian obudowy
Rysunek 2.54. Jeżeli będziesz naprawdę
ostrożny, przekaźnik powinien nadal dzia-
łać po otwarciu
Rysunek 2.56. Najważniejszą rzeczą
w trakcie otwierania obudowy przekaźnika
jest cierpliwość. Szybsze metody przy uży-
ciu ciężkiego sprzętu lub ognia zaspokoją
potrzeby emocjonalne osób o mniejszych
możliwościach koncentracji uwagi, ale
wyniki mogą być nieprzewidywalne
Rysunek 2.57. Cztery przekaźniki różnego
typu zasilane napięciem 12 V, pokazane
w swojej obudowie i bez niej. Przekaź-
nik stosowany w samochodach (skrajnie
lewy) jest najprostszy i najłatwiejszy do
zrozumienia, ponieważ przy jego projekto-
waniu rozmiar obudowy nie miał szczegól-
nego znaczenia. Mniejsze przekaźniki są
zaprojektowane bardziej pomysłowo, ich
konstrukcja jest bardziej złożona i trudniej-
sza do rozpracowania. Mniejsze przekaź-
niki są przeważnie przeznaczone do prze-
łączania mniejszych prądów niż ich więk-
sze odpowiedniki
Eksperyment 7: Diody sterowane przekaźnikami
57
PoDStaWy
Wewnątrz przekaźnika
Przekaźnik zawiera cewkę nawiniętą na metalowym
rdzeniu. Kiedy przez cewkę przepływa prąd, meta-
lowy rdzeń wytwarza siłę elektromagnetyczną, która
ciągnie plastikową dźwignię. Ta dźwignia napiera
z kolei na sprężyste blaszki metalowe, powodując
połączenie ze sobą dwóch wyprowadzeń. Zatem jak
długo przez cewkę płynie prąd, tak długo przekaźnik
jest „naładowany” i jego połączenia są zwarte.
Kiedy przez cewkę przestanie płynąć prąd, przekaźnik
„odpuszcza”, a sprężyste metalowe blaszki odska-
kują do swojej pierwotnej pozycji, rozwierając połą-
czenia. (Odstępstwo od tej zasady stanowią przekaź-
niki zatrzaskowe, gdzie powrót do pierwotnej pozy-
cji wymaga impulsu przechodzącego przez drugą
cewkę, ale tego typu przekaźnikami będziemy zajmo-
wać się w dalszej części książki).
Przekaźniki dzielą się na takie same kategorie jak prze-
łączniki: SPST, DPST, SPDT itd.
Porównaj schematy przedstawione na rysunku 2.58
ze schematami przełączników na rysunku 2.38.
Główna różnica polega na tym, że przekaźnik posiada
cewkę, która aktywuje przełącznik. Sam przełącznik
pokazany jest w swoim stanie spoczynkowym, kiedy
cewka nie jest zasilana.
Kontakty przedstawione są jako małe trójkąty. Jeśli
w przekaźniku znajdują się dwa bieguny, cewka akty-
wuje oba przełączniki jednocześnie.
Rysunek 2.58. Różne sposoby przedstawiania przekaźnika
na schematach. U góry po lewej stronie przekaźnik typu
SPST. U góry po prawej stronie i na dole po lewej SPDT.
Na dole po prawej DPDT. W książce używane będą symbole
umieszczone na dole rysunku
Większość przekaźników nie wymaga polaryzacji, tzn.
możesz zasilić cewkę w dowolnym kierunku, a przekaź-
nik i tak będzie działał. Najlepiej sprawdzić to w karcie
katalogowej producenta. Niektóre przekaźniki zasilane
są napięciem zmiennym, chociaż większość przekaźni-
ków niskiego napięcia korzysta z prądu stałego, takiego,
jaki uzyskujesz na przykład z baterii. W tej książce
będziemy korzystać z przekaźników prądu stałego.
Przekaźniki cierpią na tę samą przypadłość co prze-
łączniki: ich kontakty ulegają zniszczeniu pod wpły-
wem iskrzenia spowodowanego przełączaniem zbyt
dużych napięć. Nie warto oszczędzać, kupując prze-
kaźniki przeznaczone dla mniejszego prądu i napię-
cia niż wymagane przez Twój układ. Przekaźnik może
zawieść w najmniej oczekiwanym momencie, a jego
wymiana będzie skomplikowana.
Ze względu na dużą różnorodność typów przekaźni-
ków radzę, abyś dokładnie przestudiował specyfika-
cje, zanim dokonasz zakupu. Szukaj następujących
podstawowych informacji:
Napięcie znamionowe:
Napięcie, jakiego powinieneś użyć do zasilenia
przekaźnika.
Minimalne napięcie zadziałania:
Minimalne napięcie, jakiego potrzebuje przekaź-
nik, aby zamknąć styki. Będzie ono minimalnie
mniejsze od idealnego napięcia znamionowego.
Prąd pracy:
Prąd płynący przez cewkę, zwykle wyrażany
w miliamperach, po zasileniu przekaźnika. Cza-
sami zamiast prądu określa się pobór mocy
cewki wyrażony w miliwatach.
Obciążalność styków:
Maksymalny prąd możliwy do przełączania
pomiędzy kontaktami w przekaźniku. Zazwy-
czaj jest on wyrażony w odniesieniu do pew-
nego obciążenia w postaci stałej rezystancji, tzn.
dla urządzenia pasywnego, takiego jak żarówka.
Jeżeli używasz przekaźnika do przełączania sil-
nika, musisz wiedzieć, że ten bierze znacznie
większy prąd przy rozruchu niż podczas regu-
larnej pracy. Dla takiego przypadku najlepiej
będzie, jeśli wybierzesz przekaźnik radzący sobie
z prądem dwa razy większym od tego, jaki silnik
pobiera w czasie normalnej pracy.
58
2. Przełączanie i nie tylko
Procedura
Odwróć przekaźnik nóżkami do góry i podłącz do nich przewody oraz diody
LED tak, jak pokazuje to rysunek 2.59. Użyj rezystora 680 Ω (jeżeli nie masz
takiej wartości, może być również 1 kΩ). Podłącz również przełącznik przyci-
skany. (Twój konkretny typ przycisku może być inny od pokazanego, ale będzie
działał tak samo, jeśli tylko jest to przycisk typu SPST z wyprowadzeniami u
dołu). Kiedy naciśniesz przycisk, przekaźnik spowoduje zgaśnięcie pierwszej
diody i zapalenie drugiej. Po jego puszczeniu pierwsza dioda zapali się, a druga
zgaśnie.
Jak to działa?
Porównaj schemat na rysunku 2.60 z rysunkiem 2.59. Przyjrzyj się również
rysunkowi 2.62, który demonstruje wyprowadzenia przekaźnika tworzące połą-
czenia w jego wnętrzu dla przypadku zasilenia cewki i jego braku. Jest to prze-
kaźnik typu DPDT, ale my używamy tylko jednego bieguna, zupełnie ignorując
drugi. Dlaczego zatem nie kupiliśmy przekaźnika typu SPDT? Ponieważ zależy
mi, aby przekaźnik miał ten konkretny rozstaw wyprowadzeń, kiedy będziesz
modernizował swój obwód, przenosząc go na płytkę prototypową, co nastąpi
już niebawem.
Na schemacie pokazałem przekaźnik w jego stanie spoczynkowym. Kiedy
cewka zostaje zasilona, przełącznik przesuwa się do góry, co wydaje się być
sprzeczne z intuicją, ale ten konkretny przekaźnik skonstruowany jest właśnie
w ten sposób.
Jeżeli jesteś pewien, że rozumiesz zasadę działania tego układu, nadeszła pora,
aby przejść do kolejnego etapu: małej modyfikacji, która sprawi, że przekaźnik
będzie przełączał się samodzielnie. Tym zagadnieniem zajmiemy się podczas
eksperymentu numer 8.
Napięcie 12 V DC
z zasilacza
Rysunek 2.59. Tak jak poprzednio
zamiast zwykłych przewodów pokaza-
nych na rysunku możesz użyć przewo-
dów testowych
680
12 V
DC
Rysunek 2.60. Ten sam obwód poka-
zany w formie schematu
P
o
ł
ą
c
z
o
n
e
P
o
ł
ą
c
z
o
n
e
e
n
o
z
c
ą
ł
o
P
e
n
o
z
c
ą
ł
o
P
Rysunek 2.61. Układ wyprowa-
dzeń przekaźnika, wrysowany
w siatkę o grubości oczka rów-
nej 0,1 cala. Tego typu prze-
kaźnika będziesz potrzebował
w eksperymencie numer 8
Rysunek 2.62. Połączenia między wyprowadzeniami przekaź-
nika, kiedy ten nie jest zasilany (po lewej) i kiedy jest zasilany
(po prawej)
Większe wersje wszystkich schematów oraz płytek prototypowych dostępne są na
stronie książki pod adresem http://helion.pl/ksiazki/eleodp.htm.
Eksperyment 7: Diody sterowane przekaźnikami
59
Eksperyment 8: oscylator zbudowany na przekaźniku
Potrzebne będą:
• zasilacz, płytka prototypowa, szczypce do cięcia drutu
i zdejmowania izolacji,
• przekaźnik DPDT, liczba: 1,
• diody LED, liczba: 2,
• przełącznik przyciskany, SPST, liczba: 1,
• krokodylki, liczba: 8,
• rezystor w pobliżu wartości 680 Ω, liczba: 1,
• kondensator elektrolityczny, 1000 µF, liczba: 1.
Przyjrzyj się poprawionemu układowi połączeń na rysunku
2.63 oraz poprawionemu schematowi na rysunku 2.64.
Porównaj je z ich poprzednikami. Wcześniej istniało bezpo-
średnie połączenie między przełącznikiem a cewką przekaź-
nika. W nowej wersji zasilanie jest dostarczane do cewki przez
kontakty przekaźnika.
Teraz po naciśnięciu przycisku kontakty przekaźnika w sta-
nie spoczynku przekaźnika zasilają jego cewkę, a także diodę
LED po lewej stronie, ale kiedy tylko cewka zostanie zasi-
lona, otwiera to połączenie między tymi kontaktami. To prze-
rywa zasilanie cewki, powodując przejście przekaźnika w stan
spoczynku i ponowne zamknięcie kontaktów. Te dostarczają
kolejną porcję energii do cewki, powodując ponowne otwarcie
kontaktów. Ten cykl powtarza się w nieskończoność.
Ponieważ używamy bardzo małego przekaźnika, jego przełączanie odbywa się bardzo szybko. W ciągu sekundy
następuje w przybliżeniu 50 oscylacji (zbyt wiele, aby diody LED były w stanie pokazać, co właściwie się dzieje).
Upewnij się, iż Twój obwód wygląda tak jak ten przedstawiony na diagramie, i na krótką chwilę naciśnij przycisk. Powi-
nieneś usłyszeć bzyczenie dochodzące z przekaźnika. Jeżeli masz problemy ze słuchem, dotknij delikatnie przekaź-
nika, powinieneś poczuć jego wibrowanie.
Jeżeli pozwolisz na pracę przekaźnika w takiej formie, narazisz go na spalenie lub uszkodzenie kontaktów. Dlatego pro-
siłem, abyś nacisnął przycisk jedynie na krótką chwilę. Aby uczynić ten obwód bardziej praktycznym, potrzebujemy
jakiegoś środka do spowolnienia przekaźnika i zapobieżenia jego samozniszczeniu. Tym środkiem jest kondensator.
Rysunek 2.63. Mała poprawka poprzedniego układu
sprawia, że pod dostarczeniu energii przekaźnik zaczyna
oscylować
Napięcie 12 V DC
z zasilacza
680
Rysunek 2.64. Układ oscylatora
pokazany w formie schematu
12 V
DC
60
2. Przełączanie i nie tylko
Dodawanie pojemności
Podłącz kondensator elektrolityczny o pojemności 1000 µF równolegle do cewki przekaźnika, tak jak pokazuje to
rysunek 2.65 i schemat na rysunku 2.66. Jeżeli nie jesteś pewien, jak wygląda kondensator, wróć na chwilę do
rysunku 2.14. Wartość 1000 µF będzie nadrukowana na jego boku. Znaczenie tej wartości wyjaśnię później.
Upewnij się, iż krótsze wyprowadzenie kondensatora jest podłączone do ujemnej części obwodu, w przeciwnym
wypadku nie będzie on działał. Oprócz krótszego wyprowadzenia powinieneś również znaleźć znak minus na boku
kondensatora. Jest to dodatkowe wskazanie, przypominające, która z jego „nóg” jest ujemna. Kondensatory elektro-
lityczne są bardzo czułe pod tym względem.
Jeśli teraz naciśniesz przycisk, przekaźnik powinien zacząć klikać o wiele wolniej. Dlaczego tak się dzieje?
Kondensator można porównać do miniaturowej baterii wielo-
krotnego ładowania. Jest ona tak mała, iż ładuje się w ciągu
ułamka sekundy, zanim przekaźnik będzie miał czas na otwarcie
swojej położonej niżej pary kontaktów. Potem, kiedy kontakty
zostaną otwarte, kondensator zachowuje się jak bateria i zasila
przekaźnik. Cewka otrzymuje energię przez około sekundę. Po
wyczerpaniu energii przez kondensator przekaźnik powraca do
stanu spoczynku i cały proces się powtarza.
PoDStaWy
Farady
Farad jest międzynarodową jednostką miary pojemności.
Nowoczesne układy wymagają zazwyczaj kondensato-
rów o małej pojemności. Stąd o wiele łatwiej można spo-
tkać kondensatory o pojemnościach rzędu mikrofaradów
(milionowych części farada), a nawet pikofaradów (bilio-
nowych części farada). W Europie (częściej niż w Sta-
nach Zjednoczonych) używane są również nanofarady.
Przyjrzyj się poniższej tabeli konwersji.
0,001 nanofarada
0,01 nanofarada
0,1 nanofarada
1 nanofarad
0,001 mikrofarada
0,01 mikrofarada
0,1 mikrofarada
1 mikrofarad
0,000001 farada
0,00001 farada
0,0001 farada
0,001 farada
1 pikofarad
10 pikofaradów
100 pikofaradów
1000 pikofaradów
1 nanofarad
10 nanofaradów
100 nanofaradów
1000 nanofaradów
1 mikrofarad
10 mikrofaradów
100 mikrofaradów
1000 mikrofaradów
1 pF
10 pF
100 pF
1000 pF
1 nF
10 nF
100 nF
1000 nF
1 µF
10 µF
100 µF
1000 µF
Napięcie 12 V DC
z zasilacza
Rysunek 2.65. Dodanie kondensatora sprawia,
że przekaźnik oscyluje wolniej
680
12 V
DC
Możesz również trafić na kondensatory o pojemnościach
większych niż 1000 µF, ale są one rzadko spotykane.
1000 μF
Rysunek 2.66. Kondensator pojawia się na samym dole
naszego schematu
Eksperyment 8: Oscylator zbudowany na przekaźniku
61
PoDStaWy
Kondensatory
Prąd stały nie płynie przez kondensator, ale przyłożone napięcie prowadzi
do bardzo szybkiego nagromadzenia się w jego wnętrzu ładunku, który
pozostaje tam, nawet kiedy źródło zasilania zostanie odłączone. Pewne
pojęcie na temat tego, co dzieje się wewnątrz kondensatora, kiedy ten
jest w pełni naładowany, dają rysunki 2.67 i 2.68.
Rysunek 2.67. Kiedy do kondensatora przyłożone zostanie stałe napięcie, nie
płynie żaden prąd, ale on sam ładuje się tak jak bateria. Dodatni i ujemny ładu-
nek są jednakowe, ale przeciwstawne wobec siebie
Rysunek 2.68. Możesz wyobrazić sobie dodatnio naładowane cząstki skumulo-
wane po jednej stronie kondensatora przyciągające ujemnie naładowane cząstki
po jego drugiej stronie
W większości nowoczesnych kondensatorów elektrolitycznych dwie
płytki kondensatora zostały zredukowane do dwóch pasków bardzo cien-
kiej i giętkiej metalowej folii, zwiniętych razem i odseparowanych jedynie
równie cienkim izolatorem. Kondensatory ceramiczne o kształcie dysku
zazwyczaj składają się jedynie z pojedynczego okrągłego elementu sta-
nowiącego izolator z naniesionymi na obu stronach metalowymi okładzi-
nami, do których przymocowane są wyprowadzenia.
Kondensatory wykonywane są najczęściej jako ceramiczne (o względnie
małej pojemności) i elektrolityczne (mogące przechowywać duży ładu-
nek). Ceramiczne mają często kształt dysku i pomalowane są na żółto,
elektrolityczne przypominają aluminiowe puszki z napojami i mogą być
niemal dowolnego koloru. Przykłady kondensatorów obu typów poka-
zane zostały na rysunkach 2.14 i 2.15.
Kondensator może
być niebezpieczny
Jeżeli duży kondensator zosta-
nie naładowany przy użyciu
wysokiego napięcia, jego ładu-
nek może przetrwać długi okres.
Ponieważ obwody elektryczne
budowane z pomocą tej książki
używają bardzo niskiego napię-
cia, nie musisz martwić się tym
zagrożeniem, ale jeśli będziesz
dostatecznie lekkomyślny, aby
włamać się do starego odbior-
nika
i zacząć
w nim grzebać (czego nie pole-
cam), może Cię spotkać niemiła
niespodzianka. Rozładowujący
się kondensator może zabić Cię
z równą łatwością co włożenie
palców do gniazdka elektrycz-
nego. Nigdy nie dotykaj dużych
kondensatorów, o ile nie jesteś
pewien tego, co robisz.
telewizyjnego
62
2. Przełączanie i nie tylko
PoDStaWy
Kondensatory (ciąg dalszy)
Kondensatory ceramiczne nie mają polaryzacji, możesz podłączyć
ujemne napięcie do którejkolwiek nóżki. Kondensatory elektrolityczne
mają polaryzację i nie będą działać, jeśli nie podłączysz ich w prawi-
dłowy sposób.
Symbol reprezentujący kondensator ma dwie istotne odmiany: z dwoma
prostymi liniami (symbolizującymi okładziny w jego wnętrzu) lub z jedną
linią prostą i jedną wykrzywioną, tak jak pokazuje to rysunek 2.69.
Widząc wykrzywioną linię, powinieneś przyjąć, iż ta strona kondensatora
powinna być przyłączona do niższego potencjału niż druga. Symbole na
schemacie mogą również zawierać znak plus (+). Niestety, niektórzy
twórcy schematów nie zadają sobie trudu narysowania zakrzywionej linii
dla kondensatora z polaryzacją, podczas gdy inni rysują ją nawet, jeśli
kondensator nie ma polaryzacji.
Rysunek 2.69. Ogólny symbol kondensatora znajduje się po lewej stronie.
Wersja po prawej stronie wskazuje na kondensator z polaryzacją, którego lewa
okładzina powinna być „bardziej pozytywna” niż prawa. Znak plus jest często
pomijany
Polaryzacja
kondensatora
Kondensator
elektrolityczny
musisz podłączać w taki sposób,
aby jego dłuższe wyprowadzenie
miało potencjał wyższy od poten-
cjału wyprowadzenia krótszego.
Pokrywa kondensatora posiada
zazwyczaj oznaczenie w postaci
znaku minusa w okolicy krót-
szego wyprowadzenia.
Niektóre kondensatory mogą
zachować się nieprzewidywal-
nie, jeśli nie będziesz uważał
na
ich polaryzację. Zdarzyło
mi się podłączyć kondensator
tantalowy do obwodu zasila-
nego przez źródło wydajne prą-
dowo. Przyglądałem się właśnie
całemu układowi, zastanawiając
się, czemu nie działa, kiedy kon-
densator wystrzelił, rozrzucając
małe płonące fragmenty w pro-
mieniu kilku centymetrów. Zapo-
mniałem, że kondensatory tan-
talowe są bardzo wybredne pod
względem swojej polaryzacji.
Wynik tego eksperymentu poka-
zuje rysunek 2.70.
Rysunek 2.70. Do tej płytki przez przypadek wpięty został odwrotnie konden-
sator tantalowy, a źródło zasilania było w stanie wygenerować duży przepływ
prądu. Po minucie działania kondensator „zbuntował się”, wybuchając i rozrzu-
cając po okolicy małe płonące odłamki, które wypaliły plastik na płytce. Była to
dobra nauczka, aby zwracać uwagę na polaryzację
Eksperyment 8: Oscylator zbudowany na przekaźniku
63
tEoRia
Michael Faraday i kondensatory
Pierwsze kondensatory składały się z dwóch metalowych płytek z bardzo małą prze-
rwą między nimi. Zasada ich działania była bardzo prosta:
• Jeżeli jedna płytka była podłączona do dodatniego potencjału, dodatni ładunek
przyciągał ładunki ujemne do drugiej płytki.
• Jeżeli jedna płytka była podłączona do ujemnego potencjału, ujemne ładunki
przyciągały dodatnie ładunki do drugiej płytki.
Te proste zasady demonstrują zamieszczone wcześniej rysunki 2.67 i 2.68.
Zdolność do przechowywania ładunku przez kondensator jest znana jako pojemność
i jest mierzona w faradach. Jednostka ta pochodzi od nazwiska kolejnego pioniera
w dziedzinie elektryczności — Michaela Faradaya (rysunek 2.71). Był on angielskim
chemikiem i fizykiem, żyjącym w latach 1791 – 1867.
Chociaż Faraday nie był człowiekiem wykształconym, a także słabo znał się na mate-
matyce, miał możliwość przestudiowania różnorodnych książek podczas siedmiolet-
niej pracy jako uczeń introligatorstwa i dzięki temu samodzielnego wykształcenia się.
Ponadto, żył w czasach, kiedy względnie proste eksperymenty prowadziły do odkry-
wania fundamentalnych praw związanych z elektrycznością. To wszystko sprawiło,
że dokonał wielkich odkryć. Wśród nich znalazła się indukcja elektromagnetyczna —
zjawisko, które otworzyło drogę do rozwoju silników elektrycznych. Odkrył również,
że magnetyzm może wpływać na promienie światła.
Jego praca przyniosła mu niesamowite zaszczyty, a jego podobizna była w latach od
1991 do 2001 drukowana na brytyjskich banknotach o nominale 20 funtów.
Rysunek 2.71. Michael Faraday
64
2. Przełączanie i nie tylko
Montowanie układu na płytce
Wcześniej obiecywałem, że uwolnię Cię od frustrujących krokodylków i właśnie nadeszła ta pora. Zwróć teraz uwagę
na blok plastiku z dużą liczbą małych otworów, o którego zakup prosiłem Cię na początku rozdziału. Jest on nazywany
płytką prototypową. Kiedy wepniesz komponent w otwory, ukryte pod spodem metalowe paski utworzą dla Ciebie
połączenia z innymi elementami układu. W ten sposób możesz stworzyć układ, przetestować go i w prosty sposób
dokonać niezbędnych modyfikacji. Po skończonej pracy możesz wymontować wszystkie części z płytki i zachować
je na potrzeby przyszłych eksperymentów.
Płytki prototypowe są bez wątpienia najbardziej wygodnym sposobem przetestowania układu, zanim podejmiesz
decyzję o jego wykonaniu w formie ostatecznej.
Niemal wszystkie płytki prototypowe są przystosowane do współpracy z układami scalonymi (których będziemy uży-
wać, poczynając od rozdziału czwartego). Kość wpinana jest po obu stronach pustego kanału biegnącego przez śro-
dek płytki z wierszami małych otworów po jednej i drugiej stronie — zazwyczaj na jeden wiersz przypada około pięć
otworów. Do tych otworów wstawiać będziesz pozostałe elementy układu.
Dodatkowo, płytka powinna posiadać kolumny otworów biegnące z góry na dół na obu swoich krawędziach. Te uży-
wane są do dystrybucji dodatniego i ujemnego potencjału zasilania.
Przyjrzyj się rysunkom 2.72 i 2.73, przedstawiającym górną część typowej płytki prototypo
Pobierz darmowy fragment (pdf)