Miesięczne archiwum: Maj 2014

Zawody robotów – konkurencje

1. Line follower – robot ma za zadanie jak najszybciej samodzielnie przejechać po torze, którym jest czarna taśma na białym podłożu (lub odwrotnie biała taśma na czarnym); :

  • standard – brak przeszkód na torze; rozmiar robota to max 30 x 20 x 40cm, waga bez ograniczeń
  • enhanced – przeszkody na torze, np. tunele, cegł, itp.;
  • light – roboty nie mogą posiadać turbiny;
  • lego – konstrukcja robota oparta na jednostce centralnej zestawu LEGO Mindstorm; rozmiar robota to max 30 x 20 x 40cm, waga bez ograniczeń
Ryc

Ryc. 1 Robot typu line follower na białej planszy z czarną linią toru. (Źródło: http://mariuszwisniewski.net/copernicus-robots-tournament/)

2. Sumo - dwa roboty próbują zepchnąć się nawzajem z ringu (dohyo); podczas walki nie można sterować robotem (poza włączeniem i wyłączeniem):

  • nanosumo – wielkość robota nie może przekroczyć 2,5 x 2,5 x 2,5cm, waga do 25g; ring ma średnicę 19,25cm;
  • microsumo – wielkość robota nie może przekroczyć 5 x 5 x 5cm, waga do 100g; ring ma średnicę 38,5cm;
  • minisumo – wielkość robota nie może przekroczyć 10 x 10cm (wysokość bez ograniczeń), waga do 500g; ring ma średnicę 77cm;
  • standardsumo – wielkość robota nie może przekroczyć 20 x 20cm (wysokość bez ograniczeń), waga do 3kg; ring ma średnicę 149cm;
  • legosumo – wielkość robota nie może przekroczyć 30 x 30cm (wysokość bez ograniczeń), waga do 1,5kg; budowa w oparciu o jednostkę centralną z zestawu LEGO Mindstorms; ring ma średnicę 154cm.
Ryc

Ryc. 2 Dwa roboty typu minisumo na ringu. (Żródło: http://mariuszwisniewski.net/copernicus-robots-tournament/)

3. Micromouse – robot porusza się w labiryncie, jego zadaniem jest jak najszybsze odnalezienie jego środka/pola mety.

Ryc

Ryc. 3 Robot typu micromouse w labiryncie. (Źródło: http://www.dominikdeak.com/index.php?page=micro-mouse-project)

4. Freestyle – dowolność w budowie robota; wygrywa ten który zdobędzie największą liczbę głosów publiczności i/lub jury.

Ryc

Ryc. 4 Robot startujący w konkurencji freestyle. (Źródło: http://mariuszwisniewski.net/copernicus-robots-tournament/)

Lekcja 9: Nauka lutowania

Lutowanie to trwałe łączenie metalowych elementów za pomocą spoiwa (zwanego lutem). Ważne jest, aby temperatura lutowania była wyższa od temperatury topnienia lutu, a niższa od temperatury topnienia łączonych elementów.

1. Podstawowe akcesoria potrzebne podczas lutowania (rozlutowywania):

  • lutownica – narzędzie służące do lutowania. Dla zastosowań amatorskich najlepsza będzie lutownica oporowa. Lutownica jest zbudowana z kolby (uchwytu) oraz grotu, który rozgrzewa spoiwo. Grot jest bardzo gorący, należy uważać aby się nie poparzyć i aby niczego nie podpalić!
Ryc

Ryc. 1 Lutownica.

  • spoiwo (lut, lutowie) – do niedawna (do lipca 2006r.) najczęściej  bazowało na cynie i ołowiu, które topiły się w temp. 185oC. Teraz z uwagi na restrykcyjne normy bezołowiowe (RoHs) mające na celu ochronę środowiska stosuje się luty bezołowiowe oparte na bazie cyny z domieszką srebra, miedzi, bizmutu czy antymonu, co spowodowało znaczny wzrost temperatury topnienia do 210 – 220oC, a co za tym idzie trudniej się je lutuje „zwykłą” lutownicą. Na szczęście spoiwa z cyny i ołowiu nadal są w sprzedaży i można z nimi rozpoczynać swoją przygodę z lutowaniem.
Ryc

Ryc. 2 Spoiwo lutownicze.

  • kalafonia – to po prostu żywica, która bardzo łatwo się topi, dzięki niej łatwiej się lutuje, bo cyna lepiej się rozprowadza. Kalafonia dobrze rozpuszcza się w spirytusie, np. salicylowym – można to wykorzystać i rozpuścić żywicę, następnie delikatnie pędzelkiem nanieść na płytkę na której będziemy lutować i w ten sposób znacznie ułatwić sobie pracę.
Ryc

Ryc. 3 Kalafonia.

  • odsysacz do cyny (zwany także pompką do cyny) – służy do odsysania nadmiaru roztopionej cyny. Jest to bardzo proste narzędzie, podobne do strzykawki, zbudowane z tłoka, sprężyny i zbiorniczka na odessany lut. Z jednej strony ma (wymienną) końcówkę odsysającą, z drugiej zaś uchwyt do naciągania, a z boku przycisk zwalniacza.
Ryc

Ryc. 4 Odsysacz do cyny.

  • lico (plecionka) – są to splecione miedziane druciki, które przyłożone do rozgrzanej cyny na rozlutowywanych elementach, ściągają ją.
Ryc

Ryc. 5 Plecionka lutownicza.

  • cążki – służą do obcinania nóżek wlutowanych elementów (można wykorzystać zwykłe cążki kosmetyczne, ale uwaga – dość szybko się niszczą!)
Ryc

Ryc. 6 Cążki: a) zwykłe; b) kosmetyczne.

Inne akcesoria ułatwiające lutowanie:

  • topnik – upraszcza lutowanie poprzez usunięcie zanieczyszczeń z lutowanej powierzchni, ułatwia topnienie zwiększając płynność cyny. Topnik w przeciwieństwie do kalafonii nie pozostawia brązowych śladów, ale osad po topniku należy usunąć (np. acetonem) ponieważ może powodować korozję.
Ryc

Ryc. 7 Topnik.

  • pęseta – ułatwia przytrzymywanie niewielkiego wlutowywanego elementu.
Ryc

Ryc. 8 Pęseta.

  • czyścik – do oczyszczania gorącego grota z cyny i innych zanieczyszczeń.
Ryc

Ryc. 9 Czyścik.

Żeby dobrze lutować należy dużo ćwiczyć. Internetowy sklep elektroniczny CELTOR przygotował dla nas specjalny zestaw narzędzi i akcesoriów do lutowania, w którego skład wchodzi także niewielka płytka uniwersalna, specjalnie do ćwiczeń. Szczegóły tutaj.

Poniżej zdjęcia różnych rodzajów płytek uniwersalnych – jednostronnych i dwustronnych:

Ryc

Ryc. 10 Płytki uniwersalne: a) jednostronna – punkty lutownicze są tylko z jednej strony; b) dwustronna – punkty lutownicze są z obu stron.

2. Bezpieczeństwo

  • Grot rozgrzanej lutownicy ma bardzo wysoką temperaturę, przez co z łatwością można nią coś podpalić, roztopić plastikowe przedmioty lub się poparzyć.
  • Rozgrzaną lutownicę trzymamy tylko za przeznaczony do tego uchwyt.
  • Lutownicy nie należy rozmontowywać – grozi to porażeniem prądem.
  • Opary powstające przy lutowaniu są toksyczne, niezależnie od użytego spoiwa. Należy uważać, aby ich nie wdychać.
  • Należy dbać o dobre wietrzenie pomieszczenia w którym lutujemy.
  • Dodatkowo podczas lutowania dobrze jest zadbać o ochronę oczu, np. poprzez stosowanie okularów ochronnych.

 

3. Lutowanie podzespołów elektronicznych na płytce uniwersalnej.

Weź do ręki swoją płytkę uniwersalną. Jest ona wykonana z włókna szklanego i ma wiele przewierconych na wylot otworów. Twoja płytka jest dwustronna, oznacza to, że możemy lutować do niej elementy z obu stron. W płytkach uniwersalnych jednostronnych lutujemy podzespoły tylko z jednej strony, z tej na której są punkty lutownicze – srebrne obwódki wokół otworów.

Lutownicę należy podłączyć do źródła zasilania i położyć w bezpiecznym miejscu, grot ma być w powietrzu, tak aby niczego nie spalić/stopić, ani samemu się nie poparzyć (np. talerzu).

Ryc

Ryc. 11 Lutownica oparta o talerz w bezpieczny sposób.

Chwilkę trzeba odczekać, aby grot się nagrzał. W tym czasie przedziej nóżki wlutowywanego elementu przez odpowiednie otwory w płytce. Przygotuj także cynę.

Ryc

Ryc. 12 Nóżki rezystora przedziane przez otwory w płytce uniwersalnej.

Teraz do płytki i wlutowywanej nóżki zbliż na sekundkę grot lutownicy.

Ryc

Ryc. 13 Podgrzewanie lutownicą nóżki rezystora, który będzie lutowany. Z prawej strony jest przygotowana cyna – nie dotyka ona jeszcze lutowanego miejsca.

Następnie przyłóż końcówkę cyny. Zrób to w miarę szybko, ponieważ zbyt długie jej przytrzymywanie spowoduje roztopienie zbyt dużej ilości spoiwa. Poza tym cyna może się przegrzać, robią się wtedy grudki, czarne stopy, kiepsko się lutuje, a lut słabo się trzyma.

Cały proces lutowania pojedynczego lutu powinien zająć 2 do 3 sekund.

Ryc

Ryc. 14 Lutowanie nóżki rezystora poprzez jednoczesne przyłożenie gorącego grotu lutownicy i cyny.

Ryc

Ryc. 15 Zabieramy cynę, aby jej nadmiar nie pozostał na lutowanym miejscu.

Ryc

Ryc. 16 Lutowanie drugiej nóżki rezystora na płytce uniwersalnej.

Prawidłowo (po lewej) i nieprawidłowo (po prawej) wykonany lut:

Ryc

Ryc. 17 Nóżki rezystora przylutowane do płytki uniwersalnej: lewa – poprawnie; prawa – niepoprawnie (zbyt dużo cyny).

Ryc

Ryc. 18 Luty: a) poprawny; b) niepoprawny (zbyt dużo cyny, lut wygląda jak kuleczka); c) niepoprawny (zbyt mało cyny).

Cążkami odcinamy zbyt długie nóżki wlutowanych podzespołów.

Ryc

Ryc. 19 Odcinanie cążkami tuż przy lucie zbyt długiej nóżki rezystora.

Ryc

Ryc. 20 Przylutowany rezystor z: nóżką odciętą (po lewej stronie); zbyt długą nóżką (po prawej stronie).

 

4. Czyszczenie lutownicy.

Gąbkę do czyszczenia lutownicy należy zmoczyć w wodzie, tak aby była wilgotna.

Grot rozgrzanej lutownicy należy dokładnie wytrzeć kilkoma szybkimi ruchami. Zbyt długie przytrzymywanie grotu w jednym miejscu może uszkodzić gąbkę.

Ryc

Ryc. 21 Czyszczenie (wycieranie) grotu zabrudzonej lutownicy o zmoczoną gąbkę.

Uwaga – grotu lutownicy nie trzeba czyścić po przylutowaniu pojedynczego elementu. Należy to robić, gdy grot będzie brudny, np. po przepaleniu cyny.

 

5. „Ratowanie” niewłaściwie wykonanych lutów.

  • jeśli podczas lutowania stopiło Ci się zbyt dużo cyny (lut wygląda jak kuleczka) lub cyna się przepaliła, część spoiwa można odessać. W tym celu użyjemy odsysacza. Działa on podobnie do strzykawki.
Ryc

Ryc. 22 Odsysacz do cyny.

Wciskamy tłoczek u góry odsysacza.

Ryc

Ryc. 23 Odsysacz do cyny z wciśniętym tłoczkiem oraz oznaczonym przyciskiem zwalniacza.

Zbliżamy odsysacz do miejsca z którego chcemy usunąć nadmiar cyny. Jednocześnie gorącą lutownicą rozgrzewamy nasz lut.

IMG_6459

Ryc. 24 Nieprawidłowy lut jest podgrzewany lutownicą. Obok widzimy końcówkę odsysacza, gotowej aby wessać roztopioną cynę.

Delikatnie puszczamy tłoczek (przyciskiem zwalniacza) zbierając nadmiar cyny. Należy uważać, aby grotem lutownicy nie uszkodzić końcówki odsysacza (na wszelki wypadek końcówki te są wymienne).

Zebrany nadmiar cyny usuwamy z odsysacza przez ponowne naciśnięcie i zwolnienie tłoczka…

Ryc

Ryc. 25 Nadmiar cyny usunięty z odsysacza poprzez ponowne naciśnięcie i zwolnienie tłoka.

lub bezpośrednio wyjmujemy ją z pojemniczka na cynę.

Ryc

Ryc. 26 Usuwanie cyny z odsysacza poprzez jego rozkręcenie.

Inną metodą na odsysanie zbyt dużej ilości cyny jest po prostu dokładne wyczyszczenie lutownicy, a następnie zebranie lutownicą nadmiaru cyny.

  • jeśli luty są matowe (a nie błyszczące), może być to oznaką ich przegrzania.
Ryc

Ryc. 27 Przegrzany lut.

W takiej sytuacji należy rozgrzany grot lutownicy delikatnie i szybko zanurzyć w kalafonii…

Ryc

Ryc. 28 Grot lutownicy zanurzony delikatnie w kalafonii.

a następnie bardzo szybko grot z kalafonią przyłożyć do poprawianego lulu. Należy to robić bardzo szybko, ponieważ kalafonia się wypala i może się okazać, że zanim dotkniemy grotem lutu nie będzie już na nim kalafonii!

Ryc

Ryc. 29 Poprawianie przegrzanego lutu za pomocą grotu lutownicy na której znajduje się kalafonia.

  • jeśli lutując elementy obok siebie cyna z dwóch różnych punktów lutowniczych styka się ze sobą należy ją usunąć. W przeciwnym razie będzie to droga na skróty dla przepływającego prądu, co w konsekwencji może powodować zwarcia lub uszkodzenie poszczególnych podzespołów, a nawet całego urządzenia.
Ryc

Ryc. 30 Nadmiar cyny łączący dwa punkty lutownicze położone obok siebie.

Do usuwania nadmiaru cyny w takiej sytuacji służy lico (plecionka). Rozgrzewamy cynę pomiędzy tymi punktami lutowniczymi lutownicą, a następnie przykładamy lico.

Ryc

Ryc. 31 Nadmiar cyny pomiędzy punktami lutowniczymi rozgrzewamy lutownicą i ściągamy ją plecionką.

Te splecione miedziane druciki tworzą coś na kształt gąbki, która zbiera nadmiar cyny.

Ryc

Ryc. 32 a) Rozdzielone punkty lutownicze; b) nadmiar cyny zebrany plecionką.

  • „zimne luty” – niepewne połączenia podzespołów elektronicznych. Tworzą się poprzez niewłaściwe podgrzanie i naniesienie cyny. Punkty takie często raz łączą, a raz nie łączą. Naprawia się je poprzez podgrzanie takiego miejsca lutownicą i ponowne zlutowanie odrobiną nowej cyny.

Lekcja 8 – tranzystory npn i pnp

Zanim przejdziemy do właściwego tematu dzisiejszej lekcji przyjrzymy się bliżej innemu podzespołowi – standardowemu potencjometrowi montażowemu (popularnie nazywanym pr-ką). Krótki wstęp teoretyczny, wraz z podziałem potencjometrów i zdjęciami różnych typów modeli znajdziecie tutaj.

Ryc

Ryc. 1 Standardowy potencjometr montażowy (pr-ka) o rezystancji maksymalnej 10k: a) widok z góry; b) widok od spodu, cyframi 1-3 oznaczono kolejne nóżki potencjometru.

Na powyższym zdjęciu widzimy nasz potencjometr – ma on pomarańczowe pokrętło u góry, a z czarnej kwadratowej podstawy wychodzą 3 nóżki. Ważne jest to, że dwie nóżki wychodzą z jednego boku tego kwadratu, a trzecia nóżka wychodzi po przeciwnej stronie. Aby ułatwić nam dalsze rozważania i uniknąć nieporozumień ponumerujemy sobie nóżki, tak jak widać to na ryc. 1.

Położone obok siebie nóżki 1 i 3 połączone są na stałe ścieżką oporową. Dlatego też rezystancja między nimi jest stała, wynosi w naszym przypadku 10kΩ i nie zależy od pozycji w jakiej znajduje się pokrętło. Sprawdźmy omomierzem ich rezystancję i porównajmy to z wartością opisaną na obudowie.

 

Ryc

Ryc. 2 Pomiar omomierzem rezystancji ścieżki oporowej potencjometru (1 i 3 nóżka).

Zgodnie z przewidywaniami rezystancja ścieżki oporowej, czyli rezystancja mierzona między 1 i 3 nóżką jest zbliżona do 10kΩ – wynosi u mnie 9,94kΩ. Wartość ta nie ulegnie zmianie mimo zmian pozycji pokrętła – sprawdź!

Teraz skręć pokrętło maksymalnie w jedną stronę i dokonaj pomiaru rezystancji między nóżkami 1 i 2 oraz 3 i 2.

Ryc

Ryc. 3 Pomiar rezystancji pomiędzy nóżkami potencjometru: a) nóżką trzecią i drugą; b) nóżką pierwszą i drugą; c) schematyczne przedstawienie potencjometru jako dzielnika napięcia, w którym rezystor R1 ma rezystancję 9,94kΩ, a rezystor R2 rezystancję bliską 0kΩ.

Gdy pokrętło jest maksymalnie skręcone w którąś stronę, nóżka druga jest zwarta z którąś z pozostałych nóżek, dlatego rezystancja między nimi jest bliska zeru. Mierząc rezystancję między nóżką drugą z przeciwstawną nóżką oporność jest równa oporności potencjometru.

Teraz przekręćmy nieco pokrętło i zmierzmy rezystancję między nóżkami 1 i 2 oraz 3 i 2:

Ryc

Ryc. 4 Pomiar rezystancji pomiędzy nóżkami potencjometru: a) nóżką trzecią i drugą; b) nóżką pierwszą i drugą; c) schematyczne przedstawienie potencjometru jako dzielnika napięcia, w którym rezystor R1 ma rezystancję 6,41kΩ, a rezystor R2 rezystancję 3,77kΩ.

Skoro już wiemy jak działa potencjometr (tzn. że między nóżkami 1 i 2 oraz 3 i 2 możemy otrzymać dowolną rezystancję z przedziału od zera do maksymalnej rezystancji potencjometru – w naszym przypadku do 10k)) możemy przejść do właściwego tematu tej lekcji, a mianowicie do tranzystorów bipolarnych.

Podstawowe informacje o tranzystorach (podział, budowa, zasada działania) znajdziecie w osobnym poście tutaj. Na samym wstępie muszę zaznaczyć, że na chwilę obecną skupimy się na prostych układach tranzystorowych (włącz/wyłącz) gdzie podczas obliczeń będziemy pomijać pewne etapy. Więcej informacji będzie potrzebne w dalszej części kursu gdzie  precyzyjne wyznaczenie punktu pracy będzie rzutowało na efekt końcowy działania całego układu.

Zaczniemy od tranzystora NPN – BC548B. Wygląda on tak:

Ryc

Ryc. 5 Tranzystor npn BC548B.

Wiemy, że posiada on 3 nóżki jest to: baza, kolektor i emiter… Ale która jest która? W tym celu sprawdzimy notę katalogową (możecie ją znaleźć na stronie sklepu www.celtor.pl przy konkretnym produkcie). Informacji nie trzeba szukać długo, wszelkie wątpliwości rozwiewa rysunek na samym początku noty:

Ryc

Ryc. 6 Schemat tranzystora z oznaczeniem jego wyprowadzeń: E – emiter, B – baza, C – kolektor.

Pokrótce przypomnę zasadę działania tranzystora. Tranzystor jest elementem półprzewodnikowym tzn. że w pewnych warunkach przewodzi prąd a w pewnych nie. Zasada działania tranzystora bipolarnego opiera się na tym, że sterujemy w nim prądem bazy – jeśli do bazy dostarczymy stosunkowo niewielki prąd, spowoduje to otwarcie tranzystora, czyli przepływ prądu z kolektora do emitera. Prąd płynący z kolektora do emitera jest o wiele większy od prądu płynącego od bazy do emitera, dlatego można powiedzieć, że prąd emitera jest niemal równy prądowi kolektora a w praktyce Ie=Ib+Ic.

Ryc

Ryc. 7 Tranzystor npn: a) symbol stosowany na schematach; b) symbol na którym strzałkami zaznaczono rozkład prądów (im większa strzałka tym większy prąd).

Jak już wspominałam praca tranzystora zależy od dostarczonego do niego prądu bazy:

  • stan zatkania – do bazy nie dopływa prąd lub jest on zbyt mały zbyt mały aby tranzystor przewodził;
  • stan przewodzenia (pracy liniowej) – prąd bazy przekroczył wartość progową, zwiększanie prądu bazy powoduje wprost proporcjonalne (liniowe) zwiększenie przepływu prądu przez złącze kolektor-emiter;
  • stan nasycenia – dalsze zwiększanie prądu bazy nie zwiększa już przepływu prądu przez złącze kolektor-emiter; zbyt wysoki prąd bazy może uszkodzić tranzystor!

To tyle informacji teoretycznych, przejdziemy do takiego oto układu:

Ryc

Ryc. 8 Schemat układu w którym do źródła zasilania B1 podłączono tranzystor T1 oraz potencjometr P1.

Źródłem zasilania B1 jest standardowo nasz koszyk baterii dostarczający do układu napięcie rzędu 6V. Prąd rozdziela się i część „idzie” do kolektora, a część przez potencjometr trafia do bazy tranzystora.

W naszym przypadku do kolektora trafi napięcie 6V… a do bazy? Pamiętajmy, że potencjometrem możemy uzyskać rezystancję od 0 do 10k. W przypadku, gdy skręcimy go maksymalnie zwierając nóżkę ze ślizgaczem do nóżki dostarczającej napięcie, zachowa się on tak, jak gdyby w ogóle go nie było – do bazy popłynie napięcie ok. 6V. Czy to nie za dużo? Sprawdźmy co na ten temat mówi nota katalogowa:

Ryc

Tab. 1 Fragment noty katalogowej tranzystora BC548B zawierający maksymalne dopuszczalne wartości: napięcia dla złącz: kolektor-emiter (VCEO), kolektor-baza (VCES) oraz emiter-baza (VEBO); natężenia prądu kolektora (IC); temperatury złącza (TJ, Tstg).

Maksymalnym dopuszczalnym napięciem w złączu emiter – baza (VEBO) jest 5V. Dostarczenie w tym miejscu 6V może zakończyć się uszkodzeniem tranzystora.Możemy oczywiście uważać, aby za mocno nie przekręcić potencjometru, ale to niezbyt wygodne i niezbyt pewne rozwiązanie.

Poza tym, jak widzimy dostarczenie 6V napięcia na kolektor jest bezpieczne, bo producent dopuszcza w tym miejscu (VCEO) nawet 30V. Napięcia na kolektorze nie przekroczyliśmy, ale co z prądem? Jego dopuszczalna wartość (IC) to 500mA. Czy możemy być pewni, że nasza bateria podłączona w ten sposób z tranzystorem nie da takiego prądu?

Jak zmodyfikować nasz układ, aby natężenie i napięcie nigdzie nie przekroczyło dopuszczalnych dla tranzystora norm? Jeśli pomyśleliście o rezystorach to macie rację! Po lekkiej modyfikacji układ w naszym doświadczeniu wygląda następująco:

Ryc

Ryc. 9 Schemat układu w którym do źródła zasilania B1 podłączono rezystory: R1 i R2, tranzystor T1 oraz potencjometr P1.

Wartość rezystora R1 i R2 będzie trzeba obliczyć. Zaczniemy od rezystora R1:

R1 = U / I

Z wartością U nie ma problemu, bierzemy po prostu napięcie zasilania jakie dostarcza nam bateria, czyli 6V, a co z prądem? Maksymalny prąd kolektora IC to 500mA. My dla naszych doświadczeń nie potrzebujemy aż takiego natężenia (to bardzo duży prąd przy stosunkowo niskim napięciu jakie daje nam bateria), załóżmy że prąd kolektora ma wynosić  maksymalnie 100mA.

R1 = 6V / 100mA

R1 = 60Ω

Zaraz, zaraz! A co ze spadkiem napięcia na tranzystorze? Dlaczego nie bierzemy go pod uwagę w naszych obliczeniach?! W tym miejscu skupimy się jedynie na takim dobraniu rezystorów, aby mieć pewność, że nie uszkodzimy tranzystora (obliczanie układu z tranzystorem znajdziecie w dalszej części tej lekcji). Załóżmy więc, że żadne spadki napięcia na tranzystorze nie występują i poprzestańmy na tym, że R1 ma mieć 60Ω.

Przejdźmy do obliczenia rezystancji rezystora R2. Tu sprawa się trochę komplikuje z uwagi na brak opisanej maksymalnej wartości IB w nocie katalogowej. Wyznaczymy go sobie z tego wzoru:

IC = IB x β

IB = IC / β

Symbol β to współczynnik wzmocnienia (hFE) – informacji o nim poszukajmy w nocie katalogowej:

Ryc

Tab. 2 Fragment noty katalogowej tranzystora BC548B określający jego parametry: współczynnik wzmocnienia (hFE), napięcie nasycenia pomiędzy kolektorem a emiterem (VCE(sat)) oraz napięcie baza-emiter (VBE).

Z powyższej tabeli wynika, że współczynnik wzmocnienia (hFE), w zależności od indywidualnych cech danego tranzystora, może wynosić od 200 do 450. Jest to dość duży rozrzut.

Czy jest jakiś sposób aby wyznaczyć współczynnik β naszego konkretnego tranzystora? Tak, możemy wartości odszukać w karcie katalogowej. Praktycznie na samym końcu są charakterystyki tranzystora z których można odczytać betę w funkcji prądu kolektora oraz napięcie Ube w funkcji prądu kolektora. Niektóre multimetry wyposażone są  funkcję pomiaru wzmocnienia (bety). Wystarczy włożyć nóżki tranzystora w odpowiednie otwory przeznaczone na określony typ tranzystora, ustawić pokrętło na opcję pomiaru współczynnika hFE i odczytać wartość (w razie wątpliwości należy zajrzeć do instrukcji obsługi swojego miernika): pomiar bety w multimetrze wykonywany jest tylko dla jednej wartości napięcia Uce oraz Ube – proszę tą uwagę zapamiętać gdyż będzie nam to potrzebne w obliczeniach.

Ryc

Ryc. 10 Tranzystor BC548B umieszczony w gnieździe multimetru, które służy do pomiaru współczynnika wzmocnienia.

Ryc

Ryc. 11 Pomiar współczynnika wzmocnienia przy użyciu multimetru.

Mój współczynnik wzmocnienia to 360. Jeśli udało Ci się zmierzyć swoją β świetnie! Możesz teraz wykorzystać ją do dalszych obliczeń. Jeśli Twój miernik nie ma takiej opcji, nie przejmuj się – specjalnie z myślą o Tobie, poniżej zamieszczam obliczenia w oparciu o dane z noty katalogowej:

IB = IC / β

Zakładając, że nie mamy możliwości pomiaru β, dalsze obliczenia przeprowadzimy dla dwóch skrajnych wartości (200 i 450):

IB = 100mA / 200                    IB = 100mA / 450

IB = 0,5mA                                IB = 0,22mA

Dla bezpieczeństwa do obliczeń rezystancji przyjmiemy niższą wartość IB, czyli 0,22mA.

R2 = U / I

R2 = 6V / 0,22mA

R2 = 27272,72Ω

R2 = 27,3kΩ

Skoro wiemy już jakich wartości rezystorów potrzebujemy, możemy zmontować ten układ na płytce stykowej:

Ryc

Ryc. 12 Schemat układu w którym do źródła zasilania B1 podłączono rezystory: R1, R2, R3, R4, R5, tranzystor T1 oraz potencjometr P1.

Źródłem napięcia jest koszyk baterii na 6V. Następnie linie układu rozgałęziają się – jedna z nich przechodząc przez rezystory R1 = 47Ω i R2 = 22Ω (co razem daje rezystancję 69Ω), biegnie do kolektora tranzystora BC548B. Druga linia obwodu prowadzi przez rezystory: R3 = 22kΩ, R4 = 4,7kΩ i R5 = 470Ω (co razem daje rezystancję 27,17kΩ) do potencjometru montażowego P1 o maksymalnej wartości rezystancji 10k. Nasza pr-ka drugą nóżką łączy się z masą, natomiast nóżka zakończona suwakiem biegnie do bazy tranzystora npn BC548B.

Oto jak wygląda układ na płytce stykowej:

Ryc

Ryc. 13 Układ złożony na płytce stykowej ze: źródła zasilania, rezystorów, potencjometru i tranzystora.

Nasze doświadczenie polegać będzie na mierzeniu natężenia i napięcia w określonych punktach układu przy różnym położeniu pokrętła potencjometru.

Ryc

Ryc. 14 Schemat układu na którym zaznaczono miejsca pomiaru natężenia prądu (A1, A2) oraz napięcia (V1, V2).

Ryc

Ryc. 15 Różne pozycje pokrętła potencjometru dla których będziemy dokonywać pomiarów napięcia i natężenia prądu w układzie.

W jaki sposób dokonywać pomiarów? Ustaw pokrętło potencjometru w pewnym położeniu i dokonaj wszystkich 4 pomiarów, następnie przekręć nieco pokrętło i tak jak poprzednio dokonaj pomiarów, itd.

Uzyskane przeze mnie wyniki zebrałam w poniższej tabeli:

Tab

Tab. 3 Napięcie i natężenie prądu zmierzone w różnych punktach układu przy różnym położeniu pokrętła potencjometru.

Analizę powyższej tabeli zacznę od dołu:

  • wiersz e – napięcie pomiędzy bazą, a emiterem UBE jest równe 0V. Dlaczego? Pokrętło od potencjometru jest maksymalnie skręcone w prawą stronę, a tym samym nóżka ślizgacza w potencjometrze (doprowadzająca prąd do bazy) jest tak blisko kolejnej nóżki potencjometru (połączonej z masą), że właściwie można powiedzieć, że jest z nią zwarta.
Ryc

Ryc. 16 Potencjometr jest maksymalnie skręcony w prawą stronę, przez co ślizgacz jest niemalże zwarty z nóżką potencjometru połączoną z masą. Dla lepszego zobrazowania sytuacji, z lewej strony potencjometru został umieszczony jego schemat jako dwóch połączonych szeregowo rezystorów: R1 o bardzo dużej rezystancji oraz R2 o bardzo małej rezystancji.

Pamiętamy, że napięcie to różnica potencjałów. Różnica potencjałów tych dwóch nóżek potencjometru jest tak mała, że nie wykrywa jej nasz miernik. Złącze kolektor – emiter otwiera się tylko wtedy, gdy prąd bazy osiągnie odpowiedni poziom. Przy zerowym prądzie bazy tranzystor pozostaje w stanie zatkania. Z tego powodu napięcie między kolektorem i emiterem wynosi 6,23V i jest równe napięciu dostarczanemu do układu przez baterię B1;

  • wiersz d – pokrętło potencjometru zostało nieco obrócone w lewo, a nóżka ślizgacza połączona z bazą oddaliła się od nóżki połączonej z masą:
Ryc

Ryc. 17 Potencjometr jest skręcony w prawą stronę, a ślizgacz jest nieco oddalony od nóżki potencjometru połączonej z masą. Dla lepszego zobrazowania sytuacji, z lewej strony potencjometru został umieszczony jego schemat jako dwóch połączonych szeregowo rezystorów: R1 o dużej rezystancji oraz R2 o mniejszej rezystancji.

z tego powodu napięcie baza-emiter UBE wzrosło i w tej chwili wynosi 0,47V, ale tranzystor nadal pozostaje w stanie zatkania, ponieważ jest to zbyt niskie napięcie. W tym miejscu można by zadać pytanie od jakiego napięcia tranzystor przejdzie w stan pracy? Odpowiedź znajdziemy w nocie katalogowej (której fragment zamieszczam poniżej) – napięcie pomiędzy bazą a emiterem powodujące włączenie tranzystora to 0,58V;

Ryc

Tab. 4 Fragment noty katalogowej tranzystora BC548B określający jego parametry: współczynnik wzmocnienia (hFE), napięcie nasycenia pomiędzy kolektorem a emiterem (VCE(sat)) oraz napięcie baza-emiter (VBE).

  • wiersz c – ślizgacz w potencjometrze znów przesunął się delikatnie w lewo:
Ryc

Ryc. 18 Pokrętło jak i ślizgacz, ustawione są pośrodku potencjometru. Dla lepszego zobrazowania sytuacji, z lewej strony potencjometru został umieszczony jego schemat jako dwóch połączonych szeregowo rezystorów: R1 i R2 o tej samej rezystancji.

napięcie UBE wynosi 0,69V, czyli przekroczyło w końcu wymagane 0,58V do włączenia tranzystora. Do bazy dopływa teraz stosunkowo niewielki prąd 18,8μA, który spowodował, że tranzystor zaczął przewodzić prąd  pomiędzy kolektorem a emiterem. Przez kolektor płynie prąd rzędu 9mA. W porównaniu do prądu jaki przepływa przez bazę, prąd kolektora jest bardzo duży. Wyliczę wzmocnienie prądowe mojego tranzystora:

IC = IB x β

β = IC / IB

β = 9mA / 18,8μA

β = 479

Zauważyliście, że coś tu się nie zgadza? Wyżej pisałam, że zgodnie z notą katalogową współczynnik wzmocnienia może wynosić od 200 do 450. Ponadto mierzyłam hFE tego konkretnego tranzystora miernikiem i wyniósł od 360! Skąd te rozbieżności? Wynika to z wielu czynników:

 – temperatura przy której dokonywałam pomiaru – elementy w układzie do których przyłożymy napięcie często wydzielają ciepło, mniej lub bardziej grzeją się, co odbija się m.in. na naszym współczynniku β, który jest dość czuły na tego typu zmiany warunków;

 – prąd – β zmienia się od prądu  kolektora (w multimetrze pomiar wykonywany jest dla jednej wartości prądu kolektora)

 – producent – różni producenci podają nieco inne parametry danego elementu mimo, że to ten sam  jego symbol

- ważną sprawą jest również przyjęcie odpowiedniej wartości napięcia Ube (pomiędzy bazą a emiterem)

- na wynik wpływa również błąd pomiaru naszym multimetrem

Innymi słowy ten konkretny tranzystor w tych konkretnych warunkach może mieć tą konkretną β, nawet jeśli jest ona taka wysoka.

Wracając do naszej sytuacji: napięcie UBE 0,69V spowodowało otworzenie tranzystora, przepływ niewielkiego prądu IB = 18,8μA przez bazę, otwarcie złącza kolektor-emiter w tranzystorze i przepływ prądu IC = 9mA przez kolektor. Napięcie pomiędzy kolektorem a emiterem spadło do 5,35V, ponieważ na tranzystorze, gdy jest on włączony, tak jak  elemencie elektronicznym, następuje spadek napięcia pomiędzy kolektorem a emiterem (Uce);

  • wiersz b – kolejne przekręcenie pokrętła potencjometru w lewo spowodowało odsunięcie nóżki doprowadzającej prąd do bazy od nóżki połączonej z masą
Rys

Ryc. 19 Potencjometr jest skręcony w lewą stronę, a ślizgacz jest nieco oddalony od nóżki potencjometru doprowadzającej napięcie. Dla lepszego zobrazowania sytuacji, z lewej strony potencjometru został umieszczony jego schemat jako dwóch połączonych szeregowo rezystorów: R1 o małej rezystancji oraz R2 o dużej rezystancji.

napięcie pomiędzy bazą i emiterem wzrosło i wynosi teraz UBE = 0,78V. Z tego powodu dość znacznie zwiększył się prąd bazy IB do 76,3μA. Większy prąd bazy to z kolei większy prąd kolektora, ponieważ nasz tranzystor znajduje się w stanie pracy liniowej, IC to obecnie aż 29mA. Jaka jest β? Wynosi ona 380. Sporo mniej niż przy poprzednim pomiarze! Co więcej mieści się ona w zakresie podanym w nocie katalogowej i jest bliższa wynikowi uzyskanemu z pomiaru tranzystora multimetrem. Potwierdza to tylko, to co napisałam powyżej – na współczynnik wzmocnienia mają wpływ przeróżne czynniki (temperatura, prąd kolektora, producent) i ulega ona zmianie gdy tranzystor pracuje w różnych warunkach.

Większy prąd (29mA) płynący przez złącze kolektor – emiter powoduje zmniejszenie napięcia na złączu kolektor – emiter (Uce), dlatego też różnica potencjałów między kolektorem i emiterem UCE wynosi już tylko 4V – jednak mimo to tranzystor jeszcze nie jest nasycony i zwiększanie prądu bazy będzie powodowało zwiększenie prądu kolektora;

  • wiersz a – pokrętło potencjometru jest skręcone maksymalnie w lewo, nóżka ze ślizgaczem jest praktycznie zwarta z nóżką dostarczającą do potencjometru napięcie z baterii
    Ryc

    Ryc. 20 Potencjometr jest maksymalnie skręcony w lewą stronę, przez co ślizgacz jest niemalże zwarty z nóżką potencjometru doprowadzającą napięcie. Dla lepszego zobrazowania sytuacji, z lewej strony potencjometru został umieszczony jego schemat jako dwóch połączonych szeregowo rezystorów: R1 o bardzo małej rezystancji oraz R2 o bardzo dużej rezystancji.

    Jak się pewnie mogliście domyślić napięcie UBE znów się zwiększyło, wynosi 0,8V. Ciężko było dokonać dokładnie niektórych wyników, ponieważ na pomiar miało spory wpływ np. dociśnięcie palcem potencjometru czy dotknięcie tranzystora. Powodem jest zwiększający się przepływ prądu zarówno przez bazę (99μA) oraz kolektor (37mA), a większe natężenie to większe straty ciepła, powodujące przegrzewanie się podzespołów elektronicznych, „rozjeżdżanie się” ich parametrów, gorsza praca, szybsze starzenie, a w konsekwencji ich zniszczenie.

Współczynnik β, przez wzrost prądu przepływającego przez kolektor i wzrost temperatury, znów uległ zmianie i wynosi 374.

Zwróćcie jeszcze uwagę na ten oto fragment noty katalogowej naszego tranzystora:

Ryc

Tab. 5 Fragment noty katalogowej tranzystora BC548B określający jego parametry: współczynnik wzmocnienia (hFE), napięcie nasycenia pomiędzy kolektorem a emiterem (VCE(sat)) oraz napięcie baza-emiter (VBE).

Maksymalne napięcie UBE to 0,77V, potem tranzystor przechodzi w stan nasycenia – dalsze zwiększanie prądu bazy nie ma już wpływu na prąd kolektora… Coś to się nie zgadza! Przy napięciu UBE = 0,78V otrzymaliśmy inny prąd kolektora (29mA), niż przy napięciu UBE = 0,8V (IC = 37mA). Spójrzmy na powyższy fragment noty katalogowej – napięcie UBE podane jest dla określonego napięcia UCE = 5V i prądu IC = 10mA. U nas napięcie UCE wynosiło jedynie 3,28V, a prąd kolektora IC był wyższy i wynosił 37mA. Te różnice spowodowały, że nasz tranzystor, mimo że przekroczył założone 0,77V nie przeszedł jeszcze w stan nasycenia, gdyż wpływ ma rezystancja dołączona w obwodzie kolektora bo: URC=Ic x Rc <Uzaś czyli tranzystor jest w zakresie pracy liniowej.

Wnioski z analizy uzyskanych wyników, zawartych w powyższej tabeli są następujące:

  1. Kiedy napięcie pomiędzy bazą a emiterem tranzystora BC548B jest mniejsze niż 0,58V, tranzystor jest w stanie zatkania – nie płynie przez niego prąd.
  2. Wzrost napięcia pomiędzy bazą a emiterem tranzystora BC548B powyżej 0,58V powoduje jego przejście w stan pracy liniowej – zaczyna przez niego płynąć prąd – zwiększanie prądu bazy powoduje zwiększenie prądu kolektora, z tym że prąd bazy jest o wiele niższy od prądu kolektora.
  3. Współczynnik prądowy zwany również współczynnikiem wzmocnienia (oznaczanym jako β lub hFE) ma ścisły związek z temperaturą wydzielaną na tranzystorze, prądem kolektora, jak również z producentem i jakością wykonania tranzystora.
  4. Wzrost temperatury tranzystora powoduje wzrost prądu kolektora IC.

Przejdziemy teraz do tranzystora pnp – BC557B, który jest lustrzanym odbiciem w stosunku do omawianego przed chwilą tranzystora npn.

Ryc

Ryc. 21 Tranzystor pnp BC557B.

Zaczniemy od zasady działania tranzystora pnp – dokładnie tak jak tranzystor npn jest on sterowany prądem bazy. Stosunkowo niewielki prąd bazy powoduje otwarcie złącza kolektor – emiter, którym płynie stosunkowo duży prąd.

Ryc

Ryc. 22 Tranzystor pnp: a) symbol stosowany na schematach; b) symbol na którym strzałkami zaznaczono rozkład prądów (im większa strzałka tym większy prąd).

Teraz przejdziemy do analogicznego układu jak w poprzednim doświadczeniu.

Ryc

Ryc. 23 Schemat układu w którym do źródła zasilania B1 podłączono rezystory: R1 i R2, R3, R4, R5, tranzystor T1 oraz potencjometr P1.

Zauważyliście co się zmieniło w stosunku do układu z doświadczenia 1? Tranzystor npn został zastąpiony tranzystorem pnp. Dodatkowo źródło napięcia B1 zostało odwrócone, teraz prąd z baterii wypływa dołem (z bieguna dodatniego), a wraca górą (do bieguna ujemnego).

Wartości rezystorów pozostają te same, na swojej płytce stykowej podmień jedynie tranzystor i odwrotnie podłącz przewody czarny i czerwony doprowadzające napięcie z baterii… Oczywiście odpowiedź na pytanie: jak podłączyć tranzystor – które wyprowadzenie jest bazą, emiterem i kolektorem – znajdziemy w nocie katalogowej tranzystora BC557B (chociażby na stronie www.celtor.pl przy danym produkcie).

Ryc

Ryc. 24 Schemat tranzystora, z noty katalogowej, z oznaczeniem jego wyprowadzeń: 1 – kolektor, 2 – baza, 3 – emiter.

Tak wygląda układ na płytce stykowej:

Ryc

Ryc. 25 Układ złożony na płytce stykowej zbudowany ze: źródła zasilania, rezystorów, potencjometru i tranzystora.

Nasze doświadczenie, będzie polegało na mierzeniu natężenia i napięcia w określonych punktach układu przy różnym położeniu pokrętła potencjometru – identycznie jak poprzednio.

Ryc

Ryc. 26 Schemat układu na którym zaznaczono miejsca pomiaru natężenia prądu (A1, A2) oraz napięcia (V1, V2).

Uzyskane przeze mnie wyniki zebrałam w poniższej tabeli:

Tab

Tab. 6 Napięcie i natężenie prądu zmierzone w różnych punktach układu przy różnym położeniu pokrętła potencjometru.

Zauważyliście, że wyniki z tabeli są niemal identyczne z wynikami z poprzedniego doświadczenia? To dlatego, że te tranzystory prawie takie same, różni je jedynie kierunek przepływu prądu. W moich rozważaniach celowo pominęłam znak minus gdyż zaciemniał by nam analizę układu. Przeanalizujemy teraz powyższą tabelę.

  • wiersz e – napięcie UBE pomiędzy bazą a emiterem jest zerowe, ponieważ nóżka potencjometru z suwakiem (doprowadzającej prąd do bazy) jest zwarta do nóżki doprowadzającej napięcie. Różnica potencjałów bazy i emitera jest tak mała, że nie wykrywa jej miernik. Brak napięcia UBE powoduje, że nasz tranzystor jest wyłączony, dlatego prąd bazy (IB) i kolektora (IC) nie płynie. Z tego powodu napięcie między emiterem a kolektorem UCE wynosi 6,1V i jest równe napięciu baterii B1;
  • wiersz d – nóżka potencjometru z suwakiem (doprowadzająca prąd do bazy) oddaliła się od nóżki doprowadzającej napięcie, dlatego napięcie UBE wzrosło do 0,49V. Jest ono nadal zbyt niskie, aby tranzystor się „włączył”. Zgodnie z notą katalogową, minimalne napięcie UBE (VBE(on)), niezbędne do pracy tranzystora to 0,6V.
Tab

Tab. 7 Fragment noty katalogowej tranzystora BC557B określający jego parametry:prąd zerowy kolektora (ICBO), prąd zerowy emitera (IEBO), napięcie kolektor-emiter uszkadzające tranzystor (V(BR)CEO), napięcie nasycenia pomiędzy kolektorem a emiterem (VCE(sat)), napięcie nasycenia pomiędzy bazą a emiterem (VBE(sat)), napięcie baza – emiter (VBE(on)).

  • wiersz c – ślizgacz potencjometru przesunął się w lewo, powodując wzrost napięcia UBE do 0,67V, przekraczając tym samym wartość progową dla tranzystora, co spowodowało przepływ prądu przez bazę IB = 23,4μA, a także przez kolektor IC = 8,3mA. Jak zwykle prąd bazy jest znacznie mniejszy od prądu kolektora. Współczynnik wzmocnienia to β = 355. Napięcie pomiędzy kolektorem i emiterem spadło do 5,5V z uwagi na spadek napięcia na pracującym tranzystorze;
  • wiersz b – kolejne przesunięcie ślizgacza po ścieżce oporowej potencjometru spowodowało wzrost napięcia UBE do 0,69V, spowodowało to zarówno wzrost prądu bazy IB = 83μA, jak również prąd kolektora IC = 26mA. Współczynnik wzmocnienia w tym momencie wynosi 313. Napięcie kolektor – emiter spadło do 4,1V;
  • wiersz a – pokrętło potencjometru jest całkowicie skręcone w lewą stronę, a nóżka ze ślizgaczem jest maksymalnie oddalona od nóżki doprowadzającej napięcie z baterii. Napięcie UBE wzrosło do 0,7V (dopiero po przekroczeniu napięcia(VBE(on)) 0,82V tranzystor przeszedłby w stan nasycenia). Prąd bazy wyniósł IB = 107μA, a prąd kolektora IC = 34mA, współczynnik wzmocnienia to 318. Napięcie kolektor – emiter to 3,64V.

Wnioski z uzyskanych wyników są identyczne jak w poprzednim doświadczeniu. W tym miejscu jedynie podkreślę, że siostrzany tranzystor pnp jest jedynie lustrzanym odbiciem tranzystora npn – ta sama zasada działania, ale inny kierunek przepływającego przez tranzystor prądu.

Przed chwilą poznaliśmy z grubsza działanie tranzystora npn i pnp. Teraz spróbujemy dokładniej obliczyć rezystancję rezystorów w takim oto układzie:

Ryc

Ryc. 27 Schemat układu w którym do źródła zasilania B1 podłączono rezystory: R1 i R2, tranzystor T1 oraz potencjometr P1.

Źródłem zasilania jest tu nasz koszyk na 4 baterie. Z dodatniego bieguna baterii „wychodzi” prąd, który oznaczyłam symbolem I. W pierwszym węźle nasz prąd rozdziela się na: IC (prąd kolektora), który zanim trafi do tranzystora (BC548B), przechodzi przez rezystor R1 oraz IR1P1, który przechodzi przez rezystor R2. Tu natrafiamy na drugi węzeł z którego: prąd IB wędruje bezpośrednio do bazy tranzystora, a kolejna odnoga biegnie w dół przez potencjometr P1, aby ostatecznie obie linie złączyły się ze sobą i wspólnie trafiły do ujemnego bieguna baterii B1. Na obu rezystorach, jak i na potencjometrze z lewej strony widnieje strzałka podpisana literą U – w ten sposób oznaczyłam spadki napięć występujące na tych elementach. Mam nadzieje, że wszystko jest jasne i możemy przejść do obliczeń.

Założenia:

  • IC = 20mA
  • β = 378 – wartość otrzymana poprzez zmierzenie hFE multimetrem (w razie braku takiej opcji w mierniku można przyjąć średnią wartość z noty katalogowej)
  • IR2P1 ≈ 10 x I- rezystor R2 i potencjometr P1 to po prostu połączone ze sobą szeregowo 2 rezystory, między nimi jest węzeł którym prąd IB trafia to bazy kolektora… coś Wam to przypomina? Dzielnik napięcia – mówiliśmy o nim w lekcji 6. Właśnie tam pisałam, że prąd w dzielniku powinien być 10 razy większy niż prąd z niego wychodzący, stąd to założenie.

Obliczenia:

  • zaczniemy od obliczenia prądu bazy:

IB = IC / β

IB = 20mA / 378

IB = 52,9μA

  • obliczmy spadek napięcia na rezystorze R2:

UB1 = UR2 + UP1

UR2 = UB1 – UP1

z noty katalogowej wiemy, że aby tranzystor mógł działać różnica potencjałów pomiędzy bazą i emiterem musi wynosić co najmniej 0,58V, dlatego spadek napięcia na potencjometrze P1 musi wynosić minimum 0,58V; dla pewności, że tranzystor będzie pracował przyjmijmy UR2 = 0,7V

UR2 = 6V – 0,7V

UR2 = 5,3V

  • obliczmy prąd IR1P1:

IR2P1 ≈ 10 x IB

IR2P1 = 10 x 52,9μA

IR2P1 = 529μA

  • obliczmy rezystancję rezystora R2 i potencjometru P1:

R = U / I

R2 = UR2 / IR2P1                                     P1 = UP1 / IR2P1

 R2 = 5,3V / 529μA                                   P1 = 0,7V / 529μA

 R2 = 10019Ω                                         P1 = 1323Ω

R2 = 10,19kΩ                                        P1 = 1,32kΩ

  •  obliczymy rezystancję rezystora R1:

 R1 = UB1 / IC

R1 = 6V / 20mA

R1 = 300Ω

Na podstawie uzyskanych wyników zbudujmy na płytce stykowej nasz układ.

Ryc

Ryc. 28 Układ złożony na płytce stykowej zbudowany ze: źródła zasilania, rezystorów, potencjometru i tranzystora.

Rezystor R1 powinien mieć rezystancję 300Ω, dlatego w tym miejscu wstawiłam 3 rezystory 100Ω. W miejsce rezystora R2, którego rezystancja powinna wynosić 10,19kΩ, dałam rezystory: 10k (którego rezystancja rzeczywista wynosi 9,90kΩ) i 220Ω. Potencjometr P1 jest połączony z układem tylko dwiema nóżkami: pierwsza nóżka, ta ze ślizgaczem, łączy go z bazą tranzystora, druga nóżka łączy go z masą, trzecia nóżka pozostaje niewykorzystana. Zanim jednak w płytkę stykową włożymy tranzystor należy tak długo kręcić pokrętłem potencjometru, aż uda się ustalić napięcie pomiędzy jego nóżkami na 0,7V. Teraz można włożyć tranzystor.

Ryc

Ryc. 29 Potencjometr zamontowany na płytce stykowej: a) widok od strony dwóch nóżek połączonych ścieżką oporową; b) widok od strony nóżki połączonej ze ślizgaczem.

Zmierzmy IC. Czy uzyskamy założone na początku 20mA?

Ryc

Ryc. 30 Pomiar prądu kolektora.

U mnie prąd kolektora wyniósł 12,81mA. Z czego mogą wynikać różnice?

  • Z rezystancji rzeczywistej dobranych elementów, która od tych przyjętych do obliczeń może się różnić aż do 5%. Na jednym elemencie to nie dużo, ale już niewielkie odchylenie na kilku rezystorach zrobi znaczną różnicę w wyniku końcowym;
  • Różne od założonego może być napięcie dostarczane przez baterię B1, w zależności od stopnia jej rozładowania;
    • Inna β – do obliczeń przyjęłam współczynnik wzmocnienia, jaki zmierzyłam multimetrem, a przecież my już wiemy, że ten współczynnik potrafi się zmieniać, np. w zależności od prądu płynącego przez kolektor lub temperatury. Dlatego do obliczeń istotne jest aby przyjąć wartości Bety, Uce oraz Ube z karty katalogowej.

Na chwilę obecną w naszych obliczeniach nie jest bardzo istotne precyzyjne dobranie punktu pracy tranzystora gdyż  projektowane układy działają na zasadzie włącz/wyłącz. Wrócimy do tematu obliczeń układów tranzystorowych przy projektowaniu wzmacniaczy audio (np. prostego wzmacniacza mikrofonowego).

Ostatnim zagadnieniem poruszanym w tej lekcji będzie układ zawierający zarówno tranzystor, jak i fotorezystor. Zbudujemy prosty czujnik zmierzchowy. Jego zadaniem będzie świecić w ciemności, a wyłączać się w świetle.

Ryc

Ryc. 31 Fotorezystor: a) widok z dołu; b) widok z góry.

Podstawowe informacje o fotorezystorach możecie znaleźć tutaj. W tym miejscu przypomnę tylko zasadę działania – po oświetleniu fotorezystora jego rezystancja maleje, co skutkuje wzrostem przepływającego przez niego prądu.

Ryc

Ryc. 32 Schemat układu w którym do źródła zasilania B1 podłączono rezystory: R1, R2, fotorezystor R3, diodę D1, tranzystor T1 oraz potencjometr P1.

Źródłem zasilania jest tu koszyk z 4 bateriami. Z dodatniego bieguna baterii „wychodzi” prąd, który oznaczyłam literą I. W pierwszym węźle prąd I rozdziela się na:
prąd IC, który przechodząc przez rezystor R1, czerwoną diodę LED D1 trafia do kolektora tranzystora BC548B; prąd IR2P1, który po przejściu przez rezystor R2 oraz potencjometr P1 znów trafia do węzła, gdzie znów się rozdziela: do bazy tranzystora oraz przez fotorezystor R3 do masy.

Po co nam tranzystor? Czy nie można by po prostu połączyć baterii, fotorezystora i diody? Otóż nie, ponieważ prąd z fotorezystora jest stosunkowo niewielki, a dioda potrzebuje aż 20mA do maksymalnej wartości natężenia światła. Tranzystor jest w tym przypadku idealny – włącza go niewielki prąd fotorezystora, a pomiędzy kolektorem i emiterem płynie większy prąd, wystarczający do zaświecenia diody.

Przejdźmy do obliczenia naszego przykładu:

  • zaczniemy od obliczenia rezystancji rezystora R1 (czerwona dioda LED D1 – prąd przewodzenia 20mA, napięcie przewodzenia 2,1V), w obliczeniach pomijamy spadek napięcia na tranzystorze (Uce):

UR1 = UB1 – UD1

UR1 = 6V – 2,1V

UR1 = 3,9V

R1 = UR1 / IC

R1 = 3,9V / 20mA

R1 = 195Ω

  •  obliczymy prąd bazy IB, dla β = 374 (współczynnik wzmocnienia zmierzono multimetrem):

IB = IC / β

IB = 20mA / 374

IB = 53,5μA

  • obliczymy rezystancję rezystora R2, tak jakby dalej w układzie nie było potencjometru, ponieważ gdy pokrętło jest maksymalnie skręcone w jedną stronę jego rezystancja jest zerowa. Jeśli chodzi o fotorezystor, zaczniemy od zmierzenia jego rezystancji przy zwykłym oświetleniu, jakie mamy w pokoju – u mnie wyniosła ona 10kΩ. Musimy przy tym założyć, że przy takiej rezystancji spadek napięcia na fotorezystorze ma wynosić 0,5V, ponieważ przy takim napięciu pomiędzy bazą a emiterem tranzystor pozostanie wyłączony.

IR2P1 = UR3 / R3

IR2P1 = 0,5V / 10kΩ

IR2P1 = 50μA

R2 = (UB1 – UR3) / IR2P1

R2 = (6V – 0,5V) / 50μA

R2 = 110kΩ

Zbudujmy nasz układ na płytce stykowej: rezystor R1 (195Ω) to u mnie 2 rezystory po 100Ω, rezystor R2 (110kΩ) to rezystory: 100kΩ, 10kΩ.

Ryc

Ryc. 33 Układ złożony na płytce stykowej zbudowany ze: źródła zasilania, rezystorów, fotorezystora, diody LED, potencjometru i tranzystora.

Wynik końcowy:

Dioda LED w ciemności świeci, a przy zapalonym świetle gaśnie. W ten sposób zbudowaliśmy prosty czujnik zmierzchowy.

Fotorezystor

  • fotorezystor (fotoopornik) – rezystor, którego rezystancja zmienia się pod wpływem promieni świetlnych padających na światłoczuły panel
  • symbol
Ryc

Ryc. 1 Symbol fotorezystora.

  • zasada działania:

 – w ciemności fotorezystor ma dużą rezystancję, więc przepływa przez niego niewielki prąd, nazywany „prądem ciemnym”;

 – oświetlenie fotorezystora powoduje spadek jego rezystancji, co skutkuje wzrostem przepływającego przez niego prądu

  • budowa fotorezystora – na izolacyjnym podłożu umieszcza się cienką półprzewodnikową warstwę światłoczułą rozdzielaną przez 2 elektrody, całość osłania się okienkiem i umieszcza się w obudowie
Ryc

Ryc. 2 Schematyczna budowa fotorezystora: a) elektroda; b) podłoże; c) warstwa światłoczuła; d) okienko.

 

  • parametry fotorezystora:

 – prąd fotoelektryczny – różnica całkowitego prądu przepływającego przez fotorezystor i prądu ciemnego;

 – czułość widmowa – zależność rezystancji od natężenia padającego na fotorezystor światła;

 – rezystancja fotorezystora – zależy od jego budowy;

 – współczynnik n – stosunek rezystancji ciemnej do rezystancji przy danej wartości oświetlenia fotorezystora.