Archiwa kategorii: Kurs elektroniki

Lekcja 11: LM358 – wzmacniacz napięcia

Wzmacniacz operacyjny to różnicowy wzmacniacz prądu stałego o bardzo dużym wzmocnieniu (oraz dużej impedancji wejściowej), przystosowany do pracy z zewnętrznym układem ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Jeśli powyższa definicja nic Wam nie mówi, zapraszam do lektury poniższej lekcji.

Zacznijmy od tego, że wzmacniacz operacyjny, podobnie jak omawiane wcześniej stabilizatory, ma skomplikowaną budowę wewnętrzną, w którą nie będziemy się zbytnio zagłębiać.

Symbol graficzny wzmacniacza operacyjnego nie nawiązuje do jego wyglądu (zwłaszcza, że może on być dostępny w różnych obudowach), ale zasady jego działania:

Ryc

Ryc. 1 Symbol graficzny wzmacniacza operacyjnego.

Powyższy symbol jest bardzo uproszczony. Gdybyśmy chcieli umieścić na nim wszystkie niezbędne wyprowadzenia musielibyśmy wrysować jeszcze dwie ścieżki.

Ryc

Ryc. 2 Symbol graficzny wzmacniacza operacyjnego.

Zasada działania

Do wzmacniacza doprowadzamy poprzez wejścia We(+) (tzw. wejście nieodwracające) i/lub We(-) (tzw. wejście odwracające) jakiś (zazwyczaj różny) sygnał. Mogą to być nawet bardzo niewielkie napięcia. Różnica napięć wejściowych nazywana jest napięciem różnicowym.

Nasz wzmacniacz jest rodzajem komparatora – porówna oba sygnały ze sobą i zachowa się w różny sposób, w zależności od tego który sygnał będzie silniejszy:

  • We(+) > We(-)   ⇒   Wy ≈ Uzas-UWO

Jeśli do wejścia nieodwracającego We(+) doprowadzimy większe napięcie niż do wejścia odwracającego We(-) to na wyjściu otrzymamy napięcie zbliżone do dostarczonego do wzmacniacza napięcia zasilania UZAS, pomniejszone o spadek napięcia na wzmacniaczu UWO.

  • We(+) < We(-)   ⇒   Wy ≈ 0V

Jeśli do wejścia nieodwracającego We(+) doprowadzimy mniejsze napięcie niż do wejścia odwracającego We(-) to na wyjściu otrzymamy napięcie bliskie zeru.

  • We(+) = We(-)   ⇒   Wy ≈ 0V

Jeśli do obu wejść dostarczymy ten sam sygnał (nazywany w takim przypadku sygnałem nieróżnicowym) to na wyjściu otrzymamy napięcie bliskie zeru.

Wzmacniacz operacyjny dołączony do naszego zestawu ma symbol LM358. Zgodnie z informacjami z noty katalogowej (kliknij tutaj) jest on podwójnym wzmacniaczem napięcia (czyli tak naprawdę są to dwa wzmacniacze w jednej obudowie!), dlatego też ma on aż osiem nóżek:

Ryc

Ryc. 3 Po lewej: wzmacniacz operacyjny LM358; po prawej: schemat funkcji jego pinów (nóżek).

Nóżka 8 (doprowadzenie napięcia zasilania) oraz nóżka 4 (czyli masa) są wspólne dla obu wzmacniaczy. Reszta nóżek jest osobna:

- wzmacniacz pierwszy to nóżki: 3 (czyli nasze We(+)), 2 (nasze We(-)), 1 (nasze Wy)

- wzmacniacz drugi to nóżki: 5 (czyli nasze We(+)), 6 (nasze We(-)), 7 (nasze Wy)

Dobrze, ale które nóżki ze schematu odpowiadają nóżkom naszego wzmacniacza? Jeśli przyjrzymy się bliżej, zauważymy że z jednej strony obudowy jest niewielkie wgłębienie. Na schemacie z noty zamiast wgłębienia jest czarna kropka przy cyfrze 1. Jest to standardowy sposób oznaczania przodu układu scalonego. Nóżki zawsze ponumerowane są kolejno, rozpoczynając od wgłębienia (lub kropki) w kierunku odwrotnym do ruchu wskazówek zegara.

Ryc

Ryc. 4 Wzmacniacz operacyjny LM358 z oznaczoną numeracją „nóżek”.

Skoro tyle już wiemy sprawdzimy jak to wygląda w praktyce – złóżmy na płytce stykowej układ z ryc. 5, który poddamy 3 niewielkim modyfikacją. Napięcie zasilania to 6V. Do żółtej/zielonej diody LED dobrano (z niewielkim zapasem) rezystor 220Ω. Potencjometr P1 to nasza p-rka 10kΩ (pokrętło ustawione na środek).

UWAGA! Przed podłączeniem zasilania do układu złożonego na płytce stykowej upewnijcie się, że Wasz wzmacniacz jest poprawnie podłączony, w przeciwnym razie możecie go uszkodzić!

1. Rezystor R1 i dioda LED R1 (u mnie żółta) połączone są między „plusem” zasilania a wyjściem wzmacniacza operacyjnego; wejście nieodwracające We(+) (czyli trzecia nóżka wzmacniacza) także połączono z „plusem” zasilania.

Ryc

Ryc. 5 Schemat układu złożonego ze źródła zasilania B1, wzmacniacza operacyjnego LM358, rezystora R1, potencjometru P1 oraz diody D1.

Napięcie na wejściu We(+) (nóżka 3) jest wyższe od napięcia na wejściu We(-) (nóżka 2), dlatego na wyjściu wzmacniacza (nóżka 1) otrzymamy napięcie bliskie napięciu zasilania pomniejszone o spadek napięcia na wzmacniaczu (UZAS-UWO). Różnica potencjałów pomiędzy źródłem zasilania B1, a wyjściem wzmacniacza operacyjnego będzie zbyt niska by zasilić diodę LED, dlatego pozostanie ona wyłączona.

Ryc.

Ryc. 6 Zdjęcie układu złożonego na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 5.

2. Rezystor R1 i dioda LED R1 (u mnie żółta) połączone są między „plusem” zasilania a wyjściem wzmacniacza operacyjnego; wejście nieodwracające We(+) (czyli trzecia nóżka wzmacniacza) połączono do masy.

Ryc.

Ryc. 7 Schemat układu złożonego ze źródła zasilania B1, wzmacniacza operacyjnego LM358, rezystora R1, potencjometru P1 oraz diody D1.

Napięcie na wejściu We(+) (nóżka 3) jest niższe od napięcia na wejściu We(-) (nóżka 2), dlatego na wyjściu wzmacniacza (nóżka 1) otrzymamy napięcie bliskie 0V. Różnica potencjałów pomiędzy źródłem zasilania B1, a wyjściem wzmacniacza operacyjnego będzie wystarczające by zasilić diodę LED, dlatego będzie ona świecić.

Ryc

Ryc. 8 Zdjęcie układu złożonego na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 7.

3. Rezystor R1 i dioda LED R1 (zmieniłam ją na zieloną) połączone są między wyjściem wzmacniacza operacyjnego a masą; wejście nieodwracające We(+) (czyli trzecia nóżka wzmacniacza) połączono z „plusem” zasilania.

Ryc

Ryc. 9 Schemat układu złożonego ze źródła zasilania B1, wzmacniacza operacyjnego LM358, rezystora R1, potencjometru P1 oraz diody D1.

Napięcie na wejściu We(+) (nóżka 3) jest wyższe od napięcia na wejściu We(-) (nóżka 2), dlatego na wyjściu wzmacniacza (nóżka 1) otrzymamy napięcie bliskie napięciu zasilania pomniejszone o spadek napięcia na wzmacniaczu (UZAS-UWO). Różnica potencjałów pomiędzy wyjściem wzmacniacza operacyjnego a masą będzie wystarczające by zasilić diodę LED, dlatego będzie ona świecić.

Ryc

Ryc. 10 Zdjęcie układu złożonego na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 9.

4. Rezystor R1 i dioda LED R1 (u mnie zielona) połączone są między wyjściem wzmacniacza operacyjnego a masą; wejście nieodwracające We(+) (czyli trzecia nóżka wzmacniacza) połączono z masą.

Ryc.

Ryc. 11 Schemat układu złożonego ze źródła zasilania B1, wzmacniacza operacyjnego LM358, rezystora R1, potencjometru P1 oraz diody D1.

Napięcie na wejściu We(+) (nóżka 3) jest niższe od napięcia na wejściu We(-) (nóżka 2), dlatego na wyjściu wzmacniacza (nóżka 1) otrzymamy napięcie bliskie 0V. Brak różnicy potencjałów pomiędzy wyjściem wzmacniacza operacyjnego a masą uniemożliwi zasilenie diodę LED, dlatego pozostanie ona wyłączona.

Ryc.

Ryc. 12 Zdjęcie układu złożonego na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 11.

Otrzymane wyniki zebrałam w poniższej tabelce:

Tab.

Tab. 1 Wyniki przeprowadzonego doświadczenia – wpływ podłączenia We (+) – trzeciej nóżki wzmacniacza oraz diody LED na świecenie diody.

Czy powyższy schemat jest prawdziwy dla wszystkich wzmacniaczy operacyjnych? Otóż… nie!

Weźmy na przykład inny, bardzo podobny wzmacniacz operacyjny o symbolu LM393. Potrafi on przewodzić prąd tylko od miejsca w układzie o wyższym potencjale do siebie (czyli analogicznie do wersu 1 i 2 w tabeli). Nie przewodzi on prądu od wyjścia wzmacniacza do punktu w układzie o niższym potencjale napięcia, np. masy (pozycje 3 i 4 w tabeli). Innymi słowy, gdybyśmy użyli wzmacniacza LM393 do doświadczenia, które wykonywaliśmy przed chwilą zielona dioda nie świeciłaby, niezależnie od sygnałów na wejściach. Dlaczego tak się dzieje? Tu niestety musimy przyjrzeć się bliżej budowie wewnętrznej obu wzmacniaczy:

Ryc

Ryc. 13 Schemat budowy wewnętrznej wzmacniaczy operacyjnych: a) LM358; b) LM393. Czerwonym kółkiem oznaczono tranzystory umieszczone przy wyjściach wzmacniaczy.

Schemat po lewej stronie (Ryc. 13a) przedstawia budowę wewnętrzną wzmacniacza LM358, zaś ten po prawej stronie to (Ryc. b) to LM393. Oba schematy są skomplikowane, więc nie będziemy się w nie zbytnio zagłębiać. Skupimy się jedynie na tranzystorach umieszczonych przed wyjściem (oznaczonym jako OUT lub OUTPUT). W LM358 bezpośrednio przed wyjściem mamy dwa tranzystory przewodzące prąd w różnych kierunkach (oznaczyłam je czerwonym kółkiem). LM393 bezpośrednio przed wyjściem ma tylko jeden tranzystor (także w czerwonym kółku), który uniemożliwia przewodzenie prądu od wzmacniacza przez wyjście na zewnątrz do masy (lub do fragmentu układu o niższym potencjale).

Pisałam już, że wzmacniacz operacyjny jest przystosowany do pracy z zewnętrznym układem ujemnego sprzężenia zwrotnego. Chodzi po prostu o to, że część sygnału wyjściowego może być z powrotem doprowadzana na wejście lub odwrotnie od wejścia na wyjście wzmacniacza. Konfiguracji z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego i sprzężenia zwrotnego może być kilka (np. wzmacniacz sumujący, odejmujący, całkujący, różniczkujący), ale my zajmiemy się tylko dwiema najprostszymi i najpopularniejszymi z nich – wzmacniaczem nieodwracającym i odwracającym.

Wzmacniacz nieodwracający

a) schemat

Ryc

Ryc. 14 Symbol graficzny wzmacniacza nieodwracającego.

b) zasada działania

Napięcie dostarczane do wejścia We(+) jest wyższe od tego doprowadzonego do We(-), dlatego sygnał na wyjściu jest duży, bo zbliżony do napięcia zasilania UZAS, pomniejszony o spadek napięcia na wzmacniaczu UWO (We(+) > We(-)   ⇒   Wy ≈ Uzas-UWO). Część z sygnału wyjściowego przez rezystor wraca do wejścia We(-), przez co sygnał ten staje się większy od napięcia na We(+), a co za tym idzie napięcie na wyjściu staje się bliskie 0V (We(+) < We(-)   ⇒   Wy ≈ 0V). W konsekwencji spadku napięcia na wyjściu (i braku wzmocnienia przez niego sygnału na We(-)) ponownie napięcie na We(+) będzie większe od We(-), itd.

W praktyce szybko ustali się stan równowagi, w którym sygnał na wyjściu będzie stały. Jego wielkość można łatwo obliczyć ze wzoru

c) wzór

Uwy = Uwe(+) x [(R1 + R2) / R1]

d) przykład

Załóżmy, że do wejścia We(+) dochodzi napięcie 0,5V, a na wyjściu chcemy otrzymać 5 razy tyle, czyli 2,5V. Podstawmy dane do wzoru:

Uwy = Uwe(+) x [(R1 + R2) / R1]

2,5V = 0,5V x [(R1 + R2) / R1]

[(R1 + R2) / R1] = 2,5V / 0,5V

[(R1+ R2) / R1] = 5

Stosunek sumy rezystancji rezystorów R2 i R1 do R1 ma dać nam 5. Przyjmijmy więc, że rezystancja R2=10kΩ, a R1=2,2kΩ (stosunek ich rezystancji to 5,54).

 Złóżmy na płytce stykowej układ według poniższego schematu:

Ryc

Ryc. 15 Schemat układu złożonego ze źródła zasilania B1, wzmacniacza operacyjnego LM358, rezystorów R1, R2 oraz  potencjometru P1. Dodatkowo pomiędzy wyjściem wzmacniacza a masą podłączono woltomierz.

W pierwszej kolejności należy zadbać o to, aby do wejścia We(+) dochodziło odpowiednie napięcie. W tym celu należy podpiąć woltomierz między masą a trzecią nóżką wzmacniacza, a następnie tak długo kręcić pokrętłem potencjometru, aż na multimetrze otrzymamy wynik 0,5V (lub możliwie zbliżony).

Ryc

Ryc. 16 Zdjęcie układu złożonego na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 15 – pomiar napięcia dochodzącego do wejścia We(+).

Zmierz teraz napięcie na wyjściu wzmacniacza, czyli pomiędzy nóżką pierwszą, a masą. Teoretycznie powinnam uzyskać wynik zbliżony do 2,5V. Tymczasem wskazanie woltomierza to aż 2,88V.

Ryc

Ryc. 17 Zdjęcie układu złożonego na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 15 – pomiar napięcia pomiędzy wyjściem wzmacniacza a masą.

Z czego wynika ta różnica? Pamiętajmy, że nie użyliśmy rezystorów, których stosunek rezystancji to 5,54, a nie 5. Podstawmy nasze dane (tym razem rzeczywiste!) do wzoru jeszcze raz:

Uwy = Uwe(+) x [(R1 + R2) / R1]

Uwy = 0,51V x [(2,16kΩ + 10kΩ) / 2,16kΩ

Uwy = 0,51V x 5,63

Uwy = 2,87V

Teoretycznie i praktycznie otrzymałam niemal ten sam wynik ≈ 2,87V.

Wzmacniacz odwracający

a) schemat

Ryc

Ryc. 18 Symbol graficzny wzmacniacza odwracającego.

b) zasada działania

zostanie wyjaśniona poniżej, na podstawie rzeczywistego obwodu

c) wzór

Uwy = – (R2 / R1) x Uwe(-)

d) przykład

Ryc

Ryc. 19 Schemat układu złożonego ze źródeł zasilania (B1, B2), wzmacniacza operacyjnego LM358, rezystorów (R1, R2), potencjometru P1, diod LED (D1, D2).

W powyższym schemacie pewną nowością są dwa źródła zasilania (B1, B2), każde z nich będzie miało napięcie 3V. Ale przecież my mamy do dyspozycji tylko jeden koszyk baterii! To nie będzie problem – pamiętacie jak w lekcji 5 odpowiednio przyczepiając zworkę do koszyka baterii otrzymaliśmy zasilanie 4,5V? Tym razem zworkę podłączymy za drugą baterią. W ten sposób otrzymamy dwa źródła zasilania, po 3V każde.

Ponadto, do złożenia powyższego układu na płytce stykowej użyjcie: P1 – potencjometr montażowy (pr-ka), R1 – rezystor 2,2kΩ, R2 – rezystor 10kΩ (rezystory będą miały te same wartości co w poprzednim doświadczeniu), D1 – zielona dioda LED, D2 – czerwona dioda LED.

Węzeł pomiędzy źródłami napięcia połączyłam z masą – będzie to teoretycznie nasz punkt zerowy. W każdym układzie możemy w ten sposób uziemić dowolnie wybrany jeden węzeł. Robi się to tylko i wyłącznie na potrzeby obliczeń.

Ryc

Ryc. 20 Zdjęcie układu złożonego na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 19.

Sprawdźcie teraz, co stanie się jeśli ślizgacz potencjometru skręcicie maksymalnie do masy… czerwona dioda zaświeci się słabym światłem. Dlaczego? Gdy ślizgacz potencjometru P1 jest skręcony do masy, sygnał dochodzący do wzmacniacza z wejścia We(+) jest większy od wejścia We(-). Obliczmy jakie napięcie spodziewamy się uzyskać na wyjściu w tym przypadku.

Uwy = – (R2 / R1) x Uwe(-)

Uwe(-) jest w tej sytuacji połączone z punktem, który wobec naszego punktu zerowego (teoretycznej masy) ma napięcie -3V i taką właśnie wartość podstawimy do wzoru:

Uwy = – (10kΩ / 2,2kΩ) x -3V

Uwy = – 4,54 x -3V

Uwy = 13,62V  (!?)

Na wyjściu spodziewamy się otrzymać 13,62V… czy aby na pewno? Przecież zasilamy nasz układ jedynie 4 bateriami o łącznym napięciu 6V! Czy możliwe jest otrzymanie na wyjściu 13,62V? Oczywiście, że nie! Uzyskany przez nas teoretyczny wynik, świadczy jedynie o tym, że wzmacniacz jest całkowicie nasycony. W tej sytuacji na wyjściu możemy otrzymać jedynie napięcie zasilania minus spadek napięcia na wzmacniaczu.

Ja w praktyce otrzymałam taki wynik: 1,57V.

Ryc

Ryc. 21 Zdjęcie układu złożonego na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 19 – pomiar napięcia pomiędzy teoretycznym punktem zerowym a wyjściem

Teraz delikatnie obróćcie pokrętło potencjometru. W pewnym momencie zgaśnie dioda czerwona, a zapali się zielona. Co się stało? Im ślizgacz potencjometru będzie dalej od masy tym większe napięcie będzie płynęło do wejścia We(-), aż stanie się ono większe od napięcia na wejściu We(+). Zgodnie z tym, co powiedzieliśmy jeśli sygnał w wejścia We(-) jest większy od sygnału z wejścia We(+) na wyjściu otrzymamy napięcie zbliżone do 0V. Pamiętajmy jednak, że rezystor R2 łączy wejście We(-) z wyjściem, przez co staje się drogą dla prądu, który niejako omija wzmacniacz i łączy się z prądem na wyjściu. Jakiego napięcia spodziewamy się na wyjściu?

Uwy = – (R2 / R1) x Uwe(-)

Uwe(-) jest w tej sytuacji połączone z punktem, który wobec naszego punktu zerowego (teoretycznej masy) ma napięcie +3V i taką właśnie wartość podstawimy do wzoru:

Uwy = – (10kΩ / 2,2kΩ) x +3V

Uwy = – 4,54 x 3V

Uwy = – 13,62V (!?)

Otrzymaliśmy ten sam wynik co poprzednio, ale ze znakiem minus. Co otrzymamy z pomiaru woltomierzem?

Ryc

Ryc. 22 Zdjęcie układu złożonego na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 19 – pomiar napięcia pomiędzy teoretycznym punktem zerowym a wyjściem

Czemu nie otrzymaliśmy tych samych wartości, ale o przeciwnych znakach? Powodem może być fakt, że wzmacniacz pracuje w swoich skrajnych wartościach, przez co wynik może być błędny. Z tego powodu wykonamy inne pomiary w zakresie w którym nasz wzmacniacz pracuje w sposób liniowy.

W tym celu pokrętło potencjometru ustawmy nieco w prawo i nieco w lewo od środka.

1. do wzmacniacza doprowadzimy napięcie + 0,2V (oczywiście względem naszego teoretycznego punktu zerowego). W tym celu czerwoną sondę woltomierza przyłóż do środkowej nóżki potencjometru, czarną zaś do trzeciej nóżki wzmacniacza. Delikatnie przekręć pokrętło potencjometru, aż multimetr wskaże 0,2V (w tym doświadczeniu można wyjąć diody, żeby nie przeszkadzały w pomiarach).

Ryc

Ryc. 23 Zdjęcie układu złożonego na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 19 (z wyjętymi diodami) – pomiar napięcia teoretycznym punktem zerowym a środkową nóżką potencjometru.

Teraz zmierz napięcie na wyjściu – czarna sonda do trzeciej, a czerwona do pierwszej nóżki wzmacniacza. Jak na prawdziwy wzmacniacz odwracający przystało po doprowadzeniu niewielkiego napięcia plusowego, na wyjściu otrzymamy dużo większe napięcie, ale ze znakiem minus!

Ryc

Ryc. 24 Zdjęcie układu złożonego na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 19 (z wyjętymi diodami) – pomiar napięcia pomiędzy teoretycznym punktem zerowym a wyjściem.

2. do wzmacniacza doprowadzimy napięcie – 0,21V (ponownie względem naszego teoretycznego punktu zerowego). W tym celu czerwoną sondę woltomierza przyłóż do środkowej nóżki potencjometru, czarną zaś do trzeciej nóżki wzmacniacza. Delikatnie przekręć pokrętło potencjometru, aż multimetr wskaże – 0,21V.

Ryc

Ryc. 25 Zdjęcie układu złożonego na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 19 (z wyjętymi diodami) – pomiar napięcia pomiędzy teoretycznym punktem zerowym a środkową nóżką potencjometru.

Napięcie na wyjściu zmierz w ten sam sposób co poprzednio (czarna sonda do trzeciej, a czerwona do pierwszej nóżki wzmacniacza). Wynik wyszedł ten sam, ale tym razem ze znakiem plus.

Ryc

Ryc. 26 Zdjęcie układu złożonego na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 19 (z wyjętymi diodami) – pomiar napięcia pomiędzy teoretycznym punktem zerowym a wyjściem.

Za podsumowanie informacji o wzmacniaczu nieodwracającym i odwracającym posłużą nam dwa wykresy:

  • wzmacniacz nieodwracający – niewielki sygnał na wejściu (plusowy) da nam duży sygnał na wyjściu (także plusowy)
Ryc

Ryc. 27 Wzmacniacz nieodwracający – sygnał: a) na wejściu; b) na wyjściu.

  • wzmacniacz odwracający – niewielki sygnał na wejściu (plusowy) da nam duży sygnał na wyjściu (minusowy), a niewielki sygnał na wejściu (minusowy) da nam na wyjściu duży sygnał (plusowy)
Ryc

Ryc. 28 Wzmacniacz odwracający – sygnał: a) na wejściu; b) na wyjściu.

Lekcja 10 – Stabilizatory

Pierwsze ćwiczenie dotyczyć będzie diody Zenera, która jest najprostszym elementem stabilizującym. Pokrótce omówię jej zastosowanie, choć nie mamy jej w swoim zestawie dla początkujących i przedstawionego układu nie będziemy budować. Zdobyta wiedza przyda nam się później do (roz)budowy robota.

Podstawowe informacje o diodzie Zenera standardowo znajdziecie w krótkim wstępie teoretycznym dostępnym tutaj.

Ryc

Ryc. 1 Dioda Zenera: a) symbol graficzny (A – anoda, K – katoda); b) przykładowa dioda.

Zasadę działania diody Zenera omówię na przykładzie diody, której napięcie Zenera UZ=4,7V, a dopuszczalna moc to P=1,3W

Ze wzoru łatwo wyliczymy dopuszczalny prąd jaki może przez nią popłynąć:

IMAX = P / U

IMAX = 1,3W / 4,7V

IMAX = 276mA

Prześledzimy teraz jak zachowa się nasza dioda w takim oto układzie:

Ryc

Ryc. 2 Schemat układu złożonego ze źródła zasilania B1, rezystora R1 oraz diody Zenera D1; dodatkowo podłączono woltomierz.

Początkowo źródłem zasilania w układzie standardowo będzie koszyk baterii dający łączne napięcie ok. 6V. Jak zwykle zaczniemy od obliczenia rezystancji rezystora R1:

R1 = UB1 / IMAX

R1 = 6V / 276mA

R1 = 21,7Ω

Rezystor R1 będzie zabezpieczał maksymalny prąd jaki może płynąć w obwodzie i trafić do diody Zenera, co uchroni ją przed zniszczeniem.

Obliczenia rezystora uwzględniające: moc diody, napięcie zasilania i prąd jaki chcemy aby płynął w obwodzie.

Założenie prąd płynący w obwodzie przyjmujemy mniejszy od maksymalnego np: I=30mA czyli I=0,03A, napięcie diody zenera Uz= 4,7V, zasilanie UB1 = 6V.

R1= UB1 – Uz/ I

R1= (6V – 4,7V)/0,03A = 43,3Ω

Kontynuując dalej poprzednią myśl…

Prześledźmy jak zmieni się napięcie w obwodzie, gdy będziemy stopniowo zmniejszać napięcie zasilania UB1.

1.  UB1 > UZ

Napięcie zasilania UB1 ma wartość 6V i jest większe od napięcia znamionowego diody Zenera, której tzw. napięcie Zenera wynosi 4,7V. Mimo to na woltomierzu otrzymamy napięcie zbliżone do napięcia Zenera diody, tj. 4,7V. Dzieje się tak dlatego, że spadek napięcia na diodzie może maksymalne wynosić tyle, ile wynosi jej napięcie Zenera, czyli w tym przypadku 4,7V. Zauważmy, że dioda na schemacie podłączona jest niejako odwrotnie, czyli w kierunku zaporowym. Jak wiemy z postu o diodach, nie przewodzą one prądu jeśli podłączy się je w ten sposób, ale… dioda Zenera jest wyjątkiem i ma to do siebie, że jeśli dostarczane do niej napięcie jest wyższe od napięcia Zenera UB1 > UZ wówczas przez diodę płynie prąd!

2. UB1 = UZ

Napięcie zasilania UB1 jest równe napięciu znamionowemu diody Zenera, której napięcie Zenera wynosi 4,7V. Spadek napięcia na diodzie jest równy napięciu zasilania UB1 = UZ = 4,7V.  Dioda Zenera zachowuje się jak każda inna dioda i nie przewodzi prądu (a raczej przewodzi minimalny prąd). Na woltomierzu otrzymamy napięcie zbliżone do napięcia zasilania UB1 = 4,7V.

3. UB1 < UZ

Napięcie zasilania UB1 = 3V i jest niższe od napięcia znamionowego diody Zenera, której napięcie Zenera wynosi 4,7V. Spadek napięcia na diodzie jest równy napięciu zasilania UB1 = UZ = 3V.  Dioda Zenera zachowuje się jak każda inna dioda i nie przewodzi prądu ponieważ napięcie wejściowej jest znacznie niższe od stabilizowanego. Na woltomierzu otrzymamy napięcie zbliżone do napięcia zasilania UB1 = 3V.

Zbierzmy te informacje w tabeli:

Tab

Tab. 1 Tabela przedstawiająca prąd i napięcie na diodzie w zależności od zmiany napięcia zasilania UB1.

 

 

Teraz przejdziemy do zasadniczego tematu tej lekcji, czyli do stabilizatora napięcia. W naszym zestawie mamy stabilizator 7805. Dwie pierwsze cyfry mówią nam o tym, że jest to stabilizator na napięcia dodatnie, a dwie kolejne określają napięcie jakie otrzymamy na wyjściu. Nasz stabilizator wygląda tak:

Ryc

Ryc. 3 Stabilizator 7805 w obudowie TO-220.

To co widać na powyższym zdjęciu to  stabilizator napięcia  w obudowie  TO-220.

Na poniższym schemacie  przedstawiono wnętrze stabilizatora,  z  karty katalogowej:

Ryc

Ryc. 4 Schemat budowy stabilizatora napięcia 7805.

Schemat wygląda dość skomplikowanie. Stabilizator 7805 to nie jeden element elektroniczny (jak tranzystor czy kondensator) ale cały układ zbudowany z rezystorów, tranzystorów, diod, kondensatorów. Na szczęście nie trzeba wnikać w jego budowę, dla nas ważniejsze jest to jak on działa i na tym się skupimy.

Stabilizator 7805 w obudowie TO-220 ma 3 nóżki:

  • INPUT – wejście, które podłączamy do plusa zasilania
  • GND – masę, którą łączy się z minusem zasilania
  • OUTPUT – wyjście, także łączone z plusem zasilania

O tym która nóżka jest która powie nam schematyczny rysunek z noty:

Ryc

Ryc. 5 Stabilizator 7805: a) fragment noty katalogowej dotyczący wymiarów i wyprowadzeń stabilizatora; b) schemat stabilizatora z oznaczeniem wyprowadzeń i biegunów do których je łączymy w układzie.

Z krótkiego wstępu teoretycznego wiemy, że w zbudowanym przez nas układzie, np. robocie, mogą wystąpić  wahania napięcia, spowodowane chociażby włączaniem i wyłączaniem silników.

Wyk

Ryc. 6 Wykres przedstawiający wahania napięcia w czasie.

Stabilizator ma za zadanie niwelować te spadki, tak aby do podzespołów umieszczonych za nim docierało napięcie bez zmian.

Musicie wiedzieć, że stabilizator ma swoje ograniczenia. Aby zaczął działać potrzebny jest minimalny spadek napięcia pomiędzy wyjściem (napięciem na nóżce OUTPUT) a wejściem (napięciem przyłożonym do nóżki INPUT). Ten parametr (po ang. dropout voltage) oznaczany jest najczęściej symbolem UDO i możemy go sprawdzić w nocie katalogowej.

Ryc

Tab. 2 Fragment noty katalogowej stabilizatora 7805 przedstawiający jego charakterystykę.

Z tabeli możemy odczytać, że przy pozycji dropout voltage (oznaczonej tu jako VD) wymagane są 2V różnicy pomiędzy wyjściem a wejściem stabilizatora.

Innymi ważnym parametrem stabilizatora jest maksymalne napięcie wejściowe.

Ryc

Tab. 3 Fragment noty katalogowej stabilizatora 7805 przedstawiający jego maksymalne dopuszczalne parametry.

Maksymalne napięcie jakie możemy doprowadzić do stabilizatora 7805 to VIN = 35V, a najmniejsze to 7V, co wynika z parametru dropout voltage czyli wymaganej różnicy 2V pomiędzy napięciem dostarczanym do wejścia stabilizatora a otrzymywanym na jego wyjściu.

Teraz zajmiemy się tym, jak podłączyć stabilizator do jakiegoś układu. Otóż, musimy umieścić go w otoczeniu kondensatorów:

Ryc

Ryc. 7 Schemat układu zbudowanego ze źródła napięcia (B1), stabilizatora napięcia (7805) oraz kondensatorów (C1, C2, C3, C4).

Na powyższym schemacie do źródła zasilania B1 podłączono stabilizator 7805 oraz 4 kondensatory: dwa z nich (C1 i C4) to kondensatory ceramiczne o pojemności 100nF, dwa pozostałe (C2 i C3) to kondensatory elektrolityczne o pojemności 100μF.

Kondensatory elektrolityczne mają swoją określoną biegunowość, a podłączenie ich do układu odwrotnie może się skończyć nieciekawie (nawet wybuchem!) dlatego na schemacie zaznaczamy je jako dwa prostokąty: pusty w środku- biegun dodatni+ i zamalowany minus  – biegun ujemny.

Kondensator ceramiczny, podobnie jak rezystor, nie jest elementem biegunowym, dlatego można podłączać do układu w dowolny sposób. Odzwierciedla to jego symbol na schemacie – dwie równoległe linie.

No dobrze, ale po co właściwie stabilizator otoczony jest przez kondensatory? Dlaczego są one połączone równolegle, a nie np. szeregowo?

Wiemy, że rolą stabilizatora jest utrzymywanie na wyjściu stałego napięcia niezależnie od podłączonego do układu obciążenia, jak i wahań napięcia na wejściu, tzw. tętnień. Ponadto wiemy również, że budowa wewnętrzna stabilizatora jest mocno skomplikowana i właśnie to jest przyczyną tego, że mogą się one wzbudzać (choć nie muszą!), powodując tzw. szumy.

Brzmi to dość dziwnie – element do którego dostarczane jest wahające się napięcie i którego rolą jest stabilizować to napięcie, wzbudza się powodując jego zmiany! Szum nie jest tak duży jak w przypadku spadków napięcia spowodowanych chociażby załączanymi silnikami. Są to niewielkie zmiany napięcia, co przedstawia poniższy przykładowy screen z oscyloskopu (istota problemu):

Ryc

Ryc. 8 Screen z oscyloskopu przedstawiający szumy  powstałe za stabilizatorem 7805 bez dodatkowych kondensatorów.

 Szumy niekiedy (nie zawsze!) powstające za stabilizatorem napięcia mogą mieć różną częstotliwość. Szumy o wysokiej częstotliwości są niwelowane przez kondensatory ceramiczne a te o niższej częstotliwości przez kondensatory elektrolityczne. Jako, że są to już bardziej skomplikowane zjawiska, na razie nie będziemy dalej rozwijać tematu szumów.

Kolejny screen z oscyloskopu pokazuje napięcie ze stabilizatora podłączonego z kondensatorami – szumy są wyraźnie mniejsze:

Ryc

Ryc. 9 Screen z oscyloskopu przedstawiający zmiany poziomu szumów stabilizatora napięcia  7805, do którego   podłączono równolegle kondensatory.

Jeszcze tylko jedna kwestia – dlaczego kondensatory są połączone równolegle, a nie szeregowo? Otóż różne typy kondensatorów mają różne przeznaczenia. Jedne nadają się do tłumienia przebiegów o wysokich częstotliwościach a inne o niskich. Zjawiska związane z powstawaniem zakłóceń i ich eliminacją w układach elektronicznych na chwilę obecną nie będą omawiane z uwagi na  to, iż jest to temat zbyt trudny aby go przedstawiać na tym etapie.

Połączmy na płytce stykowej podzespoły wg poniższego schematu:

Ryc

Ryc. 10 Schemat układu zbudowanego ze źródła napięcia (B1), stabilizatora napięcia (7805) oraz kondensatorów (C1, C2, C3, C4).

Źródłem zasilania standardowo jest nasz koszyk na 4 baterie. Uwaga! Na potrzeby tego doświadczenia najlepsze będą nowe, w pełni naładowane baterie, ponieważ nasz stabilizator potrzebuje jak największej różnicy potencjałów pomiędzy napięciem stabilizowanym a napięciem zasilania.

Kondensatory C1 i C4 to kondensatory ceramiczne 100nF (oznaczenie na obudowie: 104), a kondensatory C2 i C3 to kondensatory elektrolityczne o pojemności 100μF (przypominam że pasek na obudowie oznacza nóżkę minusową, a odwrotne połączenie biegunów grozi wybuchem!).

Ryc

Ryc. 11 Zdjęcie układu złożonego na płytce stykowej, zgodnie ze schematem z ryc. 10: a) widok z przodu; b) widok z tyłu.

Jeśli zmierzymy napięcie pomiędzy nóżką stabilizatora IN a masą (GND) otrzymamy wartość zbliżoną do napięcia zasilania:

Ryc

Ryc. 12 Pomiar napięcia pomiędzy nóżkami stabilizatora: IN i GND.

Jeśli zmierzymy napięcie pomiędzy nóżką stabilizatora OUT a masą (GND) otrzymamy napięcie równe napięciu stabilizacji:

Ryc

Ryc. 13 Pomiar napięcia pomiędzy nóżkami stabilizatora: OUT i GND.

Podłączmy w tym miejscu (między OUT a GND) czerwoną diodę.

Ryc

Ryc. 14 Schemat układu zbudowany ze źródła zasilania (B1), stabilizatora (7805), kondensatorów (C1, C2, C3, C4), rezystora (R1) oraz diody LED (D1).

Rezystancję rezystora obliczamy dla napięcia 5V:

UR1 = UOUT – UD1

UR1 = 5V – 2,1V

UR1 = 2,9V

R1 = UR1 / I

R1 = 2,9V / 20mA

R1 = 145Ω

 Rezystor R1 ma mieć rezystancję 145Ω, więc użyję rezystorów 100Ω i 47Ω.

Ryc

Ryc. 15 Układ złożony na płytce stykowej, zgodnie ze schematem z ryc. 14.

Gdyby czerwoną diodę podpiąć bezpośrednio do źródła zasilania potrzebowałaby rezystora minimum 195Ω. Tymczasem ja podłączyłam ją za stabilizatorem z rezystorami o łącznej rezystancji 147Ω, co jest najlepszym dowodem na to jak funkcjonuje stabilizator.

Wiemy już, że stabilizator napięcia to układ utrzymujący na wyjściu stałe napięcie niezależnie od występujących zmian napięcia na wejściu. Teraz spróbujemy zbudować układ który na wyjściu utrzyma stałe natężenie prądu, niezależnie od podłączonego obciążenia (oczywiście w dopuszczalnych granicach, bo to nie perpetuum mobile ;))

Na dzisiejszej lekcji chciałabym Wam zaproponować taki oto ciekawy układ, który (zapewniam) bardzo Wam się przyda w przyszłości, ponieważ może mieć wiele zastosowań:

Ryc

Ryc. 16 Schemat układu zbudowanego ze źródła napięcia B1, rezystorów R1, R2, potencjometru P1, tranzystorów T1 i T2 oraz diody LED D1 pełniącej funkcję obciążenia.

Zasada jego działania jest następująca:

Ze źródła zasilania B1 płynie prąd, który przechodzi przez naszą diodę D1 (zamiast niej możemy podłączyć dowolne inne obciążenie). Następnie prąd płynie przez złącze kolektor-emiter tranzystora T1. Rezystor R2 jest tak dobrany, aby przez tranzystor T1 płynął maksymalny (oczekiwany) prąd gdy tranzystor T2 jest wyłączony. Wypływający z tranzystora T1 prąd przechodzi przez rezystor R1 i potencjometr P1. Ich wartości są tak dobrane, aby przepływający przez nie prąd otwierał tranzystor T2 w zależności od nastawy suwaka P1.

Wróćmy do prądu wypływającego z rezystora R2 – rozdziela się on i część idzie do bazy tranzystora T1, ale większość przechodzi przez tranzystor T2 (gdy jest załączony). Prąd płynący  przez  T1 powoduje spadek   napięcia na rezystorze R1 i potencjometrze P1, który zasila bazę tranzystora T2. Przez tranzystor T2 płynie prąd – przez  złącze kolektor – emiter, co w konsekwencji ogranicza też prąd płynący do bazy tranzystora T1, a to powoduje zmniejszony przepływ prądu przez złącze kolektor – emiter tranzystora T1 i jednocześnie spadek prądu dopływającego do bazy tranzystora T2…

W pewnym momencie ustali się miedzy tymi dwoma tranzystorami stan równowagi, którego konsekwencją będzie stały prąd dopływający do elementów obciążających nasz układ (w moim przypadku do diody D1). Zmiana (zwiększenie lub zmniejszenie) obciążenia spowoduje ustalenie nowego stanu równowagi, którego konsekwencją będzie prąd płynący przez obciążenie o takim natężeniu co poprzednio.

Mam nadzieje, że zasada działania układu jest dla Was zrozumiała. Jeśli tak, przejdziemy do dobrania odpowiednich parametrów użytych w układzie podzespołów.

Źródło zasilania B1 to jak zwykle nasz koszyk z 4 bateriami, którego łączne napięcie wynosi ok. 6V. Dla takiego źródła zasilania przeliczymy nasz układ, ale nic nie stoi na przeszkodzie, abyście w przyszłości modyfikowali go pod inne zasilanie źródłowe czy inne parametry.

Żeby dokonać jakichkolwiek obliczeń najpierw musimy przyjąć sobie jakieś założenie wyjściowe: załóżmy więc, że minimalny prąd dostarczany do obciążenia ma wynosić Imin ≈ 3mA (przybliżenie wynika z trudności wykonania dokładnych obliczeń).

Oba nasze tranzystory to dobrze nam znane BC548B (typ NPN, jak zapewne zauważyliście po symbolu na schemacie). Zgodnie z ich notą katalogową (o czym już pisałam tutaj) przy napięciu UBE = 0,77V tranzystor przechodzi w stan nasycenia, a dalsze zwiększanie napięcia nie ma wpływu na prąd kolektora.

Mając na uwadze powyższe założenie dotyczące prądu minimalnego oraz przyjmując UBE dla T2 w wysokości 0,7V dobierzmy rezystor R1:

R1 = UBET2 / IMIN

R1 = 0,7V / 0,003A

R1 = 233Ω

Rezystancja rezystora R1 ma wynosić 233Ω, pamiętajmy jednak że jest to przybliżony wynik (nie uwzględniliśmy spadku napięcia na tranzystorze, równolegle połączonego potencjometru, itd.) a my nie mamy takiego rezystora w swoim zestawie, więc użyjemy 220Ω.

Jeśli chodzi o dobór potencjometru, tu nie ma większego problemu z obliczeniami – użyjemy potencjometru 10k z naszego zestawu, ponieważ… innego nie mamy :)

Rozważmy 2 skrajne przypadki położenia pokrętła potencjometru P1:

  • ślizgacz jest zwarty do nóżki plusowej, co obrazuje poniższy schemat:
Ryc

Ryc. 17 Schemat układu stabilizującego natężenie; czerwoną strzałką oznaczono spadek napięcia pomiędzy bazą a emiterem tranzystora T2 wynoszący 0,7V.

W tym położeniu pokrętła napięcie pomiędzy bazą a emiterem tranzystora T2 UBE wynosi 0,7V, a cały układ pracuje zgodnie z opisaną wyżej zasadą działania – prąd płynący przez jeden z tranzystorów wpływa na prąd płynący przez drugi z tranzystorów, aż do ustalenia stanu równowagi.

  • ślizgacz jest zwarty do masy, co obrazują poniższe schematy:
Ryc

Ryc. 18 a) Schemat układu stabilizującego natężenie; czerwoną strzałką oznaczono spadek napięcia pomiędzy bazą a emiterem tranzystora T2 wynoszący 0V; b) schemat układu stabilizującego natężenie z pominięciem tranzystora T2, który w tym położeniu pokrętła potencjometru pozostawał wyłączony.

W tym położeniu pokrętła potencjometru różnica potencjałów pomiędzy bazą a emiterem tranzystora T2 wynosi 0V. Jak wiemy, aby tranzystor działał to napięcie musi wynosić minimum 0,58V. W tej sytuacji tranzystor jest wyłączony i układ należy rozpatrywać tak, jakby go nie było (Ryc. 18 b). Z uwagi na brak włączonego T2, nic nie koryguje pracy tranzystora T1, więc nasz układ nie pełni funkcji stabilizatora natężenia prądu!

Wróćmy do obliczeń: łączna rezystancja (RP1R1) potencjometru P1 i rezystora R1, które rozpatrujemy jak zwykłe rezystory połączone równolegle wynosi:

RP1R1 = (R1 x P1) / (R1 + P1)

RP1R1 = (220Ω x 10.000Ω) / (220Ω + 10.000Ω)

RP1R1 = 2.200.000 / 10.220

RP1R1 = 215,26Ω

Przyjęliśmy, że prąd minimalny ma wynosić 3mA. Teraz musimy określić też jego maksimum.

Gdyby do układu nie było podłączone żadne obciążenie i jeśli nie weźmiemy pod uwagę rezystancji rezystora R2 oraz spadku napięcia na tranzystorze T1 maksymalny prąd jaki mógłby popłynąć w układzie to:

IMAX = UB1 / RP1R1

IMAX = 6V / 215,26Ω

IMAX = 27,9 mA

Niestety takiego prądu nie otrzymamy z uwagi na pominiętą w obliczeniach rezystancję R2 i spadek napięcia na tranzystorze T1. Dlatego też, do dalszych obliczeń przyjmiemy, że IMAX wynosić będzie nieco mniej, a mianowicie 20mA.

Maksymalny spadek napięcia na rezystorze R1 i potencjometrze P1 to:

UP1R1 = IMAX x RP1R1

UP1R1 = 20mA x 215,26Ω

UP1R1 = 4,3V

Przyjrzyjmy się przez chwilę tranzystorowi T1. Różnica potencjałów pomiędzy bazą a emiterem tranzystora T1, czyli UBET1 będzie sumą wymaganego do włączenia (przewodzenia) tranzystora spadku napięcia UFT1 oraz spadku napięcia na podłączonych za tranzystorem rezystorze R1 i potencjometrze P1:

UBET1 = UFT1 + UP1R1

UBET1 = 0,7V + 4,3V

UBET1 = 5V

Na lekcji 8 o tranzystorach zamieszczałam fragment noty katalogowej tranzystora BC548B, z którego wynikało, że jego współczynnik wzmocnienia β (określany także jako hFE) może wynosić od 200 do 450:

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).

Ja przyjmę do dalszych obliczeń średni współczynnik wzmocnienia β = 325.

Dobierzmy rezystancję rezystora R2 przyjmując, że do układu nie podłączono obciążenia, a wielkość prądu dopływającego do bazy tranzystora T1 ma umożliwić przepływ przez złącze kolektor – emiter prądu maksymalnego dla naszego obwodu, czyli wyliczone wcześniej IMAX = 20mA.

IBT1 = ICT1 / β

IBT1 = 20mA / 325

IBT1 = 61,5μA

Spadek napięcia na rezystorze R2 określimy odejmując różnicę potencjałów pomiędzy bazą a emiterem tranzystora T1 (UBET1) od napięcia źródła zasilania (UB1)

UR2 = UB1 – UBET1

UR2 = 6V – 5V

UR2 = 1V

Pozostało nam już tylko obliczenie rezystancji rezystora R2:

R2 = UR2 / IBT1

R2 = 1V / 61,5μA

R2 = 16.260 kΩ

Teraz przejdziemy do złożenia poniższego układu na płytce stykowej, gdzie:

T1 = T2 – tranzystor npn BC548B;

R1 = rezystory 220Ω;

R2 = rezystory 10kΩ, 3,9kΩ, 2,2kΩ;

P1 – potencjometr 10k;

D1 – czerwona dioda LED.

Ryc

Ryc. 19 Schemat układu stabilizującego prąd.

Ryc

Ryc. 20 Układ stabilizujący prąd złożony na płytce stykowej bez podłączonego obciążenia: a) widok z góry; b) widok z boku.

Zbadamy  teraz prąd jaki płynie przez amperomierz, gdy jego sondy zbliżymy do miejsca w którym byłoby podpięte obciążenie – kolektora tranzystora T1 i plusa zasilania, w sytuacji gdy pokrętło potencjometru jest skręcone maksymalnie:

  • do masy:
Ryc

Ryc. 21 Pomiar prądu maksymalnego w układzie przy maksymalnym skręceniu pokrętła potencjometru do masy.

Tak oto zmierzyliśmy prąd maksymalny jaki może płynąć w tym układzie. Pamiętajmy jednak, że w tym momencie nie pełni on funkcji stabilizatora!

  • do plusa:
Ryc

Ryc. 22 Pomiar prądu minimalnego w układzie przy maksymalnym skręceniu pokrętła potencjometru do plusa zasilania.

Zmierzony prąd minimalny jest nieco mniejszy od tego założonego (3mA), ale pamiętajmy że jest to wynik pomijania przy obliczeniach parametrów niektórych podzespołów z uwagi na trudność dokładnych wyliczeń.

Teraz do układu podłączę jedną czerwoną diodę LED – pokrętło potencjometru skręcone jest do plusa, aby nie uszkodzić diody:

Ryc

Ryc. 23 Układ stabilizujący prąd z obciążeniem – jedną czerwoną diodą LED.

Jaki będzie prąd jeśli zmierzymy go przez zwarcie amperomierzem nóżek diody oraz między diodą a kolektorem tranzystora T1?

Ryc

Ryc. 24 Pomiar natężenia prądu, sondy amperomierza przyłożono: a) do obu nóżek diody podpiętej do układu; b) między minusową nóżką diody a kolektorem tranzystora T!.

Dlaczego zmierzony tak prąd nie jest sobie równy? Pomiar widoczny na zdjęciu a został wykonany przez przyłożenie sond amperomierza do nóżek diody podłączonej do układu. W tej sytuacji większość prądu popłynie przez amperomierz, ale niewielka część przejdzie przez diodę. Na zdjęciu b krótsza nóżka diody nie ma połączenia z kolektorem tranzystora T1, oba te elementy zostały połączone przez sondy amperomierza przez który przepływa cały prąd.

Podepnijmy kolejną diodę LED:

Ryc

Ryc. 25 a) Układ stabilizujący prąd z obciążeniem – dwiema czerwonymi diodami LED; b) pomiar natężenia prądu przepływającego między nóżką drugiej diody LED a kolektorem tranzystora T1.

Spróbujmy z trzema czerwonymi diodami LED:

Ryc

Ryc. 26 a) Układ stabilizujący prąd z obciążeniem – trzema czerwonymi diodami LED; b) pomiar natężenia prądu przepływającego między nóżką trzeciej diody LED a kolektorem tranzystora T1.

Prąd zmierzony amperomierzem jest nadal taki sam, choć światło diod LED coraz słabsze.

Czy w takim razie możemy podpiąć czwartą i kolejną diodę? Oczywiście możecie spróbować to zrobić w ramach doświadczenia. Pamiętajcie jednak, że nasza bateria ma napięcie jedynie 6V. Spadek napięcia na każdej z diod to 2,1V. Aby podpiąć kolejne diody, lub po prostu jakieś inne „większe” obciążenie należy zwiększyć dostarczane do układu napięcie. Niestety będzie się to wiązało również ze zmianą rezystorów czy tranzystorów, czyli układ będzie wymagał ponownego przeliczenia. Aby ułatwić Wam na przyszłość to zadanie (lub po prostu umożliwić szybkie sprawdzenie poprawności swoich wyliczeń) w zakładce „przydatne” znajdziecie plik w którym możecie wpisać swoje założenia (prąd minimalny, maksymalny, napięcie zasilania czy parametry użytego tranzystora) aby uzyskać rezystancję rezystorów R1 i R2.

We wstępie do tego ćwiczenia pisałam, że zaproponowany przeze mnie układ będzie dla Was w przyszłości bardzo przydatny. Oto przykłady jego zastosowania w praktyce:

  • regulowany ogranicznik prądu do zasilaczy (zwarcie nie będzie powodowało uszkadzania podzespołów);
  • ładowanie lub rozładowywanie akumulatorów stałym prądem;
  • zasilania diod LED mocy (tzw. power LED) – układ należy wtedy przeliczyć na wyższy prąd.

 

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.

Lekcja 7: 1N4148 – szybka dioda przełączająca

Mówiąc „dioda” przeciętny człowiek ma na myśli diodę LED, ale prawda jest taka, że diody świecące (czy poprawnie mówiąc elektroluminescencyjne) to tylko jeden z wielu rodzajów diod. Z mojego poprzedniego wpisu dotyczącego podziału diod wiemy, że ich rodzajów jest sporo. Co je łączy?

Ryc

Ryc. 1 Różne rodzaje diod: a) elektroluminescencyjna (LED); b) pojemnościowa; c) prostownicza; d) Schottky;, e) Zenera; f) transil.

Wszystkie diody są zbudowane z dwóch elektrod: plusowej anody i minusowej katody. Generalnie dioda ma przewodzić prąd tylko w jednym kierunku, może dlatego podstawowy symbol diody przypomina strzałkę uderzająca w ścianę – zaporę. Gdy podłączymy diodę odwrotnie (w kierunku zaporowym), tzn. plus z katodą, a minus z anodą, prąd nie popłynie… teoretycznie. W rzeczywistości prąd popłynie, ale jego wartość będzie tak niewielka (rzędu μA), że z czystym sumieniem, możemy pominąć jego wartość.

Przyjrzyjmy się diodzie 1N4148 – szybkiej diodzie przełączającej. Jest to jedna z najpopularniejszych diod ze względu na jej parametry i niewielki koszt. Jej specyfikacje znajdziemy w nocie katalogowej (możecie ją znaleźć np. na stronie www.celtor.pl).

Ryc

Ryc. 2 Dioda 1N4148.

Co to znaczy szybka dioda przełączająca? Dioda potrafi przełączać się ze stanu w którym przewodzi prąd (mówimy, że jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia) do stanu w którym nie przewodzi prądu (jest spolaryzowana w kierunku zaporowym). Takie przełączenie zajmuje naszej diodzie, zgodnie z kartą charakterystyk, 4ns (nanosekundy).

W tym momencie możecie zapytać: no dobrze, ale kiedy i po co dioda ma się przełączać? Otóż, w normalnych warunkach pracy nasza dioda ma  przewodzić prąd. Dopiero w momencie np: zaistnienia ujemnego piku napięcia na  anodzie, dioda musi się jak najszybciej wyłączyć, tak aby ochronić przed przepięciem wrażliwe na takie skoki podzespoły, np. tranzystory. To wyłączenie, czyli spolaryzownie diody w kierunku zaporowym ma być jedynie chwilowe, bo naszym celem nie jest całkowite wyłączenie urządzenia, tylko „zatrzymanie” przepięcia, dlatego przełączanie trwa jedynie 4ns.

W naszych układach, które w ramach tego kursu, budujemy ochrona przed przepięciami nie jest konieczna, ponieważ wykorzystujemy na chwilę obecną baterie, diody LED, kondensatory, rezystory. Niemniej jednak sprawa trochę się skomplikuje podczas budowy robota, ponieważ załączające się i wyłączające silniki będą powodowały powstawanie krótkich impulsów o dużej amplitudzie mogących uszkodzić strukturę tranzystora. Do tego tematu wrócimy niebawem, a tymczasem spójrzcie na taki oto układ:

Ryc

Ryc. 3 Układ zbudowany ze źródła napięcia B1, diody przełączającej D1, diody LED D2 oraz rezystora R1.

Obwód jest zbudowany ze źródła zasilania B1, którym jest nasz koszyk z 4 bateriami.Następnie mamy dwie diody. Dzięki ich nieco różnym symbolom graficznym od razu widać, że pierwsza jest dioda przełączająca D1 (1n4148), a następnie czerwona dioda LED D2. Zauważcie także, że obie diody, mimo że różnych typów, posiadają tą samą nazwę i kolejny numer porządkowy: D1, D2. W dalszej kolejności widzimy rezystor R1, czyli nieodłączny element (prawie) każdego układu. Jego zadaniem jest ograniczanie  natężenia prądu, tak aby nie uszkodzić diody…

Czy skoro rezystor chroni diodę, to czy nie powinien znajdować się przed nią?

To czy umieścimy go przed czy za diodą nie ma żadnego znaczenia. Pamiętajmy, że to iż prąd płynie od plusa do minusa jest sprawą umowną. Przyjmujemy, że tak się dzieje ponieważ dawniej przyjęto takie założenie i mimo tego że teraz wiemy że jest odwrotnie (ujemnie naładowane elektrony podążają do plusa) dalej przyjmujemy takie założenie, co w dużej mierze podyktowane jest obawą przed pomyłkami podczas obliczeń.

Już samo umieszczenie rezystora w obwodzie (nie ważne po której stronie diody) zmienia rozkład spadków napięć na elementach (przypomnij sobie drugie prawo Kirchoffa), a tym samym wielkość prądu w całym obwodzie (prąd w całym nierozgałęzionym układzie ma tą samą wartość).

Wyliczmy jaka powinna być wartość rezystora R1:

R1 = UB1 – UD1 – UD2 / I

Znamy wartość UB1 – 4 x 1,5V = 6V. Spadek napięcia na czerwonej diodzie LED to 2,1V, a co z diodą D1? Tu musimy odwołać się do noty katalogowej – w obwodzie chcemy mieć natężenie rzędu 20mA (bo takie „lubi” dioda LED), a z poniższej tabeli widać (patrz. VF – forward voltage), że spadek napięcia dla prądu 10mA i większego wynosi 1V.

Ryc

Ryc. 4 Fragment noty katalogowej diody 1N4148 dot. elektrycznej charakterystyki diody.

Podstawmy dane do wzoru:

R1 = UB1 – UD1 – UD2 / I

R1 = 6V – 1V – 2,1V / 20mA

R1 = 145Ω

Ja użyję dwóch rezystorów: 100Ω i 47Ω.

Pozostaje nam tylko odpowiedzieć na pytanie jak poprawnie zamontować diodę? Gdzie jest jej anoda, a gdzie katoda? Znów odwołamy się do noty katalogowej:

Ryc

Ryc. 5 Fragment noty katalogowej diody 1N4148 dot. najważniejszych cech diody oraz układu anody i katody.

Czarny pasek oznacza katodę (czyli nóżkę minusową) – jest to zasada w oznaczaniu diod. Nie pozostaje nam nic innego jak tylko zbudować układ na płytce stykowej, a następnie zmierzyć spadek napięcia na diodzie D1, zgodnie z poniższym schematem.

Ryc

Ryc. 6 Układ zbudowany ze źródła napięcia B1, diody przełączającej D1 (podłączonej w kierunku przewodzenia), diody LED D2 oraz dwóch rezystorów: R1 i R2.

Ryc

Ryc. 7 Pomiar napięcia na diodzie przełączającej 1N4148 gdy jest ona podłączona w kierunku przewodzenia (tj. anoda do plusa zasilania, a katoda do minusa).

U mnie spadek napięcia na diodzie D1 wyniósł 0,77. Prąd płynie, nie ma pików napięcia, dioda D1 przewodzi prąd (nie przełącza się), a czerwona dioda LED świeci.

Co się stanie gdy podłączymy diodę odwrotnie? Jakie wtedy będzie napięcie? Odwróćcie diodę D1 i ponownie zmierzcie napięcie, tak jak to przedstawiłam na poniższym schemacie:

Ryc

Ryc. 8 Układ zbudowany ze źródła napięcia B1, diody przełączającej D1 (podłączonej w kierunku zaporowym), diody LED D2 oraz dwóch rezystorów: R1 i R2.

Ryc

Ryc. 9 Pomiar napięcia na diodzie przełączającej 1N4148 gdy jest ona podłączona w kierunku zaporowym (tj. anoda do minusa zasilania, a katoda do plusa).

Spadek napięcia na diodzie D1 wyniósł 4,70V. Na innych elementach voltomierz wskazywał 0V. Dioda LED nie zapaliła się.

Co dzieje się w naszym układzie? Dioda podłączona odwrotnie przepuszcza bardzo mały prąd, za mały aby dioda LED się zapaliła. Dlatego też cały spadek napięcia jaki dostarcza nam bateria B1 występuje na diodzie D1. W obwodzie płynie tak niewielki prąd (niemierzalny moim mikroamperomierzem), że spadki napięć na diodzie D2 i rezystorach również są bardzo małe (niemierzalne moim voltomierzem).

Zgodnie z drugim prawem Kirchoffa suma spadków napięć na odbiornikach powinna być równa napięciu źródłowemu. Moja bateria B1 ma napięcie 6,3V, dlaczego w takim razie spadek napięcia na diodzie D1 wyniósł tylko 4,70V zamiast 6,3V? Co się stało z brakującymi 1,6V? Musicie wiedzieć, że idealny voltomierz miałby rezystancję wewnętrzną nieskończoności. Niestety jako że nie ma rzeczy idealnych w praktyce voltomierz ma jakąś dużą rezystancję, rzędu M-mega om. Normalnie nie ma to żadnego znaczenia, ale musicie pamiętać, że w naszym układzie prąd jest bardzo, bardzo mały. W związku z tym nawet  rezystancja wewnętrzna rzędu M om powoduje przepływ większego prądu od tego płynącego przez diodę podłączoną w kierunku zaporowym. Wygląda to trochę w ten sposób, że miernik  stał się kolejnym rezystorem w obwodzie bocznikującym diodę, na którym spadek napięcia wyniósł brakujące 1,6V.

Doświadczenie to pokazało nam, że dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym przepuszcza tak niewielki prąd, że jest on praktycznie niemierzalny naszym multimetrem i w przyszłości spokojnie możemy go pominąć w naszych rozważaniach.

 

Na poprzedniej lekcji omawialiśmy prosty podwajacz napięcia. Dziś spróbujemy go trochę zmodyfikować dodając 2 diody przełączające.

Ryc

Ryc. 10 Schemat układu zbudowanego ze źródła napięcia B1, dwóch diod przełączających D1 i D2, kondensatorów elektrolitycznych C1 i C2, przełącznika S1, rezystora R1 i diody LED D3.

Za chwilę na płytce stykowej zbudujemy obwód przedstawiony na powyższym schemacie. Źródło napięcia B1 to bateria 6V. Diody D1 i D2 to nasze szybkie diody przełączające 1N4148. Kondensatory elektrolityczne 6,3V, 1000uF zostały oznaczone symbolami C1 i C2. W drugiej części układu znajdują się jeszcze: przełącznik S1, rezystor R1 i czerwona dioda LED D3.

Doświadczenie będzie polegało na podłączaniu baterii B1w dwóch cyklach: plus do jednej lini obwodu, minus do drugiej. W drugim cyklu podłączymy baterię odwrotnie.

Przyjrzyjcie się jeszcze naszemu schematowi przez chwilę. Które linie obwodu są ze sobą połączone, a które nie? Jaką funkcję pełnią diody D1 i D2?

Jak już pisałam wcześniej: krzyżujące się linie łączą się tylko wtedy, gdy w miejscu ich styku widzimy kropkę! Zaś zadaniem diod D1 i D2 jest jednokierunkowe przewodzenie prądu. Gdyby ich nie było kondensator w każdym cyklu jeden z kondensatorów byłby podłączony odwrotnie, a jak pamiętamy może się to skończyć nawet wybuchem!

Rezystor R1 będzie miał tą samą rezystancję co w poprzednim podwajaczu napięcia, tj. 520Ω (ja użyję rezystorów R1 – 470Ω i R2 – 100Ω).

R1 = UC1+C2 – UD3 / I

R1 = 12,5V – 2,1V / 20mA

R1 = 10,4 / 20mA

R1 = 520Ω

 Tak jak poprzednio doświadczenie odbywa się następującymi etapami:

  • ładujemy kondensator C2 – z uwagi na małą pojemność kondensatorów źródło zasilania wystarczy podłączyć na krótką chwilkę
Rys

Rys. 11 Schemat układu w którym źródło zasilania zostało podłączone tak, aby naładować kondensator C2; kierunek przepływu prądu zaznaczają czarne strzałki na liniach obwodu.

Ryc.

Ryc. 12 Obwód połączony na płytce stykowej, w którym źródło zasilania zostało przyłączone tak aby naładować jeden z kondensatorów.

  • ładujemy kondensator C1 – źródło napięcia B1 podłączamy odwrotnie i też tylko na krótką chwilkę
Ryc

Ryc. 13 Schemat układu w którym źródło zasilania zostało podłączone tak, aby naładować kondensator C1; kierunek przepływu prądu zaznaczają czarne strzałki na liniach obwodu.

Ryc

Ryc. 14 Obwód połączony na płytce stykowej, w którym źródło zasilania zostało przyłączone tak aby naładować jeden z kondensatorów.

  • odłączamy źródło napięcia B1 i zwieramy przełącznik S1

 

Ryc

Ryc. 15 Schemat układu w którym źródłem napięcia są dwa kondensatory C1 i C2; przycisk S1 jest zwarty; kierunek przepływu prądu zaznaczają czarne strzałki na liniach obwodu.

Ryc

Ryc. 16 Obwód połączony na płytce stykowej – źródłem napięcia są dwa kondensatory elektrolityczne, przełącznik jest zwarty tak aby przepływający prąd przez rezystory dotarł do diody.

Nasz podwajacz napięcia po zastosowaniu diod, które przewodzą prąd jednokierunkowo i uniemożliwiają ładowanie kondensatorów odwrotnie do ich biegunowości, nadal pozostaje bardzo prostym układem (jednakże spełniającym swoją funkcję!). Przyznacie jednak, że zamienianie przewodów jest dość kłopotliwe. W dalszej części kursu wrócimy do tematu.

Na koniec chcę Wam jeszcze przedstawić ciekawą i bardzo przydatną konstrukcję, jaką można zbudować, mając do dyspozycji 4 diody – mostek Graetza. Poniżej zamieszczam dwa różne sposoby graficznego zapisu tego samego układu:

Ryc.

Ryc. 17 Schemat układu zbudowanego ze źródła zasilania B1, mostka Graetza (złożonego z 4 diod D1, D2, D3, D4) oraz rezystora R1 i diody LED D5.

 

Ryc

Ryc. 18 Schemat układu zbudowanego ze źródła zasilania B1, mostka Graetza (złożonego z 4 diod D1, D2, D3, D4) oraz rezystora R1 i diody LED D5.

Jako, że pierwszy sposób zapisu jest popularniejszy w dalszej części będziemy opierali się na nim, ale pamiętajcie, że to jest to samo: ta sama zasada działania, ten sam rozpływ prądów, te same wartości natężenia i napięcia, inny jest tylko sposób graficznego rozrysowania elementów.

Do czego służy mostek Graetza? Zwykle jest wykorzystywany do „prostowania” prądu zmiennego, tak aby na wyjściu uzyskać prąd stały. Z tego powodu mostek Graetza nazywany jest również mostkiem prostowniczym. My na razie zajmujemy się jedynie prądem stałym, dlatego do tematu prostowania prądu wrócimy później.

Mostek Graetza może pełnić jeszcze jedną funkcję, przydatną także, gdy mamy do czynienia z prądem stałym. Jest on wykorzystywany jako zabezpieczenie – niezależnie od tego jak podłączymy źródło napięcia: prawidłowo (plus do plusa, minus do minusa) czy nieprawidłowo (plus do minusa, minus do plusa) układ będzie działał właściwie i nie ulegnie uszkodzeniu! Takie zabezpieczenie może być o tyle ważne i przydatne, ponieważ niektóre podzespoły elektroniczne są szczególnie wrażliwe na tego typu pomyłki, a ich skutki mogą być nie ciekawe (np. źle podłączony kondensator elektrolityczny może wybuchnąć!).

Przyjrzyjmy się naszemu układowi – co się stanie gdy źródło napięcia podłączymy w ten sposób:

Ryc

Ryc. 19 Schemat układu zbudowanego ze źródła zasilania B1, mostka Graetza (złożonego z 4 diod D1, D2, D3, D4) oraz rezystora R1 i diody LED D5; kolorami oznaczono umownie kierunek przepływu prądu.

Prąd „wychodzi” z dodatniego bieguna baterii kierując się do mostka Graetza. Tam jego droga jest oczywista – może przejść jedynie przez diodę D3, ponieważ dioda D1 ustawiona jest dla niego w kierunku zaporowym. Prąd trafia do kolejnej części układu zbudowanego w tym przypadku z rezystora R1 i diody LED D5. Stamtąd wraca do mostka, gdzie to wyboru ma dwie drogi: przez diodę D1 lub D2, ponieważ obie te diody są ustawione dla niego w kierunku przewodzenia. Wybór jednej z diod jest dla prądu oczywisty – przejdzie przez diodę D2, a potem prosto do baterii. Dlaczego? Po pierwsze prąd jest „leniwy” i chce jak najkrótszą drogą powrócić do baterii. Po drugie gdyby prąd przeszedł przez diodę D1 trafiłby na prąd o potencjale wyższym, a jak wiemy prąd płynie od potencjału wyższego ku niższemu.

Teraz sytuacja, w której do tego samego układu źródło napięcia B1 podłączono odwrotnie:

Ryc

Ryc. 20 Schemat układu zbudowanego ze źródła zasilania B1, mostka Graetza (złożonego z 4 diod D1, D2, D3, D4) oraz rezystora R1 i diody LED D5; kolorami oznaczono umownie kierunek przepływu prądu.

Prąd „wychodzi” z dodatniego bieguna baterii kierując się ponownie do mostka Graetza. Tam jego droga jest oczywista – może przejść jedynie przez diodę D4, ponieważ dioda D2 ustawiona jest dla niego w kierunku zaporowym. Prąd trafia do kolejnej części układu zbudowanego z rezystora R1 i diody LED D5. Stamtąd wraca do mostka, gdzie to wyboru ma dwie drogi: przez diodę D1 lub D2, ponieważ obie te diody są ustawione dla niego w kierunku przewodzenia. Wybór jednej z diod jest dla prądu oczywisty (z tych samych powodów co poprzednio) – przejdzie przez diodę D1, a potem prosto do baterii.

Żeby zbudować taki układ na płytce stykowej musimy tylko wyliczyć minimalną wartość rezystora R1. Jako, że w obu przypadkach podłączenia źródła napięcia B1, prąd zawsze przejdzie tylko przez trzy diody (D3, D5, D2 lub D4, D5, D1) rezystancję obliczymy w ten sposób:

R1 = UB1 – UD3 – UD5 – UD2 / I           lub           R1 = UB1 – UD4 – UD5 – UD1 / I

R1 = 6V – 0,8V – 2,1V – 0,8V / 20mA      (spadek 0,8V na diodzie 1N4148 to przybliżony wynik jaki zmierzyliśmy voltomierzem w pierwszym ćwiczeniu)

R1 = 2,3V / 20mA

R1 = 115Ω

Użyję rezystorów o rezystancji: R1 – 100Ω i R2 – 22Ω.

Ryc

Ryc. 21 Schemat układu zbudowanego ze źródła zasilania B1, mostka Graetza (złożonego z 4 diod D1, D2, D3, D4) oraz rezystorów R1, R2 i diody LED D5

Ryc

Ryc. 22 Obwód połączony na płytce stykowej z mostkiem Graetza, rezystorami i diodą LED.

Ryc

Ryc. 22 Obwód połączony na płytce stykowej z mostkiem Graetza, rezystorami i diodą LED.

Niezależnie jak podłączymy źródło zasilania nasza dioda świeci. Mostek prostowniczy to konstrukcja niewątpliwie bardzo pomocna i przydatna (prostuje prąd, zabezpiecza układ przed niepoprawnym podłączeniem), ale ma też wady – pamiętajmy, że na każdej z dwóch diod mostka przez które przechodzi prąd występuje spadek napięcia. Przy dużym prądzie oprócz tego dochodzi do wydzielania ciepła.

Musicie wiedzieć, że nie trzeba za każdym razem budować własnoręcznie mostka z 4 diod, można wykorzystać gotowy układ mostka – 4 diody umieszczone w jednej obudowie.

Ryc

Ryc. 23 Mostek Graetza.

Mostek prostowniczy można zrobić z jakichkolwiek diod. W powyższym ćwiczeniu użyłam diod prostowniczych, ale można też wykorzystać diody LED! Świecące się diody świetnie pokazują którędy płynie prąd. Spróbujcie sami zbudować taki mostek, w swoich doświadczeniach poeksperymentujcie z różnymi rodzajami diod LED (prąd i napięcie przewodzenia dla diod o różnych kolorach znajdziecie w tym poście). Pamiętajcie o dobraniu odpowiedniego rezystora, w przeciwnym razie spalicie diody! Poniżej zamieszczam zdjęcie mojego świecącego mostka Graetza (w każdym z tych układów, choć na zdjęciu tego nie widać, świecą się 2 diody żółte i 1 czerwona):

Ryc

Ryc. 24 Obwód zbudowany na płytce stykowej złożony z mostka Graetza (wykonanego z 4 diod LED), 2 rezystorów oraz żółtej diody LED.

IMG_6004

Ryc. 25 Obwód zbudowany na płytce stykowej złożony z mostka Graetza (wykonanego z 4 diod LED), 2 rezystorów oraz żółtej diody LED.

Lekcja 6: kondensatory cz.2

Dziś będziemy kontynuować poznawanie możliwości kondensatorów z wykorzystaniem nowo poznanych elementów – przełączników (o stykach możesz przeczytać tutaj).

W naszym zestawie mamy 2 przełączniki suwakowe, jednobiegunowe, potrójne, których działanie możemy symbolicznie przedstawić jako:

symbol przelacznika

Ryc. 1 Symboliczne przedstawienie działania przełącznika jednobiegunowego, potrójnego.

Przyjrzyjmy się naszemu przełącznikowi – od spodu ma on 4 nóżki, z których jedna jest widocznie oddalona od pozostałych. To nóżka wspólna dla wszystkich pozycji przełącznika, dlatego oznaczyłam ją jako „com” (od ang. common – wspólne). Kolejne położone obok siebie nóżki to odpowiednio: L1, L2, L3. Suwak natomiast może przesuwać się prawo-lewo przyjmując 3 położenia, które oznaczyłam jako P1, P2, P3.

Ryc

Ryc. 2 Przełącznik jednobiegunowy potrójny.

Czy da się jakoś sprawdzić badając przełącznik w konkretnym położeniu suwaka która nóżka: L1, L2, L3 jest zwarta z nóżką „com” ? Oczywiście! Weź omomierz, ustaw go na obojętnie jaki zakres, połącz jedną sondę do nóżki „com”, a drugą kolejno do wszystkich nóżek „L” – jeśli nóżka jest zwarta wyświetli się wartość rezystancji. W moim przypadku wyświetliła się wartość 69,4 gdyż przełącznik przesuwał się podczas wykonywania pomiaru i nie było pewnego styku aby omomierz zdążył wskazać wartość bliską 0 om.

Ryc

Ryc. 3 Pomiar rezystancji pomiędzy zwartymi w pozycji P1 nóżkami „com” i „L1″.

pozycja P1 odpowiada połączeniu nóżki „com” z „L1″

pozycja P2 odpowiada połączeniu nóżki „com” z „L2″

pozycja P3 odpowiada połączeniu nóżki „com” z „L3″

 Tyle tytułem wstępu, teraz przejdźmy do takiego oto układu:

Ryc. 1 Obwód zbudowany ze źródła zasilania B1, przełącznika S1, kondensatora C1, rezystora R1 oraz diody LED D1.

Ryc. 4 Obwód zbudowany ze źródła zasilania B1, przełącznika S1, kondensatora C1, rezystora R1 oraz diody LED D1.

S1 to przełącznik suwakowy jednobiegunowy, potrójny . Kondensator C1, to nadal nasz supercap (5,5V, 0,10F). Jako że potrzebuje on odpowiedniego napięcia bateria B1 to w rzeczywistości koszyk z trzema bateriami (o tym jak „przerobić” koszyk na 4 baterie, tak aby pracował z jednym slotem wolnym wyjaśniłam w poprzedniej lekcji).  Dioda D1 to czerwona dioda LED (preferowane natężenie 20mA oraz napięcie rzędu 2,1V), a wartość rezystora R1 jak zwykle trzeba obliczyć (w celach rachunkowych przyjmijmy, że układ zbudowany jest jedynie z baterii, rezystora i diody):

R1 = U / I
R1 = (UB1 – UD1) / I
R1 = (4,5V – 2,1V) / 20mA
R1 =  2,4V / 0,020A
R1 = 120Ω
Tak jak w poprzedniej lekcji użyję rezystora 220R.
Zbudujmy nasz układ na płytce stykowej, ale tak aby przełącznik S1 pozostawał rozwarty. Jak to zrobić? Plus zasilania umieszczamy w tej samej piątce styków, co nóżkę „com” przełącznika. Kondensator i rezystor podłączamy do nóżki (L1, L2 lub L3) z którą suwak nie jest aktualnie zwarty. Przykładowy jak i rzeczywisty sposób podłączenia elementów na płytce stykowej zamieszczam poniżej.
Ryc

Ryc. 5 Przykładowy sposób połączenia na płytce stykowej podzespołów elektronicznych: S1 – przełącznik; R1 – rezystor; D1 – dioda; C1 – super kondensator.

Jeśli Wasz  kondensator zdążył zgromadzić wystarczająco  dużo ładunku, to mimo odłączenia baterii od układu  dioda LED przez jakiś czas będzie świecić, aż zgaśnie z powodu zbyt niskiej wartości prądu w obwodzie.

Ryc.

Ryc. 6 Obwód elektroniczny zbudowany na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 3.

Co stanie się gdy przełącznik suwakowy przełączymy z pozycji P1 do pozycji P2? Widzimy, że dioda świeci, a co dzieje się z kondensatorem. Weź do ręki woltomierz i przez chwilę pomierz napięcie na supercapie – na pewno zauważysz że napięcie rośnie. Wynika z tego tyle, że  prąd płynący z baterii przechodzi przez przełącznik suwakowy i rozdziela się – część płynie do gałęzi z kondensatorem, część zaś do gałęzi z rezystorem i diodą.

Ryc

Ryc. 7 Pomiar napięcia na super kondensatorze.

Teraz rozłącz przełącznik S1 przesuwając suwak z pozycji P2 na pozycję P1 lub P3. Dioda świeci nadal, a co z napięciem na kondensatorze? Jeśli choć przez chwilę dokonasz pomiarów woltomierzem na supercapie na pewno zauważysz, że napięcie spada. Oznacza to, że gdy odłączymy źródło napięcia jakim jest bateria B1, kondensator, rezystor i dioda stworzą zamknięty układ, w którym prąd płynie od supercapa, przez rezystor i diodę z powrotem do kondensatora.

Różny przebieg prądu w układzie z podłączonym lub odłączonym źródłem napięcia B1, przedstawiają poniższe schematy:

Ryc.

Ryc. 8 Schemat z zaznaczonym kierunkiem przepływu prądu (czarne strzałki na liniach obwodu), po dołączeniu źródła napięcia B1 poprzez zwarcie przełącznika S1.

 

 

Ryc

Ryc. 9 Schemat z zaznaczonym kierunkiem przepływu prądu (czarne strzałki na liniach obwodu), po odłączeniu źródła napięcia B1 poprzez rozwarcie przełącznika S1.

Do tej pory we wszystkich układach, w których pojawiał się kondensator, używaliśmy jako źródła napięcia koszyka z trzema bateriami, które dawały napięcie 4,5V. Czy na podstawie zdobytej już wiedzy do powyższego układu można w jakiś sposób podłączyć koszyk z 4 bateriami ograniczając jego napięcie, tak aby nie uszkodzić żadnego z elementów układu?

Do tego celu posłużą nam 2 rezystory z których zbudujemy dzielnik napięcia. Z wcześniejszych lekcji wiemy, że łącząc 2 rezystory szeregowo na każdym z nich wystąpi jakiś spadek napięcia – wykorzystajmy to!

Na początek przyjrzyjmy się takiemu oto prostemu układowi:

Ryc.

Ryc. 10 Schemat układu w którym do źródła napięcia B1 połączono szeregowo dwa rezystory R1 i R2.

Do źródła napięcia B1 podłączono szeregowo 2 rezystory: R1 i R2. Przyjmijmy teraz, że bateria B1 to nasz koszyk z czterema bateriami, natężenie prądu w obwodzie to 80mA, a spadki rezystancji na rezystorach wynoszą odpowiednio: 1,5V na rezystorze R1 oraz 4,5V na rezystorze R2 (o tym dlaczego przyjęliśmy takie dane napiszę później). Obliczmy rezystancję rezystorów R1 i R2:

R1 = U1 / I                                      R2 = U2 / I

R1 = 1,5V / 80mA                            R2 = 4,5V/80mA

R1 = 18,75Ω                                    R2 = 56,25Ω

Rezystorów o takich rezystancjach nie ma w naszym zestawie, ale możemy użyć zbliżonych wartości: rezystor R1 będzie miał rezystancję 22Ω, a za rezystor R2 posłużą nam dwa rezystory 47Ω (R2) i 10Ω(R3). Zbudujmy taki układ na płytce stykowej, ale uwaga: zasilanie podłącz jedynie na krótką chwilkę, tylko aby zaobserwować że nóżki rezystorów robią się gorące!

Ryc

Ryc. 11 Schemat obwodu elektronicznego zbudowanego ze źródła napięcia B1 oraz trzech rezystorów R1, R2, R3.

Ryc

Ryc. 12 Obwód elektroniczny zbudowany ze źródła napięcia i rezystorów R1 – 22R; R2 – 47R; R3 – 10R.

Co się dzieje w naszym układzie? Przeliczmy układ od początku, chociażby po to aby przećwiczyć obliczanie obwodów elektronicznych :)

  • rezystancja całkowita obwodu:

R = 22Ω + 47Ω + 10Ω

R = 79Ω

  • prąd:

I = UB1 / R

I = 6V / 79Ω

I = 76mA

  • spadek napięcia na każdym z rezystorów:

UR1 = R1 x I                     UR2 = R2 x I                           UR3 = R3 x I

UR1 = 22Ω x 76mA              UR2 = 47Ω x 76mA                 UR3 = 10Ω x 76mA

UR1 = 1,67V                       UR2 = 3,57V                            UR3 = 0,76V

(przypominam, że wyniki wyszły zgodne z drugim prawem Kirchoffa: U1 + U2 + U3 = UB1)

  • moc wydzielana na każdym z rezystorów:

PR1 = U1 x I                         PR2 = U2 x I                       PR3 = U3 x I

PR1 = 1,67V x 76mA              PR2 = 3,57V x 76mA             PR3 = 0,76V x 76mA

PR1 = 0,13W                        PR2 = 0,27W                            PR3 = 0,06W

Moc wydzielana na rezystorze R2 wynosi aż 0,27W, a jego moc znamionowa to jedynie 0,25W! Spokojnie, jeśli układ podłączyłeś tylko na małą chwilkę rezystorowi nic się nie stało, ale gdybyś podłączył układ na dłużej mógłby on się spalić. Taki stan rzeczy nie jest też obojętny dla baterii – szybciej się rozładowuje.

Ryc.

Ryc. 13 Schemat układu w którym do źródła napięcia B1 podłączono dwa rezystory R1 i R2.

Wnioski są takie, że prąd ok. 80mA w obwodzie to jednak za dużo… może więc 40mA będzie dobrze? Przeliczmy powyższy układ od początku. Znów mamy koszyk baterii dostarczający napięcie UB1 = 6V, dwa rezystory R1 i R2 na których spadki rezystancji wynoszą odpowiednio: 1,5V na rezystorze R1 oraz 4,5V na rezystorze R2, prąd w obwodzie I = 40mA. Obliczenia są analogiczne do powyższego przypadku, więc podam jedynie gotowe rozwiązania (Ty w ramach ćwiczeń możesz dojść do nich samodzielnie): R1 = 37,5Ω; R2 = 112,5Ω

Znów nie mamy w zestawie rezystorów o takich rezystancjach, dlatego zamiast 37,5Ω przyjmijmy 2 x 22Ω, a zamiast 112,5Ω przyjmijmy 100Ω i 10Ω.

Ryc.

Ryc. 14 Schemat układu w którym do źródła napięcia B1 podłączono 4 rezystory: R1, R2, R3, R4.

Przeliczmy układ, ale biorąc pod uwagę rzeczywiste wartości: napięcia baterii i rezystancji rezystorów. Poniżej podam moje gotowe obliczenia:

  • rezystancja całkowita obwodu: R = 155,9Ω;
  • prąd: I = 41mA;
  • spadek napięcia na każdym z rezystorów: UR1 = 0,93V; UR2 = 0,94V; UR3 = 4,07V; UR4 = 0,45V;
  • moc wydzielana na każdym z rezystorów: PR1 = 0,04W; PR2 = 0,04W; PR3 = 0,17W; PR4 = 0,02W.

W tym układzie prąd nie jest duży, a moc wydzielana na żadnym z rezystorów nie przekracza dopuszczalnej wartości 0,25W – ten układ możemy spokojnie złożyć na płytce stykowej!

Ryc

Ryc. 15 Obwód elektroniczny zbudowany ze źródła napięcia B1 i szeregowo połączonych rezystorów: R1 – 22R; R2 – 22R; R3 – 100R; R4 – 10R.

Wróćmy do naszego układu z ryc 4, gdybyśmy podłączyli go za drugim rezystorem do dodanej części układu trafiłoby napięcie w wysokości ok. 4,5V (dokładna wartość zależy od napięcia waszej baterii i rzeczywistej rezystancji użytych rezystorów), czyli w sam raz!

Ryc

Ryc. 16 Układ elektroniczny zbudowany ze źródła napięcia B1, rezystorów R1, R2, R3, R4, R5, przełącznika S1, super kondensatora C1 i diody LED D1.

Tak właśnie działa dzielnik napięcia – do źródła napięcia podłączone są szeregowo co najmniej 2 rezystory (u nas 4 rezystory: R1, R2, R3, R4). Z drugiego prawa Kirchoffa pamiętamy, że suma spadków napięć na nich będzie równa z napięciem źródła zasilania (UB1 = UR1 + UR2 + UR3 + UR4). Jeśli za co najmniej pierwszym rezystorem (u nas za R2) podepniemy dodatkową gałąź otrzyma ono: napięcie źródła zasilania minus spadek napięć na rezystorach połączonych szeregowo położonych przed naszą nową gałęzią (u nas UB1 – UR1 – UR2).

Na pewno zauważyliście, że w stosunku do schematu z ryc. 4 jeden z rezystorów zmienił położenie – najpierw znajdował się tuż przed diodą, a teraz jest tuż za przełącznikiem S1. Funkcją rezystora R5 zyskał bowiem nową funkcję, jego zadaniem jest kierowanie do tej części układu prądu o odpowiedniej wartości.

Wiemy, że czerwona dioda LED najlepiej się „czuje” gdy dostarczymy do niej natężenie 20mA. Musicie jednak wiedzieć o pewnej zasadzie projektowania dzielników napięcia – prąd w dzielniku powinien być co najmniej 4 razy wyższy (najlepiej 10 razy większy) niż w kolejnej części układu. Dlatego też, aby dostarczyć diodzie prąd w wartości 20mA w dzielniku musiałoby być natężenie w wysokości 80mA, a my już przecież wiemy, że to za dużo (z uwagi na zbyt dużą moc wydzielaną na rezystorach). No trudno, nie damy rady dostarczyć diodzie natężenia 20mA, więc może chociaż 10mA – dioda będzie świecić słabiej.

Ryc

Ryc. 17 Schemat z zaznaczonym kierunkiem przepływu prądu (czarne strzałki na liniach obwodu) przy zwartym przełączniku S1.

Jak to zrobić? Należy odpowiednio dobrać rezystor R5:

R5 = (UB1 – UR1 – UR2-UD1) / I1

R5 = (6,38V – 0,93V – 0,94V-2,1V) / 10mA

R5 = 241Ω

Znów nie mamy rezystora o takiej rezystancji, zamiast tego użyję 220Ω.

Ryc

Ryc. 18 Układ zbudowany z 4 rezystorów (22R, 22R, 100R, 10R) tworzących dzielnik napięcia, przełącznika, rezystora 200R, czerwonej diody LED i super kondensatora.

Podłączcie cały układy zgodnie ze schematem z ryc. 17 i zbadajcie jak zachowuje się układ gdy przełącznik jest zwarty/rozwarty, jak świeci dioda LED, kiedy kondensator się ładuje lub rozładowuje.

 

Ostatnie już zagadnienie na dziś – najprostszy model podwajacza napięcia (wersja z ręcznie przełączaną baterią – w tej wersji układu nie zastosowałam jeszcze diod – o tym na późniejszej lekcji).

 

Ryc

Ryc. 19 Schemat zbudowany z dwóch kondensatorów: C1 i C2, przełącznika S1, rezystora R1, diody LED D1 oraz przyłączanego osobno źródła napięcia B1.

Źródłem napięcia B1 jest nasz koszyk z 4 bateriami. Kondensatory C1 i C2 to elektrolity 6,3V, 1000uF. S1 to przełącznik, dioda D1 to czerwona dioda LED (natężenie 20mA, napięcie 2,1V). Rezystor R1 jak zwykle trzeba obliczyć. Zaczniemy jednak od zmierzenia rzeczywistego napięcia naszej baterii B1 – u mnie to 6,25V. Kondensatory zmagazynują ładunek elektryczny podwajając to napięcie: 2 x 6,25V = 12,5V

R1 = UC1+C2 – UD1 / I

R1 = 12,5V – 2,1V / 20mA

R1 = 10,4 / 20mA

R1 = 520Ω

W miejsce rezystora R1 użyję dwóch rezystorów: R1 – 470Ω i R2 – 100Ω.

Zanim zbudujemy nasz układ na płytce stykowej jeszcze tylko jedna uwaga – jak podłączyć kondensator elektrolityczny? Gdzie jest nóżka plusowa, a gdzie minusowa? Odpowiedź znajdziecie uważnie przyglądając się jego obudowie – przy jednej z nóżek widać biały pasek –  oznaczenie nóżki minusowej. To jest zasadą przy oznaczaniu biegunowości kondensatorów elektrolitycznych. Pamiętajcie, że to bardzo ważne, aby nie podłączyć kondensatora odwrotnie!

Ryc

Ryc. 20 Kondensator elektrolityczny widoczny: a) ze strony opisującej jego parametry; b) od strony białego paska oznaczającego nóżkę minusową.

Jak działa powyższy układ?

  • ładujemy kondensator C2 – wystarczy przewody baterii przyłożyć na krótką chwilkę – ten kondensator w porównaniu do wykorzystywanego super kondensatora ma bardzo małą pojemność (1000uF = 1mF = 0,001F), a poza tym prąd podczas ładowania nie przechodzi przez żaden rezystor:
Ryc

Ryc. 21 Schemat układu w którym źródło zasilania zostało podłączone tak, aby naładować kondensator C2; kierunek przepływu prądu zaznaczają czarne strzałki na liniach obwodu.

 

Ryc

Ryc. 22 Obwód połączony na płytce stykowej, w którym źródło zasilania zostało przyłączone tak aby naładować jeden z kondensatorów.

  • ładujemy kondensator C1 – tu też wystarczy krótka chwilka:
Ryc

Ryc. 23 Schemat układu w którym źródło zasilania zostało podłączone tak, aby naładować kondensator C1; kierunek przepływu prądu zaznaczają czarne strzałki na liniach obwodu.

IMG_5977

Ryc. 24 Obwód połączony na płytce stykowej, w którym źródło zasilania zostało przyłączone tak aby naładować jeden z kondensatorów.

  • odłączamy źródło napięcia B1 i zwieramy przełącznik S1 – dioda pali się bardzo krótko, ponieważ pojemność kondensatorów jest mała

 

Ryc

Ryc. 25 Schemat układu w którym źródłem napięcia są dwa kondensatory C1 i C2; przycisk S1 jest zwarty; kierunek przepływu prądu zaznaczają czarne strzałki na liniach obwodu.

Ryc

Ryc. 26 Obwód połączony na płytce stykowej – źródłem napięcia są dwa kondensatory elektrolityczne, przełącznik jest zwarty tak aby przepływający prąd przez rezystory dotarł do diody.

Każdy z kondensatorów zmagazynował ładunek po podłączeniu go do baterii stając się źródłem napięcia o wartości zbliżonej do napięcia baterii. Po załączeniu przełącznika S1 dioda zasilana jest  napięciem ok. 12V. Oporniki zachowały się jak przewężenie w układzie dla przepływającego prądu zmniejszając jego wartość, tak aby nie uszkodził on diody LED. Niestety ze względu na małą pojemność kondensatorów dioda zapaliła się jedynie na krótką chwilę.

W ten sposób poznaliśmy działanie bardzo prostego i ręcznie przełączanego podwajacza napięcia. W przyszłości, gdy poznamy inne elementy elektroniczne wrócimy do tego tematu. Pokażę Wam wtedy jak zbudować bardziej skomplikowany, a przy tym bardziej funkcjonalny podwajacz napięcia.