Wzmacniaczowi operacyjnemu LM358 poświęciłam lekcję 11. Dziś wykorzystamy go do zbudowania ciekawego układu – prostego testera baterii.

Układ zasilany jest napięciem 12V. Za koszykami baterii znajduje się stabilizator napięcia, dzięki któremu do układu LM358 dociera napięcie 5V. Przypominam, że nóżka 3 to tzw. wejście nieodwracające We(+), a nóżka 2 to wejście odwracające We(-). Jeśli napięcie na We(+) > We(-) na wyjściu otrzymamy napięcie zbliżone do dostarczonego do wzmacniacza napięcia zasilania, a czerwona dioda LED zaświeci. W przeciwnym razie, tzn. gdy We(+) ≤ We(-) na wyjściu otrzymamy napięcie bliskie 0V, dioda nie zaświeci.

Nóżkę 3 wzmacniacza będziemy łączyć z jednym z biegunów baterii. Druga nóżka przez potencjometr 10kΩ łączy się z masą i plusem zasilania.  Rezystor 1MΩ jak i kondensator 100nF zapobiegają wzbudzaniu układu. Złóżcie układ na płytce stykowej,

a następnie tak ustawcie pokrętło potencjometru, aby napięcie na woltomierzu wskazało 1,45V (ryc.3). Czemu taka wartość? Będziemy badać baterie-paluszki o napięciu znamionowym 1,5V. Gdy są nowe ich napięcie wynosi ok. 1,6V, gdy są  rozładowane ich napięcie wynosi np 1,17V lub mniej. Napięcie 1,45V oznacza, że bateria jeszcze się do czegoś nadaje, może nie do urządzeń typu aparat fotograficzny, ale do pilota do telewizora jak najbardziej :)

Jeśli do układu podłączymy dobrą, nową baterię napięcie na We(+) będzie wynosić np. 1,6V i będzie większe od napięcia na We(-), które wynosić będzie 1,45V. We(+) > We(-) więc dioda się zaświeci. W naszym przypadku znaleźliśmy baterię lekko rozładowaną, która ma napięcie 1,57V patrz ryc. 5

Jeśli do układu podłączymy zużytą baterię napięcie na We(+) będzie wynosić np. 1,17V, i będzie mniejsze od napięcia na We(-), które wynosić będzie 1,45V. We(+) < We(-) więc dioda się nie zaświeci.

Teraz nieco zmodyfikujemy nasz obwód dodając do niego przekaźnik.

Przekaźnik jest to element mechaniczny i zarazem elektryczny, który wewnątrz posiada przełączane styki (elementy łączeniowe) jak również cewkę, która wytwarza pole magnetyczne.

W swoich zestawach podzespołów możecie znaleźć przekaźnik elektromagnetyczny. Jest to typ przekaźnika, który działa jak elektromagnes. Prąd przepływający przez cewkę przekaźnika (nawinięte zwoje drutu nawojowego) powoduje wytwarzanie pola magnetycznego, które przyciąga żelazną kotwiczkę, co z kolei powoduje zamknięcie lub otwarcie odpowiednich styków. Na ryc 8. pokazano najprostszy przykład przekaźnika pokazujący jego ideę działania. W naszym przypadku żelazna kotwica jest zarazem jednym ze styków przez, który może płynąć prąd.

W zależności od tego jaki posiadasz przekaźnik: na 5V (ryc. 7b) czy na 12V (ryc. 7a)  lub inny, złóż na płytce stykowej odpowiednio obwód z ryc. 10a lub 10b. W moim układzie zastosowałam przekaźnik  HFD 23 na napięcie 12V.

Jak sprawdzić przekaźnik, którego nie znamy a chcemy się  dowiedzieć,  które wyprowadzenia do czego służą?

Bardzo pomocny w tym zadaniu będzie nasz multimetr. Ustawmy go na pomiar rezystancji na zakres np 2k om, a następnie przykładajmy sondy do poszczególnych par nóżek przekaźnika, sprawdzając jaka będzie rezystancja między nimi. W ten sposób musimy odnaleźć parę nóżek między którymi rezystancja będzie największa (np. powyżej 2 omów) oraz parę nóżek między którymi rezystancja będzie najmniejsza (rzędu 1 – 2 oma (w rzeczywistości zwarte styki przekaźnika mają rezystancję znacznie mniejszą ale nasze multimetry kiepsko sobie radzą z pomiarem małych rezystancji)).

Duża rezystancja  będzie świadczyć o tym, że znaleźliśmy cewkę, która wytwarza pole magnetyczne. Jeżeli przyłożymy napięcie do wyprowadzeń o dużej rezystancji to przez cewkę popłynie prąd zaś styki, w zależności od rodzaju przekaźnika:

• zewrą się – taki styk przekaźnika określa się mianem normal open (normalnie otwarty, gdy nie przykładamy do cewki napięcia, styki są otwarte, nie mają ze sobą połączenia, a multimetr nic nie pokaże) – tego typu przekaźników będziemy używać,
• rozewrą się – taki typ styków przekaźnika określa się mianem normal conection (normalnie zwarte, gdy nie przykładamy do cewki napięcia, styki są zwarte).
  

Mała rezystancja będzie oznaczać, że znaleźliśmy zwarte styki przekaźnika. W przypadku przekaźników typu normal open między dwoma nóżkami nie będzie w ogóle rezystancji, ponieważ gdy przez przekaźnik nie przepływa prąd pozostają one rozwarte (nie mają ze sobą połączenia).

 

Jeśli napięcie dopływające do wejścia nieodwracającego LM358 będzie większe od tego na wejściu odwracającym, czyli We(+) > We(-) na wyjściu otrzymamy napięcie, które spowoduje przepływ prądu w obwodzie bazy i tym samym załączy tranzystor. Przez cewkę przekaźnika i przez tranzystor (w obwodzie kolektor-emiter) zacznie płynąć prąd, który  wytworzy pole magnetyczne, a to z kolei spowoduje zamknięcie styku i przepływ prądu przez diodę LED.

Jeśli napięcie na wejściach wzmacniacza ulegnie zmianie i We(+) ≤ We(-) na wyjściu otrzymamy napięcie bliskie zeru, które będzie zbyt niskie, aby wymusić przepływ prądu w obwodzie bazy – tranzystor będzie wyłączony. W konsekwencji przez przekaźnik także przestanie płynąć prąd… ale na rdzeniu na, którym nawinięta jest cewka pozostanie zmagazynowana energia która musi gdzieś zostać oddana! Dlatego właśnie w obwodzie blisko cewki przekaźnika znajduje się dioda szybka 1N4148, która zewrze przekaźnik do plusa. Gdybyśmy zapomnieli o tej diodzie projektując nasz układ (a jest to dość częsty błąd początkujących elektroników) energia z rdzenia przekaźnika spowoduje powstanie wysokiego napięcia na zaciskach cewki co spowoduje uszkodzenie tranzystora!

Po co stosuje się przekaźniki? Wyobraźmy sobie pralkę (lub jakiekolwiek inne urządzenie) podłączone do sieci zasilającej ~230V. Tak wysokie napięcie jest potrzebne do zasilenia np. silnika obracającego bębnem pralki, ale zupełnie nie nadaje się do zasilania programatora, który wymaga znacznie niższego napięcia. Dzięki przekaźnikowi niewielki prąd płynący od programatora pralki o napięciu powiedzmy 12V załącza silnik zasilany 230V.

Abstrahując od naszego dzisiejszego tematu w schemacie z pralką pojawiły się dwa nowe oznaczenia podzespołów na schemacie:

mostek prostowniczy (mówiliśmy o nich na lekcji 7 – jest to po prostu inny jego zapis)

transformator

Transformator przenosi energię elektryczną drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego. Prąd przemienny płynący po stronie pierwotnej transformatora powoduje zmianę prądu płynącego po wtórnej stronie transformatora. Oznacza to, że zmiany pola magnetycznego w obwodzie elektrycznym przez który przepływa prąd zmienny powoduje powstanie siły elektromotorycznej. Transformator jest często wykorzystywany (tak jak w przykładzie z pralką) do zmiany napięcia  sieci ~230V na niskie napięcie potrzebne do zasilenia urządzenia elektronicznego np ~12V.

        W układach sieci zasilającej (sieci energetyki zasilającej nasze domy, mieszkania oraz zakłady pracy) również stosowane są transformatory. Mogą one obniżać  napięcie  np z 15kV na 230V lub podwyższać np z 15kV  na 110kV itp. Idąc ulicą można zauważyć wysokie słupy z długimi przewodami (tzw linie napowietrzne) w zależności od budowy takiego słupa można wywnioskować jakie napięcie na nich występuje. W żadnym wypadku nie można dotykać słupów ani na nie wchodzić gdyż grozi to porażeniem prądem. W szczególnych przypadkach nawet  przebywanie blisko linii napowietrznej może stanowić zagrożenie życia. Tak może się zdarzyć np jadąc traktorem po polu gdzie bardzo nisko jest zawieszona linia napowietrzna. Dlaczego?

Dość ciekawą dla nas informacją może być fakt, że  wytrzymałość izolacji pomiędzy dwoma przewodnikami (np. drutami bez izolacji) w przestrzeni powietrznej wynosi ok 1000V na 1mm odległości. Oznacza to, że zbliżając do siebie dwa przewodniki na odległość mniejszą od  1mm po przyłożeniu napięcia 1000V może nastąpić wyładowanie (przeskok iskry). Jeżeli natomiast odległość jest większa przeskok iskry nie powinien wystąpić (wszystko jeszcze zależy od wilgotności powietrza, zanieczyszczenia elektrod itd). Powyższa informacja jest bardzo ważna gdyż związana jest z naszym bezpieczeństwem  – nie zawsze trzeba dotknąć bezpośrednio przewodu będącego pod napięciem aby zostać porażonym prądem. Porażenie prądem może nastąpić z większej odległości.