192296 Set educativ Conrad, 20 experimente electronice · Începând cu inventarea tranzistorului,...

MANUAL DE UTILIZARE

SET EDUCATIV CONRAD, 20 EXPERIMENTE ELECTRONICE Cod produs: 192296

Autor: Burkhard Kainka

Pasul 1. Introducere Începând cu inventarea tranzistorului, electronica nu a mai încetat să progreseze. În ziua de azi suntem înconjurați de

dispozitive ale căror circuite integrate conțin milioane de tranzistoare. Dar în acelaşi timp din ce în ce mai puțini oameni ştiu exact cum funcționează de fapt un (singur!) tranzistor. Decalajul dintre gradul de utilizare şi cel de înțelegere al electronicii creşte din ce în ce mai mult. E foarte simplu: luați câteva tranzistoare şi realizați câteva experimente simple – şi în fața dvs. se vor deschide nenumărate posibilități. Un simplu circuit cu tranzistoare poate rezolva o mulțime de probleme. Aşa că fiți creativi! Un tranzistor este o componentă cu trei conexiuni, iar rolul său este de a controla curentul electric. Cantitatea de curent care circulă este reglată prin intermediul unei conexiuni de comandă (gate). Există două tipuri de tranzistoare. Tranzistoarele bipolare sunt alcătuite din straturi de materiale semiconductoare N şi P. În funcție de succesiunea straturilor, există tranzistoare NPN (de ex. BC547) şi tranzistoare PNP (de ex. BC557). Pe de altă parte, tranzistoarele unipolare sunt alcătuite dintr‐un singur canal semiconductor a cărui conductivitate este modificată de un câmp electric. Din acest motiv se numesc tranzistoare cu efect de câmp (TEC). Un exemplu reprezentativ este tranzistorul MOSFET cu canal N BS170. Acest set educativ vă va ghida primii paşi în lumea electronicii. Începem prin a vă prezenta componentele. Diferitele experimente se realizează pe o placă test breadboard, fără lipire. Fiecare experiment este ilustrat de o schemă de conexiuni şi o fotografie de montaj. Fotografiile au doar un caracter sugestiv. Dvs. puteți asambla diferit componentele. În unele cazuri firele de conexiune ale componentelor au fost scurtate pentru ca reprezentarea fotografică să fie cât mai clară. Este recomandat ca dvs. să nu scurtați firele de conexiune, astfel încât să le mai puteți folosi şi la alte experimente. Placa test breadboard Toate experimentele se montează pe o placă test de laborator. Placa are în total 270 de contacte, la o grilă de 2,54 mm şi permite conectarea sigură a componentelor.

Fig. 1: Placa experimentală

Placa are în zona de mijloc 230 de contacte legate prin benzi verticale cu 5 contacte. În plus, pe margini există 40 de contacte pentru alimentare, sub forma a două benzi orizontale a câte 20 de contacte. Aşadar, placa are două linii de alimentare independente. Figura 2 ilustrează toate conexiunile interne. Puteți observa şirurile scurte de contacte în zona de mijloc şi liniile lungi de alimentare de pe margini.

Fig. 2: Şirurile de contacte interne

Pentru a introduce componentele este nevoie de forță. Firele de conexiune se îndoaie cu uşurință. Este important ca

acestea să fie introduse exact de sus în jos. Vă puteți folosi de o pensetă sau un cleştişor. Țineți sârma deasupra panoului, cât mai aproape de acesta, şi apăsați în jos pe verticală. Astfel puteți introduce şi firele de conectare sensibile, cum ar fi capetele cositorite ale clipsului bateriei.

Pentru experimente aveți nevoie de bucăți de sârmă mai scurte şi mai lungi pe care trebuie să le tăiați dvs. din firul inclus. Pentru dezizolarea capetelor sârmelor este recomandat să tăiați izolația de jur împrejur cu un cuțit ascuțit.

2 | w w w . g e r m a n e l e c t r o n i c s . r o

Bateria În continuare vă prezentăm componentele cu imaginea lor reală precum şi simbolurile grafice utilizate în schemele de

conexiuni. În loc de baterie puteți utiliza de ex. un bloc de alimentare.

Fig. 3: Bateria cu imaginea sa reală şi simbolul grafic

Nu utilizați baterii alcaline sau acumulatoare, ci numai baterii obişnuite zinc‐carbon. Bateriile alcaline au o durată de funcționare mai lungă, însă în caz de defecțiune, de ex. scurtcircuit, acestea generează (la fel ca acumulatoarele) curenți cu o intensitate foarte mare care poate depăşi 5 A, putând cauza încălzirea severă a sârmelor subțiri sau chiar a bateriei. Pe de altă parte, curentul de scurtcircuit al unei baterii zinc‐carbon este de obicei mai mic de 1 A. Componentele sensibile pot fi distruse oricum, însă nu există risc de incendiu.

Capsa pentru baterie inclusă are un cablu de conectare cu liță. Capetele de cablu sunt neizolate şi cositorite. Sunt deci suficient de rigide încât să le puteți introduce în contactele plăcii, dar se pot deforma în urma introducerilor frecvente. De aceea este recomandat să lăsați firele bateriei conectate în permanență şi să deconectați numai capsa bateriei.

O singură celulă zinc‐carbon sau alcalină are o tensiune electrică de 1,5 V. O baterie este alcătuită din mai multe celule conectate în serie. Prin urmare, simbolurile grafice indică numărul de celule dintr‐o baterie. Pentru tensiuni mai mari, celulele din mijloc sunt indicate de obicei printr‐o linie punctată.

Fig. 4: Simboluri grafice ale diferitelor tipuri de baterii Diodele electroluminiscente

Setul educativ conține două leduri roşii, un led verde şi unul galben. Polaritatea trebuie respectată la toate ledurile. Terminalul negativ se numeşte catod şi se află pe firul de conectare mai scurtă. Terminalul pozitiv este anodul. În interiorul ledului puteți vedea suportul în formă de cupă al cristalului ledului care se află în dreptul catodului. Terminalul anodului este legat printr‐un fir extrem de subțire la un contact din partea superioară a cristalului. Spre deosebire de becurile incandescente, ledurile nu trebuie conectate niciodată direct la o baterie. Este nevoie întotdeauna de o rezistență în serie.

Fig. 5: Diodă electroluminiscentă Rezistențele

Rezistențele din setul educativ sunt rezistențe cu peliculă de carbon cu o toleranță de ±5%. Materialul rezistenței este aplicat pe o tijă din ceramică şi acoperit cu un strat protector. Inscripționarea se face cu benzi colorate care indică atât valoarea rezistenței cât şi clasa de precizie.

Fig. 6: Rezistență

Rezistențele cu toleranță de ±5% sunt cuprinse în seria de valori E24, în care fiecare decadă conține 24 de valori situate la distanțe aproximativ egale față de valorile adiacente.

Tabelul 1: Valorile rezistențelor pentru seria E24

1.0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6

1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0

3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1

5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1

Codul de culori se citeşte începând cu banda cea mai apropiată de marginea rezistenței. Primele două benzi reprezintă

două cifre, iar a treia factorul de multiplicare a valorii rezistenței în ohmi. Cea de‐a patra bandă indică toleranța.

-Catod

+Anod

C A


Tabelul 2: Codurile de culori pentru rezistențe

Culoarea Banda 1 Cifra 1

Banda 2 Cifra 2

Banda 3Multiplicare

Banda 4Toleranță

Negru 0 1

Maro 1 1 10 1%

Roşu 2 2 100 2%

Portocaliu 3 3 1.000

Galben 4 4 10.000

Verde 5 5 100.000 0,5%

Albastru 6 6 1.000.000

Violet 7 7 10.000.000

Gri 8 8

Alb 9 9

Auriu 0,1 5%

Argintiu 0,01 10%

O rezistență cu benzi de culoare galbenă, violet, maro şi aurie are o valoare de 470 cu o toleranță de 5%. Setul educativ conține două rezistențe cu următoarele valori:

470 galben, violet, maro

1 k maro, negru, roşu

22 k roşu, roşu, portocaliu

470 k galben, violet, galben

Tranzistoarele NPN

Tranzistoarele sunt componente care amplifică curenții slabi. Setul educativ conține două tranzistoare de siliciu NPN BC547B. Terminalele tranzistorului sunt emitorul (E), baza (B) şi colectorul (C). Terminalul bază este în mijloc. Emitorul este în partea dreaptă a tranzistorului, dacă vă uitați la inscripții şi conexiunile sunt orientate în jos.

Fig. 7: Tranzistorul NPN BC547 Tranzistoarele PNP

Tranzistorul PNP BC557B are aceeaşi poziționare a terminalelor şi se deosebeşte de tranzistorul NPN numai prin polaritate. În schema de conexiuni săgeata emitorului este orientată spre interior.

Fig.8: Tranzistorul PNP MOSFET

Nici tranzistorul cu efect de câmp (MOSFET) BS170 nu arată foarte diferit față de un tranzistor bipolar. Îl puteți identifica numai după inscripție. Terminalele tranzistorului se numesc sursă (S), gate (G) şi drain (D). Terminalul sursă este în partea dreaptă a tranzistorului, dacă vă uitați la inscripții şi terminalele sunt orientate în jos.

Fig.9: Tranzistorul MOSFET


Condensatoarele Condensatorul este o componentă electronică importantă. Este alcătuit din două suprafețe metalice şi un strat izolator.

La aplicarea unei tensiuni electrice, între plăcile condensatorului se formează un câmp electric în care se stochează energie. Un condensator cu o suprafață mare a plăcilor şi o distanță mică între plăci are o capacitate mare, ceea ce îi permite să stocheze o sarcină mare la o tensiune dată. Capacitatea unui condensator se măsoară în farazi (F).

Materialul izolator (dielectric) asigură o capacitate mai mare decât o izolare cu aer. Condensatoarele cu discuri ceramice utilizează un material ceramic special care permite atingerea unor capacități ridicate la dimensiuni reduse. Setul educativ conține un condensator cu plăci ceramice de 10nF (inscripție: 103, 10.000 pF) şi două de 100 nF (inscripție: 104, 100.000 pF).

Fig. 10: Condensator ceramic Condensatoarele electrolitice

Cu ajutorul condensatoarelor electrolitice obțineți o capacitate ridicată. Izolarea se face printr‐o peliculă foarte fină de oxid de aluminiu. Condensatoarele electrolitice conțin un electrolit lichid şi folii de aluminiu înfăşurate cu suprafață mare. Tensiunea poate fi aplicată numai într‐un singur sens. În sens greşit se formează un curent de scurgere care degradează progresiv stratul izolator, ceea ce duce la distrugerea componentei. Polul negativ este marcat de o bandă albă şi are un fir de conexiune mai scurt.

Fig. 11: Condensator electrolitic

Pasul 2. Amplificarea de curent Circuitul din Fig.12 ilustrează funcția de bază a tranzistorului NPN. Există două circuite. În circuitul de comandă circulă

un curent de bază slab; în circuitul de sarcină circulă un curent mai mare. Ambii curenți străbat emitorul. Deoarece emitorul este situat în punctul de referință comun al circuitului, acest circuit se mai numeşte şi circuit de emitor. Odată deschis circuitul de bază, nu mai circulă niciun curent de sarcină. Curentul de bază este mult mai slab decât curentul de colector. Prin urmare, curentul slab de bază este amplificat aşa încât să formeze un curent mai mare de colector. Rezistența de bază este de 470 de ori mai mare decât rezistența în serie din circuitul de sarcină. Curentul slab de bază poate fi identificat după luminozitatea scăzută a ledului verde. Tranzistorul BC584B amplifică curentul de bază de circa 300 de ori, aşa încât ledul roşu luminează mult mai puternic decât cel verde.

Fig. 12: Tranzistor NPN din circuitul de emitor

Conectați o a doua rezistență de 470 în paralel cu rezistența de bază existentă. Curentul de bază va creşte, la fel şi curentul de colector. Acum tranzistorul este interconectat în totalitate, ceea ce înseamnă că un curent de bază mai mare nu mai

poate creşte valoarea curentului de colector. Dacă conectați în paralel o rezistență de 22 , ledul roşu nu va lumina mai puternic. Acum tranzistorul funcționează ca un comutator. Între colector şi emitor există o cădere de tensiune foarte mică de circa 0,1 V. Curentul de colector este deja limitat de consumator şi nu mai poate creşte. Între bază şi emitor există o tensiune de circa 0,6 V care se modifică foarte puțin în caz de variații ale curentului.

roşu verde


Fig. 13: Amplificarea de curent

Ledurile indică curenții. Ledul roşu luminează puternic, cel verde foarte slab. Curentul de bază poate fi identificat numai într‐o încăpere complet întunecată sub forma luminii slabe a ledului verde. Această diferență este semnul unei mari amplificări de curent.

Pasul 3. Inversarea pozitivului cu negativul Un tranzistor PNP are exact aceeaşi funcție ca un tranzistor NPN, însă cu polaritate inversă. Aşadar, emitorul se află

acum la polul pozitiv al bateriei.

Fig. 14: Tranzistor PNP din circuitul de emitor

Montați circuitul cu tranzistorul PNP BC557 şi studiați şi aici amplificarea de curent cu diferite rezistențe de bază. Şi BC557B amplifică curentul de circa 300 de ori.

Fig. 15: Studiul amplificării de curent cu BC557

Pasul 4. Comanda de temporizare Scopul acestui circuit este realizarea unei lanterne cu led cu lumină remanentă automată. Iluminatul interior al

automobilelor funcționează adesea pe acest principiu: după ce coborâți din maşină, lumina rămâne aprinsă un anumit timp, după care se stinge lent. Dacă țineți un condensator electrolitic pe baterie respectând polaritatea corectă, acesta preia o sarcină electrică. Sarcina se menține mult timp după îndepărtarea de baterie. Condensatorul electrolitic poate fi apoi conectat la un led. Se produce o scânteie scurtă de lumină. Condensatorul electrolitic se descarcă în câteva momente. Pentru a prelungi timpul de descărcare al condensatorului puteți utiliza amplificarea de curent a unui tranzistor. Circuitul ilustrat în Fig.16 utilizează un condensator electrolitic de 100 µF pe post de condensator de încărcare. După o apăsare scurtă a comutatorului cu buton, acesta este încărcat şi de acum eliberează curentul de bază al circuitului de emitor pentru mai mult timp.

roşu

verde


Fig. 16: Oprirea temporizată

Rezistența mare de bază prelungeşte considerabil timpul de descărcare. După două secunde condensatorul electrolitic este deja aproape descărcat. Însă după acest timp curentul de bază încă este suficient pentru o comandă slabă a tranzistorului. Curentul de colector scade progresiv.

Fig. 17: Lanternă cu lumină remanentă

Atâta timp cât mențineți apăsat butonul, ledul dispune de luminozitatea maximă. Dar o apăsare scurtă a butonului este suficientă pentru a aprinde ledul. Apoi acesta rămâne aprins timp de circa două secunde, după care luminează din ce în ce mai slab. După aproximativ un minut încă se mai poate observa o licărire slabă. De fapt, ledul nu se stinge complet nici după un timp mai îndelungat. Însă curentul scade la o valoare atât de mică încât nu mai are niciun efect vizibil.

Pasul 5. Senzorul de atingere O lampă poate fi controlată cu ajutorul unui comutator simplu. Însă cu ajutorul unui circuit cu tranzistoare puteți

construi un senzor tactil. Două fire sau contacte metalice care nu se ating între ele, ci la atingerea degetului dvs. Puteți multiplica factorii de amplificare de curent a două tranzistoare dacă amplificați încă o dată curentul deja

amplificat al primului tranzistor luat drept curent de bază al celui de‐al doilea tranzistor. Circuitul ilustrat în Fig. 18 se mai numeşte circuit Darlington.

Fig. 18: Circuitul Darlington

Pornind de la un factor de amplificare de 300 pentru fiecare dintre tranzistoare, circuitul Darlington asigură o

amplificare de 90.000. O rezistență de bază de 10 M este deja suficientă pentru a aprinde un led. Într‐un experiment real puteți utiliza un contact tactil în locul rezistenței cu valoare ohmică foarte mare. Datorită amplificării mari este de ajuns o atingere uşoară cu degetul uscat. Rezistența suplimentară de protecție din cablul care duce la baterie protejează tranzistoarele în cazul unei conectări directe accidentale a contactelor tactile.

roşu verde

roşu

deget


Fig. 19: Senzorul tactil

Pasul 6. Detectorul de mişcare Acest circuit are un fir la intrarea primului tranzistor. Dacă cineva se mişcă în apropierea firului, ledul se aprinde.

Mişcându‐se pe o suprafață izolatoare, orice persoană se încarcă cu o sarcină electrică fără să îşi dea seama. Dacă trecem apoi pe lângă obiecte conductoare, forțele electrostatice deplasează sarcinile electrice creând un curent slab, care aici este amplificat. Circuitul Darlington comandă un tranzistor PNP şi astfel curentul se amplifică din nou de 300 de ori. Acum sunt suficienți doar câțiva picoamperi pentru ca ledul roşu să lumineze vizibil.

Fig. 20: Amplificarea de curent cu trei tranzistoare

Fig. 21: Amplificare senzor pentru câmpuri electrice

Pentru primul test al circuitului se poate utiliza un fir scurt de 10 cm. În mod normal, după câțiva paşi pe o podea izolatoare veți fi acumulat o sarcină electrică suficientă. Apoi mişcați mâna în apropierea firului senzor. Luminozitatea ledului se modifică.

Pentru a creşte sensibilitatea circuitului puteți conecta un fir senzor mai lung. Poate fi o sârmă neizolată sau un cablu izolat. Senzorul devine şi mai eficient dacă în plus legați la pământ polul negativ al bateriei. În acest scop este suficient să rugați o altă persoană să atingă circuitul. Acum circuitul detectează dacă cineva trece prin fața lui la o distanță de jumătate de metru. Ledul clipeşte la fiecare pas. La contactul direct cu capătul neizolat al firului ledul luminează continuu. Acest lucru se datorează câmpurilor alternative de 50Hz prezente inevitabil în cameră. Într‐adevăr, ledul nu luminează continuu, ci clipeşte cu o frecvență de 50Hz.

Pasul 7. Ledul ca senzor de lumină Acest senzor de lumină controlează luminozitatea unui led. Atunci când senzorul este luminat, ledul se aprinde; pe

întuneric rămâne stins. De fapt, dacă la diodă este aplicată tensiune în direcție inversă curentul care o străbate este practic nul. De fapt există totuşi un curent invers foarte slab, de ex. de ordinul câtorva nanoamperi, care în mod normal este neglijabil. Factorul mare de amplificare al circuitului Darlington permite totuşi realizarea de experimente cu curenți extrem de slabi. Astfel, însuşi curentul invers al unui led depinde de iluminare, iar ledul este în acelaşi timp o fotodiodă. Curentul fotoelectric extrem de slab al ledului roşu este amplificat de două tranzistoare în aşa măsură încât ledul verde se aprinde.

roşu


Fig. 22: Amplificarea curentului invers al ledului

Într‐un experiment practic este clar că în condiții de iluminare ambiantă normală ledul din dreapta este aprins. Umbrirea ledului senzor cu mâna determină modificarea luminozității ledului indicator.

Fig. 23: Senzorul led de lumină

Pasul 8. Luminozitatea constantă Uneori este nevoie de curent constant, cât mai puțin dependent de fluctuațiile de tensiune. Astfel un led ar străluci cu

aceeaşi luminozitate chiar dacă tensiunea bateriei este mai slabă. Circuitul ilustrat în Fig. 24 este un circuit simplu de stabilizare. Ledul roşu de la intrare stabilizează tensiunea de bază la circa 1,8 V. Cum tensiunea de bază a emitorului se menține în jurul valorii de 0,6 V, tensiunea la nivelul rezistenței emitorului este de circa 1,2 V. Prin urmare, rezistența determină curentul emitorului şi totodată curentul de colector de cca. 2,5 mA. Ledurile din circuitul de colector nu au nevoie de o rezistență în serie deoarece curentul lor este regularizat de tranzistor. Sursa de curent constant funcționează şi ea cu diferite sarcini. Indiferent dacă utilizați ambele leduri ale circuitului de colector sau scurtcircuitați unul din ele, circuitul de colector rămâne stabil.

Fig. 24: Sursă de curent stabilizată

Fig. 25: Stabilizarea luminozității ledului

roşu verde

roşu

galben

verde


Verificați rezultatele cu ajutorul unei baterii noi şi a alteia foarte uzate. Atâta timp cât încă există o tensiune reziduală luminozitatea ledului rămâne aproape aceeaşi. Pentru un singur led tensiunea bateriei poate fi mai slabă decât pentru două leduri, în al doilea caz fiind nevoie de cel puțin 6 V.

Pasul 9. Senzorul de temperatură Acest circuit indică variațiile de temperatură prin intermediul luminozității ledurilor. Este suficient să atingeți senzorul

de temperatură cu degetul. Circuitul ilustrat în Fig.26 reprezintă o aşa‐zisă oglindă de curent. Curentul care străbate rezistența

de 1 este reflectat în cele două tranzistoare şi reapare, cu aproape aceeaşi valoare, sub forma curentului de colector al tranzistorului din dreapta. Baza şi emitorul fiind interconectate în cazul tranzistorului din stânga, automat apare o tensiune de bază a emitorului de circa 0, 6 V în direcția curentului de colector predefinit. Teoretic, cel de‐al doilea tranzistor ar trebui să prezinte acum acelaşi curent de colector, cu exact aceleaşi date şi aceeaşi tensiune de bază a emitorului. Practic, însă, de obicei apar mici diferențe. Oglinda de curent funcționează în acelaşi timp ca sursă de curent constant. Prin urmare, dacă şuntați ledul verde luminozitatea ledului galben rămâne neschimbată.

Fig. 26: Oglinda de curent

Fig. 27: Tranzistorul ca senzor de temperatură

Circuitul se poate utiliza ca senzor de temperatură. Atingeți unul dintre tranzistoare cu degetul. Se produce o încălzire care modifică curentul de ieşire şi se manifestă vizibil prin modificarea luminozității ledului. În funcție de tranzistorul atins, puteți creşte sau descreşte uşor luminozitatea ledului din dreapta. În funcție de temperatura ambiantă puteți obține o creştere de până la 10oC cu ajutorul degetului, ceea ce este deja destul de vizibil. Diferența de luminozitate devine şi mai clară dacă încălziți cu grijă unul din tranzistoare cu ajutorul unui pistol de lipit.

Pasul 10. Închiderea şi deschiderea unui circuit Trecem la circuitele digitale: spre deosebire de circuitele analogice în care cantitatea de curent care circulă este mai

mare sau mai mică, circuitele digitale pot fi ori complet închise, ori complet deschise. Stările Închis şi Deschis mai sunt reprezentate prin Unu şi Zero. Circuitul ilustrat aici poate fi considerat un kit de bază în informatică.

Circuitele cu două stări stabile se numesc circuite basculante sau circuite bistabile. Un led poate fi aprins sau stins, dar niciodată „pe jumătate aprins”. Fig. 28 ilustrează un circuit bistabil simplu. În principiu, circuitul constă din două etaje de amplificare cuplate cu retroacțiune închisă.

Fig. 28: Circuit basculant bistabil

roşu verde

galben

roşu verde


Circuitul basculează spre una din cele două stări posibile. Dacă tranzistorul din dreapta este conductor, cel din stânga este blocat şi invers. Tranzistorul conductor are o tensiune de colector joasă, întrerupând astfel curentul de bază al celuilalt tranzistor. De aceea, odată cuplată o stare de comutare, aceasta rămâne stabilă până când este schimbată de la unul din comutatoarele cu buton.

Fig. 29: Circuitul bistabil

Aplicați tensiunea de funcționare. Veți observa că unul din cele două leduri este aprins, însă nu se poate prezice care dintre părți se va activa. De obicei, partea spre care basculează circuitul este determinată de diferența de amplificare de curent dintre tranzistoare.

Acum utilizați un jumper pentru a bloca unul din tranzistoare. Starea selectată se menține şi după înlăturarea jumperului. Cele două stări mai sunt reprezentate prin Setare (S) şi Resetare (R), de unde şi denumirea RS flip‐flop.

Pasul 11. Aprinderea şi stingerea Un circuit bistabil poate fi montat de asemenea cu ajutorul unui tranzistor NPN şi a unuia PNP. Curentul de colector al

unui tranzistor devine în acelaşi timp curentul de bază al celuilalt tranzistor. De aceea, ambele tranzistoare sunt ori blocate, ori conductoare. După activare, circuitul este inițial blocat. O scurtă acționare a comutatorului S1 îl comută în starea de conducție. Această stare este acum memorată şi se menține atâta timp cât tensiunea de funcționare rămâne conectată. Tranzistoarele nu revin la starea blocată decât dacă se deconectează tensiunea de funcționare.

Fig. 30: Starea de conducție şi starea blocată

O conexiune scurtă S1 vă permite să activați circuitul aşa încât ledul să se aprindă. S2, dimpotrivă, poate dezactiva

starea de conducție. S3 aprinde ledul, dar în acelaşi timp anulează starea de conducție a tranzistoarelor. Aşadar, după deschiderea lui S3 ledul se stinge.

Fig. 31: Aprinderea sau stingerea

Pasul 12. Semnalizatorul simetric Acest semnalizator electronic funcționează simetric: două leduri sunt comutate automat de aşa manieră încât atunci

când unul este aprins, celălalt este stins. Circuitul semnalizatorului simetric ilustrat în Fig.32 se mai numeşte multivibrator. Retroacțiunea se realizează prin intermediul a două condensatoare. La condensatoarele electrolitice trebuie să țineți cont de polaritate, deoarece tensiunea medie a colectorului respectiv este mai mare decât cea opusă, a bazei. Starea circuitului rămâne stabilă numai atâta timp cât inversarea de sarcină a condensatoarelor rămâne activă. Apoi circuitul basculează în cealaltă stare.

verde


Cu două condensatoare electrolitice de 100 µF se obține o frecvență a intermitențelor foarte slabă, cu mai puțin de cinci alternanțe complete pe minut.

Fig. 32: Multivibratorul

Fig. 33: Semnalizator simetric lent

Pasul 13. Semnalizatorul simplu cu led Un semnalizator dintr‐un autovehicul controlează de obicei o singură lampă. Aici este montat încă un circuit basculant

automat. Circuitul necesită un singur condensator. Două tranzistoare într‐un circuit emitor formează un amplificator. Retroacțiunea de la ieşire la intrare trece printr‐un condensator care se încarcă şi se descarcă repetat.

Fig. 34: Multivibratorul

Fig. 35: Semnalizatorul led

Pasul 14. Semnalizatorul intermitent led Acest circuit produce semnale luminoase scurte regulate. Atâta timp cât condensatorul rămâne încărcat, toate cele trei

tranzistoare rămân blocate. Tensiunea de la baza tranzistorului din mijloc creşte lent. La circa +0,6 V tranzistorul din mijloc devine conductor şi furnizează curentul de bază pentru tranzistorul PNP. Tensiunea sa de colector creşte şi aprinde ledul. În acelaşi timp, condensatorul electrolitic furnizează un curent de bază pulsatil, puternic şi scurt. Tranzistorul din stânga al circuitului are rolul de a asigura frecvența corectă de funcționare a circuitului. Se generează circa un semnal luminos pe secundă.

roşu verde

verde


Fig. 36: Circuitul semnalizatorului luminos intermitent

Înlăturați din circuit rezistența de 1 montată în paralel cu ledul: pauza dintre semnalele luminoase se prelungeşte considerabil. Tranzistorul din stânga se blochează numai la descărcarea completă a condensatorului electrolitic. Numai atunci tensiunea de colector creşte lent şi poate permite un nou impuls.

Fig. 37: Semnalizator luminos led

Pasul 15. Senzorul tactil MOSFET Acest circuit cu MOSFET BS170 (metal oxide semiconductor field effect transistor / tranzistor cu efect de câmp

semiconductor cu oxid metalic) comandă un led cu ajutorul a două perechi de contacte pe care le puteți conecta direct sau prin atingerea degetului. După o conexiune scurtă a contactelor starea respectivă este menținută pentru o perioadă mai lungă.

Tranzistorul NPN a fost prezentat în primul experiment cu un circuit simplu de bază. Este nevoie de un curent de bază care să permită formarea unui curent de colector. Un experiment similar cu MOSFET BS170 arată un comportament complet diferit. MOSFET are trei terminale: gate (G), sursă (S) şi drain (D). De data aceasta, curentul comandat nu mai depinde de un curent de intrare, ci mai degrabă de tensiunea aplicată între G şi S. Dacă există o tensiune pozitivă de circa 2 V sau mai mult la gate, tranzistorul este conductor. Terminalul gate este complet izolat şi formează un condensator mic de circa 20 pF. Odată gate încărcat, tensiunea sa se menține pentru mult timp.

Fig. 38: Circuit MOSFET de bază

Conectați scurt terminalele A şi B pentru a încărca gate. Ledul se aprinde şi rămâne aprins. Conectați contactele C şi D pentru a descărca gate şi a stinge ledul. Fiecare dintre aceste două stări posibile se menține pentru o perioadă relativ lungă. Aşadar, experimentul demonstrează principiul de funcționare al unui acumulator dinamic care stochează de asemenea o sarcină electrică prin care să ilustreze stările unu şi zero. Acest circuit este în acelaşi timp un comutator tactil simplu deoarece la atingerea contactelor A şi B sau C şi D are acelaşi efect ca un contact direct.

Atenție! Nu depăşiți o tensiune gate de peste 20V deoarece poate duce la distrugerea tranzistorului. De aceea trebuie să aveți grijă la sarcina electrostatică. Atingeți mai întâi un terminal cu tensiune de funcționare pentru a devia orice eventuală sarcină. Este foarte periculos pentru tranzistor ca două persoane să atingă acelaşi circuit în acelaşi timp. O diferență de sarcină între cele două persoane poate cauza la nivelul tranzistorului o descărcare care să îl distrugă.

verde


Fig. 39: Încărcare şi descărcare gate

Pasul 16. Dimmer cu senzor Adăugarea unui condensator suplimentar între gate şi drain permite de asemenea şi stări intermediare dintre „complet

închis” şi complet deschis”. Dacă tensiunea gate scade, curentul drain scade şi la fel şi tensiunea ledului şi a rezistenței sale în serie. Prin urmare, tensiunea drain creşte. Acest lucru este posibil numai dacă condensatorul este încărcat. Orice modificare a tensiunii drain contracarează o modificare a tensiunii gate. Aşadar, la un curent de intrare slab luminozitatea ledului se modifică doar lent. Atingerea contactelor A şi B creşte luminozitatea ledului. Dimpotrivă, pentru a scădea luminozitatea trebuie atinse contactele C şi D. Timpul de reacție la contactul tactil este diferit în cele două cazuri. Creşterea luminozității are loc mai rapid decât scăderea sa deoarece tensiunea de încărcare este mai mare.

Fig. 40: Dimmer tactil

Fig. 41: Luminozitate reglabilă

Pasul 17. Electrometrul Un electrometru este un aparat de măsură care detectează sarcinile electrice mici. Obiectele sau persoanele încărcate

electric sunt înconjurate de un câmp electric care poate încărca obiectele izolate înconjurătoare prin influență electrostatică. Acest lucru este valabil şi pentru gate‐ul izolat al lui BS170. La intrarea circuitului este conectat un fir izolat. Sarcinile electrice din zona înconjurătoare influențează luminozitatea ledului. Puteți de ex. să frecați o riglă de plastic de o țesătură şi să o țineți în apropierea circuitului. Păstrați o distanță de siguranță de 10 cm pentru a evita deteriorarea tranzistorului MOSFET.

Starea inițială este incertă; tranzistorul ar putea deci să fie complet blocat sau complet conductor. În ambele cazuri efectul micilor diferențe de tensiune al gate este nul. De aceea există un întrerupător de pornire cu care puteți conecta scurt gate şi drain. Tensiunea gate se setează în zona mediană la cca. 2 V.


Fig. 42: Electrometrul

Fig. 43: Detectarea sarcinilor electrice

Pasul 18. Ledurile ca celule fotovoltaice Acest experiment prezintă o altă modalitate de realizare a unui senzor simplu de lumină. De data aceasta utilizați un

BS170. Două leduri servesc drept senzori de lumină. În capitolul 16 se utiliza un led ca senzor de lumină cu ajutorul a două tranzistoare NPN într‐un circuit Darlington. Datorită rezistenței sale de intrare aproape infinite, un singur MOSFET poate face singur acelaşi lucru. Însă de data aceasta aveți nevoie de două leduri ca senzori de lumină. Ledurile se utilizează ca celule fotovoltaice capabile să furnizeze tensiune. Începând de la o tensiune gate de 2 V BS170 devine conductor. În condiții de iluminare suficientă, două leduri pot produce împreună tensiunea necesară. Efectul se vede chiar la o creştere mică a luminozității. Experimentați de asemenea cu leduri diferite. Un led verde furnizează o tensiune ceva mai mare decât unul roşu.

Fig. 44: Ledurile ca celule fotovoltaice

Fig. 45: Senzorul de lumină

Pasul 19. Senzorul de temperatură cu condensator Puteți utiliza un condensator ceramic de 100 nF ca senzor de temperatură. Un astfel de condensator are un coeficient

mare de temperatură. Capacitatea scade la încălzire. În acest experiment comutatorul trebuie să fie inițial închis şi apoi deschis din nou. Tensiunea gate se adaptează automat la tensiunea de prag de aproximativ 2 V; ledul este aprins. Tensiunea condensatorului de 100 nF este de circa 7 V.

Acum atingeți foarte uşor condensatorul cu degetul. Temperatura va creşte. Sarcina stocată în condensator rămâne constantă. Dar din moment ce capacitatea scade, tensiunea condensatorului creşte, ceea ce duce la o scădere a tensiunii grilei


şi, prin urmare, a curentului drain. O atingere uşoară este suficientă pentru a determina o scădere considerabilă a luminozității ledului. Acest circuit reacționează la variațiile de temperatură cu o sensibilitate mult mai mare decât circuitul cu tranzistoare din capitolul 18. Atunci când condensatorul senzorului se răceşte, ledul revine la luminozitatea inițială.

Fig 46: Evaluarea tensiunii condensatorului

Fig. 47: Senzorul de temperatură

Pasul 20. Iluminarea temporizată Lumina este aprinsă prin apăsarea comutatorului cu buton şi apoi rămâne aprinsă timp de circa un minut. Trecerea de

la lumină la întuneric este progresivă, dar relativ rapidă. Condensatorul electrolitic se încarcă la 9 V prin apăsarea butonului şi se

descarcă prin intermediul rezistenței de 470 . Atâta timp cât tensiunea gate este mai mare de cca. 2,6 V, TEC conduce şi furnizează curentul de bază pentru tranzistorul NPN, iar ledul se aprinde. Dacă tensiunea de intrare scade, conductivitatea TEC scade. Odată ce tensiunea de bază a tranzistorului NPN a scăzut sub cca. 0,6 V, nu mai circulă niciun curent de colector notabil şi ledul se stinge.

Fig. 48: Descărcarea lentă a condensatorului

Fig. 49: Iluminarea temporizată

Pasul 21. Semnalizatorul progresiv Un semnalizator cu led cu fluctuație progresivă a luminozității poate avea un efect relaxant dacă frecvența este

adecvată. Luminozitatea urmează o curbă sinusoidală. Acest circuit activează cu precizie două leduri în opoziție de fază. Prin urmare, lumina se modifică progresiv alternând între roşu şi verde.

verde

verde


Fig. 50: Oscilator cu defazare

La activarea circuitului condensatoarele electrolitice sunt încă descărcate. Deci BS170 este blocat, iar tranzistorul NPN este conductor. Inițial luminează numai ledul roşu. Apoi circuitul încearcă să oscileze la un nivel intermediar al curentului, dar oscilează constant generând un semnal sinusoidal prin care mai întâi este unul din tranzistoare conductor şi apoi celălalt.

Fig. 51: Semnalizatorul progresiv Aceste instrucțiuni de utilizare sunt o publicație a German Electronics SRL (Sucevei nr.14/201, Oradea, România) şi Conrad Electronic SE (Lindenweg, D‐92242 Hirschau, Germania). Toate drepturile, inclusiv cele aferente traducerii, sunt rezervate. Reproducerea prin orice mijloace, de exemplu prin fotocopiere, microfilmare, sau prin introducerea în sisteme electronice de procesare a datelor, necesită în prealabil aprobarea scrisă a editorului. Retipărirea, chiar şi parțială, este interzisă. Aceste instrucțiuni de utilizare reflectă specificațiile tehnice ale produsului la data tipăririi manualului de utilizare. Producătorul îşi rezervă dreptul de a opera modificări de natură tehnică sau de design fără o înştiințare prealabilă.

© 2011 by Conrad Electronic SE & German Electronics SRL (ediția în limba română) Toate drepturile rezervate

roşu verde

192296 Set educativ Conrad, 20 experimente electronice · Începând cu inventarea tranzistorului,...

Documents

Transcript of 192296 Set educativ Conrad, 20 experimente electronice · Începând cu inventarea tranzistorului,...