Elektronika dla bystrzaków [2nd ed.] [PDF]

Zitiervorschau

Tytuł oryginału: Electronics For Dummies®, 2nd Edition Tłumaczenie: Łukasz Piwko ISBN: 978-83-246-6651-5 Original English language edition Copyright © 2009 by Wiley Publishing, Inc. All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation published by arrangement with Wiley Publishing, Inc. Oryginalne angielskie wydanie © 2009 by Wiley Publishing, Inc. Wszelkie prawa, włączając prawo do reprodukcji całości lub części w jakiejkolwiek formie, zarezerwowane. Tłumaczenie publikowane na mocy porozumienia z Wiley Publishing, Inc. Wiley, the Wiley Publishing logo, For Dummies, the Dummies Man and related trade dress are trademarks or registered trademarks of John Wiley & Sons, Inc. and/or its affiliates in the United States and/or other countries. Used under license. Wiley, the Wiley Publishing logo, For Dummies, the Dummies Man i związana z nimi szata graficzna są markami handlowymi John Wiley & Sons, Inc. i/lub firm stowarzyszonych w Stanach Zjednoczonych i/lub innych. Wykorzystane na podstawie licencji. Translation copyright © 2012 by Helion S.A. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from the Publisher. Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci jest zabronione. Wykonywanie kopii metodą kserograficzną, fotograficzną, a także kopiowanie książki na nośniku filmowym, magnetycznym lub innym powoduje naruszenie praw autorskich niniejszej publikacji. Autor oraz Wydawnictwo HELION dołożyli wszelkich starań, by zawarte w tej książce informacje były kompletne i rzetelne. Nie biorą jednak żadnej odpowiedzialności ani za ich wykorzystanie, ani za związane z tym ewentualne naruszenie praw patentowych lub autorskich. Autor oraz Wydawnictwo HELION nie ponoszą również żadnej odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikłe z wykorzystania informacji zawartych w książce. Drogi Czytelniku! Jeżeli chcesz ocenić tę książkę, zajrzyj pod adres http://dlabystrzakow.pl/user/opinie?elebys_ebook Możesz tam wpisać swoje uwagi, spostrzeżenia, recenzję. Wydawnictwo HELION ul. Kościuszki 1c, 44-100 Gliwice tel. 32 231 22 19, 32 230 98 63 e-mail: [email protected] WWW: http://dlabystrzakow.pl Printed in Poland. • Poleć książkę na Facebook.com

• Księgarnia internetowa

• Kup w wersji papierowej

• Lubię to! » Nasza społeczność

• Oceń książkę

Moim rodzicom, Beth i Jimowi Corbettom, za udowodnienie mi, że mogę zrobić wszystko, jeśli tylko się postaram. Siostrze Eustelle, która zrobiła ze mnie pisarkę. Mojemu cudownemu mężowi Billowi, który zawsze mnie wspiera, oraz naszym fantastycznym synom, Kevinowi, Peterowi, Brendanowi i Patrickowi, dzięki którym każdy dzień mojego życia jest wspaniałą, pełną miłości przygodą. C.S. Mojemu ojcu, Wally’emu McCombowi, który zaraził mnie bakcylem elektroniki. A także Forrestowi Mimsowi, który nauczył mnie kilku rzeczy na ten temat. G.M.

4

Guitar Exercises For Dummies

Spis treści O autorach ....................................................................................................................15 Podziękowania od autorów ...........................................................................................17 Wstęp ............................................................................................................................19 Dlaczego warto kupić tę książkę? .......................................................................................................19 Dlaczego elektronika? ........................................................................................................................20 Naiwne założenia ..............................................................................................................................20 Bezpieczeństwo przede wszystkim ......................................................................................................21 Jak podzielona jest książka? ...............................................................................................................22 Część I. Podstawy elektroniki ........................................................................................................22 Część II. Żeby się nauczyć, trzeba się ubrudzić ...............................................................................22 Część III. Przekuwanie teorii w praktykę ........................................................................................22 Część IV. Dekalogi .......................................................................................................................23 Ikony użyte w książce ........................................................................................................................23

Część I: Podstawy elektroniki .................................. 25 Rozdział 1: Czym jest elektronika i co można dzięki niej zrobić? .................................27 Czym jest elektronika? .......................................................................................................................27 Skąd się bierze prąd elektryczny? .......................................................................................................28 Wydobywanie ładunku z elektronów ..............................................................................................29 Mobilizowanie elektronów w przewodnikach ...................................................................................29 Wprawianie elektronów w ruch ......................................................................................................30 Wykorzystywanie energii elektrycznej do wykonywania pracy ...............................................................31 Wykorzystywanie energii elektrycznej .............................................................................................32 Umożliwianie elektronom dotarcia we właściwe miejsce ...................................................................32 Co elektrony potrafią zrobić (gdy tylko się nimi odpowiednio pokieruje)? ..............................................34 Wytwarzanie dobrych wibracji .......................................................................................................34 Zobaczyć znaczy uwierzyć .............................................................................................................34 Wyczuwanie i alarmowanie ...........................................................................................................35 Sterowanie ruchem .......................................................................................................................35 Rozwiązywanie problemów (czyli używanie komputerów) ................................................................35 Komunikacja ................................................................................................................................35

6

Elektronika dla bystrzaków Rozdział 2: Elektryczność w Twoich rękach ................................................................ 37 Dostarczanie energii elektrycznej ........................................................................................................37 Pobieranie prądu stałego z baterii ..................................................................................................38 Używanie prądu zmiennego z elektrowni ........................................................................................39 Zamiana światła w elektryczność ...................................................................................................41 Rzeczywisty ruch elektronów a umowny kierunek przepływu prądu .......................................................42 Prosty obwód z żarówką ....................................................................................................................43 Sterowanie prądem elektrycznym za pomocą podstawowych elementów ................................................45 Sposoby kontrolowania prądu ........................................................................................................46 Elementy czynne i bierne ...............................................................................................................47 Połączenia szeregowe i równoległe .....................................................................................................47 Połączenia szeregowe ....................................................................................................................47 Połączenia równoległe ...................................................................................................................48 Obwody mieszane ........................................................................................................................49 Tworzenie układów elektronicznych ...................................................................................................49 Skąd bierze się ten dźwięk? ...........................................................................................................50 Rysowanie przy użyciu elektronów .................................................................................................51

Rozdział 3: Napotykamy czynny opór ........................................................................... 53 Ograniczanie przepływu prądu ..........................................................................................................53 Rezystory — bierne, ale potężne ........................................................................................................54 Do czego służą rezystory? ..............................................................................................................55 Rodzaje rezystorów — stałe i zmienne ...........................................................................................56 Budowa rezystorów stałych ............................................................................................................57 Co w potencjometrze piszczy? .......................................................................................................59 Moc znamionowa rezystorów .........................................................................................................60 Łączenie rezystorów ..........................................................................................................................62 Szeregowe łączenie rezystorów .......................................................................................................62 Równoległe łączenie rezystorów .....................................................................................................63 Kombinacje szeregowych i równoległych połączeń rezystorów ..........................................................65 Przestrzeganie prawa Ohma ..............................................................................................................66 Przepływ prądu mimo stawianego mu oporu ...................................................................................66 Wszystko jest proporcjonalne .........................................................................................................66 Jedno prawo, trzy równania ...........................................................................................................67 Zastosowanie prawa Ohma do analizy obwodów ................................................................................68 Obliczanie natężenia prądu płynącego przez element ......................................................................68 Obliczanie wartości napięcia prądu w elemencie .............................................................................69 Obliczanie rezystancji ...................................................................................................................71 Do czego tak naprawdę przydaje się prawo Ohma? .............................................................................72 Analizowanie skomplikowanych obwodów ......................................................................................72 Projektowanie i modyfikowanie obwodów .......................................................................................73 Moc prawa Joule’a ............................................................................................................................74 Zastosowanie prawa Joule’a przy wyborze elementów elektronicznych ..............................................75 Joule i Ohm — doskonały duet ......................................................................................................75 Spróbuj swych sił w projektowaniu obwodów z rezystorami ..................................................................75

Spis treści Rozdział 4: Wydobywanie ładunku z kondensatorów ...................................................77 Kondensatory — zbiorniki na energię elektryczną ................................................................................78 Ładowanie i rozładowywanie kondensatorów ......................................................................................79 Przeciwstawianie się zmianom napięcia ..........................................................................................80 Przepuszczanie prądu zmiennego ...................................................................................................81 Do czego służą kondensatory? ............................................................................................................82 Charakterystyka kondensatorów .........................................................................................................83 Ile ładunku można zmagazynować na płytce kondensatora? .............................................................83 Pilnowanie napięcia znamionowego ...............................................................................................84 Wybór rodzaju (dielektryku) kondensatora .....................................................................................85 Rozmiary kondensatorów ..............................................................................................................85 Polaryzacja kondensatorów ............................................................................................................86 Odczytywanie wartości kondensatorów ...........................................................................................87 Kondensatory zmienne ..................................................................................................................89 Łączenie kondensatorów ....................................................................................................................89 Równoległe łączenie kondensatorów ...............................................................................................89 Szeregowe łączenie kondensatorów ................................................................................................90 Reaktancja pojemnościowa ................................................................................................................91 Zastosowanie prawa Ohma do obliczania reaktancji pojemnościowej ................................................93 Współpraca z rezystorami ..................................................................................................................94 Czas jest najważniejszy ..................................................................................................................94 Wyznaczanie stałej czasowej obwodu RC .......................................................................................96 Tworzenie zegara .........................................................................................................................97 Wybór częstotliwości przy użyciu prostych filtrów RC ..........................................................................97 Filtr dolnoprzepustowy ..................................................................................................................98 Filtr górnoprzepustowy .................................................................................................................98 Częstotliwość graniczna .................................................................................................................99 Filtrowanie pasm częstotliwości ....................................................................................................100 Spróbuj swych sił w projektowaniu obwodów z kondensatorami ..........................................................100

Rozdział 5: Cewki indukcyjne i kryształy ....................................................................101 Niedalecy krewni — magnetyzm i elektryczność ................................................................................102 Rysowanie linii za pomocą magnesu .............................................................................................102 Wytwarzanie pola magnetycznego za pomocą elektryczności ..........................................................102 Indukcja prądu za pomocą magnesu .............................................................................................103 Cewka indukcyjna — zwój o charakterze przyciągającym jak magnes ..................................................104 Mierzenie indukcyjności ..............................................................................................................104 Przeciwstawne zmiany prądu .......................................................................................................105 Nadążanie (albo i nie!) za prądem zmiennym ...............................................................................106 Reaktancja indukcyjna .....................................................................................................................107 Użycie wartości reaktancji indukcyjnej w równaniach prawa Ohma ................................................108 Zmiana zachowania zależnie od częstotliwości (po raz kolejny) ......................................................108 Zastosowanie cewek indukcyjnych w obwodach .................................................................................108 Izolowanie i ekranowanie cewek indukcyjnych ...............................................................................109 Oznaczenia indukcyjności ...........................................................................................................109 Łączenie ekranowanych cewek indukcyjnych .................................................................................109 Filtrowanie sygnałów za pomocą cewek indukcyjnych ....................................................................110 Obliczanie stałej czasowej obwodów RL ......................................................................................111

7

8

Elektronika dla bystrzaków Przedstawiamy impedancję! .............................................................................................................111 Dostrajanie do stacji radiowych ........................................................................................................112 Rezonans w obwodach RLC ......................................................................................................113 Krystalicznie czysty rezonans .......................................................................................................114 Oddziaływanie na elementy sąsiednie — transformatory ....................................................................115 Co łączy nieekranowane cewki indukcyjne? ...................................................................................115 Izolowanie obwodów od źródła zasilania ......................................................................................116 Podwyższanie i obniżanie napięcia ...............................................................................................116

Rozdział 6: Bogaty świat półprzewodników .............................................................. 119 Przewodzić czy nie przewodzić? .......................................................................................................119 Domieszkowanie półprzewodników ..............................................................................................121 Tworzenie elementów przy użyciu kombinacji półprzewodników typów n i p ...................................123 Diody złączowe ...............................................................................................................................123 Polaryzacja diod .........................................................................................................................124 Przewodzenie prądu przez diodę .................................................................................................125 Wartości znamionowe diod ..........................................................................................................126 Identyfikacja diod .......................................................................................................................126 Którą stroną podłączać? ..............................................................................................................127 Zastosowanie diod w obwodach .......................................................................................................127 Prostowanie prądu zmiennego .....................................................................................................127 Regulowanie napięcia przy użyciu diod Zenera ............................................................................129 Światło z diod LED ...................................................................................................................130 Inne zastosowania diod ...............................................................................................................131 Niesamowicie utalentowane tranzystory ............................................................................................132 Tranzystory bipolarne złączowe ...................................................................................................133 Tranzystory polowe ....................................................................................................................133 Używanie tranzystorów ...................................................................................................................134 Zasada działania tranzystorów .........................................................................................................134 Emitowanie i gromadzenie elektronów ..........................................................................................135 Wzmacnianie natężenia prądu .....................................................................................................138 Nasycenie tranzystora .................................................................................................................138 Modelowanie działania tranzystorów ................................................................................................139 Wzmacnianie sygnałów za pomocą tranzystorów ...............................................................................141 Polaryzacja tranzystora, aby działał jak wzmacniacz ......................................................................141 Kontrolowanie wzmocnienia napięciowego ...................................................................................142 Konfiguracja obwodów wzmacniających z tranzystorami ................................................................142 Przełączanie sygnałów za pomocą tranzystorów .................................................................................143 Wybór tranzystora ...........................................................................................................................144 Najważniejsze parametry tranzystorów .........................................................................................144 Identyfikacja tranzystorów ...........................................................................................................145 Jak rozpoznać tranzystor? ............................................................................................................145 Rewolucja półprzewodnikowa ..........................................................................................................146 Spróbuj swych sił w projektowaniu obwodów z elementami półprzewodnikowymi ................................146

Spis treści Rozdział 7: Układy scalone .........................................................................................147 Dlaczego układy scalone? ................................................................................................................147 Układy analogowe, cyfrowe i mieszane .............................................................................................148 Podejmowanie logicznych decyzji .....................................................................................................149 Na początku był bit .....................................................................................................................149 Przetwarzanie danych przy użyciu bramek ....................................................................................151 Upraszczanie bramek przy użyciu tabel prawdy ...............................................................................153 Tworzenie elementów logicznych .................................................................................................154 Jak używać układów scalonych? ........................................................................................................155 Identyfikacja układów scalonych według numerów części ...............................................................155 Najważniejsza jest obudowa ........................................................................................................156 Styki układów scalonych ..............................................................................................................157 Korzystanie z kart danych katalogowych .......................................................................................159 Popularne rodzaje układów scalonych ...............................................................................................159 Wzmacniacze operacyjne .............................................................................................................160 Wehikuł czasu — układ 555 .......................................................................................................161 Licznik dziesiętny 4017 ..............................................................................................................167 Mikrokontrolery i inne popularne układy scalone ...........................................................................168 Poszerzanie horyzontów ..................................................................................................................168

Rozdział 8: Wybór części ............................................................................................171 Łączenie elementów ........................................................................................................................171 Wybór rodzaju przewodów ..........................................................................................................171 Złącza .......................................................................................................................................173 Zasilanie ........................................................................................................................................174 Wyciskanie siódmych potów z baterii ...........................................................................................174 Wykorzystanie energii słonecznej .................................................................................................177 Zasilanie z gniazdka ściennego (niezalecane) ...............................................................................178 Włączanie i wyłączanie prądu ..........................................................................................................178 Sterowanie działaniem przełącznika .............................................................................................179 Nawiązywanie połączeń ..............................................................................................................180 Czujniki .........................................................................................................................................181 Zobaczyć światło ........................................................................................................................181 Wychwytywanie dźwięku za pomocą mikrofonów ..........................................................................182 Wykrywanie ciepła ......................................................................................................................182 Inne rodzaje przetworników wejściowych ......................................................................................183 Efekt działania urządzeń elektronicznych ..........................................................................................184 Głos głośników ...........................................................................................................................185 Brzęczenie brzęczyków ................................................................................................................186 Silniki prądu stałego ...................................................................................................................187

Część II: Żeby się nauczyć, trzeba się ubrudzić ......... 189 Rozdział 9: Urządzanie warsztatu i dbanie o bezpieczeństwo ....................................191 Wybór miejsca na warsztat ...............................................................................................................192 Podstawowe wyposażenie warsztatu .............................................................................................192 Stół warsztatowy .........................................................................................................................193

9

10

Elektronika dla bystrzaków Gromadzenie narzędzi i materiałów ..................................................................................................193 Sprzęt do lutowania ....................................................................................................................193 Polowanie na multimetr ..............................................................................................................195 Łowienie narzędzi ręcznych .........................................................................................................196 Szmatki i środki czyszczące .........................................................................................................197 Środki smarne ............................................................................................................................199 Materiały klejące ........................................................................................................................199 Inne narzędzia i materiały ............................................................................................................200 Zaopatrywanie się w części zapasowe ...............................................................................................201 Płytki stykowe ............................................................................................................................201 Zestaw początkowy .....................................................................................................................203 Wyposażenie dodatkowe .............................................................................................................204 Przechowywanie części ................................................................................................................204 Ochrona zdrowia i elementów elektronicznych ..................................................................................205 Elektryczność może być naprawdę niebezpieczna ..........................................................................205 Bezpieczne lutowanie ..................................................................................................................209 Unikanie wyładowań elektrostatycznych jak zarazy ........................................................................210

Rozdział 10: Czytanie schematów ............................................................................. 213 Co to jest schemat i do czego służy? .................................................................................................213 Spojrzenie z szerokiej perspektywy ...................................................................................................214 Połączenia są najważniejsze .........................................................................................................214 Prosty obwód z baterią ................................................................................................................215 Insygnia mocy .................................................................................................................................216 Wskazywanie źródła napięcia ......................................................................................................217 Oznaczanie masy ........................................................................................................................218 Oznaczanie elementów elektronicznych .............................................................................................219 Analogowe elementy elektroniczne ...............................................................................................221 Elementy cyfrowe i układy scalone ...............................................................................................222 Pozostałe elementy .....................................................................................................................224 Miejsca dokonywania pomiarów .......................................................................................................226 Analiza schematu ............................................................................................................................226 Inne standardy symboli elementów elektronicznych ............................................................................228

Rozdział 11: Budowa układów elektronicznych ......................................................... 231 Płytki stykowe .................................................................................................................................231 Szczegóły budowy płytki stykowej ................................................................................................232 Rozmiary płytek stykowych ..........................................................................................................233 Konstruowanie układów elektronicznych z wykorzystaniem płytek stykowych .......................................234 Przygotowywanie części i narzędzi ...............................................................................................234 Przygotowywanie łączówek na zapas ............................................................................................235 Topografia układu ......................................................................................................................235 Zapobieganie uszkodzeniom .......................................................................................................237 Podstawy lutowania ........................................................................................................................238 Przygotowywanie do lutowania ....................................................................................................239 Technika lutowania ....................................................................................................................239 Sprawdzanie jakości połączenia ...................................................................................................241 Rozlutowywanie .........................................................................................................................241

Spis treści Postępowanie po zakończeniu lutowania ......................................................................................242 Bezpieczeństwo w czasie lutowania ..............................................................................................242 Pełne zaangażowanie — łączenie elementów na stałe ........................................................................243 Budowa układu na uniwersalnej płytce drukowanej .......................................................................243 Wykonywanie prototypów przy użyciu perforowanych płytek montażowych .....................................244 Wykonywanie połączeń owijanych ...............................................................................................246 Wykonywanie własnej płytki obwodu drukowanego .......................................................................247

Rozdział 12: Wykonywanie pomiarów i analizowanie obwodów ................................249 Niezwykłe możliwości małego multimetru ..........................................................................................250 Ależ to jest przecież woltomierz! ..................................................................................................251 To także amperomierz! ...............................................................................................................251 Omomierz też! ...........................................................................................................................251 Rodzaje multimetrów ......................................................................................................................252 Analogowy czy cyfrowy? .............................................................................................................252 Multimetr cyfrowy ......................................................................................................................253 Wybór zakresu pomiaru ..............................................................................................................255 Kalibracja multimetru ......................................................................................................................256 Posługiwanie się multimetrem ..........................................................................................................257 Pomiar napięcia prądu ................................................................................................................258 Pomiar natężenia prądu ..............................................................................................................258 Pomiar rezystancji ......................................................................................................................260 Inne rodzaje prób ........................................................................................................................265 Sprawdzanie obwodów za pomocą multimetru ..................................................................................266

Rozdział 13: Analizator stanów logicznych i oscyloskop ...........................................267 W głąb logiki ..................................................................................................................................267 Analiza sygnałów przy użyciu oscyloskopu ........................................................................................270 Obserwacja przebiegu sygnałów ...................................................................................................271 Pasmo i rozdzielczość oscyloskopu ...............................................................................................273 Kiedy używać oscyloskopu? .............................................................................................................274 Praca z oscyloskopem ......................................................................................................................275 Podstawowa konfiguracja i testowanie ..........................................................................................275 Wyświetlanie i dokonywanie pomiaru sygnałów ................................................................................277 Wykonywanie pomiarów ..................................................................................................................279 Czy z baterii da się jeszcze coś wycisnąć? .....................................................................................280 Obrazowanie przebiegu akustycznego sygnału radiowego ..............................................................280 Sprawdzanie częstotliwości w obwodzie prądu zmiennego .............................................................281

Część III: Przekuwanie teorii w praktykę ................ 285 Rozdział 14: Podstawy budowy układów elektronicznych .........................................287 Przygotowanie do pracy ..................................................................................................................287 Zobaczyć znaczy uwierzyć — prawo Ohma naprawdę działa! ...........................................................289 Analiza obwodu szeregowego ......................................................................................................289 Rozdzielanie napięcia .................................................................................................................293 Obwody z rezystorami połączonymi równolegle .............................................................................294

11

12

Elektronika dla bystrzaków Ładowanie i rozładowywanie kondensatorów ....................................................................................296 Gromadzenie i oddawanie ładunku ..............................................................................................296 Zmienianie stałej czasowej obwodu RC .......................................................................................298 Zmniejszanie napięcia na diodach ....................................................................................................299 Włączanie diody LED ................................................................................................................300 Stabilizowanie napięcia ...............................................................................................................301 Praca z tranzystorami ......................................................................................................................303 Wzmacnianie prądu ....................................................................................................................303 Przełącznik jest włączony! ...........................................................................................................305 Sztuka logicznego myślenia ..............................................................................................................305 Światełko na końcu bramki NAND .............................................................................................306 Budowa bramki OR z trzech bramek NAND ..............................................................................307

Rozdział 15: Projekty do samodzielnego wykonania w pół godziny ........................... 309 Potrzebne części .............................................................................................................................309 Migające błyskotki ...........................................................................................................................310 Analiza obwodu migacza na bazie układu 555 .............................................................................310 Budowa układu migających światełek ...........................................................................................312 Sprawdzanie gotowego obwodu ...................................................................................................314 Wystukiwanie świetlnej melodii dzięki wykorzystaniu zjawiska piezoelektryczności ...............................315 Piezo… co? ...............................................................................................................................315 Krótki kurs piezoelektryczności ....................................................................................................315 Świetlny bębenek ........................................................................................................................317 Widzenie w ciemności dzięki detektorowi podczerwieni ......................................................................317 Wykrywanie części detektora podczerwieni ...................................................................................317 Szukanie źródeł podczerwieni ......................................................................................................318 Konstrukcja domowego alarmu ........................................................................................................319 Gromadzenie części ....................................................................................................................319 Zasada działania alarmu .............................................................................................................320 Trafianie do celu dzięki elektronicznemu kompasowi .........................................................................321 Części potrzebne do budowy kompasu .........................................................................................322 Konstrukcja kompasu ..................................................................................................................322 Jak jest jasno, to słychać jakieś dźwięki ..............................................................................................323 Lista części do budowy świetlnego alarmu ....................................................................................324 Praktyczne zastosowania alarmu ..................................................................................................324 Mały wzmacniacz, ale jaki mocny .....................................................................................................324 Głos w sprawie potrzebnych części ...............................................................................................325 Szczegóły konstrukcji małego wzmacniacza ...................................................................................325 Ręczny wykrywacz źródeł wody .......................................................................................................326 Lista części ................................................................................................................................326 Zasada działania wykrywacza wody .............................................................................................327 Generator niesamowitych efektów świetlnych .....................................................................................327 Lista części generatora efektów świetlnych ....................................................................................327 Sterowanie światłami ..................................................................................................................329 Rozmieszczenie diod LED .........................................................................................................329

Spis treści

Część IV: Dekalogi ................................................ 331 Rozdział 16: Garść cennych wskazówek ....................................................................333 Gotowe projekty elektroniczne ..........................................................................................................333 Użycie nastawnego źródła zasilania ..................................................................................................334 Liczenie megaherców ......................................................................................................................334 Generowanie różnych rodzajów sygnałów .........................................................................................335 Zmiana częstotliwości .....................................................................................................................336 Sprawdzanie pulsu układu ...............................................................................................................336 Analizowanie stanów logicznych ......................................................................................................338 Symulowanie układów elektronicznych ..............................................................................................338 Gdzie kupić przyrządy pomiarowe? ..................................................................................................339

Rozdział 17: Dziesięć najpopularniejszych sklepów z częściami elektronicznymi .......... 341 Polska ............................................................................................................................................341 Aprovi .......................................................................................................................................341 AVT .........................................................................................................................................342 Cyfronika ...................................................................................................................................342 Distrelec ....................................................................................................................................342 Centrum Elektroniki ...................................................................................................................342 Allegro ......................................................................................................................................342 Poza Polską ...................................................................................................................................342 RadioShack ...............................................................................................................................342 All Electronics ...........................................................................................................................343 Farnell .......................................................................................................................................343 Parts Express .............................................................................................................................343 Dyrektywa RoHS ...........................................................................................................................343 Nowe, używane czy z wyprzedaży? ..................................................................................................343

Dodatek: Zasoby internetowe .....................................................................................345 Skorowidz ....................................................................................................................347

13

14

Elektronika dla bystrzaków

O autorach Cathleen Shamieh jest pisarką z wykształceniem technicznym. Specjalizuje się w tworzeniu materiałów komunikacyjnych dotyczących wykorzystania technologii w biznesie. Ukończyła studia z elektrotechniki w Manhattan College i MIT. Zanim zaczęła zajmować się komunikacją marketingową i doradztwem biznesowym, świadcząc usługi dla firm z branży technologicznej, wcześniej pracowała w branży elektroniki medycznej i telekomunikacyjnej. Cathleen lubi dzielić się swoją wiedzą techniczną i biznesową, tworząc publikacje techniczne przeznaczone dla odbiorców niebędących zawodowcami w danej dziedzinie. Gordon McComb napisał ponad 60 książek i 1000 artykułów, które zostały opublikowane w różnych czasopismach. Drukiem ukazało się ponad milion egzemplarzy jego książek, które przetłumaczono na kilkanaście języków. Przez 13 lat Gordon pisał cotygodniowy felieton na temat komputerów osobistych. Kiedy nie pisze o elektronice i innych ciekawych rzeczach, pracuje jako konsultant ds. kina cyfrowego dla kilku ważnych firm z Hollywood.

16

Elektronika dla bystrzaków

Wstęp

Podziękowania od autorów Cathleen Shamieh dziękuje wspaniałym redaktorom z wydawnictwa Wiley, w szczególności Katie Feltman i Christopherowi Morrisowi, za wykonanie ciężkiej pracy, wsparcie oraz delikatne napomnienia, a także Kirkowi Kleinschmidtowi za drobiazgowe sprawdzenie materiału. Cathleen pragnie również wyrazić swoją wdzięczność Lindzie Hammer i Kenowi Donoghue za polecenie jej pracy wydawnictwu Wiley. W końcu dziękuje rodzinie i przyjaciołom, których wsparcie, pomoc i zrozumienie sprawiły, że w końcu udało się jej zostać autorką książki z serii Dla bystrzaków. Gordon pragnie podziękować swojej rodzinie, która po raz kolejny wstrzymała swój oddech, aby mógł dokończyć następną książkę.

17

18

Elektronika dla bystrzaków Podziękowania od wydawcy oryginału Jesteśmy dumni z tej książki. Prosimy o przesyłanie wszelkich uwag za pomocą formularza internetowego serii Dummies, który znajduje się pod adresem http://dummies.custhelp.com. W wydaniu tej książki pomogli nam między innymi: Acquisitions, Editorial Sr. Project Editor: Christopher Morris Acquisitions Editor: Katie Feltman Sr. Copy Editor: Barry Childs-Helton Technical Editor: Kirk Kleinschmidt Editorial Manager: Kevin Kirschner Sr. Editorial Assistant: Cherie Case Cartoons: Rich Tennant (www.the5thwave.com)

Composition Services Project Coordinator: Katie Crocker Layout and Graphics: Karl Brandt, Shawn Frazier, SDJumper Proofreader: John Greenough Indexer: Potomac Indexing

Publishing and Editorial for Technology Dummies Richard Swadley, Vice President and Executive Group Publisher Andy Cummings, Vice President and Publisher Mary Bednarek, Executive Acquisitions Director Mary C. Corder, Editorial Director Publishing for Consumer Dummies Diane Graves Steele, Vice President and Publisher Composition Services Debbie Stailey, Director of Composition Services

Wstęp

Wstęp C

iekawi Cię jak to się dzieje, że Twój iPod działa? Co siedzi w Twoim telefonie komórkowym, laptopie, zestawie stereo, aparacie cyfrowym, 46-calowym telewizorze plazmowym i każdej innej elektronicznej zabawce, której używasz na co dzień do zabawy i aby ułatwić sobie życie? Jeśli kiedykolwiek ciekawiło Cię, jak działają tranzystory, kondensatory i inne elementy układów elektronicznych, albo chciałeś zbudować własne urządzenie elektroniczne, to ta książka jest właśnie dla Ciebie! Elektronika dla bystrzaków. Wydanie II jest Twoją przepustką do elektryzującego świata elektroniki. Nie znajdziesz tu żadnych nudnych, niezrozumiałych teoretycznych rozważań. Książka, którą trzymasz w rękach, pozwoli Ci zrozumieć zasadę działania urządzeń elektronicznych oraz nauczy Cię tworzyć i naprawiać własne takie urządzenia.

Dlaczego warto kupić tę książkę? Elektronika często jest postrzegana jako tajemnicza sztuka, ponieważ polega na sterowaniu czymś, czego nie widać — prądem elektrycznym — i czego nie należy dotykać, jak uczono nas od dziecka. To wystarczy, aby odstraszyć większość ludzi. Jeśli jednak zastanowisz się nad tym, jak często korzystasz z urządzeń elektronicznych na co dzień, możesz zacząć się ciekawić, jak to możliwe, że tak małe urządzenia mogą robić tyle niezwykłych rzeczy. Książka ta objaśnia zasady elektroniki w sposób, który jest zrozumiały dla zwykłego użytkownika. Dowiesz się, czym tak naprawdę jest elektronika, poznasz działanie najważniejszych elementów elektronicznych oraz nauczysz się budować i testować działające układy i projekty elektroniczne. Nie znajdziesz tu odpowiedzi na wszystkie możliwe pytania, ale zdobędziesz gruntowną wiedzę na temat podstawowych zasad. Marzy nam się, aby po lekturze tej książki Czytelnik odkrył, że elektronika wcale nie jest tak skomplikowana, jak się wydaje. Naszym celem jest wyposażyć Cię w taką wiedzę, dzięki której zyskasz pewność siebie i wkroczysz do świata elektroniki.

19

20

Elektronika dla bystrzaków

Dlaczego elektronika? Elektronika otacza nas ze wszystkich stron. Można ją znaleźć w urządzeniach służących do komunikacji, rozrywki, jak również w kuchni. Układy elektroniczne sterują światłami ulicznymi, handlem elektronicznym i urządzeniami medycznymi, a także wieloma zabawkami. Spróbuj sobie wyobrazić swoje życie bez niej — to tak, jakbyśmy się przenieśli do średniowiecza. Czego w takim razie dowiesz się, przeglądając karty tej książki? Przecież nie można oczekiwać, że po lekturze tego skromnego tomu będziesz umieć projektować systemy komunikacji satelitarnej. To prawda, ale prawdą jest również to, że nawet najbardziej skomplikowane układy elektroniczne są zbudowane z zaledwie kilku rodzajów podstawowych elementów, połączonych według tych samych zasad, które wykorzystuje się do budowy prostszych urządzeń. Jeśli więc chcesz zrozumieć zasadę działania złożonych układów elektronicznych, musisz najpierw nauczyć się podstaw — ich twórcy też tak zaczynali. Co ważniejsze, dzięki znajomości podstaw elektroniki będziesz umieć budować własne użyteczne, aczkolwiek nieskomplikowane urządzenia elektroniczne. Dowiesz się, jak zbudować układ emitujący światło w określonym czasie, włączający sygnał dźwiękowy, gdy do domu wejdzie nieproszony gość, a nawet jak poruszać przedmiot po całym pokoju. Kiedy nauczysz się wykorzystywać układy scalone, złożone z łatwych w użyciu, w pełni funkcjonalnych miniaturowych układów, będziesz mógł tworzyć nawet bardziej złożone projekty, dzięki którym zrobisz wrażenie zarówno na swoich przyjaciołach, jak i wrogach — a wszystko to możesz mieć przy niewielkim nakładzie finansowym. Przy niezwykle dynamicznym rozwoju technologii oraz postępującej miniaturyzacji i spadających z roku na rok cenach elementów elektronicznych składniki zaawansowanych systemów zmieszczą Ci się na jednej dłoni. Dysponując odrobiną wiedzy i chęci do eksperymentowania, możesz zbudować układ sterujący oświetleniem w Twoim domu, robota, który będzie odkurzał za Ciebie pokoje, oraz system ostrzegający, że ktoś otwiera Twoją lodówkę. Może masz jakieś inne hobby, które wzbogacisz dzięki znajomości elektroniki? Jeśli np. interesujesz się modelami pociągów, to znając się na elektronice, możesz zbudować automatyczną zwrotnicę kolejową. Jeśli lubisz wyścigi zdalnie sterowanych samochodów, to dzięki znajomości elektroniki możesz podrasować swój pojazd, aby wygrać następny wyścig ze znajomym. W końcu zajmowanie się elektroniką jest przyjemne. Zdobywanie wiedzy i doświadczenia z zakresu elektroniki samo w sobie jest dużą wartością.

Naiwne założenia Podczas pisania tej książki przyjęliśmy założenie, że Czytelnik jest ciekaw, jak działają urządzenia elektroniczne, ale niewiele wie na temat zasad ich działania. Skoro Czytelnik wybrał tę książkę zamiast jakiejś publikacji z gotowymi projektami układów elektronicznych, to zakładamy, że chciałby dowiedzieć się czegoś na temat takich elementów, jak rezystory, kondensatory i tranzystory. W związku z tym postanowiliśmy poświęcić nieco czasu (i ponad połowę objętości tej książki) na objaśnienie tych podstaw i przedstawić je

Wstęp w łatwej do zrozumienia formie. Aby odnieść korzyści z przeczytania tej książki, nie musisz być sprawnym matematykiem ani fizykiem, niemniej jednak podstawowa wiedza z algebry wyniesiona ze szkoły średniej na pewno się przyda (robimy, co możemy, aby pomóc Ci odświeżyć tę zdobytą nierzadko w pocie czoła wiedzę). Podejrzewamy, że niektórzy Czytelnicy mogą przeglądać tylko wybrane fragmenty tej książki, aby przeczytać co nieco na wybrany temat, który ich akurat najbardziej interesuje, a pozostałe części tylko pobieżnie przejrzą. Mając to na uwadze, umieściliśmy w tekście mnóstwo odsyłaczy do innych miejsc zawierających informacje, dzięki którym można wypełnić luki w swojej wiedzy albo odświeżyć sobie pamięć. Mimo iż w pierwszej połowie książki opisujemy zasady działania układów elektronicznych i ich poszczególnych elementów, w tekście umieściliśmy też wiele odsyłaczy do układów i projektów, które zostały opisane w dalszej części. Dzięki temu, gdy dowiesz się, jak działa określony element, możesz przejść od razu dalej i spróbować skonstruować układ z jego wykorzystaniem. Zamieszczony na początku książki spis treści pomoże Ci szybko znaleźć dokładnie to, czego potrzebujesz. Także zamieszczony na końcu słowniczek przyda Ci się, gdy zapomnisz jakiegoś pojęcia i zechcesz sobie szybko przypomnieć, co to było. Wreszcie ludzie w Helionie postarali się i sporządzili szczegółowy indeks rzeczy, który można znaleźć na końcu książki. Skorzystaj z niego, jeśli chcesz dowiedzieć się, na których stronach opisane są wybrane elementy.

Bezpieczeństwo przede wszystkim Czytanie o elektronice to bezpieczne zajęcie. Najgorsze, co Ci się może przy tym przytrafić, to co najwyżej zmęczenie oczu po kilku niedospanych nocach, spędzonych na czytaniu tej książki. Lecz budowanie projektów elektronicznych to całkiem inna para kaloszy. Zabawy z elektroniką to igranie z wysokim napięciem, które może Cię zabić, gorącymi lutami, które mogą Cię poparzyć, oraz małymi kawałkami drutu, które mogą wbić Ci się w oko podczas przecinania ich przy użyciu obcinaka. Och! W elektronice bezpieczeństwo jest najważniejsze. Jest tak ważne, że poświęciliśmy mu znaczną część rozdziału 9., do którego często będziemy się odwoływać. Jeśli jesteś nowicjuszem w elektronice, to koniecznie przeczytaj ten rozdział. Nie pomijaj go, nawet jeśli wydaje Ci się, że jesteś najbezpieczniejszą osobą na świecie. Nawet jeśli już grzebałeś w urządzeniach elektronicznych, zawsze warto przypomnieć sobie zasady bezpieczeństwa. Jeśli postępuje się z zachowaniem właściwych środków ostrożności, elektronika jest bardzo bezpiecznym i mądrym zajęciem. Nie zapominaj o tym! Mimo iż staraliśmy się dostarczyć Ci jak najwięcej porad dotyczących bezpieczeństwa, nie da się w jednej książce opisać każdej możliwej zasady. Dlatego nie tylko trzymaj się opisanych przez nas wskazówek, ale też kieruj się własnym zdrowym rozsądkiem, uważnie czytaj instrukcje dołączone do części i narzędzi, których używasz, oraz cały czas bądź czujny.

21

22

Elektronika dla bystrzaków

Jak podzielona jest książka? Książka Elektronika dla bystrzaków została podzielona tak, aby można było w niej szybko znaleźć, przeczytać i przyswoić informacje dotyczące wybranych zagadnień. Ponadto Czytelnik mający już pewną wiedzę z dziedziny elektroniki lub chcący pogłębić swoje wiadomości na określone tematy może łatwo znaleźć i przeczytać to, co go interesuje. Książkę podzielono na cztery części, aby ułatwić Czytelnikowi znalezienie interesującego go działu.

Część I. Podstawy elektroniki Tę część przeczytaj, jeśli chcesz zdobyć solidne teoretyczne podstawy elektroniki. W rozdziale 1. wyjaśniamy, czym w ogóle jest elektronika oraz jakie stwarza możliwości. W rozdziale 2. zdobędziesz podstawowe wiadomości na temat obwodów elektronicznych i dowiesz się, czym są napięcie elektryczne, prąd elektryczny i jakie są źródła energii elektrycznej. W rozdziałach 3. – 6. zgłębisz tajniki najważniejszych elementów elektronicznych, takich jak rezystory, kondensatory, cewki indukcyjne, transformatory, diody i tranzystory. Dowiesz się, jak działa każdy z tych elementów, co robi z doprowadzonym do niego prądem elektrycznym oraz jaką rolę odgrywa w układzie elektronicznym. Rozdział 7. zawiera wprowadzenie do układów scalonych, objaśnienie podstaw logiki cyfrowej oraz opis funkcjonowania trzech często używanych rodzajów układów scalonych. W rozdziale 8. zapoznasz się z czujnikami, głośnikami, brzęczykami, przełącznikami, przewodami i złączkami. Sposób działania każdego z elementów przedstawionych w części I demonstrujemy poprzez zamieszczenie odwołań do prostych układów, które można zbudować i których omówienie znajduje się w części III.

Część II. Żeby się nauczyć, trzeba się ubrudzić Najważniejszymi tematami drugiej części książki są: wybór i pozyskiwanie narzędzi, konstruowanie prawdziwych układów oraz badanie działania (i niedziałania) układów przy jednoczesnym unikaniu porażenia prądem. W rozdziale 9. podpowiadamy, jak zorganizować warsztat do pracy i jakie elementy, narzędzia oraz inne rzeczy powinny znaleźć się w jego wyposażeniu, aby można było budować układy elektroniczne i chronić siebie i swoje narzędzia przed niebezpieczeństwem. W rozdziale 10. nauczysz się odczytywać schematy połączeń (nazywane też schematami ideowymi), dzięki którym wiadomo, jak połączyć elementy budowanego układu elektronicznego. W rozdziale 11. poznasz różne metody wykonywania tymczasowych i stałych połączeń w obwodach oraz nauczysz się technik lutowania. W końcu w rozdziałach 12. i 13. nauczysz się używać trzech najważniejszych elektronicznych przyrządów pomiarowych: multimetru, analizatora stanów logicznych i oscyloskopu, które służą do analizowania zachowania układów elektronicznych.

Część III. Przekuwanie teorii w praktykę Jeśli palisz się do budowy układów elektronicznych i nie możesz już się doczekać, aż puścisz przez nie prąd, to część III jest bez wątpienia dla Ciebie. W rozdziale 14. przedstawiamy kilka podstawowych układów, które można utworzyć, i na ich przykładzie pokazujemy, że prezentowane wcześniej elementy elektroniczne działają tak, jak je opisywaliśmy.

Wstęp Przeczytaj ten rozdział, jeśli chcesz wzbogacić swoją teoretyczną wiedzę dotyczącą układów elektronicznych lub chcesz zdobyć nieco praktycznego doświadczenia w tworzeniu prostych układów. Gdy już będziesz gotowy na bardziej skomplikowane projekty, przejdź do rozdziału 15. Znajdziesz w nim opis budowy kilku fajnych projektów, które będziesz mógł przeanalizować. Niektóre z nich możesz nawet wykorzystać w swoim domu lub biurze.

Część IV. Dekalogi Jak można się było spodziewać, czwarta część książki zawiera dodatkowe przydatne informacje dotyczące elektroniki. W rozdziale 16. opisaliśmy techniki, dzięki którym poszerzysz swoje horyzonty. Znajdziesz w nim informacje o kompletnych zestawach elektronicznych, oprogramowaniu do symulacji układów elektronicznych oraz wskazówki dotyczące różnych przyrządów pomiarowych i sposobów wyszukiwania okazji u sprzedawców elementów elektronicznych. Gdy już będziesz gotowy do zakupów, przeczytaj rozdział 17., w którym znajdziesz listę największych dostawców podzespołów elektronicznych w swoim kraju.

Ikony użyte w książce Ponieważ nie możemy w każdej książce z tej serii umieszczać dziesiątek żółtych karteczek, używamy specjalnych ikon, aby przyciągnąć uwagę Czytelnika do bardzo ważnych informacji, które w jakiś sposób się wyróżniają. Wskazówki zawierają informacje, dzięki którym możesz uniknąć problemów, straty czasu albo straty pieniędzy (lub wszystkich tych nieprzyjemności naraz). Jeśli będziesz postępować zgodnie z naszymi wskazówkami, to Twoje spotkania z elektroniką będą o wiele przyjemniejsze. Podczas pracy z urządzeniami elektronicznymi zdarzają się sytuacje, w których należy zachować największą ostrożność. Ikona ostrzeżenia przypomina, że w danym przypadku trzeba zachować szczególną ostrożność, aby nie odnieść żadnych obrażeń albo nie stracić narzędzi, podzespołów bądź układów — albo notesu. Ta ikona przypomina o ważnych sprawach, które warto mieć na uwadze podczas poznawania fascynującego świata elektroniki. Czasami też wskazuje, w którym miejscu znajduje się dokładny opis jakichś zagadnień, aby Czytelnik w razie potrzeby mógł go przeczytać, jeśli potrzebuje odświeżenia pamięci. Mimo iż cała książka dotyczy technicznych rzeczy, tą ikoną zwracamy uwagę Czytelnika na głębsze sprawy techniczne, których zrozumienie może wymagać nieco więcej wysiłku. Jeśli pominiesz te informacje, to nic złego się nie stanie — możesz dalej czytać tekst bez przeszkód. Traktuj to jako nadprogramowy materiał — drobną dygresję od głównego tematu, jeśli wolisz — za który na egzaminie z matematyki można dostać dodatkowe punkty.

23

24

Elektronika dla bystrzaków

Część I

Podstawy elektroniki

26

Część I: Podstawy elektroniki

W tej części…

B

ardzo chcesz się dowiedzieć, jak działają urządzenia elektroniczne? Zastanawiałeś się kiedykolwiek, jak to jest, że głośniki wydają dźwięk, silniki wykonują pracę, a komputery liczą? Jeśli tak, to dobrze trafiłeś! W poszczególnych rozdziałach objaśniliśmy, czym tak naprawdę jest elektronika, co może dla nas zrobić oraz jak działają rozmaite urządzenia elektroniczne. Nie przejmuj się, nie będziemy Cię nudzić przydługimi teoretycznymi matematyczno-fizycznymi wywodami, chociaż moglibyśmy to zrobić. Aby ułatwić Ci zrozumienie opisywanych pojęć, posłużyliśmy się wieloma (niekiedy zabawnymi) porównaniami i przykładami, odnoszącymi się m.in. do wody, kulek, a nawet deserów. Dzięki temu poprzez zabawę poznasz dogłębnie zasady działania elementów elektronicznych oraz dowiesz się, jak wykorzystują one różne siły, aby wykonać wiele zdumiewających rzeczy.

Rozdział 1: Czym jest elektronika i co można dzięki niej zrobić?

Rozdział 1

Czym jest elektronika i co można dzięki niej zrobić? W tym rozdziale: ► Wyjaśnienie, czym jest prąd elektryczny ► Istota mocy elektronów ► Wykorzystywanie przewodników ► Łączenie elementów w obwody ► Sterowanie przepływem elektronów za pomocą elementów elektronicznych ► Zastosowanie energii elektrycznej do wielu różnych rzeczy

W

iększość ludzi ma pewne wyobrażenie, czym jest elektronika. Każdy z nas na co dzień korzysta z urządzeń elektronicznych powszechnego użytku, takich jak iPod, sprzęt stereo, komputer, aparat cyfrowy czy telewizor. Lecz dla wielu osób są one jak magiczne czarne skrzynki z przyciskami, które spełniają nasze zachcianki. Wiadomo, że pod piękną obudową kryje się zdumiewająca plątanina małych elementów, które dzięki pewnym połączeniom mogą działać w odpowiedni sposób. Na pewno chcesz wiedzieć, jak to jest możliwe. Z tego rozdziału dowiesz się, że prąd to uporządkowany ruch elektronów oraz że sterowanie tym ruchem stanowi istotę elektroniki. Wyjaśnimy, czym tak naprawdę jest prąd elektryczny, i pokażemy, co trzeba zrobić, aby płynął. Ponadto zrobimy krótki przegląd możliwości, jakie daje nam elektronika.

Czym jest elektronika? Gdy włączasz światło w swoim domu, to w rzeczywistości łączysz źródło energii elektrycznej (najczęściej dostarczanej przez elektrownię) i żarówkę w jeden układ nazywany obwodem elektrycznym. Jeśli do obwodu dołączysz ściemniacz albo regulator czasowy, to będziesz mógł sterować działaniem żarówki w ciekawszy sposób, niż tylko ją włączać i wyłączać.

27

28

Część I: Podstawy elektroniki W układach elektrycznych takich jak obwody elektryczne w domu używa się „czystego”, niemodyfikowanego prądu elektrycznego, który służy np. do zasilania żarówek. W układach elektronicznych idziemy o krok dalej: za ich pomocą sterujemy przepływem prądu. Zmieniamy jego parametry i kierunek, aby uzyskać różne efekty, od przyciemnienia żarówki po komunikację za pośrednictwem satelity — rysunek 1.1. Właśnie ta możliwość kontrolowania prądu odróżnia układy elektroniczne od elektrycznych.

Rysunek 1.1. W tym obwodzie przepływem prądu elektrycznego do żarówki steruje ściemniacz

Skąd się bierze prąd elektryczny? Prąd elektryczny, czasami nazywany elektrycznością (zob. ramkę „Co to jest elektryczność?”), to ruch maleńkich elektrycznie naładowanych cząstek — elektronów. Gdzie konkretnie można te elektrony znaleźć i jak się one poruszają? Aby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba zajrzeć do wnętrza atomu.

Co to jest elektryczność? Niełatwo wyjaśnić, czym jest elektryczność. Termin „elektryczność” jest niejednoznaczny, a jego różne definicje często są sprzeczne, co powoduje wiele nieporozumień nawet wśród nauczycieli i naukowców. Ogólnie rzecz biorąc, pojęcie elektryczności jest związane z tym, jak pewnego rodzaju cząstki występujące w naturze oddziałują między sobą, gdy umieści się pewną ich ilość w jakimś określonym obszarze.

9 9

Cząstki tego samego typu (dodatnie lub ujemne) odpychają się, a przeciwnych typów — przyciągają. Energia elektryczna — rodzaj energii wytwarzanej przez naładowane elektrycznie cząstki. Za to płacisz elektrowni. Prąd elektryczny — ruch elektrycznie naładowanych cząstek. Jest to najszerzej znane wyjaśnienie elektryczności i na nim będziemy się koncentrować w tym rozdziale.

Dlatego lepiej jest używać innych, precyzyjniejszych terminów do opisu pojęć związanych z elektrycznoJeśli więc ucinasz sobie pogawędkę z kumplami ścią. Oto niektóre z nich: przy szklance wody, to możesz swobodnie używać 9 Ładunek elektryczny — fundamentalna (tzn. słowa „elektryczność”, aby powiedzieć, co zasila niepodlegająca dyskusji) właściwość niektó- Twoją konsolę do gier. Jeśli jednak będziesz szarych cząstek opisująca sposób ich wzajemnego stał tym słowem wśród zawodowych fizyków, to oddziaływania między sobą. Wyróżnia się dwa mogą nie zechcieć z Tobą rozmawiać. rodzaje ładunku elektrycznego: dodatni i ujemny.

Rozdział 1: Czym jest elektronika i co można dzięki niej zrobić?

Wydobywanie ładunku z elektronów Atomy to podstawowy składnik, z którego zbudowane jest wszystko we wszechświecie, zarówno to, co stworzyła natura, jak i wytwory człowieka. Są tak małe, że w jednej drobinie kurzu mieści się ich wiele milionów, a więc wyobraź sobie, ile ich musi być w średniego wzrostu zawodniku sumo. W każdym atomie są elektrony, które znajdują się poza jego środkiem, czyli jądrem. Wszystkie elektrony mają ujemny ładunek elektryczny i przyciągają inny rodzaj maleńkich cząstek, które nazywamy protonami. Protony mają ładunek dodatni i znajdują się w jądrze atomu. Ładunek elektryczny to właściwość niektórych cząstek, elektronów, protonów i kwarków (tak, właśnie kwarków), określająca sposoby ich wzajemnego oddziaływania. Istnieją dwa rodzaje ładunku elektrycznego, którym nadano nazwy „dodatni” i „ujemny” (nazwy te nie mają żadnego związku z prawdziwym znaczeniem tych słów, równie dobrze można by używać nazw „Flip” i „Flap” albo „północ” i „południe”). Cząstki o takim samym rodzaju ładunku odpychają się, a cząstki o różnych rodzajach ładunku — przyciągają. Dlatego właśnie elektrony i protony czują do siebie taki silny pociąg. W typowych warunkach atom zawiera tyle samo protonów, co elektronów, i wówczas mówi się, że jest elektrycznie obojętny. Siła przyciągająca protony do elektronów działa jak niewidzialny klej, który utrzymuje cząstki atomu razem, podobnie jak grawitacja ziemska utrzymuje Księżyc w pobliżu naszej planety. Elektrony znajdujące się najbliżej jądra są związane z atomem silniej niż elektrony znajdujące się nieco dalej. Niektóre atomy trzymają swoje dalsze elektrony bardzo mocno, podczas gdy inne są bardziej rozluźnione.

Mobilizowanie elektronów w przewodnikach Materiały, które lubią zatrzymywać elektrony przy sobie (np. powietrze i tworzywa sztuczne), nazywamy izolatorami. Natomiast materiały takie jak miedź, aluminium i inne metale, w których elektrony położone dalej od jądra atomu nie są z nim mocno związane, nazywamy przewodnikami. W metalach elektrony położone daleko od jądra atomu są tak słabo przyciągane, że mogą wyrwać się na wolność i wędrować między atomami. Te wolne elektrony można porównać do owiec pasących się na zboczu wzgórza — kręcą się bez celu po okolicy, ale nie oddalają się zbyt daleko ani nie poruszają się w żadnym ściśle określonym kierunku. Jeśli jednak zastosujemy jakiś specjalny bodziec, wszystkie te elektrony z przyjemnością zaczną podążać w jedną stronę. Prąd elektryczny (często nazywany elektrycznością) to masowy ruch elektronów w przewodniku, wymuszony przez siłę, która działa na nie z zewnątrz. Wydaje się, że ruch ten rozpoczyna się natychmiast. Jest to spowodowane tym, że wszystkie wolne elektrony — na całej długości przewodnika — zaczynają się ruszać mniej więcej jednocześnie. Porównajmy to z grupą ludzi podających sobie wiadra podczas gaszenia pożaru. Mamy kilka osób ustawionych w rzędzie, każda z nich trzyma w rękach wiadro wody. Osoba będąca na początku kolejki napełnia puste wiadro wodą, a osoba znajdująca się na końcu wylewa wodę z wiadra. Na specjalną komendę każda osoba podaje swoje wiadro osobie

29

30

Część I: Podstawy elektroniki po swojej lewej stronie i odbiera wiadro od sąsiada z prawej strony. Mimo iż każde wiadro pokonało tylko bardzo krótką drogę (z rąk jednej osoby do następnej), to może się wydawać, że jedno wiadro przebyło cały dystans od pierwszej do ostatniej osoby w kolejce. Podobnie jest z prądem elektrycznym — każdy elektron przechodzi na miejsce poprzedniego wzdłuż przewodnika (rysunek 1.2).

Rysunek 1.2. Ruch elektronów w przewodniku można porównać do grupy osób podających sobie wiadra z ręki do ręki

Prąd elektryczny to królestwo maleńkich cząstek, które czasami oddziałują między sobą w ogromnych ilościach. Dlatego do jego opisu potrzebne są specjalne jednostki miary. Na przykład jeden kulomb oznacza ładunek przenoszony przez 6,24 × 1018 (czyli 624 i 16 zer) elektronów. Jeśli jeden kulomb ładunku przepływa przez dowolną płaszczyznę w ciągu jednej sekundy, to mówimy, że natężenie prądu elektrycznego wynosi jeden amper (w skrócie 1 A). To bardzo duża liczba elektronów, znacznie większa niż liczba elektronów przepływających w typowym układzie elektronicznym. W elektronice prąd częściej mierzy się w miliamperach (mA). Jeden miliamper to jedna tysięczna ampera.

Wprawianie elektronów w ruch Prąd elektryczny to przepływ ujemnie naładowanych elektronów przez przewodnik wskutek działania pewnej siły. Ale co to za siła, która sprawia, że elektrony poruszają się w uporządkowany sposób? Co zarządza elektryczną brygadą pożarową z wiadrami? Siła wprawiająca elektrony w ruch to napięcie, które mierzy się w jednostkach o nazwie wolt (w skrócie V). Jeśli do przewodnika przyłoży się odpowiednio silne napięcie, to znajdujące się w nim wolne elektrony zaczną poruszać się w jednym kierunku, tak jak owce zaganiane do zagrody, tylko dużo szybciej. Napięcie można sobie wyobrazić jako ciśnienie. Tak jak ciśnienie wody powoduje jej przepływ przez rury i zawory, tak napięcie pcha elektrony przez przewodniki. Im wyższe ciśnienie, tym silniejsza siła popychająca — a więc im wyższe napięcie, tym silniejszy jest prąd przepływający przez przewodnik. W opisach napięcia elektrycznego czasami można spotkać też takie określenia, jak różnica potencjałów, potencjał napięcia, spadek potencjału czy spadek napięcia. Nie musisz się na razie nimi przejmować. Więcej o tych pojęciach dowiesz się z rozdziału 2.

Rozdział 1: Czym jest elektronika i co można dzięki niej zrobić?

Doświadczanie elektryczności Możesz na własnej skórze odczuć przepływ elektronów. Wystarczy, że w suchy dzień potrzesz stopami o dywan, a następnie dotkniesz klamki u drzwi. Trzaśnięcie, które usłyszysz (i iskra, która może się pojawić), jest efektem przeskoczenia elektrycznie naładowanych cząstek z Twojego palca na klamkę. Nazywamy to elektrycznością statyczną. Jest to nagromadzenie się elektrycznie naładowanych cząstek w jednym miejscu; są one statyczne (nieruchome) aż do momentu zbliżenia i przyciągnięcia ich do przeciwnie naładowanych cząstek.

Innym przykładem elektryczności statycznej jest błyskawica (aczkolwiek lepiej jej nie doświadczać na własnej skórze), którą wywołują naładowane cząstki podróżujące między chmurami lub od chmury do ziemi. Poruszające się naładowane cząstki uwalniają energię, którą obserwujemy w postaci błyskawic i grzmotów. Kto potrafi zmusić wystarczającą liczbę naładowanych cząstek do poruszania się i umie zapanować nad wyzwalaną przez nie energią, może tę energię wykorzystać do zasilania żarówek i innych urządzeń.

Wykorzystywanie energii elektrycznej do wykonywania pracy Jednym z pionierów badań nad elektrycznością był Benjamin Franklin, autor wielu terminów i pojęć (np. prąd, ang. current), które dziś doskonale wszyscy znamy. Wbrew powszechnej opinii Franklin nie trzymał klucza znajdującego się na końcu sznurka przyczepionego do latawca w czasie owej pamiętnej burzy w 1752 roku (gdyby go trzymał, to nie wziąłby udziału w wojnie o niepodległość Stanów Zjednoczonych). Możliwe, że przeprowadził ten eksperyment, ale na pewno w czasie jego trwania nie miał klucza w ręce. Franklin zdawał sobie sprawę z tego, jak niebezpieczna i zarazem potężna jest elektryczność. Po zapoznaniu się z jego pracą wiele osób zastanawiało się, czy elektryczność można wykorzystać w praktyce. Naukowcy i wynalazcy, tacy jak Michael Faraday czy Thomas Edison, rozwinęli prace Franklina i odkryli różne sposoby panowania nad energią elektryczną oraz możliwości jej wykorzystania. Zanim zaczniesz fascynować się możliwościami wykorzystania energii elektrycznej, zwróć uwagę na straszną ikonę ostrzeżenia, którą widać po lewej stronie. Pamiętaj, że ponad 250 lat temu Benjamin Franklin wiedział już, jak należy postępować z elektrycznymi siłami natury. Ty również postępuj z rozwagą. Śmiertelnie niebezpieczne mogą być nawet niewielkie ilości ładunku elektrycznego, jeśli dojdzie do splotu niekorzystnych warunków. Potencjalne niebezpieczeństwa, jakie niesie ze sobą praca z prądem, oraz sposoby ochrony przed nimi opisaliśmy w rozdziale 9. Ale już teraz bądź ostrożny! Z tej części rozdziału dowiesz się, jak elektrony przenoszą energię i jak można ją wykorzystać do wykonywania pracy.

31

32

Część I: Podstawy elektroniki

Wykorzystywanie energii elektrycznej Podróżujące elektrony przenoszą energię z jednego końca przewodnika na drugi. Takie same ładunki się odpychają — każdy elektron odpycha swojego sąsiada bezdotykową siłą, przesuwając go wzdłuż przewodnika. W ten sposób energia jest przesyłana przez przewodnik. Jeśli wiesz, jak przetransportować tę energię do urządzenia, które może wykonać określoną pracę, np. żarówki, silnika albo głośnika, to możesz jej użyć na własną korzyść. Energia elektryczna przenoszona przez elektrony jest pobierana przez dane urządzenie, które następnie zamienia ją na inną postać, np. światło, ciepło albo energię mechaniczną. To właśnie dzięki tej przemianie drucik w żarówce się żarzy, wirnik silnika się obraca, a membrana w głośniku drga. Ponieważ płynących elektronów nie widać — i lepiej nie dotykać przewodnika — aby ułatwić sobie zrozumienie, na czym polega ujarzmianie energii elektrycznej, pomyśl o wodzie. Jedna kropla wody na niewiele się zda (i nikogo nie skrzywdzi), ale wystarczy wziąć dużą liczbę takich kropel, połączyć je, przepuścić przez kanał, którego wylot jest skierowany na jakiś przedmiot (np. koło wodne), i już można wykorzystać energię wody do swoich celów. Podobnie jak miliony kropel wody poruszające się w jednakowym kierunku tworzą prąd, miliony elektronów poruszających się w tym samym kierunku tworzą prąd elektryczny. W istocie Benjamin Franklin również zauważył, że elektryczność zachowuje się podobnie do cieczy i ma nawet podobne do niej właściwości, tzn. „prąd” i „ciśnienie” (ale pewnie nie polecałby nam jej pić). Ale skąd się bierze pierwotna energia, ta, dzięki której elektrony w ogóle zaczynają się ruszać? Pochodzi ona ze źródła energii elektrycznej, np. baterii (omówienie źródeł energii elektrycznej znajduje się w rozdziale 2.).

Umożliwianie elektronom dotarcia we właściwe miejsce Prąd elektryczny nie może płynąć wszędzie (gdyby mógł, to cały czas bylibyśmy nim rażeni). Elektrony mogą płynąć tylko wówczas, gdy zapewnimy im zamkniętą przewodzącą ścieżkę, czyli obwód, po której będą mogły się poruszać, oraz zainicjujemy przepływ za pomocą baterii lub innego źródła energii elektrycznej. Miedź i inne materiały przewodzące często formuje się w przewody (druty), które są następnie wykorzystywane do wytwarzania „ścieżek” przepływu wolnych elektronów i kierowania energii elektrycznej do żarówek i innych urządzeń. Tak jak w przypadku rur wodnych, im większą średnicę ma przewód, tym łatwiej mogą poruszać się w nim elektrony. Jeśli w obwodzie występuje przerwa (jest to wówczas tzw. obwód otwarty), to elektrony przestają płynąć, szybko przechodzą w przewodniku w stan elektrycznie obojętny. Można to porównać do litra wody przepływającego przez niezatkaną rurę. Woda szybko w całości wyleci na zewnątrz i przestanie płynąć. Gdyby płynęła w obiegu zamkniętym, to poruszałaby się tak długo, jak długo byłaby do tego zmuszana. Aby utrzymać ruch elektronów, trzeba zbudować obwód elektryczny. Na rysunku 1.3 widać, że każdy obwód musi zawierać trzy podstawowe elementy, aby elektrony mogły w nim płynąć i dostarczać energię do urządzenia, które ma wykonać pracę:

Rozdział 1: Czym jest elektronika i co można dzięki niej zrobić?

Rysunek 1.3. Obwód elektryczny składa się ze źródła zasilania, obciążenia i przewodów, którymi płynie prąd elektryczny

9 Źródło energii elektrycznej — źródło dostarcza siłę, która popycha elektrony

w obwodzie. Czasami źródło energii elektrycznej nazywa się jeszcze takimi terminami, jak źródło elektryczne, źródło zasilania, źródło napięcia albo źródło energii. Źródła energii elektrycznej opisaliśmy w rozdziale 2.

9 Obciążenie — jest to element obwodu elektrycznego, który pochłania energię (np. żarówka albo głośnik). Stanowi on punkt docelowy, do którego ma być przesłana energia.

9 Przewody — umożliwiają przepływ elektronów od źródła do obciążenia. Elektrony są „popychane” przez źródło i w przewodach zaczyna płynąć prąd elektryczny do obciążenia, w którym energia elektryczna zostaje zamieniona na coś innego — np. światło.

Pracujące elektrony dostarczają moc W przypadku elektronów dostarczających energię do żarówki i innych urządzeń słowo „praca” jest używane w rozumieniu fizycznym. Praca to ilość energii wykorzystanej przez urządzenie w określonym czasie przy sile (napięciu) zastosowanej do zbioru elektronów w tym urządzeniu. Im więcej elektronów wepchniemy do urządzenia oraz im silniej będziemy je popychać, tym więcej energii elektrycznej wyzwolimy i tym więcej pracy będzie mogło być wykonane (np. żarówka będzie jaśniej świecić albo w silniku szybciej będzie się obracał wirnik). Sumę energii zużytej podczas wykonywania pracy w określonym przedziale czasu nazywa się mocą i mierzy się ją w watach. Aby obliczyć moc, należy pomnożyć siłę (napięcie) przez rozmiar strumienia elektronów (natężenie):

Moc = napięcie × natężenie Obliczenia mocy są w elektronice bardzo ważne, ponieważ pozwalają określić, jaką ilość energii podzespoły elektroniczne są w stanie wytrzymać. Jeśli do elementu elektronicznego „wpompujemy” zbyt dużo elektronów, wytworzy się nadmierna ilość ciepła i element ten może ulec uszkodzeniu (spalić się). Na wielu częściach elektronicznych znajduje się oznaczenie maksymalnego poboru mocy, dzięki czemu można nie dopuścić do ich uszkodzenia. Przypominamy o tym jeszcze w dalszych rozdziałach, przy opisie poszczególnych elementów i ich mocy znamionowej.

33

34

Część I: Podstawy elektroniki

Co elektrony potrafią zrobić (gdy tylko się nimi odpowiednio pokieruje)? Wyobraź sobie, że do pary głośników podłączasz prąd, którym w żaden sposób nie sterujesz i któremu nie nadajesz żadnego „kształtu”. Co byś usłyszał? Na pewno nie muzykę! Przy użyciu odpowiednich, właściwie połączonych elementów elektronicznych można sprawić, aby membrana głośnika drgała w określony sposób i wytwarzała rozpoznawalne dźwięki, np. mowę lub muzykę (oczywiście jakąś konkretną). Gdy umiemy sterować przepływem elektronów, możemy zrobić z prądem elektrycznym wiele rzeczy. Elektronika w całości opiera się na wykorzystaniu specjalnych urządzeń, nazywanych elementami elektronicznymi (są to np. rezystory, kondensatory, cewki indukcyjne i tranzystory, które opisaliśmy odpowiednio w rozdziałach 3., 4., 5. i 6.), do sterowania prądem (czyli przepływem elektronów) w taki sposób, aby zmusić go do wykonania określonych zadań. W prostych urządzeniach elektronicznych do sterowania przepływem prądu używa się tylko kilku elementów elektronicznych. Jako przykład można wymienić ściemniacz, kontrolujący przepływ prądu do żarówki, lecz większość układów elektronicznych to znacznie bardziej skomplikowane systemy. Zamierzony cel jest w nich uzyskiwany poprzez połączenie wielu elementów elektronicznych w obwód lub obwody. Najlepsze jest to, że gdy pozna się istotę działania kilku takich elementów oraz nauczy się stosować do nich pewne podstawowe zasady, to można zacząć rozumieć i samodzielnie budować obwody elektroniczne spełniające ciekawe funkcje. W tym podrozdziale przedstawiamy tylko próbkę tego, co można zrobić, odpowiednio sterując elektronami w obwodach elektronicznych.

Wytwarzanie dobrych wibracji Elementy elektroniczne znajdujące się w Twoim iPodzie, odtwarzaczu samochodowym i innych systemach audio zamieniają energię elektryczną w dźwięk. W każdym z tych przypadków funkcję obciążenia, czyli miejsca docelowego dla płynących elektronów, pełnią głośniki. Zadaniem elementów elektronicznych jest nadanie płynącemu do głośników prądowi takiego „kształtu”, aby wprawiał ich membrany w ruch, który spowoduje odtworzenie oryginalnego dźwięku.

Zobaczyć znaczy uwierzyć W systemach wizualnych elementy elektroniczne są wykorzystywane do sterowania czasem i intensywnością emisji światła. Wiele przyrządów do zdalnego sterowania urządzeniami takimi jak Twój fotel firmy La-Z-Boy emituje promieniowanie podczerwone, gdy jest naciskany jeden z ich przycisków. Promieniowanie to ma pewne znaki szczególne, stanowiące rodzaj kodu odbieranego przez sterowane urządzenie, który informuje je, co ono ma robić.

Rozdział 1: Czym jest elektronika i co można dzięki niej zrobić? Wewnętrzna powierzchnia ekranu w telewizorze kineskopowym (takie jeszcze istnieją?) jest pokryta luminoforem, który świeci, gdy uderza w niego wiązka elektronów. Układy elektroniczne znajdujące się w telewizorze kontrolują kierunek i intensywność wiązek elektronów, określając w ten sposób pojawiający się na ekranie obraz. Oświecenie!

Wyczuwanie i alarmowanie Urządzenia elektroniczne mogą wykonywać pewne działania w odpowiedzi na dany poziom intensywności światła, ciepła, dźwięku czy jakiś ruch. Czujniki elektroniczne wytwarzają lub zmieniają prąd elektryczny pod wpływem jakiegoś bodźca. Mikrofonów, czujników ruchu, czujników temperatury i czujników światła można używać do wzbudzania wybranych elementów elektronicznych w celu np. aktywacji automatycznego otwierania drzwi albo włączania alarmu.

Sterowanie ruchem Elektronikę często wykorzystuje się do włączania i wyłączania silników oraz kontrolowania intensywności ich obrotów. Z kolei sterując silnikami, można kontrolować działanie napędzanych nimi mechanizmów. Urządzenia elektroniczne znajdują się w robotach, samolotach, rakietach kosmicznych, windach itp.

Rozwiązywanie problemów (czyli używanie komputerów) Ludzie żyjący w starożytności (tzn. bardzo dawno temu, nie dotyczy to Twoich dziadków) do wykonywania obliczeń arytmetycznych używali abakusa. My w tym samym celu posługujemy się kalkulatorami i komputerami. W abakusie liczby były symbolizowane koralikami, które przesuwano, aby wykonać obliczenia. W komputerach natomiast liczby, znaki i inne dane mają postać wzorów energii elektrycznej, a obliczenia wykonujemy poprzez manipulowanie tymi wzorami za pomocą elementów elektronicznych (oczywiście elektrony robotnicy tak naprawdę nie mają pojęcia, że przeprowadzają obliczenia). Jeśli masz pod ręką swój tajny pierścień dekodujący, to możesz dany wzór rozszyfrować, aby sprawdzić, jaką liczbę w nim zakodowano (albo możesz zdać się w tej kwestii na elektronikę wyświetlacza).

Komunikacja Znajdujące się w Twoim telefonie komórkowym układy elektroniczne zamieniają dźwięk Twojego głosu w sygnał elektryczny, modyfikują ten sygnał (poddając go kompresji i kodując w celu przygotowania do wysłania), przekształcają go na sygnał radiowy, a następnie wysyłają do stacji przekaźnikowej. Inne układy w Twoim telefonie odbierają przychodzące ze stacji sygnały i dekodują zawarte w nich komunikaty na dźwięk głosu Twojego znajomego (który słyszysz w słuchawce). Oparte na elektronice systemy komunikacyjne transmisji danych, których używasz za każdym razem, gdy dokonujesz zakupów przez internet, zamieniają Twoje materialistyczne pragnienia w zamówienia sklepowe i przy okazji wysysają pieniądze z Twojego konta.

35

36

Część I: Podstawy elektroniki

Rozdział 2

Elektryczność w Twoich rękach W tym rozdziale: ► Wprawianie elektronów w ruch ► Poszukiwanie źródła siły elektrycznej ► Kierunek przepływu prądu elektrycznego ► Przykład działającego układu elektronicznego ► Sterowanie przepływem elektronów ► Przesyłanie prądu różnymi drogami

E

lektronika polega na sterowaniu przepływem elektronów (prądu elektrycznego) przez przewodniki w zamkniętym obwodzie w taki sposób, aby energia elektryczna dostarczona do obciążenia (np. żarówki, silnika czy głośnika) miała odpowiedni „kształt”. Sterując strumieniem elektronów za pomocą elementów elektronicznych, możemy uzyskać zdumiewające efekty, np. zmieniać poziom głośności dźwięku wydobywającego się z głośnika, kierunek i szybkość obracania się wirników silników czy intensywność oświetlenia. Innymi słowy, elektronika nie polega na wytwarzaniu elektryczności, lecz na jej poprawianiu. Z tego rozdziału dowiesz się, jak zmusić elektrony do płynięcia przez obwód oraz dlaczego o konwencjonalnym prądzie można myśleć jak o elektronach płynących w odwrotnym kierunku. Ponadto szczegółowo poznasz zasadę działania prostego układu elektronicznego oraz zobaczysz różne sposoby łączenia elementów elektronicznych, tak aby odpowiednio kształtować prąd i nim kierować. Na zakończenie przyjrzysz się działaniu dwóch popularnych urządzeń elektronicznych — radia i telewizora — aby zobaczyć, co robią z prądem, by umilić Ci życie.

Dostarczanie energii elektrycznej Czy jeśli weźmiesz kawałek miedzianego drutu i złączysz jego końce, tak aby utworzyć zamknięty okrąg, to znajdujące się w nim wolne elektrony zaczną się ruszać? Może i parę razy podskoczą, bo są bardzo luźno związane z atomami, ale dopóki nie pojawi się żadna siła, która by je zmusiła do ruchu w jakimś kierunku, prądu nie będzie. Pomyśl o wodzie w zamkniętej rurze — jeśli poruszymy rurą, to znajdująca się w niej woda może się nieznacznie poruszyć, ale sama z siebie nie będzie płynąć. Aby wprawić ją w ruch, trzeba przyłożyć jakąś siłę. Do wytworzenia prądu wodnego potrzebna jest energia w postaci ciśnienia.

38

Część I: Podstawy elektroniki Aby w obwodzie zaczęły płynąć elektrony, potrzebne jest źródło elektryczności (energii elektrycznej). Wśród najczęściej używanych źródeł można wymienić akumulatory i ogniwa słoneczne. Energia elektryczna dostępna w gniazdku sieciowym może pochodzić z wielu różnych źródeł, z których korzysta elektrownia. Ale czym konkretnie jest źródło elektryczności? Jak „obudzić” energię elektryczną? Wszystkie źródła elektryczności działają na tej samej zasadzie, tzn. zamieniają na energię elektryczną jakąś inną formę energii (np. mechaniczną, chemiczną, ciepło, światło itp.). To, jak dane źródło wytwarza energię elektryczną, jest bardzo ważne, ponieważ różne źródła produkują różne rodzaje prądu elektrycznego. Wyodrębnia się dwa rodzaje prądu elektrycznego:

9 Prąd stały (DC, ang. direct current) — przepływ elektronów w jednym kierunku charakteryzujący się bardzo małymi wahaniami natężenia. Tego typu prąd wytwarzają ogniwa (powszechnie nazywane bateriami), najczęściej zasilające układy elektroniczne.

9 Prąd zmienny (AC, ang. alternating current) — przepływ elektronów, którego

kierunek podlega okresowym zmianom. Tego typu prąd dostarczają elektrownie do naszych domów.

Pobieranie prądu stałego z baterii Baterie zamieniają energię chemiczną na energię elektryczną w procesie zwanym reakcją elektrochemiczną. Gdy dwa pręty wykonane z różnego rodzaju metali są umieszczone w specjalnym roztworze chemicznym, atomy tych metali wchodzą w reakcje z atomami roztworu, wynikiem czego jest powstanie naładowanych cząstek. Na jednym kawałku metalu gromadzą się ładunki naładowane dodatnio, a na drugim — naładowane ujemnie. Różnica ładunków między tymi dwoma metalowymi końcówkami (końcówka to w tym przypadku kawałek metalu, do którego można podłączyć przewód) powoduje wytworzenie napięcia elektrycznego. Napięcie elektryczne to siła, która popycha elektrony, aby poruszały się w obwodzie. Aby użyć baterii w obwodzie, należy jedną stronę obciążenia, np. żarówkę, podłączyć do ujemnej końcówki (nazywanej anodą), a drugą — do końcówki dodatniej (nazywanej katodą). W ten sposób powstanie ścieżka, po której mogą poruszać się ładunki. Elektrony zaczynają płynąć od anody, przebywają drogę przez cały obwód i kończą w katodzie. Gdy przepływają przez żarnik żarówki, część przenoszonej przez nie energii zostaje zamieniona na ciepło, które powoduje, że żarnik zaczyna świecić. Elektrony poruszają się tylko w jednym kierunku (od anody, przez obwód, do katody), gdyż baterie wytwarzają prąd stały (rysunek 2.1). Prąd w baterii jest wytwarzany do wyczerpania zasobów chemicznych wykorzystywanych w procesie elektrochemicznym. Baterie o rozmiarach AAA, AA, C i D, które można kupić w sklepach, wytwarzają bez względu na swoje różne rozmiary 1,5 wolta. Różne rozmiary w ich przypadku są związane z ilością prądu, jaką można z nich pobrać. Im większa bateria, tym więcej prądu wytwarza i tym dłużej można jej używać. Większe baterie mogą obsłużyć większe obciążenia, czyli mogą wytworzyć więcej mocy (przypomnijmy: moc = napięcie × natężenie) i wykonać więcej pracy.

Rozdział 2: Elektryczność w Twoich rękach

Rysunek 2.1. Prąd stały w baterii — w wyniku reakcji chemicznej powstają elektrony, które poruszają się tylko w jednym kierunku, od anody, poprzez obwód, do katody

Pod względem technicznym pojedyncza „bateria” nie jest w rzeczywistości baterią (tzn. grupą jednostek działających razem), lecz ogniwem (jedną z tych jednostek). Dopiero gdy połączy się kilka ogniw w jedną całość, tak jak się to robi w latarkach i zabawkach, zostaje utworzona bateria. Akumulator samochodowy składa się z sześciu ogniw, z których każde wytwarza 2,1 wolta, co w sumie daje 12 woltów. Różne rodzaje ogniw i sposoby łączenia ich w celu uzyskania większego napięcia opisaliśmy w rozdziale 8. To jest standardowy symbol używany do oznaczania ogniwa w schematach połączeń — i takiego (oraz określenia „bateria”) będziemy używać na schematach przedstawionych w tej książce. Znak plus reprezentuje katodę, a minus — anodę. Zwykle symbolowi temu towarzyszy oznaczenie wytwarzanego napięcia.

Używanie prądu zmiennego z elektrowni Kiedy podłączasz lampę do domowego gniazda elektrycznego, to używasz energii elektrycznej wytworzonej w elektrowni. Do wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach wykorzystywane są rozmaite zasoby naturalne, takie jak woda, węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny czy uran. Z tego powodu energię elektryczną nazywa się energią wtórną, gdyż powstaje w wyniku przemiany jakiegoś pierwotnego źródła energii. W wielu elektrowniach wykorzystuje się ciepło wytwarzane przez reakcje jądrowe lub w wyniku spalania paliw kopalnych do zamiany wody w parę. Następnie para wywiera nacisk na łopaty turbiny, powodując jej obracanie. Elektrownie wodne budowane na

39

40

Część I: Podstawy elektroniki tamach wykorzystują ruch wody, a elektrownie wiatrowe do obracania swoich łopat — wiatr. Turbiny elektrowni są połączone z generatorami elektromechanicznymi, które zamieniają energię mechaniczną (w tym przypadku ruch turbiny) w energię elektryczną. Generator prądu zawiera zwoje drutu (cewkę) umieszczone wewnątrz ogromnego magnesu stałego. Obracająca się turbina obraca zwoje drutu i voilà — obrót ten powoduje indukcję prądu elektrycznego w drucie! Słowo indukcja oznacza, że coś zmusiło elektrony do poruszania się, mimo że nie doszło do bezpośredniego kontaktu czegoś z drutem. Ruch elektronów można wywołać, przesuwając przewód w pobliżu magnesu lub ruszając magnesem w pobliżu przewodu. Proces ten nazywa się indukcją elektromagnetyczną i można go wyjaśnić, odwołując się do ścisłego związku między magnetyzmem a elektrycznością. Wrócimy do tego jeszcze w rozdziale 5., podczas omawiania cewek indukcyjnych. Magnes powoduje, że elektrony w obracającej się w nim cewce zaczynają się poruszać. Początkowo płyną w jednym kierunku, ale gdy cewka wykona obrót o 180 stopni, kierunek ten zmienia się na przeciwny. Innymi słowy, kierunek ruchu elektronów zmienia się co obrót o 180 stopni! W ten sposób wytwarzany jest prąd zmienny (AC).

Fala sinusoidalna Ponieważ prąd zmienny cały czas się zmienia, jego siły nie można opisać przy użyciu tylko jednej wartości, tak jak to było w przypadku prądu stałego. Wahania prądu zmiennego zwykle obrazuje się w formie fali nałożonej na oś czasu. Kształt fali prądu zmiennego obrazuje fluktuacje prądu i wówczas „prąd dodatni” oznacza ruch elektronów w jednym kierunku, a „prąd ujemny” — ruch elektronów w drugim kierunku. Prąd chwilowy to natężenie prądu w dowolnym momencie, a wartość szczytowa prądu to wartość bezwzględna (moduł) natężenia prądu w najwyższym i najniższym punkcie. Jako że do obliczenia wartości prądu w wybranym czasie można użyć matematycznej funkcji sinus, fale prądu zmiennego często nazywa się falami sinusoidalnymi (jeśli pachnie Ci to trygonometrią, to nie martw się — nie będziemy Cię zmuszać do odkurzenia starych podręczników do matematyki z liceum; chcemy tylko Cię uświadomić, że w elektronice jest używane pojęcie funkcji sinusa).

Za pomocą sinusoidy przedstawia się także obraz zmian napięcia, które nazywa się napięciem prądu zmiennego. Wartość szczytowa napięcia (oznaczana symbolem Umax) to moduł maksymalnej wartości napięcia. Możesz też spotkać określenie napięcie międzyszczytowe (oznaczane symbolem Upp), które stanowi różnicę między najwyższym a najniższym punktem fali, czyli jest równe dwukrotności wartości szczytowej. Kolejnym spotykanym określeniem jest wartość skuteczna (oznaczana symbolem Us), która jest używana w obliczeniach mocy jako sposób porównywania efektywności prądu zmiennego z efektywnością prądu stałego. Istnieje wzór matematyczny do obliczania tej wartości, ale wystarczy zapamiętać, że jest równa wartości szczytowej napięcia pomnożonej przez liczbę 0,7071.

Rozdział 2: Elektryczność w Twoich rękach W elektrowniach budowanych w Stanach Zjednoczonych cewka wykonuje 60 pełnych obrotów w ciągu sekundy, co oznacza, że kierunek ruchu elektronów zmienia się 120 razy na sekundę. Pełny zakres zmiany kierunku ruchu elektronów (który obserwujemy 60 razy na sekundę) nazywa się cyklem. Liczba takich cykli prądu zmiennego w ciągu sekundy nazywa się częstotliwością, którą wyraża się w hercach (symbol Hz). W Stanach Zjednoczonych i Kanadzie standardowo prąd zmienny ma częstotliwość 60 herców, natomiast w większości krajów europejskich wartość ta wynosi 50 herców. Można z bardzo dużym prawdopodobieństwem zakładać, że w każdym kraju, który odwiedzisz, w gniazdkach dostępny jest prąd o częstotliwości 60 herców. Tego symbolu używa się w schematach ideowych do oznaczania źródła napięcia prądu zmiennego. Wytwarzany prąd zmienny zwykle ma napięcie 13 800 woltów, następnie zwiększa się je, aby ułatwić przesyłanie prądu na duże odległości. Na miejscu docelowym napięcie redukuje się do 230 lub 120 woltów, aby prąd można było przesłać do odbiorców. W związku z tym w typowym domowym gniazdku ściennym oznaczonym jako „230 V AC” płynie prąd zmienny o napięciu 230 woltów. Wśród urządzeń działających na prąd zmienny o napięciu 230 woltów można wymienić grzejniki, lampy, suszarki do włosów, elektryczne maszynki do golenia czy suszarki do ubrań. Jeśli masz suszarkę do włosów pobierającą prąd o częstotliwości 50 Hz i pojedziesz do kraju, w którym używa się prądu o częstotliwości 60 Hz, to aby jej użyć, będziesz potrzebować przetwornicy prądu. Wiele urządzeń elektronicznych (np. laptopy) wymaga do działania prądu stałego, a więc, jeśli mają być zasilane z typowego gniazdka sieciowego, trzeba dostarczany przez nie prąd zmienny zamienić w prąd stały. Do tego służą zasilacze stabilizowane, potocznie nazywane po prostu zasilaczami sieciowymi lub zasilaczami. Wbrew nazwie nie dostarczają one prądu, lecz zmieniają prąd zmienny w prąd stały. Są standardowo dołączane do większości urządzeń elektronicznych. Weźmy np. ładowarkę do telefonu komórkowego. Główną funkcją tego urządzenia jest zamiana prądu zmiennego w stały, który jest wykorzystywany do ładowania akumulatora.

Zamiana światła w elektryczność Ogniwa słoneczne, czasami nazywane też ogniwami fotowoltaicznymi, ogniwami fotoelektrycznymi lub fotoogniwami, wytwarzają niewielkie napięcie, kiedy działa na nie światło. Do ich budowy wykorzystuje się półprzewodniki, które pod względem łatwości uwalniania elektronów są materiałem pośrednim między przewodnikami a izolatorami (na temat półprzewodników więcej napisaliśmy w rozdziale 6.). Poziom napięcia wytwarzanego przez fotoogniwo jest względnie stały i niezależny od ilości światła, które na nie pada. Inaczej jest w przypadku natężenia prądu — im intensywniejsze światło, tym wyższe natężenie wytwarzanego prądu. Fotoogniwa mają dwa styki, do których można podłączyć przewody obwodów zasilających np. kalkulator albo światła ogrodowe oświetlające ścieżkę do domu. Zapewne nieraz widziałeś zestawy fotoogniw używane do zasilania stojących przy drodze znaków ostrzegawczych, budek telefonicznych albo oświetlenia parkingów, ale raczej nie miałeś okazji przyjrzeć się (przynajmniej nie z bliska) wielkim płatom ogniw fotowoltaicznych wykorzystywanych do zasilania satelitów. Paneli słonecznych coraz częściej używa się w domach i firmach jako środka umożliwiającego zmniejszenie rachunków za energię elektryczną. W internecie można bez trudu znaleźć mnóstwo informacji, jak samodzielnie

41

42

Część I: Podstawy elektroniki zbudować panele słoneczne. Do tego trzeba tylko trochę chęci i kilkaset złotych. Więcej na ten temat można przeczytać w książce Solar Power Your Home For Dummies autorstwa Rika DeGunthera (Wiley Publishing, Inc.).

Rzeczywisty ruch elektronów a umowny kierunek przepływu prądu Pionierzy badań nad prądem myśleli, że prąd elektryczny to ruch ładunków dodatnich i opisywali go jako przepływ dodatniego ładunku od dodatniego styku do ujemnego. Wiele lat później odkryto istnienie elektronów i dowiedziano się, że płyną one od końcówki ujemnej do dodatniej. Dziś wciąż posługujemy się tą pierwszą konwencją, czyli w standardowych schematach kierunek prądu elektrycznego oznacza się strzałką wskazującą kierunek przeciwny do rzeczywistego ruchu elektronów. Umowny kierunek prądu oznacza przepływ dodatniego ładunku od dodatniego do ujemnego styku i jest przeciwny do rzeczywistego kierunku, w którym płyną elektrony (rysunek 2.2). We wszystkich opisach obwodów elektronicznych stosuje się umowny kierunek prądu, a więc jeśli zobaczysz strzałki na schemacie ideowym, to pamiętaj, że wskazują one umowny kierunek prądu. W elektronice do oznaczania umownego prądu używa się symbolu I, a jego natężenie wyraża się w amperach (A). Lecz w układach, które będziesz konstruować w domu, najczęściej będziesz posługiwać się miliamperami (mA). Miliamper to jednostka równa jednej tysięcznej ampera.

Rysunek 2.2. Umowny kierunek prądu (I) to przepływ elektronów od dodatniego styku źródła mocy do ujemnego. W rzeczywistośc i jednak elektrony płyną od styku ujemnego do dodatniego

W obwodach prądu zmiennego prąd nieustannie zmienia kierunek. Jak w takim razie przedstawić kierunek prądu na schemacie ideowym? W którą stronę powinna być skierowana strzałka? Tak naprawdę to nie ma znaczenia. Można dowolnie wybrać kierunek prądu (jest to tzw. kierunek odniesienia prądu) i oznaczać go symbolem I. Wraz ze zmianami prądu zmienia się wartość I. Jeśli wartość I jest ujemna, to wiadomo, że (konwencjonalny) prąd płynie w kierunku przeciwnym do kierunku wskazywanego przez strzałkę.

Rozdział 2: Elektryczność w Twoich rękach

Prosty obwód z żarówką Na rysunku 2.3 przedstawiony jest schemat obwodu włączającego żarówkę, w którym źródło zasilania stanowi bateria. Tego typu układ można znaleźć np. w latarce. Na schemacie przedstawione są wszystkie elementy obwodu oraz sposoby ich łączenia (dogłębniej schematami ideowymi zajmiemy się w rozdziale 10.).

Rysunek 2.3. Prąd z baterii, płynąc przez obwód, dostarcza energii elektrycznej do żarówki

Bateria dostarcza do obwodu prąd stały o napięciu 1,5 V, tzn. w obwodzie płynie niezmienny strumień prądu pod napięciem 1,5 V. Znak plus oznacza dodatni biegun baterii, czyli miejsce, od którego prąd zaczyna płynąć (oczywiście umownie). Znak minus oznacza ujemny biegun baterii, a więc miejsce, do którego prąd ma dotrzeć po okrążeniu całego obwodu. Strzałka na schemacie wskazuje tylko kierunek odniesienia, a ponieważ wskazuje w kierunku ujemnego bieguna baterii w obwodzie prądu stałego, należy oczekiwać, że wartość prądu będzie cały czas dodatnia. Linie na schemacie ideowym pokazują, jak poszczególne elementy są ze sobą połączone drutem lub innymi materiałami. W rozdziale 8. znajduje się opis różnych rodzajów materiałów używanych do tworzenia połączeń. Elementy obwodów, np. przełączniki, zazwyczaj mają tzw. doprowadzenie, czyli wystające kawałki drutu połączone z wnętrzem elementu i służące do jego łączenia z innymi elementami obwodu. Obok baterii znajduje się przełącznik. Ten jest bardzo prosty, ponieważ służy tylko do zamykania i otwierania obwodu, co powoduje, że prąd płynie przez obwód lub jest zatrzymywany. Gdy przełącznik zamyka obwód, prąd płynie z baterii przez żarówkę, w której energia elektryczna zostaje zamieniona na światło i ciepło, i wraca do ujemnego bieguna baterii. Gdy przełącznik jest otwarty, prąd nie płynie, ponieważ powstaje obwód otwarty. Bateria dostarcza energię elektryczną, a żarówka ją zużywa (w rzeczywistości energia elektryczna jest zamieniana w energię cieplną). Jest to rodzaj zależności dwustronnej — bateria dostarcza napięcie, czyli siłę, która popycha prąd przez obwód, a energia tej siły jest pochłaniana, gdy prąd przepływa przez żarówkę. Kiedy prąd płynie przez żarówkę, jego napięcie się zmniejsza. Pomyśl, że to jest tak, jakby żarówka zużywała energię dostarczaną przez siłę (napięcie), która pcha przez nią prąd. Spadek napięcia w żarówce lub dowolnym innym elemencie oznacza, że przed tym elementem jest ono wyższe niż za nim. W rzeczywistości napięcie jest jednostką względną, ponieważ stanowi siłę powstającą w wyniku różnicy ładunków między dwoma punktami.

43

44

Część I: Podstawy elektroniki Napięcie dostarczane przez baterię jest wynikiem różnicy ładunków w jej dodatnim i ujemnym biegunie. Ta różnica ładunków ma potencjał zdolny wywołać ruch ładunków przez obwód. Energię wytwarzaną przez tę siłę pochłania obwód, przez który płynie prąd, czego skutkiem jest spadek napięcia. Dlatego czasami mówi się o spadku napięcia, różnicy potencjałów albo o spadku potencjału. Kiedy zobaczysz oznaczenie napięcia w jednym punkcie obwodu, to pamiętaj, że wartość ta jest obliczona w odniesieniu do napięcia w jakimś innym miejscu obwodu — zwykle do tzw. masy odniesienia (nazywanej też ziemią odniesienia albo po prostu masą) — w którym, jak się umownie przyjmuje, napięcie wynosi 0 woltów. Często rolę masy odgrywa ujemny biegun baterii — w odniesieniu do niego wyrażane są wszystkie wartości napięcia w obwodzie. Określanie wartości napięcia można zrozumieć poprzez analogię do mierzenia odległości. Gdyby ktoś Cię spytał: „W jakiej odległości się znajdujesz?”, to zapewne spytasz: „W odległości od czego?”. Podobnie, gdy usłyszysz pytanie: „Jakie jest napięcie prądu w miejscu wejścia do żarówki”, należałoby dopytać: „Względem którego miejsca w obwodzie?”. Na pierwsze pytanie możesz odpowiedzieć: „Jestem w odległości pięciu kilometrów od mojego domu”, i w tym przypadku punktem odniesienia jest Twój dom. Jeśli więc powiesz: „Napięcie na wejściu do żarówki wynosi 1,5 wolta w odniesieniu do masy”, to wszystko będzie jasne. Jeśli w naszym prostym obwodzie z żarówką zmierzysz napięcie przy ujemnym biegunie baterii, a następnie dokonasz takich pomiarów na całej długości obwodu, to spostrzeżesz, że przy dodatnim biegunie baterii napięcie wynosi 1,5 V, a za żarówką spadło do zera (w rzeczywistości przełącznik pochłonie niewielką część napięcia, ponieważ nawet najlepsze przewodniki zużywają nieco energii, ale jest to tak mała wartość w porównaniu z ilością energii pochłanianej przez żarówkę, że można ją pominąć). W tym miejscu należy zauważyć, że przechodząc wzdłuż obwodu prądu stałego od ujemnego do dodatniego bieguna baterii, napięcie rośnie (jest to tzw. wzrost napięcia). Natomiast przechodząc w tym samym kierunku przez elementy elektroniczne, napięcie spada. Przy ujemnym biegunie baterii napięcie jest już równe zeru. Jeśli wybierzesz dowolny punkt w obwodzie i od niego zaczniesz sumować wszystkie spadki i wzrosty napięcia na całej dalszej długości obwodu, to otrzymasz wartość równą wartości początkowej. Suma wszystkich zmian wartości napięcia przy pełnym obejściu obwodu zawsze wynosi zero. Dotyczy to obwodów prądu zarówno stałego, jak i zmiennego i nazywa się drugim prawem Kirchhoffa. Pamiętaj, że te spadki napięcia mają realne, fizyczne znaczenie. Energia elektryczna dostarczana przez baterię jest pochłaniana przez żarówkę. Bateria cały czas dostarcza energię elektryczną i przesyła prąd, a żarówka bezustannie pochłania tę energię i robi to, dopóki bateria się nie wyczerpie (tzn. nie skończy się jej energia). Do wyczerpania baterii dochodzi wówczas, gdy wszystkie związki chemiczne w niej zawarte zostaną zużyte w reakcjach wytwarzających ujemne i dodatnie ładunki. Oznacza to, że całość energii chemicznej wytwarzanej przez baterię została zamieniona w energię elektryczną i zużyta przez obwód. Jedną z podstawowych zasad fizyki jest to, że energii nie można wytworzyć ani zniszczyć. Można tylko zmienić jej postać. Dobrze to obrazuje przykład prostego obwodu z baterią i żarówką, w którym energia chemiczna jest zamieniana w energię elektryczną, która z kolei zostaje przemieniona w energię cieplną i świetlną, które… Wiesz już, o co chodzi.

Rozdział 2: Elektryczność w Twoich rękach

Uziemienie i masa W elektronice często używa się słów uziemienie i masa. Pierwsze z nich oznacza fizyczne połączenie z powierzchnią naszej planety. Z ziemią w tym sensie połączony jest np. wkręt w środku gniazdka ściennego, a także bolec, który jest w niektórych gniazdkach. Wewnątrz każdego gniazdka ściennego znajduje się przewód biegnący w ścianach i łączący się z metalowym prętem wbitym w ziemię. Jest to rodzaj zabezpieczenia obwodów, w których płynie duży prąd. Wysłanie niebezpiecznego prądu bezpośrednio w ziemię pozwala się go pozbyć, gdy zakończy swoją pracę, albo inaczej mówiąc, dać mu do roboty coś innego niż niszczenie urządzeń domowych. Tę samą zasadę wykorzystał Benjamin Franklin w konstrukcji piorunochronu, który powoduje, że pioruny zamiast uderzać w domy i ludzi, są kierowane w ziemię. Każdy obwód, przez który płynie duży prąd, ma połączenie z rurą lub jakimś innym metalowym przedmiotem, który jest połączony bezpośrednio z ziemią.

Określenie masa pływająca dotyczy obwodu, który nie jest połączony z ziemią i może stwarzać zagrożenie. Lepiej trzymać się z dala od obwodów, które nie mają uziemienia. Wspólna masa (albo po prostu masa) w elektronice nie jest przedmiotem fizycznym. Stanowi ona punkt odniesienia, według którego obliczane jest napięcie w różnych miejscach obwodu. W niektórych rodzajach układów, zwłaszcza w układach używanych w komputerach, ujemny biegun źródła prądu stałego oznacza się jako masę i podłącza się biegun dodatni innego źródła prądu stałego do tego samego punktu. Dzięki temu obwód ma zarówno ujemne, jak i dodatnie źródło prądu. Oba te źródła mogą być identyczne, lecz sposób podłączenia ich do obwodu i punkt, który wybierzemy jako punkt odniesienia o zerowym napięciu, decydują o tym, czy dostarczane napięcie jest dodatnie, czy ujemne. Wszystko jest względne!

Spadek napięcia, jaki zachodzi w żarówce, można zmierzyć za pomocą woltomierza (którego szczegółowy opis znajduje się w rozdziale 12.). Mnożąc wartość spadku napięcia w żarówce przez natężenie prądu przez nią przepływającego, można obliczyć liczbę watów mocy, jaką ta żarówka zużyła (moc = napięcie × natężenie).

Sterowanie prądem elektrycznym za pomocą podstawowych elementów Gdybyś chciał zbudować prosty obwód z żarówką, który opisaliśmy w poprzednim podrozdziale, a nie miałbyś baterii 1,5 V, to mógłbyś pomyśleć, że równie dobrze nada się bateria 9 V, którą akurat masz pod ręką. Przecież 9 V to więcej niż 1,5 V, a więc taka bateria powinna dostarczyć żarówce wystarczającą ilość energii. Gdyby rzeczywiście użyć baterii 9 V zamiast 1,5 V, to obwód pobierałby znacznie więcej prądu, niż powinien, co mogłoby spowodować jego przeciążenie. Jeśli przez żarnik żarówki przepłynie zbyt dużo elektronów, to rozpraszana przez niego energia elektryczna wytworzy tyle ciepła, że może to wywołać przepalenie żarówki. Można temu zaradzić, umieszczając między baterią a żarówką dodatkowe urządzenie elektroniczne — rezystor. Rezystory ograniczają przepływ prądu przez obwód i są często wykorzystywane do ochrony różnych elementów obwodów (np. żarówek) przed przyjęciem zbyt dużej dawki elektronów. Rezystor to tylko jeden z wielu elementów elektronicznych, których używa się do kontrolowania prądu w obwodach.

45

46

Część I: Podstawy elektroniki

Wybór elementów Na żarówkach i innych elementach elektronicznych nie bez powodu znajdują się oznaczenia mocy znamionowej. Jeśli przepuści się przez nie zbyt duży prąd, to przegrzeją się i spalą albo stopią. Przypomnijmy, że moc jest iloczynem napięcia i natężenia. Jeśli więc nauczysz się obliczać spadki napięcia i ilość prądu

przepływającego przez elementy elektroniczne, to do Ciebie będzie należał obowiązek szacowania mocy znamionowej (czyli ile watów dany element wytrzyma, zanim wybuchnie Ci w twarz), która jest potrzebna do zasilenia elementów używanych w obwodzie.

Sposoby kontrolowania prądu Kontrolowanie prądu elektrycznego pod wieloma względami przypomina kontrolowanie prądu H2O. Ile istnieje różnych sposobów sterowania ruchem wody przy użyciu rozmaitych narzędzi i urządzeń hydraulicznych? Można np. ograniczyć lub całkiem odciąć przepływ wody, zmienić jej ciśnienie, pozwolić jej płynąć tylko w jednym kierunku oraz ją magazynować (porównanie do wody jest pomocne, ale nie całkiem poprawne; aby popłynęła woda, nie jest potrzebny zamknięty obwód, natomiast aby popłynął prąd elektryczny, warunek ten musi być spełniony). Energię elektryczną w obwodach można kontrolować za pomocą wielu elementów elektronicznych (rysunek 2.4). Wśród najczęściej używanych można wymienić rezystory, które ograniczają przepływ prądu, i kondensatory, które przechowują ładunek elektryczny (rezystory opisaliśmy w rozdziale 3., a kondensatory — w 4.). Cewki indukcyjne i transformatory przechowują energię elektryczną w polach magnetycznych (ich szczegółowy opis znajdziesz w rozdziale 5.). Diody pozwalają prądowi płynąć tylko w jednym kierunku, czyli działają podobnie jak zawory, a tranzystory to wszechstronne elementy, za których pomocą można włączać i wyłączać obwody oraz wzmacniać prąd (diody i tranzystory opisaliśmy w rozdziale 6.).

Rysunek 2.4. Elementy elektroniczne występują w rozmaitych kształtach i obudowach

Rozdział 2: Elektryczność w Twoich rękach

Elementy czynne i bierne Przeglądając katalogi elementów elektronicznych, możesz napotkać elementy czynne i bierne. Elementy czynne pozwalają zwiększyć prąd lub nim pokierować. Przykładowymi elementami czynnymi są tranzystory i diody (czasami zalicza się je też do grupy elementów półprzewodnikowych, co ma związek z rodzajem materiału, z którego są wykonane). Elementy bierne nie wzmacniają prądu ani nie zmieniają jego kierunku — ale mogą go spowalniać i gromadzić energię elektryczną. Do tej grupy należą rezystory, kondensatory, cewki indukcyjne i transformatory (transformatory mogą np. zwiększać napięcie, jednocześnie redukując natężenie prądu). Obwód zawierający tylko bierne elementy nazywa się obwodem biernym. Obwód, który zawiera przynajmniej jeden element czynny, nazywa się obwodem czynnym.

Połączenia szeregowe i równoległe Podobnie jak z klocków lego można budować rozmaite budowle, można konstruować wiele rodzajów obwodów, łącząc elementy elektroniczne na różne sposoby. To, jak trzeba połączyć elementy elektroniczne, zależy od tego, jak prąd przepływa przez obwód i jak napięcie jest tracone na jego długości.

Połączenia szeregowe W prostym obwodzie z żarówką, który przedstawiliśmy wcześniej w tym rozdziale (rysunek 2.3), prąd płynie w obwodzie zamkniętym od dodatniego bieguna baterii, przez żarówkę, do ujemnego bieguna baterii. Takie połączenie elementów można nazwać szeregowym, ponieważ prąd w tym obwodzie przepływa przez wszystkie elementy po kolei — jakby stały w szeregu. Na temat połączeń szeregowych należy zapamiętać dwie rzeczy:

9 Każdy element otrzymuje ten sam prąd. 9 Napięcie dostarczane przez źródło jest podzielone (niekoniecznie po równo) między poszczególne elementy. Suma spadków napięcia na wszystkich elementach jest równa całkowitemu napięciu dostarczanemu przez źródło.

Połączenia szeregowe mają jedną wadę — jeśli jeden element w szeregu ulegnie uszkodzeniu, to powstaje przerwa i prąd przestaje płynąć w całym obwodzie. Jeśli więc zawiesisz nad swoją restauracją piękny i drogi świecący szyld z napisem „ZJEDZ NAJLEPSZE DANIE W OKOLICY”, utworzony z połączonych szeregowo żarówek, i ktoś grający w pobliżu w piłkę zbije jedną żarówkę, to zgasną wszystkie pozostałe, tworzące ten napis.

47

48

Część I: Podstawy elektroniki

Połączenia równoległe Wadę połączeń szeregowych, w których awaria jednego elementu powoduje wyłączenie całego obwodu, można wyeliminować. Wystarczy połączyć elementy równolegle, tak jak widać na rysunku 2.5. Nawet jeśli zbiją Ci kilka żarówek w napisie, to przy połączeniu równoległym i tak reszta będzie dalej świecić (oczywiście z Twojego napisu może zostać tylko fragment „ZJEDZ OKO”, ale nie ma rzeczy idealnych).

Rysunek 2.5. Żarówki często łączy się równolegle, aby nadal świeciły, gdy jedna z nich się spali

Prąd w przedstawionym na rysunku 2.5 obwodzie równoległym płynie od dodatniego bieguna baterii i rozdziela się w każdym węźle obwodu, dzięki czemu każda żarówka otrzymuje część dostarczanego prądu. Prąd, który przepływa przez jedną żarówkę, nie płynie przez żadną z pozostałych. Gdyby więc napis na szyldzie Twojej restauracji składał się z 200 żarówek, to po spaleniu się jednej z nich pozostałe 199 nadal by świeciło. W układzie równoległym napięcie na każdym odgałęzieniu równoległym jest takie same. Kiedy nauczysz się obliczać prąd płynący w każdym odgałęzieniu obwodu (rozdział 3.), to spostrzeżesz, że suma prądów wszystkich odgałęzień jest równa całkowitemu prądowi dostarczanemu przez baterię. Na temat połączeń równoległych należy zapamiętać dwie rzeczy:

9 Napięcie w każdym odgałęzieniu jest takie same. 9 Prąd dostarczany przez źródło jest dzielony między odgałęzienia. Suma prądów w poszczególnych odgałęzieniach jest równa całkowitemu prądowi dostarczanemu przez źródło prądu.

Elementy połączone równolegle pobierają więcej prądu niż te same elementy połączone szeregowo. Jeśli do zasilania obwodu używasz baterii, musisz uważać na to, ile czasu bateria ta będzie w stanie dostarczać do niego prąd. Wytrzymałość baterii oznacza się w amperogodzinach, o czym więcej napisaliśmy w rozdziale 8. Bateria o mocy jednej amperogodziny może dostarczać do obwodu prąd o natężeniu jednego ampera przez jedną godzinę (tak jest tylko teoretycznie, gdyż nawet nowe baterie nie zawsze dostarczają taką ilość prądu, jaką obiecują ich oznaczenia). Kiedy więc wybierasz źródło zasilania dla swojego obwodu, musisz wziąć pod uwagę zarówno to, jaką ilość prądu obwód ten pobiera, jak i to, ile czasu obwód ten powinien działać.

Rozdział 2: Elektryczność w Twoich rękach

Obwody mieszane Większość obwodów składa się z połączenia pewnej liczby obwodów szeregowych i równoległych. Sposób rozmieszczenia elementów w obwodzie zależy od tego, jaką funkcję ma on spełniać. Spójrz na obwód szeregowo-równoległy przedstawiony na rysunku 2.6. Widać na nim rezystor (którego symbolem jest prostokąt) połączony szeregowo z baterią i trzy równoległe odgałęzienia, z których każde zawiera przełącznik szeregowo połączony z żarówką. Gdy wszystkie trzy przełączniki są zamknięte, prąd przepływa przez rezystor, a następnie jest rozdzielany na trzy odgałęzienia — dzięki czemu przez każdą z żarówek przepływa pewna ilość prądu. Gdy wszystkie trzy przełączniki są otwarte, nie ma zamkniętej ścieżki, po której mógłby płynąć prąd, a więc z baterii nic nie jest pobierane. Jeśli zamknięty jest tylko jeden przełącznik, to cały dostarczany prąd płynie tylko przez jedną żarówkę, a pozostałe żarówki są wyłączone. Sterując zamykaniem i otwieraniem przełączników, można wybierać, która żarówka ma być w danym czasie zaświecona. Tego rodzaju obwód mógłby zostać użyty do sterowania światłami ulicznymi (trzeba by go tylko wzbogacić o kilka elementów do sterowania czasem i kolejnością włączania i wyłączania). Rysunek 2.6. Otwierając i zamykając przełączniki w tym obwodzie szeregowo-równoległym, można kierować prądem tak, aby płynął różnymi ścieżkami

Analizując działanie obwodu mieszanego, należy w odniesieniu do każdego elementu postępować zgodnie z zasadami obliczania napięcia i natężenia prądu, trzymając się reguł połączeń szeregowych (w przypadku elementów połączonych szeregowo) i połączeń równoległych (w przypadku elementów połączonych równolegle). Na razie nie masz wystarczającej wiedzy, aby móc obliczyć wszystkie wartości prądu i napięcia w przedstawionych wcześniej obwodach z żarówkami. Aby to było możliwe, musisz poznać jeszcze jedną zasadę, znaną jako prawo Ohma (podstawowe zasady analizy obwodów i prawo Ohma opisaliśmy w rozdziale 3.).

Tworzenie układów elektronicznych Aby uzmysłowić Ci, jakie możliwości stwarza łączenie różnych elementów elektronicznych w układach mieszanych, pokażemy Ci budowę dwóch skomplikowanych urządzeń elektronicznych. Oczywiście nie oczekujemy, że będziesz śledził ruch elektronów biegnących przez niesamowicie skomplikowaną sieć ścieżek. Chcemy tylko pokazać,

49

50

Część I: Podstawy elektroniki

Rozszyfrowywanie sygnałów elektrycznych Sygnał elektryczny to rozkład fali prądu elektrycznego przedstawiony w czasie. W zmianach kształtu sygnału elektrycznego często zakodowane są informacje o zjawiskach fizycznych, np. o intensywności światła, cieple, głosie albo położeniu jakiegoś przedmiotu, np. membrany głośnikowej lub wału silnika. Zatem sygnał elektryczny można traktować jako rodzaj kodu, coś na kształt alfabetu Morse’a, za którego pomocą można wysyłać i odbierać wiadomości, jeśli tylko zna się odpowiedni klucz. Analogowy sygnał elektryczny, albo krócej: sygnał analogowy, to jak sama nazwa wskazuje, sygnał o kształcie „analogicznym” (odwzorowanie jeden do jednego) do fizycznej wielkości, którą reprezentuje. Na przykład podczas nagrywania albumu w studio nagraniowym muzycy używają mikrofonów wyposażonych w membranę, która rusza się w wyniku

działania na nią zmiennych sił ciśnienia atmosferycznego (czyli dźwięku). Ruch membrany jest następnie bezpośrednio odwzorowywany w postaci zmian prądu elektrycznego. Ten zmieniający się prąd stanowi reprezentację oryginalnego dźwięku, a więc jest analogowym sygnałem elektrycznym. Układy cyfrowe, takie jak komputery, nie potrafią obsługiwać ciągłych sygnałów analogowych, w związku z czym sygnał elektryczny przed wejściem do takiego układu musi zostać przekształcony na format cyfrowy. Format cyfrowy to jeden z wielu sposobów kodowania, w którym informacje zapisywane są w postaci ciągu zer i jedynek (to tak jak w alfabecie Morse’a, w którym są kropki i kreski). Sygnał cyfrowy wytwarza się poprzez próbkowanie sygnału analogowego w regularnych odstępach czasu i zamianę każdej uzyskanej w wyniku próbkowania wartości na ciąg bitów, czyli liczb binarnych (ang. binary digit).

że nawet najbardziej skomplikowane układy, składające się z ogromnej liczby przeróżnych elementów, robią to samo, co proste obwody — manipulują prądem elektrycznym w celu wykonania określonych zadań. Te dwa wspomniane układy elektroniczne to samochodowy odbiornik radiowy i telewizor.

Skąd bierze się ten dźwięk? Elementy elektroniczne znajdujące się w odbiorniku radiowym sterują prądem przesyłanym do głośników w taki sposób, abyśmy mogli z nich usłyszeć dźwięki naszych ulubionych audycji radiowych. Tak jak prawie wszystkie skomplikowane systemy, radioodbiornik składa się z kilku podzespołów, z których każdy pełni ściśle określoną funkcję i przekazuje wynik swojej pracy do innego podzespołu. Abyś mógł w domu odtwarzać dźwięki powstające w studio radiowym, elementy elektroniczne w Twoim odbiorniku wykonują następujące zadania:

9 Antena odbiera fale radiowe (niewidzialne sygnały przesyłane przez wiele stacji radiowych) z powietrza i zamienia je w sygnał elektryczny będący zmiennym przepływem prądu elektrycznego (zob. ramkę „Rozszyfrowywanie sygnałów elektrycznych” powyżej).

9 Tuner wybiera jeden sygnał radiowy z wychwyconych przez antenę, a pozostałe odrzuca.

9 Demodulator wyodrębnia sygnał akustyczny (kopię oryginalnego dźwięku)

z sygnału radiowego (który oprócz dźwięku zawiera jeszcze sygnał nośny, który transportuje go przez powietrze).

9 Wzmacniacz wzmacnia słaby sygnał radiowy do słyszalnego poziomu. 9 Głośniki przekształcają wzmocniony sygnał akustyczny w dźwięk.

Rozdział 2: Elektryczność w Twoich rękach Każdy podzespół składa się z pewnej liczby elementów elektronicznych, które dzięki odpowiednim połączeniom „kształtują” sygnał we właściwy sposób. Po wykonaniu wszystkich tych operacji sygnał jest wysyłany do głośników w celu przekształcenia go w dźwięk. O tym, co usłyszymy z głośników i jak głośne to będzie, decydują specyficzny kształt sygnału i siła, z jaką porusza on membraną. Złożone układy elektroniczne często przedstawia się w postaci schematów blokowych (na rysunku 2.7 widać np. schemat odbiornika radiowego). Każdy blok reprezentuje jeden obwód, który na wejściu pobiera sygnał wysłany przez poprzedni obwód, wykonuje jakąś operację i wytwarza własny sygnał wyjściowy, który z kolei jest przekazywany do kolejnego etapu obróbki. Rysunek 2.7. Schemat blokowy odbiornika radiowego. Elementy elektroniczne użyte w tym systemie kształtują sygnał elektryczny na kilka sposobów, zanim wyślą go do głośników

Rysowanie przy użyciu elektronów Nieważne, czy używasz staroświeckiego telewizora kineskopowego, nowszego plazmowego, czy LCD — obraz w każdym z nich powstaje w ten sam sposób. Znajdujące się wewnątrz elementy elektroniczne sterują zaświecaniem maleńkich fragmentów ekranu (pikseli) tak, aby powstał na nim określony obraz. Sygnał elektryczny wprowadzany do telewizora (czy to z anteny, czy odtwarzacza DVD) zawiera zakodowane informacje o obrazie, który ma być wyświetlony. Elementy elektroniczne „rozpracowują” ten kod i na podstawie wydobytych z niego informacji sterują kolorami i intensywnością poszczególnych pikseli. Sposoby zaświecania pikseli w różnych rodzajach telewizorów są odmienne. Na przykład w kolorowym telewizorze kineskopowym elementy elektroniczne sterują trzema niezależnymi wiązkami elektronów, które kierują na kolorowy luminofor znajdujący się po wewnętrznej stronie ekranu. Zadaniem elektroniki jest również włączanie bądź wyłączanie każdej z wiązek, gdy przechodzi ona nad poszczególnymi pikselami. Efekt — określony fragment obrazu, na który wycelowana jest wiązka, jest bombardowany elektronami lub nie. Kiedy wiązka elektronów uderzy w luminofor, zaczyna on świecić. Poprzez koordynowanie ruchu oraz przełączanie (wł./wył.) wiązek elektronów (niebieskiej, zielonej i czerwonej) elementy elektroniczne znajdujące się w telewizorze tworzą kolorowe obrazy na ekranie.

51

52

Część I: Podstawy elektroniki

Rozdział 3

Napotykamy czynny opór W tym rozdziale: ► Wykorzystanie rezystancji (oporu czynnego) do własnych celów ► Wytwarzanie rezystancji za pomocą rezystorów stałych i zmiennych ► Prawo Ohma rządzące prądem, napięciem i rezystancją ► Analiza obwodów z zastosowaniem prawa Ohma ► Dobór elementów obwodów na podstawie ich mocy znamionowej

J

eśli wrzucisz kulkę do piaskownicy, to potoczy się ona niezbyt daleko. Gdyby jednak tę samą kulkę rzucić na zamarznięte jezioro, to zanim by się zatrzymała, przebyłaby szmat drogi. W obu przypadkach do zatrzymania kulki dochodzi w wyniku działania siły mechanicznej nazywanej tarciem — na piasku tarcie jest znacznie większe niż na lodzie.

Rezystancja w elektronice w dużym stopniu przypomina tarcie mechaniczne — hamuje elektrony (te małe cząstki, które tworzą prąd) poruszające się wewnątrz materiału przewodzącego. Z tego rozdziału dowiesz się, czym dokładnie jest rezystancja, gdzie można na nią trafić (wszędzie) oraz jak można ją wykorzystać do własnych celów poprzez dobór odpowiednich rezystorów (elementów służących do kontrolowanego zwiększania rezystancji) do swoich układów elektronicznych. Następnie przyjrzymy się relacjom między napięciem (siłą elektryczną, która popycha elektrony) a prądem w elementach, w których występuje rezystancja. Relacje te są zgrabnie sformułowane w postaci jednego równania, znanego pod autorytatywną nazwą prawo Ohma. Później spróbujemy wykorzystać znajomość tego prawa do analizy działania prostych obwodów. Na koniec poznasz rolę prawa Ohma i obliczeń wykonywanych z jego zastosowaniem w projektowaniu układów elektronicznych.

Ograniczanie przepływu prądu Rezystancja to wielkość charakteryzująca opór, jaki dany przedmiot stawia przepływającemu prądowi. Mimo iż brzmi to groźnie, to w rzeczywistości można ją wykorzystać do własnych celów. Dzięki rezystancji możliwe jest wytwarzanie ciepła i światła, zmniejszanie przepływu prądu, gdy jest to konieczne, oraz dostarczanie do urządzeń prądu o odpowiednim napięciu. Kiedy na przykład elektrony płyną przez żarnik żarówki, napotykają tak duży opór, że znacznie zwalniają. Gdy przedzierają się między atomami żarnika, atomy te gwałtownie się ze sobą zderzają, wydzielając ciepło, które wytwarza światło żarówki.

54

Część I: Podstawy elektroniki Wszystko stawia przepływającym elektronom jakiś opór, nawet najlepsze przewodniki (w istocie istnieje pewna grupa materiałów, które nie stawiają żadnego oporu, nazywają się one nadprzewodnikami, ale swoje właściwości zyskują dopiero w bardzo niskich temperaturach i w tradycyjnej elektronice ich się nie używa). Im wyższa rezystancja, tym bardziej ograniczony przepływ prądu. Co decyduje o poziomie rezystancji danego przedmiotu? Ma na to wpływ kilka czynników:

9 Rodzaj materiału — niektóre materiały pozwalają swoim elektronom swobodnie

się poruszać, a inne trzymają je ściśle na miejscu. Przewodniki stawiają względnie niski opór elektryczny, a izolatory — wysoki.

9 Przekrój materiału — rezystancja zmienia się odwrotnie w stosunku do pola

powierzchni przekroju przewodnika, tzn. im większa średnica, tym mniejsza rezystancja, ponieważ elektronom łatwiej jest się poruszać. Pomyśl o wodzie przepływającej przez rurę — im szersza rura, tym łatwiej wodzie płynąć. Z tego wynika, że miedziany drut o dużej średnicy stawia mniejszy opór elektryczny niż drut miedziany o małej średnicy.

9 Długość materiału — im dłuższy materiał, tym większy stawia opór, ponieważ na większej długości dochodzi do większej liczby zderzeń elektronów z innymi cząstkami. Rezystancja rośnie wraz ze wzrostem długości przewodnika.

9 Temperatura — w większości materiałów podwyższenie temperatury powoduje

zwiększenie oporu elektrycznego. Jest to związane z tym, że w wyższych temperaturach cząstki mają większą energię, przez co dochodzi do znacznie większej liczby zderzeń między nimi, co spowalnia ruch elektronów. Wyjątkiem od tej reguły jest rezystor nazywany termistorem — stawiany przez niego opór elektryczny zmniejsza się w przewidywalny sposób wraz ze wzrostem temperatury (nietrudno sobie wyobrazić, jak bardzo ta cecha jest przydatna w układach czujników temperatury). Termistory opisaliśmy w rozdziale 8.

Rezystancję w obwodzie elektronicznym oznacza się symbolem R. Czasami obok symbolu może znajdować się dodatkowy napis w indeksie dolnym, określający, o którego elementu rezystancję chodzi, np. Rż może oznaczać rezystancję żarówki w obwodzie. Jednostką rezystancji jest om, a jej symbolem jest grecka litera omega (Ω). Im większa wartość omegi, tym wyższa rezystancja. Om jest bardzo małą jednostką oporu elektrycznego i dlatego w większości przypadków do określania rezystancji używa się bardzo dużych wartości, np. kiloomów (połączenie wyrazów „kilo” i „om”), czyli tysiąc omów (symbol kΩ), i megaomów (połączenie wyrazów „mega” i „om”), czyli milion omów (symbol MΩ). Podsumowując, 1 kΩ = 1000 Ω, a 1MΩ = 1 000 000 Ω.

Rezystory — bierne, ale potężne Rezystory to bierne elementy elektroniczne, które są specjalnie zaprojektowane tak, aby stawiały określony opór elektryczny (np. 470 Ω albo 1 kΩ). Mimo iż za pomocą rezystora nie zwiększysz prądu ani nie zmienisz jego kierunku, to w istocie jest to bardzo potężne małe urządzenie, ponieważ pozwala ograniczać przepływ prądu w przewidywalny sposób. Odpowiednio dobierając i rozmieszczając rezystory w różnych miejscach obwodu, możesz zdecydować, jaka ilość prądu będzie przesłana do jego poszczególnych części.

Rozdział 3: Napotykamy czynny opór

Do czego służą rezystory? Ze względu na swoją prostotę i wszechstronność rezystory należą do najpopularniejszych elementów elektronicznych. Najczęściej używa się ich do ograniczania ilości prądu przepływającego przez obwód, ale za ich pomocą można także kontrolować napięcie dostarczane do wybranej części obwodu.

Ograniczanie ilości prądu Na rysunku 3.1 przedstawiona jest 9-woltowa bateria zasilająca niewielkie urządzenie o nazwie dioda elektroluminescencyjna, w skrócie często nazywana diodą LED, od angielskiej nazwy light-emitting diode. Prąd do diody płynie przez rezystor oznaczony zygzakiem. Diody LED (a także wiele innych części elektronicznych) pożerają prąd tak, jak dzieci cukierki — próbują wchłonąć tyle, ile tylko dadzą radę. Diody mają jednak pewną wadę — jeśli pobiorą zbyt dużo prądu, to ulegają spaleniu. Rezystor pełni w takim przypadku bardzo pożyteczną funkcję, gdyż ogranicza ilość prądu przesyłanego do diody (tak jak dobry rodzic ogranicza ilość cukierków dziecku).

Rysunek 3.1. Rezystor ogranicza ilość prądu wpływającego do delikatnej diody elektroluminescencyjnej

Zbyt duży prąd może zniszczyć wiele elementów elektronicznych, takich jak tranzystory (opisane w rozdziale 6.) czy układy scalone (opisane w rozdziale 7.). Umieszczając rezystor przed delikatną częścią, ograniczamy ilość prądu, jaki do niej dociera (lecz jeśli użyjesz za dużego rezystora, np. 1 MΩ, to nie zobaczysz światła, chociaż zostanie ono wytworzone!). Ten prosty zabieg pozwoli Ci zaoszczędzić mnóstwo pieniędzy i czasu, który musiałbyś poświęcić na wymianę uszkodzonych elementów obwodów.

Modyfikowanie napięcia Przy użyciu rezystorów można zmniejszyć napięcie docierające do różnych części obwodów. Jeśli masz np. baterię 9-woltową, ale do zasilenia układu scalonego potrzebujesz napięcia 5 V, to możesz zbudować taki obwód, jaki widać na rysunku 3.2, który na wyjściu wytwarza napięcie 5 V. I voilà, możesz używać napięcia wyjściowego, Uwy, tego dzielnika napięcia do zasilania swojego układu (szczegółowy opis, jak to działa, znajduje się dalej w tym rozdziale). Przy użyciu rezystora w połączeniu z innym popularnym elementem elektronicznym — kondensatorem, którego opis znajduje się w rozdziale 4. — można uzyskać dające się przewidzieć wzrosty i spadki napięcia w wybranych miejscach. Dowiesz się, że z połączeń rezystorów z kondensatorami można tworzyć coś w rodzaju klepsydry, co bardzo się przydaje w obwodach, w których ważne jest odmierzanie czasu (np. w światłach ulicznych). Zasadę działania duetu rezystor-kondensator opisaliśmy w rozdziale 4.

55

56

Część I: Podstawy elektroniki

Rysunek 3.2. Dwa rezystory tworzące dzielnik napięcia — typowa technika uzyskiwania różnych wartości napięcia dla różnych części obwodu

Rodzaje rezystorów — stałe i zmienne Są dwa rodzaje rezystorów — stałe i zmienne. Poniżej znajduje się zwięzły opis każdego z nich.

9 Rezystor stały stawia niezmienny, z góry ustalony opór elektryczny (nie ma w tym

nic zaskakującego, bo co innego mogłoby znaczyć słowo „stały”). Rzeczywista rezystancja rezystora może się różnić (być wyższa lub niższa) od wartości znamionowej o pewną wartość procentową, zwaną tolerancją rezystora. Jeśli więc kupisz rezystor o rezystancji znamionowej 1000 Ω i tolerancji 5 procent, to jego rezystancja rzeczywista może mieć dowolną wartość z przedziału od 950 do 1050 omów (ponieważ 5 procent z 1000 wynosi 50). Taki rezystor należy traktować jako rezystor 1000 Ω z dokładnością do 5 procent. Wyróżnia się dwie kategorie rezystorów stałych (rysunek 3.3): •

Rezystory precyzyjne o tolerancji w zakresie 1 procenta wartości znamionowej. Używa się ich w obwodach, w których wymagany jest bardzo duży stopień dokładności, np. służących do precyzyjnego pomiaru czasu, lub w układach stabilizujących napięcie.

•

Rezystory standardowe o tolerancji w zakresie od 2 do aż 20 procent wartości znamionowej. Na opakowaniu zawsze jest podane, jak bardzo rzeczywista rezystancja może się różnić od znamionowej (np. ±2%, ±5%, ±10% albo ±20%). Tego rodzaju rezystorów można używać w większości zastosowań domowych czy hobbystycznych, ponieważ służą one do ograniczania prądu lub dzielenia napięcia w pewnym określonym zakresie. W wielu układach elektronicznych można spotkać rezystory o tolerancji w zakresie od 5 do 10 procent.

9 Rezystor zmienny, często nazywany potencjometrem lub reostatem, pozwala

nastawiać siłę rezystancji od zera omów do fabrycznie określonej wartości maksymalnej. Potencjometrów używa się wówczas, gdy trzeba zmieniać wartość prądu lub napięcia dostarczanego do danej części lub danego obwodu. Wśród urządzeń, w których użyty jest potencjometr, można wymienić ściemniacze światła, układy zmiany natężenia dźwięku w sprzęcie grającym i drążki sterowe w samolotach.

Rozdział 3: Napotykamy czynny opór

Rysunek 3.3. Kolorowe paski na rezystorze stałym określają jego moc. Na potencjometrach zwykle nadrukowuje się ich maksymalną wartość rezystancji

Do oznaczania rezystorów stałych na schematach (opisanych w rozdziale 10.) służy symbol w kształcie prostokąta. Rezystory nie mają oznaczonych biegunów (+ i –). Prąd może płynąć przez nie w dowolnym kierunku. Jeśli symbol prostokąta będzie przecięty strzałką, to będzie oznaczał reostat (czyli rezystor zmienny z dwoma wyprowadzeniami). Natomiast prostokąt ze wskazującą nań strzałką to symbol potencjometru (rezystora zmiennego z trzema wyprowadzeniami) — rysunek 3.4. Różnicę między reostatem a potencjometrem objaśniliśmy w ramce „Potencjometr czy reostat?”, zamieszczonej w dalszej części tego rozdziału. Rysunek 3.4. Symbole do oznaczania rezystorów

Budowa rezystorów stałych Większość rezystorów ma kształt cylindra, z którego wyprowadzone są dwie końcówki służące do podłączania go do innych elementów obwodu (aby dowiedzieć się o wyjątkach, przeczytaj ramkę „Rozpoznawanie rezystorów na płytkach drukowanych”, która znajduje się dalej w tym rozdziale). Na pewno ucieszy Cię wiadomość, że te małe, miłe urządzenia z dwoma wyprowadzeniami można podłączać do obwodu w dowolny sposób, tzn. nie istnieją w ich przypadku takie pojęcia, jak strony lewa i prawa czy góra i dół. Kolorowe linie zdobiące większość rezystorów oprócz cieszenia naszych oczu spełniają jeszcze jedną funkcję. W kolorach tych zakodowane są informacje o wartości znamionowej i tolerancji rezystorów. Lecz nie dotyczy to wszystkich; niektóre mają nieciekawy, jednolity kolor i wydrukowaną wartość cyfrową na powierzchni. Kolorowy kod zaczyna się z jednej strony rezystora i składa się z kilku kolorowych pasków. Każdy kolor symbolizuje jakąś określoną wartość, a to, jak jej użyć, określa położenie danego kolorowego paska. Standardowe rezystory mają cztery kolorowe paski: trzy pierwsze określają wartość znamionową rezystora, a czwarty — jego tolerancję. Na rezystorach precyzyjnych znajduje się pięć kolorowych pasków: cztery pierwsze określają wartość znamionową, a piąty — tolerancję (zwykle ±1%).

57

58

Część I: Podstawy elektroniki Za pomocą specjalnego pierścienia dekodującego (to tylko żart, w rzeczywistości do rozszyfrowywania kolorowego kodu rezystorów należy użyć informacji z tabeli 3.1) można odszyfrować wartość znamionową standardowego rezystora w następujący sposób:

9 Pierwszy pasek oznacza pierwszą cyfrę. 9 Drugi pasek oznacza drugą cyfrę. 9 Trzeci pasek oznacza mnożnik w postaci liczby zer, pod warunkiem że nie ma koloru złotego lub srebrnego. •

Jeśli trzeci pasek jest złoty, wartość należy pomnożyć przez 0,1 (czyli podzielić przez 10).

•

Jeśli trzeci pasek jest srebrny, wartość należy pomnożyć przez 0,01 (czyli podzielić przez 100).

Wynik: aby obliczyć znamionową wartość rezystancji rezystora, należy utworzyć liczbę z dwóch pierwszych cyfr i pomnożyć ją przez mnożnik (dodać liczbę zer wskazywaną przez trzeci pasek). Kolory czwartego paska, oznaczającego tolerancję, mają inne znaczenie, pokazane w trzeciej kolumnie tabeli 3.1. Jeśli nie ma czwartego paska, to należy przyjąć, że tolerancja wynosi ±20%. Tabela 3.1. Kolorowy kod mocy rezystorów Kolor

Cyfra

Tolerancja

Czarny

0

±20%

Brązowy

1

±1%

Czerwony

2

±2%

Pomarańczowy

3

±3%

Żółty

4

±4%

Zielony

5

brak

Niebieski

6

brak

Fioletowy

7

brak

Szary

8

brak

Biały

9

brak

Złoty

0,1

±5%

Srebrny

0,01

±10%

Najłatwiej to zrozumieć na konkretnym przykładzie:

9 Czerwony-czerwony-żółty-złoty — rezystor ozdobiony paskami czerwonym

(2), czerwonym (2), żółtym (4 zera) i złotym (±5%) ma rezystancję znamionową o wartości 220 000 Ω, czyli 220 kΩ, która może się wahać w górę i w dół o 5 procent. W związku z tym wartość rzeczywista rezystancji tego rezystora może zawierać się w przedziale od 209 kΩ do 231 kΩ.

Rozdział 3: Napotykamy czynny opór

9 Pomarańczowy-biały-złoty-srebrny — rezystor ozdobiony paskami

pomarańczowym (3), białym (9), złotym (0,1) i srebrnym (±10%) ma rezystancję znamionową o wartości 39 × 0,1 = 3,9 Ω, która może się wahać w górę i w dół o 10 procent. W związku z tym rzeczywista wartość rezystancji tego rezystora może zawierać się w przedziale od 3,5 Ω do 4,3 Ω.

W rezystorach precyzyjnych trzy pierwsze paski oznaczają trzy pierwsze cyfry, czwarty określa mnożnik, a piąty reprezentuje tolerancję. W większości projektów obwodów podawana jest bezpieczna tolerancja dla pojedynczych rezystorów lub wszystkich rezystorów w obwodzie. Informacji tych należy szukać w spisie części obwodu albo pod schematem ideowym. Jeśli na schemacie nie zaznaczono tolerancji, to trzeba przyjąć wartość dla standardowych rezystorów (±5% lub ±10%).

Co w potencjometrze piszczy? Potencjometr składa się ze ścieżki oporowej z połączeniami z obu stron, po której porusza się szczotka służąca do nastawiania wartości oporu w zakresie od zera do określonej wartości maksymalnej (rysunek 3.5). Większość potencjometrów ma oznaczoną wartość maksymalną — 10 k, 50 k, 100 k, 1 M itd. Symbol rezystancji (Ω) nie zawsze jest obecny. Jeśli np. na potencjometrze będzie nadrukowana wartość 50 k, to oznacza to, że przy jego użyciu można ustawiać opór w zakresie od 0 do 50 000 Ω.

Rysunek 3.5. Znajdująca się w potencjometrze szczotka porusza się po ścieżce oporowej

Pamiętaj, że zakres wartości potencjometru jest określony tylko w przybliżeniu. Jeśli nie ma żadnych oznaczeń, to należy użyć multimetru, aby sprawdzić parametry urządzenia (sposoby sprawdzania rezystancji za pomocą multimetru zostały opisane w rozdziale 12.). Potencjometry służą do płynnego nastawiania rezystancji i wyróżnia się następujące ich rodzaje: obrotowe, suwakowe i dostrojcze:

9 Potencjometr obrotowy ma obrotową ścieżkę oporową i specjalną gałkę służącą

do nastawiania wartości rezystancji. Ten rodzaj potencjometru jest często wykorzystywany do budowy urządzeń elektronicznych. W obudowie urządzenia

59

60

Część I: Podstawy elektroniki

Potencjometr czy reostat? Mimo iż słowem potencjometr często określa się zbiorczo wszystkie rezystory zmienne, to reostat i potencjometr to nie to samo. Reostat ma dwie końcówki, z których jedna jest podłączona do szczotki, a druga do końcówki ścieżki oporowej. Natomiast potencjometr ma trzy końcówki, z których jedna jest podłączona do szczotki, a dwie do obu końców ścieżki oporowej. Potencjometr można wykorzystywać jako reostat (co jest zresztą często praktykowane). W tym celu należy użyć tylko dwóch z jego końcówek. Jeśli

podłączy się wszystkie trzy końcówki do obwodu, to można otrzymać stały i zmienny rezystor w jednym! Reostaty zwykle wytrzymują wyższe poziomy napięcia i natężenia niż potencjometry i dlatego nadają się do zastosowań przemysłowych, jak np. do sterowania prędkością obrotową silników elektrycznych dużych maszyn. Zostały one jednak w dużym stopniu wyparte przez układy zbudowane z urządzeń półprzewodnikowych (rozdział 6.), które pochłaniają znacznie mniej mocy.

wycina się otwór, w który wkłada się potencjometr w taki sposób, aby jego złącza można było połączyć z obwodami wewnętrznymi, a gałka regulacyjna wystawała na zewnątrz. Używa się ich powszechnie do regulacji głośności.

9 Potencjometr suwakowy ma podłużną ścieżkę oporową, po której porusza się suwak ruchem prostoliniowym. Używane są w sprzęcie audio i niektórych ściemniaczach światła.

9 Potencjometr dostrojczy (nazywany też potencjometrem nastawnym) jest mniejszy od poprzednio opisanych. Montuje się go na płytkach drukowanych układów, a do nastawiania wartości oporu służy specjalny wkręt. Najczęściej używa się go do dostrajania obwodów, np. aby ustawić poziom wrażliwości czujnika światła, a nie do dowolnego ustawiania jakichś wartości (np. poziomu dźwięku) w czasie działania obwodu.

Pamiętaj, że kiedy gałka potencjometru zostanie ustawiona na wartość zerową, to element ten nie będzie stawiał żadnego oporu, a więc prąd będzie przepływał przezeń bez żadnych ograniczeń. Dlatego często za potencjometrem wstawia się w połączeniu szeregowym dodatkowy rezystor stały, który służy jako zabezpieczenie ograniczające prąd. Trzeba tylko wartość tego dodatkowego rezystora dobrać w taki sposób, aby w połączeniu z potencjometrem uzyskać odpowiedni zakres rezystancji (sposób obliczania całkowitej rezystancji szeregowo połączonych rezystorów opisaliśmy nieco dalej w tym rozdziale). Rezystancję nieoznaczonego rezystora albo zmiany rezystancji potencjometru można zawsze zmierzyć za pomocą multimetru (szczegóły w rozdziale 12.).

Moc znamionowa rezystorów Czas na zgadywankę! Co się stanie, jeśli przez rezystor przepłynie zbyt duża liczba elektronów? Poprawna odpowiedź brzmi: „Otrzymamy kawałek węgla i nie odzyskamy straconych pieniędzy”. Kiedy elektrony płyną przez materiał, który stawia opór, wytwarzają ciepło, a im więcej elektronów, tym więcej ciepła. Elementy elektroniczne (np. rezystory) mogą wytrzymać tylko określoną ilość ciepła (konkretna wartość zależy od rodzaju i wielkości elementu), po czym ulegają stopieniu. Jako że ciepło jest jedną z form energii, a moc to jednostka określająca ilość energii zużywanej w określonym czasie, na podstawie mocy

Rozdział 3: Napotykamy czynny opór

Rozpoznawanie rezystorów na płytkach drukowanych W miarę zdobywania coraz większej wiedzy o elektronice możesz zacząć się ciekawić, co takiego jest w urządzeniach elektronicznych, które masz w domu (uwaga: bądź ostrożny i postępuj zgodnie z zasadami opisanymi w rozdziale 9.). Możesz otworzyć np. pilota od telewizora, aby zobaczyć znajdujące się w nim elementy elektroniczne połączone z diodą LED. W przypadku niektórych płytek obwodów drukowanych — których używa się jako bazy do masowej budowy obwodów powszechnie wykorzystywanych w komputerach i innych układach elektronicznych — rozpoznanie poszczególnych elementów może być trudne. Powodem tego jest to, że producenci,

starając się jak najkorzystniej rozmieścić elementy na płytkach i chcąc zaoszczędzić miejsce, stosują rozmaite wyszukane techniki. Jedna z nich nosi nazwę montażu powierzchniowego (ang. surface-mount technology — SMT) i polega na montowaniu elementów bezpośrednio na powierzchni płytki drukowanej. Urządzenia montowane powierzchniowo, np. rezystory tego typu, mają trochę inny wygląd niż ich odpowiedniki, których używamy w swoich warsztatach domowych, ponieważ nie mają długich wyprowadzeń służących do podłączania ich do obwodów. Elementy takie mają własny kod oznaczeń ich wartości.

znamionowej urządzenia można wywnioskować, ile watów (wat, którego symbolem jest litera W, to jednostka mocy elektrycznej) to urządzenie jest w stanie bezpiecznie wytrzymać. Każdy rezystor ma określoną moc znamionową. Typowy rezystor może wytrzymać 1/8 czy ¼ W, ale bez trudu znajdziesz też rezystory pół- i jednowatowe, a niektóre są nawet ognioodporne (zaczynasz się denerwować?). Oczywiście na samym rezystorze oznaczenia jego mocy znamionowej nie znajdziesz (byłoby za łatwo), lecz musisz ją określić na podstawie wielkości elementu (moc znamionowa rośnie wraz z rozmiarem elementu) albo sprawdzić w katalogach producenta bądź dostawcy części. Jak w takim razie dobrać do obwodu rezystor na podstawie jego mocy znamionowej? Najpierw należy oszacować najwyższą wartość mocy, jaką element ten będzie musiał wytrzymać, a następnie wybiera się rezystor o mocy znamionowej równej tej wartości lub wyższej. Moc oblicza się z poniższego wzoru: P=U×I U oznacza napięcie (w woltach, których symbolem jest litera V) w rezystorze, a I oznacza natężenie (w amperach, których symbolem jest litera A) prądu płynącego przez rezystor. Załóżmy, że wartość napięcia wynosi 5 V, a my chcemy przepuścić przez rezystor prąd o natężeniu 25 mA (miliamperów). Aby obliczyć moc, wykonujemy mnożenie 5 × 0,025 (przypomnijmy, że miliamper to jedna tysięczna ampera). Otrzymamy wynik 0,125 W, czyli 1/8 W. Wiemy więc już, że rezystor o mocy znamionowej 1/8 może być wystarczający, a rezystor o mocy ¼ W na pewno się nie przegrzeje. Do większości amatorskich projektów wystarczą rezystory o mocy ¼ czy 1/8 wata. Rezystory o wysokiej mocy używane są w obwodach o wysokim obciążeniu, np. sterujących silnikami albo lampami, które do działania wymagają trochę większego prądu. Rezystory o wysokiej mocy mają różne kształty i zawsze są większe od przeciętnego rezystora. Rezystory o mocy powyżej 5 W dodatkowo opakowuje się w tworzywo epoksydowe (albo jakiś inny wodoi ognioodporny materiał) i mają one kształt prostokątny, a nie walcowaty. Niektóre rezystory o wysokiej mocy mają nawet dodatkowy metalowy radiator, którego żeberka odprowadzają ciepło na zewnątrz.

61

62

Część I: Podstawy elektroniki

Łączenie rezystorów Kiedy pójdziesz na zakupy, to szybko spostrzeżesz, że nie zawsze można dostać dokładnie taki rezystor, jakiego się potrzebuje. Jest to spowodowane tym, że producentom nie opłaci się produkować rezystorów o każdej możliwej wartości rezystancji, a więc wytwarzają tylko ograniczony asortyment tych urządzeń. Zaraz wyjaśnimy, jak można rozwiązać ten problem. Na przykład ze świecą nie znajdziesz rezystora o wartości 25 kΩ, zaś rezystorów o wartości 22 kΩ jest w sklepach na pęczki! Sztuka polega na tym, aby uzyskać wymaganą rezystancję, używając standardowych dostępnych rezystorów. Rezystory można łączyć na różne sposoby, aby uzyskać rezystancję zastępczą o wartości prawie identycznej z wartością, której potrzebujesz. A ponieważ typowy rezystor i tak ma zakres tolerancji od 5 do 10 procent wartości znamionowej, łączenie rezystorów nie sprawia żadnych kłopotów. Łączenie rezystancji podlega pewnym zasadom, które poznasz w tym podrozdziale. Należy się nimi kierować nie tylko przy wyborze rezystorów do swoich własnych obwodów, lecz również kiedy analizuje się obwody elektroniczne innych osób. Jeśli np. wiadomo, jaką rezystancję ma żarówka w obwodzie, i połączy się z nią szeregowo rezystor, to aby obliczyć całkowity prąd przechodzący przez te dwa urządzenia, trzeba znać ich zastępczą rezystancję.

Szeregowe łączenie rezystorów Aby wykonać szeregowe połączenie rezystorów, należy je złączyć za wyprowadzenia, tak jak widać na rysunku 3.6, aby przez wszystkie po kolei przepływał ten sam prąd. Pierwszy rezystor ogranicza prąd o pewną wartość, następny redukuje prąd jeszcze bardziej itd. Z tego taki wniosek, że każdy kolejny rezystor w połączeniu szeregowym zwiększa ogólną wartość rezystancji.

Rysunek 3.6. Rezystancja zastępcza kilku rezystorów połączonych szeregowo jest równa sumie wartości poszczególnych rezystorów w szeregu

Aby obliczyć łączną (zastępczą) rezystancję kilku rezystorów w szeregu, należy po prostu zsumować ich wartości. Zasadę tę można przedstawić w postaci następującego ogólnego wzoru: Rszereg = R1 + R2 + R3 + R4 + …

Rozdział 3: Napotykamy czynny opór Symbolami R1, R2, R3 itd. oznaczone są wartości rezystancji kolejnych rezystorów, a Rszereg reprezentuje ogólną rezystancję zastępczą. Pamiętaj, że przez wszystkie rezystory w szeregu płynie ten sam prąd. Przedstawioną zasadę obliczania rezystancji zastępczej można zastosować przy wybieraniu rezystorów do swojego obwodu. Załóżmy, że potrzebujemy rezystancji o wartości 25 kΩ, ale nie znajdujemy standardowego rezystora o takich parametrach. W takim razie możemy połączyć szeregowo dwa standardowe rezystory o wartościach 22 kΩ i 3,3 kΩ, aby uzyskać rezystancję o wartości 25,3 kΩ. Otrzymana wartość różni się od wymaganej zaledwie o niecałe dwa procent, a jak wiemy, zakres tolerancji typowych rezystorów wynosi od 5 do 10 procent. Kiedy sumujesz wartości rezystancji, uważaj na to, w jakich jednostkach są one wyrażone. Gdy zechcesz na przykład połączyć szeregowo rezystory o wartościach 1,2 kΩ, 680 Ω i 470 Ω (rysunek 3.6), to przed dodaniem musisz te wartości zamienić na tę samą jednostkę, np. om. Aby obliczyć rezystancję zastępczą przedstawionych rezystorów, należy wykonać następujące obliczenia: Rz = 1200 Ω + 680 Ω + 470 Ω = 2350 Ω lub 2,35 kΩ W obwodach szeregowych rezystancja zastępcza jest zawsze większa od rezystancji poszczególnych elementów. Fakt ten można wykorzystać przy projektowaniu obwodów. Jeśli np. chcesz ograniczyć ilość prądu docierającego do żarówki, ale nie znasz wartości rezystancji tej żarówki, to możesz połączyć z nią szeregowo rezystor, aby mieć pewność, że całkowita rezystancja w obwodzie jest nie mniejsza niż rezystancja dodanego rezystora. W obwodach, w których podłączony jest rezystor zmienny (np. w ściemniaczach światła), umieszczenie rezystora stałego w szeregu z rezystorem zmiennym daje gwarancję, że przepływ prądu będzie ograniczony nawet wówczas, gdy pokrętło potencjometru zostanie przekręcone na wartość zerową (sposób obliczania natężenia prądu dla określonej kombinacji napięcia i rezystancji opisaliśmy dalej w tym rozdziale).

Równoległe łączenie rezystorów W równoległym łączeniu dwóch rezystorów łączy się razem ich wyprowadzenia (rysunek 3.7), dzięki czemu każdy rezystor otrzymuje takie same napięcie. Prąd płynie dwiema ścieżkami, a więc mimo że każdy rezystor ogranicza prąd płynący przez jedną ze ścieżek, zawsze jest dodatkowa ścieżka, którą może popłynąć dodatkowy prąd. Z punktu widzenia napięcia źródłowego efektem równoległego połączenia rezystorów jest zmniejszenie ogólnej rezystancji.

Rysunek 3.7. Rezystancja zastępcza rezystorów połączonych równolegle jest zawsze mniejsza niż rezystancja któregokolwiek z użytych rezystorów

63

64

Część I: Podstawy elektroniki Do obliczania rezystancji zastępczej dwóch rezystorów połączonych równolegle używa się poniższego wzoru: Rrówn =

R1 × R 2 R1 + R 2

Symbole R1 i R2 oznaczają wartości poszczególnych rezystorów. W przykładzie przedstawionym na rysunku 3.7 połączono równolegle dwa rezystory 2 kΩ. Ich rezystancja zastępcza wynosi zatem: Rz = =

2000 × 2000 2000 + 2000 4000000 4000

= 1000 Rz = 1 kΩ Ponieważ rezystory w tym przykładzie mają jednakową rezystancję, z połączenia ich w sposób równoległy uzyskaliśmy rezystancję zastępczą równą połowie ich wartości. W wyniku tego każdy rezystor pobiera połowę dostarczanego prądu. Jeśli rezystory mają różne wartości rezystancji, to przez rezystor o mniejszej wartości popłynie więcej prądu niż przez rezystor o większej wartości. Jeśli potrzebujesz do swojego obwodu rezystora o nieco większej mocy, np. 1 W, ale masz pod ręką tylko rezystory o mocy ½ W, to możesz w zamian użyć dwóch rezystorów o mocy ½ W połączonych równolegle. Dobierz tylko rezystory o takich wartościach, aby z ich połączenia wyszła rezystancja o odpowiedniej wartości. Ponieważ każdy z rezystorów pobiera połowę prądu, jaki pobierałby jeden rezystor, rozpraszają one połowę mocy (przypomnijmy, że moc = natężenie × napięcie). Jeśli w połączeniu równoległym użyje się więcej niż jednego rezystora, to obliczenia nieco się komplikują: Rz =

1 1 1 1 + + + ...(itd .) R1 R2 R3

Dla wielu rezystorów połączonych równolegle ilość prądu przepływającego przez daną gałąź jest odwrotnie proporcjonalna do rezystancji w tej gałęzi. Innymi słowy, im wyższa rezystancja w danej gałęzi, tym mniej prądu przez nią przepływa. Prąd, tak jak woda, wybiera drogę, którą najłatwiej mu płynąć. W równaniach można czasami spotkać symbol ||, który oznacza, że rezystory są połączone równolegle. Na przykład: Rz = R1||R2 =

R1 × R 2 R1 + R 2

Rozdział 3: Napotykamy czynny opór lub Rz = R1||R2||R3 =

1 1 1 1 + + R1 R2 R3

Kombinacje szeregowych i równoległych połączeń rezystorów W wielu obwodach używa się zarówno szeregowych, jak i równoległych połączeń rezystorów, aby w niektórych miejscach ograniczyć przepływ prądu, a w innych go rozdzielić. W niektórych przypadkach można obliczyć rezystancję zastępczą poprzez połączenie równań dla szeregowych połączeń rezystorów i dla równoległych połączeń rezystorów. Na przykład na rysunku 3.8 rezystor R2 (2 kΩ) jest równolegle połączony z rezystorem R3 (2 kΩ), natomiast cała ta równoległa kombinacja rezystorów R2 i R3 jest połączona szeregowo z rezystorem R1 (1 kΩ). Rezystancję zastępczą (Rz) tego układu (w kΩ) można obliczyć z następującego wzoru: Rz = R1 + (R2||R3) R2 × R3 R2 + R3

= R1 + =1+

2× 2 2+2

=1+1 =2 Rz = 2 kΩ

Rysunek 3.8. W wielu obwodach używane są kombinacje szeregowych i równoległych połączeń rezystorów

W tym obwodzie prąd dostarczany przez baterię jest redukowany przez zbiorczą rezystancję obwodu, której wartość wynosi 2 kΩ. Prąd wychodzący z dodatniego bieguna baterii przepływa przez rezystor R1, rozdziela się — jedna połowa płynie przez rezystor R2, a druga połowa przez rezystor R3 — a następnie łączy się z powrotem i płynie do ujemnego bieguna baterii.

65

66

Część I: Podstawy elektroniki W obwodach często używane są znacznie bardziej skomplikowane kombinacje rezystorów niż przedstawione kombinacje połączeń szeregowych i równoległych, a obliczenie ich rezystancji równoważnej nie zawsze jest łatwe. Do ich analizy trzeba posługiwać się macierzami. Ponieważ to nie jest książka z dziedziny matematyki, nie będziemy zagłębiać się w szczegóły obliczeń z wykorzystaniem macierzy.

Przestrzeganie prawa Ohma Jedną z najważniejszych rzeczy, bez której w elektronice ani rusz, są relacje między napięciem, natężeniem i rezystancją w obwodzie, które są sformułowane w postaci jednego, zgrabnego równania, znanego pod nazwą prawa Ohma. Kiedy dobrze zrozumiesz, o czym mówi to prawo, będziesz na dobrej drodze do nauczenia się analizowania obwodów zaprojektowanych przez inne osoby, jak również projektowania własnych. Zanim jednak zapoznasz się szczegółowo z prawem Ohma, przyda Ci się rozszerzenie wiedzy na temat meandrów przepływu prądu.

Przepływ prądu mimo stawianego mu oporu Jeśli przepuści się prąd przez element elektroniczny wykazujący mierzalny opór elektryczny (np. żarówkę albo rezystor), to siła, jaką jest napięcie, przepchnie przez niego elektrony. Prąd elektryczny to nic innego, jak ruch elektronów. Przykładając większe napięcie, zwiększamy siłę działającą na elektrony, co powoduje przepływ silniejszego strumienia elektronów — większy prąd — przez przedmiot oporowy. Im większa siła (napięcie, U), tym silniejszy przepływ elektronów (natężenie, I). Można to porównać z wodą przepływającą przez rurę o pewnej średnicy. Jeśli wodę w rurze poddamy określonemu ciśnieniu, to wytworzymy prąd wodny o danej wartości. Jeśli zwiększymy ciśnienie w tej samej rurze, to prąd wody będzie szybszy, a jeśli zmniejszymy ciśnienie, to prąd będzie wolniejszy.

Wszystko jest proporcjonalne Relacje między napięciem (U) i prądem (I) w elemencie stawiającym opór elektryczny (R) odkrył na początku XIX wieku Georg Ohm (czy to nazwisko nie brzmi jakoś znajomo?). Ohm spostrzegł, że w przedmiotach o stałej wartości rezystancji napięcie i natężenie zmieniają się w taki sam sposób — jeśli podwoi się napięcie, to podwojeniu ulegnie też natężenie prądu; jeśli obniży się napięcie o połowę, to o tyle samo obniży się wartość natężenia. Badacz ujął tę relację w postaci zgrabnego, prostego równania matematycznego, które nosi jego nazwisko: prawo Ohma. Prawo Ohma mówi, że napięcie prądu jest równe natężeniu prądu pomnożonemu przez rezystancję: U=I×R Oznacza to, że napięcie (U) w elemencie o stałej wartości rezystancji równa się natężeniu prądu (I) płynącego przez ten element pomnożonemu przez wartość rezystancji (R) tego elementu.

Rozdział 3: Napotykamy czynny opór Na przykład w obwodzie przedstawionym na rysunku 3.9 podłączenie baterii 9 V do rezystora 1 kΩ powoduje wytworzenie prądu o natężeniu 9 mA (czyli 0,009 A): 9 V = 1000 Ω × 0,009 A Rysunek 3.9. Przyłożenie napięcia 9 V do rezystora 1 kΩ powoduje wytworzenie prądu o natężeniu 9 mA

To prawo jest w elektronice tak ważne, że powinieneś je powtarzać jak mantrę, aż staniesz się jego żarliwym wyznawcą! Aby je lepiej zapamiętać, wyobraź sobie, że to Uniwersalna Idealna Reguła. Kiedy stosujesz prawo Ohma, to bacznie pilnuj jednostek miary. Przed sięgnięciem po kalkulator nie zapomnij pozbyć się wszystkich kilo i mili. Jeśli będziesz używać równania wolty = ampery × omy, to wszystko będzie dobrze. Jeśli jesteś odważny, to możesz korzystać z równania wolty = miliampery × kiloomy, które jest równoważne z poprzednim, ponieważ przedrostek mili równoważy przedrostek kilo. Ale jeśli przez nieuwagę pomylisz jednostki, to możesz zostać porażony prądem. Na przykład lampa o rezystancji 100 Ω przepuszcza prąd o wartości 50 mA. Jeśli zapomnisz zamienić miliampery na ampery, to pomnożysz 100 przez 50 i otrzymasz w lampie napięcie o wartości 5000 V! Prawidłowo należałoby zamienić 50 mA na 0,05 A i dopiero potem wykonać mnożenie przez 100 Ω, co w wyniku da wartość 5 V. Znacznie lepiej! Nazwisko Georga Ohma pojawia się w wartościach rezystancji i w nazwie prawo Ohma nie bez powodu. Definicja oma, czyli jednostki rezystancji, została ułożona na podstawie prac tego naukowca. Jeden om to opór elektryczny występujący na dwóch końcach przewodnika, kiedy napięcie o wartości jednego wolta występujące między tymi dwoma końcami wywołuje w tym przewodniku prąd elektryczny o natężeniu jednego ampera. Pomyśleliśmy, że może chciałbyś o tym wiedzieć (całe szczęście, że Georg nie miał na nazwisko np. Brzęczyszczykiewicz).

Jedno prawo, trzy równania Pamiętasz jeszcze lekcje algebry ze szkoły? Pamiętasz zasady przenoszenia składników równań z niewiadomymi (np. znanymi wszystkim x i y), aby obliczyć jedną z nich, gdy podane są wartości pozostałych? Te same zasady można zastosować do równania prawa Ohma. Zmieniając kolejność składników, można utworzyć jeszcze dwa inne równania, a więc w sumie może być ich trzy! U=I×R

I = U/R

R = U/I

67

68

Część I: Podstawy elektroniki Wszystkie te trzy równania wyrażają to samo, lecz na różne sposoby. Przy ich zastosowaniu można obliczyć każdą z wielkości, jeśli zna się pozostałe dwie. To, której wersji należy użyć, zależy od tego, co chcemy obliczyć. Na przykład:

9 Aby obliczyć wartość napięcia prądu, należy pomnożyć natężenie prądu

przez opór (U = I × R). Jeśli na przykład przez rezystor o rezystancji 2 kΩ płynie prąd o natężeniu 2 mA, to napięcie prądu w tym rezystorze wynosi 2 mA × 2 kΩ (czyli 0,002 A × 2000 Ω), a więc 4 V.

prądu, należy podzielić wartość napięcia przez wartość 9 Aby obliczyć natężenie U

rezystancji (I = /R). Jeśli na przykład przez rezystor 1 kΩ zostanie puszczony prąd o napięciu 9 V, to natężenie tego prądu będzie wynosić 9 V/1000 Ω = 0,009 A = 9 mA.

rezystancję, należy podzielić napięcie prądu przez natężenie prądu 9 Aby obliczyć U

(R = /I). Jeśli na przykład przez nieznany rezystor przepływa prąd o napięciu 3,5 V i natężeniu 10 mA, to jego rezystancja wynosi 3,5 V/0,01 A = 350 Ω.

Zastosowanie prawa Ohma do analizy obwodów Kiedy dobrze zrozumiesz istotę prawa Ohma, możesz zacząć wykorzystywać je w praktyce. Jest ono jak klucz otwierający wszystkie drzwi do sekretów elektroniki. Dzięki niemu możesz dowiedzieć się, jak działa dany obwód, oraz znaleźć przyczynę różnych problemów (np. dlaczego nie świeci światło, brzęczyk nie brzęczy albo rezystor nie stawia oporu elektrycznego — bo jest stopiony). Na podstawie obliczeń z wykorzystaniem prawa Ohma można projektować obwody i wybierać odpowiednie części do ich budowy. Zajmiemy się tym w następnym podrozdziale. Natomiast w tej części wyjaśniamy, jak stosować prawo Ohma do analizy obwodów.

Obliczanie natężenia prądu płynącego przez element Na rysunku 3.10 przedstawiony jest prosty obwód, w którym prąd z baterii 6 V płynie przez rezystor o wartości 1 kΩ. Natężenie prądu płynącego przez ten rezystor można obliczyć w następujący sposób: I = 6 V/1000 Ω = 0,006 A, czyli 6 mA Jeśli z istniejącym rezystorem połączysz szeregowo rezystor o wartości 220 Ω, jak na rysunku 3.11, to jeszcze bardziej ograniczysz przepływ prądu. Aby obliczyć natężenie prądu przepływającego przez obwód, musisz wpierw znaleźć sumaryczną wartość rezystancji, jaką stawia ten obwód baterii. Ponieważ rezystory są połączone szeregowo, ich wartości się sumują, co po obliczeniu daje wartość 1,22 kΩ. Nowa wartość natężenia prądu wynosi zatem: I = 6 V/1220 Ω ≈ 0,0049 A, czyli 4,9 mA

Rozdział 3: Napotykamy czynny opór Rysunek 3.10. Obliczenie natężenia prądu przepływającego przez rezystor w tym prostym układzie jest przykładem zastosowania prawa Ohma

Rysunek 3.11. Aby obliczyć natężenie prądu przepływającego przez ten obwód, najpierw należy obliczyć rezystancję zastępczą, a następnie zastosować prawo Ohma

Dodanie drugiego rezystora spowodowało zmniejszenie natężenia prądu w obwodzie z 6 mA do 4,9 mA. Ten znak równości z zawijasami, którego użyliśmy w ostatnim równaniu, oznacza „w przybliżeniu równa się”. Użyliśmy go dlatego, że zaokrągliliśmy natężenie prądu do najbliższej dziesiętnej części miliampera. W elektronice zazwyczaj dopuszczalne jest zaokrąglanie bardzo małych wartości — chyba że pracujesz nad urządzeniami do sterowania zderzaczem cząstek subatomowych lub innym równie precyzyjnym przyrządem.

Obliczanie wartości napięcia prądu w elemencie W obwodzie przedstawionym na rysunku 3.10 napięcie w rezystorze jest równe napięciu dostarczanemu przez baterię, a więc wynosi 6 V. Jest tak dlatego, że rezystor jest jedynym elementem tego obwodu oprócz baterii. Jeśli z pierwszym rezystorem połączymy szeregowo drugi rezystor (rysunek 3.11), to wszystko się zmieni. Część napięcia zostanie wytracona w pierwszym rezystorze o wartości 1 kΩ (R2), a reszta w drugim rezystorze 220 Ω (R1). Aby dowiedzieć się, jaka część napięcia jest tracona w każdym z rezystorów, należy do każdego z nich zastosować prawo Ohma. Znamy wartość każdego rezystora i wiemy, jaki prąd płynie przez każdy z nich. Przypomnijmy, że prąd (I) to napięcie baterii

69

70

Część I: Podstawy elektroniki (6 V) podzielone przez sumaryczną rezystancję (R1 + R2, czyli 1,22 kΩ) — w przybliżeniu 4,9 mA. Po wykonaniu tych obliczeń można zastosować prawo Ohma do znalezienia wartości spadku napięcia w każdym z rezystorów: U1 = I × R1 = 0,0049 A × 220 Ω = 1,078 V ≈ 1,1 V U2 = I × R2 = 0,0049 A × 1000 Ω = 4,9 V Zwróć uwagę, że po dodaniu spadków napięcia w obu rezystorach otrzymasz wartość 6 V, czyli tyle, ile dostarcza bateria. To nie przypadek. Dwa rezystory podłączone do tego obwodu dzielą napięcie dostarczane przez baterię proporcjonalnie na dwie części odpowiadające ich wartościom rezystancji. Tego rodzaju obwód nazywa się dzielnikiem napięcia. W wielu układach elektronicznych używa się dzielników napięcia w celu obniżenia napięcia do określonego poziomu, aby można je było wykorzystać do zasilania innej części układu, która wymaga niższego napięcia. Istnieje szybszy sposób na obliczenie „częściowych napięć” (U1 i U2) w obwodzie na rysunku 3.11. Wiadomo, że prąd przepływający przez obwód można wyrazić za pomocą następującego wzoru: I=

U we R1 + R 2

Wiemy również, że: U1 = I × R1 i U2 = I × R2

Zastosowanie prawa Ohma Prawo Ohma jest bardzo pomocne przy analizie napięć i natężeń prądu w rezystorach i innych elementach, które zachowują się jak rezystory, np. żarówkach. Nie można jednak na nim w zupełności polegać, jeśli w obwodzie znajdują się inne elementy elektroniczne, takie jak kondensatory (opisane w rozdziale 4.) i cewki indukcyjne (opisane w rozdziale 5.), których rezystancja może się zmieniać w różnych warunkach.

W takich przypadkach zmienia się impedancja — przeciwieństwo prądu — która zależy od warunków panujących w obwodzie. Podsumowując, nie można użyć multimetru do mierzenia „rezystancji” np. kondensatora, a następnie zastosować prawa Ohma do obliczenia innych wartości. Szczegółowy opis impedancji znajduje się w rozdziale 4.

Rozdział 3: Napotykamy czynny opór Aby np. obliczyć U1, można w miejsce symbolu prądu (I) podstawić działanie obliczania prądu: U1 =

U we × R1 R1 + R 2

Składniki wyrażenia można poprzestawiać, aby uzyskać następujące równanie: U1 =

R1 × Uwe R1 + R 2

To samo można zrobić ze wzorem na U2: U2 =

R2 × Uwe R1 + R 2

Po podstawieniu wartości R1, R2 i Uwe otrzymamy taki sam wynik jak wcześniej, czyli U1 = 1,078 V i U2 = 4,9 V. To ogólne równanie jest bardzo często używane do obliczania napięcia w rezystorze (R1) w dzielnikach napięcia: U1 =

R1 × Uwe R1 + R 2

Aby obliczyć napięcie wyjściowe (Uwy) z dzielnika napięcia przedstawionego na rysunku 3.2 przy użyciu powyższego wzoru, należy wykonać następujące obliczenia: Uwy = =

15000 Ω ×9V (12000 + 15000)Ω 15000 ×9V 27000

=5V Napięcie wyjściowe obwodu pokazanego na rysunku 3.2 będzie zredukowane z 9 do 5 V.

Obliczanie rezystancji Załóżmy, że mamy dużą latarkę zasilaną z baterii 12 V; w obwodzie latarki zmierzyliśmy natężenie prądu i wyszło nam 1,3 A (sposoby mierzenia prądu opisaliśmy w rozdziale 12.). Rezystancję żarówki możemy obliczyć, dzieląc napięcie (12 V) przez natężenie prądu (1,3 A) w żarówce. Wystarczy prosty rachunek: Rż = 12 V/1,3 A = 9 Ω

71

72

Część I: Podstawy elektroniki

Do czego tak naprawdę przydaje się prawo Ohma? Prawo Ohma jest przydatne do analizowania wszelkiego rodzaju obwodów — zarówno prostych, jak i skomplikowanych. Przy jego wykorzystaniu oblicza się napięcie i natężenie prądu dostarczanego do różnych miejsc w projektowanych lub modyfikowanych obwodach elektronicznych. Prawo Ohma będziesz stosować tak często, że po pewnym czasie stanie się Twoją drugą naturą.

Analizowanie skomplikowanych obwodów Prawo Ohma jest najprzydatniejsze w analizowaniu złożonych obwodów, nie takich, które zawierają tylko źródło prądu i żarówkę. Aby dowiedzieć się, gdzie płynie prąd i gdzie w obwodzie występują spadki napięcia, często trzeba wykorzystać wiedzę na temat rezystancji zastępczych, której posiadanie umożliwia zastosowanie prawa Ohma. Załóżmy, że do obwodu przedstawionego na rysunku 3.11 dodaliśmy rezystor o wartości 2,2 kΩ, który połączyliśmy równolegle z istniejącym już w tym obwodzie rezystorem o wartości 1 kΩ (rysunek 3.12). Natężenie prądu płynącego przez każdy z tych rezystorów można obliczyć pojedynczo:

Rysunek 3.12. Skomplikowane obwody można analizować, stosując prawo Ohma i obliczając wartości rezystancji równoważnej

1. Obliczenie rezystancji zastępczej obwodu. Tę wartość można obliczyć, stosując zasady opisane dla równoległych i szeregowych połączeń rezystorów: Rz = 220 +

1000 × 2200 1000 + 2200

≈ 220 + 688 ≈ 908 Ω 2. Obliczenie natężenia prądu dostarczanego przez baterię. Tu trzeba zastosować prawo Ohma, jako wiadomych używając napięcia baterii i obliczonej rezystancji równoważnej:

Rozdział 3: Napotykamy czynny opór Iwe = 6 V/908 Ω ≈ 0,0066 A, czyli 6,6 mA 3. Obliczenie spadku napięcia spowodowanego przez rezystory równoległe. Można to zrobić na dwa sposoby: • Zastosować prawo Ohma do rezystorów równoległych. Obliczamy rezystancję równoważną dwóch równoległych rezystorów i uzyskany wynik mnożymy przez natężenie prądu źródłowego. W poprzednim punkcie obliczyliśmy, że rezystancja równoważna wynosi 688 Ω. W związku z tym napięcie obliczymy tak: U2 = 0,0066 A × 688 Ω •

≈ 4,55 V Zastosować prawo Ohma do rezystora o wartości 220 Ω i odjąć jego napięcie od napięcia źródłowego. Napięcie w rezystorze 220 Ω wynosi: U1 = 0,0066 A × 220 Ω ≈ 1,45 V Zatem napięcie na rezystorach równoległych wynosi: U2 = Uwe – U1 = 6 V – 1,45 V = 4,55 V

4. Na koniec obliczamy natężenie prądu przepływającego przez każdy rezystor równoległy. Stosujemy prawo Ohma do każdego z rezystorów i wstawiamy wartość napięcia, którą przed chwilą obliczyliśmy: I1 = 4,55 V/1000 Ω ≈ 0,0046 A, czyli 4,6 mA I2 = 4,55 V/2200 Ω ≈ 0,002 A, czyli 2 mA Zauważ, że suma natężeń prądu w gałęziach I1 i I2 jest równa natężeniu prądu źródłowego Iwe: 4,6 mA + 2 mA = 6,6 mA. Mamy dowód, że wszystkie obliczenia wykonaliśmy poprawnie.

Projektowanie i modyfikowanie obwodów Na podstawie prawa Ohma można określić, jakich elementów należy użyć w projektowanym obwodzie. Możesz np. mieć obwód szeregowy składający się z baterii 9 V, rezystora i diody LED (rysunek 3.1). Z rozdziału 6. dowiesz się, że spadek napięcia na diodzie LED jest stały dla pewnego przedziału natężenia prądu, po którego przekroczeniu następuje spalenie diody. Przyjmijmy, że nasza dioda ma napięcie pracy 2 V, a maksymalne natężenie prądu, jakie może wytrzymać, to 25 mA. Jaki opornik należy połączyć szeregowo z tą diodą, aby natężenie prądu nigdy w niej nie przekroczyło 25 mA? Aby się tego dowiedzieć, najpierw musimy obliczyć spadek napięcia na rezystorze przy włączonej diodzie. Wiemy już, że napięcie źródłowe wynosi 9 V oraz że dioda pochłania 2 V z tej wartości. Jedyny element tego obwodu poza diodą to rezystor, który będzie

73

74

Część I: Podstawy elektroniki musiał wziąć na siebie resztę napięcia, czyli 7 V. Aby natężenie prądu w obwodzie nie przekroczyło 25 mA, należy użyć rezystora o rezystancji nie mniejszej niż 7 V/0,025 A = 280 Ω. Ponieważ nie ma rezystorów o rezystancji 280 Ω, zastosujemy rezystor o wartości 300 Ω. Uzyskamy wówczas prąd o natężeniu 7 V/300 Ω = 0,023 A, czyli 23 mA. Dioda może świecić nieco jaśniej, ale nic złego się jej nie stanie. Prawo Ohma jest również przydatne, kiedy trzeba zmodyfikować istniejący obwód. Powiedzmy, że chcesz sobie jeszcze poczytać, a Twoja żona chce już spać, więc wyciągasz swoją dużą latarkę. Żarówka w latarce ma rezystancję 9 Ω i jest zasilana z baterii 6 V. Dzięki temu wiadomo, że w obwodzie latarki płynie prąd o natężeniu 6 V/9 Ω = 0,65 A. Dla małżonki światło latarki jest trochę za jasne, więc w celu zmniejszenia jasności latarki i ratowania swojego małżeństwa postanawiasz nieco zmniejszyć natężenie prądu przepływającego przez żarówkę. Uznajesz, że zmniejszenie natężenia prądu do 0,45 A powinno wystarczyć, i wiesz, że aby zmniejszyć natężenie prądu między baterią a żarówką, trzeba wstawić szeregowo rezystor. Ale jaką wartość rezystancji należy zastosować? Można to obliczyć, wykorzystując prawo Ohma:

9 Mając wyznaczone żądane natężenie prądu, można obliczyć potrzebny spadek napięcia na żarówce: Uż = 0,45 A × 9 Ω ≈ 4,1 V.

9 Oblicz, jaką część napięcia źródłowego zastosujesz na nowym rezystorze. W tym

celu odejmij od napięcia źródłowego napięcie pracy żarówki: UR = 6 V – 4,1 V = 1,9 V.

spadku napięcia przy 9 Oblicz wartość rezystancji rezystora potrzebną do uzyskania 1,9 V uwzględnieniu żądanego nowego natężenia prądu: R =

/0,45 A ≈ 4,2 Ω.

9 Wybierz rezystor o rezystancji zbliżonej do obliczonej wartości i sprawdź, czy ma on wystarczającą moc: PR = 1,9 V × 0,45 A ≈ 0,9 W.

Wynik: ponieważ nie ma rezystora o wartości 4,2 Ω, możesz użyć rezystora o wartości 4,7 Ω i mocy znamionowej 1 W. Żona będzie spała jak suseł. Oby tylko chrapanie nie przeszkadzało Ci w czytaniu.

Moc prawa Joule’a Innym naukowcem, który miał pełne ręce roboty w pierwszej połowie XIX wieku, był James Prescott Joule. Owocem jego pracy jest równanie pozwalające obliczyć moc (opisana wcześniej w tym rozdziale), które znamy pod nazwą prawa Joule’a: P=U×I Równanie to oznacza, iż moc (mierzona w watach) jest równa iloczynowi napięcia (mierzone w woltach) i wartości natężenia prądu (mierzonego w amperach) przepływającego przez dane ciało. Najlepsze jest to, że równanie to ma zastosowanie do wszystkich elementów elektronicznych, a więc żarówek, rezystorów, kondensatorów itp. Jego wynik informuje, jaka ilość energii elektrycznej jest zużywana przez dany element — jaka jest jego moc.

Rozdział 3: Napotykamy czynny opór

Zastosowanie prawa Joule’a przy wyborze elementów elektronicznych Wiesz już, jak na podstawie prawa Joule’a wybrać rezystor wystarczająco duży, aby nie uległ stopieniu w obwodzie. Powinieneś jednak wiedzieć, że równanie to ma zastosowanie również przy wyborze innych części elektronicznych. Lampy, diody (opisane w rozdziale 6.) także mają określoną moc maksymalną. Jeśli dostarczysz do nich zbyt dużo mocy, to z rozczarowaniem będziesz się przyglądać, jak skaczą i skwierczą. Przy wyborze części do obwodu, należy wziąć pod uwagę, jaki maksymalny poziom mocy będą musiały wytrzymać. Aby się tego dowiedzieć, trzeba obliczyć, jakie będzie największe możliwe natężenie prądu przepływającego przez daną część i jakie jest na niej napięcie, a następnie pomnożyć te dwie wartości. Potem wybierz część o mocy znamionowej nieco wyższej niż wartość, którą uzyskałeś w obliczeniach.

Joule i Ohm — doskonały duet Jeśli jesteś pomysłowy, możesz połączyć prawa Ohma i Joule’a, aby utworzyć bardzo przydatne równania do obliczania mocy elementów oporowych i obwodów. Jeśli np. w równaniu prawa Joule’a za U podstawisz I × R, otrzymasz takie oto równanie: P = (I × R) × I = I2R W ten sposób możesz obliczyć moc, jeśli znasz wartość natężenia prądu i rezystancji, ale nie masz podanej wartości napięcia. Analogicznie w miejsce I możesz podstawić U/R: P = U × U/R = U 2 R Przy użyciu tego wzoru możesz obliczyć moc, jeśli masz podane napięcie i rezystancję, ale nie znasz wartości natężenia prądu. Prawa Joule’a i Ohma są tak często używane razem, że czasami Georgowi Ohmowi mylnie przypisuje się autorstwo obu!

Spróbuj swych sił w projektowaniu obwodów z rezystorami Jeśli chcesz trochę poeksperymentować z prawdziwymi obwodami zawierającymi rezystory, to możesz teraz przejść na początek rozdziału 14. Przedstawione tam obwody pozwalają zapoznać się z praktycznym zastosowaniem prawa Ohma. Za pomocą dołączonego do nich potencjometru można zmieniać rezystancję i dzielić wartości napięcia. Zanim jednak wykonasz tak daleki skok, zachęcamy Cię do przeczytania części II, z której dowiesz się, jak zorganizować swój warsztat, przestrzegać zasad bezpieczeństwa, odczytywać schematy ideowe, konstruować obwody i mierzyć wszystko, co jest w zasięgu wzroku.

75

76

Część I: Podstawy elektroniki

Rozdział 4

Wydobywanie ładunku z kondensatorów W tym rozdziale: ► Przechowywanie energii elektrycznej w kondensatorach ► Ładowanie i rozładowywanie kondensatorów ► Mówienie „nie” prądowi stałemu i mówienie „tak” prądowi zmiennemu ► Sprawdzanie, jak kondensatory reagują na różne częstotliwości ► Stosowanie prawa Ohma (bardzo ostrożnie) do analizy obwodów z kondensatorami ► Tworzenie dynamicznych duetów złożonych z kondensatorów i rezystorów ► Wykorzystanie kondensatorów do blokowania, filtrowania, wygładzania i opóźniania sygnałów

J

eśli rezystory są najczęściej używanym elementem obwodów elektronicznych, to kondensatory ustępują im pod względem popularności tylko o włos. Te mogące przechowywać energię elektryczną urządzenia są bardzo ważną częścią wszelkiego rodzaju obwodów elektronicznych i gdyby nie one, to nasze życie byłoby znacznie nudniejsze. Kondensatory mogą zmieniać kształt (przebieg fali w czasie) sygnałów elektrycznych przenoszonych przez prąd, czego nie potrafią robić rezystory. I chociaż zrozumienie zasady działania kondensatorów nie jest tak łatwe, jak to było w przypadku rezystorów, elementy te są niezbędnym składnikiem wielu układów elektronicznych, wśród których można wymienić odbiorniki radiowe, pamięci komputerowe i systemy poduszek powietrznych stosowane w samochodach. Dlatego warto poświęcić czas i trochę wysiłku, aby je poznać. W rozdziale tym wyjaśniliśmy, jak są zbudowane kondensatory, jak przechowują energię elektryczną oraz jak ta energia jest wykorzystywana w obwodach. Dowiesz się, jak kondensator jest ładowany, aby następnie mógł uwolnić zgromadzoną energię, oraz jak reaguje na sygnały o różnych częstotliwościach. Objaśniliśmy też, jak stosować prawo Ohma do analizy obwodów zawierających kondensatory, i pokazaliśmy, jak za pomocą kombinacji kondensatorów i rezystorów uzyskuje się różne efekty. Na zakończenie omówiliśmy rozmaite zastosowania kondensatorów w obwodach elektronicznych, czym udowodniliśmy poza wszelkimi wątpliwościami, że warto zapoznać się z tym rodzajem elementów elektronicznych.

78

Część I: Podstawy elektroniki

Kondensatory — zbiorniki na energię elektryczną Kiedy chce Ci się pić, to zazwyczaj masz dwie możliwości do wyboru — możesz napić się wody prosto u źródła, czyli z kranu, albo nalać sobie napoju z jakiegoś zbiornika, np. automatu z chłodzoną wodą. Podobnie możesz myśleć o energii elektrycznej: można ją pobierać bezpośrednio ze źródła (np. baterii albo generatora) lub ze specjalnego urządzenia służącego do jej przechowywania — kondensatora. Tak jak automat z wodą podłącza się do źródła wody, kondensator napełnia się energią elektryczną, podłączając go do źródła energii elektrycznej. I podobnie jak w automacie woda pozostaje także po odłączeniu od niego źródła, tak też energia elektryczna zgromadzona w kondensatorze nie znika po odjęciu zasilania. W obu przypadkach zgromadzony materiał (woda albo energia elektryczna) pozostaje w „zbiorniku”, dopóki ktoś lub coś go stamtąd nie weźmie — spragniony osobnik albo element elektroniczny potrzebujący energii elektrycznej. Kondensatory to bierne elementy służące do przechowywania energii elektrycznej pochodzącej ze źródła napięcia prądu (rysunek 4.1). Jeśli usunie się źródło napięcia i odizoluje kondensator w taki sposób, aby nie znajdował się w zamkniętym obwodzie, to będzie on przechowywał zgromadzoną energię elektryczną. Jeśli połączy się go z innymi elementami elektronicznymi w zamkniętym obwodzie, to uwolni część lub całość swojej energii. Kondensator jest zbudowany z dwóch metalowych płytek rozdzielonych izolatorem (dielektrykiem).

Rysunek 4.1. Dwa symbole używane do oznaczania kondensatorów na schematach

Kondensator czy bateria — co za różnica? Zarówno kondensatory, jak i baterie przechowują energię elektryczną, lecz robią to na różne sposoby. Jak objaśniliśmy w rozdziale 2., w bateriach w wyniku reakcji elektrochemicznych powstają naładowane cząstki, które gromadzą się na dwóch metalowych końcówkach i w ten sposób wywołują napięcie. Kondensator nie wytwarza naładowanych cząstek, ale pozwala takim cząstkom gromadzić się na swoich

płytkach, co powoduje, że między tymi płytkami powstaje napięcie (zob. podrozdział „Ładowanie i rozładowywanie kondensatorów”). Energia elektryczna w baterii powstaje więc w wyniku wewnętrznego przekształcenia energii chemicznej, natomiast energia elektryczna w kondensatorach pochodzi z zewnętrznego źródła zasilania.

Rozdział 4: Wydobywanie ładunku z kondensatorów

Ładowanie i rozładowywanie kondensatorów Jeśli do obwodu składającego się z kondensatora połączonego szeregowo z żarówką przyłożymy napięcie prądu stałego (rysunek 4.2), to przepływ prądu nie będzie mógł być podtrzymany, ponieważ płytki kondensatora nie są połączone żadnym przewodnikiem. A jednak elektrony będą płynąć (przez krótki czas) w tym małym obwodzie w bardzo ciekawy sposób.

Rysunek 4.2. Gdy do obwodu zawierającego kondensator zostanie podłączona bateria, kondensator będzie ładowany. Naładowany kondensator przechowuje energię elektryczną i pod tym względem jest podobny do baterii

Pamiętaj, że na ujemnym biegunie baterii wystąpił nadmiar elektronów. Dlatego zaczynają one poruszać się w kierunku jednej z płytek kondensatora (co widać na rysunku 4.2). Gdy dotrą do kondensatora, zatrzymują się, ponieważ nie mają którędy przejść dalej. Wynikiem tego jest nadmiar elektronów na płytce. Jednocześnie dodatni biegun baterii przyciąga do siebie elektrony z drugiej płytki kondensatora, które w wyniku działania tej siły zaczynają się ruszać. Przechodząc przez żarówkę, zaświecają ją, ale tylko na moment (wyjaśnimy to w następnym akapicie). To powoduje powstanie dodatniego ładunku (ze względu na niedobór elektronów) na płytce. Jako że na jednej płytce zgromadził się dodatni ładunek, a na drugiej ujemny, między tymi płytkami występuje różnica potencjałów. Reprezentuje ona energię elektryczną zgromadzoną w kondensatorze. Bateria popycha elektrony do jednej z płytek (i przyciąga elektrony z drugiej) tak długo, aż spadek napięcia na płytkach kondensatora wyrówna się z napięciem baterii. W tym stanie równowagi nie występują żadne różnice napięcia między kondensatorem a baterią, więc nie ma siły, która by wymuszała ruch elektronów baterii do kondensatora. Kondensator przestaje być ładowany, elektrony przestają się poruszać po obwodzie i żarówka gaśnie.

79

80

Część I: Podstawy elektroniki Kiedy spadek napięcia na płytkach kondensatora jest równy napięciu baterii, to mówi się, że kondensator jest w pełni naładowany (w rzeczywistości naładowane są tylko płytki kondensatora, a sam kondensator jako całość nie ma ładunku). Nawet jeśli nie odłączymy baterii, kondensator nie będzie się dalej ładował, ponieważ nie będzie występowała różnica napięć między nim a baterią. Kiedy odłączysz baterię, prąd nadal nie będzie płynąć i ładunek zgromadzony na płytkach kondensatora pozostanie na swoim miejscu. Kondensator jest jak źródło prądu, ponieważ przechowuje ładunek elektryczny, w którym zgromadzona jest energia. Im większej użyjesz baterii, tym większy ładunek zostanie zgromadzony na każdej z płytek i tym większy spadek napięcia wytworzy się na kondensatorze — do pewnej granicy. Kondensatory mają fizyczne ograniczenia — mogą przyjąć tylko określoną ilość ładunku, po której przekroczeniu znajdujący się między płytkami dielektryk przestaje działać jak izolator i zaczyna przepuszczać elektrony, co powoduje, że między płytkami następuje wyładowanie łukowe. Więcej na ten temat napisaliśmy w podrozdziale „Pilnowanie napięcia roboczego”. Jeśli zamiast baterii do obwodu dołączysz zwykły drut, utworzysz ścieżkę biegnącą przez żarówkę; ścieżką tą będą mogły płynąć elektrony zgromadzone na jednej z płytek do drugiej płytki. Płytki kondensatora rozładują się poprzez żarówkę, która zaświeci się mimo braku baterii i będzie świeciła, aż ładunek na obu płytkach stanie się obojętny. Energia elektryczna zgromadzona w kondensatorze zostanie zużyta przez żarówkę. Kiedy kondensator się rozładuje (a tak naprawdę rozładują się jego płytki), prąd przestanie płynąć. Kondensator może przechowywać energię elektryczną przez wiele godzin. Dlatego zanim weźmiesz go do ręki, upewnij się, że jest rozładowany, aby przypadkiem nie rozładował się przez Twoje ciało. Aby rozładować kondensator, można podłączyć jego wyprowadzenia do żarówki przy użyciu izolowanego zacisku szczękowego (opisanego w rozdziale 9.) i poczekać kilka sekund, aż przestanie ona świecić. Jeśli nie masz pod ręką żarówki, to podłącz rezystor o wartości 10 kΩ i 1 W na przynajmniej 30 sekund.

Przeciwstawianie się zmianom napięcia Ponieważ zgromadzenie ładunku na płytkach kondensatora podłączonego do napięcia stałego, jak również opuszczenie płytek przez ładunek po odjęciu takiego zasilania zajmuje trochę czasu, o kondensatorach mówi się, że „przeciwstawiają się zmianom napięcia”. Oznacza to, że jeśli nagle zmieni się wartość napięcia przyłożonego do kondensatora, element ten nie zareaguje na tę zmianę natychmiast. Napięcie na kondensatorze zmienia się wolniej niż napięcie do niego przyłożone. Wyobraź sobie, że siedzisz w swoim samochodzie i czekasz na zapalenie się zielonego światła. Gdy światło to się pojawia, ruszasz samochodem i jedziesz coraz szybciej, aż osiągniesz określoną prędkość maksymalną. Przyspieszenie do tego pułapu zajmuje trochę czasu i podobnie jest z napięciem w kondensatorze — potrzeba czasu, aby osiągnęło określony poziom. Jest to znacząca różnica w stosunku do rezystorów, w których napięcie zmienia się prawie natychmiast. Zanim napięcie w kondensatorze wyrówna się z napięciem źródła zasilania, musi upłynąć trochę czasu i wcale nie jest to czymś złym. W istocie w wielu obwodach kondensatorów używa się właśnie ze względu na tę ich właściwość. Cecha ta decyduje o możliwości zmiany przez kondensatory kształtu sygnałów elektrycznych.

Rozdział 4: Wydobywanie ładunku z kondensatorów

Przepuszczanie prądu zmiennego Podczas gdy kondensatory nie przepuszczają prądu stałego (nie licząc krótkiej chwili, o której pisaliśmy w poprzednim podrozdziale), ponieważ znajdujący się w nich dielektryk uniemożliwia przepływ elektronów, mogą przepuszczać prąd zmienny. Wyobraźmy sobie, że mamy kondensator, przez który płynie prąd zmienny. Przypomnijmy, że napięcie prądu zmiennego oscyluje w górę i w dół, zaczynając od zera, rośnie do wartości szczytowej, następnie spada do zera i poniżej niego do ujemnej wartości szczytowej, a następnie znowu wzrasta do zera i do dodatniej wartości szczytowej itd. Wyobraź sobie, że jesteś atomem na jednej z płytek kondensatora i patrzysz na tę końcówkę źródła zasilania, która jest bliżej Ciebie. Spostrzeżesz, że czasami jakaś siła odciąga Twoje elektrony od Ciebie, a czasami jakaś inna siła popycha więcej elektronów w Twoim kierunku. W obu przypadkach natężenie tej siły zmienia się w czasie. Ty i pozostałe atomy na płytce będziecie na przemian oddawać elektrony i przyjmować je w takt zmian napięcia źródłowego. Co tak naprawdę się dzieje? Kiedy napięcie źródłowe wzrasta od 0 woltów do wartości szczytowej, kondensator jest ładowany, podobnie jak się dzieje w przypadku podłączenia prądu stałego. Gdy napięcie źródłowe ma wartość szczytową, kondensator może, ale nie musi być w pełni naładowany (to zależy od wielu czynników, m.in. od rozmiaru płytek kondensatora). Następnie napięcie źródłowe zaczyna spadać od wartości szczytowej do 0 woltów. Gdy to się dzieje, w pewnym momencie napięcie źródłowe robi się niższe niż napięcie kondensatora i od tej chwili kondensator zaczyna się rozładowywać poprzez źródło prądu zmiennego. Następnie zmienia się polaryzacja napięcia źródłowego i kondensator przez cały czas ulega rozładowaniu. Podczas gdy napięcie źródłowe zmierza w dół, w kierunku ujemnej wartości szczytowej, ładunki zaczynają gromadzić się na płytkach w odwrotnej kolejności — płytka, która poprzednio przechowywała więcej ładunków ujemnych, teraz będzie miała więcej ładunków dodatnich, a płytka, która uprzednio miała więcej ładunków dodatnich, teraz ma więcej ładunków ujemnych. Gdy napięcie źródłowe zaczyna rosnąć po osiągnięciu ujemnej wartości szczytowej, kondensator znowu rozładowuje się, ale w odwrotnym kierunku niż poprzednio, i cykl się powtarza. Takich cykli, w których trakcie kondensator próbuje nadążyć za fluktuacjami zmiennego napięcia źródłowego, w ciągu sekundy mogą być tysiące, a nawet miliony. Ponieważ źródło napięcia zmiennego bezustannie zmienia kierunek prądu, kondensator ciągle przechodzi cykl ładowania, rozładowywania i ponownego ładowania itd. W wyniku tego ładunki poruszają się po obwodzie w tę i z powrotem i mimo iż przez dielektryk nie przepływa żaden prąd (oprócz niewielkiego prądu upływowego), efekt jest taki sam, jak gdyby przez kondensator płynął prąd. Dlatego mówi się, że kondensatory przepuszczają prąd zmienny, ale blokują prąd stały. Jeśli do obwodu prądu zmiennego z kondensatorem zostanie podłączona żarówka, to będzie ona świeciła tak długo, jak długo będzie podłączone źródło prądu. Prąd przepływający przez żarówkę będzie ciągle zmieniał kierunek, ale dla żarówki nie ma znaczenia, w którą stronę on płynie (inaczej jest jednak w przypadku diod LED, dla których kierunek przepływu prądu ma fundamentalne znaczenie). Mimo iż przez kondensator nie przepływa w rzeczywistości żaden prąd, ładowanie i rozładowywanie płytek kondensatora sprawia, że prąd płynie przez obwód raz w jedną, a raz w drugą stronę.

81

82

Część I: Podstawy elektroniki

Do czego służą kondensatory? Kondensatory są obecne w większości używanych na co dzień obwodów elektronicznych. Ich najważniejsze właściwości — tzn. możliwość magazynowania energii elektrycznej, blokowanie prądu stałego i zmienianie oporu stawianego prądowi elektrycznemu w zależności od jego częstotliwości — są bardzo często wykorzystywane w budowie wielu funkcjonalnych układów elektronicznych. Oto kilka sposobów użycia kondensatorów w obwodach:

9 Magazynowanie energii elektrycznej — w wielu urządzeniach kondensatorów

używa się do magazynowania energii elektrycznej, aby móc z niej skorzystać kiedy indziej. Zasilacze bezprzerwowe (UPS) i budziki dzięki tym elementom mogą działać nawet wtedy, gdy wystąpią przerwy w zasilaniu. Energia zmagazynowana w kondensatorze zaczyna być uwalniana w momencie odłączenia źródła zasilania (czyli wówczas, gdy elektrownia wyłączy prąd). W aparatach fotograficznych kondensatory są wykorzystywane do przechowywania energii przez krótki czas w celu wywołania błysku, a wiele urządzeń elektronicznych ma kondensatory po to, aby podtrzymywały ich funkcje przez krótki czas wymiany baterii na nowe. W samochodowych systemach nagłaśniających kondensatory wykorzystuje się do dostarczania większej ilości energii, niż jest w stanie dostarczyć układ elektryczny pojazdu. Gdyby nie kondensatory, to przy każdym cięższym uderzeniu w głośnikach w samochodzie przygasałyby żarówki!

9 Blokowanie przepływu prądu stałego między częściami obwodu — jeśli

kondensator połączy się szeregowo ze źródłem sygnału (np. mikrofonem), będzie blokował przepływ prądu stałego, ale przepuszczał prąd zmienny. Nazywa się to sprzężeniem pojemnościowym lub sprzężeniem zmiennoprądowym. Kondensatory stosowane w taki sposób nazywa się kondensatorami sprzęgającymi; są one powszechnie używane w wielopoziomowych systemach audio, w których wykorzystuje się je do przepuszczania do kolejnych poziomów tylko zmiennoprądowej części sygnału, która zawiera zakodowane informacje o dźwięku. Całość prądu stałego, który na poprzednim poziomie służył do zasilania elementów układu elektronicznego, jest usuwana przed wzmocnieniem sygnału.

9 Wygładzanie napięcia — konstruktorzy zasilaczy zamieniających prąd zmienny

na prąd stały często wykorzystują fakt, że kondensatory wolno reagują na nagłe zmiany napięcia. W urządzeniach tych montuje się duże kondensatory elektrolityczne, które mają za zadanie wygładzać zmienne dostawy prądu stałego. Te tzw. kondensatory wygładzające utrzymują względnie ten sam poziom stałego napięcia wyjściowego, ponieważ gdy tylko zasilanie spadnie poniżej pewnej z góry określonej wartości, rozpoczyna się ich rozładowywanie. Jest to klasyczny przykład użycia kondensatora do przechowywania energii w celu skorzystania z niej, gdy będzie potrzebna. Kiedy zasilanie prądu stałego nie jest w stanie dostarczyć odpowiedniego napięcia, kondensator oddaje część swojej energii, aby uzupełnić niedobór.

9 Tworzenie zegarów — ponieważ naładowanie i rozładowanie kondensatorów

zajmuje trochę czasu, często używa się ich w układach czasowych do tworzenia „tyknięć zegara”, kiedy napięcie wzrasta ponad pewien określony poziom lub spada poniżej niego. Chronologię tych tyknięć można ustalić poprzez dobór odpowiedniego kondensatora i innych elementów obwodu (szczegółowe informacje na ten temat znajdują się w podrozdziale „Współpraca z rezystorami”).

Rozdział 4: Wydobywanie ładunku z kondensatorów

9 Wybieranie częstotliwości — kondensatorów często używa się do wybierania

i odrzucania określonych sygnałów elektrycznych w zależności od tego, jaką mają częstotliwość. Na przykład w tunerze radiowym kondensatory w połączeniu z innymi elementami elektronicznymi umożliwiają przepuszczenie sygnału tylko jednej rozgłośni radiowej do fazy wzmacniania. Każda stacja radiowa nadaje na jednej przypisanej jej częstotliwości, a zadaniem konstruktora odbiornika radiowego jest umożliwienie dostrojenia go do odbioru sygnałów o wybranej częstotliwości. Ponieważ działanie kondensatorów zmienia się w zależności od częstotliwości sygnału, stanowią one kluczowy element tego typu układów. W efekcie otrzymujemy coś, co można nazwać filtrem elektronicznym. (Więcej informacji na temat prostych filtrów elektronicznych znajduje się w podrozdziale „Wybór częstotliwości przy użyciu prostych filtrów RC”).

Charakterystyka kondensatorów Kondensatory mogą mieć różną budowę. W ich konstrukcji wykorzystuje się rozmaite materiały, z których wykonane są płytki i dielektryk. Także same płytki mogą przybierać różnorakie kształty. Budowa kondensatora określa jego właściwości i zachowanie w obwodzie.

Ile ładunku można zmagazynować na płytce kondensatora? Pojemność elektryczna ośrodka to jego zdolność do magazynowania ładunku. Terminu tego używa się też do określania, jakiej wielkości ładunek można zmagazynować na jednej z płytek kondensatora. Im wyższa pojemność elektryczna płytek, tym więcej ładunku można przechowywać w kondensatorze w danym czasie. Poziom pojemności elektrycznej kondensatora zależy od trzech czynników — pola powierzchni płytek, grubości oddzielającego je dielektryka oraz rodzaju dielektryka (więcej na temat dielektryków napisaliśmy nieco dalej w tym podrozdziale). Nie musisz umieć obliczać pojemności kondensatorów (chociaż istnieje odpowiedni, strasznie wyglądający wzór), ponieważ każdy kondensator wart zapłaconych za niego pieniędzy ma stosowne oznaczenia parametrów. Lecz warto wiedzieć, jak ilość ładunku, jaką można zmagazynować na płytkach kondensatora, zależy od jego konstrukcji. Jednostką pojemności elektrycznej jest farad. Jeden farad (F) oznacza pojemność elektryczną kondensatora, na którym napięcie zwiększy się o 1 wolt, gdy dostarczymy do niego ładunek elektryczny o wielkości 1 kulomba. Mniejsza jednak o szczegóły. Najważniejsze jest, abyś zapamiętał, że farad to bardzo duża jednostka. W praktyce będziesz napotykać kondensatory o znacznie mniejszej pojemności elektrycznej, do której wyrażania będą potrzebne bardzo małe jednostki, takie jak mikrofarady (μF) albo nawet pikofarady (pF). Mikrofarad jest jedną milionową farada (czyli 0,000001 farada), a pikofarad jest jedną milionową jednej milionowej farada (czyli 0,000000000001 farada).

83

84

Część I: Podstawy elektroniki

Duży kondensator w maleńkiej obudowie Produkcja kondensatorów o pojemności jednego farada jest możliwa od niedawna. Kondensator o takiej pojemności wytworzony przy użyciu starszych technik byłby większy od chlebaka i bardzo nieporęczny.

jednego farada i większej, który zmieści się w dłoni. Kondensatory w roli zastępników baterii używane są w pamięciach komputerowych, radiach z budzikiem i wielu innych urządzeniach elektronicznych, które potrzebują niewielkich ilości energii, gdy są odłączone Dzięki opracowaniu nowych technologii i materiałów, od źródła zasilania. takich jak mikroskopijne granulki węgla, obecnie możliwe jest wyprodukowanie kondensatora o pojemności

Kilka przykładowych wartości:

9 Kondensator o wartości 10 μF ma pojemność dziesięciu milionowych farada. 9 Kondensator o wartości 1 μF ma pojemność jednej milionowej farada. 9 Kondensator o wartości 100 pF ma pojemność stu milionowych jednej milionowej farada, czyli 100 milionowych mikrofarada. Uff!

Duże kondensatory (o pojemności 1 F i większe) są używane w systemach magazynowania energii, natomiast mniejsze kondensatory mają wiele zastosowań, które wymieniono w tabeli 4.1. Tabela 4.1. Charakterystyka kondensatorów Typ

Pojemność

Zastosowania

Ceramiczny

od 1pF do 2,2 μF

Filtrowanie, omijanie

Mikowy

od 1 pF do 1 μF

Odmierzanie czasu, oscylatory, układy o wysokiej precyzji

Foliowy

do 100 μF

Blokowanie prądu stałego, zasilanie prądem, filtrowanie

Poliestrowy (mylarowy)

od 0,001 do 100 μF

Sprzęganie, omijanie

Polipropylenowy

od 100 pF do 50 μF

Przełączanie źródła zasilania

Polistyrenowy

od 10 pF do 10μF

Odmierzanie czasu, dostrajanie

Tantalowy elektrolityczny

od 0,001 do 1000 μF

Omijanie, sprzęganie, blokowanie prądu stałego

Aluminiowy elektrolityczny

od 10 do 220000 μF

Filtrowanie, sprzęganie, omijanie, wygładzanie

Większość kondensatorów to raczej mało precyzyjne urządzenia. Rzeczywista pojemność może się trochę różnić od zaznaczonej pojemności znamionowej. Za tę sytuację odpowiadają różnice w procesie wytwarzania, a nie złe intencje producentów. Na szczęście niedokładności w określaniu pojemności kondensatorów rzadko stanowią problem w amatorskich obwodach. Trzeba jednak o tym wiedzieć, aby móc w razie potrzeby zaopatrzyć się w kondensator o wyższym stopniu dokładności. Kondensatory, podobnie jak rezystory, mają określoną tolerancję, którą wyraża się w procentach.

Rozdział 4: Wydobywanie ładunku z kondensatorów

Pilnowanie napięcia znamionowego Napięcie znamionowe to najwyższe napięcie, jakie według zaleceń producenta można bezpiecznie zastosować na kondensatorze. Jeśli zostanie przekroczone, może dojść do uszkodzenia dielektryku, czego wynikiem będzie przeskok prądu między płytkami, tak jak piorun uderza w czasie burzy. Jeśli do tego dojdzie, wystąpi zwarcie w kondensatorze, które spowoduje przepuszczenie przez niego wszystkich rodzajów prądu, co może spowodować zniszczenie pobliskich elementów. Wartość napięcia znamionowego typowego kondensatora przeznaczonego dla obwodów prądu stałego mieści się w przedziale od 16 do 35 V. To bardzo dużo, jak na obwody tego typu, gdyż do ich zasilania najczęściej używa się źródeł napięcia rzędu 3,3 lub 12 V. Jeśli masz zamiar skonstruować obwód zasilany większym napięciem, wybierz kondensator o napięciu znamionowym o jakieś 10 – 15 procent większym, tak na wszelki wypadek.

Wybór rodzaju (dielektryku) kondensatora Projektanci obwodów elektronicznych wybierają kondensatory na podstawie materiału, z jakiego zbudowany jest ich dielektryk. Niektóre materiały dobrze nadają się do pewnych zastosowań i są kompletnie nieprzydatne w innych. Na przykład na kondensatorach z dielektrykiem ceramicznym można polegać, jeśli częstotliwości sygnału nie przekraczają 100 000 herców, podczas gdy kondensatory z dielektrykiem mikowym charakteryzują się wyjątkowymi właściwościami pracy w wysokich częstotliwościach, a więc często są wykorzystywane do budowy precyzyjnych obwodów odmierzających czas i filtrujących. Ze względu na rodzaj użytego materiału do budowy dielektryku wyróżnia się kondensatory elektrolityczne aluminiowe, elektrolityczne tantalowe, ceramiczne, mikowe, polipropylenowe, poliestrowe (nazywane też czasami mylarowymi) i polistyrenowe. Jeśli w schemacie obwodu podany jest rodzaj kondensatora, jakiego należy użyć, to trzymaj się instrukcji. W tabeli 4.1 znajduje się lista najczęściej używanych rodzajów kondensatorów wraz z informacją o ich typowym zakresie wartości i najczęstszych zastosowaniach.

Rozmiary kondensatorów Jak widać na rysunku 4.3, kondensatory mogą mieć różne kształty i rozmiary. Kondensatory elektrolityczne aluminiowe i papierowe najczęściej mają kształt walcowaty. Kondensatory elektrolityczne tantalowe, ceramiczne, mikowe i polistyrenowe mają bardziej owalny kształt, ponieważ zanurza się je w kąpieli z materiału epoksydowego lub tworzywa sztucznego, które stanowią ich zewnętrzną powłokę. Ale nie wszystkie kondensatory danego typu (np. mikowe albo poliestrowe) produkuje się jednakowo i dlatego nie zawsze można określić cechy kondensatora tylko na podstawie jego wyglądu. Niektórzy sprzedawcy części elektronicznych oznaczają kondensatory według rodzaju zastosowanych w nich wyprowadzeń — osiowe lub radialne. Wyprowadzenia w kondensatorach osiowych wystają z dwóch końców kondensatora walcowatego. Natomiast wyprowadzenia kondensatora radialnego wychodzą z jednej strony i są do siebie równoległe (dopóki ich nie zegniemy w celu podłączenia do obwodu).

85

86

Część I: Podstawy elektroniki

Rysunek 4.3. Kondensatory występują w wielu różnych kształtach i mogą mieć określoną polaryzację

Kiedy zajrzysz do wnętrza swojego komputera, to niektórych znajdujących się w nim kondensatorów możesz nie rozpoznać. Powodem tego jest fakt, iż kondensatory w komputerze nie mają w ogóle wyprowadzeń! Te tzw. kondensatory montowane powierzchniowo (ang. surface-mount package) są bardzo małe i przylutowuje się je bezpośrednio na płytkach obwodów drukowanych (PCB). Technologię montażu powierzchniowego (SMT) wykorzystuje się w produkcji masowej do montowania kondensatorów i innych elementów elektronicznych na płytkach obwodów drukowanych od lat 80. ubiegłego wieku, co pozwoliło na zaoszczędzenie miejsca i zwiększenie wydajności układów elektronicznych.

Polaryzacja kondensatorów Niektóre kondensatory elektrolityczne o dużej pojemności (od 1 μF) są spolaryzowane, tzn. na ich dodatnim biegunie musi być wyższe napięcie niż na biegunie ujemnym. W przypadku tego rodzaju kondensatorów sposób podłączenia do obwodu ma znaczenie. Kondensatory spolaryzowane są przeznaczone do użytku w obwodach prądu stałego. Wiele spolaryzowanych kondensatorów ma oznaczony ujemny biegun znakiem minus lub dużą strzałką, która wskazuje w jego kierunku. W kondensatorach radialnych ujemne wyprowadzenie jest zwykle krótsze od dodatniego. Z faktu, że na obudowach kondensatorów najczęściej oznacza się biegun ujemny, wcale nie wynika, że na schematach połączeń jest stosowany ten sam system oznaczeń. Jeśli w obwodzie jest użyty spolaryzowany kondensator, to na schemacie po jednej z jego stron będzie znajdował się znak plus (rysunek 4.4), pokazujący sposób montażu urządzenia. Rysunek 4.4. Symbole oznaczające kondensatory spolaryzowane

Rozdział 4: Wydobywanie ładunku z kondensatorów Jeśli kondensator ma oznaczone bieguny, to koniecznie zamontuj go w obwodzie we właściwy sposób. Jeśli zamienisz wyprowadzenia, tzn. połączysz dodatni biegun kondensatora z uziemieniem obwodu, to możesz spowodować przerwanie dielektryku i zwarcie w kondensatorze. To z kolei może doprowadzić do uszkodzenia innych elementów, jeśli popłynie do nich zbyt silny prąd, a nawet do wybuchu kondensatora.

Odczytywanie wartości kondensatorów Niektóre kondensatory mają na powierzchni nadrukowaną wartość pojemności wyrażoną w faradach lub podwielokrotnościach farada. Dotyczy to głównie większych kondensatorów, na których jest wystarczająco dużo miejsca na wydrukowanie wartości pojemności i napięcia roboczego. Pojemność większości mniejszych kondensatorów (np. dyskowych mikowych o pojemności 0,01 μF lub 0,1 μF) jest oznaczana przy użyciu specjalnego trzycyfrowego kodu. System ten nikomu nie sprawia problemów, ale ma jeden haczyk! (Zawsze musi być jakieś „ale”). Jednostką jest pikofarad, a nie mikrofarad. Liczba 103 w tym systemie oznacza 10 i trzy zera, a więc pojemność oznaczonego nią kondensatora wynosi 10 000 pikofaradów. Na niektórych kondensatorach znajdują się tylko dwie cyfry, które oznaczają rzeczywistą pojemność w pikofaradach, np. 22 oznacza 22 pikofarady. Brak trzeciej cyfry oznacza, że na końcu liczby nie należy dostawiać żadnych zer. Kondensatory o pojemności większej od 1000 pikofaradów są zwykle przez sprzedawców zaliczane do kategorii oznaczanych przy użyciu mikrofaradów, nawet jeśli oznaczenia na samym kondensatorze są wyrażone w pikofaradach. Aby zamienić wartość wyrażoną w pikofaradach odczytaną z kondensatora na mikrofarady, wystarczy przesunąć przecinek dziesiętny o sześć miejsc w lewo. Na przykład kondensator z wartością 103 (przykład z poprzedniego akapitu) ma pojemność 10 000 pF, czyli 0,01 μF. Przypuśćmy, że budujemy układ, w którym wymagany jest kondensator dyskowy o pojemności 0,1 μF. Możemy zamienić jednostkę na pikofarady, aby dowiedzieć się, jakiego oznaczenia należy szukać na obudowie kondensatora. W tym celu wystarczy przesunąć przecinek dziesiętny o sześć miejsc w prawo, aby otrzymać wartość 100 000 pF. Ponieważ w trzycyfrowym kodzie trzecia cyfra oznacza liczbę zer (4), jakie należy wstawić za liczbą utworzoną z dwóch pierwszych cyfr (10), powinniśmy szukać dyskowego kondensatora mikowego z oznaczeniem 104. W tabeli 4.2 wymieniono najczęściej spotykane oznaczenia kondensatorów zakodowane w tym systemie. Istnieje jeszcze inny, rzadziej używany system oznaczeń, w którym wykorzystywane są zarówno cyfry, jak i litery, np. 4R1. Położenie litery R określa miejsce przecinka dziesiętnego, a więc 4R1 oznacza 4,1. Jednak w tym systemie nie jest określona jednostka miary, a więc może to być zarówno pikofarad, jak i mikrofarad. Pojemność elektryczną można zmierzyć za pomocą pojemnościomierza albo multimetru z funkcją pomiaru pojemności elektrycznej. Większość przyrządów wymaga, aby kondensator włożyć do ich wnętrza, gdyż długie wyprowadzenia mogą zwiększać rzeczywistą pojemność badanego urządzenia, co zniekształca wynik.

87

88

Część I: Podstawy elektroniki Tabela 4.2. Oznaczenia pojemności kondensatorów Oznaczenie

Wartość

nn (liczba z przedziału 01 – 99)

nn pF

101

100 pF

102

0,001 μF

103

0,01 μF

104

0,1 μF

221

220 pF

222

0,0022 μF

223

0,022 μF

224

0,22 μF

331

330 pF

332

0,0033 μF

333

0,033 μF

334

0,33 μF

471

470 pF

472

0,0047 μF

473

0,047 μF

474

0,47 μF

Na wielu kondensatorach można znaleźć jednoliterowy kod określający tolerancję. Litera ta może znajdować się w dowolnym miejscu na obudowie lub być umieszczona bezpośrednio za trzycyfrowym kodem, np. 103Z. Litera Z oznacza tolerancję w zakresie od +80 do –20%. Oznacza to, że jeśli kondensator ma pojemność znamionową 0,01 μF, to jego pojemność rzeczywista może być aż o 80% większa lub o 20% mniejsza od znamionowej. W tabeli 4.3 wymieniono przykładowe oznaczenia tolerancji i podano ich znaczenie. Tabela 4.3. Oznaczenia tolerancji kondensatorów Kod

Tolerancja

B

± 0,1%

C

± 0,25%

D

± 0,5%

F

± 1%

G

± 2%

J

± 5%

K

± 10%

M

± 20%

Z

+80%, –20%

Rozdział 4: Wydobywanie ładunku z kondensatorów

Kondensatory zmienne Kondensatory zmienne pozwalają ustawiać pojemność stosownie do potrzeb. Symbole używane do oznaczania kondensatorów zmiennych pokazano na rysunku 4.5. Rysunek 4.5. Symbole używane do oznaczania kondensatorów zmiennych

Najczęściej używanym typem kondensatora zmiennego jest kondensator z dielektrykiem powietrznym, który powszechnie stosuje się np. w obwodach strojeniowych odbiorników radiowych AM. Mniejsze kondensatory zmienne są często wykorzystywane do budowy odbiorników i nadajników radiowych, w których obwodach używa się kryształów kwarcu w celu dostarczenia precyzyjnego sygnału odniesienia. Pojemność takich kondensatorów mieści się zwykle w przedziale od 5 do 500 pF. Kondensatory zmienne sterowane mechanicznie działają na zasadzie różnicowania odległości dzielącej płytki kondensatora lub zmiany powierzchni wzajemnego pokrywania się płytek. Rolę elektronicznie sterowanego zmiennego kondensatora może odgrywać specjalna dioda pojemnościowa (rodzaj urządzenia półprzewodnikowego, którego opis znajduje się w rozdziale 6.). Diody takie nazywane są waraktorami lub warikapami. Ich pojemność elektryczną można modyfikować poprzez zmianę wartości doprowadzanego do nich napięcia prądu stałego. Istnieje spora szansa, że będziesz częściej mieć do czynienia z kondensatorami zmiennymi niż własną żoną. Można je znaleźć w wielu urządzeniach działających na dotyk, a więc klawiaturach komputerowych, pulpitach operatora, a także w windach i pilotach zdalnego sterowania. W pewnym rodzaju mikrofonów zmienny kondensator jest używany do zamiany dźwięku na sygnał elektryczny. Membrana w nim odgrywa rolę ruchomej płytki kondensatora. Fluktuacje dźwięku wprawiają membranę w drgania, które powodują zmiany pojemności elektrycznej, wytwarzając w ten sposób zmiany napięcia. Urządzenie to nazywa się mikrofonem pojemnościowym.

Łączenie kondensatorów Jeśli chcesz przeanalizować działanie kilku kondensatorów użytych w obwodzie, możesz je połączyć, aby otrzymać pojemność zastępczą. Lecz zasady łączenia kondensatorów są inne niż znane nam już zasady łączenia rezystorów.

Równoległe łączenie kondensatorów Na rysunku 4.6 przedstawiono obwód elektryczny, w którym połączone są równolegle dwa kondensatory. Wspólne punkty połączeń oznaczono literami A i B. Zwróć uwagę,

89

90

Część I: Podstawy elektroniki

Rysunek 4.6. Pojemności kondensatorów połączonych równolegle sumują się

że punkt A łączy jedną okładkę kondensatora C1 i jedną okładkę kondensatora C2. Posługując się językiem technicznym, powiedzielibyśmy, że punkt A jest połączony z metalową płytką o rozmiarze równym sumie rozmiarów tych dwóch płytek. To samo dotyczy punktu łączenia B, który jest połączony z drugimi okładkami tych samych kondensatorów. Im większe pole powierzchni okładki kondensatora, tym wyższa jego pojemność. Wartości kondensatorów w połączeniu równoległym sumują się — każda okładka kondensatora jest połączona z jedną okładką drugiego kondensatora, który jest z nim połączony równolegle. Każda taka para płytek zachowuje się jak jedna duża okładka o większej pojemności elektrycznej, jak pokazano na rysunku 4.6. Pojemność zastępczą dowolnej liczby kondensatorów w połączeniu równoległym obliczamy według wzoru: Crówn = C1 + C2 + C3 + C4 + … gdzie symbole C1, C2, C3 itd. oznaczają wartości kondensatorów, a symbol Cz. reprezentuje całkowitą pojemność zastępczą. Całkowita pojemność kondensatorów przedstawionych na rysunku 4.6 wynosi więc: Cz = 100 μF + 220 μF = 320 μF Gdyby kondensatory pokazane na rysunku 4.6 zostały użyte w działającym obwodzie, napięcie na każdym z nich byłoby takie same, a prąd rozdzielałby się w punkcie łączenia A, przechodził przez każdy z kondensatorów i łączył się z powrotem w punkcie B.

Szeregowe łączenie kondensatorów Kondensatory połączone szeregowo działają nawzajem przeciw sobie, czego wynikiem jest zmniejszenie ogólnej pojemności, podobnie jak jest z rezystancją w równoległym połączeniu rezystorów. Pojemność zastępczą dwóch kondensatorów połączonych szeregowo można obliczyć z poniższego wzoru: Cszereg =

C1 × C 2 C1 + C 2

Rozdział 4: Wydobywanie ładunku z kondensatorów Symbole C1 i C2 reprezentują wartości kondensatorów, a symbol CZ oznacza pojemność zastępczą. Pojemność całkowita układu dwóch kondensatorów w połączeniu szeregowym, z których jeden ma pojemność 100 μF, a drugi 220 μF (jak na rysunku 4.7), wynosi: Cz = =

100 × 220 100 + 220 22000 320

= 68,75 Cz = 68,75 μF Rysunek 4.7. Kondensatory połączone szeregowo działają przeciw sobie, co powoduje zmniejszenie ich sumarycznej pojemności

W obliczeniach można opuścić literę μ, lecz trzeba wówczas pamiętać, że wartości pojemności w równaniu są wyrażone w mikrofaradach oraz że otrzymana w wyniku obliczeń wartość pojemności zastępczej także jest wyrażona w tej jednostce. Pojemność zastępczą dowolnej liczby kondensatorów połączonych szeregowo obliczamy ze wzoru: Cz =

1 1 1 1 + + + ...(itd .) C1 C 2 C3

Tak jak w przypadku wielu innych elementów elektronicznych, natężenie prądu na każdym kondensatorze w połączeniu szeregowym jest takie same, natomiast spadek napięcia na każdym z nich może być inny.

Reaktancja pojemnościowa W rozdziale 3. zdefiniowaliśmy rezystancję jako siłę, z jaką obiekt stawia opór przepływającym elektronom, oraz stwierdziliśmy, że rezystory mają kontrolowaną wartość rezystancji, która nie zmienia się pod wpływem zmian napięcia i natężenia prądu. Gdybyśmy jednak mieli możliwość zmierzenia oporu, jaki stawia płynącym elektronom kondensator, to spostrzeglibyśmy, że zmienia się on w zależności od warunków.

91

92

Część I: Podstawy elektroniki Wcześniej napisaliśmy, że kondensatory blokują prąd stały (pomijając krótki czas ładowania i rozładowywania), a przepuszczają prąd zmienny. Kiedy do kondensatora zostanie podłączone źródło prądu stałego, tak jak w obwodzie z żarówką widocznym na rysunku 4.2, to mają miejsce następujące zdarzenia: 1. Początkowo, dopóki kondensator jest ładowany, prąd płynie przez obwód i żarówka świeci. 2. Gdy kondensator jest prawie naładowany, prąd zaczyna płynąć wolniej aż do momentu całkowitego naładowania kondensatora, kiedy to całkowicie przestaje płynąć. Jeśli do kondensatora zostanie przyłożone napięcie, to będzie on stawiać bardzo mały opór przepływającym elektronom, lecz po pewnym czasie zacznie zachowywać się jak otwarty obwód, czyli będzie całkowicie zatrzymywać ruch elektronów. Kiedy do obwodu z kondensatorem zostanie podłączone źródło prądu zmiennego, prąd może płynąć przez ten obwód. Im szybciej zmienia się napięcie źródła prądu, tym mniejszy opór kondensator stawia elektronom — podobnie do sytuacji, w której podłączono baterię do rozładowanego kondensatora w obwodzie przedstawionym na rysunku 4.2. Im wolniej zmienia się napięcie prądu źródłowego, tym większy opór kondensator stawia elektronom. Opór stawiany prądowi zmiennemu nazywa się reaktancją pojemnościową, której jednostką miary jest om (tak, om!). Reaktancja pojemnościowa jest podobna do rezystancji pod tym względem, że reprezentuje opór stawiany prądowi. Jednak w przeciwieństwie do rezystancji, która dla danego urządzenia oporowego jest zawsze taka sama, reaktancja pojemnościowa zmienia się w zależności od częstotliwości napięcia przyłożonego do kondensatora. Wartość reaktancji pojemnościowej, której symbolem jest XC, obliczamy z następującego wzoru: XC = (2 × Π × f × C)-1 Symbol f oznacza częstotliwość napięcia prądu zmiennego wyrażoną w hercach (Hz), C oznacza pojemność w faradach (nie μF ani pF), a Π to stała, z którą po raz pierwszy miałeś styczność na lekcjach matematyki w szkole — jej wartość rozpoczyna się od cyfr 3,14 i ciągnie się w nieskończoność. Upraszczając wyrażenie 2×Π do wartości 6,28, powyższy wzór możemy sprowadzić do następującej postaci: XC ≈ (6,28 × f × C)-1 Z tego wzoru wynika, że reaktancja pojemnościowa maleje, gdy częstotliwość zmian napięcia rośnie (im większa wartość częstotliwości, tym większy mianownik ułamka, a więc tym mniejszy cały ułamek). Poniżej znajduje się przykład obliczenia reaktancji pojemnościowej kondensatora o pojemności 0,1 μF po przyłożeniu do niego napięcia prądu zmiennego o częstotliwości 20 kHz: XC ≈ (6,28 × 20 000 × 0,0000001)-1 ≈ 80 Ω Jeśli zmniejszymy częstotliwość prądu do 1 Hz, to wartość reaktancji pojemnościowej zmieni się następująco: XC ≈ (6,28 × 1 × 0,0000001)-1 ≈ 1,6 MΩ

Rozdział 4: Wydobywanie ładunku z kondensatorów Widać jak na dłoni, że ta wielkość jest całkiem inna niż niezmienna w każdych warunkach rezystancja reprezentowana przez przeciętny rezystor. Jeśli chodzi o kondensatory, to im szybciej zmienia się napięcie prądu (tzn. im większa częstotliwość napięcia), tym niższa reaktancja i tym łatwiej jest poruszać się elektronom. Im wolniej zmienia się napięcie prądu (tzn. im mniejsza częstotliwość), tym wyższa reaktancja — i tym trudniej prądowi płynąć. Jeśli częstotliwość wynosi zero, co oznacza brak zmian napięcia (albo prąd o stałym napięciu), to mianownik ma wartość zero i reaktancja ma nieskończoną wartość. Taka sytuacja ma miejsce w obwodzie otwartym (o nieskończonej rezystancji), w którym kondensator blokuje sygnały w postaci prądu stałego.

Zastosowanie prawa Ohma do obliczania reaktancji pojemnościowej Jako że jednostką miary reaktancji pojemnościowej jest om, pewnie zastanawiasz się, czy do obliczania oporu kondensatorów można używać prawa Ohma. Można, ale tylko w pewnym sensie. Prawo Ohma sprawdza się dla reaktancji pojemnościowej, ale tylko dla jednej częstotliwości naraz. Kiedy zmienisz częstotliwość napięcia, to nawet jeśli nie spowoduje to zmiany wartości szczytowych, trzeba wszystkie obliczenia powtórzyć z uwzględnieniem tej nowej częstotliwości. Przypuśćmy, że do naszego kondensatora o pojemności 0,1 μF podłączyliśmy źródło prądu zmiennego o szczytowym napięciu 5 V. Natężenie prądu w obwodzie zmienia się w taki sam sposób jak napięcie, ale prawo Ohma mówi, że wartość natężenia prądu zależy od wartości szczytowej napięcia i reaktancji pojemnościowej. Załóżmy, że częstotliwość wynosi 1 Hz. Z obliczeń wykonanych w poprzednim podrozdziale wiemy, że reaktancja pojemnościowa kondensatora o pojemności 0,1 μF przy 1 Hz wynosi 1,6 MΩ. Teraz możemy skorzystać z prawa Ohma, aby obliczyć szczytową wartość natężenia prądu zmiennego „na” kondensatorze przy sygnale o częstotliwości 1 Hz w następujący sposób: Imax = =

U max XC 5V 1600000 Ω

≈ 0,0000031 A lub 3,1 μA Przypuśćmy, że zwiększamy częstotliwość do 20 kHz, ale zachowujemy szczytową wartość napięcia na poziomie 5 V. Teraz reaktancja pojemnościowa ma wartość 80 Ω (zgodnie z obliczeniami z poprzedniego podrozdziału). Korzystając z prawa Ohma, szczytową wartość natężenia prądu „na” kondensatorze, przy napięciu o częstotliwości 20 kHz i wartości szczytowej napięcia 5 V, możemy obliczyć w następujący sposób: Imax =

U max XC

=

5V 80 Ω

≈ 0,0625 A lub 62,5 mA

93

94

Część I: Podstawy elektroniki Z tych wyliczeń wynika, że w obwodzie z kondensatorem zwiększenie częstotliwości napięcia źródłowego powoduje zmniejszenie reaktancji pojemnościowej, co z kolei wywołuje zwiększenie natężenia prądu przepływającego przez obwód. I odwrotnie, jeśli zmniejszy się częstotliwość napięcia prądu, zwiększy się wartość reaktancji pojemnościowej i natężenie prądu również będzie mniejsze. W przeciwieństwie do rezystorów kondensatory w obwodach prądu zmiennego zachowują się różnie przy różnych częstotliwościach napięcia. Można (a nawet trzeba) tę właściwość kondensatorów wykorzystać do różnych celów, np. tworzenia filtrów przepuszczających tylko sygnały o wysokiej częstotliwości (albo odwrotnie) — zobacz również podrozdział „Wybór częstotliwości przy użyciu prostych filtrów RC”.

Współpraca z rezystorami W obwodach elektronicznych często używa się kondensatorów w parze z rezystorami, aby wykorzystać możliwości jednych w zakresie magazynowania energii elektrycznej i cechy drugich do stawiania oporu prądowi. Dzięki odpowiedniej kombinacji tych elementów można np. sterować szybkością napełniania elektronami (czyli ładowania) kondensatora oraz opróżniania go z elektronów (rozładowywania). Ten dynamiczny duet jest tak popularny, że obwodom zawierającym rezystory i kondensatory nadano nawet specjalną nazwę: obwody RC (od ang. resistance-capacitance — oporowo-pojemnościowe).

Czas jest najważniejszy Spójrz na obwód przedstawiony na rysunku 4.8 — kiedy przełącznik będzie zamknięty, bateria będzie ładować kondensator poprzez rezystor. W stanie początkowym napięcie na kondensatorze, UC, wynosi zero (przy założeniu, że kondensator jest rozładowany). Po zamknięciu obwodu prąd zaczyna płynąć i rozpoczyna gromadzenie ładunków na płytkach kondensatora. Z prawa Ohma wiemy, że natężenie prądu ładującego I jest zależne od napięcia na rezystorze UR i wartości samego rezystora: R (I = UR/R). Ponieważ suma spadków napięcia w obwodzie jest równa sumie wzrostów, wiadomo, że napięcie na rezystorze jest równe różnicy między napięciem źródłowym Uwe a napięciem na kondensatorze UC (UR = Uwe − UC). Znając te dwa fakty, można śledzić, co się dzieje w obwodzie wraz z upływem czasu:

9 Początek — ponieważ w stanie początkowym napięcie na kondensatorze wynosi zero, napięcie na rezystorze jest równe napięciu źródłowemu.

9 Ładowanie — kiedy zaczyna się ładowanie kondensatora, powstaje na nim

napięcie, które powoduje spadek napięcia na rezystorze, co z kolei wywołuje zmniejszenie natężenia prądu ładującego. Ładowanie kondensatora cały czas trwa, ale odbywa się wolniej wskutek zmniejszonego natężenia prądu. W miarę jak UC rośnie, UR maleje, co powoduje ciągły spadek natężenia prądu.

9 Stan pełnego naładowania — kiedy kondensator jest w pełni naładowany, prąd przestaje płynąć, spadek napięcia na rezystorze wynosi zero, a spadek napięcia na kondensatorze jest równy napięciu źródłowemu.

Rozdział 4: Wydobywanie ładunku z kondensatorów Rysunek 4.8. W obwodach RC kondensatory są ładowane poprzez rezystory. O szybkości ładowania kondensatora decydują dwie wielkości — wartość rezystora i pojemność kondensatora

Jeśli odłączymy baterię i połączymy rezystor równolegle z kondensatorem, kondensator ulegnie rozładowaniu przez rezystor. W tym przypadku napięcie na rezystorze będzie równe napięciu na kondensatorze (UR = UC), a więc natężenie prądu wyniesie Oto, co się stanie:

UC . R

9 Początek — ponieważ kondensator jest w pełni naładowany, jego napięcie jest

równe napięciu źródłowemu. Ponieważ UR = UC, napięcie na rezystorze jest równe napięciu źródłowemu, czyli natężenie prądu momentalnie wzrasta do wartości U we . To oznacza, że kondensator przerzuca ładunki z jednej płytki na drugą R

w bardzo szybkim tempie.

9 Ładowanie — kiedy ładunki zaczynają się przemieszczać z jednej płytki do drugiej, napięcie na kondensatorze (a także UR) zaczyna spadać, co powoduje zmniejszenie natężenia prądu. Rozładowywanie kondensatora postępuje, ale w wolniejszym tempie. Wraz ze spadkiem wartości UC (i UR) zmniejsza się natężenie prądu.

9 Całkowite rozładowanie — kiedy kondensator ulega całkowitemu rozładowaniu, prąd przestaje płynąć i na rezystorze ani na kondensatorze nie ma żadnego spadku napięcia.

Wykres przedstawiony na rysunku 4.9 pokazuje, jak (po przyłożeniu, a później usunięciu źródła prądu stałego) zmienia się w czasie napięcie na kondensatorze, który jest ładowany i rozładowywany poprzez rezystor. Szybkość ładowania i rozładowywania kondensatora zależy od rezystancji i pojemności obwodu. Im większa rezystancja, tym mniejsze natężenie prądu przy niezmiennej wartości napięcia źródłowego i tym dłużej zajmuje naładowanie kondensatora. Mniejsza rezystancja oznacza, że więcej prądu może przepływać, dzięki czemu kondensator jest ładowany szybciej. I odwrotnie, im większa rezystancja, tym więcej ładunków potrzeba do napełnienia płytek kondensatora, a więc ładowanie trwa dłużej. Im większy rezystor, tym bardziej w czasie rozładowywania spowolniony jest ruch elektronów między płytkami, co wydłuża czas rozładowywania. Im większy kondensator, tym więcej zgromadzonego ładunku i tym dłuższy czas rozładowywania.

95

96

Część I: Podstawy elektroniki

Rysunek 4.9. Kiedy kondensator jest ładowany i rozładowywa ny, występujące na nim napięcie zmienia się w czasie

Wyznaczanie stałej czasowej obwodu RC Poprzez precyzyjny dobór wartości kondensatora i rezystora można sterować jego czasem ładowania i rozładowywania. Innymi słowy, wartości rezystancji R i pojemności C określają, ile czasu zajmuje naładowanie i rozładowanie danego kondensatora przez wybrany rezystor. Iloczyn wartości R (w omach) i C (w faradach) nazywany jest stałą czasową obwodu RC, którą oznaczamy symbolem T. Na podstawie tych informacji możemy wyprowadzić kolejny przydatny wzór: T=R×C Do prawie całkowitego naładowania i rozładowania kondensatora dochodzi po upływie czasu równego około pięciokrotności stałej czasowej, czyli 5RC (tzn. 5 × R × C). Po upływie czasu równego pojedynczej wartości stałej czasowej ładowany kondensator będzie naładowany do poziomu około dwóch trzecich swoich maksymalnych możliwości, a naładowany kondensator utraci prawie dwie trzecie swojego początkowego ładunku. Przypuśćmy, że do obwodu przedstawionego na rysunku 4.8 podłączono rezystor o wartości 2 MΩ i kondensator 15 μF. Stałą czasową tego obwodu RC można obliczyć następująco: Stała czasowa obwodu RC = R × C = 2 000 000 Ω × 0,000015 F = 30 sekund Z powyższych wyliczeń wynika, że całkowite naładowanie lub rozładowanie kondensatora w tym obwodzie zajmuje około 150 sekund (2 i ½ minuty). Czas ten można skrócić poprzez podłączenie rezystora lub kondensatora (lub obu) o mniejszej wartości. Przypuśćmy, że pod ręką mamy tylko kondensator o pojemności 15 μF, który chcielibyśmy naładować w ciągu pięciu sekund. Można obliczyć, jakiej wartości rezystora trzeba użyć w obwodzie:

9 Oblicz stałą czasową obwodu RC — wiadomo, że całkowite rozładowanie

kondensatora następuje po upływie czasu mniej więcej równego pięciokrotności stałej czasowej. Ponieważ chcemy, aby naładowanie naszego kondensatora trwało pięć sekund, wartość 5RC musi wynosić 5 sekund, a więc RC = 1 sekunda.

R — wiadomo, że R × C = 1 sekunda i C = 15 μF. W związku z tym 9 Oblicz 1s R = /0,000015 μF, co daje około 66 667 omów, czyli 67 kΩ.

Rozdział 4: Wydobywanie ładunku z kondensatorów

Tworzenie zegara Dzięki umiejętności obliczania wartości stałej czasowej obwodów RC można skonstruować zegar. Powiedzmy, że Twój prowadzący pasożytniczy tryb życia kuzyn przyjechał do Ciebie na miesiąc i co noc robi przegląd zawartości lodówki. Postanawiasz skonstruować prosty generator hałasu, który będzie się włączał po każdym otwarciu lodówki i odstraszał intruza. Tak dla zabawy chcesz pozwolić mu popatrzeć przez chwilę na smakowite kąski, zanim doprowadzisz go prawie do omdlenia ze strachu na dźwięk hałasu z brzęczyka, który włącza się w wyniku zamknięcia obwodu sprzęgniętego z drzwiami lodówki. Jeśli masz brzęczyk, który do wytworzenia dźwięku potrzebuje napięcia 6 V, a do zasilania obwodu odstraszającego używasz baterii 9 V, to możesz utworzyć obwód RC przedstawiony na rysunku 4.8 i do zasilania brzęczyka wykorzystać napięcie z kondensatora. Musisz tylko tak ustawić czas ładowania kondensatora, aby osiągał napięcie 6 V po upływie czasu wystarczającego do tego, aby kuzynowi zdążyła pocieknąć ślinka na widok smakowitości. Przyjmijmy, że kuzyn może cieszyć się widokiem jedzenia przez jakieś 10 sekund. Mamy kondensator o pojemności 15 μF, a więc musimy obliczyć rezystancję pozwalającą naładować go do poziomu 6 woltów w ciągu 10 sekund. Ponieważ ładowanie kondensatora zakończy się dopiero, gdy osiągnie pełną moc źródła zasilania, czyli 9 V, uruchomienie brzęczyka następuje w momencie, gdy kondensator osiąga około 6/9 (czyli dwóch trzecich) swojej całkowitej pojemności. Taki poziom naładowania jest osiągany po upływie czasu równego jednej stałej czasowej. Rezystancję potrzebną do naszego obwodu, który ma włączać brzęczyk po upływie 10 sekund, obliczymy więc następująco: 10 sekund = R × 0,000015 farada R = 10 s/0,000015 F ≈ 667 omów Mamy rezystor o wartości 620 Ω, a więc rzeczywista wartość stałej czasowej wyniesie około 9,3 sekundy (620 omów × 15 μF). Kondensator osiągnie poziom napięcia 6 V po upływie około 9,3 sekundy, a więc kuzyn będzie miał wystarczająco dużo czasu, aby sobie popatrzeć, ale za mało, aby coś zjeść, zanim zostanie przyłapany na gorącym uczynku. Jeśli chcesz precyzyjnie nastawić opóźnienie, użyj rezystora o nieco mniejszej wartości i połącz z nim szeregowo potencjometr. Ponieważ rezystancja całkowita w obwodzie szeregowym jest równa sumie wartości rezystancji rezystora stałego i potencjometru, wystarczy ustawić odpowiednią wartość za pomocą gałki tego drugiego, aby otrzymać żądaną wartość (szczegółowy opis potencjometrów znajduje się w rozdziale 3.).

Wybór częstotliwości przy użyciu prostych filtrów RC Ponieważ zachowanie kondensatorów zmienia się w zależności od częstotliwości napięcia lub natężenia prądu, często używa się ich do budowy specjalnych obwodów nazywanych filtrami do przepuszczania i blokowania sygnałów o określonych parametrach. Kondensatory

97

98

Część I: Podstawy elektroniki z definicji całkowicie blokują sygnały w postaci prądu stałego, lecz pozwalają sterować przepływem prądu zmiennego, jeśli starannie dobierze się elementy takiego układu filtrującego. Filtry, o których będzie mowa, są bardzo proste i na ich przykładzie pokażemy, jak sprawić, aby przepuszczone zostały tylko sygnały o określonej częstotliwości. Projektowanie filtrów elektronicznych stanowi odrębną dziedzinę nauki, której zgłębianie daleko wykracza poza ramy tej książki. Tego rodzaju układy elektroniczne są często bardzo skomplikowane, ale pozwalają bardzo precyzyjnie kontrolować to, co pojawia się na wyjściu. Niemniej jednak podstawowe zasady konstrukcji takich układów są takie same jak przy budowie prostych filtrów.

Filtr dolnoprzepustowy Na rysunku 4.10 przedstawiony jest schemat obwodu szeregowego RC ze zmiennym źródłem napięcia oznaczonym symbolem Uwe. Wartość na wyjściu Uwy tego obwodu reprezentuje wartość napięcia na kondensatorze. Wyobraźmy sobie, że do obwodu podłączono napięcie stałe (f = 0 Hz). Przepływ prądu jest zerowy, a więc całość napięcia wejściowego jest tracona na kondensatorze: Uwy = Uwe. Z drugiej strony przy bardzo wysokiej częstotliwości napięcia reaktancja pojemnościowa ma bardzo niską wartość. To w rzeczywistości odpowiada spięciu kondensatora, a więc spadek napięcia na nim wynosi zero: Uwy = 0.

Rysunek 4.10. Filtr dolnoprzepustowy przepuszcza sygnały o niskiej częstotliwości

Kiedy zmienia się częstotliwość sygnału wejściowego od bardzo niskich do bardzo wysokich wartości, wartości reaktancji pojemnościowej również wahają się od bardzo wysokich do bardzo niskich. Im wyższa wartość reaktancji, tym większy jest spadek napięcia na kondensatorze (kosztem spadku napięcia na rezystorze). Im niższa wartość reaktancji, tym mniejszy spadek napięcia na kondensatorze (i tym większy spadek na rezystorze). Ten obwód przepuszcza na wyjście niższe częstotliwości, a blokuje przejście sygnałom o wyższej częstotliwości. Dlatego nazywa się go filtrem dolnoprzepustowym.

Filtr górnoprzepustowy Zamieniając miejscami rezystor z kondensatorem, uzyskamy wynik przeciwny do poprzedniego: filtr górnoprzepustowy. W obwodzie przedstawionym na rysunku 4.11 napięcie wyjściowe jest równe napięciu na rezystorze. Przy bardzo niskich częstotliwościach napięcia kondensator blokuje przepływ prądu, przez co na rezystorze nie występuje spadek napięcia: Uwy = 0. Przy bardzo wysokich częstotliwościach sygnału wejściowego kondensator zachowuje się tak jak zamknięty obwód, a więc prąd płynie i całość napięcia wejściowego jest tracona na rezystorze: Uwy = Uwe.

Rozdział 4: Wydobywanie ładunku z kondensatorów Rysunek 4.11. Filtr górnoprzepustowy przepuszcza sygnały o wysokiej częstotliwości

W miarę zwiększania częstotliwości wartość reaktancji pojemnościowej się zmniejsza. Można sobie to wyobrazić tak, jakby w obwodzie w miejscu kondensatora znajdowało się magiczne urządzenie — potencjometr sterowany częstotliwością. Kiedy częstotliwość sygnału wejściowego rośnie, reaktancja maleje i zwiększa się spadek napięcia na rezystorze.

Częstotliwość graniczna Zadaniem filtrów jest przepuszczanie sygnałów o określonej częstotliwości i tłumienie albo zmniejszanie amplitudy innych częstotliwości. Żaden filtr nie jest jednak doskonały. Nie ma takiego filtru, który by przepuszczał wszystkie sygnały o częstotliwości wyższej bądź niższej od określonej i blokował wszystkie pozostałe. Skomplikowane filtry znacznie lepiej radzą sobie z rozpoznawaniem częstotliwości niż proste projekty, lecz mimo to każdy filtr — niezależnie od tego, czy skomplikowany, czy prosty — ma charakteryzujący go parametr nazywany częstotliwością graniczną. Częstotliwość graniczna (fg) to częstotliwość, przy której filtr zaczyna ograniczać przechodzenie sygnału wejściowego. Na rysunku 4.12 przedstawiono wykres amplitudy sygnału wyjściowego dla różnych częstotliwości wejściowych w filtrze górnoprzepustowym (zwróć uwagę, że wykres przedstawia częstotliwość, nie czas). Na wykresie widać, że częstotliwości o wartości wyższej od wartości granicznej są przepuszczane przez filtr prawie bez przeszkód, natomiast częstotliwości niższe od granicznej są silnie tłumione. Wartość częstotliwości granicznej odpowiada wartości w miejscu załamania wykresu. Można ją obliczyć, korzystając z poniższego wzoru: fg = (2 × Π × T)-1

Rysunek 4.12. Częstotliwość graniczna filtru fg to częstotliwość, od której filtr zaczyna tłumić sygnały

99

100

Część I: Podstawy elektroniki Ponieważ T = R × C, częstotliwość graniczną filtru można dostosowywać poprzez dobór odpowiednich wartości rezystora i kondensatora, zgodnie z poniższym wzorem: fg = (2 × Π × R × C)-1 Przypuśćmy, że mamy filtr górnoprzepustowy składający się z rezystora 220 Ω i kondensatora 0,1 μF. Częstotliwość graniczna tego układu będzie wynosić w przybliżeniu 1/6,28 × 220 omów × 0,0000001 farada, czyli około 7200 Hz. Jeśli zastosujesz taki filtr w swoim sprzęcie stereo, to nie zdziw się, że prawie nie usłyszysz głosu ani gry swojego ulubionego wykonawcy. Dźwięki muzyki mają częstotliwość znacznie niższą od 7000 Hz, a ten filtr wszystkie je tłumi.

Filtrowanie pasm częstotliwości Można zaprojektować filtr, który ma dwie częstotliwości graniczne — wysoką i niską — który przepuszcza tylko określone pasmo (zakres) częstotliwości lub blokuje określone pasmo częstotliwości. Takie filtry nazywają się odpowiednio środkowoprzepustowymi i środkowozaporowymi, a do ich konstrukcji używa się odpowiednio dobranych filtrów dolno- i górnoprzepustowych. Filtry środkowoprzepustowe są powszechnie wykorzystywane w odbiornikach radiowych, w których służą do wybierania jednego spośród wielu sygnałów. Filtr środkowozaporowy można wykorzystać np. do „odfiltrowania” niepożądanego szumu z linii zasilania o częstotliwości 60 Hz. Do konstrukcji większości z tych skomplikowanych filtrów używa się oprócz kondensatorów i rezystorów jeszcze cewki indukcyjne, którymi zajmiemy się w rozdziale 5.

Spróbuj swych sił w projektowaniu obwodów z kondensatorami Jeśli chcesz trochę poeksperymentować z prawdziwymi obwodami zawierającymi kondensatory, to możesz teraz przejść do rozdziału 14. Na przykładzie przedstawionych tam obwodów praktycznie zapoznasz się z ładowaniem i rozładowywaniem kondensatorów oraz wykorzystasz stałą czasową obwodu RC. Zanim jednak przejdziesz tak daleko, zachęcamy Cię do przeczytania części II, z której dowiesz się, jak zorganizować swój warsztat, przestrzegać zasad bezpieczeństwa oraz odczytywać schematy ideowe.

Rozdział 5

Cewki indukcyjne i kryształy W tym rozdziale: ► Wzbudzanie prądu w cewkach za pomocą zmiennego pola magnetycznego ► Przeciwstawianie się zmianom prądu przez cewki indukcyjne ► Użycie cewek indukcyjnych w filtrach ► Rezonans w obwodach RLC ► Krystalicznie czyste częstotliwości ► Sprzęganie strumieni magnetycznych w celu przekazania energii z jednego obwodu do innego

W

iele najwspanialszych wynalazków ludzkości, wliczając penicylinę, samoprzylepne karteczki, szampana i rozrusznik serca, jest efektem czysto przypadkowych odkryć (niekiedy przypisywanych wręcz kompletnej bezmyślności ludzi albo nietrzymaniu się standardów naukowych). Jedno z takich nieoczekiwanych odkryć — relacje łączące elektryczność i magnetyzm — umożliwiło powstanie dwóch niezwykle przydatnych elementów elektronicznych: cewek indukcyjnych i transformatorów. Cewka indukcyjna przechowuje energię w polu magnetycznym i podobnie jak kondensator pozwala kształtować sygnał elektryczny, lecz robi to w całkiem odmienny sposób. Nieważne, czy działają w pojedynkę, czy w specjalnych parach nazywanych transformatorami, czy też jako część całego układu zawierającego także kondensatory i rezystory, cewki indukcyjne stanowią podstawowy element wielu urządzeń, bez których nie wyobrażasz sobie codziennego życia — odbiorników radiowych, telewizorów i, drobna rzecz, sieci energetycznych. Czytając ten rozdział, poznasz relacje łączące elektryczność i magnetyzm oraz dowiesz się, w jaki sposób XIX-wieczni uczeni wykorzystali wiedzę na ten temat do skonstruowania cewek indukcyjnych i transformatorów. Zobaczysz, co się stanie, jeśli zbyt szybko zmienisz kierunek przepływu prądu przez cewkę indukcyjną, oraz jak stosować prawo Ohma do tych elementów. Później dowiesz się, w jaki sposób wykorzystuje się cewki w obwodach elektrycznych oraz dlaczego kryształy drgają tylko z jedną częstotliwością. Na koniec dowiesz się, w jaki sposób transformatory przekazują energię elektryczną między dwoma obwodami, między którymi nie ma żadnego fizycznego kontaktu.

102

Część I: Podstawy elektroniki

Niedalecy krewni — magnetyzm i elektryczność Jeszcze do niedawna myślano, że magnetyzm i elektryczność to dwa całkowicie odrębne zjawiska. Dopiero w XIX wieku Hans Christian Ørsted odkrył, że włączanie i wyłączanie w obwodzie przepływu prądu, którego źródłem była bateria, wywoływało odchylanie igły kompasu. Spostrzeżenie Ørsteda spowodowało, że wielu uczonych przeprowadziło rozmaite badania i doświadczenia, czego wynikiem było ostateczne potwierdzenie bliskiego pokrewieństwa między elektrycznością i magnetyzmem. Kilka lat później (i po dokonaniu wielu przypadkowych odkryć) Michael Faraday i inni XIX-wieczni badacze nauczyli się wykorzystywać zjawisko elektromagnetyzmu i skonstruowali pierwsze na świecie urządzenia elektromechaniczne. Odkryte wówczas prawa elektromagnetyzmu wykorzystywane są dziś w konstrukcji transformatorów, prądnic ze wzbudzaniem elektromagnetycznym i silników stosowanych w wielu dziedzinach przemysłu. Z tej części rozdziału dowiesz się, co łączy elektryczność i magnetyzm.

Rysowanie linii za pomocą magnesu Podobnie jak w elektryczności występuje pewna siła między dwoma ładunkami elektrycznymi (napięcie), tak w magnetyzmie występuje siła między dwoma biegunami magnetycznymi. Każdy, kto na zajęciach w szkole przeprowadził eksperyment z magnesem i rozrzuconymi w pobliżu opiłkami żelaza, widział efekt działania siły magnetycznej. Pamiętasz, co się stało z opiłkami? Ułożyły się w wygięte linie łączące biegun północny magnesu z południowym. Doświadczenie to pozwala zobaczyć, jak biegną linie siły magnetycznej — nazywane też strumieniem magnetycznym — w polu magnetycznym wytworzonym przez magnes. W pobliżu magnesu mogło zebrać się więcej opiłków, ponieważ tam pole magnetyczne jest najsilniejsze. Na rysunku 5.1 pokazano, jak ułożone są niewidoczne linie strumienia magnetycznego. Rysunek 5.1. Linie siły magnetycznej są równoległe i łączą biegun północny magnesu z południowym

Wytwarzanie pola magnetycznego za pomocą elektryczności Ørsted spostrzegł, że przepływ prądu przez drut powoduje wytworzenie słabego pola magnetycznego wokół tego drutu. Dlatego właśnie igła kompasu odchylała się, gdy kompas znajdował się zbyt blisko obwodu elektrycznego. Gdy prąd nie płynie, pole

Rozdział 5: Cewki indukcyjne i kryształy magnetyczne zanika. „Magnesem” takim można sterować elektrycznie — tzn. można go włączać i wyłączać poprzez doprowadzanie i odcinanie prądu — i nazywa się go elektromagnesem. Kiedy prąd płynie przez przewodnik, linie strumienia magnetycznego otaczają go i są rozmieszczone równomiernie na całej jego długości, tak jak pokazano na rysunku 5.2. Wyobraź sobie rolkę papierowych ręczników kuchennych, przez której sam środek poprowadzono drut. Jeśli do tego drutu przyłożymy prąd, otoczą go niewidoczne linie strumienia magnetycznego wzdłuż całej rolki i w różnych odległościach od drutu. Natężenie siły magnetycznej słabnie wraz z oddalaniem linii strumienia magnetycznego od drutu. Jeśli drut podłączony do prądu będzie zwinięty w równy zwój, to linie strumienia magnetycznego wyrównają się względem siebie i będą się nawzajem wzmacniać — nastąpi wzmocnienie pola magnetycznego.

Rysunek 5.2. Przepływ prądu przez drut powoduje powstanie słabego pola magnetycznego wokół niego

Indukcja prądu za pomocą magnesu Skoro przepływ prądu przez przewodnik powoduje powstanie pola magnetycznego, to co się stanie, jeśli umieścimy zamknięte oczko z drutu w pobliżu magnesu stałego? Tak naprawdę, to nic się nie stanie, chyba że poruszymy magnesem. Ruchome pole magnetyczne indukuje napięcie między końcami drutu, wywołując przepływ prądu między nimi. Można odnieść wrażenie, że indukcja elektromagnetyczna powoduje pojawienie się prądu w magiczny sposób — bez jakiegokolwiek bezpośredniego kontaktu z drutem. Natężenie indukowanego prądu zależy od wielu czynników, tj. siły magnesu, liczby linii strumienia magnetycznego, które zostały przechwycone przez drut, kąta, pod jakim drut przecina linie strumienia, oraz szybkości, z jaką porusza się magnes. Aby uzyskać jak największe natężenie prądu, można zwinąć drut w cewkę, a magnes przeprowadzić przez jej środek (rdzeń). Im więcej zwojów drutu nawiniesz, tym silniejszy będzie wytworzony prąd. Przypuśćmy, że umieściliśmy silny magnes stały w środku zwojnicy drutu z wyprowadzeniami, jak na rysunku 5.3. Kiedy magnes będzie przesuwany do góry, w drucie będzie indukowany prąd płynący w jednym kierunku. Gdy zmieni się kierunek ruchu magnesu na przeciwny, prąd nadal będzie indukowany, ale również będzie poruszać się w przeciwnym kierunku. Poruszając magnesem szybko w górę i w dół, można wytworzyć w drucie prąd zmienny. Taki sam efekt osiągniemy, jeśli zamiast magnesem będziemy poruszać zwojami drutu. Prąd pojawia się zawsze wtedy, gdy występuje względny ruch drutu i magnesu.

103

104

Część I: Podstawy elektroniki

Rysunek 5.3. Ruch magnesu wewnątrz zwoju powoduje wytworzenie prądu w drucie

W wielu elektrowniach prąd zmienny jest wytwarzany poprzez obracanie przewodnika wewnątrz silnego magnesu podkowiastego. Przewodnik jest połączony z obracającą się turbiną, której ruch jest wywoływany poprzez nacisk wody lub pary na jej łopaty. W ciągu jednego pełnego obrotu przewodnika wewnątrz magnesu elektrony są popychane przez magnes najpierw w jednym kierunku, a następnie w drugim i w ten sposób powstaje prąd zmienny.

Cewka indukcyjna — zwój o charakterze przyciągającym jak magnes Tak wygląda symbol cewki indukcyjnej. Cewka indukcyjna to bierny element elektroniczny zbudowany ze zwoju drutu nawiniętego na rdzeń, który może być powietrzny, żelazny albo ferrytowy (ferryt to kruchy materiał wytwarzany z żelaza). Rdzenie wykonane z materiałów żelaznych mogą zwiększać siłę pola magnetycznego indukowanego przez przepływający prąd nawet do kilkuset razy. Cewkom indukcyjnym nadaje się różne nazwy, w zależności od tego, w jakim celu są wykorzystywane, dlatego można spotkać takie określenia, jak: zwój, dławik, elektromagnes czy solenoid. Jeśli przez cewkę płynie prąd, wytwarza on pole magnetyczne wokół drutu. Jeśli zmieni się natężenie prądu (zmniejszy albo zwiększy), to zmieni się także strumień magnetyczny obecny wokół cewki, co wywoła indukcję napięcia na przewodniku. To tzw. napięcie wsteczne powoduje przepływ prądu w kierunku przeciwnym do głównego prądu. Ta właściwość cewek indukcyjnych nazywana jest samoindukcją lub po prostu indukcyjnością.

Mierzenie indukcyjności Jednostką miary indukcyjności, oznaczanej symbolem L, jest henr (od nazwiska Josepha Henry’ego, nowojorczyka, który lubił bawić się magnesami i odkrył zjawisko samoindukcji). Indukcyjność o wartości jednego henra (symbol H) indukuje jeden wolt, gdy natężenie prądu zmienia się w tempie jednego ampera na sekundę. Oczywiście jeden henr to zbyt duża jednostka, aby jej używać na co dzień w konstrukcjach elektronicznych, dlatego

Rozdział 5: Cewki indukcyjne i kryształy najczęściej będziesz posługiwać się milihenrami (mH) — nie dlatego, że żona Henry’ego miała na imię Milly, lecz dlatego, że najczęściej spotyka się indukcyjność na poziomie tysięcznych części henra. Spotkasz też mikrohenry (μH), które są milionowymi częściami henra.

Przeciwstawne zmiany prądu W obwodzie przedstawionym na rysunku 5.4 przyłożono napięcie stałe do rezystora połączonego szeregowo z cewką indukcyjną. Gdyby nie było cewki, to po zamknięciu obwodu od razu zacząłby płynąć prąd stały o natężeniu równym Uwe/R. Ale ponieważ cewka jest, sytuacja w obwodzie będzie wyglądała inaczej.

Rysunek 5.4. Cewka indukcyjna opóźnia zmiany prądu

Napięcie stałe powoduje przepływ prądu, który indukuje pole magnetyczne wokół zwojów cewki indukcyjnej. Wraz ze wzrostem natężenia prądu (który dąży do wzrostu cały czas) proporcjonalnie zmienia się natężenie pola magnetycznego. Zmieniające się pole magnetyczne indukuje napięcie wsteczne, które z kolei indukuje prąd w zwojach drutu, który płynie w kierunku przeciwnym do kierunku, w jakim płynie prąd wzbudzany przez źródło napięcia. Można powiedzieć, że cewka indukcyjna próbuje uniemożliwić zbyt szybkie zmienianie się prądu źródłowego, czego efektem jest to, że prąd nie zmienia się natychmiast. Dlatego mówi się, że cewki indukcyjne „przeciwstawiają się zmianom prądu”. Prąd indukowany w cewce nieznacznie osłabia natężenie rozszerzającego się pola magnetycznego. Kiedy natężenie prądu źródłowego rośnie, pole magnetyczne rozszerza się (ale coraz wolniej) i prąd przeciwstawiający się prądowi źródłowemu jest cały czas indukowany (ale jest coraz słabszy). Cykl powtarza się, aż w końcu ustala się stabilny strumień prądu stałego. Kiedy natężenie prądu stabilizuje się, pole magnetyczne przestaje się zmieniać i cewka przestaje oddziaływać na przepływ prądu w obwodzie. Ogólny efekt działania cewki indukcyjnej jest taki, że musi minąć pewien czas, zanim prąd przez nią płynący ustabilizuje się na pewnym poziomie (ilość tego czasu zależy od kilku czynników, np. parametrów cewki indukcyjnej i rozmiaru rezystora; zob. podrozdział „Obliczanie stałej czasowej obwodów RL”). Kiedy do tego dochodzi, prąd przepływa bez przeszkód przez cewkę, która zachowuje się wówczas jak zwykły kawałek drutu (nazywany zwarciem), a zatem UL = 0 V i natężenie ustabilizowanego prądu można obliczyć na podstawie napięcia źródłowego i wartości rezystora, korzystając z prawa Ohma (I = Uwe/R).

105

106

Część I: Podstawy elektroniki Jeśli teraz odłączymy źródło napięcia stałego i podłączymy do cewki rezystor, przez krótki czas popłynie prąd, przy czym cewka znowu będzie przeciwstawiać się nagłemu spadkowi napięcia, aż w końcu natężenie prądu spadnie do zera i pole magnetyczne zniknie. Rozważmy bilans energetyczny — cewka indukcyjna podłączona do źródła prądu stałego przechowuje energię elektryczną w polu magnetycznym. Kiedy napięcie będzie odłączone i podłączony zostanie rezystor, energia zostanie przesłana do rezystora, w którym będzie rozproszona w postaci ciepła. Cewki indukcyjne przechowują energię elektryczną w polu magnetycznym. Prawdziwa cewka indukcyjna (w odróżnieniu od idealnego teoretycznego obiektu) oprócz indukcyjności wykazuje też pewien stopień rezystancji i pojemności, które wynikają z fizycznych właściwości użytych do budowy zwojów i rdzenia materiałów oraz właściwości pól magnetycznych. W związku z tym cewka indukcyjna może przechowywać energię tylko przez krótki czas (w przeciwieństwie do kondensatorów), gdyż jest ona tracona w postaci ciepła. Aby lepiej zrozumieć działanie cewek indukcyjnych, wyobraź sobie napełnioną wodą rurę, wewnątrz której znajduje się turbina. Kiedy zwiększymy ciśnienie wody, łopaty turbiny stawią opór przepływowi wody i będą wywierać wsteczne ciśnienie na wodę. Gdy łopaty zaczną się ruszać, ciśnienie wsteczne zmaleje i woda będzie przepływać łatwiej. Jeśli nagle zredukujesz ciśnienie wody do zera, łopaty turbiny będą jeszcze przez chwilę się poruszać i popychać wodę, aż w końcu zatrzymają się i woda przestanie całkowicie płynąć. Nie zaprzątaj sobie zbyt długo głowy takimi rzeczami, jak prądy indukowane czy rozszerzające i kurczące się pola magnetyczne. Wystarczy, że zapamiętasz kilka podstawowych faktów dotyczących cewek indukcyjnych.

9 Cewki indukcyjne stawiają opór zmianom natężenia prądu. 9 Cewki indukcyjne w chwili przyłożenia źródła prądu stałego zachowują się jak obwód otwarty (tzn. początkowo nie przepływa żaden prąd i całość napięcia źródłowego jest tracona na cewce).

9 Po pewnym czasie cewka zaczyna zachowywać się jak zwarcie w obwodach prądu stałego — tzn. kiedy zakończą się wszystkie zawirowania związane z polami magnetycznymi, napięcie wynosi zero wolt i cewka przepuszcza całość prądu.

Nadążanie (albo i nie!) za prądem zmiennym Cewka indukcyjna umieszczona w obwodzie prądu zmiennego przeciwstawia się wszelkim zmianom prądu źródłowego. Jeśli będziemy zmieniać napięcie źródłowe z bardzo dużą częstotliwością, cewka będzie cały czas stawiać opór tym zmianom. Przy ekstremalnie wysokich częstotliwościach prąd w ogóle nie popłynie, ponieważ cewka po prostu nie będzie nadążać za zmianami. Wyobraź sobie, że stoisz pośrodku między dwoma pucharkami ze smacznym deserem. Chciałbyś zjeść oba, ale nie możesz się zdecydować, od którego zacząć. Zaczynasz biec w kierunku jednego, lecz nagle zmieniasz zdanie i zwracasz się w stronę drugiego. Zanim dobiegniesz, znowu zmieniasz zdanie i zaczynasz biec w stronę pierwszego deseru, i tak w kółko. Im szybciej zmieniasz zdanie, tym mniej oddalasz się od punktu środkowego,

Rozdział 5: Cewki indukcyjne i kryształy nie docierając do żadnego z deserów. Twoje zachowanie w tej sytuacji można porównać do zachowania elektronów w cewce indukcyjnej, gdy do obwodu jest podłączony sygnał o wysokiej częstotliwości — zarówno Ty, jak i elektrony pozostajecie w miejscu.

Reaktancja indukcyjna Właściwość przeciwstawiania się zmianom prądu cewki indukcyjnej nazywa się reaktancją indukcyjną. Im szybciej prąd próbuje się zmieniać, tym silniejszy cewka stawia mu opór. Gdybyś w przedstawionym poprzednio przykładzie z deserami nie miał huśtawki nastrojów, to dobiegłbyś najpierw do pierwszego deseru, zjadł smaczne lody, a potem do drugiego — i spałaszował delicje. Gdybyś zmieniał zdanie nieco szybciej, ale nie wiele razy w ciągu sekundy, to mógłbyś przebiegać tylko pół drogi, następnie zawracać, przebiegać pół drogi do drugiego deseru, znowu zawracać i przebywać pół drogi itd. To, jaką drogę pokonasz, zależy od tego, jak szybko zmieniasz zdanie. To samo dotyczy prądu płynącego przez cewkę indukcyjną — to, jak daleko prąd dotrze, zależy od tego, jak szybko się zmienia. Reaktancję indukcyjną, oznaczaną symbolem XL, wyraża się w… omach. Podobnie jak reaktancja pojemnościowa (opisana w rozdziale 4.), reaktancja indukcyjna zmienia się zależnie od częstotliwości i pod tym względem znacząco różni się od stałego oporu zwykłych rezystorów. Do obliczania reaktancji indukcyjnej korzystamy z poniższego wzoru: XL = 2 × Π × f × L gdzie f oznacza częstotliwość w hercach (Hz) źródłowego napięcia zmiennego, L to indukcyjność w henrach, a Π to stała o przybliżonej wartości 3,14. Wartość wyrażenia 2 × Π możemy zaokrąglić do 6,28, aby otrzymać uproszczoną wersję wzoru: XL = 6,28 × f × L Oto przykład obliczenia reaktancji indukcyjnej cewki 0,1 mH dla źródła prądu o częstotliwości 1 Hz: XL ≈ 6,28 × 1 × 0,0001 ≈ 0,000628 Ω Jeśli zwiększymy częstotliwość do 2 MHz (czyli 2 000 000 Hz), to wartość reaktancji indukcyjnej wyniesie: XL ≈ 6,28 × 2 000 000 × 0,0001 ≈ 1,3 kΩ Zauważ, że przy bardzo niskiej częstotliwości (1 Hz) reaktancja była prawie równa zeru, przez co cewka, nie stawiając prądowi żadnego oporu, zachowywała się prawie jak zwornik. Przy wysokiej częstotliwości sygnału (2 MHz) cewka stawia znaczny opór przepływającemu prądowi (wartość reaktancji wynosiła 1,3 kΩ).

107

108

Część I: Podstawy elektroniki

Użycie wartości reaktancji indukcyjnej w równaniach prawa Ohma Reaktancję indukcyjną, podobnie jak pojemnościową, można obliczyć, korzystając z prawa Ohma. Trzeba tylko pamiętać, aby w obliczeniach używać tylko jednej wartości częstotliwości. Przypuśćmy, że do cewki indukcyjnej o wartości 0,1 mH przyłożono napięcie zmienne o częstotliwości 2 MHz i wartości szczytowej 5 V. Szczytowe natężenie prądu na cewce można w tym przypadku obliczyć, stosując prawo Ohma: Imax =

U max XL

Reaktancja indukcyjna cewki o wartości 0,1 mH przy częstotliwości napięcia 2 MHz wynosi 1,3 kΩ (to wynika z obliczeń, które wykonaliśmy wcześniej). W związku z tym szczytowe natężenie prądu wynosi: Imax =

5V 1300 Ω

≈ 0,0038 A lub 3,8 mA

Zmiana zachowania zależnie od częstotliwości (po raz kolejny) Cewki indukcyjne, tak jak kondensatory, w obwodach prądu zmiennego zachowują się różnie w zależności od częstotliwości przyłożonego napięcia. Ponieważ wartość natężenia prądu przepływającego przez cewkę zależy od częstotliwości, to samo dotyczy napięcia na cewce i innych elementach obwodu. Ta właściwość cewki, która uzależnia jej zachowanie od częstotliwości, stanowi podstawę do konstrukcji różnych przydatnych przyrządów, np. filtrów dolno-, górno- i środkowoprzepustowych. Cewki indukcyjne są swego rodzaju alter ego kondensatorów. Kondensatory przeciwstawiają się zmianom napięcia, a cewki zmianom natężenia prądu. Kondensatory blokują prąd stały, a przepuszczają prąd zmienny, przy czym im większa częstotliwość, tym więcej prądu przechodzi. Cewki indukcyjne przepuszczają prąd stały, a blokują prąd zmienny, przy czym im wyższa częstotliwość, tym mniej prądu przechodzi.

Zastosowanie cewek indukcyjnych w obwodach Cewki indukcyjne najczęściej są używane w obwodach strojeniowych, czyli takich, które służą do wybierania i odrzucania określonych częstotliwości sygnału oraz do blokowania sygnałów o wysokiej częstotliwości, np. eliminowania zakłóceń w postaci fal radiowych przy przesyłaniu sygnału drogą kablową. W sprzęcie audio cewki stosuje się do wytłumiania szumu o częstotliwości 50 Hz (który jest często powodowany przez znajdujące się w pobliżu linie elektroenergetyczne).

Rozdział 5: Cewki indukcyjne i kryształy Zapewne nawet nie zdajesz sobie sprawy z tego, jak często masz do czynienia z cewkami indukcyjnymi na co dzień. Wykorzystuje się je np. w czujnikach świateł ulicznych — to te urządzenia, które skądś „wiedzą”, że samochód czeka na możliwość przejazdu — do uruchamiania zmiany światła. Pod ulicą, kilka metrów przed skrzyżowaniem, znajduje się pętla indukcyjna w postaci kilku gigantycznych zwojów drutu o średnicy blisko dwóch metrów. Pętla ta jest połączona z obwodem sterującym światłami ulicznymi. Kiedy przejeżdża samochód, metal, z którego jest wykonany, zakłóca strumień magnetyczny w pętli. Obwód wykrywa tę zmianę i włącza zielone światło.

Izolowanie i ekranowanie cewek indukcyjnych Drut, z którego wykonana jest cewka indukcyjna, musi być w izolacji, aby nie dochodziło do niezamierzonych zwarć między zwojami. Większość cewek używanych w obwodach elektronicznych ma jeszcze dodatkowo ekranowanie, czyli są zamknięte w pojemniku wykonanym z nieżelaznego metalu (zwykle mosiądzu lub aluminium), który ma za zadanie uniemożliwić liniom strumienia magnetycznego wpływanie na pobliskie elementy. Cewki z ekranowaniem należy wykorzystywać, aby zapobiec indukcji napięcia lub prądu w innych elementach obwodu. Natomiast cewek bez ekranowania używa się wówczas, gdy wpływ cewki na inne elementy jest pożądany. Zastosowanie cewek bez ekranowania opisaliśmy w podrozdziale „Oddziaływanie na elementy sąsiednie — transformatory”.

Oznaczenia indukcyjności Wartość indukcyjności cewki jest najczęściej podana na jej obudowie i przy użyciu takiego samego kolorowego kodu, jak w przypadku rezystorów, który opisaliśmy w rozdziale 3. Na większych cewkach wartość ta jest drukowana na obudowie w postaci tekstowej (liczbowej). Mniejsze cewki są z wyglądu podobne do rezystorów o małej mocy — mają nawet podobne kolorowe oznaczenia. Większe cewki mogą mieć rozmaite kształty i rozmiary, wszystko zależy od celu, w jakim zostały wyprodukowane. Wyróżnia się cewki indukcyjne stałe i zmienne. Zarówno jedne, jak i drugie są zbudowane z drutu nawiniętego na rdzeń. Na wartość cewki mają wpływ takie czynniki, jak liczba zwojów, materiał, z którego zbudowany jest rdzeń, średnica drutu zwojowego oraz długość cewki. Cewki stałe mają wartość niezmienną. Wartość cewek zmiennych można nastawiać. Rdzeń cewki indukcyjnej może być powietrzny, ferrytowy albo wykonany z innych materiałów (włącznie z Twoim samochodem). Najczęściej spotykane są rdzenie ferrytowe i powietrzne.

Łączenie ekranowanych cewek indukcyjnych Niewykluczone, że w swoich amatorskich układach nigdy nie będziesz potrzebować cewek indukcyjnych, ale możesz je spotkać w schematach obwodów zasilaczy i innych urządzeń. Dlatego powinieneś umieć obliczać indukcyjność zastępczą kombinacji ekranowanych cewek, aby móc dobrze się zorientować, jak działa dany układ. Wartości cewek indukcyjnych połączonych szeregowo sumują się, tak jak wartości rezystorów: Lszereg = L1 + L2 + L3…

109

110

Część I: Podstawy elektroniki Podobnie jak w przypadku równoległego połączenia rezystorów, wartości poszczególnych cewek należy odwrócić, zsumować, a następnie obliczyć odwrotność tej sumy (z lekcji matematyki możesz pamiętać, że odwrotność danej liczby to liczba, przez którą trzeba pomnożyć daną liczbę, aby otrzymać 1; np. odwrotnością każdej liczby całkowitej x jest 1/x). Lrówn =

1 1 1 1 + + + ...(itd .) L1 L2 L3

Inny sposób wyrażenia tego samego równania: 1 1 1 1 = + + +… L równ L1 L2 L3

Jeśli w obwodzie są tylko dwie cewki, wzór można uprościć do następującej postaci: Lrówn =

L1 × L 2 L1 + L 2

Filtrowanie sygnałów za pomocą cewek indukcyjnych Zapamiętaj: cewki indukcyjne są jakby alter ego kondensatorów. Cewki w obwodach filtrów elektronicznych pozwalają wykonywać czynności dokładnie odwrotne do tego, co robią kondensatory (które opisaliśmy w rozdziale 4.). Na rysunku 5.5 widać obwód RL, czyli składający się z rezystora i cewki indukcyjnej, w którym napięciem wyjściowym Uwy jest obniżone napięcie na cewce.

Rysunek 5.5. Obwód RL może pełnić funkcję prostego filtru górnoprzepustowego

Im niższa częstotliwość napięcia wejściowego, tym łatwiej cewka może reagować na zmiany prądu, a więc tym bardziej jej zachowanie przypomina zachowanie zworki, która przepuszcza prąd z niewielkim lub zerowym oporem. W związku z tym przy niskich częstotliwościach napięcia wejściowego wartość napięcia wyjściowego jest prawie równa zeru. Im wyższa częstotliwość napięcia wejściowego, z tym większą siłą cewka przeciwstawia się zmianom prądu i tym mniej prądu przepływa przez obwód. W wyniku tego przy

Rozdział 5: Cewki indukcyjne i kryształy wysokich częstotliwościach na rezystorze występuje niewielki spadek napięcia (ponieważ UR = I × R i wartość I jest bardzo niska), co powoduje, że większość napięcia spada na cewce i napięcie wyjściowe jest prawie równe napięciu wejściowemu. Pokazany na rysunku obwód może służyć jako filtr górnoprzepustowy, ponieważ przepuszcza sygnały o wysokiej częstotliwości, a blokuje sygnały stałe i o małej częstotliwości. Jeśli w układzie przedstawionym na rysunku 5.5 zamienisz miejscami rezystor i cewkę i jako wyjście wyznaczysz spadek napięcia na rezystorze, otrzymasz filtr dolnoprzepustowy. Przy niskich częstotliwościach, przy których cewka zachowuje się jak zworka, spadek na cewce jest niewielki lub zerowy, a więc prawie całość napięcia spada na rezystorze. Przy wyższych częstotliwościach zachowanie cewki zbliża się bardziej do zachowania obwodu otwartego, przez co mniej prądu przepływa przez obwód, a więc i przez rezystor — efektem jest znaczne zmniejszenie wartości napięcia wyjściowego.

Obliczanie stałej czasowej obwodów RL Ilość czasu potrzebnego do uzyskania przez napięcie indukowane przez cewkę mniej więcej dwóch trzecich swojej wartości można obliczyć, korzystając ze stałej czasowej T obwodu RL. Wzór jest następujący: T = L/R Tak jak stała czasowa obwodów RC (o której możesz przeczytać w rozdziale 4.) pozwala się zorientować, ile czasu potrzeba na całkowite naładowanie kondensatora, stała czasowa obwodów RL umożliwia obliczenie, ile czasu zajmie cewce indukcyjnej dojście do stanu pełnego przewodzenia prądu stałego. Przepływ prądu stałego stabilizuje się na jednym poziomie po upływie około pięciu jednostek stałej czasowej układów RL. Stałej czasowej układów RL można również używać do obliczania częstotliwości granicznej filtru (częstotliwości, przy której filtr zaczyna zmieniać sygnał wejściowy): fg = (2 × Π × T)-1 = (2 × Π × L / R)-1

Przedstawiamy impedancję! Jak napisaliśmy wcześniej w tym rozdziale, opór, jaki cewka indukcyjna stawia zmianom prądu, nazywa się reaktancją indukcyjną — podobnie jak opór stawiany zmianom prądu przez kondensator nazywa się reaktancją pojemnościową (którą szczegółowo opisaliśmy w rozdziale 4.). Mimo iż zarówno reaktancja, jak i rezystancja to pojęcia odnoszące się do przeciwstawiania się prądowi zmiennemu, są to dwa różne zjawiska. Wartość rezystancji jest zawsze taka sama bez względu na częstotliwość prądu, natomiast reaktancja zmienia się w zależności od tego parametru. Analizując obwód, w którym zachodzi zarówno zjawisko reaktancji, jak i rezystancji (np. przedstawiony na rysunku 5.5 obwód RL), możesz potrzebować informacji na temat całkowitego oporu, jaki jest stawiany prądowi zmiennemu o określonej częstotliwości.

111

112

Część I: Podstawy elektroniki Jako że i rezystancję, i reaktancję wyraża się w omach, może się wydawać, że aby obliczyć ogólny opór stawiany prądowi, wystarczy zsumować wartości reaktancji indukcyjnej XL i rezystancji R (tak jak się robi w przypadku obliczania rezystancji zastępczej szeregowo połączonych rezystorów). Nie jest to jednak możliwe, ponieważ w obliczeniach musi zostać uwzględniony czas reakcji cewki indukcyjnej (i kondensatora) na zmiany zachodzące w obwodzie. Ale mamy dobrą wiadomość — całkowity opór stawiany w obwodzie prądowi o określonej częstotliwości da się obliczyć. Impedancja to całkowita wartość oporu, jaki dany obwód stawia prądowi zmiennemu o określonej częstotliwości (jest to wielkość analogiczna do rezystancji zastępczej obwodu zawierającego tylko rezystory, o czym była mowa w rozdziale 3.). W obliczeniach wartości impedancji, którą oznaczamy symbolem Z, korzystamy z wartości rezystancji zastępczej i reaktancji zastępczej obwodu. Impedancję szeregowego obwodu RL obliczamy według wzoru: ZL =

R 2 + X L2

Natomiast wzór na impedancję szeregowego obwodu RC jest następujący: ZC =

R 2 + X C2

Do czego można użyć tych niezbyt zachęcająco wyglądających wzorów? Przypuśćmy, że chcemy obliczyć natężenie prądu przepływającego przez szeregowy obwód RL lub RC przy określonej częstotliwości sygnału wejściowego, stosując prawo Ohma. Możemy najpierw obliczyć impedancję obwodu przy wybranej częstotliwości, a następnie skorzystać z prawa Ohma i obliczonej wartości impedancji, aby obliczyć wartość szczytową prądu przepływającego przez obwód przy tej częstotliwości: Imax =

U max ZL

W przypadku obwodów zawierających rezystor, kondensator i cewkę indukcyjną połączone szeregowo (jest to rodzaj obwodu RLC), wzór na impedancję jest nieco bardziej skomplikowany. Reaktancja takiego obwodu (X) jest równa różnicy między reaktancją indukcyjną XL a reaktancją pojemnościową XC (X = XL − XC). W przypadku równoległych połączeń rezystorów i cewek indukcyjnych albo rezystorów i kondensatorów wzór na impedancję jest jeszcze bardziej złożony, ale wyluzuj, nie będziemy się nad Tobą znęcać.

Dostrajanie do stacji radiowych Cewki indukcyjne są naturalnymi filtrami dolnoprzepustowymi, a kondensatory — górnoprzepustowymi. Co w takim razie się stanie, jeśli te dwa elementy umieścimy w jednym obwodzie? Nietrudno się domyślić, że kombinacji cewek indukcyjnych i kondensatorów często używa się do dostrajania odbiorników radiowych na odbiór określonych częstotliwości sygnałów.

Rozdział 5: Cewki indukcyjne i kryształy

Rezonans w obwodach RLC Spójrz na obwód RLC widoczny na rysunku 5.6. Impedancję można obliczyć, korzystając z poniższego strasznego wzoru: Z= =

R2 + X 2 R 2 + ( X L − X C )2

Rysunek 5.6. W obwodach RLC istnieje częstotliwość rezonansowa, przy której reaktancja zastępcza jest równa zero

Nie zważając na wygląd tego wzoru, zwróć uwagę na jedną rzecz — jeśli XL = XC, to impedancja obwodu wynosi pierwiastek kwadratowy z R2, czyli po prostu R, a więc innymi słowy, jest równa rezystancji. Inaczej mówiąc, kiedy XL = XC, to reaktancja indukcyjna i reaktancja pojemnościowa wzajemnie się wykluczają. Sytuacja przedstawia się tak, jakby w obwodzie znajdował się tylko rezystor; ma to miejsce tylko przy jednej częstotliwości nazywanej częstotliwością rezonansową. Częstotliwość rezonansowa to wartość częstotliwości f, która sprawia, że XL = XC przy określonej kombinacji wartości indukcyjności (L) i pojemności (C). Czym wyróżnia się częstotliwość rezonansowa? Dzieją się przy niej takie rzeczy, których nie zaobserwujemy przy żadnej innej częstotliwości. Przy wszystkich innych częstotliwościach, zarówno wyższych, jak i niższych, w obwodzie występuje pewna ilość reaktancji, która sumuje się z rezystancją. Przy bardzo niskich częstotliwościach kondensator wykazuje wysoki poziom reaktancji. Przy bardzo wysokich częstotliwościach wysoką reaktancję wykazuje cewka indukcyjna. Z tego wnioskujemy, że przy niskich częstotliwościach przepływ prądu jest hamowany przez kondensator, a przy wysokich — przez cewkę indukcyjną. Przy częstotliwości rezonansowej reaktancja całkowita wynosi zero i obwód wygląda tak, jakby był w nim tylko rezystor. O obwodzie takim mówi się, że rezonuje przy tej określonej częstotliwości, i nazywa się go obwodem rezonansowym. Na rysunku 5.7 pokazano wykres częstotliwości prądu przepływającego przez obwód. Zwróć uwagę, że natężenie prądu jest najwyższe przy częstotliwości rezonansowej. Obwodów RLC używa się w odbiornikach radiowych do przepuszczania tylko jednej wybranej częstotliwości sygnału. Operację wykonywaną przez ten obwód nazywa się „strojeniem” do odpowiedniej częstotliwości, a sam obwód nazywamy obwodem strojonym. Możliwość dostrajania odbiornika do częstotliwości różnych stacji radiowych zapewnia zmienny kondensator, który pozwala zmieniać częstotliwość rezonansową.

113

114

Część I: Podstawy elektroniki

Rysunek 5.7. W szeregowym obwodzie RLC maksymalne natężenie prądu występuje przy częstotliwości rezonansowej

Gałka służąca do zmieniania pojemności jest sprzężona z gałką, za której pomocą użytkownik dostraja swój odbiornik. Jeśli poprzestawiamy nieco elementy, tak że kondensator będzie połączony równolegle z cewką indukcyjną, otrzymamy obwód, który przy częstotliwości rezonansowej będzie uzyskiwał minimalne natężenie prądu. Taki rodzaj układu „odstraja” wybraną częstotliwość i przepuszcza wszystkie pozostałe. Używa się go do tworzenia filtrów środkowozaporowych. Taki filtr można znaleźć np. w sprzęcie elektronicznym działającym w pobliżu linii energetycznych, w którym tłumione są sygnały o częstotliwości 50 Hz.

Krystalicznie czysty rezonans Tak wygląda symbol, którym oznacza się na schematach kryształy. Jeśli wytniesz odpowiedni kawałek kryształu kwarcu, dołączysz do niego dwa wyprowadzenia i umieścisz go w hermetycznej obudowie, to otrzymasz pojedynczy element, który będzie zachowywał się jak obwód RLC rezonujący przy określonej częstotliwości. Kryształów kwarcowych albo po prostu kryształów używa się w obwodach do generowania sygnałów elektrycznych o bardzo precyzyjnej częstotliwości. Działanie kryształów, o którym mowa, zawdzięczamy tzw. efektowi piezoelektrycznemu — jeśli do kryształu kwarcowego przyłożymy odpowiednie napięcie, zacznie on drgać z określoną częstotliwością, nazywaną częstotliwością rezonansową. Po odłączeniu napięcia kryształ nadal drga przez jakiś czas, ale w końcu powraca do pierwotnego stanu. Drgania powodują powstanie napięcia o częstotliwości równej częstotliwości rezonansowej. Może znasz piezoelektryczne przetworniki stosowane w gitarach, w których kryształy są używane do przetwarzania drgań mechanicznych generowanych przez struny na sygnały elektryczne, które następnie się wzmacnia. A jeśli pamiętasz jeszcze czasy sprzed nastania ery płyt kompaktowych, to może zaciekawi Cię fakt, że w gramofonach efekt piezoelektryczny jest wykorzystywany do zamiany ruchów igły ślizgającej się po wzniesieniach i zagłębieniach płyty winylowej na energię elektryczną. Częstotliwość, z jaką drga kryształ, zależy od jego grubości i rozmiaru. Można znaleźć kryształy drgające z częstotliwością od kilkudziesięciu kiloherców do dziesiątek megaherców. Kryształy są bardziej precyzyjne i niezawodne niż układy kondensatorów i cewek indukcyjnych, ale jest jeden haczyk — są droższe. Kryształów używa się w obwodach nazywanych oscylatorami, które służą do wytwarzania sygnałów elektrycznych o bardzo

Rozdział 5: Cewki indukcyjne i kryształy dokładnie określonej częstotliwości. Oscylatory wykorzystuje się do budowy zegarków naręcznych i cyfrowych układów scalonych (opisanych w rozdziale 7.), a także do sprawdzania dokładności sprzętu radiowego. Częstotliwość drgań kryształów kwarcowych jest określona z dokładnością do 0,001% wartości znamionowej (dlatego właśnie warto za nie trochę dopłacić). Można też spotkać rezonatory ceramiczne, które działają podobnie jak kryształy i mniej kosztują, ale za to są mniej dokładne. Rezonatory ceramiczne mają tolerancję rzędu 0,5% — a więc ich częstotliwość drgań może się różnić od podanej o 0,5% w górę lub w dół — i są często wykorzystywane do budowy urządzeń elektronicznych powszechnego użytku, takich jak telewizory, aparaty fotograficzne i zabawki.

Oddziaływanie na elementy sąsiednie — transformatory Cewki indukcyjne używane w obwodach strojonych mają ekranowanie, dzięki czemu ich pola magnetyczne nie zakłócają pracy innych elementów obwodu. Czasami jednak nieekranowane cewki umieszcza się obok siebie celowo, aby ich pola magnetyczne się ze sobą stykały. Z tej części rozdziału dowiesz się, jak oddziałują wzajemnie nieekranowane cewki indukcyjne oraz jak można to zjawisko wykorzystać do własnych celów, tworząc urządzenie elektryczne nazywane transformatorem.

Co łączy nieekranowane cewki indukcyjne? Jeśli umieścimy dwie nieekranowane cewki indukcyjne w niewielkiej odległości od siebie, to zmienne napięcie magnetyczne indukowane przez prąd zmienny przepływający przez jedną z nich indukuje napięcie w tej cewce oraz w drugiej cewce. Zjawisko indukcji napięcia przez jedną cewkę w innej cewce nazywa się indukcyjnością wzajemną, natomiast zjawisko indukcji napięcia w tej samej cewce, która wytworzyła zmienne pole magnetyczne, nazywamy samoindukcją. Im bliżej siebie znajdują się cewki, tym silniej wzajemnie oddziałują ich pola magnetyczne. Indukcyjność wzajemna może wzmacniać lub osłabiać samoindukcję w każdej z cewek. Zależy to od ustawienia biegunów obu urządzeń. Jeśli weźmiesz dwa obwody zawierające nieekranowane cewki i umieścisz je w pobliżu siebie, to cewki te będą wzajemnie między sobą oddziaływać. Kiedy przyłożysz prąd do jednej z cewek, spowodujesz indukcję napięcia w drugiej — mimo iż znajduje się ona w osobnym obwodzie. Zjawisko to nazywamy sprzężeniem transformatorowym. Transformator to urządzenie elektryczne zbudowane z dwóch cewek indukcyjnych nawiniętych na rdzeń z takiego samego materiału w taki sposób, aby zmaksymalizować ich wzajemną indukcyjność. Prąd przepływający przez jedną z cewek (uzwojenie pierwotne) indukuje napięcie w drugiej cewce (uzwojenie wtórne). Zadaniem transformatora jest przeniesienie energii elektrycznej z jednego obwodu na inny. Na rysunku 5.8 przedstawione są symbole używane do oznaczania transformatorów z rdzeniem powietrznym i z materiału stałego.

115

116

Część I: Podstawy elektroniki

Rysunek 5.8. Symbole używane do oznaczania na schematach transformatorów z rdzeniem powietrznym i z materiału stałego

Izolowanie obwodów od źródła zasilania Jeśli liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym jest równa liczbie zwojów w uzwojeniu wtórnym transformatora, to teoretycznie całość napięcia obecnego w uzwojeniu pierwotnym zostanie indukowana w uzwojeniu wtórnym. Taki transformator nazywamy transformatorem 1:1, ponieważ między uzwojeniami zachodzi relacja jeden do jednego (w praktyce żaden transformator nie jest idealny, tzn. bezstratny, i zawsze występuje pewna strata energii). Transformatory 1:1 nazywane są też transformatorami izolacyjnymi. Używa się ich w układach, w których bez fizycznego połączenia dwóch obwodów trzeba przekazać moc lub sygnał zmienny z jednego obwodu na drugi. Zwykle pierwszy obwód zawiera źródło zasilania, a drugi obciążenie (w rozdziale 1. zdefiniowaliśmy obciążenie jako punkt docelowy energii elektrycznej lub obiekt, który ma wykonać pracę, np. membrana głośnika). Obwody izoluje się po to, aby zmniejszyć ryzyko porażenia prądem albo by uniknąć zakłóceń między nimi.

Podwyższanie i obniżanie napięcia Jeśli liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym transformatora różni się od liczby zwojów uzwojenia wtórnego, to w uzwojeniu wtórnym zostanie indukowane napięcie o wartości innej niż w uzwojeniu pierwotnym. Wartości napięć w obu uzwojeniach będą do siebie proporcjonalne, przy czym proporcje te będą zależeć od współczynnika liczby zwojów w uzwojeniu wtórnym względem liczby zwojów w uzwojeniu pierwotnym: n U2 = 2 U1 n1

Symbol U2 oznacza wartość napięcia indukowanego w uzwojeniu wtórnym, U1 to wartość napięcia na uzwojeniu pierwotnym, n2 to liczba zwojów uzwojenia wtórnego, a n1 określa liczbę zwojów uzwojenia pierwotnego. Przypuśćmy, że uzwojenie wtórne składa się z 200 zwojów drutu — z dwukrotnie większej ich liczby niż uzwojenie pierwotne, które ma 100 zwojów. Jeśli do uzwojenia pierwotnego przyłożymy napięcie zmienne o wartości szczytowej 50 V, to wartość napięcia szczytowego indukowanego w uzwojeniu wtórnym wyniesie 100 V, czyli dwukrotność wartości napięcia szczytowego w napięciu pierwotnym. Tego rodzaju transformator nazywamy

Rozdział 5: Cewki indukcyjne i kryształy transformatorem podwyższającym napięcie, ponieważ zwiększa wartość napięcia uzwojenia pierwotnego w uzwojeniu wtórnym. Gdybyśmy zamiast 200 w uzwojeniu wtórnym nawinęli tylko 50 zwojów drutu, a uzwojenie pierwotne pozostawili bez zmian, to przy takim samym napięciu co wcześniej uzyskalibyśmy wartość napięcia równą połowie napięcia w uzwojeniu pierwotnym. Napięcie szczytowe w uzwojeniu wtórnym miałoby wartość szczytową 25 V. Taki transformator z oczywistych względów nazywamy transformatorem obniżającym napięcie. W obu przypadkach moc przyłożona do uzwojenia pierwotnego jest przenoszona na uzwojenie wtórne. Ponieważ moc jest iloczynem napięcia i natężenia prądu (P = U × I), natężenie prądu indukowanego w uzwojeniu wtórnym jest odwrotnie proporcjonalne do indukowanego w nim napięcia. Podsumowując, transformator podwyższający napięcie podwyższa napięcie i obniża natężenie prądu, natomiast transformator obniżający napięcie obniża napięcie i podwyższa natężenie prądu. Transformatorów podwyższających i obniżających napięcie prądu używa się w stacjach przesyłowych mocy. Wartość napięcia elektryczności wytworzonej w elektrowni jest podwyższana do wartości rzędu 110 kV (1 kV = 1000 V) albo większych, następnie przesyła się ją na duże odległości do stacji transformatorowych, w których obniża się napięcie w celu uzdatnienia go do przesłania do odbiorców.

117

118

Część I: Podstawy elektroniki

Rozdział 6

Bogaty świat półprzewodników W tym rozdziale: ► Budowa półprzewodników ► Wytwarzanie diod i tranzystorów z półprzewodników ► Przepuszczanie prądu tylko w jedną stronę za pomocą diod ► Jak działają tranzystory? ► Zastosowanie tranzystorów jako małych przełączników ► Wzmacnianie sygnałów przy użyciu tranzystorów

M

ateriały półprzewodnikowe są niezbędnym składnikiem wszystkich współczesnych urządzeń elektronicznych, od programowalnych rozruszników serca po statki kosmiczne. Aż trudno uwierzyć, że ta skromna grupa materiałów zrewolucjonizowała medycynę, badania kosmosu, automatykę przemysłową, domową rozrywkę, komunikację i wiele innych dziedzin nauki i gospodarki. Diody i tranzystory półprzewodnikowe mogą być używane do przewodzenia lub blokowania przepływu prądu elektrycznego w zależności od tego, jak nimi pokierujemy za pomocą elektryczności. Pozwalają ograniczyć przepływ prądu do tylko jednego kierunku oraz wzmacniać niewielkie sygnały — nic z tych rzeczy nie uda Ci się zrobić przy użyciu biernych elementów elektronicznych. Czytając ten rozdział, poznasz budowę materiałów półprzewodnikowych, dowiesz się, jak przewodzą prąd oraz jak są łączone, aby tworzyły diody i tranzystory. Następnie przyjrzysz się diodom, które działają jak zawory jednokierunkowe (dowiesz się, jak tę ich cechę wykorzystać do własnych celów), poznasz działanie tranzystorów i przyczynę, dla której cieszą się tak dużą popularnością. Później będziesz gotowy, aby wejść w świat nowoczesnej elektroniki!

Przewodzić czy nie przewodzić? Między izolatorami a przewodnikami znajduje się grupa materiałów, które nie mogą się zdecydować, czy trzymać swoje elektrony mocno przy sobie, czy pozwolić im wędrować bez przeszkód między atomami. Materiały te to półprzewodniki. Ich wyjątkowość polega na tym, że w niektórych warunkach zachowują się jak przewodniki, a w innych jak izolatory. Przy korzystaniu z urządzeń wykonanych z krzemu albo germanu można precyzyjnie sterować przepływem nośników ładunku elektrycznego w jednym obszarze urządzenia, nastawiając odpowiednio napięcie w innym obszarze.

120

Część I: Podstawy elektroniki Za pomocą diod półprzewodnikowych można sprawić, aby prąd płynący w jednym kierunku był przepuszczany, a płynący w drugim kierunku — blokowany, tak jak to się robi przy użyciu zaworów jednokierunkowych w przypadku wody. Tranzystory pozwalają włączać i wyłączać przepływ elektronów (prądu) oraz ustawiać natężenie większego prądu poprzez dostosowanie natężenia mniejszego prądu. Te właściwości tranzystorów wykorzystywane są w budowie wielu skomplikowanych urządzeń elektronicznych, takich jak wzmacniacze sygnałów elektrycznych, prostowniki (urządzenia zamieniające prąd zmienny w prąd stały) czy przyrządy do sterowania przepływem prądu. Mikroskopijne rozmiary i niski pobór mocy układów półprzewodnikowych sprawiły, że wszystkie urządzenia zbudowane z ich wykorzystaniem są bardzo małe i energooszczędne, dzięki czemu zrewolucjonizowały nowoczesną elektronikę. Atomy półprzewodników są ułożone w regularną trójwymiarową sieć krystaliczną, podobną do pokazanej na rysunku 6.1. Atomy wewnątrz kryształu są związane ze sobą tzw. wiązaniami kowalentnymi, a elektrony znajdujące się na zewnętrznej orbicie każdego atomu (nazywane elektronami walencyjnymi) są związane z elektronami sąsiednich atomów. To tak jak sąsiedzi, którzy korzystają z jednej drogi — każdy zachowuje się tak, jakby ta droga należała do niego (oprócz dni, kiedy spadnie duża ilość śniegu).

Rysunek 6.1. W materiałach półprzewodnikowych, takich jak krzem, występują silne wiązania kowalentne, które utrzymują krystaliczną strukturę rozmieszczenia atomów

To właśnie te właściwości wiązań i połączeń elektronów w atomach kryształów sprawiają, że kryształy półprzewodnikowe przez większość czasu zachowują się jak izolatory. Każdy atom „myśli”, że ma więcej elektronów walencyjnych, niż jest rzeczywiście. Wszystkie te elektrony zachowują się jak członkowie jednej, wielkiej, szczęśliwej rodziny i nie czują potrzeby, aby przechodzić z jednego atomu do innego (tym półprzewodniki znacznie różnią się od przewodników, których atomy mają zwykle po jednym elektronie walencyjnym, który bardzo chętnie wyrusza w podróż międzyatomową). Istnieje pewien sposób, za którego pomocą można zmienić właściwości elektryczne czystego półprzewodnika. Trzeba go zmieszać (nie, nie chodzi o sprawienie, żeby się zawstydził, lecz dodanie do niego materiału, który zmieni zachowanie elektronów; wrócimy do tego za chwilę).

Rozdział 6: Bogaty świat półprzewodników Do końca tej części rozdziału będziemy zajmować się teorią fizycznej budowy półprzewodników. Mimo iż są to wartościowe informacje, nie są niezbędne do zrozumienia, jak działają elementy półprzewodnikowe. Jeśli Cię to nie interesuje, możesz przejść od razu do podrozdziału „Diody złączowe”, a i tak nie ominie Cię nic, co trzeba wiedzieć, aby używać półprzewodników w obwodach.

Domieszkowanie półprzewodników Jeśli do czystego półprzewodnika, takiego jak krzem, dodamy trochę zanieczyszczeń (tzn. domieszkę różnych rodzajów atomów), to namieszamy trochę w wiązaniach elektronów. Proces ten nazywa się domieszkowaniem półprzewodnika, a dodawane zanieczyszczenia nazywamy domieszką półprzewodnika. W roli domieszki do czystego krzemu najczęściej używa się arsenu i boru. Atomy materiału domieszkowego próbują podszyć się pod atomy kryształu i utworzyć wiązania z innymi atomami, lecz różnią się od nich na tyle, że robią przy tym trochę bałaganu. Na przykład atomy arsenu mają o jeden elektron zewnętrzny więcej niż atomy krzemu. Kiedy doda się niewielką ilość arsenu do grupy atomów krzemu, atomy arsenu wcisną się między atomy krzemu, wiążąc się z nimi. Jednak ze względu na to, że mają o jeden elektron więcej, elektron ten może swobodnie podróżować między atomami kryształu. Dzięki temu, mimo iż materiał domieszkowany sam jest elektrycznie obojętny, teraz zawiera pewną liczbę „wolnych” elektronów szwendających się bez celu po atomach, które sprawiają, że jego przewodność znacznie wzrasta. Domieszkując krzem, zmieniamy jego elektryczne właściwości — dodanie domieszki do krzemu sprawia, że zaczyna przewodzić prąd. Inna technika domieszkowania półprzewodników polega na zastosowaniu materiału takiego jak bor, którego atomy mają o jeden elektron walencyjny mniej niż atomy krzemu. Każdy atom boru dodany do krystalicznej struktury krzemu powoduje powstanie tzw. dziury elektronowej w tej strukturze, czyli miejsca, w którym brakuje jednego elektronu. Kiedy w strukturze kryształu powstaje dziura, wiązanie trzymające atomy razem, które jest bardzo silne, „ukradnie” elektron z innego atomu, aby ją zapełnić. Powstała w ten sposób luka w innym miejscu zostanie zapełniona przez inny elektron itd. Można odnieść wrażenie, że po strukturze kryształu porusza się dziura (rysunek 6.2), ale w rzeczywistości to elektrony się poruszają, a złudzenie jest wywołane tym, że widać, jak zmienia się położenie dziury. Ponieważ każda dziura reprezentuje jeden brakujący elektron, ruch dziur ma taki sam efekt, jak przepływ ładunków dodatnich. Domieszki uwalniające elektrony (ładunki ujemne), które mogą poruszać się po atomach półprzewodnika, nazywają się donorami, a półprzewodniki domieszkowane nimi to półprzewodniki typu n. Typowym przykładem donora jest arsen. Domieszki takie jak bor, które powodują powstanie dziur elektronowych (ładunki dodatnie) poruszających się po strukturze półprzewodnika, nazywają się akceptorami, a półprzewodniki domieszkowane nimi to półprzewodniki typu p. Typowym przykładem akceptora jest bor.

121

122

Część I: Podstawy elektroniki

Rysunek 6.2. Kiedy elektron zostaje wyrwany z atomu, aby zapełnić lukę w sąsiednim atomie, można odnieść wrażenie, że to dziura poruszyła się w kierunku przeciwnym do ruchu elektronu

Złącze elektronowo-dziurowe Aby dobrze zrozumieć, dlaczego czasami po przyłożeniu napięcia do złącza elektronowo-dziurowego (p-n) prąd płynie, a czasami nie, trzeba dogłębnie poznać właściwości fizyczne tego złącza. Nie będziemy zbytnio drążyć tego tematu. Wystarczy, jeśli będziesz wiedzieć, że wszystko zależy od tego, w jakim kierunku dziury są popychane w materiale typu p, w jakim kierunku elektrony są popychane w materiale typu n oraz jak dziury i elektrony czasami rekombinują na złączu.

w kierunku złącza oraz elektronów przez materiał typu n w kierunku złącza. Jeśli wyślemy odpowiednią ilość ładunku, uda nam się przezwyciężyć niewielkie napięcie występujące na złączu. Dziury przejdą do materiału typu n, a elektrony przejdą do materiału typu p. Zewnętrzne źródło napięcia popycha ładunki w kierunku złącza, a więc ładunki przez nie przechodzą. Efektem ruchu dziur w jednym kierunku i elektronów w drugim jest prąd. Umownie przyjmuje się, że prąd to ruch dodatnich ładunków od dodatniego bieguna baterii przez materiał typu p, przez złącze, Nawet jeśli nie jest przyłożone żadne zewnętrzne przez materiał typu n i w kierunku ujemnego bieguna napięcie, na złączu i tak występuje niewielka różnica baterii. potencjałów. Wynika ona z tego, że na złączu spotykają się dziury i elektrony, które zamieniają się Jeśli podłączymy baterię odwrotnie, ujemny biegun miejscami i rekombinują (czyli elektron zapełnia będzie przyciągał dziury z półprzewodnika typu n, dziurę). W ten sposób po obu stronach złącza po- odciągając je od złącza, a dodatni biegun będzie wstaje ładunek: po stronie półprzewodnika typu p przyciągał elektrony od półprzewodnika typu n, rówjest to ładunek ujemny, a po stronie półprzewodnika nież odciągając je od złącza. To powoduje wzmoctypu n — dodatni. W związku z tym powstaje nie- nienie występującego już na złączu napięcia, co wielka różnica ładunków (a więc niewielkie napię- dodatkowo utrudnia przepływ prądu. Jeśli przyłożone cie) na złączu. Napięcie to przeciwstawia się dal- napięcie zewnętrzne będzie wystarczająco silne, to szemu przepływowi dziur i elektronów przez złącze. w końcu uda się przełamać tę barierę — prąd będzie płynąć w kierunku przeciwnym do poprzedniego. Podłączając dodatni biegun baterii do materiału Napięcie, przy którym do tego dochodzi, nazywamy typu p i ujemny biegun baterii do materiału typu n, napięciem przebicia. Opisany tu proces stanowi powodujemy przepchnięcie dziur przez materiał typu p podstawę konstrukcji tzw. diody Zenera.

Rozdział 6: Bogaty świat półprzewodników

Tworzenie elementów przy użyciu kombinacji półprzewodników typów n i p Przyłożenie napięcia do półprzewodnika typu n lub p powoduje ruch elektronów w materiale i przepływ prądu od ujemnego do dodatniego bieguna źródła napięcia (w przypadku półprzewodników typu p ruch ten jest opisywany jako przemieszczanie się dziur elektronowych od dodatniego do ujemnego bieguna). Jak na razie, nic nadzwyczajnego — domieszkowane półprzewodniki zachowują się jak przewodniki, które z równym powodzeniem można by zastąpić kawałkiem drutu miedzianego. Zabawa zaczyna się dopiero wtedy, gdy połączy się półprzewodniki typu n i p oraz do uzyskanego w ten sposób tzw. złącza p-n (elektronowo-dziurowego) przyłoży się napięcie. Przepływ prądu przez takie złącze zależy od kierunku. Jeśli podłączymy dodatni biegun do materiału typu p, a ujemny do typu n, to prąd popłynie (ale pod warunkiem, że przyłożone napięcie przekroczy określoną wartość minimalną). Jeśli baterię podłączymy odwrotnie, to prąd nie będzie płynął (chyba że przyłożymy bardzo wysokie napięcie). Sposób połączenia półprzewodników typu n i p decyduje o tym, jakiego rodzaju urządzenie one tworzą oraz jak przepuszczają lub blokują przepływ prądu po przyłożeniu napięcia. Złącza p-n są podstawą elektroniki półprzewodników, w której do budowy urządzeń używa się nieruchomych stałych materiałów zamiast lamp próżniowych i ruchomych części (takich jak mechaniczne dyski i taśmy wykorzystywane do przechowywania danych komputerowych). Półprzewodniki praktycznie wyparły lampy próżniowe z elektroniki.

Diody złączowe Dioda półprzewodnikowa to urządzenie elektroniczne z dwoma wyprowadzeniami, które w swojej budowie ma jedno złącze p-n. Symbol, jakim oznaczamy diody na schematach, pokazany jest po lewej stronie. Działanie diod przypomina działanie zaworów zwrotnych, tzn. po przyłożeniu napięcia pozwalają na przepływ prądu tylko w jednym kierunku. Czasami właściwość tę nazywa się prostowaniem elektrycznym. Część diody wykonaną z półprzewodnika typu p nazywamy anodą, a część wykonaną z półprzewodnika typu n — katodą. W symbolu diody przedstawionym powyżej anodę reprezentuje kreska z lewej strony (od szerszej strony strzałki), a katodę kreska z prawej strony (linia pionowa). Większość diod przepuszcza prąd w kierunku od anody do katody (wyjątkiem są diody Zenera; szczegóły na ten temat znajdziesz dalej, w podrozdziale „Regulowanie napięcia przy użyciu diod Zenera”). Złącze w diodzie można sobie wyobrażać jako pagórek, a prąd jako piłkę, którą próbujemy przezeń przetoczyć. Bez trudu uda nam się to zrobić, kiedy mamy z górki (od anody do katody), ale musimy się nieźle napocić, aby pójść pod górkę (od katody do anody). Diody, podobnie jak rezystory, mają kształt walcowaty, ale w odróżnieniu od nich nie są tak kolorowe. Większość diod ma tylko jeden pasek lub innego rodzaju symbol oznaczający katodę. Na rysunku 6.3 pokazano trzy różne diody.

123

124

Część I: Podstawy elektroniki

Rysunek 6.3. Diody mają rozmiar i kształt podobne do rezystorów, ale na ich powierzchni jest namalowany tylko jeden pasek — oznaczający katodę

Polaryzacja diod W elektronice terminem polaryzacja określa się przyłożenie stabilnego napięcia lub prądu stałego do urządzenia elektronicznego lub obwodu w celu zmuszenia go do działania w określony sposób. Diody i tranzystory (które opisaliśmy nieco dalej) są urządzeniami nieliniowymi, tzn. stosunek napięcia i natężenia prądu nie jest w nich stały. Zmienia się w zależności od wartości napięcia i natężenia prądu. Pod tym względem różnią się od rezystorów, w których stosunek napięcia do natężenia prądu jest stały. Polaryzacja diody polega na przyłożeniu do niej napięcia zwanego napięciem polaryzacji (od anody do katody), tak że dioda albo pozwala prądowi płynąć od anody do katody, albo go blokuje. Te dwa tryby działania diod nazywamy odpowiednio polaryzacją przewodzenia (prąd jest przewodzony) i polaryzacją zaporową (prąd nie jest przewodzony). Aby spolaryzować diodę przewodząco (tzn. zmusić ją do przewodzenia prądu), należy przyłożyć odpowiednio wysokie dodatnie napięcie od anody do katody. Minimalne napięcie, które powoduje włączenie diody, nazywamy napięciem przewodzenia, a jego wartość zależy od typu urządzenia. Typowa dioda krzemowa ma napięcie przewodzenia o wartości rzędu 0,6 – 0,7 V, natomiast napięcie przewodzenia diod elektroluminescencyjnych (LED) mieści się w przedziale wartości od 1,5 do 4,6 V (w zależności od koloru; zawsze sprawdzaj parametry diod, których zamierzasz użyć w swoich obwodach). Kiedy dioda jest spolaryzowana przewodząco, prąd przewodzenia płynie bez większych przeszkód przez złącze p-n, od anody do katody. Można zwiększyć ilość prądu przepływającego przez diodę (do maksymalnej bezpiecznej wartości), lecz spadek napięcia przewodzenia zmieni się o mniejszą wartość. Na rysunku 6.4 przedstawiono diodę spolaryzowaną przewodząco, która pozwala na dopływ prądu do lampy. Polaryzacja zaporowa diody polega na przyłożeniu napięcia wstecznego (ujemne napięcie od anody do katody), które uniemożliwia przepływ prądu, jak pokazano na rysunku 6.5 (w rzeczywistości bardzo mała ilość prądu, rzędu kilku μA, popłynie).

Rozdział 6: Bogaty świat półprzewodników

Rysunek 6.4. Bateria polaryzuje przewodząco diodę, co sprawia, że prąd dociera do lampy

Rysunek 6.5. Ponieważ w tym obwodzie dioda jest spolaryzowana zaporowo, zachowuje się jak zamknięty zawór blokujący przepływ prądu przez obwód

Jeśli wartość napięcia zaporowego przekroczy pewien próg (zwykle 50 V lub więcej), dioda „podda się” i prąd wsteczny popłynie od katody do anody. Wartość napięcia wstecznego, przy której następuje przełamanie oporu diody, nazywamy szczytowym napięciem wstecznym. Celowo rzadko polaryzuje się diody zaporowo (wyjątkiem są diody Zenera, które opisaliśmy w podrozdziale „Regulowanie napięcia przy użyciu diod Zenera”). Czasami zdarza się to przypadkowo, gdy niewłaściwie włączymy diodę do obwodu (zobacz podrozdział „Którą stroną podłączać” w dalszej części tego podrozdziału), ale nie martw się — diodzie nic się nie stanie i wystarczy tylko ją przestawić, aby wszystko było w porządku (lecz jeśli zostanie przekroczona wartość szczytowa napięcia wstecznego, może się zdarzyć, że popłynie zbyt duża ilość prądu wstecznego, który zniszczy inne elementy obwodu). Jeśli do diody nie jest przyłożone napięcie lub jest przyłożone napięcie o bardzo niskiej wartości (niższej od napięcia przewodzenia), to dioda jest niespolaryzowana (to nie znaczy, że nie lubi niedźwiedzi polarnych, tylko że jeszcze się nią odpowiednio nie zajęliśmy).

Przewodzenie prądu przez diodę Kiedy przez diodę zaczyna płynąć prąd, spadek napięcia przewodzenia pozostaje cały czas na mniej więcej tym samym poziomie, nawet mimo zwiększenia prądu przewodzenia. Na przykład większość diod krzemowych ma napięcie przewodzenia o wartości między 0,6 a 0,7 V przy szerszym zakresie wartości prądu przewodzenia. Analizując obwód zawierający diodę krzemową (taki jak np. pokazany na rysunku 6.4), możesz założyć, że spadek napięcia na tej diodzie wynosi około 0,7 V, nawet wówczas, kiedy napięcie źródłowe podniesiesz do poziomu 6 albo 9 V. Zwiększenie napięcia źródłowego powoduje

125

126

Część I: Podstawy elektroniki zwiększenie natężenia prądu w obwodzie, ale spadek napięcia na diodzie pozostaje niezmienny. W związku z tym zwiększone napięcie źródłowe jest wytracane na lampie. Oczywiście każdy element elektroniczny ma jakieś ograniczenia. Jeśli zbyt mocno zwiększysz natężenie prądu na diodzie, to wytworzy się w niej duża ilość ciepła, które po przekroczeniu pewnej wartości zniszczy złącze p-n. Dlatego uważaj, aby nie przyłożyć zbyt wysokiego napięcia.

Wartości znamionowe diod Większość diod nie ma wartości znamionowych, jakie mają rezystory czy kondensatory. Zadaniem diody jest po prostu przepuszczanie lub blokowanie przepływu elektronów, bez oddziaływania na kształt i rozmiar tego strumienia. Nie oznacza to jednak, że wszystkie diody są takie same. Standardowe diody definiowane są według dwóch zasadniczych kryteriów — szczytowego napięcia wstecznego i natężenia. Na podstawie wartości tych dwóch parametrów można wybrać diodę odpowiednią do określonego celu.

9 Wartość szczytowego napięcia wstecznego pozwala zorientować się, jakie

napięcie wsteczne można przyłożyć do diody bez obawy, że zostanie przełamany jej opór. Jeśli np. dioda ma wartość 100 V, to nie należy jej używać w obwodach, w których prąd płynie pod napięciem większym od 100 V. Projektanci obwodów stosują diody o znacznie wyższej wartości znamionowej szczytowego napięcia wstecznego, niż wynikałoby to z przewidywanych warunków, jakie mogą panować w obwodzie, aby zabezpieczyć się na wypadek przepięć i innych nieprzewidzianych sytuacji. Na przykład w obwodach zasilania działających pod napięciem zmiennym 120 V bardzo często można spotkać diody prostownicze o wartości 1000 V.

9 Natężenie znamionowe określa maksymalne natężenie prądu przewodzenia,

jakie dioda może wytrzymać. Dioda o wartości 3 A nie może być podłączona do obwodu, w którym natężenie prądu wynosi powyżej 3 A, ponieważ przegrzeje się i ulegnie uszkodzeniu.

Identyfikacja diod Większość diod ma oznaczenie w postaci pięcio- lub sześcioznakowego kodu zgodnego ze standardowym systemem identyfikacyjnym. Dwa pierwsze znaki to litery: pierwsza oznacza materiał, z którego dioda została wykonana (np. A symbolizuje german, B — krzem), natomiast druga — przeznaczenie diody (np. Y oznacza diodę prostowniczą, Z — diodę Zenera). Kolejne znaki (litery lub cyfry) mogą określać parametry diody albo numer serii — więcej informacji znajdziesz choćby na stronie http://www.tranzystor.eu/articles.php?article_id=296. Szczegółowe informacje można również bez trudu znaleźć w każdym katalogu i informatorze o częściach zamiennych, które są publikowane w internecie (katalog części zamiennych to publikacja zawierająca informacje na temat tego, jakich części można użyć zamiast części wymienionych na schemacie, które są w danej chwili niedostępne). W standardzie amerykańskim pierwszymi dwoma znakami oznaczenia diody są zawsze 1N: 1 oznacza liczbę złączy p-n, a N, że do budowy urządzenia użyto półprzewodnika. Pozostałe trzy lub cztery znaki określają inne parametry. Klasycznym przykładem jest

Rozdział 6: Bogaty świat półprzewodników seria diod prostowniczych oznaczanych symbolem 1N40xx, gdzie część xx może oznaczać 00, 01 itd. do 08. Diody te mają natężenie znamionowe o wartości 1 A i szczytowe napięcie wsteczne od 50 do 1000 V, w zależności od liczby xx. Na przykład dioda prostownicza oznaczona symbolem 1N4001 ma wartości znamionowe 1 A i 50 V, a dioda 1N4008 ma wartości 1A i 1000 V.

Którą stroną podłączać? W przypadku diod bardzo ważny jest sposób podłączenia ich do obwodu (więcej na ten temat za chwilę). Diodę należy podłączyć tak, aby znajdujący się na jej obudowie pasek lub inny znak był z tej samej strony, co pionowa kreska w symbolu na schemacie. Są to oznaczenia reprezentujące katodę, czyli ujemną końcówkę urządzenia. Wyprowadzenia diody można także rozpoznać poprzez zmierzenie rezystancji (przed wstawieniem diody do obwodu) za pomocą omomierza lub multimetru (opisanych w rozdziale 12.). Dioda spolaryzowana przewodząco stawia niewielki opór, a spolaryzowana zaporowo — duży. Jeśli dodatnie wyprowadzenie miernika będzie podłączone do anody, a ujemne do katody, dioda będzie spolaryzowana przewodząco (aby zmierzyć rezystancję, miernik przykłada do diody niewielkie napięcie). Pomiar można wykonać dwukrotnie, za każdym razem inaczej, podłączając wyprowadzenia. Niższy wynik oznacza, że dioda jest spolaryzowana przewodząco. Diody działają jak zawory jednokierunkowe, czyli przepuszczają prąd tylko w jednym kierunku. Skutki odwrotnego podłączenia diody do obwodu mogą być dwojakie — albo obwód nie zadziała w ogóle (ponieważ nie popłynie przezeń prąd), albo zostaną uszkodzone niektóre elementy (jeśli zostanie przekroczone szczytowe napięcie wsteczne, co spowoduje przepływ prądu w odwrotnym kierunku, co z kolei może uszkodzić, np. kondensatory elektrolityczne). Zawsze dokładnie sprawdzaj, czy dobrze podłączasz diodę do obwodu!

Zastosowanie diod w obwodach Istnieją różne rodzaje diod półprzewodnikowych, które mają różne zastosowania w układach elektronicznych.

Prostowanie prądu zmiennego Na rysunku 6.6 przedstawiono schemat obwodu składającego się z diody krzemowej, rezystora i źródła prądu zmiennego. Zwróć uwagę na sposób podłączenia diody — anoda (wyprowadzenie dodatnie) jest podłączona do źródła zasilania. Dioda przewodzi prąd tylko wtedy, gdy jest spolaryzowana przewodząco. Jeśli źródło napięcia jest dodatnie (i ma wartość nie niższą od 0,7 V, która jest potrzebna do spolaryzowania diody przewodząco), to prąd jest przewodzony. Jeśli napięcie ma wartość niższą od 0,7 V, dioda nie przewodzi prądu. Na wyjściu otrzymujemy „przyciętą” wersję napięcia wejściowego i dochodzi do niego tylko ta część napięcia, która ma wartość wyższą od 0,7 V.

127

128

Część I: Podstawy elektroniki

Rysunek 6.6. Użyta w tym obwodzie dioda „odcina” ujemną połowę napięcia zmiennego

Kiedy zmieni się orientacja diody w obwodzie, ma miejsce następujące zdarzenie — do wyjścia dochodzi tylko ujemna część napięcia wejściowego.

9 Jeśli napięcie wejściowe jest dodatnie, dioda jest spolaryzowana zaporowo i nie przewodzi prądu.

9 Jeśli napięcie jest ujemne i ma wystarczająco wysoką wartość (przynajmniej −0,7 V), dioda jest spolaryzowana przewodząco i przewodzi prąd.

Diody używane do zamiany prądu zmiennego w stały pulsujący (stały, ponieważ płynący tylko w jednym kierunku, a pulsujący, gdyż jego wartość się zmienia) nazywają się diodami prostowniczymi lub po prostu prostownikami. Ich typowy zakres wartości wynosi od kilkuset miliamperów do kilku amperów, a więc znacznie więcej niż diod sygnałowych ogólnego przeznaczenia (które są zaprojektowane do obsługi prądu o maksymalnym natężeniu do około 100 mA). Oto dwa najczęstsze zastosowania diod prostowniczych:

9 Prostowanie półokresowe — użycie pojedynczej diody prostowniczej do obcięcia sygnału zmiennego nazywa się prostowaniem półokresowym, ponieważ polega na zamianie połowy sygnału zmiennego w stały.

9 Prostowanie pełnookresowe — dzięki odpowiedniemu połączeniu czterech diod

w obwód zwany mostkiem prostowniczym można zamienić wszystkie „doły” i „górki” napięcia zmiennego w „górki” (rysunek 6.7). Prostownik pełnookresowy jest pierwszym obwodem w zasilaczu liniowym, który zamienia prąd zmienny w prąd stały.

Rysunek 6.7. Diody w mostku prostowniczym zamieniają prąd zmienny w pulsujący prąd stały

Mostki prostownicze są tak powszechnie wykorzystywane, że można je bez problemu kupić. Mostek taki ma dwa przewody wejściowe na prąd zmienny i dwa wyprowadzenia z prądem stałym.

Rozdział 6: Bogaty świat półprzewodników

Regulowanie napięcia przy użyciu diod Zenera Diody Zenera to specjalny rodzaj diod, których zadaniem jest „dać się przebić”. W rzeczywistości są to zwykłe diody wykonane z materiału z dużą ilością domieszki, które mają znacznie niższe napięcie przebicia niż diody standardowe. Jeśli do spolaryzowanej zaporowo diody Zenera przyłoży się napięcie równe napięciu przebicia lub wyższe, zaczyna ona przewodzić prąd wstecz (od katody do anody). W miarę zwiększania wartości napięcia przebicia dioda przewodzi coraz więcej prądu przy jednoczesnej stałej wartości spadku napięcia. Dwa główne parametry diod Zenera to:

9 Napięcie przebicia (czasami nazywane napięciem Zenera) — napięcie wsteczne,

które powoduje przezwyciężenie oporu diody i przewodzenie przez nią prądu. O wartości napięcia przebicia diody decyduje sposób domieszkowania półprzewodnika, z którego dioda jest wykonana; wartość ta może się wahać w przedziale od 2,4 do kilkuset woltów.

9 Moc znamionowa — maksymalna wartość mocy (napięcie prądu × natężenie

prądu), jaką dioda jest w stanie wytrzymać (nawet diody zaprojektowane po to, aby „być przebijane”, mogą całkiem pęknąć, jeśli przekroczy się ich moc znamionową).

Takim symbolem oznacza się diody Zenera na schematach ideowych. Właściwość diod Zenera polegająca na tym, że utrzymują stałą wartość napięcia wstecznego, nawet przy zmiennym natężeniu prądu, sprawia, że znajdują one zastosowanie w regulacji napięcia w obwodach. W obwodzie przedstawionym schematycznie na rysunku 6.8 do zasilania obciążenia użyto 9-woltowego źródła napięcia stałego. Między obciążeniem a źródłem zasilania umieszczono diodę Zenera o napięciu przebicia o wartości 6,8 V, a więc niższym niż napięcie źródła (zwróć uwagę, że dioda jest spolaryzowana zaporowo). Ponieważ obciążenie jest połączone z diodą równolegle, spadek napięcia na obu elementach jest taki sam i wynosi 6,8 V. Reszta napięcia jest tracona na rezystorze (który ma za zadanie ograniczać natężenie prądu na diodzie, aby nie została przekroczona jej moc znamionowa). Rysunek 6.8. W tym obwodzie dioda Zenera stabilizuje napięcie występujące na obciążeniu

A teraz najważniejsze — jeśli wartość napięcia będzie odbiegać w górę i w dół od znamionowych 9 V, w obwodzie będzie zmieniać się natężenie prądu, ale napięcie na obciążeniu będzie cały czas takie same: równe 6,8 V. Diody Zenera pozwalają na zmiany natężenia prądu, ale stabilizują napięcie, natomiast na rezystorze napięcie zmienia się wraz z natężeniem.

129

130

Część I: Podstawy elektroniki

Światło z diod LED Wszystkie diody spolaryzowane przewodząco wypromieniowują światło. Typowe diody krzemowe emitują fale świetlne z zakresu podczerwieni, a więc niewidoczne dla ludzkiego oka. Diody LED emitujące światło podczerwone są powszechnie wykorzystywane w budowie pilotów zdalnego sterowania, w których służą do wysyłania sekretnych (no dobrze, po prostu niewidzialnych) wiadomości do urządzeń elektronicznych, np. telewizorów i odtwarzaczy DVD. Diody elektroluminescencyjne (czyli w skrócie LED) są zaprojektowane tak, aby emitowały duże ilości światła widzialnego. Poprzez odpowiedni dobór materiałów półprzewodnikowych uzyskuje się diody świecące na czerwono, żółto i zielono. Są też specjalne diody świecące na niebiesko, a nawet biało. Dwu- i trzykolorowe diody LED składają się odpowiednio z dwóch lub trzech diod jednokolorowych. Tak wygląda symbol, którym oznacza się diody LED na schematach. Zewnętrzną powłokę stanowi plastikowa bańka o kształcie zaprojektowanym tak, aby wiązka świetlna była koncentrowana w określonym kierunku. Wyprowadzenie połączone z katodą jest krótsze od wyprowadzenia anody. W porównaniu ze zwykłymi żarówkami diody LED są trwalsze i wydajniejsze, wydzielają mniej ciepła, szybciej osiągają maksymalną jasność i działają dłużej. Powszechnie używa się ich w roli wskaźników świetlnych w samochodach, komputerach i sprzęcie muzycznym, a także w zegarkach cyfrowych i różnych rodzajach wyświetlaczy. Na rysunku 6.9 pokazano jednokolorową diodę LED.

Rysunek 6.9. Krótsze wyprowadzenie diody LED jest tradycyjnie połączone z katodą

Ogólne parametry diod LED nie odbiegają od parametrów innych rodzajów diod, lecz zwykle mają niskie wartości prądu znamionowego i szczytowego napięcia wstecznego. Typowa dioda LED ma szczytowe napięcie wsteczne rzędu 5 V i wytrzymuje maksymalne natężenie prądu nie wyższe niż 50 mA. Jeśli parametry zostaną przekroczone, dioda stopi się jak pianka żelowa nad ogniskiem. Wartości napięcia przewodzącego są różne w zależności od typu diody i mieszczą się w przedziale od 1,5 V dla diod podczerwonych do 4,6 dla diod niebieskich. Diody czerwone, żółte i zielone najczęściej mają napięcie przewodzące 2,0 V. Zanim użyjesz jakiejkolwiek diody w obwodzie, dokładnie sprawdź jej parametry w katalogu. Maksymalne natężenie prądu, jakie można przyłożyć do diody LED, zwane jest maksymalnym prądem przewodzenia. Wielkości tej nie należy mylić z tzw. prądem szczytowym lub prądem impulsu. Prąd szczytowy jest wyższy od maksymalnej wartości prądu przewodzenia i jest wielkością określającą maksymalny prąd, jaki można przepuścić przez diodę przez bardzo krótki czas (kilka milisekund). Jeśli pomylisz prąd przewodzenia z prądem szczytowym, możesz zniszczyć diodę.

Rozdział 6: Bogaty świat półprzewodników Nigdy nie podłączaj diody LED bezpośrednio do źródła zasilania, gdyż możesz ją od razu spalić. Najlepiej połącz ją szeregowo z rezystorem, który ograniczy natężenie prądu przewodzącego. Na przykład w obwodzie pokazanym na rysunku 6.10 użyto baterii 6 V do zasilania czerwonej diody LED. Spadek napięcia przewodzącego tej diody wynosi 2.0 V, a natężenie znamionowe to 30 mA. Spadek napięcia na rezystorze jest równy różnicy napięcia źródłowego i napięcia przewodzącego diody, czyli 6 V − 2 V = 4 V. Można zadać pytanie, jakiego rezystora użyć, aby zredukować natężenie prądu do 30 mA (czyli 0,30 A) lub mniejszej wartości, jeśli spadek napięcia na tym rezystorze wynosi 4 V. Aby obliczyć minimalną wartość rezystancji wymaganą do utrzymania natężenia prądu poniżej maksymalnej wartości znamionowej, należy skorzystać z prawa Ohma (opisanego w rozdziale 3.): R= =

UR I max

4V 0,03 A

= 133 Ω

Rysunek 6.10. Diody LED podłączaj do źródła zasilania poprzez szeregowy rezystor, aby zredukować natężenie docierającego do nich prądu

Jest wysoce prawdopodobne, że nie znajdziesz standardowego rezystora o dokładnie takiej wartości, jaka wyniknie z obliczeń. W takim przypadku należy użyć standardowego rezystora o wyższej wartości (np. 150 Ω) niż obliczona. Jeśli wybierzesz rezystor o mniejszej wartości (np. 120 Ω), to wartość natężenia prądu przekroczy natężenie znamionowe urządzenia.

Inne zastosowania diod Oto kilka innych rodzajów zastosowań diod w obwodach elektronicznych:

9 Ochrona przed przepięciami — równoległe połączenie diody z wrażliwym

urządzeniem elektronicznym chroni to urządzenie przed nagłymi skokami napięcia. Dioda taka jest podłączona „odwrotnie”, a więc jest spolaryzowana zaporowo i zachowuje się jak otwarty obwód, który nie ma żadnego wpływu na normalne działanie całego obwodu. Lecz w nienormalnych warunkach, tzn. gdy wystąpi

131

132

Część I: Podstawy elektroniki nagły, duży skok napięcia, dioda zaczyna przewodzić, redukując napięcie docierające do delikatnego elementu i odprowadzając nadmiar prądu do uziemienia, chroniąc tym samym ten element przed uszkodzeniem (sama dioda może jednak nie mieć tyle szczęścia).

9 Budowa bramek logicznych — diody wykorzystuje się do budowy specjalnych

obwodów zwanych obwodami lub układami logicznymi, które przetwarzają sygnały w postaci dwóch poziomów napięcia reprezentujących informacje binarne (np. wł./wył., wysoki/niski albo 1/0) i których używa się do konstrukcji układów cyfrowych. Więcej na temat obwodów logicznych napisaliśmy w rozdziale 7.

9 Sterowanie przepływem prądu — diod używa się w zasilaczach

bezprzerwowych (UPS), aby uniemożliwić wyczerpanie baterii, kiedy panują normalne warunki zasilania, oraz przełączyć system na zasilanie z baterii, gdy nastąpi przerwa w dostawie energii elektrycznej.

Niesamowicie utalentowane tranzystory Wyobraź sobie świat bez niezwykłych elementów elektronicznych nazywanych tranzystorami. Twój telefon komórkowy miałby rozmiar pralki, laptop na pewno nie zmieściłby Ci się na kolanach (albo i w pokoju), a iPod wciąż pozostawałby tylko mrzonką Steve’a Jobsa. Tranzystory stanowią serce prawie każdego istniejącego na świecie urządzenia elektronicznego. Pracują cichutko, nie zajmując wiele miejsca, nie wydzielając zbyt dużo ciepła i nie psując się zbyt często. Uważane za jeden z największych wynalazków XX wieku tranzystory zastąpiły lampy próżniowe, które stanowiły kiedyś podstawę układów elektronicznych, od odbiorników radiowych po komputery, ale miały pewne niepożądane cechy. Wykonane z materiałów stałych tranzystory umożliwiły miniaturyzację urządzeń elektronicznych, dzięki czemu mogły powstać telefony komórkowe, iPody, systemy GPS i wiele innych wynalazków. Tranzystory stosowane obecnie w większości przenośnych gadżetów elektronicznych są mikroskopijnych rozmiarów, nie mają ruchomych części, są bardzo niezawodne i rozpraszają nieporównanie mniej mocy niż ich poprzedniczki, lampy próżniowe. W obwodach elektronicznych pełnią dwie ważne role — przełączników i wzmacniaczy. Są to dwie kluczowe właściwości, dzięki którym można wiele zdziałać. Jeśli możesz dowolnie włączać i wyłączać przepływ elektronów, to znaczy, że masz nad nimi władzę. Poprzez odpowiednie połączenie dużej liczby takich przełączników można zaprojektować bardzo skomplikowane obwody. Dzięki możliwości wzmacniania sygnałów elektrycznych można przechowywać i przesyłać niewielkie sygnały, które w razie potrzeby się wzmacnia, kiedy trzeba wykonać jakieś zadanie (np. poruszyć membraną głośnika). Istnieje wiele różnych rodzajów tranzystorów, z których najczęściej używane są dwa:

9 tranzystory bipolarne złączowe, 9 tranzystory polowe. Poznamy teraz szczegółowo te dwa rodzaje tranzystorów.

Rozdział 6: Bogaty świat półprzewodników

Tranzystory bipolarne złączowe Pierwszym wynalezionym rodzajem tranzystora jest tranzystor bipolarny złączowy. Tranzystory tego rodzaju cieszą się największym powodzeniem wśród elektroników amatorów. Stanowią kombinację dwóch złączy p-n tworzących trójwarstwową strukturę przypominającą kanapkę. Poszczególne obszary tranzystora są połączone z wyprowadzeniami zwanymi bazą, kolektorem i emiterem. Wyróżnia się dwa rodzaje tranzystorów bipolarnych:

9 Tranzystory npn — cienka warstwa półprzewodnika typu p jest umieszczona

między dwiema grubszymi warstwami półprzewodnika typu n. Każda z tych trzech warstw ma własne wyprowadzenie. Symbol, jakim oznaczamy tranzystory npn, pokazano po lewej stronie.

9 Tranzystory pnp — cienka warstwa półprzewodnika typu n jest umieszczona

między dwiema grubszymi warstwami półprzewodnika typu p. Każda z tych trzech warstw ma własne wyprowadzenie. Symbol, jakim oznaczamy tranzystory pnp, pokazano po lewej stronie.

Tranzystory bipolarne zbudowane są z dwóch złączy p-n — złącza baza-emiter i baza-kolektor. Regulując napięcie przykładane do złącza baza-emiter, można sterować jego polaryzacją (przewodzącą lub zaporową) i w ten sposób kontrolować przepływ prądu przez tranzystor. Szczegółowy opis zasad działania tranzystorów npn znajduje się dalej, w podrozdziale „Zasada działania tranzystorów”.

Tranzystory polowe Tranzystor polowy (FET — ang. field-effect transistor) składa się z kanału z półprzewodnika typu n lub p, przez który może płynąć prąd; wzdłuż tego kanału (tylko na części jego długości) umieszczona jest sterująca jego przewodzeniem elektroda wykonana z innego materiału. Jedna strona kanału zwana jest źródłem, a druga drenem, natomiast elektroda sterująca to tzw. bramka. Przykładając napięcie do bramki, można sterować przepływem prądu od źródła do drenu. Źródło, bramka i dren mają własne wyprowadzenia. Niektóre tranzystory polowe mają dodatkowe, czwarte wyprowadzenie, służące do podłączania tranzystora do masy w podstawie montażowej obwodu (nie należy ich mylić z dwubramkowymi tranzystorami MOSFET, które również mają cztery wyprowadzenia). Są dwa rodzaje tranzystorów polowych — z kanałem typu n i kanałem typu p — różniące się rodzajem półprzewodnika (odpowiednio typu n i typu p), przez który płynie prąd. Dwa najważniejsze podtypy tranzystorów FET to: MOSFET (ang. metal-oxide semiconductor FET — tranzystor polowy typu metal-tlenek-półprzewodnik albo tranzystor polowy MOS) oraz JFET (ang. junction FET — tranzystor polowy złączowy). Różnią się one konstrukcją bramki, która wpływa na właściwości elektryczne i obszar zastosowań urządzenia. Szczegóły budowy bramek wykraczają poza ramy tematyczne tej książki, ale trzeba znać nazwy dwóch najważniejszych rodzajów tranzystorów polowych. Tranzystory FET (a zwłaszcza MOSFET) są znacznie częściej używane od tranzystorów bipolarnych, ponieważ wykorzystywane są do budowy układów scalonych, o których szerzej piszemy w rozdziale 7. — w celu wykonania określonych zadań łączy się tysiące

133

134

Część I: Podstawy elektroniki tranzystorów. Dzięki temu, że pobierają bardzo mało mocy, można wielką liczbę tranzystorów MOSFET z kanałem typu n i p ułożyć jak sardynki na niewielkim skrawku płytki krzemowej. Wyładowania elektrostatyczne mogą uszkadzać tranzystory polowe. Dlatego po nabyciu należy je przechowywać w folii lub rurze antyelektrostatycznej. Więcej informacji na temat szkodliwego działania wyładowań elektrostatycznych znajdziesz w rozdziale 9.

Używanie tranzystorów Pod względem zasady działania tranzystory bipolarne praktycznie nie różnią się od polowych. O tym, czy przez urządzenie popłynie prąd (z kolektora do emitera w przypadku tranzystorów bipolarnych i od źródła do drenu w przypadku polowych), decyduje napięcie przyłożone na wejściu (do bazy w przypadku tranzystorów bipolarnych i bramki w przypadku polowych).

9 Jeśli wartość napięcia nie przekracza określonego progu, prąd nie płynie. 9 Powyżej pewnego progu wartości napięcia płynie prąd o maksymalnym możliwym natężeniu.

9 Dla napięć pośrednich między tymi dwiema wartościami płynie prąd o średnim natężeniu.

W trybie „średnim” niewielkie zmiany prądu wejściowego powodują duże zmiany prądu na wyjściu. Przyjmując tylko dwa pierwsze stany napięcia wejściowego („wszystko albo nic”), tranzystora można używać jako urządzenia do włączania i wyłączania przepływu prądu. Dopuszczając trzecią możliwość, tranzystor może być wykorzystywany jako wzmacniacz. Aby dobrze zrozumieć zasadę działania tranzystora polowego, wyobraź sobie rurę z nastawnym zaworem na części jej długości, łączącą źródło wody ze ściekiem (rysunek 6.11). Otwierając, zamykając bądź częściowo zamykając zawór, możesz kontrolować przepływ wody do ścieku. Mechanizm sterujący zaworem można zbudować na dwa sposoby — jako włącznik/wyłącznik pozwalający albo całkowicie otworzyć zawór, albo go całkowicie zamknąć; lub jako zawór stopniowy, którego poziom otwarcia zależy od siły, jaka zostanie na niego wywarta. Przy częściowym otwarciu zaworu można go nastawiać, aby przepuścić nieco mniej albo więcej wody. Niewielkie zmiany siły, z jaką działasz na zawór, powodują podobne, ale większe zmiany w natężeniu strumienia wody. Tak działa tranzystor używany jako wzmacniacz.

Zasada działania tranzystorów Jeśli ciekawi Cię, jak to się dzieje, że przykładając napięcie do jednego złącza p-n w tranzystorze bipolarnym, można kontrolować prąd przepływający przez resztę tranzystora, to ten podrozdział jest dla Ciebie. Jeśli natomiast nie obchodzi Cię, jak przemieszczają się elektrony i dziury w domieszkowanych półprzewodnikach, to możesz ten podrozdział pominąć i od razu przejść do podrozdziału „Modelowanie działania tranzystorów”.

Rozdział 6: Bogaty świat półprzewodników

Rysunek 6.11. W tranzystorze polowym przepływem prądu ze źródła do drenu kieruje napięcie przyłożone do bramki

Szczegółowe zasady działania tranzystorów wyjaśnimy na przykładzie tranzystora typu npn. Na rysunku 6.12 pokazano schemat budowy takiego tranzystora, który składa się z wąskiego paska z półprzewodnika typu p, umieszczonego między dwoma grubszymi paskami z półprzewodnika typu n. Elektroda typu p stanowi bazę tranzystora i ma wyprowadzenie. Jedna z elektrod typu n nazywa się emiterem, a druga kolektorem. Emiter i kolektor to nie to samo, ponieważ są wykonane z półprzewodników domieszkowanych na różne sposoby, co sprawia, że na każdej z elektrod występuje inne skupienie wolnych elektronów. Ponieważ baza jest znacznie cieńsza od emitera i kolektora, zawiera o wiele mniej dziur, niż jest wolnych elektronów w pozostałych dwóch elektrodach. Ta różnica jest bardzo ważna. Rysunek 6.12. Baza tranzystora typu npn jest wykonana z półprzewodnik a typu p i znajduje się między dwiema grubszymi elektrodami wykonanymi z półprzewodników typu n

Emitowanie i gromadzenie elektronów W tranzystorze typu npn znajdują się dwa złącza p-n — baza-kolektor (złącze p-n między bazą i kolektorem) i baza-emiter (złącze p-n między bazą i emiterem). Struktura ta wygląda tak, jakby powstała z połączenia anodami dwóch diod. Przypuśćmy, że do każdego z tych złączy podłączono inne źródło napięcia, tak jak pokazano na rysunku 6.13. Jedno źródło, UCE, przykłada dodatnie napięcie stałe od kolektora do emitera, a drugie, UBE — dodatnie napięcie stałe od bazy do emitera. Jeśli UCE > UBE, to na bazie jest bardziej ujemne napięcie niż napięcie na kolektorze, a więc złącze baza-kolektor jest spolaryzowane zaporowo i nie przepływa przez nie prąd. Jeśli napięcie UBE zostanie

135

136

Część I: Podstawy elektroniki

Rysunek 6.13. Polaryzacja przewodząca złącza bazaemiter, umożliwiająca przepływ prądu przez tranzystor

zwiększone do poziomu około 0,7 V (napięcie przewodzące krzemowych złączy p-n) lub wyższego, to złącze baza-emiter będzie spolaryzowane przewodząco i popłynie przez nie prąd. Prąd przepływający przez złącze baza-emiter składa się z wolnych elektronów z emitera — innymi słowy, emiter wysyła (emituje) swoje elektrony do bazy (oczywiście wolne elektrony są z emitera wypychane przez zewnętrzną siłę, którą stanowi napięcie zasilające podłączone do kolektora). Część elektronów, które dostaną się do bazy, zostanie rekombinowana ze znajdującymi się w niej dziurami (przypomnijmy, że baza jest wykonana z półprzewodnika typu p). Jednak ze względu na fakt, że baza jest cienka, nie ma w niej wystarczającej liczby dziur, aby przyjąć wszystkie elektrony przepływające przez złącze, a więc staje się ona naładowana ujemnie i próbuje wypchnąć nadmiar elektronów. Te nadmiarowe elektrony mogą płynąć dwiema drogami:

Rozdział 6: Bogaty świat półprzewodników

9 poprzez połączenie bazy prowadzące do dodatniego źródła napięcia, 9 poprzez złącze baza-kolektor do kolektora. Którą drogą popłyną? Przypomnijmy, że złącze baza-kolektor jest spolaryzowane zaporowo przez silne dodatnie napięcie podłączone do wyprowadzenia kolektora. To dodatnie napięcie przyciąga wolne elektrony, które normalnie występują w kolektorze typu n, w kierunku jednego końca kolektora. Z tego powodu w obszarze po drugiej stronie kolektora (w pobliżu złącza baza-kolektor) elektronów jest mniej — a więc ta część wygląda na naładowaną dodatnio. Hm, a więc obszar kolektora w pobliżu złącza baza-kolektor wygląda na naładowany dodatnio i cała masa elektronów wyemitowanych przez emiter tłoczy się na wejściu do bazy, szukając wyjścia. Co się stanie? Większość elektronów (około 99 procent) zostanie przepchnięta przez złącze baza-kolektor. Rezultat — elektrony wyemitowane przez emiter są teraz zbierane przez kolektor. Niewielki ułamek (poniżej 1 procenta) całkowitej liczby elektronów wychodzi z bazy poprzez wyprowadzenie połączone ze źródłem napięcia, lecz siła popychająca elektrony przez bazę i na zewnątrz jest słabsza niż siła ciągnąca je przez złącze i do kolektora. Zwycięzcą zawodów w przeciąganiu liny jest kolektor, który przyciągnie do siebie większość elektronów pochodzących z emitera. Obserwując całe zdarzenie z zewnątrz i patrząc na wyprowadzenia podłączone do tranzystora, widziałbyś, że kiedy złącze baza-emiter jest spolaryzowane przewodząco, strumień elektronów płynących z emitera rozdziela się na kolektor i bazę, przy czym większość z nich (około 99 procent) płynie do kolektora. Odpowiednio ustawiając wartość napięcia przyłożonego do złącza baza-emiter, można skierować dużą ilość elektronów, aby przepłynęły przez tranzystor z emitera do kolektora. To jest sedno działania tranzystora. Polaryzacja tranzystora jest jak otwarcie zaworu kontrolującego przepływ prądu przez urządzenie. Przypomnijmy, że w obwodach elektronicznych zawsze oznaczany jest prąd konwencjonalny, który jak pamiętamy, ma kierunek przeciwny do rzeczywistego kierunku ruchu elektronów. W takim razie fachowo powinniśmy powiedzieć, że polaryzacja przewodząca złącza baza-emiter tranzystora typu npn powoduje przepływ prądu konwencjonalnego o niewielkim natężeniu od bazy do emitera i o dużym natężeniu od kolektora do emitera. Dlatego właśnie na symbolu tranzystora typu npn jest duża strzałka wskazująca na zewnątrz emitera. Wskazuje kierunek konwencjonalnego przepływu prądu. Aby spolaryzować przewodząco tranzystor typu npn, należy do złącza baza-emiter przyłożyć napięcie o wartości nie niższej niż około 0,7 V. Niższe napięcie przewodzące (około 0,3 V) mają tranzystory germanowe, które są znacznie rzadziej spotykane od krzemowych, ale działają tak samo jak one. Tranzystory pnp działają tak samo jak npn, lecz mają odwrotne wszystkie polaryzacje, ponieważ złącza są w nich również odwrotnie ustawione. Aby spolaryzować przewodząco złącze baza-emiter tranzystora pnp, należy przyłożyć napięcie o wartości −0,7 V od bazy do emitera. Strzałka na symbolu jest zwrócona do wnętrza emitera i wskazuje konwencjonalny kierunek prądu, gdy tranzystor przewodzi.

137

138

Część I: Podstawy elektroniki

Wzmacnianie natężenia prądu Kiedy tranzystor jest spolaryzowany przewodząco i jest zwiększane natężenie prądu na wejściu do bazy, IB, to ma miejsce interesujące zdarzenie — natężenie prądu płynącego do kolektora, IC, również się zwiększa. Jeśli zmniejszymy natężenie prądu na wejściu do bazy, to również zmniejszy się natężenie prądu w kolektorze. Podczas tych zmian proporcja 1 do 99 procent między natężeniem prądu w bazie i kolektorze jest utrzymywana (do pewnej granicy, o której napisaliśmy w następnym podrozdziale, „Nasycenie tranzystora”). Harmonogram zmian natężenia prądu w kolektorze jest taki sam jak w bazie, tylko dotyczy znacznie większych wartości. Z tego właśnie powodu tranzystorów używa się do wzmacniania natężenia prądu, mimo iż w rzeczywistości nie wytwarzają większego prądu, lecz tylko nim sterują. Ilość prądu przepływającego przez kolektor jest wprost proporcjonalna do ilości prądu w bazie. Wartość wzmocnienia prądowego (oznaczanego symbolem β) tranzystora zależy od kilku czynników, wśród których znajduje się też typ tranzystora. Nawet wartość prądu wzmocnienia w jednym konkretnym tranzystorze zależy od kilku czynników. Dlatego nie należy uzależniać projektowanych obwodów od jednej wybranej wartości, gdyż istnieje duże ryzyko, że tak zaprojektowany obwód będzie działał wadliwie. W przypadku użycia tranzystora w roli włącznika/wyłącznika prądu (o czym przeczytasz w podrozdziale „Przełączanie sygnałów za pomocą tranzystorów”) wartość wzmocnienia prądowego nie ma tak dużego znaczenia. Jeśli tranzystor ma służyć jako element wzmacniający sygnał, to można uniknąć problemów poprzez zastosowanie dodatkowych elementów (np. rezystorów) w taki sposób, aby uniezależnić układ od konkretnej wartości wzmocnienia prądowego. Jak się okaże, takie sprytne rozwiązanie problemu (opisane w podrozdziale „Wzmacnianie sygnałów za pomocą tranzystorów”) można łatwo zaprojektować.

Nasycenie tranzystora Proporcjonalny wzrost natężenia prądu z bazy do kolektora ma w tranzystorze miejsce tylko do pewnej granicy. Przypomnijmy, że wewnątrz znajdują się domieszkowane półprzewodniki o ograniczonej liczbie wolnych elektronów i dziur, które mogą się przemieszczać. Zwiększając napięcie przyłożone do bazy, pozwalamy wypłynąć z niej większej liczbie elektronów, co oznacza, że więcej elektronów wychodzi z emitera. Jednak liczba wolnych elektronów w emiterze jest ograniczona i wyznacza górny limit natężenia prądu. Kiedy tranzystor osiągnie maksymalne natężenie, mówi się, że jest nasycony. Nasycenie tranzystora można obrazowo przedstawić jako otwieranie coraz szerzej zaworu wodnego, aż do momentu, kiedy przez rurę popłynie maksymalna ilość wody. Po przekroczeniu tej granicy dalsze otwieranie zaworu nie ma sensu, ponieważ i tak nie popłynie już więcej wody. Kiedy tranzystor jest nasycony, oba jego złącza (baza-emiter i baza-kolektor) są w stanie przewodzącym. Spadek napięcia na wyjściu — z kolektora do emitera — jest bliski zeru. Wygląda to tak, jakby prąd płynął przez drut wyprowadzony na wyjściu. A ponieważ IC jest

Rozdział 6: Bogaty świat półprzewodników

Znaczenie słowa „tranzystor” Skąd się wziął termin tranzystor? Jest kombinacją dwóch słów: trans i rezystor. Pierwsze odzwierciedla właściwość polegającą na tym, że jeśli przyłożymy napięcie przewodzące do złącza baza-emiter, to spowodujemy przepływ elektronów w innej części urządzenia — z emitera do kolektora. Innymi słowy, przesyłamy (transferujemy) akcję z jednej części elementu do innej. Nazywamy to akcją tranzystora.

Ponieważ zmiany natężenia prądu w bazie powodują proporcjonalne zmiany w kolektorze i emiterze, tranzystor można postrzegać jako rodzaj zmiennego rezystora. Kiedy kręci się pokrętłem (zmieniając natężenie prądu na bazie), zmienia się wartość rezystancji, wynikiem czego jest proporcjonalna zmiana natężenia prądu w kolektorze i emiterze. Tego właśnie dotyczy część zystor nazwy.

znacznie większe od IB oraz IE = IB + IC, można powiedzieć, że IC ≈ IE. Ta przybliżona wartość jest bardzo przydatna przy analizowaniu i projektowaniu układów z użyciem tranzystorów. Aby utworzyć z tranzystora włącznik/wyłącznik prądu, należy go skonfigurować tak, aby przewodził prąd maksymalnie albo wcale. W tym celu trzeba zaprojektować obwód tak, aby złącze baza-emiter w ogóle nie przewodziło prądu (napięcie o wartości poniżej 0,7 V) albo było w stanie maksymalnego przewodzenia — bez stanów pośrednich.

Modelowanie działania tranzystorów Ruch wolnych elektronów i dziur, złącza p-n i polaryzacja to bardzo ciekawe zagadnienia techniczne, ale nie trzeba ich dokładnie znać, aby móc z powodzeniem używać tranzystorów. Wystarczy zapoznać się z modelem działania tych urządzeń, aby wiedzieć wszystko, co trzeba. Rysunek 6.14 jest podzielony na dwie części. Po lewej stronie przedstawiono model tranzystora npn, a po prawej symbol, jakim oznacza się tranzystory tego typu w schematach. Na obu częściach zaznaczono wartości napięcia, natężenia i wyprowadzenia tranzystora, dzięki czemu łatwo jest dostrzec analogię między modelem a rzeczywistym urządzeniem. W modelu między bazą a emiterem znajduje się dioda sterująca zmienną rezystancją RCE występującą między kolektorem a emiterem.

Rysunek 6.14. Tranzystor może działać jak przełącznik albo wzmacniacz, w zależności od przyłożonego napięcia do bazy

139

140

Część I: Podstawy elektroniki

Wybór przełącznika Może zastanawiasz się, po co używać tranzystora jako przełącznika, skoro jest tyle innych rodzajów przełączników i przekaźników (opisanych w rozdziale 8.). Tranzystory mają pewne cechy, których brakuje innym typom przełączników. Dzięki tym właściwościom tranzystory są najlepsze w pewnych zastosowaniach. Pobierają bardzo mało mocy, mogą być mikroskopijnych rozmiarów i przełączać się miliardy razy na sekundę. To umożliwia upakowanie tysięcy

tranzystorów na jednej małej płytce układu scalonego (o układach scalonych przeczytasz w rozdziale 7.) i przełączanie za ich pomocą sygnałów na różne sposoby. Oczywiście mechaniczne przełączniki i przekaźniki również mają wiele zastosowań, szczególnie w sytuacjach, gdy tranzystory są zbyt słabe, aby wytrzymać obciążenie, np. przy przełączaniu prądu o natężeniu większym od 5 A i wysokim napięciu (np. w systemach dostarczania energii elektrycznej).

Tranzystor może działać w jednym z trzech stanów:

9 Nieprzewodzenie — jeśli UBE < 0,7 V, dioda nie przewodzi, a więc IB = 0.

Wówczas rezystancja RCE ma wartość nieskończoną, co oznacza, że IC = 0. Wyjście tranzystora (obwód kolektor-emiter) jest jak otwarty obwód, przez który nie płynie żaden prąd. Ten tryb działania jest nazywany odcięciem.

9 Aktywny — jeśli UBE

0,7 V, dioda przewodzi prąd, a więc przez bazę płynie prąd. Jeśli IB ma małą wartość, rezystancja RCE jest niewielka i płynie trochę prądu IC przez kolektor. Wartość IC jest wprost proporcjonalna do IB, a wzmocnienie prądowe hFE wynosi IC/IB. Wówczas tranzystor działa jako wzmacniacz prądu i działa w trybie aktywnym.

9 Nasycony — jeśli UBE

0,7 V i wartość IB zostanie znacznie podniesiona, wartość rezystancji RCE wyniesie zero i przez kolektor popłynie prąd IC o maksymalnym natężeniu. Napięcie z kolektora do emitera UCE będzie bliskie zeru, w związku z czym wyjście tranzystora (obwód kolektor-emiter) będzie jak zamknięty przełącznik — całość prądu, jaki teoretycznie może przepłynąć, będzie płynąć; tranzystor jest nasycony.

Projektując obwód, w którym mają być zastosowane tranzystory, dobiera się inne elementy w taki sposób, aby wprowadzały tranzystor w odpowiedni stan (odcięcie, aktywny lub nasycony). Jeśli na przykład chcesz mieć wzmacniacz, to przykładasz takie napięcie i stosujesz takie rezystory, które spolaryzują przewodząco złącze baza-emiter i pozwolą na przepływ odpowiedniej ilości prądu bazy, nie za dużej, aby nie nasycić tranzystora. Dobór tych parametrów nazywa się polaryzowaniem tranzystora. Jeśli chcesz, aby tranzystor działał jak przełącznik, to dobierasz takie wartości, które wyzwolą tylko dwa stany — brak przepływu prądu przez bazę i przepływ takiego prądu, który spowoduje nasycenie tranzystora. Do sterowania przełączaniem tych dwóch stanów używa się specjalnego przełącznika albo wyjścia z poprzedniej części obwodu elektronicznego.

Rozdział 6: Bogaty świat półprzewodników

Wzmacnianie sygnałów za pomocą tranzystorów Tranzystory są powszechnie wykorzystywane do wzmacniania słabych sygnałów. Przypuśćmy, że na wyjściu jednego obwodu elektronicznego otrzymaliśmy sygnał, który przed przekazaniem do kolejnego obwodu, np. głośnika, chcielibyśmy trochę wzmocnić. Aby zrealizować ten cel, powinniśmy użyć tranzystora w taki sposób, jak pokazano na rysunku 6.15 — słaby sygnał (Uwe) wprowadzamy do bazy tranzystora w celu zwiększenia jego dodatnich i ujemnych wartości szczytowych. Na wyjściu z tranzystora (kolektorze) otrzymujemy silny sygnał o większej amplitudzie (Uwy). Sygnał ten przesyłamy na wejście głośników.

Rysunek 6.15. Poprzez odpowiednie rozmieszczenie tranzystorów w obwodzie można właściwie spolaryzować tranzystor i kontrolować jego wzmocnienie prądowe

Polaryzacja tranzystora, aby działał jak wzmacniacz Aby tranzystor działał jako wzmacniacz, musi być w stanie częściowego przewodzenia. Aby wprowadzić go w ten stan, należy przyłożyć niewielkie napięcie do jego bazy. Na rysunku 6.15 do bazy tranzystora podłączono dwa rezystory R1 i R2, które skonfigurowano jako dzielnik napięcia (więcej informacji na temat zasady działania dzielnika napięcia znajduje się w rozdziale 3.). Napięcie wyjściowe tego dzielnika (

R1 × U ), przyłożone do bazy tranzystora, jest wystarczająco silne, aby wprowadzić R1 + R 2

tranzystor w stan przewodzenia prądu.

141

142

Część I: Podstawy elektroniki Umieszczony na wejściu kondensator przepuszcza do tranzystora tylko prąd zmienny, a blokuje składową część sygnału wejściowego w postaci prądu stałego (tę część sygnału nazywa się składową stałą) — rysunek 6.16. Gdyby nie było kondensatora, składowa stała mogłaby zakłócać polaryzację tranzystora i np. go zamykać, powodując odcięcie, albo go nasycać, powodując, że przestawałby pełnić funkcję wzmacniacza.

Rysunek 6.16. Kondensator usuwający z sygnału wejściowego składową stałą pozwala utrzymać odpowiednią polaryzację tranzystora

Kontrolowanie wzmocnienia napięciowego Jeśli tranzystor przedstawiony na rysunku 6.15 jest w stanie aktywnym, to wzmacnia fluktuacje przepływającego przezeń prądu zmiennego. Ponieważ wzmocnienie prądowe tranzystora może być nieco chwiejne (wręcz schizofreniczne), swój obwód wzmacniający powinieneś zaprojektować tak, aby uniezależnić się od tej niestałości. Stracisz nieco na sile wzmocnienia, ale otrzymasz w zamian stabilność i przewidywalność. Dzięki rezystorom R3 i R4 możliwe jest kontrolowanie wzmocnienia napięciowego, czyli siły wzmocnienia sygnału wejściowego — nie trzeba przejmować się dokładną wartością wzmocnienia prądowego tranzystora znajdującego się w samym środku obwodu (to jest naprawdę zdumiewające!). Wartość wzmocnienia napięcia zmiennego uzyskanego przez tranzystor w obwodzie z rezystorami, takim jak przedstawiony na rysunku 6.15, wynosi −

R4 . Minus oznacza, że sygnał wejściowy jest odwracany R3

— jeśli napięcie wejściowe najpierw pnie się w górę, a potem schodzi w dół, to napięcie wyjściowe najpierw schodzi w dół, a potem pnie się w górę, co widać na wykresach fal przedstawionych na rysunku 6.15.

Konfiguracja obwodów wzmacniających z tranzystorami Rodzaj obwodu opisanego w poprzednim podrozdziale nazywa się wzmacniaczem tranzystorowym o wspólnym emiterze. Jest to tylko jeden z wielu sposobów użycia tranzystorów w roli wzmacniaczy. Stosując różne konfiguracje, można uzyskać różne wyniki, np. silne wzmocnienie napięcia albo natężenia prądu. Zachowanie obwodu zależy od następujących czynników:

Rozdział 6: Bogaty świat półprzewodników

9 sposobu podłączenia tranzystora do źródła zasilania; 9 umiejscowienia obciążenia; 9 innych elementów dodanych do obwodu (takich jak rezystory, kondensatory i inne tranzystory);

9 umiejscowienia w obwodzie innych elementów. Można na przykład dwa tranzystory bipolarne połączyć w konfigurację nazywaną parą Darlingtona, aby otrzymać wzmocnienie wieloetapowe (szczegóły na temat konstrukcji prostych par Darlingtona zamieściliśmy w rozdziale 14.). Ten sam efekt można też uzyskać w prostszy sposób. Wystarczy zakupić mający trzy wyprowadzenia element o nazwie tranzystor Darlingtona, który zawiera właśnie parę Darlingtona. Projektowanie obwodów wzmacniaczy tranzystorowych to bardzo rozległa dziedzina wiedzy, której poświęcono wiele znakomitych pozycji książkowych. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o tranzystorach i sposobach projektowania wzmacniaczy z ich zastosowaniem, skorzystaj z dobrej książki poświęconej tej tematyce, np. Sztuki elektroniki Winfielda Hilla i Paula Horowitza (Wydawnictwa Komunikacji i Łączności 2006). Nie jest tania, ale to klasyczna pozycja.

Przełączanie sygnałów za pomocą tranzystorów Tranzystorów można także używać jako elektronicznie sterowanych przełączników. Wyprowadzenie bazy pełni wówczas taką samą funkcję jak przycisk wł./wył. w mechanicznym przełączniku. Tranzystor jest w stanie nieprzewodzącym, gdy do bazy nie wpływa żaden prąd. Wówczas zachowuje się jak otwarty obwód — nawet jeśli między kolektorem i emiterem występuje różnica potencjałów. Kiedy tranzystor jest nasycony, prąd wpływa do bazy i całe urządzenie zachowuje się jak zamknięty przełącznik pozwalający prądowi płynąć od kolektora do emitera oraz na zewnątrz do obciążenia, które chcemy zasilić. Jak zmusić takie urządzenia do działania? Przypuśćmy, że korzystasz z elektronicznego karmnika dla kurczaków, który włącza się codziennie o świcie. Do sterowania sygnałem wejściowym do karmnika (obciążenia) możesz użyć fotodiody, która przewodzi prąd tylko wtedy, gdy jest oświetlona. W nocy dioda nie generuje prądu, a więc tranzystor nie przewodzi prądu. Kiedy wschodzi słońce, dioda zaczyna generować prąd i zmienia stan tranzystora na przewodzenie prądu. Kurczaki dostają swoją porcję karmy, a Ty sobie spokojnie jeszcze chrapiesz. Jeśli zastanawiasz się, dlaczego nie możesz podłączyć fotodiody bezpośrednio do karmnika, to zważ, że karmnik może potrzebować do działania większego prądu, niż fotodioda jest w stanie dostarczyć. Dostarczany przez fotodiodę niewielki prąd włącza lub wyłącza tranzystor, który działa jak przełącznik włączający przepływ większego prądu z baterii. Jednym z powodów, dla którego tranzystory są tak często używane w roli włączników i wyłączników jest to, że rozpraszają bardzo mało mocy. Przypomnijmy, że moc jest równa iloczynowi natężenia i napięcia. Kiedy tranzystor jest w stanie nieprzewodzenia, prąd nie płynie, a więc nie ma żadnej straty energii. Kiedy tranzystor jest nasycony, UCE wynosi prawie zero, a więc ilość rozpraszanej mocy także jest prawie równa zeru.

143

144

Część I: Podstawy elektroniki

Wybór tranzystora Tranzystory zyskały tak wielką popularność, że obecnie istnieją tysiące ich rodzajów. Jak z tej masy wybrać element odpowiedni dla siebie i jak się połapać w tych wszystkich możliwościach? Projektując obwód z użyciem tranzystorów, musisz przede wszystkim wiedzieć, jak będzie się zachowywał w różnych warunkach. Jakie maksymalne natężenie prądu będzie musiał wytrzymać kolektor? Jakie minimalne wzmocnienie prądowe jest potrzebne, aby odpowiednio wzmocnić sygnał wejściowy? Ile mocy może rozproszyć tranzystor, jeśli będzie zmuszony do działania w ekstremalnych warunkach (na przykład kiedy tranzystor jest w stanie nieprzewodzenia i całość napięcia źródłowego może być opuszczona na złączu kolektor-emiter)? Kiedy dokładnie zrozumiesz, jak działa Twój obwód, możesz przystąpić do poszukiwania tranzystora o parametrach spełniających dane wymagania.

Najważniejsze parametry tranzystorów Dostępne na rynku tranzystory są opisywane przy użyciu licznych parametrów, ale w rzeczywistości wystarczy znać tylko kilka z nich, aby móc wybrać odpowiedni element do swojego obwodu. Najważniejsze parametry tranzystorów bipolarnych (typu npn i pnp) to:

9 IC max — maksymalne natężenie prądu kolektora, jakie tranzystor jest w stanie wytrzymać. W projekcie obwodu uwzględnij miejsce na rezystor, który uniemożliwi przekroczenie tej wartości.

9 β — wzmocnienie prądu stałego z bazy do kolektora. Ponieważ wartość

wzmocnienia może się zmieniać — nawet wśród tranzystorów tego samego typu — potrzebna jest znajomość gwarantowanej minimalnej wartości wzmocnienia i o tym właśnie informuje ten parametr. Wartość β zmienia się także w zależności od IC, dlatego czasami podaje się ją dla konkretnej wartości IC, np. 20 mA.

9 UCE — maksymalne napięcie w obwodzie kolektor-emiter. Zwykle jest to

wartość nie niższa od 30 V. Jeśli zajmujesz się tylko hobbystycznie urządzeniami o niskiej mocy, to ta wartość nie ma dla Ciebie znaczenia.

9 Pmax — maksymalna ilość rozpraszanej energii, która w przybliżeniu wynosi UCE × ICmax. Wartość ta nie ma znaczenia, jeśli tranzystor ma być używany w roli przełącznika. Wówczas rozpraszanie energii jest prawie zerowe. Ma ona natomiast znaczenie, kiedy tranzystor służy jako element wzmacniający.

Jeśli przewidujesz, że Twój obwód może zbliżyć się do tej wartości, zamontuj na tranzystorze radiator. Oczywiście żadnej z powyższych wartości nie znajdziemy na samym tranzystorze, to by było za łatwe. Informacje te należy sprawdzić w katalogu albo w dokumentacji technicznej dostępnej na stronie internetowej producenta. Jeśli budujesz obwód zaprojektowany przez kogoś innego, to możesz użyć tranzystora przewidzianego przez projektanta albo poszukać zamiennika.

Rozdział 6: Bogaty świat półprzewodników

Identyfikacja tranzystorów Tak jak w przypadku diod, oznaczenie tranzystora składa się z pięciu lub sześciu znaków, z których dwie pierwsze to litery (pierwsza oznacza materiał, z którego wykonano tranzystor, a druga — jego przeznaczenie) — więcej informacji znajdziesz na stronie http://www.tranzystor.eu/articles.php?article_id=296. Natomiast w przypadku tranzystorów bipolarnych produkowanych w Ameryce Północnej dwa pierwsze znaki to zawsze 2N, oznaczające tranzystor, przy czym 2 oznacza, że są dwa złącza p-n, a N oznacza półprzewodnik. Pozostałe trzy lub cztery cyfry określają właściwości tranzystora. Ponieważ jednak każdy producent może stosować własny system oznaczeń, najlepiej jest poszukać dokładnych informacji na stronach internetowych, w katalogu albo specyfikacji. Wielu producentów kategoryzuje tranzystory według przeznaczenia, np. niskiej mocy, średniej mocy, wysokiej mocy, audio (niski poziom szumów) i ogólnego przeznaczenia. Wiedząc, do jakiej kategorii zalicza się obwód, który budujesz, możesz wybrać odpowiedni tranzystor.

Jak rozpoznać tranzystor? Materiał półprzewodnikowy, z którego zbudowany jest tranzystor, ma rozmiar ziarenka piasku albo mniejszy. Z tego względu stosuje się metalową lub plastikową obudowę, z której wyprowadzone są końcówki służące do podłączania urządzenia do obwodu. Różnorodność kształtów tych elementów jest bardzo duża. Na rysunku 6.17 pokazano kilka z nich. W mniejszych obudowach typowo mieszczą się tranzystory sygnałowe przeznaczone do obsługi niewielkich prądów, natomiast w dużych obudowach znajdują się tranzystory mocy przeznaczone dla dużych prądów. Większość tranzystorów sygnałowych ma obudowę z plastiku, chociaż w niektórych precyzyjnych obwodach konieczne jest użycie tranzystorów sygnałowych w metalowej obudowie, która redukuje ryzyko wystąpienia interferencji w postaci fal radiowych.

Rysunek 6.17. Tranzystory sygnałowe i mocy występują w wielu kształtach i rozmiarach

Typowe tranzystory bipolarne mają trzy wyprowadzenia z drutu połączone z bazą, kolektorem i emiterem. Wyjątkiem od tej reguły jest fototranzystor (opisany w rozdziale 8.), który ma przezroczystą obudowę i tylko dwa wyprowadzenia (kolektora i emitera),

145

146

Część I: Podstawy elektroniki gdyż do jego polaryzacji używane jest światło, w związku z czym nie trzeba przykładać napięcia do bazy. Wszystkie tranzystory polowe mają wyprowadzenia źródła, drenu i bramki, a niektóre mają jeszcze dodatkowe wyprowadzenie, pozwalające podłączyć tranzystor do masy w podstawie montażowej obwodu albo do drugiej bramki dwubramkowego tranzystora MOSFET. Aby dowiedzieć się, jaka jest kolejność wyprowadzeń tranzystora, musisz skorzystać z dokumentacji. Uważnie przyjrzyj się ilustracji. Połączenia tranzystorów często (choć nie zawsze) są pokazywane od spodniej strony obudowy, tak jakby element przekręcono wyprowadzeniami do góry i patrzono z góry na jego spodnią część. Bezwzględnie przestrzegaj prawidłowego sposobu podłączenia tranzystora. Pomyłka w podłączaniu wyprowadzeń może skończyć się uszkodzeniem jego, a nawet innych elementów obwodu.

Rewolucja półprzewodnikowa Łącząc tranzystory w najrozmaitsze sposoby, można uzyskać wiele ciekawych efektów. Ponieważ materiał półprzewodnikowy, z którego wykonany jest tranzystor, ma bardzo niewielki rozmiar, można obwód składający się z setek, a nawet tysięcy tranzystorów (wraz z rezystorami i innymi elementami) zamontować na jednej płytce, która z łatwością zmieści się na dłoni. Te niesamowite produkty, zwane układami scalonymi, pozwalają na budowę bardzo skomplikowanych obwodów przy użyciu tylko kilku rodzajów elementów. W następnym rozdziale poznasz kilka obwodów scalonych, których powstanie było możliwe dopiero dzięki rewolucji półprzewodnikowej.

Spróbuj swych sił w projektowaniu obwodów z elementami półprzewodnikowymi Jeśli masz ochotę na oderwanie się na chwilę od teorii i poeksperymentowanie z diodami i tranzystorami, to znajdź opis takich obwodów w rozdziale 14. Są tam projekty demonstrujące sposób działania tych elementów. Będziesz mógł włączyć i wyłączyć świecenie diody LED oraz zmieniać intensywność światła poprzez sterowanie ilością dostarczanego diodzie prądu. Zobaczysz diodę Zenera stabilizującą napięcie. Na podstawie prostych obwodów z użyciem tranzystorów przekonasz się w praktyce, jak tranzystory wzmacniają oraz włączają i wyłączają prąd. Zanim jednak podłączysz obwód do źródła zasilania, przeczytaj wskazówki dotyczące bezpieczeństwa, zamieszczone w rozdziale 9., i pozostałe rozdziały części II, w których objaśniliśmy sposoby budowania i analizowania obwodów. Dzięki temu osiągniesz maksymalne wzmocnienie zdobywanego doświadczenia.

Rozdział 7

Układy scalone W tym rozdziale: ► Rozmieszczenie elementów na płytce ► Nauka posługiwania się językiem bitów ► Nauka logicznego myślenia o bramkach ► Poznajemy układy scalone ► Rozszyfrowywanie układów styków ► Wzmacnianie sygnałów za pomocą wzmacniaczy operacyjnych ► Mierzenie czasu oraz liczenie i sterowanie wszystkim, czym się da

G

dyby nie wynalezienie układu scalonego, to takie wspaniałe wynalazki, jak statki kosmiczne, programowalne rozruszniki serca czy gadżety elektroniczne codziennego użytku, wciąż pozostawałyby w sferze marzeń kreatywnych umysłów naszej epoki. Telefony komórkowe, laptopy, iPody, system GPS i wiele innych urządzeń działa dzięki serii niesamowitych odkryć. Układ scalony to kawałek płytki o rozmiarach tak małych, że bez trudu zmieści się w dłoni. Może zawierać od kilkudziesięciu do wielu milionów elementów. Każdy taki układ to misternie utkana siatka maleńkich urządzeń tranzystorowych, które ze światem zewnętrznym kontaktują się poprzez pewną liczbę wejść i wyjść. Czytając ten rozdział, dowiesz się, jak wynaleziono układy scalone, poznasz trzy najważniejsze rodzaje takich układów oraz przyjrzysz się bliżej budowie jednego z nich — układu cyfrowego. Opowiemy, jak komputery i inne urządzenia cyfrowe przetwarzają informacje reprezentowane przez dwa różne poziomy napięcia przy zastosowaniu reguł logiki matematycznej. Następnie pokażemy, jak „odczytywać” układy scalone (ponieważ po samej obudowie nie da się stwierdzić, do czego służą) oraz jak je podłączać do układów. Na zakończenie opisaliśmy trzy najpopularniejsze układy scalone. Dowiesz się, do czego służą i jak można przy ich użyciu realizować własne innowacyjne pomysły.

Dlaczego układy scalone? Układy scalone powstały w 1958 roku (zob. ramkę „Narodziny układu scalonego” poniżej) jako owoc prac zmierzających do rozwiązania problemów z ręcznym montowaniem dużej liczby tranzystorów w jednym miejscu. Te zintegrowane obwody, czasami nazywane mikroukładami, są miniaturami zwykłych obwodów, nałożonymi na jeden kawałek płytki wykonanej z materiału półprzewodnikowego. Typowy układ scalony składa się z setek tranzystorów, rezystorów, diod i kondensatorów. Skala integracji najbardziej

148

Część I: Podstawy elektroniki

Narodziny układu scalonego Kiedy w 1947 roku wynaleziono tranzystor, uwaga badaczy przeniosła się z dużych i nieporęcznych lamp próżniowych na te nowe, mniejsze i bardziej niezawodne urządzenia. Wywoływało to wielkie emocje w środowisku inżynierów, ponieważ od tej pory mogli budować coraz bardziej zaawansowane układy, nie musząc martwić się o ich rozmiary. Nie ma jednak róży bez kolców i szybko pojawiły się nowe problemy. Łączenie setek elementów prowadziło do powstawania niezwykle trudnych do wykrycia błędów. Ponadto skomplikowane układy często nie działały tak szybko, jakby sobie tego życzono (ponieważ podróż elektronów przez sieć przewodów i elementów zajmowała nieco czasu). W latach pięćdziesiątych XX wieku wysiłki skoncentrowano na szukaniu sposobów zmniejszenia rozmiaru układów i zwiększenia poziomu ich niezawodności.

Latem 1958 roku rozpoczynający pracę w Texas Instruments inżynier Jack Kilby, pracując sam w laboratorium (jego współpracownicy byli wówczas na wakacjach), zbudował dużą liczbę elementów z jednego kawałka germanu (materiału półprzewodnikowego), a następnie pokrył je metalowymi złączami. Wynalazek Kilby’ego był pierwszym udanym projektem układu scalonego. Pół roku później Robert Noyce z Fairchild Semiconductor (współzałożyciel Intela) opracował własną wersję układu scalonego, w której wyeliminował wiele wad obecnych w układzie Kilby’ego. W ten sposób zapoczątkował produkcję układów scalonych na masową skalę. Dziś Kilby i Noyce są wspólnie uważani za wynalazców układu scalonego (po 42 latach Kilby dostał nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za wkład w rozwój układów scalonych; oświadczył wówczas, że gdyby Noyce żył, to podzieliłby się z nim nagrodą).

W 1952 roku brytyjski inżynier o nazwisku Geoffrey Dummer przedstawił pomysł, aby zamiast łączyć elementy obwodów elektronicznych za pomocą przewodów, nanosić je na płytkę z materiału półprzewodnikowego. Przekonywał, że dzięki temu uniknie się problemów z plątaniną przewodów oraz wyeliminuje się pracochłonny proces ręcznego łączenia elementów. Dummerowi nigdy nie było dane urzeczywistnić swojego pomysłu, ale jest powszechnie uważany za „proroka, który przewidział przyjście układów scalonych”.

Od roku 1958 bardzo dużo się zdarzyło. Inteligentni i niezwykle pomysłowi inżynierowie nie spoczęli na laurach, dzięki czemu powstało wiele nowych wynalazków. Wraz z lawinowym wzrostem gęstości upakowania elementów (zmniejszania odległości między tranzystorami) układów scalonych nastąpił burzliwy rozwój przemysłu elektronicznego. Obecnie firmy produkujące urządzenia półprzewodnikowe rutynowo rzeźbią miliony tranzystorów w płytkach krzemowych o rozmiarach mniejszych od ćwierćdolarówki (aż się w głowie kręci, prawda?).

zaawansowanych technologicznie układów sięga wielu milionów elementów. Dzięki tak dużemu stopniowi miniaturyzacji możliwe jest budowanie bardzo skomplikowanych układów przy wykorzystaniu tylko kilku rodzajów części. Każdy układ scalony stanowi element jakiegoś większego układu elektronicznego. Łącząc różne układy, można otrzymać praktycznie dowolne urządzenie elektroniczne.

Układy analogowe, cyfrowe i mieszane Przez lata powstało wiele rodzajów układów scalonych, różniących się sposobem łączenia elementów i oczywiście dziedziną zastosowań. Wiele z nich jest tak często używanych, że zostały ustandaryzowane i można na ich temat znaleźć mnóstwo informacji w internecie i książkach. Te produkowane przez wiele firm układy są kupowane przez amatorów elektroniki na całym świecie. Istnieją też specjalne układy scalone, które są zaprojektowane do wykonywania precyzyjnie określonych zadań. Te zwykle produkuje tylko jedna wyspecjalizowana firma.

Rozdział 7: Układy scalone Układy scalone, zarówno standardowe, jak i specjalne, dzieli się na trzy kategorie: liniowe (analogowe), cyfrowe i mieszane. Podział ten odpowiada rodzajowi sygnałów (opisanych w rozdziale 2.) przetwarzanych przez każdy z wymienionych typów układów.

9 Liniowe (analogowe) układy scalone — układy tego rodzaju przetwarzają

sygnały analogowe, które mają postać ciągle zmieniającej się fali napięcia i natężenia prądu (stąd czasami używana nazwa obwody analogowe). Wśród przykładów wykorzystania układów analogowych można wymienić urządzenia do przetwarzania mocy, czujniki, wzmacniacze i filtry.

9 Cyfrowe układy scalone — przetwarzają sygnały cyfrowe, które przyjmują

tylko dwa poziomy napięcia lub natężenia (np. wysoki/niski, włączony/wyłączony, 0/1) reprezentujące informacje binarne. Cyfrowe dane binarne szczegółowo opisaliśmy w następnym podrozdziale. Tego rodzaju układy nazywamy układami cyfrowymi. Niektóre z nich, np. mikroprocesory, składają się z wielu milionów maleńkich obwodów upakowanych gęsto na powierzchni zaledwie kilku milimetrów kwadratowych.

9 Mieszane układy scalone — są to połączenia układów cyfrowych i analogowych. Większość standardowych układów scalonych to układy liniowe i cyfrowe i na ogół do takich kategorii są zaliczane przez firmy zajmujące się sprzedażą wysyłkową.

Podejmowanie logicznych decyzji Naukę dodawania zaczynamy od zapamiętania takich prostych działań, jak 2 + 2 = 4, 3 + 6 = 9 itd. Później przechodzimy na wyższy poziom i zaczynamy dodawać liczby składające się z wielu cyfr. Wówczas korzystamy z wyuczonych wcześniej podstawowych zasad i poznajemy nową: „przenoszenie” liczby dziesiątek do następnego działania. Znając kilka prostych zasad, możemy dodawać bez większych problemów nawet bardzo duże liczby. Mikroprocesor działa bardzo podobnie. Jest zbudowany z ogromnej liczby maleńkich obwodów cyfrowych — zwanych przez komputerowców logiką cyfrową — wyspecjalizowanych w wykonywaniu prostych funkcji typu 2 + 2 = 4. Następnie wyniki tych funkcji są przez logikę łączone przy użyciu zasad podobnych do wspomnianego wcześniej „przenoszenia” i otrzymujemy wynik ostateczny. Dzięki połączeniu dużej liczby takich „wyników” na rozmaite skomplikowane sposoby mikroprocesor może wykonywać wiele złożonych działań matematycznych. Zawsze jednak pamiętaj, że głęboko we wnętrzu urządzenia znajduje się tylko pewna liczba prostych obwodów logicznych. Teraz przyjrzymy się bliżej działaniu układów cyfrowych.

Na początku był bit Kiedy my dodajemy dwie liczby, to mamy do wyboru dziesięć cyfr (od 0 do 9), ponieważ z tylu składa się nasz system liczbowy (zwany dziesiętnym albo o podstawie 10). Kiedy komputer dodaje dwie liczby, to ma do dyspozycji tylko dwie cyfry: 0 i 1 (ten system liczbowy nazywa się binarnym, dwójkowym albo o podstawie 2). Ponieważ są tylko dwie cyfry, nazwano je bitami od angielskich słów binary digit („cyfra binarna”).

149

150

Część I: Podstawy elektroniki

Systemy liczbowe Aby w dziesiętnym systemie liczbowym (o podstawie 10) wyrazić wartość większą od 9, trzeba użyć przynajmniej dwóch cyfr. Każde miejsce w liczbie reprezentuje potęgę dziesiątki (100, 101, 102, 103 itd.). Wartość cyfry znajdującej się na danym miejscu mnoży się przez odpowiednią potęgę dziesiątki. Wykładnik potęgi (ta mała liczba u góry po prawej stronie 10) informuje o tym, ile razy należy pomnożyć dziesiątkę przez nią samą, a więc 101 równa się 10, 102 równa się 10 × 10 = 100, 103 równa się 10 × 10 × 10 = 1000 itd. Wartość potęgi 100 wynosi 1, ponieważ każda liczba podniesiona do potęgi zerowej ma wartość 1. Zatem kolejne miejsca w liczbie dziesiętnej, patrząc od prawej, reprezentują jedności, dziesiątki, setki, tysiące itd. Cyfra znajdująca się na określonej pozycji informuje, ile jedności, dziesiątek, setek, tysięcy zawiera dana liczba dziesiętna.

Ale języków, także matematycznych, jest wiele. System binarny (dwójkowy) jest oparty na dokładnie takich samych zasadach co dziesiętny, lecz ma podstawę 2. Aby przedstawić liczbę większą od jedynki, trzeba użyć przynajmniej dwóch cyfr. Każde miejsce w takiej złożonej liczbie oznacza potęgę dwójki: 20, 21, 22, 23, 24 itd., czyli 1, Po przeliczeniu na format dziesiętny dowiemy się, jaką wartość reprezentuje ciąg bitów 1101: (1 × 8) + (1 × 4) + (0 × 2) + (1 × 1) =8+4+0+1 = 13 (w formacie dziesiętnym)

Zatem binarna liczba 1101 reprezentuje taką samą wartość jak dziesiętna liczba 13. Są to dwa różne sposoby wyrażenia tej samej wielkości fizycznej. To tak samo, jakbyśmy zamiast „dzień dobry” poNa przykład liczbę 9452 można rozwinąć do nastę- wiedzieli „bonjour” albo „good day”. To wszystko różne sposoby wyrażenia jednej myśli. pującej postaci: (9 × 1000) + (4 × 100) + (5 × 10) + (2 × 1) Cała nasza wiedza matematyczna opiera się na tym dziesiętnym systemie liczbowym (ale gdybyśmy mieli tylko osiem palców, to niewykluczone, że posługiwalibyśmy się systemem ósemkowym). Nasze mózgi są wyćwiczone w liczeniu w formacie dziesiętnym, który można sobie wyobrazić jako nasz język matematyki. Kiedy dodajemy liczby 6 i 7, to automatycznie wynik 13 interpretujemy jako „jedną grupę dziesiątek i trzy grupy jedności”. To jest zakodowane w naszych mózgach, pewnie tak samo jak język, którym się posługujemy. 2, 4, 8, 16 itd. Bit (cyfra binarna — 0 lub 1) znajdujący się na danej pozycji należy pomnożyć przez odpowiadającą jej wartość potęgi dwójki. Na przykład liczbę binarną 1101 można rozwinąć do następującej postaci: (1 × 23) + (1 × 22) + (0 × 21) + (1 × 20)

Przy dodawaniu liczb binarnych stosuje się takie same zasady jak przy dodawaniu liczb dziesiętnych, lecz przy użyciu podstawy 2. W systemie dziesiętnym 1 + 1 równa się 2, ale w systemie binarnym 10 (zapamiętaj: binarna liczba 10 odpowiada dziesiętnej liczbie 2). Obliczenia arytmetyczne w komputerach są wykonywane z zastosowaniem binarnego systemu liczb, ponieważ obwody elektroniczne użyte do ich budowy dobrze sobie radzą z bitami, które dla nich są tylko wysokimi i niskimi wartościami napięcia (albo natężenia). Obwód wykonujący dodawanie składa się z kilku tranzystorów, które są połączone w taki sposób, że przyjmują wysokie i niskie sygnały reprezentujące dwie liczby binarne i zwracają na wyjściu odpowiednią kombinację wysokich i niskich sygnałów reprezentującą wynik dodawania tych dwóch liczb. Szczegółowy opis tego procesu wykracza poza ramy tej książki, ale mniej więcej wiesz już, jak to się odbywa.

Bity można łączyć w łańcuchy reprezentujące litery albo liczby, np. łańcuch bitów 1101 reprezentuje liczbę 13. Szczegółowe informacje na temat systemów liczbowych znajdują się w ramce „Systemy liczbowe”.

Rozdział 7: Układy scalone Oprócz reprezentowania liczb i znaków bity mają jeszcze jedno zastosowanie — jako nośnik informacji. Są bardzo wszechstronnym nośnikiem danych, ponieważ nadają się do reprezentacji wielu dwustanowych (binarnych) obiektów — piksel na ekranie może być włączony albo wyłączony, klawisz Ctrl może być wciśnięty albo nie, na powierzchni płyty DVD w danym miejscu albo jest wgłębienie, albo go nie ma, transakcja bankomatowa albo ma autoryzację, albo nie itd. Przypisując wartości logiczne 0 i 1 stanom włączenia i wyłączenia, można za pomocą bitów przenosić informacje o rzeczywistych, fizycznych zjawiskach, a przetwarzając bity w układach cyfrowych, można na ich podstawie sterować innymi rzeczami. Wartości logiczne 1 i 0 często są oznaczane jako prawda i fałsz albo sygnał wysoki i sygnał niski. Ale czym tak naprawdę są te zera i jedynki w układzie cyfrowym? To po prostu wysokie i niskie wartości napięcia lub natężenia prądu, którymi sterują i które przetwarzają tranzystory (opis tranzystorów i sposobów użycia ich w roli przełączników znajduje się w rozdziale 6.). Sygnał niski (logiczne 0) w układach cyfrowych jest najczęściej reprezentowany przez zerową wartość napięcia, a wysoki (logiczna 1) przez napięcie o wartości 5 V (często, ale nie zawsze). Pewnie nieraz słyszałeś o jednostce o nazwie bajt. Jest to jednostka informacji komputerowej najczęściej składająca się z ośmiu bitów. W postaci bajtów przechowywane są dane w pamięci RAM komputerów i na nośnikach pamięci masowej, takich jak płyty CD i inne. Podobnie jak banki pakują bilon o różnych nominałach w wygodne paczki, które trafiają do sklepów, aby było w nich czym wydawać resztę, tak systemy komputerowe pakują bity danych w bajty, aby ułatwić sobie ich przechowywanie.

Przetwarzanie danych przy użyciu bramek Bramki logiczne albo po prostu bramki to bardzo małe układy cyfrowe przyjmujące na wejściu jeden lub więcej bitów danych i zwracające jeden bit (wartość 1 lub 0), którego wartość zależy od jakiejś reguły. Tak jak różne operatory matematyczne dają rozmaite wyniki obliczeń na tych samych liczbach (np. 3 dodać 2 równa się 5, ale 3 odjąć 2 równa się 1), tak różne bramki logiczne dla tych samych danych wejściowych zwracają różne wyniki.

9 Bramka AND („i”) — daje w wyniku sygnał wysoki (1) tylko wtedy, gdy oba

sygnały wejściowe są wysokie (jeden sygnał i drugi sygnał). Jeśli którykolwiek z sygnałów jest niski (0), wynik również jest sygnałem niskim. Typowa bramka AND ma dwa wejścia, ale można spotkać też bramki z trzema, czterema i ośmioma wejściami. Wynik tych bramek jest wysoki tylko wtedy, gdy wszystkie sygnały wejściowe są wysokie.

9 Bramka NAND („nie i”) — ta bramka działa jak bramka AND, za którą znajduje się inwerter (stąd nazwa NAND — NOT AND, czyli „nie i”). Zwraca sygnał niski, gdy wszystkie sygnały wejściowe są wysokie. Jeśli którykolwiek sygnał wejściowy jest niski, wynik jest wysoki.

9 Bramka OR („lub”) — zwraca sygnał wysoki, jeśli jeden LUB drugi, LUB oba

sygnały wejściowe są wysokie. Sygnał niski zwraca tylko wtedy, gdy oba sygnały wejściowe są niskie. Typowa bramka OR ma dwa wejścia, ale można spotkać też bramki z trzema i czterema wejściami. Wynik tych bramek jest niski tylko wtedy, gdy wszystkie sygnały wejściowe są niskie. Jeśli którykolwiek z sygnałów wejściowych jest wysoki, to wynik jest wysoki.

151

152

Część I: Podstawy elektroniki

9 Bramka NOR („nie lub”) — ta bramka działa jak bramka OR, za którą znajduje się bramka NOT. Zwraca sygnał niski, jeśli co najmniej jeden sygnał wejściowy jest wysoki, oraz sygnał wysoki tylko wtedy, gdy wszystkie sygnały wejściowe są niskie.

9 Bramka XOR („wykluczające lub”) — zwraca sygnał wysoki, jeśli jeden LUB drugi sygnał wejściowy jest wysoki, ale nie oba naraz. W przeciwnym razie zwraca sygnał niski. Wszystkie bramki XOR mają dwa wejścia, ale można je łączyć w celu przetworzenia większej liczby sygnałów wejściowych.

9 Bramka NOT („nie”, inwerter) — przyjmuje tylko jeden sygnał na wejściu

i zwraca jego odwróconą postać. Wysoki sygnał wejściowy oznacza sygnał niski na wyjściu, a niski sygnał wejściowy oznacza wysoki sygnał na wyjściu. Bramkę tę najczęściej nazywa się inwerterem.

Na rysunku 7.1 pokazano symbole, którymi oznacza się te rodzaje bramek na schematach.

Rysunek 7.1. Symbole bramek logicznych (opisy nie należą do symboli)

Większość bramek jest zbudowana z diod i tranzystorów, które opisaliśmy w rozdziale 6. W każdej bramce znajduje się obwód łączący wymienione elementy w taki sposób, że kiedy na wejściu zostaną przyłożone napięcia (lub prądy) reprezentujące określoną kombinację bitów, na wyjściu pojawi się napięcie (lub prąd) wyjściowe reprezentujące odpowiedni bit wyjściowy. Obwody te znajdują się na jednej płytce z wyprowadzeniami nazywanymi stykami, które umożliwiają wprowadzanie danych wejściowych, wyprowadzanie wyników oraz podłączenie zasilania. Większość układów scalonych zawiera więcej niż jedną bramkę logiczną, tak jak pokazany na rysunku 7.2 układ składający się z czterech dwuwejściowych bramek AND (tzw. poczwórna dwuwejściowa bramka AND — ang. quad 2-input AND gate). Układ ma

Rozdział 7: Układy scalone styki do wejść i wyjścia każdej z bramek oraz dodatkowe styki do podłączania źródła zasilania. Na stronach internetowych producenta układu zawsze można znaleźć informacje o tym, które styki odpowiadają wejściom, wyjściom, napięciu (U+) i masie. Arkusze z danymi technicznymi podzespołów są jak podręczniki użytkownika. Można w nich znaleźć opis parametrów technicznych i informacje na temat działania urządzenia.

Rysunek 7.2. Schemat funkcjonalny standardowego układu scalonego 4081 quad 2-Input and gate

Przed zakupem części sprawdź, czy ma ona odpowiednią liczbę wejść. Pamiętaj, że można kupić bramki logiczne z większą liczbą wejść niż dwa. Na przykład w większości sklepów elektronicznych sprzedawane są też bramki AND trzywejściowe. Odpowiednio łącząc same bramki NAND lub NOR, można utworzyć bramkę realizującą wszystkie pozostałe funkcje logiczne. Producenci układów scalonych korzystają prawie wyłącznie z bramek NAND i NOR, dzięki czemu mogą skoncentrować swoje wysiłki na optymalizacji produkcji i działania tylko dwóch rodzajów podstawowych elementów. Z tego powodu bramki NAND i NOR czasami nazywane są bramkami uniwersalnymi.

Upraszczanie bramek przy użyciu tabel prawdy Analizowanie wszystkich wysokich i niskich sygnałów wchodzących do bramek logicznych oraz ich sygnałów wyjściowych może być bardzo skomplikowanym zajęciem, szczególnie jeśli bramki mają więcej niż dwa wejścia. Aby ułatwić sobie zadanie, projektanci korzystają ze specjalnego narzędzia pomocniczego, nazywanego tablicą prawdy. Jest to tabela zawierająca wyszczególnienie wszystkich możliwych kombinacji sygnałów wejściowych i odpowiadających im sygnałów wyjściowych dla określonej funkcji logicznej. W tabeli 7.1 pokazano tablice prawdy dla bramek logicznych: AND, NAND, OR, NOR, XOR, XNOR i NOT (inwerter). Dwie pierwsze kolumny (A i B) zawierają bity wejściowe, a pozostałe — sygnały wyjściowe poszczególnych bramek.

153

154

Część I: Podstawy elektroniki Tabela 7.1. Tablice prawdy bramek logicznych A

B

A AND B

A NAND B

A OR B

A NOR B

A XOR B

A XNOR B

NOT A

0

0

0

1

0

1

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1

0

1

1

0

0

1

1

0

1

0

0

1

1

1

0

1

0

0

1

0

Tablic prawdy można również używać do analizy innych układów cyfrowych, np. półsumatora, który sumuje dwa bity i zwraca wynik składający się z bitu sumy i bitu przeniesienia. Na przykład dla równania binarnego 1 + 1 = 10 bit sumy to 0, a bit przeniesienia to 1. Tablica prawdy półsumatora jest pokazana poniżej. A

B

Przeniesienie

Suma

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

0

Jeśli przyjrzysz się kolumnie bitu przeniesienia, spostrzeżesz, że zawiera takie same wartości jak kolumna z wynikami bramki AND w tabeli 7.1. To znaczy, że bit przeniesienia jest taki sam jak wynik działania A AND B, gdzie A i B są bitami wejściowymi. Analogicznie bit sumy jest taki sam jak wynik działania A XOR B. Co to oznacza? Że możemy zbudować półsumator przy użyciu bramek AND i XOR. Dane wejściowe należy wprowadzić do obu bramek, a następnie z wyjścia bramki AND pobrać bit przeniesienia, a z wyjścia bramki XOR — bit sumy (rysunek 7.3).

Rysunek 7.3. Półsumator składa się z bramek AND i XOR

Tworzenie elementów logicznych Poprzez odpowiednie połączenie kilku sumatorów można utworzyć większy układ cyfrowy, pobierający na wejściu dwie wielobitowe wartości, np. 10110110 i 00110011, i zwracający ich sumę — 11101001 (w systemie dziesiętnym byłoby to działanie 182 + 51 = 233). Łącząc bramki AND, OR i NOT, można uzyskać wiele innych skomplikowanych układów realizujących funkcje logiczne. Wszystko zależy od tego, jakich bramek się użyje i jak się je połączy. Porównaj to z tworzeniem wyrazów z liter. Z 32 liter alfabetu

Rozdział 7: Układy scalone

Przechowywanie bitów w rejestrach Skomplikowana sieć wielkiej liczby wzajemnie połączonych bramek ma problemy z czasem. Kiedy zmieniają się dane wejściowe bramki w jednym obszarze logiki, zmieniają się też dane wyjściowe, lecz nie dzieje się to natychmiast (zanim zareaguje każda z bramek, musi upłynąć trochę, aczkolwiek bardzo niewiele czasu). Te dane są następnie przekazywane na wejście, do kolejnego etapu przetwarzania itd. W skomplikowanych urządzeniach logicznych używa się specjalnych obwodów nazywanych rejestrami, które

przechowują dane wyjściowe jednego etapu, aby przekazać je na wejściu do kolejnego. Rejestry przekazują swoje dane dalej i pobierają nowe dane w takt tyknięć zegara, które mają miejsce co pewną ilość czasu, wystarczającą bramkom do obliczenia wyników. Sygnały zegara są wytwarzane przez bardzo precyzyjne układy czasowe (więcej na temat budowy zegarów i rejestrów napisaliśmy dalej, w podrozdziale o układzie czasowym 555).

polskiego możemy utworzyć wiele milionów słów. Podobnie można tworzyć układy cyfrowe realizujące różne funkcje matematyczne (sumatory, mnożniki i inne) poprzez odpowiednie połączenie różnych bramek. Przez lata projektanci układów scalonych udoskonalili techniki projektowania sumatorów i innych często używanych układów cyfrowych. Odkryli sprytne sposoby na przyspieszenie obliczeń, zmniejszenie strat mocy oraz zapewnienie poprawnych wyników nawet w najtrudniejszych warunkach, takich jak wysokie temperatury pracy. Większość wypróbowanych i dobrze sprawdzonych projektów układów wchodzi do standardowej oferty produktów firm. Dzięki temu nie musimy ciągle wymyślać koła na nowo.

Jak używać układów scalonych? Układy scalone w niczym nie przypominają pojedynczych elementów — rezystorów, kondensatorów i tranzystorów — które mają jedno lub więcej wyprowadzeń podłączonych bezpośrednio do elementu znajdującego się wewnątrz obudowy. Miniaturowe elementy układu scalonego są na stałe połączone w jeden układ, gotowy do działania w każdej chwili. Wystarczy tylko dodać parę rzeczy, np. zasilanie i jakieś sygnały wejściowe, aby układ zaczął wykonywać swoje zadania. Brzmi nieskomplikowanie, prawda? Bo takie jest. Trzeba tylko umieć odczytywać dane z obudów układów scalonych, gdyż dla niewprawnego oka wyglądają jak czarne pająki z odnóżami.

Identyfikacja układów scalonych według numerów części Każdy układ scalony jest oznaczony specjalnym kodem, np. 7400 albo 4017, określającym typ urządzenia (tak naprawdę to właśnie układu scalonego) znajdującego się wewnątrz. Znając kod, czyli numer części, można znaleźć informacje na temat danego układu w katalogu albo internecie. Kod jest nadrukowany na górnej powierzchni obudowy.

155

156

Część I: Podstawy elektroniki Na wielu układach scalonych podawane są również inne informacje, takie jak numer katalogowy nadany przez producenta, a czasami nawet kod określający datę produkcji. Nie pomyl kodu daty ani numeru katalogowego z numerem części. Jako że producenci nie trzymają się jednego standardu oznaczania daty produkcji swoich układów, czasami trzeba pobawić się w detektywa, aby dowiedzieć się, który ciąg znaków to numer części.

Najważniejsza jest obudowa Najwspanialsze rzeczy mają bardzo małe obudowy. Wiele układów scalonych, które mieszczą się w dłoni, zawiera naprawdę niesamowicie skomplikowane obwody. Na przykład układ scalony odbiornika radiowego AM/FM (nie licząc baterii i anteny) ma rozmiar pięciocentówki. Rozmiar samego układu jest tak mały, że firmy produkujące radia muszą montować je w dużo większych obudowach, aby było możliwe ich używanie przez ludzi. W procesie składania układu z odpowiednimi punktami łączone są wyprowadzenia, które następnie wystawia się z obudowy, aby przy ich użyciu można było podłączyć prąd do układu i odebrać wynik jego działania. Wiele układów scalonych używanych w amatorskich projektach jest montowanych w tzw. obudowach podłużnych dwurzędowych (ang. dual in-line package — DIP), takich jak na rysunku 7.4. Obudowy typu DIP (czasami nazywane DIL) mają prostokątny kształt, są wykonane z plastiku lub materiału ceramicznego i po dwóch przeciwnych stronach mają po jednym rzędzie wyprowadzeń nazywanych stykami. Liczba styków może wynosić od 8 do 52, ale najczęściej spotykane są układy z 8, 14 i 16 stykami. Typ DIP to obudowy do montażu przewlekanego na płytce obwodu drukowanego, tzn. styki są przeprowadzane przez otwory w płytce i przylutowywane do niej z drugiej strony. Można przylutować styki bezpośrednio do płytki albo użyć specjalnego gniazda do montażu układu bez zginania jego styków. Gniazdo takie przylutowuje się do obwodu, a następnie umieszcza się w nim układ scalony. Obudowy DIP dobrze pasują też do makiet obwodów (opisanych w rozdziale 11.), dzięki czemu łatwiej jest zrobić prototyp całego układu.

Rysunek 7.4. Układy scalone są często sprzedawane w obudowach DIP

Rozdział 7: Układy scalone Układy scalone produkowane na skalę masową są zwykle bardziej skomplikowane i mają większą liczbę styków niż obudowy DIP. Dlatego producenci opracowali (i cały czas rozwijają) różne sprytne sposoby „pakowania” układów scalonych i dołączania ich do płytek obwodów drukowanych. Aby zaoszczędzić miejsce, układy scalone najczęściej montuje się bezpośrednio do metalowych złączy wbudowanych w płytkę. Jest to tzw. montaż powierzchniowy (ang. surface-mount technology — SMT). Obudowy wielu układów scalonych są zaprojektowane specjalnie do takiego montażu. Jednym z rodzajów obudów do montażu powierzchniowego jest tzw. obudowa SOIC (ang. small-outline integrated circuit), która wygląda jak krótsza i węższa wersja obudowy typu DIP z zagiętymi nóżkami (są to tzw. obudowy typu gull-wing). Obudowy typu SMT stały się tak popularne, że niektóre układy scalone trudno jest znaleźć w innej obudowie niż ta. Jeśli chcesz podłączyć układ scalony w obudowie SMT do makiety obwodu (ponieważ nie udało Ci się znaleźć wersji w obudowie DIP), poszukaj specjalnej przejściówki, za której pomocą można podłączać układy SMT tak, jakby były w obudowie DIP (wystarczy, że wpiszesz w wyszukiwarce internetowej frazę „adapter DIP”, a znajdziesz wielu sprzedawców oferujących ten produkt). Niektóre układy scalone są bardzo wrażliwe na ładunki elektrostatyczne (o których pisaliśmy w rozdziale 1.). Dlatego należy je przechowywać w specjalnych opakowaniach z pianki przewodzącej, którą można dostać u większości sprzedawców sprzętu elektronicznego. Przed wzięciem układu scalonego do ręki pozbądź się ładunków z własnego ciała, dotykając jakiegoś przewodzącego materiału mającego połączenie z uziemieniem (np. uziemioną metalową obudową komputera). Dzięki temu nie zniszczysz niepostrzeżenie układu i nie będziesz się głowić, dlaczego nie działa. (Nie licz na metalowe rury w swoim domu, gdyż w wielu przypadkach mają one plastikowe wstawki, przez które nie zawsze mają bezpośrednie połączenie z uziemieniem).

Styki układów scalonych Styki wyprowadzone z obudowy łączą się z maleńkimi układami scalonymi znajdującymi się wewnątrz. Sęk w tym, że nie są w żaden sposób oznaczone, a więc aby prawidłowo podłączyć układ do obwodu, trzeba skorzystać ze schematu. Oprócz różnych danych technicznych w instrukcji do układu scalonego można znaleźć także opis funkcji każdego ze styków. Instrukcje z danymi technicznymi większości popularnych (a także rzadziej używanych) układów scalonych można znaleźć w internecie. Możesz spróbować wyszukać je, korzystając z wyszukiwarki Google albo Yahoo!. Aby dowiedzieć się, do czego służą poszczególne styki, należy znaleźć specjalny znak orientacyjny, patrząc na układ od góry (nie na brzuch tego małego stworzonka) — najczęściej jest to małe nacięcie w obudowie, ale może to być też wgłębienie albo kolorowy pasek. Numeracja styków zaczyna się od lewej strony, od styku znajdującego się najbliżej specjalnego znaku. Jeśli więc znak orientacyjny znajduje się na pozycji godziny 12, to styki 14-stykowego układu scalonego będą ponumerowane od 1. do 7. po lewej stronie i od 8. do 14. po prawej, jak pokazano na rysunku 7.5.

157

158

Część I: Podstawy elektroniki

Rysunek 7.5. Styki układów scalonych są numerowane w kierunku odwrotnym do ruchu wskazówek zegara

Nie zakładaj, że wszystkie układy scalone o takiej samej liczbie styków mają takie same ich rozmieszczenie ani nawet że te same styki służą w nich do doprowadzenia zasilania. Nigdy, przenigdy nie podłączaj układów scalonych na chybił trafił, kierując się niepoprawnym rozumowaniem, że w końcu uda się znaleźć odpowiednie ustawienie. Przy takim podejściu masz pewność, że zniszczysz biedny, bezbronny układ. Na wielu schematach obwodów pokazane są połączenia z układami scalonymi w postaci szkicu układu opatrzonego numerami obok każdego styku. Liczby te odpowiadają numerom styków w urządzeniu oglądanym od góry (przypomnijmy, że liczenie zaczynamy od lewego górnego rogu i odliczamy przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara). To bardzo ułatwia podłączenie układów scalonych do obwodów, ponieważ nie trzeba niczego sprawdzać w katalogach. Trzeba tylko ściśle trzymać się schematu i poprawnie policzyć styki.

Pobieranie i oddawanie prądu Ponieważ wnętrza obwodu scalonego nie widać, to nie wiadomo, jak dokładnie będzie płynął prąd, kiedy podłączy się do jego wyjścia obciążenie lub jakiś inny obwód. W katalogach zwykle podawana jest informacja o wartości prądu wpływającego (ang. sink current) do obwodu lub wypływającego (ang. source current) z niego. Kiedy prąd wypływa z wyjścia układu, to mówi się, że jest to prąd wypływający. Kiedy prąd wpływa do układu poprzez styk wyjściowy, to mówi się, że jest to prąd wpływający. Jeśli między stykiem wyjściowym a dodatnim

biegunem źródła zasilania podłączysz jakieś urządzenie, np. rezystor, i napięcie na wyjściu spadnie (0 woltów), to prąd popłynie przez rezystor do układu scalonego — układ pobiera prąd. Jeśli podłączysz rezystor między stykiem wyjściowym a ujemnym biegunem źródła zasilania (uziemieniem) i wyjście wzrośnie, to prąd popłynie z układu scalonego i przez rezystor — układ będzie źródłem prądu. Informację o maksymalnej wartości prądu wpływającego i wypływającego (najczęściej są takie same) można znaleźć w broszurze informacyjnej do układu.

Rozdział 7: Układy scalone Jeśli w schemacie nie podano numerów styków, trzeba znaleźć schemat, na którym są pokazane. Dla standardowych układów takie informacje łatwo znaleźć w specyfikacjach i w różnych miejscach w internecie. Jeśli natomiast masz niestandardowy układ scalony, to informacje o nim powinieneś znaleźć na stronach internetowych producenta.

Korzystanie z kart danych katalogowych Karty danych katalogowych, podobnie jak instrukcje użytkowania, zawierają szczegółowe informacje o wewnętrznej i zewnętrznej budowie urządzenia oraz zalecenia dotyczące użytkowania sprzętu. Te liczące najczęściej kilka stron dokumenty są opracowywane przez producentów układów scalonych. Typowa karta katalogowa danych zawiera następujące informacje:

9 nazwa producenta; 9 nazwa i numer układu scalonego; 9 lista dostępnych rodzajów obudów (np. 14-pin DIP — obudowa typu DIP z 14 stykami) wraz z ilustracjami;

9 wymiary i schematy styków; 9 krótki opis działania; 9 minimalne i maksymalne wartości parametrów (np. napięcia zasilania, natężenia prądu, mocy i temperatury);

9 zalecane warunki użytkowania; 9 wykresy fal wejściowych i wyjściowych (obrazujące, jak układ zmienia sygnał wejściowy).

W wielu przypadkach w karcie katalogowej można znaleźć schematy przykładowych obwodów pokazujące sposób użycia układu scalonego w projekcie. W kartach tych zamieszczane są liczne cenne informacje i wskazówki. Czasami naprawdę się opłaci przeczytać instrukcję użytkownika! Producenci często oprócz kart danych katalogowych publikują tzw. noty aplikacyjne, czyli wielostronicowe dokumenty zawierające szczegółowe objaśnienie sposobów użycia układu scalonego w aplikacji — obwodzie zaprojektowanym specjalnie do realizacji jakiegoś celu.

Popularne rodzaje układów scalonych Obecnie w sprzedaży można znaleźć niezliczone, rozmaite układy scalone, ale spośród tej masy szczególną popularnością ze względu na łatwość użycia i wszechstronność cieszą się dwa produkty — wzmacniacz operacyjny (w rzeczywistości rodzaj układu scalonego) i tzw. układ 555. Nawet jeśli nie planujesz stać się profesjonalistą w zakresie projektowania obwodów elektronicznych, warto, żebyś znał te dwa rodzaje układów.

159

160

Część I: Podstawy elektroniki Czytając kolejne podrozdziały, poznasz dokładnie oba wymienione układy oraz dodatkowo licznik dziesiętny CMOS 4017. Układy 555 i CMOS 4017 spotkasz jeszcze w projektach w rozdziale 15., a więc tutaj opiszemy tylko zwięźle zasadę ich działania.

Wzmacniacze operacyjne Bez wątpienia najbardziej rozpowszechnionym rodzajem liniowych (analogowych) układów scalonych są wzmacniacze operacyjne służące, jak sama nazwa wskazuje, do wzmacniania słabych sygnałów. Wzmacniacz taki składa się z kilku tranzystorów, rezystorów i kondensatorów, które w połączeniu mają lepszą niezawodność niż pojedynczy tranzystor. Na przykład wzmacniacz operacyjny zapewnia jednolite wzmocnienie sygnału w znacznie szerszym zakresie częstotliwości (szerokości pasma) niż wzmacniacz składający się z tylko jednego tranzystora. Większość wzmacniaczy operacyjnych sprzedawana jest w obudowach typu DIP z 8 stykami (rysunek 7.6), wśród których są dwa styki wejściowe (styk nr 2 zwany jest wejściem odwracającym, a styk nr 3 — wejściem nieodwracającym) i jeden wyjściowy (nr 6). Wzmacniacz operacyjny to rodzaj wzmacniacza różnicowego, tzn. zwracającego na wyjściu sygnał będący wielokrotnością różnicy sygnałów wejściowych. Można przy jego użyciu usunąć szumy (niechciane napięcia) z sygnału wejściowego poprzez odjęcie ich od wzmacnianego sygnału.

Rysunek 7.6. Schemat styków standardowego 8-stykowego wzmacniacza operacyjnego, np. LM741

Wzmacniacz operacyjny można skonfigurować tak, aby mnożył sygnał wejściowy przez wybrany współczynnik wzmocnienia, określony przez zewnętrzne rezystory. Tego typu konfigurację zwaną wzmacniaczem odwracającym pokazano na rysunku 7.7. Wartości rezystorów podłączonych do wzmacniacza określają siłę jego wzmocnienia: Wzmocnienie =

R2 R1

Jeśli np. wartość rezystora R1 wynosi 10 kΩ, a rezystora R2 1 kΩ, to wartość wzmocnienia wyniesie 10. Oznacza to, że jeśli sygnał wejściowy ma wartość szczytową 1 V, to wartość szczytowa sygnału wyjściowego będzie wynosić 10 V.

Rozdział 7: Układy scalone Rysunek 7.7. Odwracający wzmacniacz operacyjny zapewnia jednolite wzmocnienie sygnału w szerokim zakresie częstotliwości

Większość wzmacniaczy operacyjnych wymaga doprowadzenia zarówno dodatniego, jak i ujemnego napięcia. Dobrym wyborem jest przyłożenie napięcia dodatniego w przedziale wartości od 8 do 12 V (do styku nr 7) i ujemnego napięcia w przedziale wartości od −8 do −12 V (do styku nr 4). Jeśli szukasz czegoś lekkiego do poczytania, to weź notę aplikacyjną dotyczącą obsługi wzmacniaczy operacyjnych o podwójnym zasilaniu przy użyciu jednego źródła zasilania. W ofercie sprzedażowej można znaleźć całą masę wzmacniaczy operacyjnych, których ceny wahają się w przedziale od kilkudziesięciu groszy (np. ogólne układy LM741) do nawet kilkuset złotych (układy o wysokiej wydajności).

Wehikuł czasu — układ 555 Jednym z najpopularniejszych i najłatwiejszych w użyciu układów scalonych jest wszechstronny układ czasowy 555. Ten wynaleziony w 1971 roku układ do dziś cieszy się wielką popularnością, o czym świadczy liczba ponad miliarda produkowanych rocznie sztuk. Ten mały układ może być używany w wielu miejscach, zarówno w obwodach cyfrowych, jak i analogowych. Najczęściej jest wykorzystywany do precyzyjnego odmierzania czasu (w zakresie od mikrosekund do godzin) i stanowi podstawę wielu projektów (wliczając niektóre przedstawione w rozdziale 15.). Na rysunku 7.8 pokazano schemat wyprowadzeń układu 555. Oto wykaz funkcji niektórych z nich:

9 TR (ang. Trigger) — przyłożenie niewielkiego napięcia do wyprowadzenia nr 2 powoduje aktywowanie wewnętrznego układu czasowego. Nazywa się to aktywowaniem stanem niskim (ang. active low trigger).

9 Q (ang. Output) — fala wyjściowa pojawia się na wyprowadzeniu nr 3. 9 R (ang. Reset) — przyłożenie niskiego napięcia do wyprowadzenia nr 4 powoduje wyzerowanie funkcji czasowej i na wyprowadzeniu nr 3 pojawia się stan niski (niektóre obwody nie wykorzystują funkcji resetu i wówczas to wyjście jest podłączone do źródła dodatniego).

9 CV (ang. Control voltage) — jeśli chcesz pominąć wewnętrzny obwód aktywujący (czego normalnie się nie robi), to przyłóż napięcie do wyprowadzenia nr 5. W przeciwnym razie wyprowadzenie nr 5 należy podłączyć do masy, najlepiej poprzez kondensator o pojemności 0,01 μF.

161

162

Część I: Podstawy elektroniki

Rysunek 7.8. Schemat rozmieszczenia wyprowadzeń układu 555

9 THR (ang. Threshold) — kiedy napięcie przyłożone do wyprowadzenia nr 6

osiąga pewien poziom (zwykle dwie trzecie dodatniego napięcia źródłowego), następuje koniec cyklu odmierzania czasu. Między wyprowadzeniem nr 6 a źródłem napięcia wstawia się rezystor, którego wartość ma wpływ na długość cyklu.

9 DIS (ang. Discharge) — do wyprowadzenia nr 7 podłącza się kondensator.

Czas rozładowywania tego kondensatora wpływa na długość odstępów czasowych.

Istnieje wiele modeli układu 555. Układ 556 jest podwójną wersją układu 555 zamkniętą w obudowie DIP z 14 wyprowadzeniami. Znajdujące się wewnątrz dwa układy korzystają z tych samych styków zasilających. Podłączając różne kombinacje rezystorów, kondensatorów i przełączników do wyprowadzeń układu 555, można to cacko zmusić do robienia wielu rzeczy i, co najważniejsze, jest to bardzo łatwe. Szczegółowe informacje o różnych zastosowaniach układu można znaleźć w kartach danych katalogowych. Poniżej znajdziesz opis trzech popularnych sposobów wykorzystania układu scalonego 555.

Multiwibrator astabilny Układu 555 można używać jako multiwibratora astabilnego, czyli czegoś w rodzaju elektronicznego metronomu. Odpowiednio podłączając elementy elektroniczne (jak na rysunku 7.9), układ 555 można skonfigurować tak, aby wytwarzał ciągły szereg impulsów napięcia automatycznie oscylującego między stanem niskim (0 woltów) a wysokim (dodatnie napięcie źródłowe U), jak pokazano na rysunku 7.10 (słowo astabilny oznacza, że układ ten nie przechodzi w stan stabilny, lecz cały czas przechodzi między dwoma stanami). Ten rodzaj obwodu nazywany jest też oscylatorem. Układu 555 można użyć do budowy wielu ciekawych urządzeń:

9 Migające światełka — ciąg impulsów o niskiej częstotliwości (