Conrad 10197 Operation Manual [hu]

Előszó

Mint az elmúlt években is volt, 2016-ban is van egy új Conrad elektronikai naptár 24 kísérlettel a december 1. és 24. közötti napokra.
Témája a digitális elektronika. A 4060 típusú CMOS-IC-re épülő bináris számlálóról van szó. Ez az IC 14 digitális osztó multivibrátort (flip­flop), és kiegészítésül egy sokoldalúan alkalmazható óra-oszcillátort tartalmaz. Ez a kettős funkcionalitás teljesen különböző és sokoldalú
alkalmazásokat tesz lehetővé, amelyek nemcsak nagyon tanulságosak, hanem érdekesek is. A végén van egy kapcsolás, amely szikrázó
csillagokat ábrázolva a karácsonyfa alá is betehető.

Az elektronikai naptárt a legkülönbözőbb célokra lehet felhasználni. Van, aki csak egyszerűen mindent a terv szerint akar megépíteni, és
élvezni akarja a sikert, mások azonban pontosan érteni is akarják, mit csinálnak. A kísérletek leírása mindegyikük számára szolgál. Emiatt a
felépítést és működést olyannyira tömören ismertetjük, amennyi csak a sikeres megépítéshez szükséges. Majd szűkszavúan ismertetjük a
műszaki hátteret. Így megtalálhatja azokat a legfontosabb utalásokat, amelyekből elkezdheti keresni a további ismereteket. A legnagyobb
örömet amúgy is akkor leli a kísérletekben, ha másokkal együtt dolgozik rajtuk. A szülők és a nagyszülők esetleg értékes ismereteket adnak
tovább, és felébresztik a gyerekek és a fiatalok érdeklődését.

A meglévő alkatrészekkel még sokkal több kapcsolást lehet megépíteni, mint ahányat itt bemutathatunk. Aki a megadott kísérleteket
érdeklődéssel végigcsinálja, hamarosan talál kapcsolási változatokat és hasonló alkalmazási lehetőségeket is. És teljesen új
kapcsolásokat is kitalálhat. Gazdag találékonyságának semmi sem szabhat határokat!

Sok örömet, és boldog karácsonyi időszakot kívánunk!

1 A LED teszt.

Az első adventi kísérlet egy LED kigyújtása. Egy normál LED-et nem szabad közvetlenül rátenni az áramforrásra, hanem mindig csak egy
ellenálláson keresztül. A soros ellenállás nélkül a LED-et a túl nagy áram tönkreteheti. A LED-et helyes irányban kell bekötni. Két
különböző kivezetése van. A rövidebbik láb a negatív pólus (katód), a hosszabbik a pozitív pólus (anód). A szélesebb alsó perem a katód
oldalán le van csapva. Ezenkívül az ebben a naptárban lévő összes LED esetében a LED belsejében lévő nagyobb tartó a katóddal van
összekötve.

Az 1. ajtó mögött egy piros LED és egy hozzá illő ellenállás van. Szükség van még egy 9 V-os elemre. Az első kísérletet különös
óvatossággal kell végezni. Vigyázzon, ne nézzen közvetlenül bele egy világító LED-be egy méternél kisebb távolságból. A fényes LED-ek
retinasérülést okozhatnak. Vigyázzon arra, hogy a LED két kivezetése ne érinthesse egyszerre az elemcsatlakozókat! Mindig legyen sorba
kapcsolva egy ellenállás, mert különben kiég a LED. Tartsa hozzá ezt a két alkatrészt az ábra szerint az elemhez. A LED most fényesen
fog világítani.

Az elektronikus áramköröket kapcsolási rajzokkal lehet áttekinthetően ábrázolni. Az egyes alkatrészeket speciális szimbólumokkal jelzik. A
LED anódját háromszög, katódját egyenes vonás mutatja. Ez utal az áramirányra. A fénykibocsátást két kifelé mutató rövid nyíl jelzi. Az
ellenállást egy téglalap ábrázolja. Az ellenállások határozott értékkel rendelkeznek: Itt az ellenállás értéke 10.000 Ohm = 10 kiloohm (10
kΩ, a kapcsolási rajzon rövidítve 10 k). A tényleges alkatrész színes gyűrűkkel van jelölve (barna, fekete, narancs jelzi a 10.000-et, és az
arany a +/–5% tűrésmezőt).

A kapcsolási rajzon soros kapcsolás látható. Az áram átfolyik az elemen, ellenálláson és a LED-en. Az ellenállásnak itt az szerepe, hogy
ésszerű értékre korlátozni az áramerősséget. Minél nagyobb az ellenállás, annál kisebb az áram. A 10 kΩ értékkel ugyan a LED még
messze a megengedett áram alatt van, de már nagyon erős fénnyel világít.

2 Elemcsatlakozás

A második ajtócska egy elemcsatot rejt a 9 V-os elem számára. Építse meg az első nap kísérletét egy kissé másképp. Használja az
elemcsatot, és vegye figyelembe, hogy a fekete csatlakozóvezeték a negatív pólus, míg a piros a pozitív pólus. Feltétlenül kerülje el az
elem rövidre zárását, azaz a két pólus közvetlen összekötését. Mivel ekkor az elem felforrósodhat, és a hosszan tartó rövidzár hatására fel
is robbanhat. Ezenkívül a rövidzárak le is rövidítik az elem élettartamát.

A 10 kΩ -os ellenállás határozza meg a LED-en átfolyó áramot. Ebben az esetben abból lehet kiindulni, hogy kb. 2 V esik a LED-re, tehát
még 7 V marad az ellenállásra. Ebből a csak 0,7 mA értékű áram adódik ki. Öszehasonlításul: A LED-ek általában 20 mA áramra vannak
méretezve. Ennek a piros LED-nek azonban elég 1 mA ahhoz, hogy jól látható fényt bocsásson ki.

3 Dugaszolt felépítés

Nyissa ki a harmadik ajtócskát, és vegye ki a fiókból a dugasztáblát. Ez egyszerűsíti a komplikáltabb áramkörök megépítését. A 2,54 mm
raszteres, 270 kontaktusos érintkezőfelület biztosítja az alkatrészek biztos összekötését.

A dugaszoló felület középső részén 230 érintkező van, öt-öt érintkező függőleges irányban vezetőfóliával össze van kötve. Ezen
túlmenően a széleken 40 érintkező van a tápáramellátáshoz, amelyek két, 20-20 érintkezőből álló sávban vannak összekötve egymással.
A dugaszmező így tehát két egymástól független tápsínnel rendelkezik, amelyet itt a pozitív és a negatív pólus számára használunk.

Az alkatrészek beültetéséhez viszonylag nagy erő kell. A kivezetések ekkor könnyen megtörnek. Fontos, hogy a lábakat pontosan felülről
vezessük be. Ehhez egy csipeszt vagy kis fogót lehet használni. A kivezetést lehetőleg röviddel a panel fölött fogjuk meg, és függőlegesen
nyomjuk lefelé. Így törés nélkül beültethetők az érzékenyebb csatlakozóvezetékek is, pl. az elemcsat ónozott végei.

Az első kísérleti áramkörét még egyszer építse fel a dugaszkártyán. Ismét az ellenállás és a LED soros kapcsolásáról van szó. A
kapcsolási rajzon ugyanaz a kapcsolás látható, csupán az alkatrészek vannak egy kicsit másképp elrendezve.

4 Villanykapcsoló

A negyedik ajtócska mögött az összes többi kísérlethez szükséges huzal található. Építsen LED-lámpát kapcsolóérintkezővel. Vágjon le
kb. 4 cm-es huzaldarabot, és a végein távolítsa el a szigetelést kb. 5 mm hosszúságban. Ez a huzal lesz a beépített összeköttetés a LED­del. Egy rövidebb, 2 cm-es huzalt építsünk be a puha csatlakozóhuzalok tehermentesítésére. Az elemcsat maradjon mindig bekötve a
csatlakozások igénybevételének a csökkentésére.

A kapcsoló két csupasz vezetékdarabból áll, amelyek ujjal való megnyomásra érintkeznek. Vágjon le ehhez 2 cm-es huzaldarabokat, és
teljesen távolítsa el róluk a szigetelést.

5 Egy védődióda

Egy további piros LED-et talál az 5. ajtócska mögött. Építse be ezt a LED-et is az áramkörbe. Az irányának jónak kell lennie, mert különben
nem folyik áram. Ha minden alkatrészt helyesen épített be, mindkét LED világítani fog. Bár most két LED van sorba kapcsolva, az első LED
fényessége majdnem változatlan.

Az új LED-nek fontos szerepe van a következő kísérletben. Védődiódaként szolgál, és megakadályozza az elem helytelen polaritású
bekötését. A holnap beépítendő alkatrész ugyanis nagyon érzékenyen reagál a helytelen polaritásra, és a lehetséges hibánk ellen véd.
Ugyanakkor a LED egy egyszerű áramjelző is, amelyről felismerhető a kapcsolás helyes működése.

6 Digitális kapcsolás

Nyissa ki a 6. ajtócskát. Mögötte ennek a naptárnak a legfontosabb alkatrészét találja, a 4060-as CMOS-IC-t. Ez a 16 csatlakozólábú IC
összesen 14 osztó multivibrátort és egy sokoldalú oszcillátorkapcsolást tartalmaz. Az 1. és a 16. csatlakozóláb baloldalon van, és egy
bemarás jelöli. További tájékoztatást ad az alsó sor (1. - 8. láb) felől olvasható felirat. Az IC első beültetése előtt a csatlakozásokat
pontosan párhuzamosan kell beigazítani, mert a gyártást követően kifelé, egy kissé távol állnak egymástól. Az oldalak lábait a kellő
kiigazítás érdekében nyomja össze egy kemény asztallapon. Majd rakja fel az IC-t megfelelően a dugaszkártyára. Vigyázat, ha helytelenül,
fordítva rakja be, felcserélődik a 8-as csatlakozópont (GND, mínusz) a 16-ossal (VCC, pozitívz), úgyhogy a tápfeszültség helytelen
polaritással lesz csatlakoztatva, és az IC tönkremegy. Ebben az esetben a védődióda sem segít, mert az csak az elem fordított
csatlakoztatása ellen véd.

Az első kísérlet az oszcillátorkapcsolás egy részét használja a 10. és 11. lábakon. Az OSC1 bemenet a GND pontra (negatív pólus, logikai
nulla) van téve. Az OSC2 kimeneten van a LED az előtét-ellenállásával. Ha mindent helyesen épített be, a LED világítani fog. Az IC tehát
bekapcsolta a kimeneten a feszültséget (logikai egy), és ezáltal invertálta a bemenet állapotát. A 4060-nal végzett legtöbb kísérletnél még a
reset-bemenetet (RES) is a GND pontra kell tenni. A VCC-csatlakozáson
lévő piros LED jelzi, hogy folyik az üzemi áram, és védi az IC-t. Ha minden helyes, a két LED egyforma fényerővel fog világítani .

7 Egy nyitott bemenet

Nyissa ki a hetedik ajtócskát, és vegyen ki egy ellenállást. Az értéke 22 MΩ (22 meg(a)ohm, piros, piros, kék), és a következő
kísérletekben újra és újra szükség lesz rá az oszcillátor-kapcsolásban. Az ellenállásnak csak az egyik végét kötjük be az OSC1 bemenetre.
Így egy »nyitott bemenet« jött létre. Nem határozható meg, hogy Egy vagy Nulla állapotú, a LED vagy világít, vagy nem. Az eredmény
esetleges, és az ujjunk közelítésével befolyásolhatjuk. Már pár cm távolságból változtatható a kapu állapota. Ezért a sztatikus töltések és
az ezzel kapcsolatos elektromos terek a felelősek.

A bemenetnek az ujjunk általi rövid megérintésével a kimenet bekapcsolható, vagy kikapcsolható. Ha be van kapcsolva, mindkét LED világít,
ha ki van kapcsolva, lehet, hogy egyik sem világít. Az IC-nek magának gyakorlatilag már nincs szüksége áramra. Adódhat azonban olyan
állapot is, amikor bár a kimenet még ki van kapcsolva, az IC mégis igényel valamelyes áramot. Ez az az eset, amikor a bemeneti feszültség
éppen se nem nulla, se nem egyenlő az üzemi feszültséggel, hanem valahol a kettő között van. Ameddig megérintjük a bemenetet, beállhat a
LED félfényességre, amikor is tulajdonképpen nagyon gyorsan villog a LED. Ennek az oka a hálózat 50 Hz-es váltóáramú tere, amitől a
testünk is vezet egy kis váltófeszültséget.

8 Visszacsatolás

Egy 10 kΩ-os ellenállást (barna, fekete, narancs) találunk a 8. ajtócska mögött. Ezúttal védőellenállásul szolgál az IC bemenetén. A 22
MΩ-os ellenállás összeköti a második kimenetet az oszcillátorkapcsolás bemenetével. A LED vagy világít, vagy nem, nem lehet előre
megjósolni az állapotát. A meglévő állapot tetszőleges ideig fennmarad. Az állapot azonban megváltoztatható, ha a bemeneten lévő
szabad csatlakozást hol a pozitív, hol a negatív ponthoz tartjuk hozzá. Ezenkívül némi szerencsével bekapcsolhatjuk vagy kikapcsolhatjuk
a LED-et, ha az ellenállást csupán megérintjük az ujjunkkal vagy a kezünkben tartott huzaldarabbal.

Ebben a kapcsolásban két inverter van elhelyezve egymás mögött. A Nulla (0) bemeneti állapotot az első inverter Egy (1) állapotba fordítja
át, míg a második inverter visszafordítja a Nulla-állapotba. A visszacsatolás révén a nulla-állapot fennmarad a bemeneten. És megfordítva,
az Egy-állapot a kimeneten ismét Egy marad. Ha azonban a bemenetet akár csak nagyon rövid időre is a másik állapotra hozzuk, átbillen a
kapcsolás. Ehhez gyakran elegendő egy véletlen impulzus is, amely az érintéskor keletkezik, mivel elektromosan fel vagyunk töltve. Az
ilyen kapcsolásokat billenőkörnek vagy flip-flop-nak is hívjuk. Ez a kapcsolás ezáltal egyidejűleg 1 bit tárolási kapacitású memória is. Ha az
OSC3 kimeneten lévő jobboldali LED-et kivesszük a kapcsolásból, a kapcsolás az Egy-állapotban is gyakorlatilag árammentes. A baloldali
LED ekkor szintén tartósan kikapcsolt állapotban van. Csak az átkapcsolás pillanatában folyik áram. Ha megérintjük a bemenetet,
világíthat a baloldali LED.

9 Egy LED-villogó

A kilencedik ajtócska mögött egy 100 nF-os kerámia tárcsakondenzátor van. A felirata 104, amely 100.000 pF-ot (pikofarad), azaz 100 nF­ot (nanofarad) jelent. Ezzel a kondenzátorral egy oszcillátor építhető meg, azaz egy olyan kapcsolás, amely magától állandóan váltogatja
az állapotát. Ebben az esetben egy lassú villogófény jön létre. A 22 MΩ -os nagyértékű ellenállás ezúttal az OSC1 és az OSC2 közé van

beépítve, és negatív visszacsatolást (ellencsatolás) hoz létre. A 10 kΩ-os ellenállás 100 nF-os kondenzátorral együtt visszacsatolást
képez.

Az átkapcsolási sebességet főleg a 100 nF-os kondenzátor és a 22 MΩ-os ellenállás határozza meg. Ennek a két alkatrésznek együtt az

időállandója 0,1 µF * 22 MΩ = 2,2 s. És valóban két másodpercig tart mindegyik stabil állapot. Egy perc alatt a kimenet emiatt mintegy 15­ször bekapcsolódik és 15-ször kikapcsolódik. Ha a 22 MΩ-os ellenállás mindkét végét megérintjük a kezünkkel, az 1 MΩ nagyságrendbe
eső bőrellenállásunkat kapcsoljuk párhuzamosan vele, és ezáltal lecsökkentjük az időállandót. Minél erősebben szorítjuk a huzalvégeket,
annál gyorsabbá válik a villogás.

A védő-LED-en felismerhetjük, hogy a bekapcsolt állapotba történő átkapcsolás előtt már elkezd folyni az áram. Ez annak a bizonyítéka,
hogy a bemeneten közepes feszültség van. Mégha eltávolítjuk is a jobboldali LED-et a kimenetről, láthatjuk az áram szabályos
növekedését.

10 Gyors lobogás

A 10. ajtócska mögött egy 100 kΩ-os ellenállást (barna, fekete, sárga) találunk. Ennek kell helyettesítenie az eddigi 22 MΩ-os ellenállást
az oszcillátorkapcsolásban. A villogás ezzel olyan gyorssá válik, hogy egyenletes világításnak tűnik. Ha most az egész kapcsolást ide-oda
mozgatjuk, világító vonalakat látunk megszakításokkal. Ugyanezt a hatást érhetjük el úgy is, hogy a kapcsolást mozgó tükörből nézzük.

Az időállandó ezúttal 100 kΩ * 100 nF = 10 ms. A kimenet 10 ms-ig bekapcsolódik, majd 10 ms-ig kikapcsolódik. Ebből 20 ms-os össz­periódus,

és 50 Hz frekvencia jön ki, amely megfelel a hálózati frekvenciának. A 16 Hz-es frekvenciát még lobogó fényként látjuk. Az efölötti
frekvenciákat már csak folyamatos világításként.

11 Osztás 16-tal

A 11. ajtócska mögött egy 10 nF-os kondenzátor (felirata 103) bújik meg. Segédfunkciót lát el, és az elem pozitív és negatív pólusa közé
van bekötve. Ez a szokásos intézkedés az összes digitális kapcsolás esetében, és a zavarjelek kiszűrésére szolgál. Az oszcillátort ismét
alacsonyabb frekvenciára építjük át, és a második LED most egy előtétellenálláson át a Q4 kimenetre van kötve. A LED váltakozva mintegy
30 mp-ig be van kapcsolva, és 30 mp-ig ki van kapcsolva.

Az eddigiektől eltérően az IC most közvetlenül az elemre van kötve. Mivel mostanáig minden hibátlanul működött, megkockáztathatjuk
helytelen polaritás elleni védelem nélkül a kísérletezést. A második LED ezért szabad a tulajdonképpeni kísérlet számára, és az osztott
frekvenciát mutatja. Az oszcillátor és a Q4 között négy osztófokozat helyezkedik el, amelyek mindegyike az órajel frekvenciáját kettővel
osztja. Összesen tehát 16 óraimpulzusra esik egy kimeneti impulzus. A jelperiódus négy másodperc az oszcillátoron, és kb. egy perc a Q4
kimeneten.

12 Számláló nullától háromig

A 12. ajtócska mögött egy további 10 kΩ-os ellenállás (barna, fekete, narancs) van, amely az oszcillátorban nyer alkalmazást. Bár a
frekvencia megint mintegy 50 Hz-re nő, ezúttal azonban a Q5 kimenetre van kötve egy LED, amely az órajelet 32-vel osztja le. Emiatt
mindkét LED-en egy gyorsabb és egy lassabb villogást látunk. A két jelet együtt 2-bites bináris számnak olvashatjuk.

A számláló tehát mindegyre nullától háromig számlál. Majd jön egy túlcsordulás, és folytatódik megint nullával. Pontosabban nézve, a LED­ek 8 többszöröseit, azaz az oszcillátor 0, 8, 16 és 24 bemeneti impulzusát mutatják. Az első három osztófokozat 8-cal történő előosztást
végez, és kb. 6 Hz-es órajelet szolgáltatnak, amely szemmel még jól követhető. Aki lassabban járó számlálót akar látni, beiktathatja a 22
MΩ-os ellenállást a kapcsolásba. A számláló állása ekkor kb. félperces ütemben vált, úgyhogy egy egyszerű digitális órát állítottunk elő.