Conrad Szaküzlet 1067 Budapest, Teréz krt. 23. Tel: (061) 302-3588
Conrad Vevőszolgálat 1124 Budapest, Jagelló út 30. Tel: (061) 319-0250
Elektronikai kísérletező készlet
Rendelési szám: 192230
1 Az első lépések
Ez a tanulókészlet könnyű bevezetést nyújt az elektronika világába. A készlet
alkotóelemei:
Szerelőlap
Az összes kísérletet ezen a laboratóriumi szerelőlapon („próbasasszi”)
végezzük. A szerelőlapon összesen 270 érintkezőpont helyezkedik el egy 2,54
mm-es raszterben, amelyek az integrált áramkörök (IC-k) és az egyes passzív
elemek számára biztonságos bekötési lehetőséget adnak.
Világító dióda
A LED-ek tanulókészlete két piros, egy zöld és egy sárga LED-et tartalmaz. Az
összes világító dióda esetében alap-vetően figyelembe kell venni a polaritást. A
negatív csatlakozás neve katód, és a rövidebbik csatlakozó-huzalon jelenik
meg. A pozitív csatlakozás neve anód. A LED belsejében felismerhető a LEDkristály kehely alakú tartója, amely a katóddal áll összeköttetésben. Az anódcsatlakozás egy nagyon vékony huzallal van rákötve a kristály felületén
elhelyezett érintkezőre. Vigyázat! A LED az izzólámpával ellentétben
közvetlenül nem köthető össze egy teleppel. Minden esetben szükség van egy
előtét-ellenállásra.
1.5 ábra: A világítódióda
Ellenállás
A tanulókészletben ±5% tűrésű szénréteg-ellenállások vannak. Az ellenállás
anyaga egy kerámiarúdra van felvíve, és egy védőréteggel van bevonva. A
feliratozás szerepét színes jelölőgyűrűk látják el. Ezek az ellenállás értéke
mellett a tűrést is megadják.
A szerelőlap középső részén 230 érintkezőpont van, amelyek függőlegesen
1.1 ábra: A kísérleti szerelőlap
ötös csoportokban galvanikusan össze vannak kötve. Rajtuk kívül van még 40
érintkező-pont a tápegység számára a felső és az alsó szél mentén, amelyek
két-két vízszintes érintkező rugósávból állnak sávonként 20 érintkezőponttal.
Az 1.2 ábra mutatja az érintkezők belső összeköttetéseit. Láthatók rajta a rövid
középső sorok, és a hosszú szélső tápérintkező-sorok.
1.2 ábra: A belső összeköttetések
Az alkatrészek berakása meglehetősen nagy erőt igényel. A
csatlakozóvezetékek könnyen elgörbülnek. Ezért arra vigyáznunk kell, hogy
pontosan felülről toljuk be őket az érintkezőpontba. Ehhez egy kis csipeszt
vagy hosszú csőrű fogót használjunk. A csatlakozóvezetéket a szerelő-laphoz a
lehető legközelebb fogjuk meg, és nyomjuk lefelé függőlegesen. Ugyanígy
tegyünk pl. az elemcsatok ónozott végével is.
Kísérleteinkhez az együttszállított áthidaló vezetékből különböző hosszúságú
darabokat kell levágnunk. A vezetékvégek lecsupaszításához először vágjuk
körül a szigetelést egy éles késsel.
Telep
Az alábbi áttekintés az alkatrészeket egyrészt az eredeti kinézésükkel, továbbá
az áramköri rajzokban alkalmazott szimbólumaikkal mutata be. A telepet
helyettesítheti pl. egy tápegység.
1.3 ábra: Egy telep, és áramköri szimbóluma
Ne használjunk alkáli típusú elemet vagy akkumulátort. Kizárólag cink-szén
elemet alkalmazzunk. Bár az alkáli típusú elemeknek hosszabb az
üzemélettartamuk, de pl. rövidzár esetén 5A feletti áramot tudnak szállítani,
amely miatt a vékony vezeték vagy maga a telep nagyon fel tud melegedni.
Egy cink-szén elem által rövidzár esetében szállított áram rendszerint 1A alatt
marad. Ez ugyan az érzékenyebb alkatrészeket tönkreteheti, de nem okoz tüzet.
Az együttszállított telepcsatlakozó csatnak hajlékony csatlakozókábele van. A
lecsupaszított kábelvégek még ónozottak is. Emiatt elég merevek ahhoz, hogy
be tudjuk dugni őket a szerelőlap érintkezőpontjaiba. Ha gyakran kell őket
azonban bedugni és kihúzni, deformálódhatnak. Ezért jobb bennhagyni a
vezetékvégeket az érintkezőben, és a csatot levenni a telepről.
A cink-szén vagy alkáli elemek egy cellájának az elektromos feszültsége 1,5V.
Egy elemben több cella van sorba kapcsolva. Ennek megfelelően mutatják a
telep-szimbólumok az egy telepben lévő cellák számát. Nagyobb feszültség
esetén szokás szaggatott vonallal helyettesíteni a középső cellákat.
1.4 ábra: A különböző telepek kapcsolási rajzokban használt szimbólumai
Az ±5% tűrésű ellenállásokat az E24 érték-sorozatban gyártják, amelyben
minden egyes dekádban egymástól körülbelül azonos távolságban lévő 24 érték
van.
1.1 táblázat: az E24 normál sorozat ellenállás-értékei
1,0 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0
3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1
5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1
A színkódot az ellenállás széléhez legközelebb lévő színes gyűrűtől kiindulva
olvassuk le. Az első két gyűrű két számot jelöl, a harmadik gyűrű az ohmban
vett ellen-állásérték szorzója. A negyedik gyűrű a tűrést adja meg.
1.2 táblázat: Az ellenállások színkódja:
szín 1. gyűrű
fekete 0 1
barna 1 1 10 1%
piros 2 2 100 2%
narancs 3 3 1.000
sárga 4 4 10.000
zöld 5 5 100.000
kék 6 6 1.000.000
ibolya 7 7 10.000.000
szürke 8 8
fehér 9 9
arany 0,1 5%
ezüst 0,01 10%
Ha egy ellenállásnak sorra sárga, ibolya, barna és arany gyűrűje van, az értéke
470 ohm, és a tűrése 5%. A tanuló-készletben két-két ellenállás található az
alábbi értékekkel:
100 Ω barna, fekete, barna
220 Ω piros, piros, barna
330 Ω narancs, narancs, barna
470 Ω sárga, ibolya, barna
1 kΩ barna, fekete, piros
10 kΩ barna, fekete, narancs
100 kΩ barna, fekete, sárga
Tranzisztor
A tranzisztorok kis áramok erősítésére való alkatrészek. Az itt alkalmazott
BC547 tranzisztorok NPN-szilícium-tranzisztorok.
A tranzisztor csatlakozóvezetékeinek a neve emitter (E), bázis (B) és kollektor
(C). Mindkét tranzisztornak középen van a bázis kivezetése. A feliratozást
nézve, és lefelé néző kivezetések mellett az emitter jobbra van.
Kondenzátor
Egy további fontos elektronikai alkatrész a kondenzátor, amely két
fémfelületből, és egy szigetelőrétegből áll. Ha feszültséget kapcsolunk a
kondenzátorra, a két lemeze között elektromos erőtér lép fel, amelyben energia
1. szám
1.6 ábra: Egy ellenállás
2. gyűrű
2. szám
1.7 ábra: A tranzisztor
3. gyűrű
szorzó
4. gyűrű
tűrés
van tárolva. Ha a kondenzátor lemezeinek nagy a felülete, és kicsi a lemezek
közötti távolság, akkor nagy a kondenzátor kapacitása, azaz egy adott feszültség
mellett sok töltést tárol. A kondenzátorok kapacitását Farad-ban (F) mérjük.
Nagy kapacitás érhető el az elektrolit kondenzátorokkal (elkók). A szigetelés
ezeknél egy vékony alumíniumoxid-rétegből áll. Az elkó folyékony elektrolitot
tartalmaz, és nagyfelületű feltekercselt alumíniumfóliát. A feszültséget csak az
egyik irányban szabad rátenni. Ha rossz irányban tesszük rá, szivárgóáram lép
fel, és lassanként lebomlik a szigetelés, ami a kondenzátor tönkremenetelét
okozza. A negatív pólust egy fehér sáv jelöli, és a kivezetése rövidebb.
1.8 ábra: Egy elektrolitkondenzátor
2 Az első kísérletek LED-ekkel
Egy teleppel és egy kis izzólámpával egyszerű módon kipróbálhatunk egyetmást, amíg a lámpa világít. Egy LED-el ezt nem tehetjük meg, mert
közvetlenül nem csatlakoztathatjuk a LED-et a telepre, mivel tönkremehet. Egy
kissé pontosabban kell terveznünk: fontos a helyes feszültség, a helyes
polaritás, a megfelelő előtét-ellenállás. De azért nem is nehéz. Próbáljuk csak ki
az ajánlott kapcsolásokat, és hamarosan biztosan fogunk bánni már a LEDekkel.
2.1 LED előtét-ellenállással
Építsük fel első áramkörünket egy teleppel, LED-del és előtét-ellenállással.
Használjunk egy piros LED-et és egy 9V-os elemet. A tanulókészlet
legnagyobb ellenállásával (1 kΩ = 1000 Ω, barna, fekete, piros) jó helyen
járunk, ami a LED áramát illeti. A 2.1 ábra mutatja a kapcsolást kapcsolási rajz
formájában.
2.2 Az áram iránya
Fordítsuk csak úgy meg a LED-et, hogy az anódja a telep negatív pólusára
kerüljön. Most egyáltalán nem világít már! Az áram tehát csak az egyik
irányban tud átfolyni a LED-en. Az áteresztő irány az, amikor az áram a katód
felé folyik az anódtól, azaz amikor az anód a telep pozitív pólusa felé néz, míg
a katód a negatív pólusa felé. Az ezzel ellentétes irányban lezár a LED. És
akkor világít, amikor átereszti az áramot. A 2.5 ábrán záróirányban van
elhelyezve a LED. Így nem világít.
A 2.6 ábrán a kapcsolási rajzon elhelyezett nyilak az elektromos áram irányát
jelzik. Az áramirányt ugyanúgy, mint a pozitív és negatív jelölést, történelmileg
önkényesen határozták meg így. Az áram tehát mindig a telep pozitív pólusától
folyik a fogyasztón át a negatív pólusa felé. Ma már tudjuk, hogy a negatív
töltésű elektronok pont fordítva haladnak, mint ahogy a 2.6 ábra nyilai mutatják.
Valójában azonban vannak pozitív töltéshordozók is, például a folyadékokban,
amelyek az áram irányában haladnak. A LED-ben is találunk negatív és pozitív
töltéshordozókat.
2.4 ábra: A LED és az ellenállás felcserélve
2.5 ábra: A LED záróirányban
A felépítéshez használjuk a szerelőlapot. A felső tápsínt kössük össze az elem
2.1 ábra: Kapcsolási rajz LED-el és előtét-ellenállással
pozitív pólusával, vagyis az elem-csat piros érintkezőjével. Az alsó tápsínt
kössük össze ennek megfelelően az elemcsat fekete érintkezőjével, azaz az
elem negatív pólusával. A felépítés így hasonló lesz a kapcsolási rajzhoz,
úgyhogy nem okozhat gondot a hibakeresés. Hajlítsuk úgy meg a LED és az
ellenállás kivezetéseit, hogy beleilljenek az érintkezőkbe. Némelyik
kivezetőhuzal a képeken le lett rövidítve a kísérleti áramkör jobb szemléltetése
érdekében. A kísérleteinkhez azonban ne rövidítsük le az alkatrészek
kivezetéseit, hogy az összes kísérlethez használhatóak maradjanak.
2.2 ábra: Az áramkör a szerelőlapon felépítve
Valószínűleg már az első kísérlet sikeres lesz. A LED erős fénnyel kigyullad.
Ha nem, keressük meg a hibát. Ha bárhol megszakítjuk az áramkört, nem
folyik tovább már áram. Vizsgáljuk meg tehát az összes vezetéket, és az
alkatrészek elhelyezkedését a szerelőlapon. Egy további hibalehetőség a LED
fordított behelyezése a lapra. Végül az elem is ki lehet merülve. Mindenesetre
megállapítható, hogy még nagyon öreg elemek is képesek halványan kigyújtani
a LED-et.
Próbáljuk meg másképp felépíteni az áramkört. Cseréljük fel a LED-et és az
ellenállást. Az áram ekkor előbb a LED-en folyik át, és utána az ellenálláson.
Az eredmény azonban azonos az előzővel. Tehát csak arról van szó, hogy mind
a három alkatrész egy zárt áramkörön belül van elhelyezve.
2.3 ábra: Felcserélt alkatrészek
2.3 Az áramerősség
Rakjunk be most az 1 kiloohmos ellenállás helyett egy 470 ohmosat (sárga,
ibolya, barna). A LED most sokkal fényesebben világít. Ez a nagyobb áram
bizonyítéka. A szabály a következő: minél nagyobb az ellenállás, annál kisebb
lesz az áram. Pontosabb számítások később.
• Vizsgáljuk meg az összes LED fényességét sorra
1 kΩ (barna, fekete, piros), 470 Ω (sárga, ibolya, barna) és 330 Ω
(narancs, narancs, barna) ellen-állással. Ne vegyünk azonban 330 Ω-nál
kisebb ellenállást, mert azzal ebben a kapcsolásban 9V-os elemmel túl
nagy áram folyhat, amely veszélyezteti a LED-et.
Az alkalmazott LED-ek számára 20 mA tartós áram van megengedve. Az
alábbi táblázat azt mutatja, hogy az alkalmazott LED tényleges árama az előtét-
ellenállástól függ. Részben kissé túllépjük a megengedett áramot. Ez azonban
rövid időre nem okoz problémát. Csak hosszabb túlterhelés esetén öregednek
gyorsabban a LED-ek, és elveszítik a fényerejüket.
2.1 táblázat: A LED árama 9V tápfeszültség mellett
ellenállás piros LED sárga LED zöld LED
330 Ω
470 Ω
1 kΩ
2.4 Jelzőlámpa nyomógombos kapcsolóval
Készítsünk a 2.9 ábrának megfelelő módon egy egyszerű nyomógombos
(pillanat-) kapcsolót egy lecsupaszított bekötőhuzalból. A kapcsoló nyitott
állapotában az áramkör szakadását jelenti. Ha azonban megnyomjuk a
kapcsolót, összekötjük a két érintkezőt, és zárjuk ezzel az áramkört. A huzal
rugóereje ismét elbontja az összeköttetést, ha felengedjük a nyomógombot. Az
áramkörben elhelyezett LED tehát csak addig világít, amíg nyomva tartjuk a
nyomógombos kapcsolót.
2.6 ábra: Az áram irányának a definíciója
2.7 ábra: Nagyobb fényesség kisebb ellenállással
2.8 ábra: 470 ohmos előtét-ellenállás
21,4 mA 21,1 mA 20,8 mA
15,1 mA 14,9 mA 14,7 mA
7,2 mA 7,1 mA 7,0 mA
magasabb feszültség már az áram jelentős növekedését eredményezi, ami
könnyen a LED tönkremenetelét okozhatja.
2.9 ábra: Egy kapcsoló készítése huzalból
Ez az áramkör jelzőlámpának használható különböző célokra. Elvileg a
2.10 ábra: Egy áramkör kapcsolóval
kapcsolást számos hír átvitelére is lehet használni morze-jelek segítségével. De
be kell vallani, hogy a morzézés kissé elavult már, és nem olyan kényelmes,
mint egy E-mail vagy a telefon. Azonban a morzézés fényjelzés útján a
kommunikáció egy vonzó módja lehet. Bizonyos gyakorlattal több mint 100
méter távolságból kicserélhetjük információinkat úgy, hogy aligha
hallgathatnak le mások.
3 LED kapcsolástechnika
Bár egyszerű művelet a megadott kapcsolást pontosan az ajánlott
alkatrészekkel felépíteni, de ahhoz, hogy teljesen kézben tudjuk tartani a
kapcsolástechnikát, ismernünk kell az elméletet is, és tudnunk kell pl. a
kapcsolásban szükséges ellenállásokat magunknak méretezni. Ez a fejezet ezért
együtt adja a szükséges elméletet és a szükséges kísérleteket. Kössük össze az
elméletet és a gyakorlatot, méretezzük és teszteljük tehát a saját
kapcsolásainkat is.
3.1 A diódaküszöb
Egy izzólámpával összehasonlítva egy LED nagyonis különös módon
viselkedik. Nemcsak azért, mert csak az egyik irányba folyik az áram, míg egy
izzólámpát bármilyen polaritással csatlakoztathatunk, hanem mert a
csatlakoztatott feszültség az áteresztő irányban is nagyon kritikus. Egy 6V/100
mA névleges adatokkal bíró kis izzólámpa nagy tűrést mutat a ténylegesen
csatlakoztatott feszültséggel szemben. Már 1V-tól kezdve elkezd alig láthatóan
sötétpiros fénnyel világítani. Majd a névleges feszültségnél világos, sárgásfehér
fénnyel világít. Ha rövid időre ennél nagyobb feszültséggel próbálkozunk, a
fény vakító fehérré válik. Még a 12V kétszeres feszültség sem teszi azonnal
tönkre az izzót, hanem csak néhány másodperc vagy perc múlva.
Teljesen más a helyzet a LED-ekkel. A 10-20 mA átfolyó áram melletti normál
feszültség kb. 1,8V. Ha 0,5 V-al 2,3 V-ra növeljük a feszültséget, a LED
feltétlenül kiég. És fordítva, a LED már egyáltalán nem világít, ha egy fél
volttal kevesebbet rakunk rá. Ha magasabb feszültség áll rendelkezésünkre,
egy ellenállás gondoskodik arról, hogy automatikusan éppen a helyes
feszültség kerüljön rá a LED-re.
Próbáljunk meg egy piros LED-et ellenállás nélkül egyetlen 1,5V-os telepről
táplálni. Mivel ez a feszültség éppen az alsó határon van, itt kivételesen
ellenállás nélkül is dolgozhatunk.
3.3 ábra: LED karakterisztikák
A diagram világosan mutatja a piros és a zöld LED különböző
küszöbfeszültségét. Így már az is világos, hogy miért világít még éppen a piros
LED, amikor a zöld már nem. A LED-kapcsolások méretezésekor normál
esetben előtét-ellenállásokat alkalmazunk, amelyeknek az a szerepe, hogy
definiált diódaáramot állítsanak be. Ha a 20 mA normál üzemi áramból
indulunk ki, akkor a 3.1 táblázatban látható feszültségek adódnak ki.
3.1 táblázat: a tipikus LED-feszültségek
3.2 Soros kapcsolás
Ha elegendően nagy a telep feszültsége ehhez, pl. 9V, két vagy több LED sorba
kapcsolható. Ekkor összeadódnak a diódák áteresztési feszültségei, úgyhogy
kisebb feszültség jut az előtét-ellenállásra. Egy piros és egy zöld LED-re jutó
feszültség 10 mA diódaáramnál 1,9V + 2,2V = 4,1V. Az előtét-ellenálláson
tehát 9V – 4,1V = 4,9V esik. Ahhoz, hogy tényleg 10 mA áram folyjon, az
ellenállás értékét megfelelően kell megválasztani.
R = U/I
R = 4,9V/10 mA
R = 490 ohm
A számítás többnyire a normál értékektől eltérő ellen-állást ad ki. Alkalmazzuk
ilyenkor a következő kisebb normál értéket, itt tehát 470 ohmot. Ebben az
esetben az áram csak csekély mértékben lesz nagyobb. Valójában alig
változnak meg a feszültségviszonyok a meredek diódakarakterisztikák miatt.
(rot = piros; grün = zöld)
a LED színe feszültség 20 mA-nél
piros 1,9 V
sárga 2,1 V
zöld 2,2 V
3.4 LED-ek sorbakapcsolása (zöld, piros)
3.1 ábra: Az alsó feszültséghatáron
3.2 Egy ceruzaelem közvetlen csatlakoztatása
Megállapíthatjuk, hogy a piros LED tényleg világít, ha nagyon gyengén is.
Vegyük most elő a zöld LED-et. Az eredmény: ez nem világít. Gyakorlatilag
egyáltalán nem folyik áram rajta keresztül. A sárga LED valahol a kettő között
van, 1,5V-ról rendkívül gyengén világít.
Mekkora áram folyik a különböző feszültségeken? A kérdésre egy adott
alkatrész karakterisztikája adja meg a választ. A 3.3 ábrán egy közös
diagramon láthatjuk a piros és a zöld LED kimért karakterisztikáját. Láthatjuk,
hogy csak egy bizonyos minimális feszültségtől, avagy a „küszöbfeszültségtől”
kezdve folyik észlelhető áram. Ha nő a feszültség, az áram is nő, és egyre
meredekebben. A méréseket a még éppen megengedhető 20 mA áramnál
megszakítottuk. De jól elképzelhető a karakterisztika további menete. Egy alig
3.5 ábra: Sorbakapcsolt piros és zöld LED
3.3 Kevés energia – sok fény
Gyakran jobb hatásfokot ad több LED sorbakapcsolása, mivel kevesebb
energia vész el az előtét-ellenálláson meddő hő formájában. A célnak tehát
annak kell lennie, hogy az előtét-ellenállásra minél kevesebb feszültség essen.
A 3.6 ábra egy lehetséges méretezést mutat be három, egy piros, egy sárga és
egy zöld LED-del. A közös diódafeszültség 1,8V + 2,1V + 2,2V = 6,1V. Az
előtét-ellenálláson még 2,9V esik. A 20 mA áramhoz tehát 145 ohmra van
szükség. De 220 ohmnál is még elég fényesen világítanak a LED-ek. A 20 mA
helyett itt
15 mA adódik ki. Ezzel az árammal még egy 9V-os tömbelemmel is elég
hosszú üzemélettartamot kapunk.
3.6 ábra: Soros kapcsolás három LED-del
(zöld, sárga, piros)
3.4 Párhuzamos kapcsolás
Ha két vagy több fogyasztót akarunk egy közös áram-forrásról táplálni, erre
alapvetően két lehetőségünk van, a párhuzamos és a soros kapcsolás.
Ha két fogyasztót sorba kapcsolunk (3.8 ábra, jobbra), azonos áram folyik
rajtuk keresztül, azonban mindegyik csak a tápfeszültség egy részét kapja. Ezt
a kapcsolást alkalmaztuk az előző fejezetben. LED-ek sorbakapcsolása esetén
mindegyik LED-en keresztül azonos áram folyik. Emiatt nincs mód arra, hogy
az áramot egyedileg állítsuk be számukra. Ténylegesen a különböző LED-ek
azonos áram esetében nem egyforma fényerejűek.
Ha a két fogyasztót párhuzamosan kapcsoljuk (3.8 ábra, balra), azonos
feszültség kerül rájuk. A példa erre egy gépkocsi vezetékezése. Az
akkumulátor feszültsége 12V, ugyanígy az összes lámpáé is. Tehát
párhuzamosan kell kapcsolni őket. A LED-ek párhuzamos kapcsolásakor egyegy LED-ből és az előtét-ellenállásából álló soros kapcsolást egy fogyasztónak
kell tekinteni. A különböző LED-feszültségek miatt nem lehet közös előtét-
ellenállást alkalmazni. A fényesség-különbségeket különböző előtét-
ellenállások alkalmazásával ki lehet egyenlíteni.
Mindegyik LED esetében vegyük figyelembe az egy adott csatlakozási feszültség
esetében megengedett maximális áramot és minimális előtét-ellenállást. A 3.2
táblázat áttekintést ad a minimális előtét-ellenállásokról.
3.2 táblázat: Minimális ellenállás különböző csatlakozási feszültségnél
A 3.9 ábra példa három, előtét-ellenállással ellátott LED párhuzamos
kapcsolására. A sárga LED-re több áramnak kell jutnia, hogy a szubjektíve
érzékelt kisebb fényesség kiegyenlítődjön. A kapcsolási rajzon a ténylegesen
mért áramértékek vannak feltüntetve mindegyik LED-hez. Összesen majdnem
30 mA áram adódik ki.
3.5 Színjátékok
Építsünk fel egy kapcsolást egy 9V-os elemmel, zöld LED-del és 1 kohmos
előtét-ellenállással a 2. fejezetben már ismertetett módon. A zöld LED világít a
várakozásnak megfelelően. Kapcsoljunk most párhuzamosan egy piros LED-et
a zölddel, azaz a katódot a katóddal, anódot az anóddal kössük össze. Most
világít a piros LED, a zöld azonban kialszik. Ez esetleg meglepő, mivel egy
egyszerű kapcsoló vagy érintkező elegendő ennek a szín-váltásnak az
előidézésére.
3.7 ábra: Az összes szín sorbakapcsolva
3.8 ábra: A párhuzamos és a soros kapcsolás
LED 3 V 6 V 9 V 12 V
piros, 20 mA, 1,8 V
sárga, 20 mA, 2,1 V
zöld, 20 mA, 2,2 V
3.9 ábra: Párhuzamos kapcsolás 3 LED-el
3.10 ábra: Mindegyik LED-nek saját ellenállása van
60 Ω 210 Ω 360 Ω 510 Ω
45 Ω 195 Ω 345 Ω 495 Ω
40 Ω 190 Ω 340 Ω 490 Ω
A kapcsolás működését a két LED különböző karak-terisztikája magyarázza.
3.12 ábra: Színváltás nyomógombos kapcsolóval
Párhuzamos kapcsolásban mind a két LED-nek azonos a feszültsége. Azonos
feszültség mellett azonban jelentősen nagyobb áram folyik a piros LED-en át,
mint a zöldön. Ha bekapcsoljuk a piros LED-et is, a közös feszültség annyira
lecsökken, hogy már nem folyik áram a zöld LED-en keresztül.
3.6 Villanófény
Egy kondenzátor elektromos energiát tárol. Egy xenon-lámpás vakuban pl. egy
100 μF-os elektrolitkondenzátor töltődik fel 400 V-ig, majd nyolc
wattszekundum óriási energiát ad le.
3.13 ábra: Egy LED-villanófény elektrolitkondenzátorral
Egy LED-vakut arányosan szerényebben kell megépíteni, mivel a LED nem
birkózik meg ennyi energiával. Töltsünk fel tehát egy 47 μF-os elkót 9V
feszültséggel. A villanó-fény energiája a kis feszültség miatt kb. 2 mWs. Csak
egy nagyon kis töltőáramra van szükség, azaz elegendő egy 100 kohmos
töltőellenállás.
Kb. 5 másodperc múlva az elkó elegendő mértékben fel lesz töltve. Nyomjuk
meg ekkor a nyomógombot. A LED rövid időre felvillan, majd lassan kialszik.
Csak egy csekély maradék fényesség marad meg, mivel a kis áram továbbra is
folyni fog a töltőellenálláson keresztül.
3.14 ábra: A villanófény
4 Vizsgálókészülékek LED-ekkel
Gyakran a kicsi és egyszerű készülékek könnyítik meg a munkánkat. A
kijelzőként működő LED-ekkel szerelt egyszerű tesztkészülékek
áramtakarékosak és hatékonyak. A LED előnye a jó fényerő már nagyon kis
áram mellett, valamint a referenciafeszültségül is alkalmazható küszöbfeszültség.
4.1 Kábelvizsgáló
Elektromos készülékek vagy berendezések vizsgálatakor gyakran van szükség
egyes összeköttetések vizsgálatára. Az alábbi vizsgálókészülék egy
vizsgálóáramot küld ki a vezetékre. A LED akkor világít, ha az összeköttetés
él.
Így megkereshetjük a rossz érintkezéseket és a szakadt vezetékeket. Építsük fel
a szerelőlapon a folytonosság-vizsgálót, és vezessünk ki két hosszabb huzalt
vizsgáló-kábel céljára.
4.1 ábra: Egy folytonosságvizsgáló LED-el
3.11 ábra: Különféle LED-ek párhuzamos kapcsolása
4.2 ábra: A vizsgálókészülék a mérővezetékekkel
A LED nemcsak a teljes folytonosság esetén világít, hanem akkor is, amikor
bizonyos ellenállással rendelkező egyes fogyasztókat kötünk be az áramkörbe.
Emiatt pl. izzólámpákat is vizsgálhatunk. Ugyancsak elegendően kicsi egy
transzformátor egyenáramú ellenállása ahhoz, hogy a LED fényesen világítson.
A hibás dugasz-tápegységek esetében többnyire a belső hőbiztosíték van
megszakítva. A hálózati dugó két pólusa között ekkor már nem találunk
folytonosságot. Más alkatrészeket is vizsgálhatunk, például LED-et és
ellenállást. A LED csak az egyik irányban mutat átmenetet, és ekkor maga is
világít. Az ellenállások értéküktől függően kisebb fénnyel világítanak.
4.2 Vízjelző
Az előző fejezet folytonosságvizsgálója változtatás nélkül alkalmas víz vagy
más folyadékok vezetőképességének a vizsgálatára. Ha a vezetékeket tiszta
vízbe tartjuk, a LED csak nagyon halványan világít. Ha a vízbe egy kis sót is
szórunk, jól láthatóan növekszik a vezetőképessége.
Ezzel azonos hatású a citromlé vagy más sav. Amint elkezd folyni az áram, a
vezetékeken kis gázbuborékok lépnek fel. A vegyi elektrolízis folyamata a
vezetékek felületét is megtámadja. Hosszabb vizsgálatokhoz a nem oldódó
szénből vagy grafitból készült elektródák alkalmasak. Pl. ceruzabelet vagy régi
elemekből kiszedett szénrudakat alkalmazhatunk erre a célra.
A vizsgálókészülék váltóáramra is alkalmazható. Ebben az esetben mindkét
LED világít. Ezzel van egy teljes értékű vizsgálókészülékünk a kisebb hálózati
táp-egységekhez és transzformátorokhoz egészen 12V-ig.
4.7 Polaritásvizsgáló mérővezetékekkel
4.5 Telepvizsgáló
LED-ekkel egyszerű telepvizsgáló is felépíthető, amely a telep állapotáról
durva ítéletet tesz lehetővé, amennyiben meg lehet vele becsülni a feszültséget.
Az eddig bemutatott LED-kapcsolások többnyire széles feszültségtartományban
működnek, és csak csekély fényerőváltozást mutatnak, amikor a telep már
igencsak gyenge. Egyetlen kivétel egy piros LED közvetlen csatlakoztatása egy
1,5V-os telepre (lásd a 3.1 fejezetet). Mivel a 1,5V éppen a diódaküszöb
mellett van, a LED csak teljes telepfeszültségen világít.
4.3 ábra: Víz az áramkörben
A folyadékok vezetőképességével kapcsolatos érdekes kísérleteken kívül
gyakorlati alkalmazásokat is találhatunk. Meg tudunk valósítani pl. a víz
kifolyására figyelmeztető készüléket vagy esőjelzőt is. A kapcsolás alkalmas
még ezeken kívül virágcserép földjének a nedvességérzékelője céljára is. Ha
bedugjuk a vezetékeket a virágföldbe, a LED fényessége mutatja a nedvesség
mértékét.
4.3 Riasztókészülék
Lopás és betörés elleni védelem céljára mechanikus vagy mágneses
működtetésű érintkezőket szoktak alkalmazni az ajtókon és ablakokon. Ha pl.
kinyitnak egy ablakot, riasztásnak kell felhangzania. A legegyszerűbb esetben
egy vékony drótot lehet elhelyezni, amely riasztáskor elszakad. Ha valaki
hatástalanítani akarja a riasztót az által, hogy szétválasztja a drótot, ugyancsak
működik a riasztás.
4.4 ábra: A LED rövidre van zárva
A legegyszerűbb esetben az áramhurok állapotát egy LED felügyelheti. A LED
nyugalmi állapotban nem világít, hogy ne vegyük túlzottan igénybe a
figyelmünket. Csak ha a drót szét lett választva, akkor világítson a LED. A 4.4
ábra mutatja a kapcsolást. Ameddig zárva van a felügyeleti áramkör, elvezeti a
LED áramát, mivel azt rövidre zárja.
4.5 ábra: A riasztási hurok
A kapcsolás hátránya, hogy riasztás nélkül is kb. 9 mA tartós áram folyik. Egy
elemet viszonylag gyorsan kimerít. Emiatt egy dugasztápegységet kell
alkalmazni.
4.4 Polaritásvizsgáló
Különösen a dugasztápegységeknél gyakran bizonytalan a polaritás. Két LEDből álló egyszerű vizsgálókészülék kideríti a helyzetet. Ha a 4.6 ábra szerint
csatlakoztatunk egy feszültségforrást, kigyullad a piros LED. Fordított polaritás
esetén a zöld LED gyullad ki.
4.8 ábra: Telepfeszültség-vizsgáló 9V-ra
Két ellenállásból álló feszültségosztóval tetszés szerint megnövelhető egy
LED-kapcsolás küszöbfeszültsége, és így illeszthető a különböző igényekhez.
A 4.8 ábra kapcsolásának a méretezése a küszöböt kb. 9V-ra állítja be.
Pontosan 9V-on a terheletlen feszültségosztó 1,62V-ot mutat, azaz éppen egy
kicsit nagyobb értéket a piros LED küszöbfeszültségénél.
U = U
x R1/(R1 + R2)
teljes
U = 9V x 220Ω/1220Ω
U = 1,62V
A gyakorlatban a LED 9V tápfeszültségnél éppenhogy csak nagyon gyengén
világít. Már egy csekély feszültség-csökkenés esetén kialszik a LED. A
vizsgálat emiatt nem megvalósíthatóan szigorú. Ha megnöveljük az R1 részellenállást 330 ohmra, akkor a kijelzés jó ítéletet nyújt a telep állapotáról.
Ekkor 9V-nál fényesen világít a LED, 8V-nál és 7V-nál arányosan
gyengébben. Csak 6V-nál alszik el teljesen a LED.
4.9 ábra: Feszültségvizsgáló 6V-tól 9V-ig
4.10 ábra: 9V-os telepvizsgáló
4. 6 LED hőmérsékletérzékelőként
Azonos áram mellett egy LED feszültsége fokonként kb. -2 mV-ot változik. A
dióda-karakterisztika hőmérséklet-függősége két hőmérséklet összehasonlítására
használható fel. Ha két LED-et párhuzamosan kapcsolunk a 4.11 ábrának
megfelelően, a melegebb LED erősebb fénnyel világít, mint a hidegebb.
4.11 ábra: Hőmérséklet-összehasonlítás két LED-el
(kalt = hideg; warm = meleg)
10 fok hőmérsékletkülönbség már jól felismerhető. Már a kéz melege is elég a
felismeréshez.
4.6 ábra: Az áramirány kijelzése
(rot = piros; grün = zöld)
A kisütési időt jelentősen megnöveli a nagy bázis-ellenállás. Az időállandó itt
kb. 5 másodperc. Ezen idő múltán azonban még mindig teljesen ki tudja
vezérelni a bázisáram a tranzisztort.
5.3 ábra: A késleltetett kikapcsolás
Ha a hőmérsékletkülönbség 50 fok feletti, a hidegebb LED majdnem teljesen
4.12 ábra: Egyenlő hőmérséklet és fényesség?
kialszik. Az egyik LED-et lánggal vagy forrasztópákával melegíthetjük. Ne
érintkezzen a láng azonban közvetlenül a LED házával, mert a műanyag-köpeny
megsérülhet. Tekerjünk egy darab vezetéket a felmelegíteni kívánt LED
katódkivezetésére. A vezeték végére aztán egy öngyújtóval adagolhatunk hőt.
A katód-kivezetés kiválóan alkalmas a hőátvitelre, mivel a LED-kristály
tartójához vezet, és jó hőérintkezést ad. Az anód ellenben csak egy vékony
huzal által van összekötve a LED-kristállyal.
4.13 ábra: Hőátvitel egy vezetékkel
5 Tranzisztoros kapcsolások
Az összes eddigi kapcsoláshoz elég volt néhány LED és ellenállás. A LED-eket
azonban megtaláljuk tranzisztor-alapú összetett elektronikus kapcsolásokban
is. Az alábbi kísérletek először is rövid áttekintést nyújtanak a tranzisztorok
funkcióiról.
5.1 Erősítés
Az 5.1 ábra szerinti kapcsolás az NPN-tranzisztor alap-funkcióját mutatja be.
Két áramkör van benne. A vezérlő-áramkörben egy kis bázisáram folyik, míg a
terhelő-áramkörben egy nagyobb kollektoráram. A két áram együttesen folyik
át az emitteren.
Mivel az emitter itt a kapcsolás vonatkoztatási pontjában van, ezt a kapcsolást
emitter-kapcsolásnak is hívjuk. Ha felnyitjuk a bázisáram körét, terhelőáram se
folyik. A döntő pont a dologban, hogy a bázisáram sokkalta kisebb, mint a
kollektoráram. A tranzisztor tehát a kis bázisáramot felerősíti a nagy
kollektorárammá. Esetükben az áram-erősítési tényező kb. 100. A 100 kohmos
bázisellenállás százszor nagyobb a terhelőáramkör előtét-ellenállásánál. A
tranzisztor ebben a kapcsolásban kapcsolóként működik. A kollektor és az
emitter között csak nagyon kicsi a feszültségesés. A kollektoráramot a
fogyasztó korlátozza, ezért nem fokozható. A kollektoráram telítésbe ment, a
tranzisztor tehát teljesen ki van vezérelve.
A kapcsolás gyakorlati kivitelében elegendő egy rövid gombnyomás ahhoz,
5.4 ábra: A percnyi fény
hogy a LED bekapcsolódjon. Ezután a LED kb. 5 másodpercig teljes
fényerővel világít, majd egyre inkább elhalványodik. Mintegy egy perc múlva
is még észlelhető a gyenge fénye. Valójában még hosszú ideig nem alszik ki
teljesen. Az áram azonban olyan kis értékre süllyed, hogy már nincs látható
hatása.
5.3 Érintésérzékelő
Két tranzisztor áramerősítési tényezője összeszorozható, ha az első tranzisztor
felerősített áramát a másodiknak a bázisáramaként még egyszer felerősítjük.
Az 5.5 ábra szerinti Darlington-kapcsolásban a két kollektor össze van kötve,
úgyhogy kívülről három kivezetéssel bíró egy alkatrésznek tűnik, amelyet
Darlington-tranzisztornak is hívunk.
5.5 ábra: A Darlington -kapcsolás
Ha 300-as erősítési tényezőből indulunk ki mindegyik tranzisztorra nézve,
akkor a Darlington-kapcsolás erősítése 90000. Most már 10 Mohm értékű
bázisellenállás is elég áramot enged át ahhoz, hogy bekapcsolja a LED-et. A
gyakorlati kísérletben a rendkívül nagy értékű ellenállás helyett egy érintő-
érintkezőpárt alkalmazunk. A nagy erősítés miatt elég egy könnyed érintés
száraz ujjal. A telep tápvezetékében lévő kiegészítő védőellenállás arra az
esetre védi a tranzisztort, ha az érintő-érintkezőpárt véletlenül közvetlenül
összekötjük.
5.1 ábra: egy NPN-tranzisztor emitterkapcsolásban
5.2 ábra: Az áramerősítés
A LED-ek az áramok jelzésére szolgálnak. A piros LED fényesen világít, míg a
zöld alig. Csak teljesen elsötétített helyiségben észlelhető a zöld LED gyenge
fénye. A két fényerő közti különbség a nagy áramerősítés bizonyítéka.
5.2 Követő vezérlés
Egy tranzisztor áramerősítését egy kondenzátor kisütési idejének a
meghosszabbítására használhatjuk fel. Az 5.3 ábra kapcsolása egy 47 μF-os
elektrolit kondenzátort használ töltőkondenzátorként. Ha röviden megnyomjuk
a nyomógombos kapcsolót, az elkó feltöltődik, és hosszú időn keresztül
szállítja az emitterkapcsolás számára a bázisáramot.
5.6 ábra: Az érintésérzékelő
5.4 A LED mint fényérzékelő
Tulajdonképpen egy diódán szinte semmilyen áram sem folyik, ha
záróirányban rakunk rá feszültséget. Valójában azonban nagyon kicsi
záróirányú áramot találhatunk, pl. a néhány nanoamper tartományba esőt,
amelyet normál esetben el lehet hanyagolni. A Darlington-kapcsolás nagy
erősítése miatt azonban végezhetünk néhány kísérletet a rendkívül kis
áramokkal is. Így például egy világító dióda záróirányú árama magától a
megvilágítástól függ. Egy LED ennek következtében egyúttal fotódióda is. A
nagyon kicsi fotóáramot a két tranzisztor annyira felerősíti, hogy a második
LED világítani fog.
5.7 ábra: A LED záróirányú áramának az erősítése
A gyakorlati kísérletben a jobboldali LED már a normál környezeti
hőmérsékleten észlelhetően bekapcsolódik. Az érzékelő-LED-nek a
tenyerünkkel való leárnyékolása a kijelző-LED fényerején észrevehető.
félig bekapcsolva. Az 5.13 ábra tipikus kapcsolást mutat be egy egyszerű
billenőkörre.
5.8 ábra: A LED-fényérzékelő
5.5 Konstans fényesség
Néha állandó áramra van szükségünk, amely lehetőleg független kell, hogy
legyen a feszültségingadozásoktól. Egy LED tehát azonos fényességgel
világítana még akkor is, ha a telepnek már kisebb a feszültsége. Az 5.9 ábra
kapcsolása egy egyszerű stabilizátor-kapcsolást mutat be. A bemeneten lévő
piros LED a bázisáramot mintegy 1,6V-ra stabilizálja. Mivel a bázis-emitter
feszültség mindig kerek 0,6V, az emitter-ellenállásra kb. 1V esik. Az ellenállás
határozza meg tehát az emitteráramot. A kollektoráram majdnem teljesen
megegyezik az emitter-árammal, amely csupán a sokkal kisebb bázisárammal
nagyobb annál. A kollektorkörben lévő LED nem igényel előtét-ellenállást,
mivel a LED áramát a tranzisztor szabályozza.
5.9 ábra: Egy stabilizált áramforrás
5.10 ábra: A LED fényességének a stabilizálása
Ellenőrizzük az eredményeket egy új és egy erősen elhasznált teleppel. Amíg
csak van egy kis maradék-feszültség, a LED egyforma fényességű marad.
5.6 Hőmérsékletérzékelő
Az 5.11 ábra kapcsolása egy úgynevezett áramtükör. Az 1 kohm értékű
ellenállás árama mind a két tranzisztorban tükröződik, és majdnem azonos
erősséggel megjelenik a jobboldali tranzisztor kollektoráramában. Mivel a
baloldali tranzisztor bázisa és emittere össze van kötve, beáll automatikusan
egy olyan bázis-emitter feszültség, amely a megadott kollektoráramhoz vezet.
Elméletileg a második tranzisztor pontosan azonos adatokkal és azonos bázisemitter feszültség mellett azonos kollektoráramot kell, hogy adjon. A
gyakorlatban azonban többnyire csekély különbségek mutatkoznak.
5.11 ábra: Az áramtükör
A pontosan azonos tranzisztoradatok feltételét azonban a gyakorlatban nehezen
lehet teljesíteni. A kapcsolást első-sorban integrált áramkörökben alkalmazzák,
ahol sok azonos adatokkal rendelkező tranzisztor van egy lapkán. Fontos a két
tranzisztor azonos hőmérséklete is, mivel az átviteli karakterisztika a
hőmérséklettel változik.
5.12 ábra: A tranzisztor mint hőmérsékletérzékelő
Az áramtükör gyakorlati kivitele hőmérsékletérzékelőnek alkalmas. Érintsük
meg az ujjunkkal az egyik tranzisztort. Az ekkor fellépő felmelegedés
megváltoztatja a kimenő-áramot, és láthatóvá válik a LED fényességváltozása.
Attól függően, hogy melyik tranzisztort érintjük meg, a fényességet egy kissé
növelhetjük vagy csökkenthetjük.
5.7 Be és ki
A két stabil állapotú kapcsolást billenőkörnek, vagy flip-flopnak (bistabil
multivibrátor) hívjuk. Egy LED vagy be van kapcsolva, vagy ki, de sosincs
A kapcsolás a két lehetséges állapotából az egyikbe billen át: ha a jobboldali
5.13 ábra: Egy bistabil multivibrátor
tranzisztor vezet, a baloldali le van zárva, és fordítva. A mindenkori vezető
tranzisztornak csekély a kollektorfeszültsége, és ennek következtében
lekapcsolja a másik tranzisztor bázisát. Emiatt a már egyszer felvett kapcsolási
állapot stabil marad addig, amíg az egyik nyomógombbal meg nem
változtatjuk.
5.14 ábra: Az egyszerű billenő-kapcsolás
Kapcsoljuk be a tápfeszültséget. Meg fogjuk állapítani, hogy a két LED egyike
világít. Azt azonban nem lehet megjósolni, hogy melyik oldali LED lesz
bekapcsolva. Többnyire a tranzisztorok nem egyforma áramerősítése dönti el,
hogy a kapcsolás melyik oldalra fog átbillenni. Használjunk most egy
huzaláthidalót arra, hogy az egyik tranzisztort lezárjuk. A most felvett állapot
az áthidalás felbontása után is megmarad. A két állapotot a következő módon is
szoktál jelölni: S (set = állítva) és R (reset = visszaállítva), innen ered az RSflipflop név.
5.8 LED-villogó
Itt egy olyan multivibrátort építünk fel, amely önállóan kapcsol át ide-oda. A
kapcsoláshoz ugyanúgy, mint az RS-flipflopnál, két emitterkapcsolású
tranzisztorra van szükség. A kimenetről a bemenetre való visszakapcsolás egy
kondenzátor által megy végbe, amely folyton ismét feltöltődik és kisül.
5.15 ábra: A multivibrátor
A kapcsolás biztos berezgéséhez szükséges feltétel egy középső munkapont a
visszacsatolás nélküli esetben. Más fogalmazásban, a kimenő-tranzisztor vagy
teljesen le van zárva, vagy teljesen ki van vezérelve. Egyébként nem lenne a
teljes kapcsolásnak elegendő erősítése ahhoz, hogy berezegjen. Itt az első
tranzisztor egy erős negatív visszacsatolása gondoskodik a középső
munkapontról. Az RC-hídon keresztüli visszacsatolás azonban túlsúlyban van,
és végeredményül az idézi elő a kimenő-tranzisztor teljes lezárását, vagy teljes
kinyitását.
5.16 ábra: A LED-villogó
Először a visszacsatoló kondenzátor nélkül építsük fel a kapcsolást. A LEDnek gyengén kell világítania, mivel a kimenő-tranzisztor nincs teljesen
kivezérelve. Ha berakjuk a kondenzátort is, a LED váltakozva teljes fénnyel
világít, illetve teljesen kialszik. A 47 μF értékű kondenzátorral a LED mintegy
másodpercenként villan egyet.
Loading...