User manual

ManualsBrandsFRANZIS VERLAG ManualsScience KitsCourse material Einstieg in die Elektronik 14 years and over

Naučná stavebnice pro elektrotechniky

Obj. č.: 63 18 45

Vážená zákaznice, vážený zákazníku,

velice nás potěšilo, že jste se rozhodla (rozhodl) pro koupi této experimentální stavebnice, která Vás

nebo Vaše děti zasvětí do tajů elektrotechniky (elektroniky) polovodičových součástek, svítivých diod

(LED), tranzistorů, odporů, kondenzátorů atd., obvodů 40 různými napínavými experimenty (zapojeními).

Pokud budete chtít některé zapojení používat trvale, můžete příslušné součástky trvale připájet na

vhodnou desku nebo spájet jejich vývody cínovou pájkou.

Tento návod k použití je součástí tohoto výrobku. Obsahuje důležité pokyny k provedení různých

elektronických zapojení. Ponechte si proto tento návod k použití, abyste si jej mohli kdykoliv přečíst.

Tato stavebnice je vhodná pro děti od 14 let.

Jestliže tuto stavebnici prodáte nebo ji darujete, předejte kupci nebo darovanému tento návod k použití.

Obsah

Strana

Úvod ..................................................................................................................... 4

Simulační programy ..................................................................................................................... 4

1. Popis součástí a součástek stavebnice ........................................................ 4

Propojovací kabely s krokosvorkami ............................................................................................ 4

Baterie (napájení obvodů) ............................................................................................................ 5

Stejnosměrný elektrický motorek (dynamo) ................................................................................. 7

Svítivé diody (LED) ...................................................................................................................... 7

Odpory (rezistory) ........................................................................................................................ 8

Kondenzátory ............................................................................................................................... 9

Tranzistory ................................................................................................................................... 9

Křemíkové usměrňovací diody ................................................................................................... 10

2. Elektrický proudový okruh (obvod) ............................................................. 11

2.1 Princip elektrického topení (Pozor na vysokou teplotu!) ...................................................... 11

2.2 Zapojení elektrického motorku do elektrického obvodu ...................................................... 12

2.3 Elektrický proud a směr jeho toku ....................................................................................... 13

2.4 Elektrická energie a výkon (příkon) ...................................................................................... 15

2.5 Elektrické napětí .................................................................................................................. 16

2.6 Elektrický odpor (rezistor) .................................................................................................... 19

3. Svítivé diody (LED) ........................................................................................ 21

3.1 Svítivá dioda s předřazeným odporem (malá svítilna) .......................................................... 21

3.2 Předřadné odpory pro svítivé diody ...................................................................................... 22

3.2 Změna barvy LED ................................................................................................................ 24

3.3 Směr toku elektrického proudu svítivou diodou (propustný a závěrný směr) ....................... 26

3.4 Určení minimálního napětí LED v propustném směru .......................................................... 27

3.5 Zvýšení efektivity ................................................................................................................. 29

4. Spínače .......................................................................................................... 31

4 .1 jednoduchý senzor otřesů ................................................................................................... 31

4.2 Zapnutí nebo vypnutí elektrického spotřebiče (funkce vypínače) ......................................... 31

4.3 Jednoduché přepínače ......................................................................................................... 32

4.4 Zapojení „A“ (digitální, logický součet) ................................................................................ 33

4.5 Zapojení „logické funkce nebo“ ............................................................................................ 34

4.6 Schodištní (chodbové) přepínače osvětlení ......................................................................... 35

5. Paralelní nebo sériové elektrických spotřebičů ......................................... 36

5.1 Barevné hry se svítivými diodami (Přepínání barev pomocí tlačítka) ................................... 37

5.2 Použití svítivé diody jako kontrolky (světelné signalizace) se spínačem (s tlačítkem) ......... 38

5.3 Prahové hodnoty (charakteristiky) svítivých diod ................................................................. 38

5.4 Zapojení svítivých diod do série ........................................................................................... 41

5.5 Křemíková usměrňovací dioda ............................................................................................. 43

5.6 Kontrola (zkoušečka) polarity napájecích zdrojů .................................................................. 43

6. Elektromagnetismus a indukce (elektromotorická síla) ............................. 44

6.1 Kapesní svítilna s dynamem ................................................................................................ 44

6.2 Kontrola směru otáčení motorku (dynama), polarity napětí .................................................. 45

6.3 Elektromagnetická indukce .................................................................................................. 46

Summary of content (36 pages)

PAGE 1
Obsah Strana Úvod ..................................................................................................................... 4 Simulační programy ..................................................................................................................... 4 Naučná stavebnice pro elektrotechniky 1. Popis součástí a součástek stavebnice ........................................................ 4 Propojovací kabely s krokosvorkami ...........................................................
PAGE 2
7. Použití kondenzátorů v zapojeních se svítivými diodami .......................... 47 7.1 Nabíjení kondenzátoru z baterie a vybíjení elektrolytického kondenzátoru přes LED .......... 47 7.2 Vybíjení kondenzátoru přes svítivou diodu s přepínačem (bleskové světlo) ........................ 48 7.3 Použití svítivé diody jako bleskového světla (pomalé nabíjení kondenzátoru) ..................... 49 7.4 Použití dvou svítivých diod s přepínačem jako bleskového světla ....................................... 50 7.
PAGE 3
Některé pokusy vyžadují k napájení stejnosměrné napětí 9 V. K tomto účelu použijte baterii s jmenovitým napětím 9 V. Baterie (napájení obvodů) Baterie 9 V a její schématická značka K napájení elektronických obvodů (zapojení) budete potřebovat baterie s jmenovitým napětím 1,5 V velikosti AA (tyto baterie nejsou součástí dodávky stavebnice). Tyto baterie vložíte správnou polaritou plus (+) a minus (–)) jejich kontaktů do přiloženého bateriového pouzdra – viz vyobrazení výše.
PAGE 4
Stejnosměrný elektrický motorek (dynamo) Odpory (rezistory) Odpory (rezistory), které jsou součástí této stavebnice ( )celkem 10 kusů s různými hodnotami) , majíi tloranci ± 5 %. Jinak jsou tyto odpory vyrobeny z keramické truibičky a jejich kovová odporová vrstvička je opatřena ochranným nátěrem (lakem). Příslušnou hodnotu odporu a její přesnost (toleranci) poznáte podle uspořádání barevných proužků na ochranném nátěru Odpor (rezistor) a jeho schématická značka Tabulka 1.
PAGE 5
Tato stavebnice obsahuje po dvou rezistorech s následujícími hodnotami: 47 Ω (žlutý, fialový a černý proužek); 100 Ω (hnědý, černý a hnědý proužek); 470 Ω (žlutý, fialový a hnědý proužek); 1 kΩ (hnědý, černý a červený proužek); 100 kΩ (hnědý, černý a žlutý proužek) Kondenzátory K dalším důležitým součástkám v elektrotechnice patří kondenzátor, který se skládá ze dvou kovových ploch (desek, svitků kovových fólií), které jsou od sebe odděleny izolační vrstvou (fólií, u starších otočných neboli ladících konde
PAGE 6
2.2 Zapojení elektrického motorku do elektrického obvodu 2. Elektrický proudový okruh (obvod) K úspěšnému proniknutí do tajů elektrotechniky a elektroniky jsou vyžadovány jasné představy o dějích, které probíhají v elektrických obvodech, co je to náboj, elektrický proud, napětí, výkon (příkon), elektrická energie a odpor. Tyto znalosti by neměly být pouze teoretické, je nutné je umět aplikovat také ve skutečných zapojeních.
PAGE 7
2.3 Elektrický proud a směr jeho toku Zapojení na následujícím vyobrazení představuje uzavřený elektrický obvod. Změňte polaritu napájení elektrického motorku. Prohoďte přípojky k baterii nebo k motorku. Po této akci zjistíte, že se motorek otáčí na opačnou stranu..I v tomto případě se jedná o jednoduchý (nerozvětvený) elektrický obvod, i když toto zapojení vypadá poněkud jinak než předcházející. Jakmile odpojíte některou krokosvorku, přerušíte tím tento obvod, kterým přestane protékat proud.
PAGE 8
2.4 Elektrická energie a výkon (příkon) 2.5 Elektrické napětí Nyní by se mohl někdo domnívat, že uzavřený okruh znamená, že nemůže nikdy dojít k vybití baterie. Toto musíme následovně poopravit: Zůstává pouze zachován elektrický náboj, který není nikdy vypotřebován. Elektrická energie ovšem vyžaduje pohyb elektrického náboje. Baterii si můžeme představit jako čerpadlo elektrického náboje.
PAGE 9
Elektrické napětí existuje vždy mezi oběma kontakty (kladným a záporným pólem) baterie. Baterie bude mít vždy určité napětí nezávisle na tom, zda obvodem protéká elektrický proud nebo ne. Ze 4 baterií vložených do bateriového pouzdra můžete po připojení krokosvorky propojovacího kabelu (plus) na příslušný kontakt v bateriovém pouzdru napájet motorek napětím 1,5 V, 3 V, 4,5 V as 6 V (viz následující vyobrazení). Budete-li postupně snižovat napájecí napět motorku, zjistíte, že se bude hřídel motorku.
PAGE 10
2.6 Elektrický odpor (rezistor) Pokusy se stejnosměrným elektrickým motorkem Vám měly ukázat princip elektrického obvodu a přeměny (transformace) elektrické energie do jiných druhů rnrgií. Tento malý motorek má účinnost nižší než 50 %, což znamená, že se méně než jedna polovina elektrické energie přemění na mechanickou energii (práci).. Většina elektrické energie se u tohoto motorku přemění v tepelnou energii.
PAGE 11
Simulační program „Rezistory v proudovém okruhu“ V těchto předchozích pokusech jste v principu vytvořili malé elektrické topení. Tímto způsobem si můžete vyrobit malý bateriemi napájený ohřívač rukou, který můžete používat v mrazivých zimních dnech a který vložíte například do kapsy kabátu. Kde jj budete zapínat. Rozhodující otázkou ale zůstává, jak dlouho vydrží baterie. Alkalické baterie a akumulátory NiCd nebo NiMH velikosti AA mají většinou kapacitu 1 000 mAh..
PAGE 12
Zapojte nyní do obvodu místo odporu 1 kΩ (hnědý, černý a červený proužek) odpor s menší hodnotou 470 Ω . Po této akci se LED rozsvítí jasnějším světlem. Toto znamená, že diodou protéká vyšší proud. V tomto případě platí následující pravidlo: Čím vyšší hodnotu odporu předřadíte před svítivou diodu, tím nižší proud bude touto diodou protékat.
PAGE 13
3.3 Směr toku elektrického proudu svítivou diodou (propustný a závěrný směr) Vyzkoušejte dále, co se bude dít, připojíte-li LED k baterii obráceně (nesprávnou polaritou v takzvaném závěrném směru). Dioda se nerozsvítíí a nedojde k jejímu poškození (zničení), pokud ovšem nebude napájecí napětí vyšší než 6 V. Při vyšších napětích než 6 V buďte velmi opatrní Zapojení zelené LED Toto zapojení se poněkud liší od výše uvedených zapojení. Katoda diody a minus kontakt baterie jsou připojeny ke kostře (k uzemnění).
PAGE 14
kontraktu baterie přes elektrický spotřebič k minus (–) kontaktu baterie. Dnes ovšem víme, že se elektrony se záporným (negativním) nábojem pohybují ve vodičích zcela obráceným směrem, než který je znázorněn šipkami na následujícím obrázku.. Ve skutečnosti existují například v kapalinách také kladné (pozitivní) nosiče nábojů, které se pohybují ve směru toku proudu. Také ve svítivé diodě se nacházejí jak negativní, tak i pozitivní nosiče nábojů.
PAGE 15
3.5 Zvýšení efektivity Dosavadní pokusy ukázaly, že je třeba provést přesné navržení zapojení s LED s přesnými technickými parametry..Mezi nejdůležitější parametry patří například použití předřadného odporu s optimální hodnotou, Pro bílou LED musíme počítat s prahovým (mezním) spouštěcím napětím v propustném směru LED s hodnotou 3 V a s případným základním napájecím napětím cca 3,6 V s maximálním protékajícím proudem 25 mA..
PAGE 16
4. Spínače Existuje mnoho různých druhů a konstrukcí (způsobů provedení) spínačů: tlačítka s jedním spínacím kontaktem, páčkové (kolébkové) přepínače s jedním nebo s více kontakty atd.. Pro jednoduché exoerimenty postačí tyto spínače nahradit propojovacími kabely s krokosvorkami , které připojíte k vývodu příslušné součástky či ke kontaktu baterie nebo je od nich odpojíte 4 .1 jednoduchý senzor otřesů Vložte do bateriového pouzdra 3 baterie 1,5 V.
PAGE 17
Stavová tabulka zapnutí a vypnutí elektrického spotřebiče S1 S2 LED 0 (rozepnut) 0 (rozepnut) 0 (nesvítí) 0 (rozepnut) 1 (sepnut) 0 (nesvítí) 1 (sepnut) 0 (rozepnut) 0 (nesvítí) 1 (sepnut) 1 (sepnut) 1 (svítí) Toto zapojení lze rozšířit na 3 nebo více spínačů. 4.5 Zapojení „logické funkce nebo“ Propojíte-li 2 nebo více spínačů paralelně, vytvoříte tím „logickou funkci nebo“.
PAGE 18
4.6 Schodištní (chodbové) přepínače osvětlení Tato zapojení slouží především k osvětlení chodeb v domech. 2 spínače se 2 spínacími (přepínacími) kontakty na obou stranách chodby umožňují buď zapnutí nebo vypnutí osvětlení. K tomuto účelu se dále používá vedení (kabel) se 2 vodiči mezi těmito spínači osvětlení chodby bude zapnuto pouze tehdy, budou-li oba spínače v horní nebo v dolní poloze.
PAGE 19
Minimální hodnoty odporů při různých napájecích napětích: LED 3V 6V 9V 12 V Červená / 20 mA / 1,8 V 60 Ω 210 Ω 360 Ω 510 Ω Zelená / 20 mA / 2,2 V 40 Ω 190 Ω 340 Ω 490 Ω Paralelní zapojení 2 LED s tlačítkem Funkce tohoto zapojení (střídání rozsvěcování červené a zelené nebo bílé LED) spočívá v různých charakteristikách obou svítivých diod. V paralelním zapojení mají obě svítivé diody na svých kontaktech stejné napětí.
PAGE 20
Pokuste se nyní připojit červenou LED přímo k baterii s jmenovitým napětím 1,5 V AA). Protože napětí této baterie je nižší než jmenovité napětí svítivé diody, můžete v tomto případě tuto diodu připojit přímo k baterii bez předřadného odporu. Přímé připojení LED k baterii 1,5 V Schéma zapojení Po provedení tohoto propojení zjistíte, že červená LED skutečně svítí, i když poměrně slabě. Nyní vyměňte červenou LED za zelenou LED.
PAGE 21
Hodnotu předřadného odporu vypočítáme podle Ohmova zákona podle následující rovnice: R = U / I; R = 2 V / 20 mA = 100 Ω Simulace charakteristiky svítivé diody Bude-li protékat svítivou diodou stále stejný proud, pak na ní dochází k úbytku napětí v závislosti na okolní teplotě, který činí asi „- 2 mV“ na 1 °C. Při použití napájecího napětí 9 V se 2 LED se sčítají napětí v propustném směru, takže na kontaktech předřadného odporu bude nižší napětí než při použití pouze jedné svítivé diody.
PAGE 22
5.5 Křemíková usměrňovací dioda Tato dioda představuje elektrický ventil (usměrňovač), neboť propouští elektrický proud pouze jedním směrem. Totéž platí také pro svítivé diody (LED). Pro zjednodušení budeme diodu 1N4148 považovat za spínač. Na prvním vyobrazení je tato dioda zapojena v propustném směru, což znamená, že bude LED svítit. V tomto případě bude úbytek napětí na této diodě cca 0,6 V. 6.
PAGE 23
6.3 Elektromagnetická indukce Výše uvedené pokusy se týkaly také elektromagnetické indukce uvnitř motorku. Okolo elektrického proudu se vytváří magnetické silové pole. Z tohoto důvodu se v cívce motorku, kterou protéká proud, vatváří silné magnetické pole. A obráceně způsobí každá změna magnetického v cívce motorku indukci elektrického napětí. Tyto ba jevy se vyskytují ve stejnosměrných elektrických motorech.
PAGE 24
7. Použití kondenzátorů v zapojeních se svítivými diodami Každý určitě zná následky, které způsobují elektrostatické náboje, které vznikají při chůzi po kobercích nebo po podlahách z umělé hmoty. Člověk může bít nabit napětím, které může činit řádově až několik tisíc voltů. Poté stačí dotyk ruky vodivého kovového předmětu (například plynové trubky) a člověk pocítí bolestivé vybití tohoto náboje přeskokem elektrické jiskry.
PAGE 25
7.3 Použití svítivé diody jako bleskového světla (pomalé nabíjení kondenzátoru) Jak jsme již uvedli výše, lze do kondenzátoru uložit elektrickou energii (elektrický náboj). Ve fotografických přístrojích (v blescích) se zábleskovou xenonovou žárovkou je například k tomuto účelu použit elektrolytický kondenzátor s kapacitou 100 µF, který se nabije až na napětí 400 V.
PAGE 26
7.5 Bleskové světlo s dynamem 8. Zapojení s tranzistory použijte k nabití kondenzátoru místo baterie stejnosměrný elektrický motorek jako dynamo. Rychlým otáčením hřídelkou motorku tento kondenzátor nabijete. Křemíková dioda 1N4148 slouží v tomto zapojení jako ochrana proti vybití kondenzátoru přes cívku motorku. Ve všech výše uvedených zapojeních byly použity pouze svítivé diody, odpory (rezistory) a elektrolytické kondenzátory.
PAGE 27
8.2 Tranzistor jako zesilovač signálu (proudu) Zapojení na následujících dvou vyobrazeních znázorňuje základní funkci tranzistoru NPN. Každý tranzistor představuje dva proudové okruhy. V řídícím proudovém okruhu protéká malý proud bází tranzistoru, v druhém proudovém okruhu se zátěží (předřadný odpor a svítivá dioda) protéká vyšší proud kolektorem tranzistoru. Oba proudy protékají společně emitorem tranzistoru.
PAGE 28
Zapojení s napájecím napětím 9 V::Odpor 100 kΩ, který je zapojen před zelenou LED a bázi tranzistoru, má stokrát vyšší hodotu než předřadný odpor před červenou svítivou diodou (1 kΩ). Tranzistor se chová v tomto zapojení jako spínač (spínací tranzistor). Mezi kolektorem a emitorem tranzistoru je velmi malý úbytek napětí. Proud kolektoru omezuje vnitřní odpor elektrického spotřebiče (zde předřadného odporu a svítivé diody) a tento proud nelze v tomto případě dále zvyšovat.
PAGE 29
8.6 Elektronická jednosměrná cesta (hradlové vrstvy tranzistoru) Vnitřní konstrukci křemíkového tranzistoru tvoří tři vrstvy z různě infundovaného křemíku. Na rozhraní těchto vrstev se nacházejí hradlové vrstvy podobně jako u křemíkové nebo u svítivé diody, které vedou proud pouze jedním směrem. Jeden tranzistor je prakticky tvořen dvěma diodami, které můžete použít jako takové (jako normální diody). Toto umožňuje použít tranzistory ve zvláštních variantách zapojení a provedení otestování tranzistorů.
PAGE 30
8.7 Tranzistor jako invertor (přepínač) 8.8 Konstantní (neměnný) jas svítivé diody (stabilizace proudu) Na následujícím vyobrazení je tranzistor zapojen jako spínač (spínací tranzistor). Jakmile začne podle tohoto zapojení protékat bází tranzistoru proud (jakmile stisknete tlačítko), začne protékat proud také spotřebičem (svítivou diodou, která se rozsvítí). Na obr. 4.11 je zobrazeno schéma jednoduchého elektronického přepínače (zapojení tranzistoru s obrácenou funkcí spínání).
PAGE 31
8.10 Zpožďovací obvod (minutové světlo) 8.11 Časové spínací hodiny (časový spínač) Zesilovací činitel tranzistoru lze rovněž použít k prodloužení vybití kondenzátoru. Viz též odstavec „8.9 Zpožďovací obvod (minutové světlo)“ U vnitřního osvětlení automobilu se často používá určitá prodleva, dříve než dojde k jeho vypnutí, což umožňuje pohodlné vystoupení z vozu. Toto zapojení vidíte na následujícím vyobrazení. V tomto případě postačí použít elektrolytický kondenzátor relativně nízkou kapacitou 22 µF.
PAGE 32
8.12 Spínač elektrického motorku Následující zapojení je vhodné jako spínač (zapínání a vypínání) stejnosměrného elektrického motorku. Tento obvod je třeba ale vybavit ohranou proti napěťovým nárazům, které vznikají indukcí a které by mohly zničit tranzistor, K bázi tranzistoru je zapojen odpor s hodnotou 1 kΩ, který zajišťuje při zapínání motorku vysoký rozběhový proud až cca 100 mA.. Paralelně k motorku je připojena v závěrném směru křemíková dioda 1N4148 pro volnoběžné otáčky motorku.
PAGE 33
Na následujícím vyobrazení vidíte vylepšené zapojení s přídavným vyhlazením řídícího napětí motorku (dynama), Dynamo nabije při správném směru otáčení elektrolytický kondenzátor, který i po přerušení otáčení dynama, bude dodávat do báze tranzistoru potřebný proud, aby LED svítila. Tento experiment má podobné zapojení jako kapesní svítilny s funkcí nabíjení dynamem, i když energii pro LED zajišťuje v tomto případě baterie. 9.
PAGE 34
10. Příloha: Testovací přístroje se svítivými diodami (zkoušečky) 10.1 Zkoušečka kabelů, pojistek, žárovek (optická signalizace průchodnosti obvodů) Při kontrole elektrických přístrojů nebo zařízení potřebujeme často přezkoušet, nedošlo-li k porušení jejich průchodnosti (například k přepálení pojistky). Následující jednoduchý testovací přístroj se svítivou diodou zkontroluje kabely (vedení, spínače, atd.), zda nedošlo k jejich přerušení.
PAGE 35
10.4 Kontrola polarity napájecích zdrojů U některých síťových napájecích zdrojů (adaptérů) nelze bezpečně zjistit polaritu jejich konektorů. Jednoduchá zkoušečka se dvěma svítivými diodami Vám umožní bezpečné rozeznání této polarity. Připojíte-li k této zkoušečce plus kontakt (+) konektoru napájecího zdroje k předřadnému odporu, rozsvítí se na této zkoušečce červená svítivá dioda.
PAGE 36
Kontrola napětí v rozsahu 6 V až 9 V 10.6 Svítivé diody jako čidla (senzory) teploty Bude-li protékat svítivou diodou stále stejný proud, pak na ní dochází k úbytku napětí v závislosti na okolní teplotě, který činí asi „- 2 mV“ na 1 °C. Tuto teplotní závislost můžete využít k porovnání dvou teplot, například v obývacím pokoji a v ložnici. Zapojíte-li podle obr. 11.