9. srečanje, 23.1.2017

Danes smo se srečali v polni zasedbi. Bilo je kar pestro, delavno in predvsem zabavno. Cilj je bil, da se naučimo, kar mora vsak elektronik stresti iz rokava, pa če ga pocukamo za rokav sredi noči: določiti predupor za svetlečo diodo (LED). Najprej smo na hitro pogledali nekaj teorije, ampak le tisto, kar je najbolj nujno, da smo lahko potem praktično naredili vajo. Pridobljeno novo znanje smo na koncu uporabili pri načrtovanju vezja za osvetlitev notranjosti gnezdilnice.

1. Tokokrog

Ugotovili smo, da mora biti v preprostem tokokrogu (ko so elementi vezani zaporedno) vsota vseh napetosti na vseh elementih tokokroga nič. Oz. povedano drugače, če imamo na eni strani napajalni vir, se napetost tega vira porazdeli po ostalih elementih, ki so vezani na ta napetostni vir. Narisali smo preprosto shemo in z upoštevanjem tega preprostega naravnega zakona vse skupaj še zapisali v matematični obliki: napetost na bateriji Ub je enaka vsoti napetosti na uporu Ur in na diodi Ud, oz. povedano po matematično: Ub – Ur – Ud = 0 ali Ub = Ur + Ud.

Preprost tokokrog: baterija, upor in LED, spodaj pa seštevek vseh napetosti

Preprost tokokrog: baterija, upor in LED, spodaj pa seštevek vseh napetosti

Ugotovili smo tudi, da skozi zaporedno vezane elemente ne more teči različen tok: tok je skozi vse elemente enak.

V izrazu za vsoto napetosti smo nadomestili padec na uporu Ur s produktom toka in upornosti: Ur = I × R, kar je sedaj že vsem nam znani Ohmov zakon. Tega strička Ohma itak stalno srečujemo.  Izraz smo še malo premetali, dali na eno stran neznanko (naš upor) in na drugo vse “znanke”: napetost baterije Ub (jo bomo izmerili), napetost na diodi Ud (tudi to bomo izmerili) in želeni tok skozi diodo I (izbrana rdeča LED najlepše sveti pri 10mA in to smo določili kot naš cilj).

2. Karakteristika upora in diode

Že na prejšnjih srečanjih smo ugotovili, da je tok skozi upor odvisen od napetosti, ki je na njem in njegove upornosti. Danes smo še prišli do sklepa, da skozi upor ne more teči tok, če na njem ni napetosti. Izračunali smo, da skozi 1k upor teče tok 1mA, če je na njem 1V napetosti. To smo narisali v diagram in zaključili, da lahko potegnemo premico skozi ti vse točki: 0V/0A in 1V/1mA:

Karakteristika upora (odvisnot toka od napetosti) je premica

Karakteristika upora (odvisnot toka od napetosti) je premica

Pri diodi pa je malo bolj komplicirano. Od prejšnjega srečanja smo malo ponovili, kako deluje PN spoj. Če želimo pognati tok skozi diodni PN spoj, moramo elektrone malo “brcniti v tazadnjo”, da prskočijo osiromašeno plast, kjer so se nekateri elektroni “oženili” z vrzelmi in ustvarili tanko izolacijo. Razložili smo, da tok do neke napetosti skoraj ne teče, nad to napetostjo pa bi lahko stekel zelo velik tok. Tako karakteristiko pa nismo mogli narisati s preprosto premico, ampak z dvema poltrakoma. Do kolenske napetosti diode tok ne teče (I=0, vodoravni poltrak), nad kolensko napetostjo pa steče velik tok (navpični poltrak). V resnici dioda nima tako “pravokotne” karakteristike, ampak je malo “zaobljena”. Ugotovili smo, da “navadne” diode začnejo prevajati malo pod voltom (okrog 0,7V). Pri LED pa je ta napetost odvisna od barve. Vse opisano smo združili v en diagram:

Karakteristika različnih diod (navadna dioda, raznobarvne LED)

Karakteristika različnih diod (navadna dioda, raznobarvne LED)

Za slabšo kakovost slik se oproščam, ker je bil flomaster za tablo že bolj proti koncu. Slike sem malo obdelal, da se čim bolje vidi.

3. Prva praktična vaja: meritev padca na rdeči LED

Da smo si malo ohladili glave po silni teoriji, smo šli kar na prvo praktično vajo. Vzeli smo rdečo LED in nek upor med 500Ω in 5kΩ in ga vezali zaporedno z LED v protoboarde, ki jih poznamo že od prejšnjič. Vezje smo priklopili kar na 12V akumulatorje in izmerili napetost na LED. Delali smo v treh skupinah in dobili naslednje rezultate:

Rezultati meritev napetosti na rdeči svetleči diodi (LED)

Rezultati meritev napetosti na rdeči svetleči diodi (LED)

Tu smo tudi prišli do novega praktičnega nasveta: elektrniki znajo na hitro oceniti neko vrednost in ne komplicirajo preveč. Če bi vprašali matematike, bi izračunali povprečje na 100 decimalk. Mi smo pa ugotovili, da je na eni LED točno 1,8V, na drgi malo manj in na tretji malo več. Sredina je torej “okroglih” 1,8V, kar je dovolj dober približek za nadaljne računanje.

4. Druga praktična vaja: določitev predupora in uporaba potenciometra

Meritve smo izvajali s pomočjo starih 12V akumulatorjev, ki so v učilnici že od “pamtiveka”. TO je pomenilo, da dajejo neznano napetost Ub. To je vsaka skupina najprej izmerila. Dobili smo tri različne vrednsoti (od dobrih 5V do 12,8V). To je pomenilo, da je tudi vrednost upora R različna pri vsaki skupini. Ker poljubne vrednosti upora nimamo na razpolago, smo si pomagali s potenciometrom. Ugotovili smo, da je to nastavljivi upor s tremi priključki. Upornost med dvema sponkama se ne spreminja, medtem ko se proti tretji (ki ji rečemo tudi drsnik) upornost spreminja glede na položaj vijaka na sredini. V roke smo vzeli multimeter in ga nastavili na meritev upornosti. Z obračanjem vijaka na sredi smo nastavili izračunano vrednost upornosti. Potem smo upor iz prve vaje zamenjali s tem potenciometrom. V vezje smo dodali še amper-meter, ki je pokazal tok. Pri vseh smo ugotovili, da je tok nekje med 9 in 11mA. S finim nastavljanjem smo tok potem nastavili na 10mA. Pri bateriji, ki je imela le 5V smo ugotovili, da je nastavljanje toka dokaj problematično, saj je bil potenciometer 10kΩ, nastaviti smo morali pa dobrih 300Ω. Že majhen dotik vijaka je zelo spremenil vrednost toka. Tu smo se naučili še enga trika. Če smo potenciometru vzporedno dodali še en manjši upor, se je območje spreminjanja upornosti zmanjšalo in s tem smo potem lažje nastavili želeno vrednost. Na praktičen način smo se naučili, da ima vzporedna vezava dveh uporov vedno manjšo upornost od najmanjšega upora v tej vezavi.

Vezje za vajo 2: namesto predupora smo uporabili potenciometer

Vezje za vajo 2: namesto predupora smo uporabili potenciometer

5. Tretja vaja: fotoupor

Na koncu smo še namesto fiksnega upora uporabili fotoupor. Ugotovili smo, da se mu upornost zmanjša, če ga osvetlimo. To smo ugotovili tako, da smo pokrili fotoupor s prstom in LED je pričela manj svetiti, kar pomeni, da se je tok skozi LED zmanjšal. Da se tok zmanjša, se mora upor povečati. V temi se je torej upornost povečala. To lastnost fotoupora bomo uporabili pri načrtovanju preprostega senzorja osvetlitve okolice gnezdilnice.

Fotoupor kot predupor LED: ta sveti bolj, če je več svetlobe v okolici.

Fotoupor kot predupor LED: ta sveti bolj, če je več svetlobe v okolici.

Delovanje fotoupora smo razložili s preprosto razlago: fotoni svetlobe iz okolice zbijejo elektrone iz polprevodnika, iz katerega je narejen fotoupor. Več prostih elektronov pa pomeni, da skozi tak polprevodnik lahko steče večji tok. Večji tok pri isti napetosti na uporu pa lahko pomeni le eno: nižjo upornost. Uporabili smo najbolj pogosto vrsto fotoupora, ki ima za polprevodnik kadmijev sulfit. Ta je sicer zelo strupen material, vendar bojazni za kakršđnokoli zastrupitev ni, saj ga je v fotouporu izjemno malo, pa še ta je v taki obliki, da ne more kar tako v okolico. Po vrhu vsega je pa še zaščiten s prozorno smolo. Do notranjosti bi torej lahko prišli le s pomočjo velikega kladiva. Vsekakor je pa koristno, da take komponente poznamo in znamo z njimi pravilno ravnat, kar smo se danes tudi naučili.

6. IR svetloba, valovna dolžina, barve in določitev preduporov za osvetlitev gnezdilnic

Za gnezdilnice bomo uporabiuli infra-rdeče LED, ki so prostemu očesu nevidne, pa tudi ptičev ne motijo, saj te svetlobe ne vidijo (razen morda nekatere sove). Taka osvetlitev nam bo pa prišla prav ob sočasni uporabi posebnih kamer, ki so občutljive na IR svetlobo. S tem bomo lahko opazovali notranjost gnezdilnic tudi v trdi temi brez da bi vznemirjali njene prebivalce. Pri tem smo se srečali še s pojmom svetlobnega spektra in se naučili, da je človeško oko najbolj občutljivo na zeleno svetlobo. Na spletu smo tudi poiskali valovne dolžine nekaterih najbolj značilnih barv in ugotovili, da ima rdeča svetloba najdaljšo vlaovno dolžino, vijolična pa najkrajšo. Naše IR svetleče diode pa imajo valovno dolžino, ki je še daljša od rdeče.

Na koncu smo postali že pravi strokovnjaki za izračun predupora za LED. Vezje za osvetlitev gnezdilnice bo imelo 9 infra rdečih LED, napajali pa ga bomo z 12V. Izmerili smo tudi napetost na IR svetleči diodi (kar z digitalnim multimetrom, ki meri diode pri 1mA v podobni vezavi kot pri vaji 1): 1,04V, kar smo zaokrožili na 1V. Z malo pomoči ni bilo nikomur težko “iz rokava strest”, da rabimo predupor 0,9kΩ oz 900Ω.

Izračun predupora za osvetlitev gnezdilnice

Izračun predupora za osvetlitev gnezdilnice

Naslednjič bomo spajkali te “črne” lučke in izdelovali gnezdilnice.

 

Prototipno vezje s fotouporom

Prototipno vezje s fotouporom

Meritve napetosti in toka smo izvajali z digitalnim multimetrom

Meritve napetosti in toka smo izvajali z digitalnim multimetrom

Napajanje z 12V baterijami, ki imajo lahko tudi samo 5V

Napajanje z 12V baterijami, ki imajo lahko tudi samo 5V

Del opravil je tudi iskanje podatkov na internetu: npr. valovne dolžine različnih barv

Del opravil je tudi iskanje podatkov na internetu: npr. valovne dolžine različnih barv

Tudi danes smo delali s protoboardi

Tudi danes smo delali s protoboardi

Email this to someoneBuffer this pageShare on FacebookShare on Google+Pin on PinterestShare on LinkedInTweet about this on Twitter

Morda vam bo všeč tudi...

Dodaj odgovor

Vaš e-naslov ne bo objavljen. * označuje zahtevana polja