Podstawy elektroniki dla zielonych - niezbędnik każdego modera.doc

Podstawy elektroniki - niezbędnik każdego modera

Prolog.

NE555: Chciałbym Wam dzisiaj zaprezentować artykuł mojego kolegi Neoone, traktujący o podstawach elektroniki. Autor napisał go, gdy współpracował jeszcze z serwisem Mod-Works. Ten jednakże zniknął z sieci już jakiś czas temu - uznałem, że szkoda by było zaprzepaścić tak wartościowy materiał. Neoone nie kazał się długo prosić i zgodził się na publikację tego artykułu na łamach Dzikie.NET. Ja pozwoliłem go sobie uzupełnić o szereg zdjęć oraz grafik. Tekst jest napisany lekkim językiem, z pewną dozą humoru, co powinno zachęcić początkujących elektroników.

Targi Tuningu Komputerów we Wrocławiu (rok 2006). Ne i Neoone zamiast prezentować swoje modyfikacje, zaszyli się i dyskutują o panowaniu nad światem.

Słowem wstępu.

Neoone: Gdzieś w połowie października 2004 roku postanowiłem za namową forumowiczów Mod-Works spłodzić artykuł traktujący właśnie o podstawach elektroniki. Długo zastanawiałem się co w nim zawrzeć i co tak naprawdę jest podstawową wiedzą potrzebną moderowi. Myślę, że poniższy tekst spełnia założenia i usatysfakcjonuje początkujących. Jeśli się mylę, zawsze mogę coś dopisać... jeśli tylko ładnie poprosicie ;-).

Co to właściwie jest prąd i napięcie?

Według definicji, prądem nazywamy uporządkowany ruch elektronów, a napięciem - różnicę potencjałów pomiędzy pewnymi punktami układu. Ponieważ większości z Was niewiele to mówi, postaram się rzucić trochę światła za pomocą przykładu z życia (prawie) codziennego.

Załóżmy, że po jednej stronie ulicy stoi 20 zwolenników PiSu, a po drugiej 20 wyborców PO ;-). Pomiędzy nimi stoi kordon policji. Jak wiadomo między wymienionymi osobnikami mogą pojawić się pewne napięcia (U) jednak chcąc przekroczyć jezdnię natrafiają na duży opór (R) ze strony policji wiec prąd (I) nie płynie. Kiedy tylko gliniarze skończą pączki, to opór zniknie i ulicę zaleje fala dając niezły POPiS . Tak więc napięcie będzie tym wyższe , im większa będzie różnica zdań między stojącymi po przeciwnych stronach, a prąd będzie tym wyższy im więcej przebiegnie ich przez ulicę ;-). Jeśli odnieść to do baterii lub kondensatora to im większy będzie prąd, czyli im więcej ludzi przebiegnie przez ulicę, tym mniejsze będzie napięcie, bo tym mniej zostanie ich po przeciwległych stronach, co oznacza rozładowanie baterii. I wszystko jasne :-D.

Schemat - czyli co to za hieroglify?

Każde urządzenie elektroniczne można przedstawić za pomocą specjalnego schematu. Można z niego odczytać połączenia miedzy poszczególnymi elementami oraz ich parametry. Choć są różne szkoły, przypisujące różne oznaczenia tym samym elementom, to nie są to tak duże różnice, żeby nie można było się połapać o co chodzi. Ogólnie można przyjąć, że schematy są znormalizowane na całym świecie.

Przykład schematu ideowego jakiegoś urządzenia. Nie przejmuj się, jeśli jeszcze nie wiesz o co w nim chodzi.

Podstawową jednostką na schematach jest połączenie potocznie zwane "drutem" ;-) choć może to też oznaczać (i częściej tak właśnie jest) ścieżkę na płytce drukowanej. Połączenie takie rysowane jest w formie prostej, cienkiej linii. Jeżeli dwie linie krzyżują się, to o ile schematu nie rysował jakiś niedoświadczony , można przyjąć, że nie są ze sobą połączone. Jeśli natomiast oba przewody mają być połączone, to w miejscu połączenia stawia się niewielką kropkę. Wszystko widać na rysunku poniżej:

Po lewej brak połączenia, po prawej przewody połączone ze sobą.

Pozostałe elementy na schemacie oznaczają różne części elektroniczne i elektromechaniczne. W dalszej części artykułu postaram się przedstawić i opisać te najważniejsze i najczęściej spotykane .

Rezystory - Ohm ój B.O.R.ze !!! -oporniki na blat!

Rezystory, zwane również opornikami ( określenie z dawnych czasów), zaliczane są do elementów biernych. Podstawowym parametrem oporników jest rezystancja podawana w omach (od nazwiska jednego kolesia, co psuje krew studentom) i jednostkach wyższych rzędów, czyli "kilo omach" i "mega omach". Można powiedzieć, że rezystancja to zdolność od przeciwstawiania się przepływowi prądu.
Oporniki posiadają też określoną moc, której przekroczenie powoduje nadmierne grzanie się elementu i może być przyczyną jego uszkodzenia. Najpopularniejsze są oporniki o mocach 1/4 i 1/8 W (0,25 i 0,125 W). Stosuje się je powszechnie w elektronice, gdzie nie ma dużych prądów i napięć, a zatem również mocy. Oporniki nieco większe (0,5 - 2 W) można stosować do ograniczania prądu np. na wiatraczkach w PC. Mocniejszych oporników używa się sporadycznie. Moc opornika można określić "na oko" po jego rozmiarach. Oporniki 1/8W są maciupkie, mają około 4 mm długości, 1/4W są około 2 razy dłuższe i nieco szersze (te są najpowszechniejsze), 1 W to około 1,5 cm i średnica jakieś 5 mm, 1-2W to już spore bydle o długości 2 cm i średnicy około 7-10 mm. Oczywiście wszystkie wymiary podałem nie licząc wyprowadzeń, których opornik posiada 2 sztuki i jest absolutnie obojętne, które się gdzie przylutuje - nie da się przylutować opornika odwrotnie ;).

Nieco inaczej jest z opornością, tu już nie ma nic "na oko". Część oporników ma podaną oporność w postaci napisu, ale na większości jest ona zakodowana kolorowymi paskami. Kody poszczególnych kolorów podaje tabelka:

Sporadycznie pojawiają się rezystory z trzema paskami, zazwyczaj jest ich cztery lub pięć . Poniżej przykład obliczania oporności opornika z czterema paskami:

1. pasek - brązowy = 1,
2. pasek - czarny = 0,
3. pasek - czerwony = 100,
4. pasek - złoty = +/- 10%,
tak więc mamy: 1k ohm (10*100) i tolerancję 5% (rozbieżność podanej rezystancji).

A z pięcioma paskami mamy:
1. pasek - czerwony = 2,
2. pasek - czerwony = 2,
3. pasek - czarny = 0,
4. pasek - pomarańcz = 1k,
5. pasek - srebrny = +/- 10%,
co daje: 220k ohm (220*1k) i tolerancję 10%.

Wartości rezystorów są znormalizowane. Najpopularniejsze rezystory węglowe mają wartości rezystancji pochodzące z 5-procentowego szeregu E24. Jak korzystać z powyższej tabelki?
Wartość 10 oznacza, że są dostępne rezystory: 1R, 10R, 100R, 1k, 10k, 100k, 1M, 10M. Podobnie z innymi wartościami - 47 oznacza rezystancje zarówno 470R jak i 47k. Pozostałe wartości są analogiczne.
Tolerancja 5% oznacza, że rezystancja danego rezystora może odbiegać od tej deklarowanej na obudowie o 5% wartości. Czyli rezystor 1k 5% może mieć wartość z zakresu 950...1050R. Nie należy się tym przejmować, ponieważ w typowych zastosowaniach nie ma to większego znaczenia (podobnie, gdy nie możesz kupić potrzebnego rezystora - po prostu zastosuj jakąś zbliżoną wartość np. zamiast 4,7k możesz wykorzystać 5,1k). Do układów precyzyjnych stosuje się rezystory metalizowane o tolerancji 1%. Na razie możesz jednak o tym zapomnieć.

Łączenie rezystorów - rezystancja wypadkowa.

Są dwie podstawowe metody łączenia rezystorów:

To samo nazewnictwo typów połączeń dotyczy wszystkich innych elementów. W przypadku oporników zastępczą rezystancję dla połączenia szeregowego (czyli jaki pojedynczy opornik zastąpiłby połączone dwa) obliczamy po prostu sumując oporności obu np.:

100K + 220K = 320K

Z połączeniem równoległym jest nieco trudniej. Ogólny wzór dla dowolnej liczby oporników połączonych równolegle wygląda tak:

1/R = 1/r1 + 1/r2 + ...

Czyli odwrotność wypadkowej rezystancji jest równa sumie odwrotności wszystkich składowych. To tylko tak źle wygląda - liczy się dość prosto tyle tylko, że trzeba sprowadzać do wspólnego mianownika wszystkie odwrotności rezystancji składowych. Następnie dzielimy jeden przez otrzymany wynik i już mamy rezystancję wypadkową. Istnieje także uproszczony wzór dla przypadku, gdzie mamy tylko dwa rezystory i wygląda tak:

R = (r1 * r2) / (r1 + r2)

Moc rezystorów zwyczajnie sumujemy niezależnie od sposobu połączenia.

Potencjometry

Specyficzną odmianą oporników są potencjometry, czyli rezystory zmienne. Jest ich bardzo wiele rodzajów, głównie sklasyfikowanych ze względu na to czy są przeznaczone do montażu na płytce lub przykręcania do obudowy. Najpopularniejszymi do montażu w obudowie są potencjometry potocznie zwane obrotowymi. Obracają się o niecałe 360 stopni zmieniając tym samym rezystancję między środkową nóżką, a pozostałymi dwiema bocznymi. Tak jak napisałem, każdy potencjometr ma trzy nóżki, dwie skrajne są dołączone do przeciwległych końców specjalnie dobranej warstwy węgla i metali wyznaczającej całkowitą oporność potencjometru (czyli jednym słowem te dwie nóżki są analogicznymi do 2 nóżek zwykłego opornika). Trzecia, środkowa nóżka połączona jest z suwakiem przesuwającym się po wspomnianej warstwie oporowej i dzięki temu oporność między tą nóżką a pozostałymi dwiema z osobna może ulec zmianie.
Poza tym mamy także potencjometry suwakowe (zmiana oporności na zasadzie przesuwania góra-dół), ale trudniej jest je "wpakować" do obudowy, ponieważ trzeba wycinać szczelinę na suwak.

Na identycznej zasadzie działają potencjometry obrotowe przeznaczone do druku (czyli na płytkę) czasem zwane "peerkami" lub "podkowami" ze względu na swój kształt. Najczęściej mają one dwie nóżki (skrajne), z tyłu, a środkową wysuniętą na przód lub wszystkie trzy w rzędzie.

Istnieją także bardziej precyzyjne potencjometry zwane wieloobrotowymi lub helitrimami. Popularniejsze są w wersji do druku. Ze względu na bardziej skomplikowaną budowę, wersje do obudowy są znacznie droższe od zwykłych potencjometrów. Jak sama nazwa wskazuje ich oś można obracać wielokrotnie, powodując niewielkie zmiany rezystancji. Potencjometr taki (do druku) wygląda jak długi prostopadłościan ze śrubką na jednym z małych boków, ale w sprzedaży są też wersje w postaci kostek niewiele większych od normalnych potencjometrów montażowych (są przy tym trochę droższe).

Niezależnie od budowy , wszystkie potencjometry mają niewielką moc (egzemplarze dużej mocy występują rzadko i są wykorzystywane w specyficznych zastosowaniach) i dlatego nie można nimi bezpośrednio regulować większych prądów i napięć (dlatego nie używa się samych potencjometrów do regulacji napięcia wentylatora!).

Co za dużo to nie zdrowo - ograniczenie prądowe i napięciowe.

Skoro wiemy już co to są oporniki, pora przejść do ich najprostszego, a za razem najpopularniejszego w moddingu zastosowania, czyli ograniczania prądu i napięcia.
Często zdarza się, że chcemy wyciszyć na stałe jakiś wentylator. Można do niego podłączyć niższe napięcie zasilania, ale niekoniecznie musi się nam chcieć prowadzić inne przewody. Najprościej jest zastosować ograniczenie prądu (a tak naprawdę również napięcia) w postaci jednego opornika:

Opornik o odpowiednio wyliczonej rezystancji (o czym za chwilkę) włączamy w szereg z wentylatorem. Opornik taki powinien mieć nieco większą moc niż standardowe 1/4W gdyż wentylator pobiera dość dużo prądu. Prąd, jaki chcemy uzyskać będzie zależał od oporności zastosowanego opornika i od napięcia, na jakim pracuje nasz wentylatorek. Wzór na oporność będzie zatem wyglądał tak:

R = U / I

gdzie R oznacza liczoną oporność, U napięcie zasilania , a I pożądany prąd. Dla przykładu mamy wentylatorek pobierający 0,26 A (Ampera , od kolejnego człowieka niechętnego studentom) czyli 260 mA (m - mili) i działającego na napięciu 12V. Chcemy ograniczyć ten prąd, załóżmy do 150 mA. Tak więc :

R = 12V / 0,15A = 80om.

Jak widzimy opornik musi mieć wartość mniej więcej 80 omów (mniej więcej, bo kilka omów nie zrobi wielkiej różnicy, kupujemy np. opornik 75 om). W tym miejscu dokonałem pewnego uproszczenia pomijając oporność wentylatora, ale ze względu na dość skomplikowane zagadnienia z tym związane można to pominąć i ewentualnie zastosować rezystor o nieco mniejszym oporze. Moc opornika wyliczymy z innego prostego wzoru:

P = U * I

Daje nam to 1,8W (wata) czyli kupujemy opornik dwu watowy o oporności około 80 om. Nadmienię jeszcze, że jeśli nie mamy takiego opornika, możemy połączyć równolegle dwa oporniki po około 160 ohmów o mocy 1W (moce się dodadzą, a oporność wyniesie równo 80 om). Tak to wygląda teoretycznie, a w praktyce włączałem w szereg z wentylatorem oporniki o mocy 0 , 5W i choć grzały się niemiłosiernie to wszystko pracowało bezawaryjnie ;-).

Obliczenia - podstawowe wzory i jednostki.

Skoro już jesteśmy przy obliczeniach, to musisz wiedzieć, że podstawowym i najważniejszym prawem w elektronice jest prawo Ohma. Koniecznie musisz się nauczyć wzoru na prąd płynący przez obciążenie (I=U/R) oraz na moc (P=U*I). Będziesz z nich często korzystał. Pozostałe wzory to przekształcenia powyższych.

NE555: Na zakończenie tego podrozdziału jeszcze mały przykład praktyczny na prawo Ohma:

Dzielnik napięcia.

Czasem zamiast ograniczać prąd, chcemy zmniejszyć napięcie na danym elemencie. Wykonuje się to najprościej za pomocą dzielnika napięciowego zbudowanego z dwóch rezystorów. Dzielnik taki wygląda następująco:

W miejscu oznaczonym "Uwe" podłączamy napięcie pierwotne np. 12V. Stosunek dwóch oporności wyznaczy nam napięcie na wyjściu, zgodnie ze wzorem:

Uwy = (Uwe * R2) / (R1 + R2)

Przykładowo chcemy otrzymać napięcie 7V z 12V. Wybieramy sobie jakąś wartość R2 np. 10k i dobieramy R1:

7V = (12V * 10k) / (10k + R1)
R1 = [(12V * 10k) / 7V] - 10k
R1 = 7,1k

Nie trudno zauważyć, że taki sam efekt otrzymamy biorąc oporniki 100om i 71om, lub jeszcze inne, byleby ich stosunek był taki sam. Różnica polega na prądzie, jaki będzie przepływał przez dzielnik - im mniejsze wartości oporników tym większy prąd (ale też i rezystory będą się bardziej grzały).
Stosuje się zasadę, że prąd pobierany z dzielnika powinien być co najmniej dziesięć razy mniejszy od prądu dzielnika. Dzielnik ma niedużą wydajność prądową, dlatego rozwiązanie takie należy stosować tylko wtedy, gdy mamy do czynienia z niewielkimi prądami (np. jeden LED lub jakiś tranzystor).

W roli regulowanego dzielnika może pracować potencjometr, jak pokazuje rysunek b). Potencjometry są powszechnie stosowane do regulacji głośności. Używa się wtedy potencjometrów 10k lub 100k, ale o charakterystyce wykładniczej. Dają one wrażenie bardziej równomiernej regulacji. Wszystkie potencjometry montażowe mają charakterystykę liniową.

Prawa Kirchhoffa.

Prawa Kirchhoffa są, obok prawa Ohma, jednymi z najważniejszych praw w elektronice. Mówią one nam o napięciach o raz o rozpływie prądu w obwodzie elektrycznym.

Każdy obwód elektryczny (nawet bardzo rozbudowany) możemy podzielić na tzw. oczka, czyli pojedyncze, zamknięte obwody (jak na rysunku). Przy rozpatrywaniu tego typu układów warto stosować kilka reguł:

·         Zaznaczamy na schemacie kierunek przepływu prądu. Może być on dowolny (w obliczeniach zmienia to tylko znak), ale umownie przyjmuje się, że prąd płynie od plusa do minusa.

·         Nad każdym rezystorem rysujemy pomocnicze strzałki wskazujące punkt o wyższym potencjale (na rysunku – plus baterii).

·         Rysujemy strzałkę informującą, w którym kierunku będziemy się poruszać po obwodzie.

Po co to wszystko? Już wyjaśniam. Gdy „idziemy” wzdłuż obwodu i sumujemy napięcia to gdy strzałka nad rezystorem ma zwrot zgodny z kierunkiem naszego ruchu, to zapisujemy napięcie na tym rezystorze ze znakiem +, gdy strzałka jest przeciwna do naszego ruchu to dajemy znak minus.
Czyli w przypadku jak na rysunku, siłę elektromotoryczną E zapisujemy ze znakiem plus (ponieważ „idziemy” od potencjału niższego do wyższego), a napięcia U1 i U2 ze znakiem minus (ponieważ strzałki nad rezystorami są przeciwnie skierowane). U1 i U2 określają spadek napięcia na rezystancjach i można je policzyć z prawa Ohma: U1 = I * R1 oraz U2 = I * R2.
Ostatecznie, sumę napięć w obwodzie jak na rysunku możemy zapisać:

E - U1 - U2 = 0 <=> E - I*R1 – I*R2 = 0

Co pozwala nam obliczyć nieznaną wartość napięcia, rezystancji lub prądu (w zależności od rozpatrywanego problemu).

Kondensatory.

Kondensatory, choć mają zdecydowanie mniej zastosowań jako samodzielne elementy, są obok rezystorów najczęściej stosowanymi komponentami elektronicznymi. Ze względu na budowę i właściwości można je podzielić na bardzo wiele podgrup, ale najistotniejszy jest podział na kondensatory elektrolityczne i tak zwane stałe.

Kondensatory stałe mają pojemność (mierzoną w Faradach - F) od kilku piko do kilku mikro Faradów (kolejny z wielkiego grona ludzi niewychodzących z domu). Nie są elementami biegunowymi podobnie jak rezystory, więc jest obojętne, którą nóżkę podłączamy do plusa, a którą do minusa, a co więcej mogą działać także na napięciu zmiennym. Każdy kondensator ma określone maksymalne napięcie, którego przekroczenie grozi przebiciem jego okładek. Typowo waha się ono w granicach od kilkudziesięciu do kilkuset Voltów.

Zastosowań mają wiele. Zazwyczaj umieszcza się kondensator stały o niewielkiej pojemności (np. 100nF) w obwodach zasilania równolegle do szyn zasilających (czyli po prostu jedna nóżka do + a druga do masy). Odfiltrowuje się dzięki temu część śmieci o wyższych częstotliwościach, które mogły przeniknąć z transformatora lub wyindukować się w przewodach ze wszechobecnego smogu elektromagnetycznego. Kiedyś zbudowałem niewielki wzmacniacz audio, sprawdzałem wszystko kilka razy, ale nie chciał działać. W końcu doszedłem do wniosku, że jedynym elementem, którego nie podłączyłem był kondensator w obwodzie zasilania. Uznałem, że nie jest on istotny w pierwszych próbach. Jak tylko go dolutowałem, wszystko zaczęło hulać jak złoto ;-).

Innym ciekawym zastosowaniem kondensatorów stałych są zasilacze beztransformatorowe. Otóż kondensator taki stanowi zwarcie, a w zasadzie opór (dla prądów zmiennych zwany impedancją). Dzięki temu można zbudować niewielki zasilacz o wydajności prądowej do 100mA, z kilku elementów, bez konieczności stosowania ciężkiego transformatora. Trzeba jednak pamiętać, że zasilacze takie są dość niebezpieczne i powinny być dokładnie zaizolowane, bo dotknięcie któregoś z elementów (nawet jego obudowy) może spowodować porażenie napięciem sieci!

Kondensatory elektrolityczne mają znacznie większe pojemności w stosunku do stałych, od jednego do kilkunastu tysięcy mikro Faradów (i więcej). Są to elementy biegunowe, to znaczy, że jedna nóżka podłączana jest do plusa zasilania, a druga do masy i nie można ich zamienić (niewłaściwa biegunowość może doprowadzić nawet do wybuchu kondensatora!). Kondensatory stałe mają postać małych "lizaczków" lub, przy większych pojemnościach, prostopadłościennych kostek, elektrolity natomiast prawie zawsze mają kształt walca z dwoma wyprowadzeniami. Nóżka "minusowa" zawsze oznaczona jest z boku paskiem lub ciągiem minusów.

Te elementy włącza się podobnie jak poprzednie do obwodów zasilania w celu odfiltrowania tętnień o niższych częstotliwościach - głównie brum sieciowy 50Hz i wyższe harmoniczne. Dzięki dużej pojemności są też przydatne w prostych układach opóźniających (np. do powolnego wyłączania jakiegoś źródła oświetlenia). Wszystkie typy kondensatorów są powszechnie stosowane w rozmaitych filtrach i układach czasowych (również cyfrowych o czym dalej), do wyznaczania częstotliwości, opóźnień itp.

Na zakończenie tematu kondensatorów powiem jeszcze troszkę o ich budowie. Najprościej jest sobie wyobrazić kondensator jako parę metalowych płytek między którymi jest dielektryk (izolator, np. powietrze). Kiedy przyłożymy napięcie do tych płytek, przez krótką chwilkę popłynie prąd, a następnie przestanie. Kondensator został naładowany, co oznacza, że na jego okładkach (czyli płytkach) zgromadziła się pewna ilość energii, którą można później jakoś spożytkować (choćby do zasilenia na chwilkę diody LED). Dodam jeszcze, że przy łączeniu kondensatorów stosujemy podobne wzory co przy rezystorach z tym, że dokładnie na odwrót.

Diody - potoku nie zawrócisz.

Pod pojęciem diody ukrywa się bardzo wiele elementów elektronicznych o rozmaitych zastosowaniach. Wymienię tu i opiszę tylko kilka z nich, tych najbardziej przydatnych w codziennym elektronicznym życiu.

Diody prostownicze - jest to najprostsza odmiana diod. Ich głównym zadaniem jest przepuszczanie prądu tylko w jednym kierunku . Co za tym idzie , używane są w układach prostowniczych gdzie trzeba zamienić prąd zmienny na stały. Wykorzystuje się je również, aby do jakiegoś punktu obwodu doprowadzić sygnały z kilku różnych miejsc, tak aby wzajemnie nie wpływały na siebie, ale to inna para kaloszy.

Diody mają różne obudowy w zależności od dopuszczalnej mocy. Np. dioda małej mocy typu 1N4148 (widoczna na zdjęciu) jest umieszczona w malutkiej szklanej obudowie, pod którą widać pomarańczowy walec i czarną kreskę bliżej jednego z wyprowadzeń.
Natomiast diody mocy (np. 1N4001...7) o prądzie do 1A i napięciu pracy od 50 do 1000V są produkowane w czarnej walcowej obudowie z białym paskiem.
Można uznać, że jest to ta sama kreska co na symbolu diody i oznacza katodę, czyli nóżkę "ujemną". Drugą nóżkę "dodatnią" nazywamy anodą.

Prąd płynie od plusa do minusa zatem, kiedy podłączymy plus do anody a za nią jakiś odbiornik prądu (zamkniemy obwód np. żaróweczką) to prąd popłynie. Przy odwrotnym włączeniu, dioda zostanie spolaryzowana zaporowo i prąd nie popłynie w obwodzie.

Diody Zenera (stabilizacyjne) - Stosuje się je do stabilizacji napięcia. Zazwyczaj wyglądają tak samo jak niewielkie diody prostownicze z tym, że widnieje na niej napis określający jej napięcie przebicia (np. oznaczenie C12V oznacza diodę Zenera o napięciu 12V). Diody takie zawsze włącza się w kierunku zaporowym, czyli dokładnie odwrotnie niż zwykłe diody. Kiedy napięcie zasilania przekroczy wartość podaną na diodzie, następuje w niej przebicie i płynie przez nią prąd, tym samym obniżając napięcie zasilania. Można założyć, że dzieje się tak w kółko i dzięki temu następuje stabilizacja. Diody Zenera typowo mają napięcia przebicia w zakresie od dwóch do kilkunastu - kilkudziesięciu Voltów i moc 0,3 - 1,5W (oczywiście są i większe).

Diody LED - Jest to najpopularniejszy typ diod używanych w moddingu. Ich zaletą jest niska cena, wybór kolorów, niskie napięcie zasilania i stosunkowo niewielki pobór prądu oraz spore , jak na ich rozmiary , generowane natężenie światła.

Diody LED jak każde inne posiadają dwie nóżki, czyli katodę (minus, najczęściej krótsze wyprowadzenie) i anodę (plus, najczęściej dłuższą). Mamy do wyboru sporo kształtów i rozmiarów. Od popularnych okrągłych o średnicy 3 i 5 mm, przez płaskie i kwadratowe, do walcowych i innych kształtów. Kolory: zielone, czerwone, pomarańczowe, żółte, ostatnio bardzo popularne niebieskie aż do ultrafioletowych, podczerwonych i białych. Diody mogą służyć zarówno za kontrolki różnych urządzeń jak i dobre źródła światła. Napięcie zasilania to około 2-4V (czerwone 2V; zielone i żółte 2,1V; niebieskie i białe 3,5V), ale o ile skutecznie ograniczymy prąd diody to może ona pracować przy typowych dla komputera napięciach 5V i 12V. Ograniczenie prądu jest niezbędne dla długotrwałej i prawidłowej pracy diody (zabezpiecza przed spaleniem i pozwala na regulację jasności). Ogólnie można przyjąć, że nie należy przekraczać na diodzie LED prądu 20-30 mA (mili Amperów). Prąd zależny będzie od napięcia na jakie planujemy włączyć diodę i od opornika ograniczającego prąd dla diody, który należy przylutować do dowolnej z nóżek i przepuścić odpowiedni biegun zasilania przez niego (czyli innymi słowy włączyć go z diodą w szereg). Wymaganą wartość opornika można łatwo wyliczyć ze wzoru:

Dla przykładu chcemy podłączyć czerwoną diodę do napięcia 12V tak żeby ładnie i jasno świeciła. Prąd zatem ustalamy na mniej więcej 20-25 mA i liczymy:

R = (12V - 10V) / 0,02A = 100om

Zatem należy użyć opornika 100om (wystarczy o mocy 1/4W), a dioda będzie długo pracować bez ryzyka spalenia.

NE555: Od siebie dodam, że swego czasu napisałem poradnik o diodach LED.

Tranzystory - sterowany jestem wciąż.

Skoro weszliśmy już w półprzewodniki czas na opis działania tranzystora. Przyznam, że przez bardzo długi czas tranzystor był dla mnie tak kosmicznym elementem, że starałem się go unikać jak ognia. Na pewno wielu początkujących ma podobne odczucia. Tymczasem, podstawowa zasada jego działania jest niezwykle prosta, skomplikowane są dopiero szczegóły, ale na początek można je pominąć ;-).

Tranzystory bipolarne są pierwszymi jakie się pojawiły. Tranzystor ma 3 nóżki, w tym przypadku oznaczone jako kolektor [C], emiter [E] i baza [B]. Dodatkowo dzielą się one na PNP i NPN, ale tym za chwilę. Nóżki w tranzystorach polowych (popularnie i zbyt ogólnie nazywanych MOSFET-ami) oznaczone są jako źródło [S], dren [D] i bramka [G]. Tranzystory te mają już trochę szerszy podział między innymi na: JFET N, JFET P, MOSFET N, MOSFET P i wiele innych również z dalszymi podziałami. Na schematach, tranzystory przedstawia się za pomocą następujących symboli:

Aby wyjaśnić najogólniejszą zasadę działania wszystkich bez wyjątków tranzystorów posłużę się przykładem zaworu do wody. Otóż przyjmijmy, że zawór ten można bardzo lekko otwierać i zamykać i używając bardzo małej siły sterować przepływem w grubej rurze. Można więc powiedzieć, że ów zawór jest wzmacniaczem, gdyż bardzo niewielka siła z jaką działa nasza ręka na kurek steruje o wiele większą siłą z jaką napiera na zawór strumień wody. Tu przy okazji obalę mit wzmacniacza. Dużo osób postrzega wzmacniacz jako urządzenie, które jakimś magicznym sposobem powiększa np. napięcie. Niestety żadna siła nie bierze się znikąd. Tak naprawdę wzmacniacz działa na takiej zasadzie jak wspomniany zawór. Niewielki, słaby sygnał (=nasza ręka) steruje przepływem silnego sygnału dostarczanego ze źródła zasilania (woda w zaworze). Ponieważ sygnał podstawowy steruje przepływem w swój takt więc i sygnał wyjściowy będzie miał ten sam takt, a przy tym będzie znacznie silniejszy (ręka kręci zawór w różne strony i tak samo zmienia się ilość wody przepływająca przez zawór).

Hydrauliczny model tranzystora.

Dokładnie tak działają tranzystory - najprostszy wzmacniacz składa się właśnie z jednego tranzystora! Tutaj czynnikiem sterującym jest prąd dla tranzystorów bipolarnych (PNP prąd "ujemny" względem masy, NPN - "dodatni") i napięcie w przypadku polowych (dodatnie w tranzystorach z kanałem N i ujemne z kanałem P). Dokładnie opiszę tylko tranzystory MOSFET z kanałem N normalnie zamknięte (to pełna nazwa opisywanego typu). Wszystkie inne działają podobnie z zaznaczeniem różnic w polaryzacji (+/-) i czynnika sterującego (napięcie lub prąd).
Wybrałem ten właśnie typ ze względu na sterowanie napięciem (dodatnim) bo skądinąd wiem, że dla początkujących pojęcie "napięcia" jest nieco mniej abstrakcyjne niż "prądu". Poza tym, ma być to poradnik dla moderów, a w komputerze większość elektroniki to cyfrówka. A jak wiadomo, cała technika cyfrowa składa się z dwóch stanów = 0 i 1. W elektronice ich odpowiednikami są stany L i H (Low i High) czyli "minus" (lub brak sygnału) i "plus" (czyli napięcie bliskie zasilającemu). Jak napisałem, stany te są definiowane jako poziomy napięć, a nie prądu i stąd też łatwiej w technice cyfrowej stosować tranzystory polowe niż bipolarne.
W tym miejscu nadmienię jeszcze skąd właściwie wzięła się nazwa tranzystora. Jest to złożenie słów "transformator rezystancji". Spytacie: a cóż to za ustrojstwo? Pomyślcie teraz o opisywanym wcześniej potencjometrze. Jak wiadomo kręcąc jego ośką można zmieniać rezystancję, jeśli użyjemy go jako ograniczenia prądowego, to kręcąc będziemy regulować prąd. A teraz pomyślcie, że możecie sterować wychyleniem potencjometru za pomocą napięcia (choćby podłączając jakiś silniczek elektryczny czy coś takiego pod ośkę potencjometru). Dokładnie tak działa tranzystor MOSFET. Napięcie przyłożone miedzy końcówkę G (czyli bramkę) a masę powoduje odpowiednie do wartości tegoż napięcia "otwarcie" tranzystora, czyli zmienia wartość rezystancji między jego nóżkami D i S (Dren i Źródło), tym samym zmieniając wartość prądu przez nie płynącego. Wartość prądu pobieranego przez bramkę niezależnie od przyłożonego napięcia) jest tak znikoma (bramka jest fizycznie izolowana od reszty struktury - mniejsza o szczegóły) - rzędu mikro czy nawet nano Amperów, że w praktyce można przyjąć, że nie pobiera ona prądu. Dlatego właśnie cyfrowe układy scalone wykonane w technologii MOS (z tranzystorów MOSFET, obecnie głównie CMOS) pobierają bardzo niewiele prądu.

Tutaj podam jeszcze jedno porównanie dla całkowitego rozjaśnienia sprawy tranzystora MOSFET. Kiedy używamy tego elementu w zastosowaniach cyfrowych, jest on zawsze albo całkowicie otwarty albo całkowicie zatkany, tym samym działa jako tak zwany klucz, który można porównać do ...