Naprave, katere vsakodnevno uporabljamo, kot so mobitel, pametne ure, tablični in osebni računalniki, televizija ali mikrovalovne pečice, imajo v sebi elektronska vezja s stotimi, tisočimi in tudi milijoni tranzistorjev. Lahko sploh še naredimo funkcionalno električno vezje z enim ali dvema tranzistorjema?
Avtor: mag. Vladimir Mitrović
Seveda lahko! Slika 1 kaže, da to lahko dosežemo tudi brez enega samega tranzistorja!
Izkoristili smo samo dve elektronski komponenti: fotoobčutljiv upor (LDR) in svetlečo diodo (LED). Upornost fotoobčutljivega upora je odvisna od tipa upora in intenzivnosti svetlobe s katero je osvetljen. Tako na LDR uporu oznake LDR07 merimo naslednje vrednosti upornosti: v temi > 1 MΩ, pri normalni sobni osvetlitvi 1-2 kΩ. Če pa ga osvetlimo s svetilko mobitela iz neposredne bližine, bo upornost manjša od 400 Ω. Dobljen razpon upornosti je večji od 2000:1 zato se bo, če napravimo vezje po sliki 1a, v istem razponu spreminjal tudi tok skozi LED-ico:
Ta vsebina je samo za naročnike
- v normalno osvetljenem prostoru, bo čez LED-ico tekel tok velikosti nekaj mA (LED-ica jasno sveti),
- če osvetlimo LDR od blizu z močno svetlobo, bo tok skrozi LED-ico narastel nad 10 mA (LED-ica zelo močno sveti),
- če s prstom prekrijemo površino LDR-a, bo čez LED-ico tekel tok okoli 0,2 mA (LED-ica slabo sveti).
Tako bomo glede na intenziteto svetlosti LED-ice lahko ocenili intenziteto osvetlitve, ki pada na aktivno površino LDR-ja. No, s prstom ne moremo v popolnosti ugasniti LED-ice, ker nekaj svetlobe prihaja tudi “s strani”! Da bi to preprečili je potrebno zaviti LDR v temno neprozorno tkanino ali pa ga postaviti v popolnoma zaprto škatlico: šele takrat bo LDR dosegel maksimalno upornost, tok skrozi LED-ico se bo zmanjšal pod nekaj10 µA in njena svetlost bo komaj opazna.
Problem lahko rešimo tudi na popolnoma drugačen način! Če želimo doseči, da s približevanjem prsta LDR uporu popolnoma ugasnemo LED-ico, bomo vezje modificirali glede na shemo na sliki 1b. Tukaj smo paralelno LED-ici dodali upor Rx, skozi katerega bo “šel mimo” del toka, ki teče skozi LDR. Optimalna vrednost upora Rx je odvisna od nivoja osvetljenosti prostora in občutljivosti samega LDR-a (namesto LDR07, lahko uporabite tudi fotoobčutljive upore drugih oznak!). V mojem primeru je bila optimalna vrednost med 1 in 2 kΩ, najlažje jo lahko določimo, če kot Rx uporabimo spremenjivi upor upornosti 4,7 ali 10 kΩ. Rx nastavljamo toliko časa, dokler se pri z prstom pokritem LDR-u, LED-ica ne ugasne. Tako nastavljeno vezje je posebej občutljivo, tudi spremembe intenzitete svetlosti LED-ice so najbolje vidne ravno ko prst premikamo na oddaljenosti nekaj centimetrov od površine LDR-ja.
Vezje, katerega shema je prikazana na sliki 1c, deluje na nasproten način od prej opisanega: dokler je površina LDR-ja osvetljena, je njegova upornost majhna in deluje kot “kratek stik”: ves tok, ki teče skozi Rx, bo “šel mimo” in bo tekel čez LDR, zato LED-ica ne bo svetila. Če postopoma zapiramo površino LDR-ja, se bo njegova upornost povečevala in v nekem trenutku bo LED-ica zasvetila. Intenziteta svetlosti LED-ice bo toliko večja, kolikor bolj zakrijemo površino LDR-ja. Občutljivost vezja tudi tukaj nastavljamo s spremembo vrednosti spremenljivega upora Rx. V mojem primeru je optimalna vrednost znašala okoli 3,9 kΩ: takrat je s približevanjem in oddaljevanjem prsta od površine LDR-ja možno lepo krmiliti intenziteto svetlosti LED-ice, od jasno osvetljene do popolnoma ugasnjene.
Pazite: v vezju na sliki 1c ne smemo zmanjšati vrednost upora Rx pod 100 Ω, ker bi takrat skozi LED-ico stekel prevelik tok, ki bi jo lahko trajno uničil!
Pokušajmo sedaj namesto fotoobčutljivega upora uporabiti termistor (slika 2). Termistorji so elementi, pri katerih je upornost odvisna od temperature na kateri se nahajajo. Razlikujemo pa jih po tem, kako sprememba temperature vpliva na spremembo upornosti: pri NTC termistorjih se z rastjo temperature upornost zmanjšuje, medtem ko se PTC termistorjema z rastjo temperature upornost povečuje. Torej, če uporabimo namesto fotoobčutljivega upora NTC termistor, pričakujemo da se bo z rastjo temperature vezja s slike 2 obnašala identično vezjem s slike 1, ko smo jih močneje osvetlili. Preverimo, ali je res tako!
Oznaka na termistorju kaže, kolikšna je njegova upornost pri 25°C in je tako, npr., upornost NTC termistorja s slike 2 na sobni temperaturi znaša 10 kΩ. Takšni majhni termistorji se uporabljajo za merjenje temperature v širokem temperaturnem obsegu od -55°C do 125°C, pri čemer se bo upornost menjala tipično v razmerju 870:1 (po tovarniških podatkih termistorja NTCM-10K-B3380).
To je velika sprememba, ki jo je lahko opaziti s spremembo intenzitete svetlosti LED-ice. Vendar pa smo med eksperimentiranjem v hišnih pogojih, omejeni na veliko manjši temperaturni razpon: termistor lahko hladimo s kocko ledu ali segrevamo s toplim zrakom iz sušilnika za lase. Po tovarniških podatkih za isti termistor bo njegova upornost pri 0 °C znašala 27,5 kΩ, pri 50 °C pa 4,17 kΩ. V vezju na sliki 2a bo to povzročilo spremembo toka skozi LED-ico od 0,14 mA do 0,9 mA. Sprememba intenzitete svetilnosti bo bolj opazna, če uporabimo občutljivo (low current) LED-ico, vendar LED-ica ne bo polno svetila niti je ne bomo mogli popolnoma ugasniti.
V vezju na sliki 2b s trimerjem Rx upornosti 10 kΩ lahko nastavimo pri kateri temperaturi se bo LED-ica popolnoma ugasnila. Vrednosti s slike 3-8 kΩ, približno ustrezajo temperaturam med 25°C in 0°C: z rastjo temperature nad nastavljeno vrednostjo bo LED-ica začela slabo in vse bolj svetiti.
Vezje s slike 2c ima obrnjeno delovanje: LED-ica bo svetila slabo in vse bolj svetila, ko se temperatura niža pod nastavljeno vrednost. Mejno temperaturo nastavljamo s trimerjem Rx, navedena vrednost 33 kΩ približno ustreza mejni temperaturi 25°C.
Po pričakovanju se vezja s termistorjem obnašajo identično vezjem s fotoobčutljivim uporom, vendar so spremembe intenzitete svetilnosti LED-ice slabše opazne. Da bi neko spremembo lahko lažje opazili, ali da bi lahko detektirali slabše signale nekega drugega izvora, bomo potrebovali ustrezni ojačevalnik – tranzistor.
Na sliki 3 vidimo dve shemi s fotoobčutljivim uporom, tranzistorjem in LED-ico. Uporabili smo mali tranzistor za univerzalno uporabo NPN tipa (kot so BC548, BC107, BC238, …). Takšni tranzistorji pričnejo prevajati, ko jim napetost med bazo in emitorjem naraste preko 0,6 V, tokovno ojačenje (razmerje kolektorskega in baznega toka) imajo 200-800. Na shemah je predvidena napetost napajanja 5 V, vendar bodo vezja enako dobro delala, če uporabimo kot izvor napetosti napajanja “ploščato” baterijo napetosti 4,5 V, ohišje baterij s tremi ali štirimi AA ali AAA vrstami baterij (4,5 oziroma 6 V) ali omrežni adapter z izhodno napetostjo 5-6 V.
Vezje prikazano na sliki 3a funkcionalno ustreza vezju s slike 1b:
- V slabo osvetljenem prostoru, ali kadar aktivno površino LDR upora pokrijemo s prstom ali ga na nek drug način pokrijemo od izvora svetlobe, mu bo upornost narasla in bo skozi njega in upor R2 tekel nek majhen tok. Padec napetosti na uporu R2 bo premajhen in tranzistor T1 ne bo prevajal toka: zato LED-ica ne bo svetila.
- Če bolj osvetlimo površino LDR-a, se mu bo upornost zmanjšala, tok skozi njega in R2 pa bo pričel rasti. V trenutku, ko padec napetosti na uporu R2 doseže okoli 0,6 V, bo tranzistor začel prevajati in LED-ica bo zasvetila. Intenziteta svetilnosti LED-ice bo toliko večja, kolikor bolj bo LDR osvetljen.
- Zaradi velikega tokovnega ojačenja tranzistorja bi kolektorski tok tranzistorja hitro lahko dosegel vrednosti, ki bi lahko uničile tranzistor in LED-ico. Zato smo dodali upor R3, ki omejuje kolektorski tok na okoli 2 mA: to je dovolj, da bi občutljiva LED-ica lahko zasvetila s polno svetilnostjo. Ko enkrat R3 prične omejevati jakost toka v kolektorskem krogu, nadaljnje povečanje intenzitete osvetljevanja ne bo povečalo intenzitete svetilnosti LED-ice.
Vezje s slike 3b je funkcionalno enako vezju s slike 1c:
- Kadar je LDR osvetljen z močno svetlobo, bo upornost LDR-ja majhna in zato bo padec napetosti na njemu manjši od 0,6 V; tranzistor ne bo prevajal in LED-ica ne bo svetila.
- Z zmanjšanjem intenzitete svetlosti, ki pada na aktivno površino LDR-ja, bo njegova upornost rastla in padec napetosti na njemu bo postajal vse večji: čim doseže 0,6 V, bo tranzistor pričel prevajati in LED-ica bo pričela svetiti.
- Z nadaljnjim zmanjševanjem intenzitete svetlosti se bo padec napetosti na LDR-ju še povečal, pa tudi bazni tok tranzistorja in zato bo tudi LED-ica svetila vse bolj. Tudi tukaj upor R3 omejuje maksimalni tok skozi tranzistor in LED-ico na okoli 2 mA.
Opazimo da imata obe vezji tri stanja: stanje, v katerem LED-ica ne sveti, stanje v katerem LED-ica sveti s polnim sijajem in relativno ozko področje, v katerem s spremembo intenzitete osvetlitve lahko menjamo intenziteto svetlosti LED-ice. S spremembo vrednosti upora R2 lahko menjamo občutljivost vezja oziroma prag, pri katerem bo LED-ica začela ali prenehala svetiti. Včasih nam bo zanimivo spremljati spremembo intenzitete svetlosti LED-ice, zato nam bo ustrezalo, da bi bilo prehodno področje čim širše; drugič nam bo ustrezalo, da bi bilo čim ožje, tako da ima LED-ica same dve stanji: sveti ali ne sveti. Kako doseči eno ali drugo, bomo analizirali v prihodnjem članku.
Slika 4 prikazuje kako lahko v praksi realiziramo vezja, ki jih bomo preučevali. Konkretno, na vseh treh fotografijah se nahaja vezje s slike 3a. Na levi fotografiji so komponente medsebojno pospajkane “v zraku”; takšen način vezave je pogost v filmih, ki krožijo po internetu in v katerih avtorji poleg poznavanja elektronike demonstrirajo tudi svoje veščine spajkanja. Predlagamo da vseeno rajši uporabite kos univerzalnega tiskanega vezja z “otočki” (pri tako enostavnih vezjih je večkrat bolj primerno spajkati komponente s strani vezic, fotografija v sredini) ali pa da uporabite univerzalno eksperimentalno ploščico in tako se popolnoma izognete spajkanju (desna fotografija).
Vezje s slike 3a ima še eno zanimivo lastnost, o kateri bomo tudi govorili v naslednjem nadaljevanju. Do branja!
