Chcete začít s elektronikou a nevíte jak? Že neznáte schématické značky a nemáte tušení, jak se takové elektrické schéma čte? Jaký obvod je vhodný pro začátečníka? Kde začít?
V následujícím textu se pokusím odpovědět na všechny otázky. Použijeme legendární integrovaný obvod (časovač) NE555 a vytvoříme náš první blikač.
Tento obvod jsme v únoru 2018 zapojovali na gymnáziu v Uherském Brodě s asi 20 studenty. Za necelou hodinu se všem podařilo zrealizovat fungující „semafor“ a to i těm nejmladším žákům. Celý text je přepisem našeho společného snažení.
Blikač „semafor“ s časovačem 555 se dá v různých variacích najít na webu i v knihách o obvodu 555. Celé zapojení obsahuje jen několik málo součástek a tudíž se dá velice rychle postavit na nepájivém poli. Zapojení i oživení s přehledem zvládne i naprostý začátečník.
Obě světelné diody, ve schématu označené jako LED1 a LED2, střídavě blikají a vytváří tak efekt železničního semaforu. To, jak celé zapojení funguje, si popíšeme v závěru tohoto textu. Teď je čas na nepájivé pole a pojďme zapojovat!
Nepájivé pole?
Náš první obvod budeme realizovat na nepájivém poli. To je plastové udělátko, které uvnitř obsahuje kovové lišty spojující všechny otvory v jednom řádku. Jak už název napovídá, zapojování obvodu pomocí tohoto pole se obejde bez pájení (a také lepení, nýtování nebo šroubování).
Na obrázku níže je malé nepájivé pole s celkem 17 řádky a 2×5 sloupci otvorů (fotografie je otočena o 90 stupňů). Každá skupina pěti otvorů je uvnitř spojena.
Možná máte nepájivé pole, které vypadá jinak. Je větší, na krajích má dva barevně označené sloupce nebo má řádky mnohem širší. Tvar se liší, princip zůstává stejný.
Tyto tři fotografie ukazují příklady různých nepájivých polí.
Jde se zapojovat!
Nyní si pojďme bez zbytečného zdržování zapojit náš první obvod s časovačem 555 – blikač s názvem „semafor“. Teorii a podrobnější informace si ukážeme hned, jak budeme blikat.
Prvním krokem je zapojení obvodu 555 do nepájivého pole, přesně jak ukazuje obrázek níže. Možná bude potřeba nožičky obvodu mírně ohnout směrem k sobě, aby se pohodlně vlezly do kontaktů pole. Také si všimněte, že zámek (ten malý půlkulatý výřez na jedné kratší straně černého pouzdra) je orientován směrem nahoru. Pokud na vašem obvodu není zámek, hledejte tmavý puntík poblíž jednoho pinu. Puntík označuje pin číslo jedna a chceme jej mít vlevo nahoře.
Jako druhou součástku zapojíme elektrolytický kondenzátor. To je ten tmavý válec se dvěma vývody. Jeden vývod je kratší a zároveň je poblíž něj šedý (bílý) pruh na povrchu válce. To je záporný pin kondenzátoru a chceme jej mít orientován směrem nahoru (tedy na pinu číslo jedna našeho obvodu 555).
Následuje další součástka – rezistor s hodnotou 33 kΩ. To je 33 000 Ω. Na těle rezistoru hledejte tři oranžové pruhy a jeden zlatý (žlutý). Na směru jakým rezistor zapojíme nezáleží, oba vývody jsou u této součástky identické.
Teď si vezmeme krátký vodič, ideálně žluté barvy. Na té sice nezáleží a i když použijete černou, obvod bude fungovat, ale pro lepší orientaci se pokusme barvy dodržet.
Vodič spojuje druhý pin (počítáno od horní hrany) vlevo s třetím pinem vpravo obvodu 555.
Teď pozor, přidáváme hned 4 součástky najednou.
Dva rezistory o hodnotě 470 Ω (žlutý, fialový, hnědý a zlatý pruh) přijdou k třetímu pinu vlevo. Jejich druhé konce budou zapojeny do různých řádků.
Dvě červené LED. Levá LED bude mít delší nožičku ve stejném řádku jako levý rezistor. Pravá LED bude mít kratší nožičku ve stejném řádku jako pravý rezistor.
To je ze součástek všechno. Teď zapojíme tři vodiče – jeden černý a dva červené. Tady pouze upozorním, že černý se zapojuje k volné nožičce levé LED a červený zase k pravé LED.
A máme hotovo! Celé zapojení si zkontrolujte… a pak to udělejte ještě jednou. Je všechno v pořádku?
Pokud ano, zapojíme 9 V baterii. Nejdříve zapojíme oba vývody konektoru a potom na něj nacvakneme baterii. Obě LED by se měly okamžitě rozblikat. Gratuluji, právě jste zapojili a oživili svůj první obvod s časovačem 555!
Jak číst schéma?
Praxi máme za sebou, teď trochu teorie.
Ilustrace v předchozí sekci ukazovaly reálný vzhled součástek a jejich konkrétní polohu na nepájivém poli. Díky tomu bylo relativně jednoduché postupovat návodem a celý obvod zapojit, aniž bychom věděli cokoliv o elektronice.
Profesionálové ale takové nákresy nepoužívají a mají k tomu hned několik dobrých důvodů:
- U větších a komplikovanějších obvodů by se ilustrace velice rychle stala nepřehlednou. Umíte si představit obvod se stovkami rezistorů a kondenzátorů? Jak velký by obrázek musel být?
- Jednotlivé součástky (rezistory, kondenzátory, obvody 555 i nepájivá pole) mohou mít různý vzhled, velikost i barvu. Nákres pak nebude souhlasit s realitou.
- Profesionální zapojení nepoužívají nepájivá pole. Jsou realizované na desce, které se říká deska plošných spojů. Na ty se součástky pájí i v několika vrstvách. Jak by se takové zapojení kreslilo?
Z praktických důvodů se proto používá elektrické schéma, což je vlastně zjednodušený nákres obvodu. Na obrázku níže je schématické zapojení „semaforu“, který jsme před chvílí realizovali. Schéma nám pomocí jednoduchých značek sděluje, jak je elektrický obvod sestaven a jak má fungovat. Neodpovídá realitě (to ani nemá), ale díky své jednoduchosti je na první pohled srozumitelné a to i pro technika, který nemusí mluvit stejným jazykem nebo nemá stejné součástky jako autor schématu (diody i rezistory mohly vypadat před 50 lety jinak a určitě budou vypadat jinak za dalších 50 let, ale schéma bude pravděpodobně srozumitelné pořád).
V následujících odstavcích si podrobně popíšeme jednotlivé části tohoto schématu a vy tak můžete pozorovat, jak se „to čte“ a jaké informace se z něj dají získat. Připraveni?
Srdcem celého obvodu je integrovaný obvod 555, který je ve schématu znázorněn jako obdelník s osmi popisky TRE, DIC, TRI, VCC+, /RES, OUT, CON a GND. Zároveň je nad obdelníkem napsáno IC2 a pod ním zase NE555. Označení IC2 slouží k tomu, aby se na tento obvod dalo odkazovat v textu, v seznamu použitých součátek, ve výrobním postupu atd. Pokud by obvod obsahoval více časovačů 555, pak by se mohly označovat např. IC1, IC3, IC99, … Je jedno, jak jednotlivé součastky označíme, na funkci obvodu nebude mít vliv ani to, pokud bychom se rozhodli nazvat jednotlivé části např. A, B, C, D, …
Označení NE555 pod IC2 nám zase říká, o jaký integrovaný obvod (součástku) se jedná. V tomto případě je to časovač NE555, v jiném schématu to může být NE556, LM741, ATMega168P nebo cokoliv jiného. Tento údaj je, na rozdíl od IC2, IC3 nebo A, B, C, velice důležitý a jeho změna bude mít velký vliv na funkčnost obvodu.
Schématická značka IC2 nám dále říká, že se jedná o obvod s osmi nožičkami (také se jim říká piny nebo vývody) a každou z nich pojmenovává zkratkou. To, jak doopravdy obvod 555 vypadá už víme, tak si pojďme ukázat jak poznáme která nožička má jakou funkci.
Obrázek vlevo ukazuje několik časovačů 555 v černém plastovém pouzdru, kterému se říká DIL8 a které má 8 nožiček rozdělených na dvě části, 4 jsou v levé polovině obvodu a 4 zase v pravé polovině. Co přesně DIL8 znamená a jak vypadají jiná pouzdra zatím nechme stranou, to je povídání na příště.
Pokud se na 555 podíváme shora a natočíme si jej tak, aby nožičky byly vpravo a vlevo a ten malinkatý půlkruhový výřez (zámek) byl nahoře, stejně jako to ukazuje obrázek vpravo, pak si můžeme jednotlivé piny očíslovat od 1 do 8, kde jednička je vlevo nahoře a osmička zase vpravo nahoře.
V následující tabulce je číslo pinu, jeho běžné označení a stručný popis. Zatím si nelámejte hlavu s tím, že popisu jednotlivých pinů nerozumíte. K tomu se dostaneme. Teď se prosím znovu podívejte do schématu, na obrázek s rozmístěním vývodů a do tabulky. Zaujalo vás na těchto obrázcích něco?
| Pin | Zkratka | Popis | |
|---|---|---|---|
| 1 | GND | Zem (ground) obvodu. | |
| 2 | TRIG | TRI | Invertující vstup druhého komparátoru. Spouštění (trigger). |
| 3 | OUT | Výstup (output) obvodu. | |
| 4 | RESET | /RES | Invertovaný resetovací vstup. |
| 5 | CTRL | CON | Řídící (control) napětí, které ovlivňuje překlápění komparátorů. |
| 6 | THR | TRE | Neinvertující vstup prvního komparátoru. Práh (threshold). |
| 7 | DIS | DS | Kolektor tranzistoru. Vybíjení (discharge) |
| 8 | VCC | VCC+ | Napájecí napětí obvodu (od 4 do 15 voltů). |
Nebudu vás zbytečně napínat a odpovím na otázku z předchozího odstavce: rozmístění pinů ve schématu vůbec neodpovídá skutečnému umístění pinů obvodu!
Schéma nám totiž vůbec neříká jak obvod vypadá, jakou má barvu, kde jsou jednotlivé nožičky ani jak jsou dlouhé. Schéma pouze ukazuje s čím a jak jsou nožičky zapojeny. Umístění pinů ve schématu se proto často volí tak, aby bylo schéma dobře čitelné a aby se vodiče (ty černé čáry spojující jednotivé součástky) zbytečně nekřížily. Důležitým úkolem schématu je, aby bylo dobře čitelné a názorně ukazovalo myšlenku celého zapojení.
Pojďme zpět ke schématu. Vpravo je znázorněna schématická značka pro 9V baterii – to jsou ty vodorovné čáry, dvě krátké a dvě dlouhé. Horní a delší čára představuje kladný + pól baterie a spodní, krátká čára je záporný − pól baterie.
Od kladného kontaktu baterie vede čára (vodič) k nožičkám VCC+ a /RES obvodu IC2. Všimněte si, jak se v určitém okamžiku čára dělí na dvě, v tom místě je černý puntík a rozdělený vodič pak spojuje dva různé piny IC2. Tento puntík (uzel) nám říká, že jsou vodiče spojené. Pokud se dva vodiče ve schématu kříží, ale není v tom bodě uzel, pak vodiče spojené nejsou. To je případ křížení vodičů, které jdou z pinů VCC+ a /RES s vodičem, který jde z OUT směrem nahoru a spojuje rezistor R3.
Toto je velmi důležité, tak si to řekněme ještě jednou:
- křížení vodičů s černým puntíkem = vodiče jsou spojené,
- křížení vodičů bez černého puntíku = vodiče spojené nejsou.
Jdeme dál… kladný pól baterie je dále spojen se součástkou označenou jako LED2. To je světelná dioda, neboli LED a k baterii je připojena její anoda – kladný pin, což je ta delší nožička. Katoda LED2 (záporný pin, kratší nožička) je připojena k rezistoru R1. Rezistor je první součástka, u které nemusíme řešit označení vývodů, oba jsou totiž stejné a nezáleží na tom, jakým směrem jej do obvodu zapojíme. R1 má hodnotu 470 Ω (Ohmů), což je ve schématu také uvedeno.
Druhý vývod rezistoru R1 je dále spojen s pinem OUT obvodu IC2 a také (všimněte si uzlu) s anodou druhé LED označené jako LED1. Katoda LED1 je spojena s rezistorem R2 (opět má hodnotu 470 Ω) a jeho druhý vývod je připojen k zápornému pólu baterie.
Mínusový kontakt baterie (na kterém již máme katodu LED1) dále spojuje pin GND obvodu IC2 a záporný vývod elektrolytického kondenzátoru C1.
Kladný vývod kondenzátoru C1 je pak připojen k pinům TRI a TRE obvodu IC2 a zároveň k rezistoru R3 o hodnotě 33 kΩ. Jeho druhý konec je připojen k pinu OUT na IC2 a tím pádem i mezi oba rezistory R1 a R2.
Závěr
A to je celé! Tímto jsme slovy vyjádřili to, co je vidět na schématu našeho obvodu. Dokázali byste s těmito novými znalostmi realizovat „semafor“ sami, bez ilustrace reálného zapojení? Zkuste si to… odpojte všechny součístky od nepájivého pole a zkuste je znovu zapojit jenom podle schématu. Na ilustrace se nedívejte.
Na začátku jsem slíbil, že vysvětlím jak blikač funguje. K pochopení celého obvodu bychom ale museli znát jak funguje 555 uvnitř a to znamená vědět co to je a jak funguje komparátor, klopný obvod typu RS, invertor, co dělá bipolární tranzistor a dělič napětí. Je toho dost a my si zatím toho řekli tak málo. Abych vás ale nenechal úplně bez odpovědi, tak něco málo prozradím.
Ihned po zapojení baterie se na pinu OUT obvodu 555 objeví napětí baterie (9 V). Z ní teče proud vnitřkem obvodu 555 na pin OUT a přes rezistor R3 do kondenzátoru C1. Říkáme, že kondenzátor se nabíjí, protože uvnitř něj se hromadí elektrický náboj. To se projeví jako rostoucí napětí na pinech TRI a TRE. Po čase se kondenzátor nabije, napětí mezi jeho vývody dosáhne určité hodnoty, uvnitř obvodu 555 dojde ke změně a výstup OUT je odpojen od napětí baterie. Kondenzátor se začne opět pomalu přes rezistor R3 , pin OUT a vnitřek obvodu 555 vybíjet do záporného pólu baterie. Jakmile se téměř celý vybije, napětí na něm klesne pod určitou mez, napětí na OUT se opět změní na napětí baterie a celý cyklus se začne opakovat. Nabíjení, vybíjení, nabíjení, vybíjení. Takovému stavu se říká oscilace. No a jelikož máme na OUT připojenu LED1 a LED2, ty budou svítit podle toho, jaké napětí se zrovna na OUT nachází (OUT=9V → svítí LED1, OUT=0V → svítí LED2).
Rychlost s jakou se nabíjí a vybíjí kondenzátor určuje hodnota rezistoru R3. Co se stane když místo původní hodnoty 33 kΩ použijeme 10 kΩ a potom třeba 100 kΩ? Pokud máte po ruce jiné hodnoty rezistorů, tak si to můžete zkusit.