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 Wasniewiele 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 przykręc ania 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. J ak 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 - j est to najprostsza odmiana diod. Ich głównym zadaniem jest przepuszczanie prądu tylko w jednym kierunku . C o 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 "pśtyczka", czyli wyłącznika od światła. Naciśnięcie przycisku powoduje zapalenia światła, jego puszczenie zaś zagaszenie. I cała filozofia wyjaśniona ;-). Co prawda popełniłem tu parę bluźnierstw - jakby zobaczyli to wykładowcy to złapaliby się za głowę, ale wszystko to co napisałem sprawdza się w praktyce i można uznać to za "prawie" prawdę ;-).

NE555: Parę słów o tranzystorach bipolarnych należałoby jednak napisać. W przeciwieństwie do tranzystorów polowych, te są sterowane prądem. Spójrz na poniższy schemat ilustrujący działanie tranzystora. Na rysunku a), napięcie sterujące ma wartość zero, a co za tym idzie również prąd bazy wynosi zero - tranzystor jest zamknięty i nie płynie prąd w obwodzie kolektora. Do jego otwarcia potrzebne jest napięcie minimum 0,5V (wynika to z jego budowy), ale w czasie normalnej pracy, napięcie U_BE (między bazą, a emiterem) stale ma wartość 0,6V. Jak widać na rys. b), płynie już pewien prąd bazy I_B. Tranzystor jest otwarty. Prąd kolektora jest iloczynem prądu bazy i współczynnika wzmocnienia tranzystora. Współczynnik ten nosi oznaczenie ß (beta) i charakteryzuje każdy tranzystor bipolarny. Tranzystory małej mocy mają wzmocnienie na poziomie 100...500. Dla tranzystorów mocy liczba ta jest znacznie mniejsza. Aby temu zaradzić stosuje się dwa tranzystory w układzie Darlingtona, ale o tym musisz już doczytać samodzielnie. Jak widzisz, tranzystor rzeczywiście działa jak wzmacniacz.
Zauważ, że w obwodzie bazy jest umieszczony rezystor R ograniczający prąd. Bez niego tranzystor mógłby ulec uszkodzeniu!

Tranzystory, w zależności od dopuszczalnej mocy start (czyli maksymalnym prądem i napięciem przy jakim może pracować tranzystor), są produkowane w różnych obudowach. Oto przegląd najważniejszych typów:

Tranzystory małej mocy. Bipolarne - BC547, BC548. Polowe - BS107, BS250.

Tranzystory średniej mocy. Bipolarne - BD139, BD140.

Tranzystory mocy. Typu NPN - BD243, typu PNP - BD244. Typu MOSFET N - BUZ10, IRF540.

Stabilizatory napięcia - co by wolty nie hasały.

Napięcie pochodzące np. z typowego zasilacza wtyczkowego jest niestabilizowane. Oznacza to, że występują w nim tętnienia, a napięcie wyjściowe zmniejsza się pod obciążeniem. Aby temu zapobiec stosuje się specjalne układy zwane stabilizatorami. Pamiętaj, że napięcie z zasilacza komputerowego jest już stabilizowane!

Jest wiele rodzajów stabilizatorów, mniej i bardziej skomplikowanych. Ja skupię się tu na najpopularniejszych, z trzema nóżkami, zamkniętych w obudowach TO220 i TO92. Stabilizatory rodziny 78xx dają na wyjściu napięcie z zakresu 3-24V zależnie od wybranego egzemplarza. Są to kompletne stabilizatory o dobrych parametrach, posiadające dodatkowo zabezpieczenia przeciwzwarciowe i termiczne.

Napięcie stabilizacji określa liczba xx więc np. stabilizator 7805 daje na wyjściu 5V. Stabilizator w obudowie TO220 ma w podstawowej wersji wydajność prądową 1A, natomiast stabilizatory w małych obudowach TO92 mają wydajność zaledwie do 100mA (patrz rysunek poniżej). Każdy stabilizator do poprawnego działania potrzebuje spadku napięcia rzędu 1,2-2V czyli, aby otrzymać 5V minimalne napięcie na wejściu to 7V!

Stabilizatory tej rodziny stabilizują "plusa" czyli dodatnią szynę zasilania. Każdy z nich ma swój analogiczny odpowiednik 79xx stabilizujący "minusa" czyli masę. W naszych zastosowaniach jest całkowicie obojętne, którego stabilizatora użyjemy, czy na "+" czy na "-", ale popularniejsze są 78xx, czyli te na "+".
Zawsze stosuj kondensatory widoczne na schemacie. Filtrują one napięcie, zapewniając prawidłową pracę stabilizatora (zapobiegają jego wzbudzaniu).

Często moder głowi się jak regulować napięcie np. na wentylatorze. Świetnie nadają się do tego stabilizatory LM317 o regulowanym napięciu wyjściowym. Podobnie jak stabilizatory 78xx układ ten ma 3 nóżki (ale inaczej podłączone!). O wartości napięcia wyjściowego decyduje stosunek rezystorów R1 i R2. R1 powinien mieć wartość z zakresu 130...470om. W roli R2 można zastosować zwykły rezystor, na stałe ustalając napięcie wyjściowe lub też potencjometr, co umożliwi nam regulację napięcia wyjściowego. Zalecane jest, by rezystor R1 miał wartość 130om, jednak w przypadku, gdy stabilizator będzie stale obciążony prądem większym niż 10mA, to możemy zwiększyć jego wartość do 470om i wtedy wykorzystać jako R2 popularny potencjometr 10kom.

Jeśli w roli R1 zastosujemy termistor, to uzyskamy układ sterujący wentylatorem w zależności od temperatury. Poniżej przykładowy schemat pochodzący ze strony low-noise.de.

Układy scalone - półprzewodów całe stadko.

I tak oto dochodzimy do całego sensu dzisiejszej elektroniki, czyli do układów scalonych (zwanych scalakami, kostkami, chipami itp. itd.). Nie sposób wymienić wszystkich typów i zastosowań. Istnieją układy naprawdę do wszystkiego, wykonane z rozmaitych elementów w różnych technologiach i zamknięte w najróżniejszych obudowach. Ponieważ ma to być poradnik dla początkujących, którzy najprawdopodobniej będą wykonywać układy elektroniczne ze schematów, opiszę tylko pokrótce układy CMOS serii 4xxx (czy jak kto woli 4000).

Układy scalone CMOS 4xxx, jak sama nazwa wskazuje, wykorzystują technologię CMOS czyli są zbudowane z tranzystorów MOS zarówno N jak i P. Są to układy cyfrowe charakteryzujące się niskim poborem prądu, ale też w podstawowej wersji stosunkowo niedużą prędkością. Są jednak bardzo wygodne ze względu na szeroki zakres napięć zasilania przy jakich mogą pracować (typowo 3V...18V) i na typowe obudowy DIL w jakich są produkowane. Obudowy DIL, czyli Dual In Line, są bardzo popularne i łatwo do nich dostać podstawki (podstawka pod układ scalony to element wlutowywany w płytkę, a następnie w nią dopiero wkłada się scalaka, dzięki temu nie uszkodzi się go podczas lutowania i można go w każdej chwili zdemontować i wymienić gdyby nastąpiła jakaś awaria).

Obok symbolu DIL zawsze stoi liczba mówiąca o ilości nóżek w układzie. Na przykład układ w obudowie DIL14 to układ scalony z dwoma rzędami nóżek po 7 w każdym. Tyle właśnie nóżek ma między innymi kostka 4093. Nie będę opisywać jej działania, powiem tylko, że jest często stosowana i zawiera 4 dwuwejściowe bramki NAND z histerezą - nie ważne ;-), wybrałem ją tylko dla przykładu.

Jak nie trudno zauważyć, obudowa DIL ma z jednej strony półkoliste wycięcie. Patrząc od góry, wycięcie to jest po lewej stronie - dzięki niemu możemy prawidłowo ponumerować wyprowadzenia układu. Pierwszą nóżką jest zawsze lewa dolna, a ostatnią lewa górna (patrz rys. powyżej). W układach serii 4XXX zasilanie jest prawie zawsze podłączane "na ukos" kostki, minus na ostatniej nóżce w dolnym rzędzie a plus do ostatniej ogólnie (czyli pierwszej w górnym - licząc od lewej strony). W przypadku układu 4093 są to jak widać wyprowadzenia 7 i 14. Pozostałe wyprowadzenia to różne wejścia i wyjścia.

Ponieważ ja sam bardzo często stosuję układy tej serii i często pojawiają się one na moich schematach wspomnę jeszcze o jednej ważnej sprawie. W układach CMOS nie można pozostawiać nie podłączonych wejść (wyjścia mogą sobie "wisieć"). Jeżeli któregoś nie będziemy wykorzystywać należy je bezwzględnie podłączyć do zasilania, plusa lub minusa - obojętnie (rys. a). Jeśli tego nie zrobimy nic się nie spali, ale układ może działać nieprawidłowo. Czasem któreś z wejść jest połączone np. z przyciskiem, który tylko czasem podłącza je do plusa lub masy. W takim przypadku łączymy daną nóżkę z przeciwnym niż przycisk biegunem zasilania przez opornik 100kom i wszystko gra (rys. b).

Przełączniki i przyciski.

Przełączniki pozwalają na budowę interfejsu komunikacyjnego z użytkownikiem. Dzięki nim możemy zbudować bardzo praktyczny panel do sterownia wentylatorami, tzw. fanbus.

Panel w wykonaniu FOX-a (link).

Rozróżniamy kilka rodzajów przełączników:

• chwilowe: zwierają (lub rozwierają w zależności od typu) swoje styki tylko w chwili przyciśnięcia.
• stałe: np. przełączniki dźwigienkowe - jedna z par styków jest cały czas zwarta. Przełączniki dźwigienkowe mogą być dwu pozycyjne lub trzypozycyjne. Z reguły zawierają dwie niezależne pary styków (jakby dwa przełączniki w jednym, wspólnie sterowane).

Jeśli masz jakiś przycisk, a nie potrafisz zidentyfikować jego wyprowadzeń, to najlepiej posłużyć się multimetrem. W multimetrze wybieramy test ciągłości i badamy dany przycisk - do poszczególnych wyprowadzeń przykładamy kable pomiarowe multimetru i wciskamy przełącznik - jeśli dobrze trafiliśmy to multimetr zacznie "piszczeć".

Złącza i gniazda.

Poniżej znajdziecie przegląd kilku popularnych gniazd i złącz. Zachęcam Was do stosowania takich rozwiązań w Waszych modyfikacjach. Po pierwsze, stosowanie złącz jest bardziej eleganckie, niż lutowanie wszystkiego na stałe. Po drugie, gdy zechcemy coś zdemontować lub wymienić w komputerze, to wystarczy wyjąć kilka wtyczek - znacznie ułatwia to sprawę.

Inne elementy.

Brzęczyk piezo to przetwornik piezoelektryczny z wbudowanym generatorem. Krótko mówiąc, po podłączeniu buzzera do zasilania, wydaje on z siebie jednostajny dźwięk (pisk). Można go wykorzystać do sygnalizacji alarmu.

Źródła napięć w komputerze.

Poniżej zamieszczam opisy złącz zasilacza komputerowego i wtyczki wentylatora - rzecz niezwykle przydatna dla każdego modera. Uwaga! Jeśli będziesz wykorzystywać zasilacz poza obudową komputera należy go najpierw włączyć zwierając wyprowadzenie PS_ON# (we wtyczce ATX1) z masą.

Multimetry.

Multimetr, czyli miernik uniwersalny, pozwala mierzyć podstawowe wielkości elektryczne takie, jak: prąd, napięcie i rezystancja. Jest to podstawowy przyrząd, który powinien się znaleźć na wyposażeniu każdej pracowni - również modera. Najprostsze multimetry można nabyć za kilka złotych w supermarkecie lub na aukcjach internetowych. Droższe modele, poza lepszymi parametrami, często pozwalają mierzyć także pojemność, częstotliwość i temperaturę.

Różne modele multimetrów, w tym jeden analogowy.

Pomiary różnych wielkości.

Jest kilka podstawowych zasad korzystania z multimetrów:

• woltomierz zawsze włączamy w obwód równolegle
• amperomierz zawsze włączamy w obwód szeregowo
• należy uważać by przy pomiarze prądu i napięcia, nie przekraczać danego zakresu pomiarowego - może to spowodować uszkodzenie multimetru!
• rezystancję danego elementu, mierzymy gdy jest on odłączony od reszty układu

Poniższe grafiki pokazują przykładowe pomiaru prądu, napięcia i rezystancji w najprostszym obwodzie z diodą LED. Każda z nich prezentuje sposób pomiaru (przyłożenie końcówek pomiarowych), schemat symboliczny, zmierzoną wartość i zakres na jaki był ustawiony multimetr.

Pomiar napięcia stałego na zakresie 20V.

Pomiar napięcia stałego na zakresie 20V.

Pomiar rezystancji na zakresie 200om.

Pomiar prądu na zakresie 200mA.

Płytka czy tarantula?

Postanowiłem, że skoro pisałem już o schemacie to teraz powiem jak to wszystko poskładać. Istnieją dwie podstawowe metody składania układów elektronicznych:

- na pająka - wszystkie elementy są połączone przez lutowanie bezpośrednio nóżek elementów lub, jeśli są za daleko czy też nie ma jak tego zrobić, przez kabelki. Taki sposób montażu jest dobry do prototypów i niewielkich kilku-elementowych urządzeń. Dobrze sprawdza się także, kiedy mamy jeden układ scalony z kilkoma innymi małymi elementami, które łatwo można przylutować pod spodem układu tak, że całość jest bardzo mocna i zwarta.

Układy zmontowane w pająku.

- płytka drukowana - płytka drukowana jest to kawałek tworzywa sztucznego, potocznie zwanego laminatem, pokrytego jedno lub dwustronnie cienką warstwą miedzi. Tworzywo to przypomina plastik, jest twarde, ale łatwe w obróbce a przy tym dość elastyczne, więc przydaje się nie tylko na płytki, ale i do różnych konstrukcji. Ja np. zapinkę do mojego poprzedniego bloku wodnego na procesor zrobiłem właśnie z laminatu.

Laminat.

W procesie produkcyjnym z laminatu usuwana jest część miedzi w taki sposób, że pozostała tworzy odpowiednie "ścieżki" łączące wybrane nóżki elementów. Na płytce można stosować dwojaki rodzaj montażu: przewlekany i powierzchniowy zwany SMD. Montaż powierzchniowy ma tę zaletę, że nie wymaga nawiercania otworów w laminacie a elementy lutuje się bezpośrednio po stronie ich umieszczenia. Wydaje mi się jednak, że nie ma w tej chwili problemu z wywierceniem kilku dziurek o średnicy 1 mm. Poza tym montaż przewlekany (nóżki elementów przewleka się przez dziurki w laminacie i lutuje po przeciwnej stronie) jest prostszy dla początkujących i nieco łatwiej dostać klasyczne elementy niż ich odpowiedniki SMD.

Przykład montażu przewlekanego oraz SMD.

Pewną alternatywą pomiędzy montażem w pająku, a własnoręcznym wykonywaniem obwodów drukowanych jest montaż na płytkach uniwersalnych, które można kupić w każdym sklepie elektronicznym.

Płytki uniwersalne.

Układ prototypowy zmontowany na płytce uniwersalnej.

Projektowanie obwodów drukowanych.

Proces tworzenia płytki drukowanej zaczyna się od jej zaprojektowania (NE555: ten podrozdział tylko dla tych chętnych zdobywania wiedzy - bardzo początkujący mogą go ominąć). Można ścieżki poprowadzić "na oko" ale zdecydowanie lepiej zrobi to komputer. Załączamy dowolny program do tworzenia płytek. Ja kiedyś używałem starej wersji MicroSim PCBoards z pakietu DesignLab Eval8 czyli tego, który zawiera popularnego Pspice. Teraz używam znacznie potężniejszego Protela 2004 zwanego DXP (w chwili pisania jest już wersja 2006). (NE555: dla początkujących wystarczy darmowa wersja programu Eagle, lub też leciwy, ale wciąż w pełni użyteczny Autotrax). Po załączeniu programu rysujemy schemat urządzenia, a następnie na jego podstawie projektujemy płytkę. Nie polecam automatycznego prowadzenia ścieżek gdyż pomimo iż jest to bardzo potężne narzędzie jego poprawne skonfigurowanie jest nie lada wyzwaniem. Wierzcie mi: automatycznie wygenerowana plątanina ścieżek przyprawia o ból głowy (NE555: ja korzystam tylko z automatów :P).

Podstawową jednostką długości na płytkach drukowanych jest 1 mils (0.01 cala). Oczywiście można przestawić program na system metryczny i używać milimetrów jednak na całym świecie poszczególne odległości w elementach elektronicznych są zaokrąglane do milsów więc po co babrać się w jakichś nietypowych wymiarach metrycznych. Np. odległość pomiędzy jedną a drugą nóżką układu scalonego w popularnej obudowie DIL wynosi 100 milsów, a pomiędzy jednym a drugim rzędem nóżek 300 milsów. Przykładowe odległości między nóżkami różnych elementów podaje zestawienie:

• Opornik - na płasko 250-500 milsów
• Opornik - na stojąco 100 milsów
• Kondensator elektrolityczny 70-600 milsów
• Kondensator stały 70-800 milsów
• Dioda LED 50-200 milsów
• Dioda krzemowa 200-400 milsów

Dobrym sposobem przy określaniu różnych odległości jest porównanie sprawdzanego elementu z podstawką pod układ scalony, w której odległości miedzy nóżkami oczywiście wynoszą 100 milsów.
Warto stworzyć własne biblioteki z elementami o zaniżonych wymiarach w stosunku do bibliotek zawartych w programie. Pozwoli to na większe upakowanie płytki, a wcale nie będzie przeszkadzało w montażu. No o ile nie przesadzimy z zaniżaniem ;-) Kiedy mamy zaznaczone wszystkie elementy łączymy je ścieżkami zgodnie ze schematem. Poniżej kilka screenshotów z Protel-a DXP.

Od schematu do projektu płytki - kolejne etapy projektowania układu.

Wykonywanie płytek drukowanych.

Tak więc mamy już wypasiony projekt płytki. I co dalej? Trzeba go wydrukować i jakoś przenieść na miedź. Jest wiele sposobów na tworzenie płytek o różnym poziomie trudności i różnej jakości efektu końcowego. Ja opiszę pokrótce trzy z nich. Ogólnie przed nanoszeniem ścieżek, miedź należy odtłuścić i oczyścić - lekko podszlifować drobnym papierem ściernymi lub przemyć spirytusem, acetonem albo płynem do zmywania naczyń.

Malowanie ręczne.

Bodajże najłatwiejszym sposobem tworzenia płytki jest malowanie ręczne. Sposób ten sprawdza się przy niewielkich płytkach o stosunkowo szerokich ścieżkach. Kiedy wydrukujemy i wytniemy obraz płytki, przyklejamy go do laminatu od strony miedzi (zakładam, że robimy płytkę jednostronną) za pomocą przezroczystej taśmy klejącej. Teraz wkładamy w wiertarkę wiertło 0,8-1mm (lub nieco większe np. dla diod o większej średnicy nóżek). Wiertarka powinna być jak najmniejsza. Ja stosuję specjalną malutką wiertarkę do płytek, ale nada się też jakiś dremel, wiertarka akumulatorowa lub wiertarka stołowa. Raczej nie polecam zwykłych wiertarek, o ile nie są zamocowane do stołu. Nawiercamy powoli wszystkie otwory w miejscach zaznaczonych na wydruku, taśma pomaga w prowadzeniu wiertła prosto. Kiedy wszystko mamy nawiercone zrywamy wydruk i przechodzimy do tworzenia ścieżek.

Specjalna wiertarka do płytek.

Wiele osób najpierw maluje ścieżki, po czym wytrawiają płytkę i dopiero wtedy wierci otwory. Może to pomagać w tworzeniu większych punktów lutowniczych ale ja bym się w życiu nie połapał przy malowaniu ścieżek jeśli nie miałbym otworów. Tak więc bierzemy niezmywalny pisak (czym cieńszy, tym lepszy i koniecznie wodoodporny, ale taki, żeby dało się go usunąć rozpuszczalnikiem lub alkoholem) i malujemy nim po miedzi łącząc odpowiednie otwory zgodnie z tym co sobie wydrukowaliśmy. Należy robić to starannie tak żeby nie "maznąć" nigdzie niepotrzebnego połączenia (miedź zostaje tylko i wyłącznie w miejscach zamalowanych pisakiem).

NE555: Można też zrobić trochę inaczej. Na laminat od strony miedzi kładziemy kalkę, a na to wydruk ze wzorem połączeń. Całość zabezpieczamy taśmą klejącą, tak aby wzór się nie przesuwał. Następnie ołówkiem odrysowujemy połączenia na wydruku, a dzięki kalce ich kopia pozostaje na miedzi. Wzór jest dosyć dobrze widoczny dzięki czemu nie mamy większych problemów z użyciem pisaka. Do malowania obwodów drukowanych można kupić specjalne pisaki, ale są one droższe od zwykłych, wodoodpornych, o których pisał Neoone.

Pisak do malowania obwodów drukowanych i przykład płytki wykonanej za jego pomocą.

Termotransfer.

Drugim sposobem o dużo większej precyzji jest termotransfer. Jest to metoda znacznie precyzyjniejsza, pozwalająca na tworzenie cieńszych ścieżek (bez obawy o zadrganie ręki przy malowaniu), a przy tym jest też niezbyt skomplikowana. Dawniej robiono ludzi w balona sprzedając rzekomo specjalną folię termotransferową. Okazuje się jednak, że była to zwykła folia do wydruków i takiej właśnie można użyć, choć ja używam papieru o fakturze pośredniej między zwykłym a kredowym. Na papierze lub folii drukujemy odwrócony obraz tego co chcemy uzyskać na miedzi (odbicie lustrzane).

Wzór płytki wydrukowany na papierze kredowym.

Następnie nagrzewamy żelazko do około 1/3 mocy i odwracamy stopą do góry. Można je unieruchomić np. pomiędzy ciężkimi książkami. Kładziemy na nim wcześniej przycięty kawałek laminatu i czekamy chwilę żeby się nagrzał (miedzią do góry). Na rozgrzany laminat kładziemy wycięty kawałek folii lub papieru z nadrukiem i dociskamy około minuty zaczynając od środka stopniowo przesuwając się ku krawędziom tak aby zapobiec powstawaniu pęcherzyków powietrza.

Pod wpływem temperatury toner jest przenoszony na miedź.

Jeśli użyliśmy folii, delikatnie ją odrywamy po zdjęciu laminatu z żelazka. W przypadku papieru należy umieścić laminat pod strumieniem wody i namoknięty papier stopniowo ścierać palcami lub szczotką uważając aby nie zetrzeć przeniesionego tonera.

Namoczenie papieru ułatwia jego usunięcie.

Płytka gotowa do trawienia.

Papier kredowy słabo nasiąka, a zwykły źle przenosi toner więc najlepiej wybrać coś pośredniego i wydruk wykonywać na możliwie największym zaczernieniu, aby na nośniku było dużo tonera. Oczywiście wydruk wykonujemy drukarką laserową lub wydruk z drukarki atramentowej kserujemy w dobrym punkcie ze świeżym tonerem. W tej metodzie otwory w laminacie wiercimy już po wytrawianiu, o czym piszę dalej.

Fototransfer.

Trzecim i zdecydowanie najbardziej precyzyjnym sposobem tworzenia ścieżek z miedzi jest fototransfer. Metoda ta wymaga wydrukowania obrazu ścieżek na folii, najlepiej w dwóch kopiach, a następnie idealnego ich złożenia. Po złożeniu można zszyć oba kawałki folii zszywaczem biurowym. Przycięty kawałek laminatu pokrywa się cienką warstwą specjalnego foto-czułego lakieru, np. POSITIV-20 i suszy w około 100 stopniach (np. w piekarniku) przez kilkanaście minut. Następnym etapem jest położenie wcześniej wydrukowanej maski na pomalowanej powierzchni i przyciśnięcie jej szybą. Tak złożoną kanapkę naświetla się promieniami UV przez około 10 minut. Do wywołania obrazu na laminacie używa się roztworu NaOH, którego tanim źródłem jest popularny "Kret do rur" ;-). Trzeba to robić bardzo ostrożnie, aby nie zmyć lakieru. Jak widać metoda choć daje bardzo dobre rezultaty jest dość pracochłonna i skomplikowana, a co za tym idzie słabo nadaje się dla początkujących.

Nie bądź kwasiarz - czyli o trawieniu słów kilka.

Po stworzeniu obrazu ścieżek i wycięciu laminatu, przygotowujemy wytrawiacz. Jest kilka preparatów na rynku, ale najpopularniejszym i najłatwiejszym do nabycia jest trójchlorek żelazowy - FeCl3 x 6H2O. Można go dostać w każdym sklepie elektronicznym za około 4 złote. Jest on w postaci różnych rozmiarów, brązowych kuleczek o chropowatej fakturze. Nieco lepszym i niewiele droższym preparatem jest B327, którego wzór chemiczny uciekł mi z głowy. Ten ma postać białego proszku.

Trawienie chlorkiem - Do plastikowego lub szklanego płaskiego naczynia wlewamy niewielką ilość gorącej wody (ale nie wrzątek!!!) tak żeby przykryło płytkę. Wsypujemy odpowiednią ilość granulek wytrawiacza zależnie od rozmiarów płytki. Więcej wytrawiacza wytrawi szybciej miedź, ale też nieco podtrawi to co jest pod pisakiem/tonerem/lakierem. Ciężko powiedzieć ile wsypać, powiedzmy, że tyle żeby lekko przykryło płytkę. Teraz czekamy, aż wszystko się ładnie rozpuści i co jakiś czas lekko potrząsamy kuwetą żeby zamieszać roztwór. Wytrawianie powinno potrwać kilka godzin (1-4) i powinno być git ;-). Lepiej nie zostawiać płytki na zbyt długo bo wytrawi się także to co mamy zamalowane. Jeśli na płytce pozostały gdzieniegdzie drobinki miedzi, można je usunąć metodą udarową (np. za pomocą nożyka). Wytrawiacz można wylać, ale można w nim zazwyczaj wytrawić jeszcze kilka płytek, zwłaszcza po "regeneracji" polegającej na dolaniu do roztworu wody utlenionej H2O2.

Kuweta, którą kiedyś używałem do trawienia.

Trawienie B327 - Bierzemy starą patelnię i nalewamy do niej nieco wody. Do wody wstawiamy plastikowe naczynie z rozpuszczonym B327. Preparat rozpuszczamy od razu cały (jedno opakowanie zazwyczaj na 0,5l wody). Starcza on na dość dużo procesów trawienia. Początkowo roztwór jest przezroczysty, a po kolejnych trawieniach staje się coraz bardziej niebieski. Patelnię stawiamy na gazie i grzejemy. Optymalna temperatura wymagana do dobrego trawienia to 40 stopni. Na opakowaniu ostrzegają przed grzaniem powyżej, 50 stopni ale widziałem już wrzące B327 i jeszcze żyję ;-). Gaz proponuję co jakiś czas włączać i wyłączać aby utrzymać odpowiednią temperaturę. Trawienie w takich warunkach kończy się w czasie od 20 do 90 minut.

Środek trawiący B327.

NE555: Nie lekceważyłbym ostrzeżeń wypisanych na opakowaniu! Powyżej 50st.C wytwarzają się substancje szkodliwe dla zdrowia! Ja używam zbudowanej do tego celu trawiarki:

Trawiarka do płytek w wykonaniu NE555.

Wyciągamy płytkę z wytrawiacza, płuczemy wodą a następnie zmywamy pisak lub lakier, ewentualnie zeszlifowujemy toner drobnym papierem ściernym. Jeśli to konieczne wiercimy otwory i wszystko GOTOWE!

Toner usunięty za pomocą papieru ściernego.

Gotową płytkę należy zabezpieczyć przed korozją specjalnym lakierem lub roztworem kalafonii w denaturacie.

Jeśli zależy Ci na jakości, nie używaj lakieru, tylko zastosuj środek do cynowania bezprądowego.

Wkładamy elementy w odpowiednie dziurki i lutujemy. Zaczynamy od najmniejszych elementów - oporników, zworek (odcinków drutu w miejscach gdzie nie dało się poprowadzić ścieżki bez krzyżowania z inną), podstawek pod scalaki, a kończąc na kondensatorach elektrolitycznych, tranzystorach (również dlatego, że są delikatniejsze i mniej odporne na przegrzanie), przekaźnikach, kabelkach itp.

Lutowanie, czyli co zrobić z tym srebrnym.

Wielu początkujących elektroników ma spore problemy z lutowaniem. Najczęściej nie mogą pojąć jakim cudem można tak trwale i mocno coś przylutować (wiem to z autopsji ;-) ). Bardzo często popełniają karygodny błąd, przenosząc cynę na grocie do lutowanego elementu (co prawda ja nadal od czasu do czasu tak robię, gdy nie da się inaczej polutować (z powodu braku kilku dodatkowych rąk hehe), ale przy moim doświadczeniu miejsce lutowania i tak wygląda tak jakbym robił to poprawnie i nie tylko wygląda - oczywiście są to sporadyczne przypadki). Teraz podam fundamentalną zasadę lutowania. Jeśli będziecie się do niej stosować połączenia będą trwałe, pewne i nie doznacie koszmaru "zimnych lutów":

GRZEJEMY OBA LUTOWANE ELEMENTY A NIE CYNĘ!

Na przykład kiedy lutujemy coś na płytce, przystawiamy grot lutownicy tak, żeby jednocześnie nagrzewać nóżkę elementu i miedz na ścieżce. Po krótkim nagrzewaniu przystawiamy cynę, a ta dosłownie przysysa nam się do rozgrzanych miejsc ;-). Jeśli chcemy wlutować gdzieś przewód, dobrze jest go wcześniej "pobielić". Polega to na nałożeniu na niego warstwy cyny w ten sam sposób czyli rozgrzewamy kabelek i przykładamy doń cynę.

Grzejemy nóżkę elementu, nie cynę!

Dobór lutownicy jest ważny, ale w sumie jest to też sprawa preferencji każdego z osobna. Ja lubię lutownice transformatorowe. Nie są one polecane do elektroniki, ale w doświadczonych rękach sprawują się świetnie, nie grzeją się cały czas, nie wychładzają się szybko, są od razu gotowe do użycia i mają zazwyczaj sporą moc (moja ma 33 lata i 80W mocy ;-) ). Lutownice kolbowe (oporowe) też są dobrym wyborem, ale nie te najtańsze za kilka złotych. Wybrać należy taką, żeby jej grot nie wychładzał się zbyt szybko (jest to zjawisko kiedy przy lutowaniu spada temperatura grota i tworzą się przez to nietrwałe zimne luty) np. o mocy 40W.

Lutownice transformatorowe.

Dobra stacja lutownicza.

NE555: Ja mam obie lutownice, bo każda nadaje się do innych rzeczy. Dla modera, który głównie lutuje przełączniki, diody i kable najlepsza jest transformatorówka. Do płytek drukowanych zdecydowanie polecam jednak lutownice kolbową - dobra stacja lutownicza znacznie podnosi jakość i przyjemność pracy :).
Cynę kupujemy tylko z przeznaczeniem do elektroniki, grubość od 0,5 do 1,5 mm max! (ja stosuję najczęściej 1 mm). Można ją kupić w tzw. Fiolkach (plastikowe opakowanie w kształcie szklanej probówki) lub w większej ilości na rolce (można znaleźć dość tanio w supermarketach). Należy także zwrócić uwagę czy cyna (spoiwo lutownicze) zawiera w sobie topnik (czy w środku są nitki kalafonii), jest to napisane na etykiecie. Absolutnie niedopuszczalne jest stosowanie grubej cyny dla elektryków (no chyba, że już nie ma nic innego w pobliżu, a ten konkretny lut zawiera kalafonię), a już w ogóle wielkich drutów cynowych o przekroju trójkąta stosowanych do lutowania rynien!!! Lepiej nie trzymać cyny w ustach (cały czas piszę cyny choć dla ścisłości spoiwo lutownicze zawiera w sobie dużo więcej składników niż tylko cynę). Lut zawiera bardzo duży procent ołowiu i na dłuższą metę może być trujący.

Materiały niezbędne do lutowania - cyna i kalafonia.

NE555: Po lutowaniu zawsze należy umyć ręce! Zatrucie ołowiem może ujawnić się dopiero po wielu latach.
Znakomita pomocą przy lutowaniu jest tzw. trzecia ręka. Kiedyś te urządzenia były dość drogie, ale dziś można je bezproblemowo kupić poniżej 20 złotych.

Trzecia ręka.

Przydatne narzędzia.

Oto kilka podstawowych narzędzi, które mogą okazać się bardzo pomocne przy budowie wszelakich urządzeń i zabawie z elektroniką:

1. Szczypce radiotechniczne, czyli popularne kombinerki.
2. Odsysacz, jak sama nazwa wskazuje - odsysa cynę. Przydatny przy wylutowywaniu z płytki jakichś elementów.
3. Pęseta, pozwala na precyzyjne manipulowanie małymi elementami.
4. Ściągacz izolacji, docenicie go gdy będziecie musieli "zarobić" setkę kabelków ;).
6. Szczypce płaskie, przydatne ponieważ przy wielu zastosowaniach kombinerki okazują się za duże...
7. Szczypce tnące, do skracania przewodów i końcówek elementów.

Gdzie szukać informacji?

NE555: Gdzie szukać informacji? Przede wszystkim w Internecie. Jest wiele portali, stron, for i grup dyskusyjnych poświeconych elektronice. Pamiętaj jednak:

- Zanim zadasz jakieś pytanie, dokładnie przeszukaj zasoby sieci, może ktoś już miał podobny problem.
- Po drugie: pisz klarownie z zachowaniem zasad ortografii! Inne osoby muszą zrozumieć co masz na myśli, jeśli mają Ci pomóc.

Są to podstawowe zasady netykiety, tak lekceważonej w dzisiejszych czasach.
Poniżej zebrałem listę przydatnych i ciekawych odnośników.

Wyszukiwarki dokumentacji:
Elnota.pl
Alldatasheet.com

Portale elektroniczne:
Elportal.pl
Elektroda.pl

Fora dyskusyjne:
Forum Elportal.pl
Forum Elektroda.pl
Forum EP.com.pl

Ciekawe strony:
diyaudio.pl
Elektronika analogowa
The High Voltage Page
Myzlab.prv.pl

Grupy dyskusyjne:
pl.misc.elektronika

Elportal.pl jest internetowym serwisem czasopisma "Elektronika dla Wszystkich". Od początku istnienia miesięcznik był nastawiony na kształcenie młodego pokolenia elektroników poprzez liczne kursy, artykuły i cykl konkursów "Szkoła konstruktorów". Sam się na nim wychowałem.
Na stronie internetowej w dziale Kopalnia skarbów - Podstawy elektroniki znajdziecie bogatą i bardzo obszerną bazę artykułów. Zachęcam Was do zapoznania się z nimi.
Swego czasu w EdW ukazywał się kurs dla początkujących o nazwie "Ośla łączka". Obecnie można nabyć cały kurs wydany w postaci zeszytów wraz z niezbędnymi częściami elektronicznymi pozwalającymi na wykonanie wszystkich ćwiczeń. Cały zestaw jest dostępny w dwóch wersjach - podstawowej i rozszerzonej, różniące się ceną i liczba elementów. Koszt może się wydawać dosyć spory - jednak kurs jest wart swojej ceny. Osobiście uważam, że jest to najlepszy zestaw dydaktyczny dostępny na rynku.

Wszystko co ma początek ma też koniec.

Neoone - To już koniec artykułu. Przedstawiłem tu bardzo pobieżnie główne sprawy, z jakimi może zetknąć się początkujący elektronik. Mam nadzieję, że moje opisy są w miarę klarowne, oraz że po tej lekturze choć kilku osobom wyjaśni się co nieco, z jakże pięknego świata elektroniki ;-).

NE555 - Staraliśmy się napisać o wszystkim po trochu - takie małe kompendium, ale tak naprawdę to tylko wierzchołek góry lodowej zwanej elektroniką. Niemniej, zawarte tu informacje umożliwią Ci wykonanie wielu układów elektronicznych, których schematy i opisy znajdują się w Internecie.
Mówi się, że "ciekawość to pierwszy stopień do piekła" - parafrazując to powiem, że ciekawość to pierwszy stopień do poznania elektroniki. I dodam coś jeszcze: nie zrażaj się, gdy Twój układ nie będzie chciał działać - jest to wpisane w los początkującego elektronika, a zdobyte doświadczenie jest bezcenne.

Rusała aka Neoone - tekst,
NE555 - zdjęcia i grafiki.