Во всех экспериментах используются транзисторы КТ315Б, диоды Д9Б, миниатюрные лампы накаливания на 2,5В х 0,068А. Головные телефоны - высокоомные, типа ТОН-2. Переменный конденсатор - любой, ёмкостью 15...180 пФ. Батарея питания состоит из двух последовательно соединённых батарей по 4,5В типоразмера 3R12. Лампы можно заменить на последовательные соединённые светодиод типа АЛ307А и резистор номиналом 1 кОм.
ЭКСПЕРИМЕНТ 1
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА (проводники, полупроводники и изоляторы)
Электрический ток - это направленное движение электронов от одного полюса к другому под действием напряжения (батарея 9 В).
Все электроны имеют одинаковый отрицательный заряд. Атомы различных веществ имеют различное число электронов. Большинство электронов прочно связано с атомами, но имеются и так называемые «свободные», или валентные, электроны. Если к концам проводника приложить напряжение, то свободные электроны начнут двигаться к положительному полюсу батареи.
В некоторых материалах перемещение электронов относительно свободное, их называют проводниками; в других - перемещение затруднено, их называют полупроводниками; в третьих - вообще невозможно, такие материалы называют изоляторами, или диэлектриками.
Металлы являются хорошими проводниками тока. Такие вещества, как слюда, фарфор, стекло, шёлк, бумага, хлопок, относятся к изоляторам.
К полупроводникам относятся германий, кремний и др. Проводниками данные вещества становятся при определённых условиях. Это свойство используется при производстве полупроводниковых приборов - диодов, транзисторов.
Рис. 1. Определение проводимости воды
Этот эксперимент демонстрирует работу простой электрической цепи и различие в проводимости проводников, полупроводников и диэлектриков.
Соберите схему, как показано на рис. 1, и выведите оголённые концы проводов на переднюю часть платы. Соедините оголённые концы вместе, лампочка будет гореть. Это говорит о том, что через цепь проходит электрический ток.
С помощью двух проводов можно проверить проводимость различных материалов. Для точного определения проводимости тех или иных материалов необходимы специальные приборы. (По яркости горения лампочки можно лишь определить, является ли исследуемый материал хорошим или плохим проводником.)
Присоедините оголённые концы двух проводников к куску сухого дерева на небольшом расстоянии друг от друга. Лампочка гореть не будет. Это означает, что сухое дерево является диэлектриком. Если оголённые концы двух проводников присоединить к алюминию, меди или стали, лампочка будет гореть. Это говорит о том, что металлы являются хорошими проводниками электрического тока.
Опустите оголённые концы проводников в стакан с водопроводной водой (рис. 1, а). Лампочка не горит. Это означает, что вода является плохим проводником тока. Если в воду добавить немного соли и повторить опыт (рис. 1, б), лампочка будет гореть, что говорит о протекании тока в цепи.
Резистор 56 Ом в этой схеме и во всех последующих экспериментах служит для ограничения тока в цепи.
ЭКСПЕРИМЕНТ 2
ДЕЙСТВИЕ ДИОДА
Целью данного эксперимента является наглядная демонстрация того, что диод хорошо проводит ток в одном направлении и не проводит - в обратном.
Соберите схему, как показано на рис. 2, а. Лампа будет гореть. Поверните диод на 180° (рис. 2, б). Лампочка гореть не будет.
А теперь попытаемся разобраться в физической сущности эксперимента.
Рис. 2. Действие полупроводникового диода в электронной цепи.
Полупроводниковые вещества германий и кремний имеют по четыре свободных, или валентных, электрона. Атомы полупроводника связываются в плотные кристаллы (кристаллическую решётку) (рис. 3, а).
Рис. 3. Кристаллическая решётка полупроводников.
Если в полупроводник, имеющий четыре валентных электрона, ввести примесь, например мышьяка, имеющего пять валентных электронов (рис. 3, б), то пятый электрон в кристалле окажется свободным. Такие примеси обеспечивают электронную проводимость, или проводимость n-типа.
Примеси, имеющие меньшую валентность, чем атомы полупроводника, обладают способностью присоединять к себе электроны; такие примеси обеспечивают дырочную проводимость, или проводимость p-типа (рис. 3, в).
Рис. 4. p-n-переходы в полупроводниковом диоде.
Полупроводниковый диод состоит из спая материалов p- и n- типов (p-n-переход) (рис. 4, а). В зависимости от полярности приложенного напряжения p-n-переход может либо способствовать (рис. 4, г), либо препятствовать (рис. 4, в) прохождению электрического тока. На границе двух полупроводников еще до подачи внешнего напряжения создаётся двоичный электрический слой с местным электрическим полем напряжённостью Е 0 (рис. 4, б).
Если через диод пропустить переменный ток, то диод будет пропускать только положительную полуволну (рис. 4 г), а отрицательная проходить не будет (см. рис. 4, в). Диод, таким образом, преобразует, или «выпрямляет», переменный ток в постоянный.
ЭКСПЕРИМЕНТ 3
КАК РАБОТАЕТ ТРАНЗИСТОР
Этот эксперимент наглядно демонстрирует основную функцию транзистора, являющегося усилителем тока. Небольшой управляющий ток в цепи базы может вызвать большой ток в цепи эмиттер - коллектор. Меняя сопротивление базового резистора, можно менять ток коллектора.
Соберите схему (рис. 5). Поставьте в схему поочерёдно резисторы: 1 МОм, 470 кОм, 100 кОм, 22 кОм, 10 кОм. Можно заметить, что с резисторами 1 МОм и 470 кОм лампочка не горит; 100 кОм - лампочка едва горит; 22 кОм - лампочка горит ярче; полная яркость наблюдается при подключении базового резистора 10 кОм.
|
Рис. 6. Транзистор со структурой n-p-n. |
Рис. 7. Транзистор со структурой p-n-p. |
Транзистор представляет собой, по существу, два полупроводниковых диода, имеющих одну общую область - базу. Если при этом общей окажется область с p-проводимостью, то получится транзистор со структурой n-p-n (рис. 6); если общая область будет с n-проводимостью, то транзистор будет со структурой p-n-p (рис. 7).
Область транзистора, излучающая (эмигрирующая) носители тока, называется эмиттером; область, собирающая носители тока, называется коллектором. Зона, заключённая между этими областями, называется базой. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между базой и коллектором - коллекторным.
На рис. 5 показано включение транзистора типа n-p-n в электрическую цепь.
При включении в цепь транзистора типа p-n-p полярность включения батареи Б меняется на противоположную.
Для токов, протекающих через транзистор, существует зависимость
I э = I б + I к
Транзисторы характеризуются коэффициентом усиления по току, обозначаемым буквой β, представляет собой отношение приращения тока коллектора к изменению тока базы.
Значение β лежит в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен единиц в зависимости от типа транзистора.
ЭКСПЕРИМЕНТ 4
СВОЙСТВА КОНДЕНСАТОРА
Изучив принцип действия транзистора, можно продемонстрировать свойства конденсатора. Соберите схему (рис. 8), но не присоединяйте электролитический конденсатор 100 мкФ. Затем подключите его на некоторое время в положение А (рис. 8, а). Лампочка загорится и погаснет. Это говорит о том, что в цепи шел ток заряда конденсатора. Теперь поместите конденсатор в положение В (рис. 8, б), при этом руками не касайтесь выводов, иначе конденсатор может разрядиться. Лампочка загорится и погаснет, произошёл разряд конденсатора. Теперь снова поместите конденсатор в положение А. Произошёл его заряд. Положите конденсатор на некоторое время (10 с) в сторону на изолирующий материал, затем поместите в положение В. Лампочка загорится и погаснет. Из этого эксперимента видно, что конденсатор способен накапливать и хранить электрический заряд долгое время. Накопленный заряд зависит от ёмкости конденсатора.
|
Рис. 8. Схема, объясняющая принцип действия конденсатора. |
Рис. 9. Изменение напряжения и тока на конденсаторе во времени. |
Произведите заряд конденсатора, установив его в положение А, затем разрядите его, присоединив к выводам конденсатора проводники с оголёнными концами (проводник держите за изолированную часть!), и поместите его в положение В. Лампочка не загорится. Как видно из этого эксперимента, заряженный конденсатор выполняет роль источника питания (батареи) в цепи базы, но после использования электрического заряда лампочка гаснет. На рис. 9 представлены зависимости от времени: напряжения заряда конденсатора; тока заряда, протекающего в цепи.
ЭКСПЕРИМЕНТ 5
ТРАНЗИСТОР В КАЧЕСТВЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
Соберите схему согласно рис. 10, но пока не устанавливайте резистор R1 и транзистор Т1 в схему. Ключ В должен быть подсоединён к схеме в точке А и Е, чтобы точку соединения резисторов R3, R1 можно было замыкать на общий провод (минусовая шина печатной платы).
Рис. 10. Транзистор в схеме работает как выключатель.
Подключите батарею, лампочка в цепи коллектора Т2 будет гореть. Теперь замкните цепь выключателем В. Лампочка погаснет, так как выключатель соединяет точку А с минусовой шиной, тем самым уменьшая потенциал точки А, следовательно, и потенциал базы Т2. Если выключатель вернуть в исходное положение, лампочка загорится. Теперь отсоедините батарею и подсоедините Т1, резистор R1 не подсоединяйте. Подключите батарею, лампочка снова загорится. Как и в первом случае, транзистор Т1 открыт и через него проходит электрический ток. Поставьте теперь резистор R1 (470 кОм) в точках С и D. Лампочка погаснет. Снимите резистор, и лампочка загорится снова.
Когда напряжение на коллекторе Т1 падает до нуля (при установке резистора 470 кОм), транзистор открывается. База транзистора Т2 подключается через Т1 к минусовой шине, и Т2 закрывается. Лампочка гаснет. Таким образом, транзистор Т1 выполняет роль выключателя.
В предыдущих экспериментах транзистор использовался как усилитель, теперь он использован в качестве выключателя.
Возможности применения транзистора в качестве ключа (выключателя) приведены в экспериментах 6, 7.
ЭКСПЕРИМЕНТ 6
АВАРИЙНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ
Особенностью данной схемы является то, что транзистор Т1, используемый в качестве ключа, управляется фоторезистором R2.
Имеющийся в данном наборе фоторезистор меняет своё сопротивление от 2 кОм при сильном освещении до нескольких сотен кОм в темноте.
Соберите схему согласно рис. 11. В зависимости от освещения помещения, где вы проводите эксперимент, подберите резистор R1 таким образом, чтобы лампочка горела нормально без затемнения фоторезистора.
Рис. 11. Схема аварийной сигнализации на основе фоторезистора.
Состояние транзистора Т1 определяется делителем напряжения, состоящим из резистора R1 и фоторезистора R2.
Если фоторезистор освещён, сопротивление его мало, транзистор Т1 закрыт, тока в его коллекторной цепи нет. Состояние транзистора Т2 определяется подачей положительного потенциала резисторами R3 и R4 на базу Т2. Следовательно, транзистор Т2 открывается, течёт коллекторный ток, лампочка горит.
При затемнении фоторезистора его сопротивление сильно увеличивается и достигает величины, когда делитель подаёт напряжение на базу Т1, достаточное для его открывания. Напряжение на коллекторе Т1 падает почти до нуля, через резистор R4 запирает транзистор Т2, лампочка гаснет.
На практике в подобных схемах в коллекторную цепь транзистора Т2 могут быть установлены другие исполнительные механизмы (звонок, реле и т. д.).
В этой и в последующих схемах может быть использован фоторезистор типа СФ2-9 или аналогичный.
ЭКСПЕРИМЕНТ 7
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ВКЛЮЧЕНИЯ СВЕТА
В отличие от эксперимента 6, в данном- эксперименте при затемнении фоторезистора R1 лампочка горит (рис. 12).
Рис. 12. Схема, включающая свет автоматически.
При попадании света на фоторезистор его сопротивление сильно уменьшается, что приводит к открыванию транзистора Т1, а следовательно, к закрытию Т2. Лампочка не горит.
В темноте лампочка включается автоматически.
Это свойство может использоваться для включения и выключения ламп в зависимости от освещённости.
ЭКСПЕРИМЕНТ 8
СИГНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
Отличительной особенностью данной схемы является большая чувствительность. В этом и ряде последующих экспериментов используется комбинированное соединение транзисторов (составной транзистор) (рис. 13).
Рис. 13. Оптоэлектронное сигнальное устройство.
Принцип действия данной схемы не отличается от схемы . При определённом значении сопротивления резисторов R1 + R2 и сопротивления фоторезистора R3 в цепи базы транзистора Т1 протекает ток. В цепи коллектора Т1 тоже течёт ток, но в (3 раз больший тока базы Т1. Допустим, что (β=100. Весь ток, идущий через эмиттер Т1, должен пройти через переход эмиттер - база Т2. Тогда ток коллектора Т2 в β раз больше тока коллектора Т1, ток коллектора Т1 в β раз больше тока базы Т1, ток коллектора Т2 приблизительно в 10 000 раз больше тока базы Т1. Таким образом, составной транзистор можно рассматривать как единый транзистор с очень большим коэффициентом усиления и большой чувствительностью. Второй особенностью составного транзистора является то, что транзистор Т2 должен быть достаточно мощным, в то время как управляющий им транзистор Т1 может, быть маломощным, так как ток, проходящий через него, в 100 раз меньше тока, проходящего через Т2.
Работоспособность схемы, приведённой на рис. 13, определяется освещённостью помещения, где проводится эксперимент, поэтому важно подобрать сопротивление R1 делителя верхнего плеча так, чтобы в освещённой комнате лампочка не горела, а горела при затемнении фоторезистора рукой, затемнении комнаты шторами или при выключении света, если эксперимент проводится вечером.
ЭКСПЕРИМЕНТ 9
ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ
В этой схеме (рис. 14) для определения влажности материала также используется составной транзистор, обладающий большой чувствительностью. Смещение базы Т1 обеспечивается резистором R1 и двумя проводниками с оголёнными концами.
Проверьте электрическую цепь, слегка сжимая пальцами обеих рук оголённые концы двух проводников, при этом не соединяя их друг с другом. Сопротивление пальцев достаточно для срабатывания схемы, и лампочка загорается.
Рис. 14. Схема датчика влажности. Неизолированные концы проводников пронизывают промокательную бумагу.
Теперь оголённые концы пропустите через промокательную бумагу на расстоянии примерно 1,5-2 см, другие концы присоедините к схеме согласно рис. 14. Затем увлажните промокательную бумагу между проводами водой. Лампочка загорается (В данном случае уменьшение сопротивления произошло за счёт растворения водой имеющихся в бумаге солей.).
Если промокательную бумагу пропитать соляным раствором, а затем высушить и повторить опыт, эффективность эксперимента повышается, концы проводников можно разнести на большее расстояние.
ЭКСПЕРИМЕНТ 10
СИГНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
Данная схема аналогична предыдущей, разница лишь в том, что лампа горит при освещении фоторезистора и гаснет при затемнении (рис. 15).
Рис. 15. Сигнальное устройство на фоторезисторе.
Схема работает следующим образом: при обычном освещении фоторезистора R1 лампочка будет гореть, так как сопротивление R1 мало, транзистор Т1 открыт. При выключении света лампочка погаснет. Свет карманного фонарика или зажжённых спичек заставит лампочку снова гореть. Чувствительность цепи регулируется увеличением или уменьшением сопротивления резистора R2.
ЭКСПЕРИМЕНТ 11
СЧЁТЧИК ИЗДЕЛИЙ
Этот эксперимент надо проводить в полузатемнённом помещении. Все время, когда свет падает на фоторезистор, индикаторная лампочка Л2 горит. Если поместить кусок картона между источником света (лампочкой Л1 и фоторезистором, лампочка Л2 гаснет. Если убрать картон, лампочка Л2 загорается вновь (рис. 16).
Рис. 16. Счётчик изделий.
Чтобы эксперимент прошёл удачно, надо отрегулировать схему, т. е. подобрать сопротивление резистора R3 (наиболее подходящим в этом случае является 470 Ом).
Эта схема практически может быть использована для счта партии изделий на конвейере. Если источник света и фоторезистор размещены таким образом, что между ними проходит партия изделий, цепь то включается, то выключается, так как поток света прерывается проходящими изделиями. Вместо индикаторной лампочки Л2 используется специальный счётчик.
ЭКСПЕРИМЕНТ 12
ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА С ПОМОЩЬЮ СВЕТА
Рис. 23. Делитель частоты на транзисторах.
Транзисторы Т1 и Т2 открываются поочерёдно. Управляющий сигнал посылается в триггер. Когда транзистор Т2 открыт, лампочка Л1 не горит. Лампочка Л2 загорается, когда транзистор Т3 открыт. Но транзисторы Т3 и Т4 открываются и закрываются поочерёдно, следовательно, лампочка Л2 загорается при каждом втором управляющем сигнале, посылаемом мультивибратором. Таким образом, частота горения лампочки Л2 в 2 раза меньше частоты горения лампочки Л1.
Это свойство может использоваться в электрооргане: частоты всех нот верхней октавы органа делятся пополам и создаётся тон октавой ниже. Процесс может повторяться.
ЭКСПЕРИМЕНТ 18
СХЕМА «И» ПО ЕДИНИЦАМ
В этом эксперименте транзистор используется в качестве ключа, а лампочка является индикатором выхода (рис. 24).
Эта схема является логической. Лампочка будет гореть, если на базе транзистора (точка С) будет высокий потенциал.
Допустим, точки А и В не соединены с отрицательной шиной, они имеют высокий потенциал, следовательно, в точке С также высокий потенциал, транзистор открыт, лампочка горит.
Рис. 24. Логический элемент 2И на транзисторе.
Примем условно: высокий потенциал - логическая «1» - лампочка горит; низкий потенциал - логический «0» - лампочка не горит.
Таким образом, при наличии в точках А и В логических «1», в точке С тоже будет «1».
Теперь соединим точку А с отрицательной шиной. Её потенциал станет низким (упадёт до «0» В). Точка В имеет высокий потенциал. По цепи R3 - Д1 - батарея потечёт ток. Следовательно, в точке С будет низкий потенциал или «0». Транзистор закрыт, лампочка не горит.
Соединим с землёй точку В. Ток теперь течёт по цепи R3 - Д2 - батарея. Потенциал в точке С низкий, транзистор закрыт, лампочка не горит.
Если обе точки соединить с землёй, в точке С также будет низкий потенциал.
Подобные схемы могут быть использованы в электронном экзаменаторе и других логических схемах, где сигнал на выходе будет лишь при наличии одновременных сигналов в двух и более входных каналах.
Возможные состояния схемы отражены в таблице.
Таблица истинности схемы И
ЭКСПЕРИМЕНТ 19
СХЕМА «ИЛИ» ПО ЕДИНИЦАМ
Эта схема противоположна предыдущей. Чтобы в точке С был «0», необходимо, чтобы в точках А и В также был «0», т. е. точки А и В надо соединить с отрицательной шиной. В этом случае транзистор закроется, лампочка погаснет (рис. 25).
Если теперь только одну из точек, А или В, соединить с отрицательной шиной, то в точке С все равно будет высокий уровень, т. е. «1», транзистор открыт, лампочка горит.
Рис. 25. Логический элемент 2ИЛИ на транзисторе.
При подсоединении точки В к отрицательной шине ток пойдёт через R2, Д1 и R3. Через диод Д2 ток не пойдёт, так как он включён в обратном для проводимости направлении. В точке С будет около 9 В. Транзистор открыт, лампочка горит.
Теперь точку А соединим с отрицательной шиной. Ток пойдёт через R1, Д2, R3. Напряжение в точке С будет около 9 В, транзистор открыт, лампочка горит.
Таблица истинности схемы ИЛИ
ЭКСПЕРИМЕНТ 20
СХЕМА «НЕ» (ИНВЕРТОР)
Этот эксперимент демонстрирует работу транзистора в качестве инвертора - устройства, способного менять полярность выходного сигнала относительно входного на противоположный. В экспериментах и транзистор не являлся частью действующих логических схем, он лишь служил для включения лампочки. Если точку А соединить с отрицательной шиной, то потенциал её упадёт до,«0», транзистор закроется, лампочка погаснет, в точке В - высокий потенциал. Это означает логическую «1» (рис. 26).
Рис. 26. Транзистор работает как инвертор.
Если точка А не соединена с отрицательной шиной, т. е. в точке А - «1», то транзистор открыт, лампочка горит, напряжение в точке В близко к «0» или это составляет логический «0».
В этом эксперименте транзистор является составной частью логической схемы и может использоваться для преобразования схемы ИЛИ в ИЛИ-НЕ и схемы И в И-НЕ.
Таблица истинности схемы НЕ
ЭКСПЕРИМЕНТ 21
СХЕМА «И-НЕ»
Этот эксперимент сочетает в себе два эксперимента: 18 - схема И и 20 - схема НЕ (рис. 27).
Данная схема функционирует аналогично схеме , формируя на базе транзистора «1» или «0».
Рис. 27. Логический элемент 2И-НЕ на транзисторе.
Транзистор используется в качестве инвертора. Если на базе транзистора появляется «1», то на выходе точка - «0» и наоборот.
Если потенциалы в точке D сравнить с потенциалами в точке С , видно, что они инвертированы.
Таблица истинности схемы И-НЕ
ЭКСПЕРИМЕНТ 22
СХЕМА «ИЛИ-НЕ»
Этот эксперимент сочетает в себе два эксперимента: - схема ИЛИ и - схема НЕ (рис. 28).
Рис. 28. Логический элемент 2ИЛИ-НЕ на транзисторе.
Схема функционирует точно так же, как в эксперименте 20 (на базе транзистора вырабатывается «0» или «1»). Разница лишь в том, что транзистор используется в качестве инвертора: если «1» на входе транзистора, то «0» на его выходе и наоборот.
Таблица истинности схемы ИЛИ-НЕ
ЭКСПЕРИМЕНТ 23
СХЕМА «И-НЕ», СОБРАННАЯ НА ТРАНЗИСТОРАХ
Эта схема состоит из двух логических схем НЕ, коллекторы транзисторов которых соединены в точке С (рис. 29).
Если обе точки, А и В, соединить с отрицательной шиной, то их потенциалы станут равными «0». Транзисторы закроются, в точке С будет высокий потенциал, лампочка гореть не будет.
Рис. 29. Логический элемент 2И-НЕ.
Если лишь точку А соединить с отрицательной шиной, в точке В логическая «1», Т1 закрыт, а Т2 открыт, течёт коллекторный ток, лампочка горит, в точке С логический «0».
Если точку В соединить с отрицательной шиной, то на выходе также будет «0», лампочка будет гореть, в этом случае Т1 открыт, Т2 закрыт.
И, наконец, если точки А и В имеют логическую «1» (не соединены с отрицательной шиной), оба транзистора открыты. На их коллекторах «0», ток течёт через оба транзистора, лампочка горит.
Таблица истинности схемы И-НЕ
ЭКСПЕРИМЕНТ 24
ДАТЧИК ТЕЛЕФОНА И УСИЛИТЕЛЬ
В схеме эксперимента оба транзистора используются в качестве усилителя звуковых сигналов (рис.30).
Рис. 30. Индуктивный датчик телефона.
Сигналы улавливаются и подаются на базу транзистора Т1 с помощью индуктивной катушки L, затем они усиливаются и подаются в телефон. Когда вы закончили собирать схему на плате, расположите ферритовый стержень вблизи телефона перпендикулярно входящим проводам. Будет слышна речь.
В этой схеме и в дальнейшем в качестве индуктивной катушки L используется ферритовый стержень диаметром 8 мм и длиной 100-160 мм, марки 600НН. Обмотка содержит примерно 110 витков медного изолированного провода диаметром 0,15..0,3 мм типа ПЭЛ или ПЭВ.
ЭКСПЕРИМЕНТ 25
МИКРОФОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Если имеется в наличии лишний телефон (рис. 31), он может быть использован вместо катушки индуктивности в предыдущем эксперименте. В результате этого будем иметь чувствительный микрофонный усилитель.
Рис. 31. Микрофонный усилитель.
В пределах собранной схемы можно получить подобие устройства двусторонней связи. Телефон 1 можно использовать как приёмное устройство (подключение в точке А), а телефон 2 - как выходное устройство (подключение в точке В). При этом вторые концы обоих телефонов должны быть соединены с отрицательной шиной.
ЭКСПЕРИМЕНТ 26
УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ ПРОИГРЫВАТЕЛЯ
С помощью граммофонного усилителя (рис. 32) можно слушать записи, не нарушая покоя окружающих.
Схема состоит из двух каскадов звукового усиления. Входным сигналом является сигнал, идущий со звукоснимателя.
Рис. 32. Усилитель для проигрывателя.
На схеме буквой А обозначен датчик. Этот датчик и конденсатор С2 являются ёмкостным делителем напряжения для уменьшения первоначальной громкости. Подстроечный конденсатор С3 и конденсатор С4 являются вторичным делителем напряжения. С помощью С3 регулируется громкость.
ЭКСПЕРИМЕНТ 27
«ЭЛЕКТРОННАЯ СКРИПКА»
Здесь схема мультивибратора предназначена для создания электронной музыки. Схема аналогична . Главным отличием является то, что резистор смещения базы транзистора Т1 является переменным. Резистор 22 кОм (R2), соединённый последовательно с переменным резистором, обеспечивает минимальное сопротивление смещения базы Т1 (рис. 33).
Рис. 33. Мультивибратор для создания музыки.
ЭКСПЕРИМЕНТ 28
МИГАЮЩИЙ ЗУММЕР МОРЗЕ
В этой схеме мультивибратор предназначен для генерирования импульсов с тональной частотой. Лампочка загорается при включении питания схемы (рис. 34).
Телефон в этой схеме включается в цепь между коллектором транзистора Т2 через конденсатор С4 и отрицательной шиной платы.
Рис. 34. Генератор для изучения азбуки Морзе.
С помощью этой схемы можно практиковаться в изучении азбуки Морзе.
Если вас не устраивает тон звука, поменяйте местами конденсаторы С2 и С1.
ЭКСПЕРИМЕНТ 29
МЕТРОНОМ
Метроном - это прибор для задания ритма (темпа), например, в музыке. Для этих целей ранее применялся маятниковый метроном, который давал как визуальное, так и слышимое обозначение темпа.
В данной схеме указанные функции выполняет мультивибратор. Частота темпа равна примерно 0,5 с (рис. 35).
Рис. 35. Метроном.
Благодаря телефону и индикаторной лампочке есть возможность слышать и зрительно ощущать заданный ритм.
ЭКСПЕРИМЕНТ 30
ЗВУКОВОЕ СИГНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С АВТОМАТИЧЕСКИМ ВОЗВРАТОМ В ИСХОДНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ
Эта схема (рис. 36) демонстрирует применение одновибратора, работа которого описана в эксперименте 14. В исходном состоянии транзистор Т1 открыт, а Т2 закрыт. Телефон здесь используется в качестве микрофона. Свист в микрофон (можно просто подуть) или лёгкое постукивание возбуждает переменный ток в цепи микрофона. Отрицательные сигналы, поступая на базу транзистора Т1, закрывают его, а следовательно, открывают транзистор Т2, в цепи коллектора Т2 появляется ток, и лампочка загорается. В это время происходит заряд конденсатора С1 через резистор R1. Напряжение заряженного конденсатора С2 достаточно для открывания транзистора Т1, т. е. схема возвращается в своё первоначальное состояние самопроизвольно, лампочка при этом гаснет. Время горения лампочки составляет около 4 с. Если конденсаторы С2 и С1 поменять местами, то время горения лампочки увеличится до 30 с. Если резистор R4 (1 кОм) заменить на 470 кОм, то время увеличится с 4 до 12 с.
Рис. 36. Акустическое сигнальное устройство.
Этот эксперимент можно представить в виде фокуса, который можно показать в кругу друзей. Для этого необходимо снять один из микрофонов телефона и положить его под плату около лампочки таким образом, чтобы отверстие в плате совпадало с центром микрофона. Теперь, если подуть на отверстие в плате, будет казаться, что вы дуете на лампочку и поэтому она загорается.
ЭКСПЕРИМЕНТ 31
ЗВУКОВОЕ СИГНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С РУЧНЫМ ВОЗВРАТОМ В ИСХОДНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ
Эта схема (рис. 37) по принципу действия аналогична предыдущей, с той лишь разницей, что при переключении схема не возвращается автоматически в исходное состояние, а производится это с помощью выключателя В.
Рис. 37. Акустическое сигнальное устройство с ручным сбросом.
Состояние готовности схемы или исходное состояние будет, когда транзистор Т1 открыт, Т2 закрыт, лампа не горит.
Легкий свист в микрофон даёт сигнал, который запирает транзистор Т1, при этом открывая транзистор Т2. Сигнальная лампочка загорается. Она будет гореть до тех пор, пока транзистор Т2 не закроется. Для этого необходимо закоротить базу транзистора Т2 на отрицательную шину («землю») с помощью ключа В. К подобным схемам можно подключать другие исполнительные устройства, например реле.
ЭКСПЕРИМЕНТ 32
ПРОСТЕЙШИЙ ДЕТЕКТОРНЫЙ ПРИЁМНИК
Начинающему радиолюбителю конструирование радиоприёмников следует начинать с простейших конструкций, например с детекторного приёмника, схема которого представлена на рис. 38.
Работает детекторный приёмник следующим образом: электромагнитные волны, посылаемые в эфир радиостанциями, пересекая антенну приёмника, наводят в ней напряжение с частотой, соответствующей частоте сигнала радиостанции. Наведённое напряжение поступает во входной контур L, С1. Другими словами, этот контур называется резонансным, так как он заранее настраивается на частоту желаемой радиостанции. В резонансном контуре входной сигнал усиливается в десятки раз и после этого поступает на детектор.
Рис. 38. Детекторный приёмник.
Детектор собран на полупроводниковом диоде, который служит для выпрямления модулированного сигнала. Низкочастотная (звуковая) составляющая пройдёт через головные телефоны, и вы услышите речь или музыку в зависимости от передачи данной радиостанции. Высокочастотная составляющая продетектированного сигнала, минуя головные телефоны, пройдёт через конденсатор С2 на землю. Ёмкость конденсатора С2 определяет степень фильтрации высокочастотной составляющей продетектированного сигнала. Обычно ёмкость конденсатора С2 выбирают таким образом, чтобы для звуковых частот он представлял большое сопротивление, а для высокочастотной составляющей его сопротивление было мало.
В качестве конденсатора С1 можно использовать любой малогабаритный конденсатор переменной ёмкости с пределами измерения 10...200 пФ. В данном конструкторе для настройки контура используется керамический подстроечный конденсатор типа КПК-2 ёмкостью от 25 до 150 пФ.
Катушка индуктивности L имеет следующие параметры: число витков - 110±10, диаметр провода - 0,15 мм, тип - ПЭВ-2, диаметр каркаса из изоляционного материала - 8,5 мм.
АНТЕННА
Правильно собранный приёмник начинает работать сразу при подключении к нему наружной антенны, которая представляет собой кусок медного провода диаметром 0,35 мм, длиной 15-20 м, подвешенного на изоляторах на некоторой высоте над землёй. Чем выше будет находиться антенна над землёй, тем лучше будет приём сигналов радиостанций.
ЗАЗЕМЛЕНИЕ
Громкость приёма возрастает, если к приёмнику подключить заземление. Провод заземления должен быть коротким и иметь небольшое сопротивление. Его конец соединяется с медной трубой, идущей в глубь грунта.
ЭКСПЕРИМЕНТ 33
ДЕТЕКТОРНЫЙ ПРИЁМНИК С УСИЛИТЕЛЕМ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Эта схема (рис. 39) аналогична предыдущей схеме детекторного приёмника с той лишь разницей, что здесь добавлен простейший усилитель низкой частоты, собранный на транзисторе Т. Усилитель низкой частоты служит для увеличения мощности сигналов, продетектированных диодом. Схема настройки колебательного контура соединена с диодом через конденсатор С2 (0,1 мкФ), а резистор R1 (100 кОм) обеспечивает диоду постоянное смещение.
Рис. 39. Детекторный приёмник с однокаскадным УНЧ.
Для нормальной работы транзистора используется источник питания напряжением 9 В. Резистор R2 необходим для того, чтобы обеспечить подачу напряжения на базу транзистора для создания необходимого режима его работы.
Для этой схемы, как и в предыдущем эксперименте, необходимы наружная антенна и заземление.
ЭКСПЕРИМЕНТ 34
ПРОСТОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРИЁМНИК
Приёмник (рис. 40) отличается от предыдущего тем, что вместо диода Д установлен транзистор, который одновременно работает и как детектор высокочастотных колебаний, и как усилитель низкой частоты.
Рис. 40. Однотранзисторный приёмник.
Детектирование высокочастотного сигнала в этом приёмнике осуществляется на участке база - эмиттер, поэтому специального детектора (диода) такой приёмник не требует. Транзистор с колебательным контуром связан, как и в предыдущей схеме, через конденсатор ёмкостью 0,1 мкФ и является развязывающим. Конденсатор С3 служит для фильтрации высокочастотной составляющей сигнала, которая также усиливается транзистором.
ЭКСПЕРИМЕНТ 35
РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРИЁМНИК
В этом приёмнике (рис. 41) регенерация используется для улучшения чувствительности и избирательности контура. Эту роль выполняет катушка L2. Транзистор в этой схеме включён несколько иначе, чем в предыдущей. Напряжение сигнала с входного контура поступает на базу транзистора. Транзистор детектирует и усиливает сигнал. Высокочастотная составляющая сигнала не сразу поступает на фильтрующий конденсатор С3, а проходит сначала через обмотку обратной связи L2, которая находится на одном сердечнике с контурной катушкой L1. Благодаря тому, что катушки размещены на одном сердечнике, между ними существует индуктивная связь, и часть усиленного напряжения высокочастотного сигнала из коллекторной цепи транзистора снова поступает во входной контур приёмника. При правильном включении концов катушки связи L2 напряжение обратной связи, поступающее в контур L1 за счёт индуктивной связи, совпадает по фазе с приходящим из антенны сигналом, и происходит как бы увеличение сигнала. Чувствительность приёмника при этом повышается. Однако при большой индуктивной связи такой приёмник может превратиться в генератор незатухающих колебаний, и в телефонах прослушивается резкий свист. Чтобы устранить чрезмерное возбуждение, необходимо уменьшить степень связи между катушками L1 и L2. Достигается это либо удалением катушек друг от друга, либо уменьшением числа витков катушки L2.
Рис. 41. Регенеративный приёмник.
Может случиться, что обратная связь не даёт желаемого эффекта и приём станций, хорошо слышимых ранее, при введении обратной связи прекращается вовсе. Это говорит о том, что вместо положительной обратной связи образовалась отрицательная и нужно поменять местами концы катушки L2.
На небольших расстояниях от радиостанции описываемый приёмник хорошо работает без внешней антенны, на одну магнитную антенну.
Если слышимость радиостанции низкая, к приёмнику все же нужно подключить наружную антенну.
Приёмник с одной ферритовой антенной необходимо установить так, чтобы приходящие от радиостанции электромагнитные волны создавали в катушке колебательного контура наибольший сигнал. Таким образом, когда вы при помощи переменного„конденсатора настроились на сигнал радиостанции, если слышимость плохая, поворачивайте схему для получения сигналов в телефонах нужной для вас громкости.
ЭКСПЕРИМЕНТ 36
ДВУХТРАНЗИСТОРНЫЙ РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРИЁМНИК
Эта схема (рис. 42) отличается от предыдущей тем, что здесь используется усилитель низкой частоты, собранный на транзисторах Т2.
С помощью двухтранзисторного регенеративного приёмника можно вести приём большого количества радиостанций.
Рис. 42. Регенеративный приёмник с усилителем низкой частоты.
Хотя в данном конструкторе (набор № 2) имеется лишь катушка для длинных волн, схема может работать как на средних, так и на коротких волнах, при использовании соответствующих подстроечных катушек. Их можно изготовить самим.
ЭКСПЕРИМЕНТ 37
«ПЕЛЕНГАТОР»
Схема этого эксперимента аналогична схеме эксперимента 36 без антенны и «земли».
Настройтесь на мощную радиостанцию. Возьмите плату в руки (она должна находиться горизонтально) и вращайте, пока не исчезнет звук (сигнал) или, по крайней мере, уменьшится до минимума. В этом положении ось феррита точно указывает на передатчик. Если теперь повернуть плату на 90°, сигналы будут хорошо слышны. Но более точно местонахождение радиостанции можно определить графоматематическим методом, используя при этом компас для определения угла по азимуту.
Для этого необходимо знать направление расположения передатчика с разных позиций - А и В (рис. 43, а).
Допустим, мы находимся в точке А, определили направление расположения передатчика, оно составляет 60°. Переместимся теперь в точку В, при этом замерим расстояние АВ. Определим второе направление расположения передатчика, оно составляет 30°. Пересечение двух направлений и является местонахождением передающей станции.
Рис. 43. Схема пеленгации радиостанции.
Если у вас есть карта с расположением на ней радиовещательных станций, то есть возможность точно определить ваше местонахождение.
Настройтесь на станцию А, пусть она будет расположена под углом 45°, а затем настройтесь на станцию В; её азимут, допустим, равен 90°. Учитывая эти углы, проведите на карте через точки А и В линии, их пересечение и даст ваше местонахождение (рис. 43, б).
Таким же способом корабли и самолёты ориентируются в процессе движения.
КОНТРОЛЬ ЦЕПИ
Чтобы во время экспериментов схемы работали надёжно, необходимо удостовериться, что батарея заряжена, все соединения чистые, а все гайки надёжно завинчены. Выводы батареи должны быть правильно соединены; при подключении необходимо строго соблюдать полярность электролитических конденсаторов и диодов.
ПРОВЕРКА КОМПОНЕНТОВ
Диоды могут быть проверены в ; транзисторы - в ; электролитические конденсаторы (10 и 100 мкФ) - в . Головной телефон также можно проверить, подключив его к батарее,- в наушнике будет слышно «потрескивание».
Микросхема TL431 — это регулируемый стабилитрон. Используется в роли источника опорного напряжения в схемах различных блоков питания.
Технические характеристики TL431
- напряжение на выходе: 2,5…36 вольт;
- выходное сопротивление: 0,2 Ом;
- прямой ток: 1…100 мА;
- погрешность: 0,5%, 1%, 2%;
TL431 имеет три вывода: катод, анод, вход.
Аналоги TL431
Отечественными аналогами TL431 являются:
- КР142ЕН19А
- К1156ЕР5Т
К зарубежным аналогам можно отнести:
- KA431AZ
- KIA431
- HA17431VP
- IR9431N
- AME431BxxxxBZ
- AS431A1D
- LM431BCM
Схемы включения TL431
Микросхема стабилитрон TL431 может использоваться не только в схемах питания. На базе TL431 можно сконструировать всевозможные световые и звуковые сигнализаторы. При помощи таких конструкций возможно контролировать множество разнообразных параметров. Самый основной параметр — контроль напряжения.
Переведя какой-нибудь физический показатель при помощи различных датчиков в показатель напряжения, возможно изготовить прибор, отслеживающий, например, температуру, влажность, уровень жидкости в емкости, степень освещенности, давление газа и жидкости. ниже приведем несколько схем включения управляемого стабилитрона TL431.
Данная схема является стабилизатором тока. Резистор R2 выполняет роль шунта, на котором за счет обратной связи устанавливается напряжения 2,5 вольт. В результате этого на выходе получаем постоянный ток равный I=2,5/R2.
Индикатор повышения напряжения
Работа данного индикатора организована таким образом, что при потенциале на управляющем контакте TL431 (вывод 1) меньше 2,5В, стабилитрон TL431 заперт, через него проходит только малый ток, обычно, менее 0,4 мА. Поскольку данной величины тока хватает для того чтобы светодиод светился, то что бы избежать этого, нужно просто параллельно светодиоду подсоединить сопротивление на 2…3 кОм.
В случае превышения потенциала, поступающего на управляющий вывод, больше 2,5 В, микросхема TL431 откроется и HL1 начнет гореть. Сопротивление R3 создает нужное ограничение тока, протекающий через HL1 и стабилитрон TL431. Максимальный ток проходящий через стабилитрон TL431 находится в районе 100 мА. Но у светодиода максимально допустимый ток составляет всего 20 мА. Поэтому в цепь светодиода необходимо добавить токоограничивающий резистор R3. Его сопротивление можно рассчитать по формуле:
R3 = (Uпит. – Uh1 – Uda)/Ih1
где Uпит. – напряжение питания; Uh1 – падение напряжения на светодиоде; Uda – напряжение на открытом TL431 (около 2 В); Ih1 – необходимый ток для светодиода (5…15мА). Также необходимо помнить, что для стабилитрона TL431 максимально допустимое напряжение составляет 36 В.
Величина напряжения Uз при котором срабатывает сигнализатор (светится светодиод), определяется делителем на сопротивлениях R1 и R2. Его параметры можно подсчитать по формуле:
R2 = 2,5 х Rl/(Uз — 2,5)
Если необходимо точно выставить уровень срабатывания, то необходимо на место сопротивления R2 установить подстроечный резистор, с бОльшим сопротивлением. После окончания точной настройки, данный подстроичник можно заменить на постоянный.
Иногда необходимо проверять несколько значений напряжения. В таком случае понадобятся несколько подобных сигнализатора на TL431 настроенных на свое напряжение.
Проверка исправности TL431
Выше приведенной схемой можно проверить TL431, заменив R1 и R2 одним переменным резистором на 100 кОм. В случае, если вращая движок переменного резистора светодиод засветиться, то TL431 исправен.
Индикатор низкого напряжения
Разница данной схемы от предшествующей в том, что светодиод подключен по иному. Данное подключение именуется инверсным, так как светодиод светится только когда микросхема TL431 заперта.
Если же контролируемое значение напряжения превосходит уровень, определенный делителем Rl и R2, микросхема TL431 открывается, и ток течет через сопротивление R3 и выводы 3-2 микросхемы TL431. На микросхеме в этот момент существует падение напряжения около 2В, и его явно не хватает для свечения светодиода. Для стопроцентного предотвращения загорания светодиода в его цепь дополнительно включены 2 диода.
В момент, когда исследуемая величина окажется меньше порога определенного делителем Rl и R2, микросхема TL431 закроется, и на ее выходе потенциал будет значительно выше 2В, вследствие этого светодиод HL1 засветится.
Индикатор изменения напряжения
Если необходимо следить всего лишь за изменением напряжения, то устройство будет выглядеть следующим образом:
В этой схеме использован двухцветный светодиод HL1. Если потенциал ниже порога установленного делителем R1 и R2, то светодиод горит зеленым цветом, если же выше порогового значения, то светодиод горит красным цветом. Если же светодиод совсем не светится, то это означает что контролируемое напряжение на уровне заданного порога (0,05…0,1В).
Работа TL431 совместно с датчиками
Если необходимо отслеживать изменение какого-нибудь физического процесса, то в этом случае сопротивление R2 необходимо поменять на датчик, характеризующейся изменением сопротивления вследствие внешнего воздействия.
Пример такого модуля приведен ниже. Для обобщения принципа работы на данной схеме отображены различные датчики. К примеру, если в качестве датчика применить , то в конечном итоге получится фотореле, реагирующее на степень освещенности. До тех пор пока освещение велико, сопротивление фототранзистора мало.
Вследствие этого напряжение на управляющем контакте TL431 ниже заданного уровня, из-за этого светодиод не горит. При уменьшении освещенности увеличивается сопротивление фототранзистора. По этой причине увеличивается потенциал на контакте управления стабилитрона TL431. При превышении порога срабатывания (2,5В) HL1 загорается.
Данную схему можно использовать как датчик влажности почвы. В этом случае вместо фототранзистора нужно подсоединить два нержавеющих электрода, которые втыкают в землю на небольшом расстоянии друг от друга. После высыхания почвы, сопротивление между электродами возрастает и это приводит к срабатыванию микросхемы TL431, светодиод загорается.
Если же в качестве датчика применить терморезистор, то можно сделать из данной схемы термостат. Уровень срабатывания схемы во всех случаях устанавливается посредством резистора R1.
TL431 в схеме со звуковой индикацией
Помимо приведенных световых устройств, на микросхеме TL431 можно смастерить и звуковой индикатор. Схема подобного устройства приведена ниже.
Данный звуковой сигнализатор можно применить в качестве контроля за уровнем воды в какой-либо емкости. Датчик представляет собой два нержавеющих электрода расположенных друг от друга на расстоянии 2-3 мм.
Как только вода коснется датчика, сопротивление его понизится, и микросхема TL431 войдет в линейный режим работы через сопротивления R1 и R2. В связи с этим появляется автогенерация на резонансной частоте излучателя и раздастся звуковой сигнал.
Калькулятор для TL431
Для облегчения расчетов можно воспользоваться калькулятором:
(103,4 Kb, скачано: 21 590)
(702,6 Kb, скачано: 14 618)
Одним из зимних вечеров гулял по просторам интернета в поисках схемы датчика влажности почвы, увидел эту схему и она мне приглянулась из за её простоты.
Немного её переделал и вот что получилось
Развел дорожки в " ", вытравил плату, впаял детали и подключил питание. Попробовал дотронуться до контактов Д1 Д2, реле щелкнуло, покрутив переменник убедился что чувствительность меняется. Вроде бы все и надо успокоиться, но я вспомнил, что когда то я разбирал видеомагнитофон и нашел там два как я тогда подумал сопротивления (я не ошибся). Откопав эти сопротивления в куче радиодеталей попробовал одно из них подключить и посмотреть что получится. Вращая переменник добился, чтобы схема реагировала на пар исходящий из рта. Дышишь на датчик и реле срабатывает, таким образом получился датчик влажности воздуха.
Схема очень простая с доступными деталями (кроме сопротивления влажности из видеомагнитофона) . Применить устройство можно для включения вентиляции в ванной комнате, открытия форточки в теплице или парнике а если заменить сопротивление двумя электродами то можно включать автоматически полив растений.
При сборке используются следующие детали:
Переменный резистор 100 кОм тип R3296; Конденсаторы 0,022 мкФ керамика или пленочный, 220 мкФ х 16В электролит, 470мкФ х 25В электролит; Сопротивление 10 кОм 0,125Вт; Транзистор КТ315 с любым буквенным индексом или любой его аналог например BC847 ; Диод 1N4007 или любой другой аналогичный диод; Стабилизатор напряжения LM7809 (9B) или любой другой аналогичный; Реле LEG-12 или любое другое на 12В и тем-же расположением выводов; Микросхема К176ЛА7 или К561ЛА7 или CD4011 или любой её аналог, разница между микросхемами в напряжении питания;
При использовании микросхем К561ЛА7 и CD4011 вместо LM7809 нужно установить перемычку и реле 12В.
Если будет использоваться микросхема К176ЛА7, то вместо перемычки (видно на фото перемычка красного цвета между электролитами) надо впаять стабилизатор по схеме, так как питание этой микросхемы максимум 9В. Так же надо вместо реле 12В установить реле на 9В.
Вот что получилось у меня
Настройка схемы производится вращением переменного сопротивления R1 100 кОм.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DD1 | Логическая ИС | К561ЛА7 | 1 | CD4011 | В блокнот | |
| IC1 | Линейный регулятор | LM7809 | 1 | В блокнот | ||
| VT1 | Биполярный транзистор | BC847 | 1 | В блокнот | ||
| VD1 | Выпрямительный диод | 1N4007 | 1 | В блокнот | ||
| C1 | 220мкФ 16В | 1 | К50-35 | В блокнот | ||
| C2 | Конденсатор | 2.2 нФ | 1 | К15-5 керамический | В блокнот | |
| C3 | Электролитический конденсатор | 470мкФ 25В | 1 | К50-35 | В блокнот | |
| R1 | Подстроечный резистор | 100 кОм | 1 |
Прибор, которым измеряют уровень влажности, называется гигрометром или просто датчиком влажности. В повседневной жизни влажность выступает немаловажным параметром, и часто не только для самой обычной жизни, но и для различной техники, и для сельского хозяйства (влажность почвы) и много для чего еще.
В частности, от степени влажности воздуха немало зависит наше самочувствие. Особенно чувствительными к влажности являются метеозависимые люди, а также люди, страдающие гипертонической болезнью, бронхиальной астмой, заболеваниями сердечно-сосудистой системы.
При высокой сухости воздуха даже здоровые люди ощущают дискомфорт, сонливость, зуд и раздражение кожных покровов. Часто сухой воздух может спровоцировать заболевания дыхательной системы, начиная с ОРЗ и ОРВИ, и заканчивая даже пневмонией.
На предприятиях влажность воздуха способна влиять на сохранность продукции и оборудования, а в сельском хозяйстве однозначно влияние влажности почвы на плодородие и т. д. Здесь и спасает применение датчиков влажности — гигрометров .
Какие-то технические приборы изначально калибруются под строго требуемую важность, и иногда чтобы провести точную настройку прибора, важно располагать точным значением влажности в окружающей среде.
Влажность может измеряться несколькими из возможных величин:
Для определения влажности как воздуха, так и других газов, измерения проводятся в граммах на кубометр, когда речь об абсолютном значении влажности, либо в единицах RH, когда речь о влажности относительной.
Для измеряется влажности твердых тел или в жидкостях подходят измерения в процентах от массы исследуемых образцов.
Для определения влажности плохо смешиваемых жидкостей, единицами измерения будут служить ppm (сколько частей воды приходится на 1000000 частей веса образца).
По принципу действия, гигрометры делятся на:
емкостные;
резистивные;
термисторные;
оптические;
электронные.
Емкостные гигрометры, в самом простом случае, представляют собой конденсаторы с воздухом в качестве диэлектрика в зазоре. Известно, что у воздуха диэлектрическая проницаемость непосредственно связана с влажностью, а изменения влажности диэлектрика приводят и к изменениям в емкости воздушного конденсатора.
Более сложный вариант емкостного датчика влажности в воздушном зазоре содержит диэлектрик, с диэлектрической проницаемостью, могущей сильно меняться под влиянием на него влажности. Данный подход делает качество датчика лучше, чем просто с воздухом между обкладками конденсатора.
Второй вариант хорошо подходит для проведения измерений относительно содержания воды в твердых веществах. Исследуемый объект размещается между обкладками такого конденсатора, к примеру объектом может быть таблетка, а сам конденсатор присоединяется к колебательному контуру и к электронному генератору, при этом измеряется собственная частота полученного контура, и по измеренной частоте «вычисляется» емкость, полученная при внесении исследуемого образца.
Безусловно, данный метод обладает и некоторыми недостатками, например при влажности образца ниже 0.5% он будет неточным, кроме того, измеряемый образец должен быть очищен от частиц, имеющих высокую диэлектрическую проницаемость, к тому же важна и форма образца в процессе измерений, она не должна изменяться в ходе исследования.
Третий тип емкостного датчика влажности - это емкостный тонкопленочный гигрометр. Он включает в себя подложку, на которую нанесены два гребенчатых электрода. Гребенчатые электроды играют в данном случае роль обкладок. С целью термокомпенсации в датчик дополнительно вводят еще и два термодатчика.
Такой датчик включает в себя два электрода, которые нанесены на подложку, а поверх на сами электроды нанесен слой материала, который отличается достаточно малым сопротивлением, сильно, однако, меняющимся в зависимости от влажности.
Подходящим материалом в устройстве может выступать оксид алюминия. Данный оксид хорошо поглощает из внешней среды воду, при этом удельное сопротивление его заметно изменяется. В результате общее сопротивление цепи измерения такого датчика будет значительно зависеть от влажности. Так, об уровне влажности станет свидетельствовать величина протекающего тока. Достоинство датчиков такого типа - малая их цена.
Термисторный гигрометр состоит из пары одинаковых термисторов. К слову напомним, что — это нелинейный электронный компонент, сопротивление которого сильно зависит от его температуры.
Один из включенных в схему термисторов размещают в герметичной камере с сухим воздухом. А другой - в камере с отверстиями, через которые в нее поступает воздух с характерной влажностью, значение которой требуется измерить. Термисторы соединяют по мостовой схеме, на одну из диагоналей моста подается напряжение, а с другой диагонали считывают показания.
В случае, когда напряжение на выходных клеммах равно нулю, температуры обоих компонентов равны, следовательно одинакова и влажность. В случае, когда на выходе будет получено не нулевое напряжение, то это свидетельствует о наличии разности влажностей в камерах. Так, по значению полученного при измерениях напряжения определяют влажность.
У неискушенного исследователя может возникнуть справедливый вопрос, почему же температура термистора меняется при его взаимодействии с влажным воздухом? А дело все в том, что при увеличении влажности, с корпуса термистора начинает испаряться вода, при этом температура корпуса уменьшается, и чем выше влажность, тем более интенсивно происходит испарение, и тем стремительнее остывает термистор.
4) Оптический (конденсационный) датчик влажности
Этот вид датчиков наиболее точен. В основе работы оптического датчика влажности — явление связанной с понятием «точка росы». В момент достижения температурой точки росы, газообразная и жидкая фазы - в условии термодинамического равновесия.
Так, если взять стекло, и установит в газообразной среде, где температура в момент исследования выше точки росы, а затем начать процесс охлаждения данного стекла, то при конкретном значении температуры на поверхности стекла начнет образовываться водяной конденсат, это водяной пар станет переходить в жидкую фазу. Данная температура и будет как раз точкой росы.
Так вот, температура точки росы неразрывно связана и зависит от таких параметров как влажность и давление в окружающей среде. В результате, имея возможность измерения давления и температуры точки росы, получится легко определить и влажность. Этот принцип служит основой для функционирования оптических датчиков влажности.
Простейшая схема такого датчика состоит из светодиода, светящего на зеркальную поверхность. Зеркало же отражает свет, меняя его направление, и направляя на фотодетектор. В данном случае зеркало можно подогревать или охлаждать посредством специального устройства регулирования температуры высокой точности. Часто таким устройством выступает термоэлектрический насос. Конечно же, на зеркало устанавливают датчик для измерения температуры.
Прежде чем начать измерения, температуру зеркала выставляют на значение, которое заведомо выше температуры точки росы. Дальше осуществляют постепенное охлаждение зеркала. В момент, когда температура начнет пересекать точку росы, на поверхности зеркала тут же начнут конденсироваться капли воды, и световой луч от диода приломится из-за них, рассеется, а это приведет к уменьшению тока в цепи фотодетектора. Через обратную связь фотодетектор взаимодействует с регулятором температуры зеркала.
Так, опираясь на информацию, полученную в форме сигналов от фотодетектора, регулятор температуры станет удерживать температуру на поверхности зеркала точно равной точке росы, а термодатчик соответственно покажет температуру. Так, при известных давлении и температуре можно точно определить основные показатели влажности.
Оптический датчик влажности обладает самой высокой точностью, недостижимой другими типами датчиков, плюс отсутствие гистерезиса. Недостаток — самая высокая цена из всех, плюс большое потребление электроэнергии. К тому же необходимо следить за тем, чтобы зеркало было чистым.
Принцип работы электронного датчика влажности воздуха основан на изменении концентрации электролита, покрывающего собой любой электроизоляционный материал. Существуют такие приборы с автоматическим подогревом с привязкой к точке росы.
Часто точка росы измеряется над концентрированным раствором хлорида лития, который является очень чувствительным к минимальным изменениям влажности. Для максимального удобства такой гигрометр зачастую дополнительно оборудуют термометром. Этот прибор обладает высокой точностью и малой погрешностью. Он способен измерять влажность независимо от температуры окружающей среды.
Популярны и простые электронные гигрометры в форме двух электродов, которые просто втыкаются в почву, контролируя ее влажность по степени проводимости в зависимости от этой самой влажности. Такие сенсоры популярны у поклонников , поскольку можно легко настроить автоматический полив грядки или цветка в горшке, на случай если поливать в ручную некогда или не удобно.
Прежде чем купить датчик, подумайте, что вам нужно будет измерять, относительную или абсолютную влажность, воздуха или почвы, каков предвидится диапазон измерений, важен ли гистерезис, и какая нужна точность. Самый точный датчик — оптический. Обратите внимание на класс защиты IP, на диапазон рабочих температур, в зависимости от конкретных условий, где будет использоваться датчик, подойдут ли вам параметры.
Андрей Повный
Это простое самодельное устройство используется для воды или другой жидкости, В различных помещениях или в емкостях. Например,эти датчики очень часто используют для фиксации возможного затопления подвала или погреба талыми водами или на кухне под мойкой и т.п.
Роль датчика влажности выполняет кусок фольгированного стеклотекстолита с прорезанными в нем канавками,и как только в них попадет вода автомат отключит нагрузку от сети. Или если использовать тыловые контакты реле-автомат включит насос или или нужное нам устройство.
Сам датчик изготавливаем точно также как и в предыдущей схеме. Если жидкость попадет на контакты датчика F1 звуковой сигнализатор начнет издавать постоянный звуковой сигнал, а также загорится светодиод HL1.
Тумблером SA1 можно менять порядок индикации HL1 на непрерывное свечение светодиода в дежурной режиме.
Эту схему датчика влажности можно использовать в качестве сигнализатора дождя, переполнения какой-либо емкости с жидкостью, протечки воды и т.д. Питание схемы может быть подано от любого постоянного источника питания напряжением пять вольт.
Источником звукового сигнала является звукоизлучатель со встроенным звуковым генератором. Датчик влажности изготавливаем из полоски фольгированного текстолита, у которого сделана тонкая дорожка в фольге. Если датчик сухой, то звуковой сигнал не сигнализирует. В случае намокания датчика, мы сразу услышим прерывистый сигнал тревоги.
Питается конструкция от батарейки типа крона и ее хватит на два года, потому что во время режима ожидания, схема потребляет почти нулевой ток. Еще одним бонусом схемы можно считать тот момент, что практически любое число датчиков можно подключить параллельно входу и таким образом образом охватить всю контролируемую площадь за раз. Схема детектора построена на двух транзисторах типа 2N2222, соединенных способом Дарлингтона".
Перечень радиокомпонентовR1, R3 - 470K
SW1 - кнопка
R2 - 15к
SW2 - переключатель
R4 - 22K
B1 - батарея типа крона
C1 - конденсатор емкостью 0.022 мкФ
T1, T2 - входные клеммы
PB1 - (RS273-059) пьезо-зуммер
Q1, Q2 - транзисторы типа 2N2222
Когда первый транзистор открывается, он сразу же отпирает второй, который включает пьезозуммер. При отсутствии жидкости оба транзистора надежно заперты и потребляется очень низкий ток от батареи питания. Когда зуммер включается, потребляемый ток увеличивается до 5 мА. Звукоизлучатели типа RS273-059 имеют в своем составе встроенный генератор. Если необходим более мощный сигнал тревоги, подключите несколько зуммеров параллельно или возьмите две батареи.
Печатную плату изготавливаем с размерами 3*5 см.
Тумблер test, подсоединяет 470 кОм сопротивление на вход, имитируя действие жидкости, тем самым проверяя работоспособность схемы. Транзисторы можно заменить на отечественные, типа КТ315 или КТ3102.
Автоматический датчик влажности предназначен для включения принудительной вентиляции помещения при повышенной влажности воздуха, может быть установлена на кухне, в ванной комнате, погребе, подвале, гараже. Его назначение - включить вентиляторы принудительного проветривания помещения, когда влажность в нём приближается к 95... 100 %.
Устройство отличается высокой экономичностью, надёжностью, а простота конструкции позволяет легко модифицировать его узлы под конкретные условия эксплуатации. Схема датчика влажности представлена на рисунке ниже.
Работает схема следующим образом. Когда влажность воздуха в помещении в норме, сопротивление датчика росы - газорезистора В1 не превышает 3 кОм, транзистор VT2 открыт, мощный высоковольтный полевой транзистор VT1 закрыт, первичная обмотка трансформатора Т1 обесточена. Также будет обесточена нагрузка, подключенная к разъёму ХР1.
Как только влажность воздуха приближается к точке выпадения росы, например, закипел оставленный без присмотра , ванная комната заполняется горячей водой, погреб подтапливается талыми, грунтовыми водами, отказал терморегулятор водонагревателя сопротивление газорезистора В1 резко жение переменного тока снимается с вторичной обмотки Т1 и поступает на мостовой диодный выпрямитель VD2. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются оксидным конденсатором большой ёмкости С2. Параметрический стабилизатор напряжения постоянного тока простроен на составном транзисторе VT3 с большим коэффициентом передачи тока базы типа КТ829Б, стабилитроне VD5 и балластном резисторе R6.
Конденсаторы СЗ, С4 уменьшают пульсации выходного напряжения. К выходу стабилизатора напряжения могут быть подключены вентиляторы с рабочим напряжением 12... 15В, например,«компьютерные». К гнезду ХР1 могут быть подключены вентиляторы общей мощностью до 100 Вт, рассчитанные на напряжение питания 220 В переменного тока. В разрыв цепи питания понижающего трансформатора Т1 и высоковольтной нагрузки установлен мостовой выпрямитель VD1. На сток полевого транзистора поступает пульсирующее напряжение постоянного тока. Каскад на транзисторах VT1, VT2 питается стабилизированным напряжением +11 В, заданным стабилитроном VD7. Напряжение на этот стабилитрон поступает по цепочке R2, R3, VD4, HL2. Такое схемное решение позволяет открывать полевой транзистор полностью, что значительно снижает рассейемую на нём мощность.
Транзисторы VT1, VT2 включены как триггер Шмитта, что исключает нахождение полевого транзистора в промежуточном состоянии, чем предотвращается его перегрев. Чувствительность датчика влажности задаётся подстроечным резистором R8, а при необходимости и подбором сопротивления резистора R7. Варисторы RU1 и RU2 защищают элементы устройства от повреждений всплесками напряжения сети. Светодиод HL2 зелёного цвета свечения показывает наличие напряжения питания, а красный светодиод HL1 сигнализирует о высокой влажности и включении устройства в режим принудительного проветривания помещения.
К устройству можно подключить до 8 низковольтных вентиляторов с током потребления до 0,25 А каждый и, или несколько вентиля- торов с напряжением питания 220 В. Если с помощью этого устройства будет необходимо управлять более мощной нагрузкой с напряжением питания 220 В, то к выходу стабилизатора напряжения можно подключить электромагнитные реле, например, типа G2R-14-130, контакты которого рассчитаны на коммутацию переменного тока до 10 А при напряжении 250 В. Параллельно резистору R8 можно установить терморезистор с отрицательным ТКС, сопротивлением 3,3...4,7 кОм при 25°С, размещённым, например, над газовой или электроплитой, что позволит включать вентиляцию также и при росте температуры воздуха выше 45...50 °С, когда конфорки плиты работают на полную мощность.
На месте трансформатора Т1 можно установить любой понижающий трансформатор с габаритной мощностью не менее 40 Вт, вторичная обмотка которого рассчитана на величину тока не менее тока низковольтной нагрузки. Без перемотки вторичной обмотки «Юность», «Сапфир». Также подойдут унифицированные трансформаторы ТПП40 или ТН46-127/220-50. При самостоятельном изготовлении трансформатора можно использовать Ш-образный магнитопровод сечением 8,6 см2 Первичная обмотка содержит 1330 витков провода диаметром 0,27 мм.
Вторичная обмотка 110 витков обмоточного провода диаметром 0,9 мм. Вместо транзистора КТ829Б подойдёт любой из серий КТ829, КТ827, BDW93C, 2SD1889, 2SD1414. Этот транзистор устанавливают на теплоотвод, размер которого будет зависеть от тока нагрузки и величине падения напряжения коллектор-эмиттер VT3. Желательно выбрать такой теплоотвод, с которым температура корпуса транзистора VT3 не превышала бы 60°С.
Если напряжение на обкладках конденсатора С2 при подключенной к выходу стабилизатора нагрузке будет больше 20 В, то для уменьшения рассеиваемой VT3 мощности можно отмотать от вторичной обмотки трансформатора несколько витков. Полевой транзистор IRF830 можно заменить на КП707В2, IRF422, IRF430, BUZ90A, BUZ216 . При монтаже этого транзистора необходима его защита от пробоя статическим электричеством . Вместо SS9014 можно применить любой из серий КТ315, КТ342, КТ3102, КТ645, 2SC1815. При замене биполярных транзисторов учитывайте различия в цоколёвках.
Диодные мосты KBU можно заменить на аналогичные КВР08, BR36, RS405, KBL06. Вместо 1N4006 можно использовать 1N4004 - 1N4007, КД243Г, КД247В, КД105В. Стабилитроны: 1N5352 - КС508Б, КС515А, КС215Ж; 1N4737A - КС175А, КС175Ж, 2С483Б; 1 N4741А - Д814Г, Д814Г1, 2С211Ж, КС221В.
Светодиоды могут быть любые общего применения, например, серий АЛ307, КИПД40, L-63. Оксидные конденсаторы - импортные аналоги К50-35, К50-68. Варисторы - любые малой или средней мощности на классификационное рабочее напряжение 430 В, 470 В, например, FNR-14K431, FNR-10K471. Чувствительный к влажности воздуха газорезистор ГЗР-2Б взят из старого отечественного видеомагнитофона «Электроника ВМ-12». Аналогичный газорезистор можно найти и в других неисправных отечественных и импортных видеомагнитофонах или в старых кассетных видеокамерах. Этот газорезистор обычно прикручен к металлическому шасси лентопротяжного механизма. Его назначение - блокировать работу аппарата при запотевании лентопротяжного механизма, что предотвращает заматывание и порчу магнитной ленты. Устройство можно смонтировать на печатной плате размерами 105x60 мм, Газорезистор предпочтительнее разместить в отдельной коробочке из изоляционного материала с отверстиями, устанавливаемой в месте попрохладней. Также рекомендуется прикрутить его к небольшой металлической пластине, можно через тонкую слюдяную изолирующую прокладку. Для защиты смонтированной платы от влаги, монтаж и печатные проводники покрывают несколькими слоями лака ФЛ-98, МЛ-92 или цапонлаком.
Газорезистор ничем закрашивать не надо. Для проверки устройства на работоспособность можно просто выдохнуть на газорезистор воздух из лёгких или, поднести поближе ёмкость с кипятком. Через несколько секунд вспыхнет светодиод HL1 и подключенные в качестве нагрузок вентиляторы начнут бороться с повышенной влажностью. В дежурном режиме устройство потребляет ток от сети около 3 мА, что очень немного. Поскольку устройство потребляет в дежурном режиме мощность менее 1 Вт, то его можно эксплуатировать круглосуточно, не опасаясь за расход электроэнергии. Так как устройство частично имеет гальваническую связь с напряжением сети переменного тока 220 В, то при настройке и эксплуатации устройства следует соблюдать соответствующие меры предосторожности.
В результате многочисленных экспериментов появилась вот эта схема датчика почвы на одной единственной микросхеме. Подойдёт любая из микросхем: К176ЛЕ5, К561ЛЕ5 или CD4001A.
Датчик влажности воздуха, схема и чертежи которого прилагаются, дает возможность полностью автоматизировать процесс контроля и управления относительной влажностью воздуха в любом помещении. Данная схема датчика влажности дает возможность измерять относительную влажность в диапазоне от 0–100%. При очень высокой точности и стабильности параметров
Светозвуковой сигнализатор выкипания воды. - Радио, 2004, №12, стр. 42, 43.
. - Схемотехника, 2004, №4, стр. 30-31.
Константа» в погребе. - САМ, 2005, № 5, стр. 30, 31.