O součástkách a lidech

Pro ty z vás, kteří by chtěli pochopit více do hloubky, jak váš blikač funguje, tu máme obsáhlejší text. Napsal ho autor tohoto okénka a náš elektronický guru Vojťák. Pokud vás zapojování na nepájivém poli baví, pak vás vítáme v králičí noře, která vede hodně hluboko a zahrnuje takové věci jako hromady sáčků se součástkami, různobarevné skříňky se šuplíčky a stohy schémat a časopisů Praktická elektronika.

Světlo vyzařující dioda (LED)

Elektronická součástka, která v elektronice prakticky vystřídala klasickou žárovku. Oproti ní má dva zásadní rozdíly:

Jedná se o polovodičovou diodu, tedy záleží na tom, kde je plus. Proud vede jen v jednom (propustném) směru, od anody ke katodě (ve směru „šipky“ ve schématu).

Každá LED svítí při určitém napětí, které je dáno vlnovou délkou světla a použitým polovodičovým materiálem. Při překročení tohoto napětí strmě roste protékající proud, který LED velmi rychle zničí.

Proto je nutné proud protékající svítivou diodou omezit. Nejjednodušší je sériově připojit rezistor. Velikost jeho odporu vypočítáme z Ohmova zákona: R = U_R / I = (U_nap − U_LED) / I

Pro běžnou červenou LED, která svítí při napětí U_LED = 2 V a proudu I = 10 mA, tedy vychází pro napájení napětí U_nap = 3 V potřebný sériový odpor R = (3 V − 2 V) / 10 mA = 100 Ω.

Tranzistor

Bipolární tranzistor je součástka, která umožňuje pomocí malého proudu protékajícího jeho bází řídit mnohonásobně vyšší proud tekoucí kolektorem. Princip si jednoduše vysvětlíme na tranzistoru typu NPN v zapojení „se společným emitorem“.

Pokud bází tranzistoru neteče elektrický proud, tranzistor je „rozepnutý“ a neprochází žádný proud ani přes LED připojenou k jeho kolektoru.

Schéma jednoduchého zapojení s tranzistorem.

Jestliže (přes rezistor 47 kΩ) necháme P-N přechodem báze-emitor procházet proud, tranzistor „sepne“ kolektor s emitorem a LED se rozsvítí. Aby došlo k plnému sepnutí tranzistoru, stačí u běžných tranzistorů cca 200–500× menší proud bází než kolektorem.

Tranzistory typu PNP se od NPN liší tím, že veškerá polarita je přesně naopak. Tedy emitor se při tomto zapojení připojuje ke kladnému pólu napájení.

Kondenzátor

Kondenzátor v sobě dokáže shromažďovat elektrický náboj, jehož množství je při daném napětí dáno kapacitou kondenzátoru. Přímo úměrná kapacitě kondenzátoru je tedy i doba, za kterou se při určitém proudu nabije na požadované napětí. Proto se kondenzátory používají jako nejjednodušší časová základna.

Zapojení LED s rezistorem a kondenzátorem.

Při zapojení kondenzátoru v sérii s LED a rezistorem by tedy dioda svítila, dokud by se kondenzátor nenabil na napětí blízké 1 V, při kterém by byl již proud příliš malý. Při kapacitě 1000 μF by LED blikla cca na dobu 1 s.

Schéma zapojení s kondenzátorem a tranzistorem.

Protože kapacita 1000 μF je již poměrně velká, je z praktických důvodů vhodnější nechat téct kondenzátorem menší proudy. Proto i v tomto případě bude kondenzátor připojen na bázi tranzistoru. Když v obvodu na obrázku připojíme napájení, kondenzátor 10 μF se přes levou LED, rezistor a P-N přechod báze-emitor velmi rychle nabije na napětí cca 1 V. Pravá LED bude stále svítit, protože i po nabití kondenzátoru poteče přes rezistor 47 kΩ do báze tranzistoru dostatečný proud.

Jakmile ale sepneme spínač (čímž rozsvítíme levou LED), dostaneme z kondenzátoru na bázi tranzistoru záporné napětí, takže se P-N přechod mezi bází a emitorem dostane do závěrného směru, tranzistor se rozepne a pravá LED zhasne. Mezitím se postupně bude přes rezistor 47 kΩ kondenzátor vybíjet, resp. nabíjet na opačnou polaritu, a jakmile napětí na bázi tranzistoru dosáhne cca 0,5 V, zase začne procházet proud a pravá LED se rozsvítí. Díky mnohem menším proudům tento děj trvá i při mnohem menší kapacitě kondenzátoru dostatečně dlouhou dobu.

Astabilní klopný obvod

Přestože je výše popsaný děj opakovatelný, stále vyžaduje „ruční“ ovládání spínače řídícího nabíjení kondenzátoru. Můžeme ale využít toho, že tranzistor se chová také jako spínač a spínání zautomatizovat. Následující obrázek ukazuje zapojení dvou totožných částí tak, že každá ovládá tu druhou.

Jakmile sepne jeden z tranzistorů a rozsvítí se LED připojená k jeho kolektoru, přes kondenzátor se dostane záporné napětí na bázi druhého tranzistoru a ten vypne. Postupně se však kondenzátor nabije na opačnou polaritu a tento druhý tranzistor sepne, čímž zase přes druhý kondenzátor vypne první tranzistor. Tento děj se stále opakuje a jednotlivé LED střídavě blikají, přičemž rychlost blikání je dána kapacitou kondenzátorů a velikostí odporů na bázích tranzistorů.