Proste projekty z tranzystorami są dobrym punktem startu dla osób uczących się elektroniki. Wymagają niewielu elementów, są tanie w budowie i pozwalają szybko zobaczyć, jak działa przełączanie, wzmacnianie sygnału, oscylacja albo detekcja poziomu napięcia. Do takich ćwiczeń należą między innymi alarm deszczowy, prosty układ opóźniający, migacz LED czy automatyczna lampka nocna.
Większość opisanych układów można zmontować na płytce stykowej, bez lutowania i bez drogiego wyposażenia. To praktyczne ćwiczenia szkolne i warsztatowe: wystarczy zasilanie bateryjne, kilka rezystorów, kondensatorów, diod LED oraz popularne tranzystory małej mocy. Poniżej omawiamy dziesięć prostych projektów, które pomagają zrozumieć podstawowe zachowanie tranzystora w rzeczywistym obwodzie.
1. Co można zrobić z tranzystorem?
Tranzystor to element półprzewodnikowy, który może wzmacniać sygnały albo pracować jako elektroniczny przełącznik. W prostych projektach najczęściej wykorzystuje się właśnie tę drugą funkcję: niewielki prąd bazy steruje większym prądem płynącym przez kolektor i emiter. Dzięki temu słaby sygnał z czujnika, przycisku lub dzielnika napięcia może włączyć diodę LED, brzęczyk, przekaźnik albo kolejny stopień układu.
W konfiguracji ze wspólnym emiterem tranzystor NPN może działać jako przełącznik po stronie masy: obciążenie podłącza się do dodatniego zasilania, tranzystor zwiera je do masy, a rezystor ogranicza prąd bazy. Taki układ jest podstawą wielu projektów z czujnikami. Tranzystor można też wykorzystać jako wzmacniacz małych sygnałów, element generatora, bufor prądowy albo prosty stopień sterujący dla większego obciążenia.
W nowoczesnej elektronice pojedynczy tranzystor jest tylko jednym z wielu elementów, ale zasada jego działania pozostaje fundamentalna. Zrozumienie prostego stopnia tranzystorowego ułatwia później projektowanie układów z mikrokontrolerami, przekaźnikami, czujnikami, zasilaniem i płytkami drukowanymi.
2. 10 prostych projektów z tranzystorami
Poniższe przykłady są przeznaczone dla początkujących. Warto składać je najpierw na płytce stykowej, sprawdzać polaryzację elementów i zasilać niskim napięciem, zgodnym ze schematem danego układu.
Alarm z czujnikiem deszczu
Alarm deszczowy można zbudować jako prosty detektor przewodności. Dwie odsłonięte elektrody pełnią rolę czujnika: gdy połączy je kropla wody, do bazy tranzystora dopływa niewielki prąd. Jeżeli potrzebna jest większa czułość, stosuje się parę Darlingtona albo gotowy tranzystor Darlingtona, ponieważ taki układ ma znacznie większe wzmocnienie prądowe.
Po wykryciu wody tranzystor włącza diodę LED lub brzęczyk. W wersji warsztatowej warto dodać rezystor ograniczający prąd LED oraz tak dobrać rezystor bazy, aby układ nie reagował przypadkowo na wilgotne palce albo zakłócenia. To dobry przykład wykorzystania tranzystora jako przełącznika sterowanego czujnikiem.
(czujnik wody w alarmie deszczowym)
Zasilacz o niskich tętnieniach
Wzmacniacze audio i czułe układy pomiarowe źle znoszą tętnienia zasilania. Samo poprawne prowadzenie masy nie zawsze wystarczy, jeżeli na linii zasilania pozostaje przydźwięk sieciowy albo zakłócenia od prostownika. Prosty filtr tranzystorowy może wtedy pracować jako mnożnik pojemności: baza otrzymuje wygładzone napięcie z kondensatora, a emiter dostarcza stabilniejsze zasilanie do obciążenia.
Do takiego układu dobiera się tranzystor o odpowiednim prądzie i mocy strat oraz kondensator o napięciu pracy wyższym od napięcia zasilania. Nie zastępuje to pełnego stabilizatora w każdym zastosowaniu, ale w prostych projektach skutecznie zmniejsza tętnienia widoczne dla dalszej części obwodu.
Źródło: https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:PC-PowerSupply-Principle-Circuit.svg
Tester rezonatorów kwarcowych
Rezonator kwarcowy jest elementem pasywnym, ale do sprawdzenia jego działania potrzebny jest aktywny układ wzbudzający drgania. Najprostszy tester kwarców można zbudować jako oscylator tranzystorowy. Jeżeli rezonator jest sprawny i dobrany do zakresu układu, oscylator startuje, a obecność drgań można zasygnalizować diodą LED lub sprawdzić miernikiem częstotliwości.
W praktyce brak świecenia kontrolki nie zawsze oznacza uszkodzenie rezonatora; przyczyną może być też błędna pojemność obciążenia, złe połączenie albo częstotliwość poza zakresem testera. Mimo to taki układ dobrze pokazuje, jak tranzystor może podtrzymywać oscylacje w obwodzie rezonansowym.
(tester rezonatorów kwarcowych)
Tester stabilności ręki
Tester stabilności ręki to popularne ćwiczenie: metalową pętlę prowadzi się wzdłuż wygiętego drutu, starając się go nie dotknąć. Dotknięcie zamyka obwód wejściowy, tranzystor zaczyna przewodzić i uruchamia sygnał dźwiękowy albo świetlny. Do zasilania wystarczy niskie napięcie bateryjne, na przykład 5 V lub 9 V, zależnie od zastosowanego brzęczyka i rezystorów.
W takim projekcie tranzystor pełni funkcję czułego przełącznika. Dzięki niemu przez element dotykany ręką płynie tylko niewielki prąd sterujący, a właściwe obciążenie, na przykład brzęczyk, jest zasilane przez obwód kolektora. To prosty sposób na bezpieczne zbudowanie gry zręcznościowej na płytce stykowej.
Wskaźnik poziomu wody
Wskaźnik poziomu wody działa podobnie jak alarm deszczowy, ale sondy umieszcza się na określonej wysokości w zbiorniku. Gdy woda dosięgnie elektrod, zaczyna przewodzić niewielki prąd, który włącza tranzystor. Ten może zapalić diodę LED, uruchomić brzęczyk albo podać sygnał na timer 555 pracujący jako generator dźwięku.
Podstawowa zasada jest prosta: dwie sondy nie stykają się ze sobą bezpośrednio, a przewodnikiem staje się dopiero woda. Warto pamiętać, że czysta woda przewodzi słabo, dlatego w praktyce czułość układu zależy od rezystorów wejściowych, odległości między sondami i składu wody. Zbyt mały rezystor może niepotrzebnie zwiększać prąd sond, a zbyt duży może powodować fałszywe zadziałania.
Jeżeli sygnał ma być dźwiękowy, stopień tranzystorowy można połączyć z astabilnym multiwibratorem lub układem 555. Częstotliwość tonu zależy wtedy od rezystorów i kondensatorów w generatorze. To dobry projekt do nauki zależności między stałą czasową RC a zachowaniem całego obwodu.
Prosty układ opóźniający
Z dwóch tranzystorów, rezystorów, diody i kondensatora można zbudować prosty układ opóźniający włączenie lub wyłączenie obciążenia. Po naciśnięciu przycisku kondensator ładuje się przez rezystor, a napięcie na bazie tranzystora zmienia się stopniowo. Dopiero po przekroczeniu progu przewodzenia tranzystor uruchamia diodę LED, brzęczyk albo kolejny stopień sterujący.
Czas opóźnienia zależy przede wszystkim od iloczynu rezystancji i pojemności. Większy kondensator albo większy rezystor wydłuża czas reakcji, ale zbyt duże wartości mogą pogorszyć powtarzalność i zwiększyć wpływ prądów upływu. To proste ćwiczenie dobrze tłumaczy, dlaczego w elektronice analogowej dobór wartości elementów jest równie ważny jak sam schemat.
Generator tykania z opóźnieniem
Ten projekt to niewielki generator impulsów dźwiękowych przypominających tykanie zegara. Nie ma związku z materiałami pirotechnicznymi; jest po prostu ćwiczeniem z ładowania kondensatora i progowego włączania tranzystora. Częstotliwość impulsów można ustawić rezystorem, na przykład rzędu 220 kΩ, oraz kondensatorem, na przykład 2,2 uF, zgodnie ze schematem układu.
Gdy napięcie baza-emiter jednego z tranzystorów osiąga około 0,6-0,7 V, tranzystor zaczyna przewodzić i powoduje krótki impuls prądu przez przetwornik dźwiękowy. Po rozładowaniu kondensatora tranzystory wracają do stanu nieprzewodzenia, a cykl rozpoczyna się od nowa. Popularne tranzystory PNP, takie jak BC557, można stosować w takich generatorach, jeśli polaryzacja układu jest zgodna ze schematem.
Generator impulsów dźwiękowych
Migacz LED
Migacz LED to jeden z najczęściej budowanych pierwszych układów tranzystorowych. Najprostsza wersja wykorzystuje astabilny multiwibrator z dwoma tranzystorami i dwoma kondensatorami. Gdy jeden tranzystor przewodzi, odpowiadająca mu dioda LED świeci, a kondensator po drugiej stronie ładuje się do momentu przełączenia układu.
Po chwili stan się odwraca: pierwszy tranzystor wyłącza się, drugi zaczyna przewodzić, a druga dioda LED świeci. Częstotliwość migania zależy od wartości rezystorów i kondensatorów. Dla początkujących to bardzo czytelny przykład dodatniego sprzężenia zwrotnego i pracy tranzystora poza trybem liniowym.
Automatyczna lampka nocna
Automatyczna lampka nocna wykorzystuje fotorezystor lub fototranzystor do wykrywania poziomu oświetlenia. W dzień rezystancja czujnika utrzymuje tranzystor w stanie wyłączenia, więc dioda LED lub przekaźnik nie pracuje. Po zmroku punkt pracy dzielnika napięcia przesuwa się, tranzystor zaczyna przewodzić i włącza lampkę.
Układ można zasilać z baterii 9 V, jeśli obciążeniem jest dioda LED z odpowiednim rezystorem. Przy sterowaniu lampą sieciową nie należy podłączać 230 V bezpośrednio do eksperymentalnej płytki stykowej. W takim przypadku potrzebny jest prawidłowo dobrany przekaźnik, separacja, obudowa i zachowanie zasad bezpieczeństwa dla napięcia sieciowego.
Źródło: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wiring_diagram_of_lighting_control_panel_for_dummies.JPG
Prosty przełącznik dotykowy
Przełącznik dotykowy wykorzystuje fakt, że skóra przewodzi niewielki prąd. Po dotknięciu pola sterującego sygnał trafia na bazę tranzystora lub pary Darlingtona, która ma bardzo duże wzmocnienie prądowe. Dzięki temu nawet mały prąd płynący przez palec wystarcza do przełączenia diody LED, brzęczyka albo wejścia kolejnego układu.
W wersji z zatrzaskiem rezystor o dużej wartości, na przykład 4,7 MΩ, może podtrzymywać stan włączenia po zabraniu palca. Drugie pole dotykowe steruje tranzystorem wyłączającym, który odbiera napięcie bazy pierwszemu stopniowi i resetuje układ. Trzeba pamiętać, że takie układy są wrażliwe na wilgoć i zakłócenia, dlatego w docelowym urządzeniu wymagają starannego prowadzenia masy oraz ochrony wejścia.
Źródło: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Touch_Switch.png
Wnioski
Proste obwody tranzystorowe są dobrym sposobem na naukę, bo pokazują działanie elementów bez ukrywania wszystkiego w mikrokontrolerze. Alarm deszczowy, tester kwarców, migacz LED, wskaźnik poziomu wody czy przełącznik dotykowy można uruchomić na płytce stykowej i łatwo zmieniać wartości elementów, obserwując wpływ na cały układ.
Przy prototypach warto pracować z niskim napięciem, sprawdzać polaryzację tranzystorów, kondensatorów i diod LED oraz trzymać się schematu. Jeżeli projekt ma przejść z płytki stykowej na produkowaną płytkę PCB, skontaktuj się z nami przed zamówieniem serii. OurPCB może sprawdzić pliki produkcyjne, projekt pod kątem montażu i podstawowe ryzyka DFM, zanim układ trafi do wykonania.