Elektroniikkapaja – Osa5

Viides elektroniikkapaja on takana ja ohjelmana oli mm. kertaus tähän mennessä opittuja komponentteja ja niiden piirrosmerkkejä. Aikaisemmista blogipostauksista voi lukea näistä komponenteista  : diodi ja kondensaattori, transistoriLED sekä vastus. Lisää piirrosmerkintöjä löytyy esimerkiksi Kari Huhtaman kotisivuilta.

Rakentelua ja kokeilua

Tutustuimme kahden sarjaan kytketyn vastuksen muodostaman jännitteenjakajan käyttöön sekä potentiometriin. Potentiometri, tuttavallisemmin ”potikka”, on säädettävän vastus. Potentiometrejä käytetään usein laitteiden asetuksien säätämiseen, joista mututuntumalla sanoisin että äänenvoimakkuus on yleisin.

Tutustuimme myös oskilloskooppiin, joita oli nähtävillä kaksi erilaista. Vanha analoginen katodisädeputkioskilloskooppi on malliltaan Trio CO-1303, vuodelta 1980. Laite on edelleen toimiva joskin modernit digitaaliset oskiloskoopit saattavat olla monella tapaa järkevämpiä nykyaikana. Toinen oskiloskoopeista olikin rakennussarjasta yhdelle piirilevylle koottu digitaalioskilloskooppi, jota käytettiin illan aikana kokeiluissamme.

Mukana oli myös LS-TTL -piiristä rakennettu pulssigeneraattori. Sillä tuotettiin kantti- eli sakara-aaltoa (suorakaideaalto), jota tarkasteltiin oskilloskoopilla. Generaattorissa on taajuuden määräävinä komponentteina 390 ohmin vastus ja 47 nF:n kondensaattori. Kondensaattorin rinnalle voidaan kytkeä lisäkondensaattori. Valittavissa olivat arvot 47 nF, 100 nF, 0,47 uF ja 22 uF. Kytkettäessä kaksi kondensaattoria rinnan niiden kapasitanssiarvot lasketaan yhteen, joten laskutoimitus on helppo. Piirissä on siis kiinteästi kytkettynä yksi 47 nF:n kondensaattori ja 4 muuta voidaan kytkeä yksitellen sen rinnalle kiertokytkimellä. Generaattorin ulostulo on LS-TTL -tasoista logiikkasignaalia, eli se voitaisiin kytkeä suoraan vaikkapa sopivaan 5 voltilla toimivaan mikrokontrolleriin, jolla taajuus tai esim. pulssin kesto voitaisiin mitata.

Oskilloskooppi näytti melko suorareunaista kanttiaaltoa, jossa pulssi oli suuremman osan ajasta ylhäällä (suhde vaikutti olevan noin 3/2).
Kytkimme generaattorin ja ”skoopin” väliin ns. differentiaattorin (derivaattori tai RC-ylipäästösuodin) nähdäksemme kondensaattorin vaikutuksen. Suotimessa oli 4,7 nF:n kondensaattori sarjassa signaalin kanssa ja sen jälkeen 68 k vastus nollatasoon. Havaitsimme oskilloskooppikuvasta, että vain pulssin reunat pääsivät läpi tuottaen nousevia tai laskevia piikkejä. Tällaista vastus-kondensaattoriyhdistelmää voidaan käyttää esimerkiksi äänensävyn säätimissä.

Elektroniikkapajan pulssigeneraattori 20.3.2017 LS-TTL -piirillä. Tyypillinen Schmitt-triggerioskillaattori, jossa C on muutettavissa kiertokytkimellä, taajuuksien ollessa välillä 68Hz…3,5 kHz. Design: Jussi S

Tämän kokeilun tarkoituksena oli havainnollistaa kondensaattorin toimintaa. Jatkossa tulemme rakentamaan ajastus- ja suodatuspiirejä joissa kondensaattorilla on merkittävä rooli, joten asiaan palataan vielä syventäen. Samoin on tärkeää tuntea toinen reaktiivinen komponentti, induktori ja suure nimeltä induktanssi.

Pulssigeneraattori

Hieman tarkemmin tästä pulssigeneraattorista: LS-TTL on eräs logiikkapiiriperhe. Logiikkapiirit ovat digitaalisia piirejä, joita käytetään tietokoneissa. Nykyisissä tietokoneissa tällaista irtologiikkaa näkee harvemmin, sillä suurin osa toiminnoista on yhdistetty suuriin integroituihin piireihin. 74LS-sarja on 5 voltin jännitteellä toimiva bipolaaritransitoreista koostuva piiriperhe. LS tulee sanoista Low power Schottky (nykymittapuun mukaan tosin se on kaikkea muuta kuin pienitehokulutuksinen). Schottky -sana tulee keksijänsä mukaan piiriperheessä käytetyistä nopeista diodeista, jotka lyhentävät piirin sisäisiä viiveitä.

Harrastuskäytössä LS-TTL on halpa ja hyvä rakentelun pohjaksi. Piirin tarvitsema 5V voidaan ottaa joko erillisestä 5V DC verkkovirta-adapterista tai alentaa korkeammasta jännitteestä jänniteregulaattorilla. Eräs tällainen paljon käytetty regulaattoripiiri on 7805, joka tarvitsee lisäkseen vain kaksi suodatus/stabilointikondensaattoria. Tässä kuitenkin käytin LM2940CT-5.0 -piiriä ja opin, että suodatuskondensaattorit ovat todellakin tarpeelliset. Piiri nimittäin alkaa värähdellä ilman niitä… Tämäkin asia selvisi oskilloskoopin ansiosta.

Generaattori on koottu ns. Vero-levylle eli veroboardille. Siinä on eristelevyllä rei’itettyjä kupariliuskoja, joita voi katkaista halutusta kohdista ja yhdistellä hyppylangoilla. Piirin reikäjako on standardi 0,1 tuumaa eli 2,54 mm, kuten lähes kaikissa integroiduissa piireissä
1970-1980 -luvuilla (ennen pintaliitosteknologian yleistymistä).
Veroboard soveltuu varsin hyvin digitaalipiireille. Radiotaajuisiin laitteisiin (yli 1 MHz) se ei ole kovin sopiva.

Elektroniikkapaja – Osa4

Elektroniikkapajan viimeviikkoinen raportti on taas tässä ja tällä kertaa tarkastelun aiheina on kondensaattorit ja diodit sekä rakentelu ja testausosuudessa havainnollistimme signaaligeneraattorin toimintaa.

Kondensaattori

Kondensaattori, tuttavallisemmin ”konkka”, on myös yksi elektroniikan peruskomponenteista. Sen keskeisin ominaisuus on kapasitanssi, joka on kykyä tallentaa sähkövarausta. Tämä demonstroitiin ensimmäisellä pajakerralla kytkemällä iso kondensaattori LED:in virtapiiriin, niin LED:i jatkoi valaisemista vaikka virtalähde irroitettiin virtapiiristä.

Diodi

Diodi on komponentti, joka päästää sähkövirran kulkemaan lävitseen vain yhteen suuntaan. Yleisin käyttötarkoitus on suojata muita komponentteja virran suunnan muutokselta, jos esimerkiksi kytkee väärnlaisen virtalähteen tai vaikka akun navat väärin laitteeseen. Tätä kutsutaan vaihtovirran tasasuuntaukseksi. Tämän voi tehdä yksinkertaisesti laittamalla didoin + navan ja komponenttien väliin. Myös ns. crowbar malli on mahdollinen, eli diodi tulee – ja + navan väliin. Tällöin tarvitaan sulake + navalle joka pamahtaa ennen kuin tulee oikosulku.

Nykyisin diodit ovat puolijohteita, kuten aikaisemmin käsittelemämme transistorit. Diodia voi ajatella että se on 2/3 transistorista NP tai PN kun transistori on NPN tai PNP.

Aurinkopaneelin diodi

Rakentelua

Nyt kävi niin että emme paljoa ehtineet rakennella sillä meillä ei ollut saatavilla koekytkentäalustoja, mutta Jussi oli ystävällisesti koonnut valmiiksi meille Vellemanin signaaligeneraattorin jonka voi säätää tuottamaan ns. kanttiaaltoa tai siniaaltoa. Tämän kun yhdistää kaiuttimeen saadaan aikaan tietyllä taajuudella kuuluva ääni.  Kävimme keskustelua äänentuottamisesta ja efektilaitteista.

Katso video kun Jussi morsettaa!

Erityismaininta

Erikseen täytyy kiittää elektroniikkamyymälä Radioduoa joka oli kuultuaan elektroniikkapajsastamme lahjoittanut epämääräisen lajitelman täysin kunnossa olevia ylijääämä komponentteja erilaisista rakennussarjoista. Nämä ovat meille enemmän kuin tervetulleita, suorastaan fantastinen lahjoitus. Ensi kerralla käytössämme on myös koekytkentäalustat!

Elektroniikkapaja – Osa3

Kolmannen elektroniikkapajan teema oli vahvasti yhden komponentin ympärillä: transistorit. Teimme kokeita vastuksella ja hehkulampulla havainnollistaaksemme transistorin toimintaa vahvistimena tai kytkimenä. Saimme melko suurta virtaa tarvitsevan hehkulampun valaisemaan transistorin avulla, ohjaamalla transistoria pienellä virralla erisuuruisten vastusten kautta.

Transistori – Wikipedia

Transistorit ovat keskeisessä osassa modernia elektroniikkaa ja niitä löytyy käytännössä kaikista sähköisistä järjestelmistä, sen keksiminen mahdollisti valmistettavien tuotteiden pienentymisen ja halventumisen. Transistorin keksiminen on listattuna IEEE:n elektroniikan saavutuksissa ja sen keksijöille luovutettiin Nobelin fysiikanpalkinto vuonna 1956.[2]

Ylläolevasta lainauksesta voimme päätellä, että transistori on tärkeä komponentti joten on perusteltua syventyä siihen hieman perusteellisemmin miten transistori toimii. Transistorista lisää alempana. Suosittelen myös katsomaan englanninkielisen videopätkän jossa esitellään elektronitasolla BJT-liitostransistorin toiminnallisuutta. Minulle tästä oli hyötyä, mutta vasta kolmannella kerralla voin sanoa ymmärtäväni miten kyseinen transistori oikeasti toimii. Katso video täältä. Tähän väliin kuitenkin vastataan kysymykseen mitä transistorilla voi tehdä sekä juttua viimekerran rakentelusta.

Rakentelu elektroniikkapajassa

Transistori voi toimia kytkimenä, vahvistimena tai muistin elementtinä.
Tällä kertaa havainnollistimme miten transistori toimi kytkimenä.
Kohteena oli ylläolevassa kuvassa oleva lamppu joka toimii 8V jännitteellä ja 0,6A virralla. Käyttöjännittenä meillä oli 9V. Käytimme NPN-transistoria BD139, joka kestää lampun vaatiman virran. Transistorien suurimmat sallitut arvot, englanniksi Absolute maximum ratings, löytyvät kunkin transistorityypin datalehdestä. Datalehden saa useimmiten transistorien valmistajan tai komponenttien myyjän verkkosivuilta. Tyypin BD139 maksimi kollektorivirta Ic MAX on 1,5 A joten sen virrankesto riittää oikein hyvin. Samoin sen jännitekesto:
BD139:n kollektorin ja emitterin välinen jännite saa olla enintään 80 V.

Piirikaavio

Kytkennässämme havainnollistetaan transistorin vahvistavaa ominaisuutta.
Vastuksen R1 läpi kulkee virta, joka on noin

(9V – 0,6V) / R1

jossa 0,6 V on piitransistoreille ominainen kanta-emitteriliitoksen jännitehäviö. Tämä jännite on varsin tarkasti vakio riippumatta siitä virrasta, joka kanta-emitteriliitoksen läpi kulkee. LED-mittauksessahan havaitsimme punaisen LEDin yli muodostuvan noin 2 V jännitteen.
Kokeilimme eri vastusarvoja nähdäksemme, miten pienellä kantavirralla lamppu vielä valaisee ja toisaalta millä virralla kirkkaus on suunnilleen maksimissaan. Lisäksi mittasimme lampun yli vaikuttavan jännitteen, josta voi halutessaan laskea kulloisenkin kollektorivirran.

Kokeilu 100 ohmin vastuksella tuotti kirkkaan valon, 510 ohmilla lamppu valaisi heikommin ja vielä 1200 ohmilla eli 1,2 kohm vastuksella se valaisi selvästi joskin heikosti. Näistä voidaan laskea kantavirrat vastaavasti ylläolevalla kaavalla. Mittasimme lampun yli jännitteen 4,4V kantavastuksella 100 ohm.

Huomioita kokeiluista

  • Jos mittauksia tehtäisi useita eri kantavastuksen arvoilla ja piirrettäisiin tuloksista (kollektorivirran suhde kantavirtaan) käyrä, huomattaisiin transistorin toiminnan olevan varsin suoraviivainen eli lineaarinen keskikohdaltaan. Esimerkiksi äänitaajuusvahvistimissa transistorien halutaan vahvistavan juuri tällä alueella, jotta äänentoisto olisi mahdollisimman särötöntä.
  • Kantavirtaa pienennettäessä kollektorivirta pienenee myös, kunnes lopulta transistori lakkaisi johtamasta eli menisi estotilaan.
    Kantavirtaa kasvatettaessa paljon suuremmaksi (kuitenkin virrankeston
    rajoissa) transistori tulisi täysin johtavaksi eli menisi kyllästystilaan (engl. saturation).
  • Käytettäessä transistoria kytkimenä sen halutaan nimenomaan olevan vain joko esto- tai kyllästystilassa. Jos transistori toimisi lineaarisella alueellaan kytkintarkoituksessa ollessaan, kuluttaisi se turhaan sähkötehoa ja kuumenisi.
  • Transistorin kantavirtaa eli kannan ja emitterin välistä virtaa rajoitetaan siis kantavastuksella tässä kokeilussa. Kytkintransistorin kantavirtaa rajoittava vastus valitaan ”tarpeeksi suureksi”, jottei kuormiteta liikaa ohjaavaa astetta tai rikota transistoria, ja toisaalta tarpeeksi pieniohmiseksi, jotta transistori saadaan kunnolla johtavaksi (kyllästystilaan).
  • Kantavirran suurinta sallittua arvoa ei tunnu löytyvän transistorien datalehdistä. Valmistajat eivät ilmeisesti katso sen määrittämisen olevan tarpeen. Kantavirta on kuitenkin rajoitettava siten, ettei transistorin suurin sallittu tehohäviö ylity. Koska kollektorivirta on yleensä paljon suurempi kuin kantavirta, muodostuu transistorin tehohäviö pääosin kollektorivirran ja kollektori-emitteri -välin jännitteen tulosta (teho = virta kertaa jännite). Nyrkkisääntönä voisi pitää sitä, ettei transistorin kantavirta olisi suurempi kuin kymmenesosa kollektorivirrasta. Kantavirran kasvattaminenhan ei hyödytä silloin, kun kanta-kollektoriväli on jo täysin johtavassa tilassa.
  • Hyvin nopeasti toimivan transistorikytkimen tapauksessa kyllästystilaan joutuminen hidastaa transistorin palautumista estotilaan. Tätä tarkastelemme lisää digitaalisten piirien yhteydessä.
  • Transistori on siis estotilassa, kun sille ei tuoda kantavirtaa. On kuitenkin järkevää kytkinkäytössä huolehtia siitä, ettei kytkintransistorin kanta ole koskaan ”ilmassa” eli kytkemättömänä, sillä suuren vahvistuksen omaava transistori voi ottaa kantansa kautta häiriösignaaleja ympäristöstä ja kytkeytyä vahingossa päälle tai alkaa värähdellä. Kun transistoria ohjataan ns. logiikkapiireistä, ohjaava piiri yleensä huolehtii tästä (esim. Arduino-mikrokontrolleri). Hyvä tapa on kytkeä NPN-transistorin kannan ja 0-tason väliin suuriohminen vastus (esim. yli 100 kertaa kantavastuksen arvo).
  • Hieman erikoiselta vaikuttava ilmiö kyllästystilassa olevassa transistorissa on se, että kollektori-emitterivälin jännite on pienempi kuin kanta-emitterivälin jännite (joka on siis vakio ja suunnilleen 0,6V) vaikka kanta on kollektorin ja emitterin ”välissä”. Pelkästään Kirchhoffin lakeja tarkastelemalla tämä näyttäisi mahdottomalta

Transistori
Transistori on puolijohdekomponentti. Komponentilla tarkoitetaan osaa, eli elektroninen laite koostuu useasta osasta, komponenteista. Puolijohde viittaa taas tietynlaisiin komponentteihin, joiden käytetyllä valmistusmateriaalilla on erityisiä sähkönjohtavuusominaisuuksia. Nämä materialit ovat tyypiltään kiteisiä, kuten esimerkiksi alkuaineet pii ja germanium tai yhdiste galliumarsenidi. Tässä on hyvä huomata että pii ei itsessään ole sähkönjohtavaa, mutta siitä saadaan valmistusvaiheessa erittäin hyvin sähköäjohtava kun siihen lisätään esim. fosforia (materialista tulee positiivisesti latautunut, +) tai bromia (materiaalista tulee negatiivisesti latautunut, – ).  Transistoreita on yleisesti ottaen kahdentyyppisiä, liitostransistoreita sekä kenttävaikutustransistoreita.

Transistori on kolmeliitoksinen puolijohdekomponentti, joka voi toimia kytkimenä, vahvistimena tai muistin elementtinä.[1]

Liitostransistori (bipolar junction transistor, BJT)

  • Kutsutaan yleisesti vain ”transistoriksi”
  • Pieni kantavirta ohjaa suurta kollektorivirtaa
  • Toiminta lineaarista eli ”suoraviivaista” suurelta osin
  • Käyttö vahvistimena tai kytkimenä
  • Löytyy monille eri virroille ja jännitteille (piensignaali-, teho-)
  • On kahdenlaisia liitostransistoreita, NPN sekä PNP

Molemmissa tyypeissä emitterivirta = kantavirta + kollektorivirta

NPN-tyyppinen liitostransistori (-)

  • Kantavirta menee sisään
  • Kollektorivirta menee sisään
  • Emitterivirta tulee ulos
  • Usein suosituin BJT:n tyyppi

PNP-tyyppinen liitostransistori (+)

  • Emitterivirta menee sisään
  • Kollektorivirta tulee ulos
  • Kantavirta tulee ulos

Kenttävaikutustransistori (field effect transistor, FET)

  • Kutsutaan yleisesti vain ”fetiksi”
  • N-kanava (N-channel, N-type) tai P-kanava
  • Liitoshila- tai eristehilafetti (Junction FET, JFET / IGFET)
  • MOSFET on Metal Oxide Silicon FET, hila eristetty metallioksidilla
  • Hilajännite ohjaa kanavan läpi kulkevaa virtaa
  • Voidaan käyttä kuin jännitteellä säädettävä vastus
  • Löytyy laaja valikoima eri tehoille

Virtavahvistus

  • Kollektorivirta = virtavahvistus kertaa kantavirta
  • Tyypilliset virtavahvistuskertoimet ovat suunnilleen välillä 20…600

Ympäryskomponentit

  • Transistorin toimintapisteen asettamiseen
  • Usein käytetään vastuksia
  • Voivat olla myös vakiovirtalähteitä
  • Kondensaattoreita voidaan käyttää asteiden erottamiseen toisistaan

Useamman transistorin yhdistelmät (mikropiirien sisällä)

  • NPN ja PNP ns. vuorovaihevahvistimena, myös erilliskomponenteista
  • Totemipaalu (totem pole) ”vanhanaikaisissa” logiikkapiireissä
  • Vakiovirtalähde (constant current source)
  • Virtapeili (current mirror)
  • Long-tailed pair (differentiaalipari tuloasteessa)

Elektroniikkapaja – Osa2

Hiihtolomaviikolla Entressessä alkoi elektroniikkapaja joka kokoontuu kevään ajan joka maanantai. Taas oli maanantai ja tässä hieman yhteenvetoa siitä mistä tällä kertaa oli kyse. Iloksemme saimme uusia asiakkaita mukaan, eikä vieläkään ole liian myöhäistä liittyä seuraan opiskelemaan ja tutkimaan elektroniikan ja sähköopin alkeita. Kertasimme paljon samaa mitä viimekerralla (voit lukea lisää täältä) mutta myös uusia aiheita tuotiin esille.

Kierrätys ja turvallisuus

Sähkö- ja elektroniikkalaitteiden kierrätystä ja uusiokäyttöä — monissa nykylaitteissa on kovin vähän harrastajan hyödynnettävissä olevia osia, vanhoissa taas paljonkin. Toki riippuen osaamistasosta, välineistä ja sovellusalueesta, vanhoista laitteista voi hyödyntää eri asioita. Korjaaminenkaan ei ole mahdotonta vaan joskus se on tehty kovin hankalaksi. Keskustelimme myös ns. ohjelmoidusta vanhenemisesta, eli tuotteelle on laskelmoitu tiety ikä jonka jälkeen jokin osa laitteesta hajoaa. Yleisesti tällaisia osia on halvat kondensaattorit mutta aina ei kyseessä tarvitse olla elektroniikkakomponentti, joskus metalliosan kun vaihtaa muoviosaan saavutetaan sama tilanne. Valmistajan näkökulmasta tämä on ns. win-win koska tuotteen valmistuskustannus alenee ja asiakas joutuu hajoamisen jälkeen ostaa uusi tuote (yleensä juuri takuuajan jälkeen). Siksi tuotetutkimus ennen ostopäätöstä on suositeltavaa.

Monesti mielletään että verkkovirta-adapteria voi hyödyntää vain sen mukana tulleen laitteen kanssa, mutta harrastajalle näistä voi olla paljonkin hyötyä jos laite on CE-hyväksytty / S-merkitty. Silloin verkkovirta-adapterin käyttö omissa kokeiluissa on jokseenkin turvallista. Lue lisää CE-merkistä (TUKES). Suomessa verkkovirta on 230V 50Hz. Verkkovirta-adapterit muuntavat yleisesti tämän jännitteen alemmaksi, esim 19,5V (4,62A). Jos jokin muu laite käyttää samaa jännitettä ja verkkovirta-adapteri pystyy antamaan tarvittavan virran (A), voi verkkovirta-adapterista olla paljonkin iloa vaikka alkuperäinen laite on jo hajonnut.

Koska Entressen paja arvostaa kierrätystä ja luontoa, muistutamme että SER (tulee sanoista sähkö- ja elektroniikkalaiteromu) kuuluu kierrättää ja poistaa asianmukaisesti viemällä SER-kierrätyspisteeseen. Voit lukea lisää aiheesta: Mihin vanhan laitteen voi palauttaa.

Arduino

Pääpiirteittäin siitä, mitä ovat Raspberry Pi ja Arduino ja miten niitä voi hyödyntää omien kytkentöjen liittämisessä Internetiin. RaspberryPi ja Arduino ovat mullistaneet internettiin kytkettyjen laitteiden rakentelua huomattavasti. Edullinen hinta tekee mahdolliseksi rakentaa soveluksia joilla ei välttämättä ole laajaa kaupallista tarjontaa saati kysyntää. Samalla rakentamalla saa yksilölliseen tarpeeseen soveltuvan ratkaisun usein edullisemmin kuin valmisratkaisuilla.

Esimerkkinä; lämpötilan ”mittaus” NTC-vastuksella, muuntaminen digitaaliseksi Arduinolla ja datan varastointi/siirto Raspilla ja lukeminen vaikka älypuhelimella. Vastakohtana se, miten sama voitaisiin tehdä yksinkertaisesti eli lämpötilahälytin ilman prosessorimaailman tuotteita ja nettiä tyyliin ”kuokin mansikkamaata kunnes sauna on tarpeeksi lämmin” —> viiden euron osat… (”mittaus” lainausmerkeissä sen korostamiseksi ettei olla tarkkuusmittauksia tekemässä).

Mitä on ensikerralla luvassa?

Autoilun sovellusalueet — minulle melko tuntematon maailma — ensikerralla muuan asiakas tuonee erään laitteen (ECU) tutkittavaksi.

Pohdimme mm. sitä, miten saisimme jatkossa enemmän ja havainnollisempia indikaattoreita kuin pelkkä LED, esim. äänen tuottoa, valolla ohjausta… Tarvitsisimme hieman enemmän osia, jotta mm. transistoreilla pystyisi tekemään havainnollisia asioita. Toivottavasti ehdimme tilata ensikerraksi.