- Osa 1: Peruskomponentit
- Vastus
- Tehtävä 1: Mittaa vastuksen arvo (Ohm)
- Tehtävä 2: LED-kytkentä
- Tehtävä 3: LED + Potentiometri
- Tehtävä 4: Virran mittaus
- Tehtävä 5: Potentiometri
- Tehtävä 6: Jännitteenjakaja
- Tehtävä 7: LDR (Valoanturi)
- Tehtävä 8: Valo jännitteeksi
- Tehtävä 9: Kondensaattori
- Tehtävä 10: Diodi
- Tehtävä 11: Jännitesäädin 7805
- Tehtävä 12: Transistori
- Tehtävä 15: Seitsemän segmentin LED
- Tehtävä 16: RGB LED
- Tehtävä 17: Summeri
- Tehtävä 18: Juotos
- Tehtävä 19: Mikä on pull-up -vastus?
Osa 1: Peruskomponentit
Tavoite: Opi, miten sähkö virtaa piirissä ja miten passiiviset komponentit toimivat yhdessä.
▶ Katso: Elektroniikan perusteet -johdanto (YouTube)
Tässä harjoituksessa käytettäviä komponentteja: painike (button), transistori, koekytkentälevy, nappiparisto, power-liitin, hyppylankaa (uros, naaras liittimillä), potikka, jousiliitin, maakosteusanturi, piikkirimaa, tilt-anturi, LEDejä, FET-transistori, valovastus, kondensaattori (elco) ja paljon muita komponentteja. Harjoituksen lopulla meillä tulisi olla käytössä joukko uusia sanoja ja käsitteitä. Joillekkin löytyy suomenkielinen vastike, joistakin kieleen on vakiintunut ulkomaankielinen termi. Tiivistäen voisi sanoa, että elektroniikan perusteet eivät asioina ole kovin vaikeita, mutta niitä on paljon.
Aloitamme kytkentöjen harjoittamisen koekytkentälevyllä. Tässä esitettynä kaksi yleisintä. Kuvassa on esitetty mitkä reiät ovat yhdistetty toisiinsa.
Koekytkentälevyyn (leipälautaan, breadboardiin) voidaan kytkeä komponentteja joissa on jalat. Näitä kutsutaan läpiluotettaviksi komponenteiksi (TH - through hole). On olemassa myös pintaliitoskomponentteja (SMD - surface mount device), jotka yleensä ladotaan konella suoraan piirilevyn pintaan (PCB).
Perusanalogipiirit
Tehtävä 1: Mittaa vastuksen arvo (Ohm)
Huomio: Tarkista, että olet kytkenyt mittausjohtimet oikein: COM (musta) ja Ohmin symboli (punainen). Usein vastuksen mittausalue on myös valittava oikein, koska vastukset vaihtelevat 0,01 ohmista megaohmeihin.
Työpajoissamme tärkeimmät arvot ovat noin 100 ohmia (LED:ien suojaamiseen) ja myöhemmin noin 1000 ohmia (transistorien ohjaamiseen).
Pienten vastusten arvo voidaan myös arvioida väriluettelon perusteella. Vastuksen väriluettelolaskuri
Tehtävä: Etsi vastus, jonka arvo on noin 100-200 ohmia. Tarvitset sitä seuraavassa LED-piirissä.
Vastus
Vastuksen tarkoitus on rajoittaa virtaa. Vastuksia on kahta päätyyppiä: SMD (pintaliitoskomponentti) ja läpivienti. Kuva näyttää erilaisia vastustyypit, ja pienimmät, joita kutsutaan hiilikalvovastuksiksi, käyttävät usein väriluetteloa vastuksen arvon tunnistamiseen.
Tehtävä 2: LED-kytkentä
LED (Light Emitting Diode, valoemitoidiodi) on kytkettävä oikealla napaisuudella. Katso kuva: LED:n pidempi jalka kytketään positiiviselle puolelle (+).
LED tarvitsee lähes aina suojavastuksen. Sääntönä on noin 400 ohmia. Vastus voi olla LED:n kummallakin puolella.
Tarkemmin vastuksen koon voi laskea tällä sivulla: LED-laskuri. On tärkeää tietää, kuinka paljon virtaa LED kestää, yleensä 20mA (milliampeeria).
LED ei sytty, jos jännite ei ylitä kynnysarvoa. Tee kytkentä ja kokeile sitä. Tarvitset myös kytkimen. Varmista, että kytkin on kytketty oikein.
Yleiset virheet:
- Kytkin kytketty väärin
- Vastus liian suuri
- LED kytketty väärin (pidempi jalka pitäisi olla +)
- Sääntönä: jos LED tuntuu kuumalta peukalollasi, jotain on vialla
YouTube-videot
Tehtävä 3: LED + Potentiometri
Voit muuttaa LED:n kirkkautta säätämällä potentiometrin arvoa 0:n ja maksimiresistanssin välillä.
Tärkeää: On välttämätöntä sijoittaa vastus ennen potentiometria siltä varalta, että potentiometrin resistanssi menee nollaan. Tällöin LED saisi liikaa virtaa ja voisi vaurioitua.
Tehtävä 4: Virran mittaus
Vaihda mittarin anturit oikeaan paikkaan, eli ampeereihin (A). Huomaa, että virran mittauksessa on usein kaksi eri paikkaa: suurille virroille ja pienille virroille. Jos mittaat suurta virtaa väärällä pinnillä, mittarin sisäinen vastus yleensä palaa. Siksi sinun täytyy olla varovainen.
Vastaavasti mittareissa on usein erilliset asentokytkimet vaihtovirralle (AC ~) ja tasavirralle (DC ⎓). Katso kuva, miten ne on merkitty.
Huomio: Jos virta kulkee vastakkaiseen suuntaan, mittari näyttää negatiivisen arvon.
Tehtävä: Olet jo löytänyt vastuksen, jonka arvo on noin 100 ohmia. Laske ensin, mikä virran pitäisi olla, ja tarkista sitten mittarilla, että sait saman arvon.
Ohmin laki -laskuri
Virta (I): 90.00 mA
Tehtävä 5: Potentiometri
Potentiometri on kolmipäinen säädettävä vastus. Pyörittämällä akselia voit muuttaa vastusta liittimien välillä. Potentiometrejä käytetään yleisesti äänenvoimakkuuden säätöihin, valon himmennyslaitteisiin ja muihin säädettäviin asetuksiin.
Lue lisää: Wikipedia - Potentiometri
Tehtävä: Ota kaksi satunnaista vastusta R1 ja R2. Aseta ne leipälautaan kuvan mukaisesti. Säädä potentiometrin arvoa niin, että pisteet A ja B ovat samassa jännitteessä. Eli jännite-ero A:n ja B:n välillä on nolla. Voitko määrittää vastusten 1 ja 2 arvot?
Voitko määrittää R1:n ja R2:n suhteen potentiometrista?
Tehtävä 6: Jännitteenjakaja
Jännitteen jakoa tarvitaan monissa piireissä, erityisesti tulevaisuudessa, kun aloitat Arduino-ohjelmoinnin. Jännitteenjakajan perusidea on esitetty vasemmalla olevassa kuvassa.
Valitse monimittarissa tasajännite ja tee kuvassa näkyvät kytkennät. Käytä kahta vastusta (molemmat noin 1000 ohmia).
Huomio: Jos saat negatiivisen arvon jännitteelle, se tarkoittaa, että virran suunta on päinvastainen kuin oletit. Sähkö virtaa korkeammasta potentiaalista alempaan, aivan kuten vesi, joten vaihda mittausanturien paikat.
Jännitteenjakaja-laskuri
Lähtöjännite: 4.50 V
Tehtävä 7: LDR (Valoanturi)
Meillä on monia antureita, joiden resistanssi muuttuu valon määrän, lämpötilan, venymän jne. mukaan. Esimerkiksi valoanturin resistanssi voi muuttua valon määrän mukaan, lämpötilanturin resistanssi kasvaa tai pienenee lämpötilan mukaan jne.
Tässä yhteydessä voit testata esimerkiksi valoanturia ja sen resistanssia. Seuraavassa tehtävässä muunnamme valoanturin resistanssimuutoksen jännitemuutokseksi. Tätä tarvitaan myöhemmin Arduino-ohjelmoinnissa, koska Arduino-ympäristö voi lukea jännitearvoja.
Tehtävä 8: Valo jännitteeksi
Valoanturin/lämpötilanturin ominaisuuksista riippuen vastuksen arvoa on säätää. On myös parempia piirejä, jotka voivat laajentaa mittausalueen. Muista vaihtaa monimittarin asetus jännitteeksi!
Joidenkin antureiden kohdalla resistanssimuutos on niin pieni, että yksinkertainen jännitteenjakaja ei riitä. Tällaisissa tapauksissa tarvitaan erilaisia piirejä ja vahvistimia. Näitä käsitellään tulevissa työpajoissa.
Tehtävä 9: Kondensaattori
Tässä harjoituksessa pidämme kondensaattoreita "varauksen ämpäreinä". Yleisin napaisuudella varustettu kondensaattori on elektrolyyttikondensaattori (elko). Elkoissa pidempi jalka on positiivinen (+) ja lyhyempi jalka negatiivinen (-). Tämä napaisuus on erityisen tärkeä korkeampien jännitteiden käsittelyssä, koska väärä kytkentä voi aiheuttaa kondensaattorin räjähtämisen tai vuodon.
Kokeile LED-piiriä leipälautallasi suurella kondensaattorilla (katso piirikaavio vasemmalla) ja katso, miten se vastaa alla olevaa laskuria.
Yleensä kondensaattoreita ei mitoiteta tarkasti (poikkeuksia on tietysti), vaan riittävä kapasitanssi varastoidaan kuorman vaihtelujen tasoittamiseen. Kondensaattorit voivat myös vanhentua ja kuivua, erityisesti elektrolyyttikondensaattorit (tölkit), ja niiden sijoittelu on oltava varovainen - ei lähellä kuumia komponentteja. Kapasitanssi muuttuu myös voimakkaasti lämpötilan muutoksilla. Tarkempi kapasitanssin mitoitus käsitellään myöhemmin.
Lisäresurssit
- YouTube - Kondensaattorin lataus ja purkaus
- YouTube - Elektrolyyttikondensaattorin väärän napaisuuden vaikutukset
- Electronics Tutorials - Kondensaattorit
Varauslaskuri
Varaus: 9000 µC
Aikavakio-laskuri
τ: 1000 ms
LED-aika-laskuri
Aika: 1633 ms
Tehtävä 10: Diodi
Diodi on puolijohdekomponentti, joka sallii virran kulkea vain yhteen suuntaan. Se toimii kuin yksisuuntainen venttiili sähkövirralle. Virta kulkee helposti eteenpäin (anodista katodiin), mutta estetään käänteisessä suunnassa. Diodit vaativat vähimmäisjännitteen eteenpäin suuntautuvalle johtavuudelle (tyypillisesti 0,7 V piidiodille).
Diodeja käytetään monissa sovelluksissa, kuten tasasuuntaajissa, kristallivastaanottimissa, virtalähteissä väärän napaisuuden estämiseen (plus- ja miinusjännite), ne toimivat jopa lämpömittareina jne.
Tehtävät
- Mittaa jännitehäviö diodin yli
- Testaa, toimiiko diodi
- Testaa diodin simulaatiota simulaattorissa: Falstad Circuit Simulator
Lisäresurssit
Tehtävä 11: Jännitesäädin 7805
7805 on 5 V:n jännitesäädin. Se ottaa syöttöjännitteen (7-35 V) ja antaa vakaan 5 V:n lähtöjännitteen. Tämä on erittäin hyödyllistä, kun tarvitset tasaisen 5 V:n virtalähteen piireihin.
Tehtävät
- Rakenna perusjännitesäädin käyttäen 7805:ttä
- Mittaa syöttö- ja lähtöjännitteet
- Kokeile jännitesäädintä Tinkercadissa: Tinkercad
7805-säädimen tehon laskuri
Tehohäviö: 0.70 W
Tehtävä 12: Transistori
Edistynyt aihe.
Transistorin perusidea on ohjata suurta tehoa hyvin pienellä teholla. Teho lasketaan kaavalla: P = U × I
Transistoreita on kahta perustyyppiä: virtaohjautuvat (BJT) ja jänniteohjautuvat (FET). Yläkuvassa esitetty harjoitus on virtaohjautuvalle BJT-tyyppiselle transistorille (NPN). Sen alla on jänniteohjautuva transistori (FET).
Huomaa, että kaikilla transistoreilla on erilaiset ominaisuudet ja pinnijärjestelyt. Periaate on kuitenkin sama kaikille: ohjata suurta tehoa pienellä teholla. Opiskele transistoreita alla olevien linkkien kautta, koska niitä tarvitaan myöhemmissä työpajoissa.
Lisäresurssit
- YouTube - Yksityiskohtainen transistoriselitys (12 min)
- YouTube - Transistorien ymmärtäminen
- YouTube - Yövalo
- YouTube - Kuinka BJT toimii
- Electronics Tutorials - Transistorit
Kolme tyypillistä transistoria ja niiden kytkentäkaaviot
Tehtävä 15: Seitsemän segmentin LED (Bonustehtävä)
Seitsemän segmentin näyttö on elektroninen näyttölaitetyyppi desimaalilukujen näyttämiseen. Se koostuu seitsemästä LED:stä, jotka on järjestetty tiettyyn kuvioon ja jotka voivat näyttää numeroita 0-9 ja joitain kirjaimia.
Jokainen segmentti on erillinen LED, jota voidaan ohjata itsenäisesti. Sytyttämällä erilaisia segmenttiyhdistelmiä voit näyttää erilaisia numeroita ja merkkejä. Seitsemän segmentin LED voi olla joko yhteisanodi- tai yhteiskatodityyppinen. Tämä on tärkeää, koska se määrittää, kummalla puolella LED:ää tarvitaan vastus.
Lisäresurssit:
Tehtävä 16: RGB LED (Bonustehtävä)
RGB LED (Red-Green-Blue Light Emitting Diode, puna-vihreä-sininen valoemitoidiodi) on erityinen LED-tyyppi, joka sisältää kolme erillistä LED:ä yhdessä pakkauksessa: yhden punaisen, yhden vihreän ja yhden sinisen. Ohjaamalla kunkin värin intensiteettiä voit luoda miljoonia erilaisia värejä.
RGB LED:it voivat olla joko yhteisanodi- tai yhteiskatodityyppisiä. Yhteiskatodisessa RGB LED:ssä kaikki kolme värin LED:ää jakavat yhteisen katodin (negatiivinen liitin), ja jokaisella värillä on oma anodinsa (positiivinen liitin). Yhteisanodisessa RGB LED:ssä kaikki kolme väriä jakavat yhteisen anodin (positiivinen liitin), ja jokaisella värillä on oma katodinsa (negatiivinen liitin).
LED-tyypin tunnistaminen: Yhteisanodisessa RGB LED:ssä yhteisanodi (positiivinen) on yleensä pisin pinni, mutta tämä on varmistettava. Yhteiskatodisessa RGB LED:ssä sääntö ei aina pidä paikkaansa. Tarkista aina datalehtestä tai käytä monimittaria tunnistaaksesi pinnijärjestelyn.
Tehtävä: Kytke RGB LED leipälautaasi. Käytä sopivia virranrajoitusvastuksia kullekin värikanavalle. Kokeile erilaisia väriyhdistelmiä kytkemällä eri värikanavat virtalähteeseen. Yritä luoda erilaisia värejä sekoittamalla punaista, vihreää ja sinistä eri yhdistelminä.
Huomio: Jos käytät 9 V:n paristoa, suositellaan aloittamaan vastuksen arvolla yli 400 Ω.
Lisäresurssit:
- DigiKey - Kuinka ohjata monivärisiä LED:ejä (Kattava opas)
Tehtävä 17: Summeri - Viivanseuraaja
Tähän tehtävään tarvitset pienen ruuvimeisselin ja tumman viivan.
Vie anturi viivan päälle ja säädä sitä ruuvimeisselillä niin, että anturi reagoi tumman ja vaalean eroon.
Testaa myös, osaatko säätää viivanseuraajan seuraamaan viivaa.
Tehtävä 17b: Schmitt-trigger ja 74C14
Johdanto: 74C14 on kuuden Schmitt-trigger -invertterin piiri (hex Schmitt trigger inverter). Se sisältää kuusi toisistaan riippumatonta Schmitt-trigger -invertteriä, joilla on hystereesi. Tämän ansiosta piiri soveltuu hyvin esimerkiksi mekaanisten kytkimien häiriöttömään luentaan (debouncing), aaltomuotojen muokkaukseen sekä erilaisten oskillaattorien ja ajastimien rakentamiseen.
Toisin kuin tavallisessa invertterissä, Schmitt-triggerillä on kaksi eri kynnysjännitettä: korkeampi nouseville signaalin reunoille ja matalampi laskeville reunoille. Näiden väliin jäävä “kuollut alue” (hystereesi) auttaa suodattamaan kohinaa ja tuottamaan siistit, terävät logiikkatasojen vaihtumiset.
Missä käytetään
Schmitt-triggerin tyypillisiä käyttökohteita ovat:
- mekaanisten kytkimien häiriöttömäksi tekeminen (debouncing)
- aaltomuotojen muokkaus ja siistiminen
- yksinkertaiset oskillaattorit ja ajastinpiirit
- kohinan suodatus digitaalisissa signaaleissa
Lisätietoa: Talking Electronics – 74C14 Guide.
Schmitt-trigger -simulaatio
Kuvassa on 74HC14-kytkentä, jolla voidaan arvioida kapasitanssia, kun vastus tunnetaan. Ideana on muuttaa kapasitanssi taajuudeksi, jota on helppo mitata esimerkiksi Arduinolla. Oikein valituilla arvoilla saadaan hyvin tarkkoja kapasitanssimittauksia.
Kapasitanssimittausta voidaan käyttää esimerkiksi tarkkana etäisyysmittarina: kahden levyn välinen etäisyys vaikuttaa kapasitanssiin, ja näin voidaan mitata pieniäkin muutoksia. Toisaalta kapasitanssin muutos voi johtua myös levyjen välisen aineen vaihtumisesta, koska kapasitanssi riippuu väliaineen permittiivisyydestä (ε).
Peruskaava tasolevykondensaattorille on
C = ε · A / d
missä
- C = kapasitanssi
- A = levyjen pinta-ala
- d = levyjen välinen etäisyys
- ε = väliaineen permittiivisyys
Schmitt-triggerin ominaisuuksia
74C14-piirillä on tyypillisesti seuraavat kynnyssähköjännitteet (esimerkkiluvut):
- nousevan reunan kynnys (VT+): noin 2,9 V
- laskevan reunan kynnys (VT−): noin 1,6 V
- hystereesi (VT+ − VT−): noin 1,3 V
Nämä arvot voivat vaihdella hieman valmistajasta ja käyttöjännitteestä riippuen.
Tärkeä varoitus: Älä käytä 9 V paristoa suoraan 74C14-piirin kanssa – suurin suositeltu käyttöjännite on noin 5 V (esimerkiksi 5 V Arduino-ympäristöstä).
7414-oskillaattorin jaksonaika
7414 Schmitt-trigger -oskillaattorin jakson pituus voidaan laskea kaavalla:
taajuus = 1.2 / (R × C)
josta jaksonaika on T = 1 / taajuus.
Esimerkkiarvoilla:
- R = 100 000 Ω
- C = 10 µF
saadaan jakson pituudeksi noin T ≈ 833 s.
7414-oskillaattorin laskuri
Kapasitanssi: valitse yksikkö (µF = mikrofarad = 10⁻⁶ F)
Taajuus: 0.00 Hz
Jaksonaika T: 0.00 s
Tehtävä 18: Juotos
Juotosharjoitukseen tarvitset kolvin ja tinaa. Tässä yhteydessä riittää, että tutustut muutamaan videoon.
YouTube-videot
Tehtävä 19: Mikä on pull-up -vastus?
Tulevaisuutta varten - hyvä tietää ekstra
Tehtävä: Selvitä, mikä pull-up -vastus on ja mihin sitä voidaan käyttää. Vihje: digitaalinen tiedonsiirto ja esimerkiksi 1-wire-laitteet. Tätä tarvitaan myöhemmin Arduinon kanssa.
Vihje: Circuit Basics - Pull-up ja Pull-down -vastukset