Ukázka praktické výuky elektrotechniky

Pokud jste tento blog navštívili vícekrát, potom už víte, že vzdělávání řeším poměrně často. Je to věc, která mi stále vrtá hlavou. Nedokážu pochopit, jak je možné, že se školství (zejména to naše) – ve srovnání s ostatními oblastmi – vyvíjí tak pomalu. Co je to za lidi, kteří rozhodují co učit a jakým způsobem to děti učit? Proč sestavují tak strašně nudné a nepraktické učební osnovy? Proč je odborná literatura pro pedagogy tak neuvěřitelně nabobtnalá a plná zkostnatělých pouček, že se podstatné věci úpně ztrácejí? Důvody budou nejspíš stejné, jako například v případě lidí, kteří jsou přesvědčeni, že Země je placatá a vesmírné programy podvod; vzájemně si poplácavají po ramenách, kupříkladu v komentářích u videí z vesmíru, a udržují tím na živu svou kolektivní iluzi. Dokonce i videa s ultravysokým rozlišením považují za rendery z počítačů. Akademické iluze mají zkrátka také své ortodoxní vyznavače. Zvrátit by to šlo snad jen díky odvážným lidem, kteří by dokázali předstírat, že jsou členy kultu a potom by nenápadně a zvolna protlačovali do systému funkčnější osnovy a metodiky. Nikdo mimo kult nemá šanci změny realizovat.

V tomto příspěvku si ukážeme, jak je snadné připravit zajímavý a zároveň praktický způsob výuky na příkladě z elektroniky. Podotýkám, že to není má parketa, zabývám se něčím zcela jiným. Celý postup jsem vytvořil tak, že jsem si na půl dne sedl k internetu, hledal co nejkvalitnější zdroje informací a sestavoval z toho výukovou hodinu tak, aby byla zajímavá a aby studenti dokázali pochopit o co jde a proč je dobré to umět. Stejným způsobem by podklady mohl připravit kterýkoliv učitel fyziky nebo elektro(tech)niky (pokud by měl motivaci a prostor).

Kdybych mohl rozhodovat, jak učit děti, vždy bych začínal praktickými úkoly. Uvedl bych čeho chceme dosáhnout a nastínil jak toho dosáhnout. Teorii bych zařadil, až když by bylo krajně nezbytné objasnit probíhající děje, nebo provést výpočty. Dnes se to všude běžně dělá tak, že se vykládá a vykládá teorie (z pohledu žáků: „Furt tam u tabule něco mele…„), potom nějaké výpočty, ale nikomu nedojde, k čemu by to všechno mohlo být dobré a když ano, tak jak ty znalosti použít v praxi. Dáte-li teorii na začátek, získáte si jenom pár nerdů (pokud vůbec někoho) a ve třídě bude neklid nebo unavená atmosféra, protože většina dětí se bude nudit. Nebudou mít žádnou představu kam informace zařadit (nevzniknou potřebné asociace a propojení), bude nízká motivace, nedojde jim k čemu je to všechno dobré, takže namísto získávání vhledu do problematiky se budou biflovat aby prolezli … v čehož důsledku dohromady nic nepochopí. Taková metodika je katastrofická! Jakým právem plýtvá školství časem těch nebohých dětí?! Bylo by jednou možné začít vyučovat na konkrétních příkladech, tedy tak jak to v životě opravdu chodí? Tzn. „Máte problém a potřebujete jej vyřešit.“ … ?

Takže, hodina začíná …

Dobrý den, jsem váš nový průvodce světem elektrotechniky, takže se do toho hned pustíme. Dnes se naučíme jak elektrickým signálem otevřít závlahový ventil.
Rostliny potřebují vodu, to je známá věc, ale nosit těžkou konev, případně přemýšlet neustále kdy zapnout ručně kropení, to moc lidí nebaví. Většina by dala přednost automatickému systému. Nejjednodušší je samozřejmě zajít do obchodu a koupit hotový závlahový systém. Ale co kdyby někdo z vás chtěl jednou navrhovat podobná anebo jakákoliv jiná elektronická zařízení? Nebo nedej bože takové zařízení svépomocí opravit?
Je jasné, že se dnes téměř vše vyrábí v Číně. Kdyby ale každý řekl, že nemá cenu Číně konkurovat, můžeme to tady zabalit a jít zpátky na stromy. Jsme šikovný národ, který dokáže cokoliv – pokud odsajete z hlavy pochybnosti a jiné blbosti. Ehm, příště bychom si mohli v této souvislosti objasnit jak pracuje vysavač a jeden výkonný navrhnout?…

Zde máme primitivní ventil ovládaný solenoidem, což je induktor z navinutého drátu, který vytvoří při průchodu proudu elektromagnetické pole a tím se mechanicky otevře uzávěr. (Elektromagnet přitáhne ocelovou součástku.) Nás zajímá, jak takový solenoid spínat.

Řídící systémy pracují většinou s napětím 5 V (nebo 3,5 V). To je pro ovládání solenoidu příliš málo. Pro vytvoření dostatečně silného elektromagnetického pole je zapotřebí v našem případě 12 V. Přitom různé solenoidy mívají pracovní napětí také 24 V nebo i 230 V.

Co je to řídící systém? Může se jednat kupříkladu o systém z několika integrovaných obvodů a jiné drobné havěti (nejlevnější řešení), mikrokontrolér (stačí ATmega328 usazený v Arduinu), případně počítač (Raspberry Pi je plnohotnotný počítač za tisícovku).
Řídící systém přijímá a odesílá napěťové signály. Ventil se otevírá třeba po určité době (o to se postará časovač 555), nebo když senzor vlhkosti změnil v důsledku nedostatku vláhy odpor na limitní hodnotu. Řídící obvod vyhodnotí snížený odpor jako podnět k otevření ventilu a vyšle napěťový signál (+5 V) k otevření ventilu. Ventil se otevře, voda teče, půda se nasycuje vodou a po chvíli se signál vypne a ventil se uzavře.
Řídící systémy probereme jindy, proto se nijak netrapte, neumíte-li si zatím nic představit pod termíny jako mikrokontrolér, integrovaný obvod, časovač …

Na nás je dnes vymyslet, jak pomocí 5 V sepnout obvod napájený 12 V. Solenoid totiž potřebuje ke své činnosti vyšší napětí, než jaké se používá v logických řídících obvodech.

Potřebujeme zkrátka objevit spínač, který se sepne díky nízkému napětí.
Jaké jsou možnosti?

• elektromechanické relé
• polovodičové relé (solid state relé)
• bipolární tranzistor
• tranzistory v Darlington zapojení (výkonové)
• MOSFET tranzistor (polem řízený)

Elektromechanické relé

Klasické elektromechanické relé funguje tak, že přivedete napětí do cívky z navinutého lakem izolovaného vodiče, která tím vytvoří elektromagnetické pole. V důsledku magnetického pole se přitáhne ocelová kotva a dojde tím k mechanickému sepnutí obvodu.
Výhodou tohoto řešení je, že jsou oba obvody oddělené a lze spínat i vyšší napětí, například 230 V. Jenže pro náš účel jde o součástku nevhodnou, protože je nákladnější, pomalejší než ostatní typy „spínačů“ a spotřebuje hodně elektřiny. Vyšší spotřeba je zde problém zásadní. Zapojíte-li více relátek, řídící obvody se přetíží. Elektrické signály v řídících obvodech mají sloužit pouze k přenášení informace. Spínat jimi induktory je proto dosti neohrabané.

Polovodičové relé

Polovodičové (solid state) relé nemá žádné mechanické části. Uvnitř se nachází svítivá dioda, fototranzistor a NPN tranzistor (tedy polovodičové součástky). Dioda musí být připojená k rezistoru, aby se nespálila. Nízkým napětím diodu rozsvítíte.
Světlo z diody dopadne na fototranzistor. Na bázi tranzistoru T1 přijde nepatrné napětí, které však stačí k otevření a vznikne vodivý přechod. Tranzistor T1 „sepne“ a začne jím protékat proud v sekundárním obvodu. Velkou výhodou je, že jsou obvody od sebe bezpečně oddělené, takže nehrozí poškození řídící jednotky. Napětí potřebné k průrazu se pohybuje u většiny těchto součástek v řádu tisíců voltů.
Pro náš případ se toto řešení také nehodí. Cena je ve srovnání s tranzistorem zbytečně vyšší. Solid state relé bychom využili pro spínání mnohem vyššího napětí, např. 230 nebo 400 V.

Bipolární tranzistor

Bipolární tranzistor by mohl být nadějným kandidátem. U těchto tranzistorů je průchod proudu I_C řízený proudem na bázi I_B. Existují dva základní druhy bipolárních tranzistorů a sice NPN a PNP.

Podstatu tranzistorového jevu zde nemá příliš smysl rozebírat. Měli byste to již znát z fyziky, nicméně připomeneme si alespoň, že zkratka NPN znamená Negativní-Pozitivní-Negativní a týká se typu polovodičového přechodu.

Nás teď především zajímá, jak tranzistor použít a sice jako spínač. (Může však sloužit i jako zesilovač, což probereme jindy.)
Není-li na bázi (B) žádné napětí, potom je přechod uzavřený a z kolektoru (C) se do emitoru (E) elektřina nedostane. Avšak přivedeme-li na bázi napětí, cesta se otevře. Přitom stačí jen malý elektrický proud I_B, aby přes kolektor začal proudit řádově silnější proud I_C.

Tranzistor typu PNP pracuje podobně jako NPN jen s tím rozdílem, že na bázi je zapotřebí přivést malé záporné napětí. To z výstupu řídícího obvodu nedostanete, proto je PNP tranzistor nevhodný.

Jenom na okraj zmíním rozdíly ve značení. Značka tranzistoru s kroužkem znamená, že se jedná o samostatnou součástku. Bez kroužku jde o tranzistor v integrovaném obvodě.

Nejprve načrtneme velmi přibližné schéma zapojení:

Značka „vidlice“ připojená na bázový rezistor R_B dává vědět, kam přijde řídící napětí pro aktivaci solenoidu. Napětí z řídících (logických) obvodů má, jak už bylo naznačeno, většinou až 5 V. My však nemůžeme připojit 5 V na bázi přímo, protože tranzistorem by procházel značný proud, který by jej zničil. Asi byste si říkali, jaká je to zmetková součástka, když ani třetí, ani čtvrtá nefunguje dle očekávání.

Spočítáme jakou by měl bázový rezistor mít hodnotu. Musíme však nejprve zjistit výkon použitého solenoidu. Výrobce by jej měl vždy uvést, např. jako „Rated power“. Pokud neznáme výkon, změříme odpor cívky a výkon spočítáme. Na cívce jsme multimetrem naměřili 28 Ω.

Okamžitý výkon v obvodu se stejnosměrným napětím je
P = U * I 
čili napětí krát proud. Jednotkou výkonu je Watt [W], ale můžete uvádět i [VA], což je přehlednější pro kontrolu při výpočtech.

Ohmův zákon říká, že proud závisí na napětí a odporu:

I = U / R

Napětí známe, odpor také. Dosadíme do rovnice pro výkon a vypočítáme výkon solenoidu:

P = U * I = U * U/R = 12 * 12/28 = 5,14 [W]

Náš solenoid má 5,14 W. Jmenovité napětí je 12V.

Volba tranzistoru je spíše otázkou zkušeností. Zkušenosti jsou přesně tím, co v životě nejvíc potřebujeme. Spočítáme, zda by obstál například velmi často používaný tranzistor BC547. Cena se pohybuje kolem 4 Kč/ks.

Nejprve si ověříme v katalogových listech, jaké je maximální přípustné napětí mezi kolektorem a emitorem. V_CEO je 45 V, což pro 12 V napájení bohatě stačí. Když už máte nalistovány parametry tranzistoru, zjistíte proudový zesilovací činitel h_FE (v českých katalogových listech se značí jako h_21E ). V případě BC547 je h_FE = 110. Budeme jej potřebovat pro výpočet hodnoty bázového rezistoru. Zesilovací činitel v podstatě říká, jak velké proudové zesílení může tranzistor poskytnout.

Díky jmenovitému napětí a výkonu solenoidu spočítáme pracovní proud, který poteče přes kolektor:

I_C = P / U = 5,14 [VA] / 12 [V] = 0,43 [A]

Hodnotu proudového zesilovacího činitele známe, takže můžeme vypočítat pracovní proud na bázi:
I_C = h_FE * I_B

I_B = I_C / h_FE = 0,43 [A] / 110 = 0,0039 [A]

Použijeme Ohmův zákon
I = U / R   =>   R = U / I
a zjistíme hodnotu bázového rezistoru
R_B = U / I = 5 [V] / 0,0039 [A] = 1 282 Ω

Správně bychom od napětí U měli odečíst úbytek napětí mezi bází a emitorem způsobený činností tranzistoru. V katalogu se uvádí zpravidla jako Base–Emitter On Voltage. Tranzistor BC547 má úbytek 0,7 V.

R_B = U – V_BE / I = (5 – 0,7) [V] / 0,0039 [A] = 1 102 Ω

Abychom měli jistotu, že tranzistor sepne, použili bychom rezistor s o něco nižší hodnotou, např. 1K (1 000 Ω).

Podíváme se pro jistotu ještě jednou do katalogových listů a ověříme, zda pracovní kolektorový proud I_C neodpálí námi zvolený tranzistor. Objevíme s překvapením, že BC547 snese pouze 100 mA, což je 0,1 A, tedy 4,3 kráte méně, než kolik by mohlo protékat naším obvodem. Jenže mezi obyčejnými bipolárními tranzistory žádný, který by snesl pracovní proud I_C = 430 mA nenacházíme. Co teď? Máme to zabalit? Traduje se, že Edison provedl 1000 pokusů, než vynalezl žárovku. My máme za sebou první pokus a to by nás mělo spíše nažhavit, než odradit. Nikdy se nevzdáváme! Tohle pravidlo je z celé elektro(tech)niky nejdůležitější, protože něco stvořit znamená objevit nejprve mnoho slepých uliček! Nejspíš za to může právě Edison.

Co zkusit na emitor připojit nějaký hodně slabý rezistor, třeba 50 Ω ? Sníží se tím kolektorový proud, takže se tranzistor nespálí. Jenže nevíme, zda by solenoid fungoval správně, tedy zda 100 mA postačí pro sepnutí. Měli bychom si už konečně trochu zašpinit ruce a vyzkoušet, zda nás rezistor zachrání…

Vyzkoušejte si zapojení nejprve v online simulátoru: Obvod s připojeným rezistorem na emitor. Je to moc důležité. V simulátoru uvidíte, jak a kudy elektrický proud proudí! Rychlost simulace nastavte spíše nižší, abyste viděli i „blbnutí“ proudu po odpojení obvodu.
Pro sepnutí obvodu je zapotřebí zapnout úroveň logická jedna na digitálním vstupu vlevo. Klikněte na L. Protékající proud je emitorovým rezistorem nastaven na 86 mA, což je méně, než maximální povolený kolektorový proud (100 mA). Schválně smažte ten spodní emitorový rezistor a propojte emitor přímo se zemí (pravé tlačítko slouží k výběru součástek). Zapněte opět simulaci. Ověřte přejetím myši na vodiče jaký je v nich proud. Zkoušejte co se děje, když zapínáme a vypínáme obvod.

 

Tranzistory v Darlington zapojení

Tranzistory v Darlingtonově zapojení jsou určené pro spínání vyšších výkonů, například motorů. Obrázek hovoří za vše. Jedná se o dva NPN tranzistory. Pro otevření sekundárního tranzistoru stačí na bázi primárního tranzistoru přivést třeba jen tísicinásobně nižší proud.

Povšimněte si, že má součástka uprostřed díru. Pomocí šroubku můžete k tranzistoru připojit hliníkový chladič. Pokud byste chtěli připojit vysokou zátěž, je dobré chladič přimontovat, jinak se značně sníží životnost (možná i na minuty).

Pro náš případ jsem zvolil součástku BD679, která snese na kolektoru až
4 A, což je ve srovnání s 0,1 A u klasického bipolárního tranzistoru až až.
Napětí na kolektoru může být maximálně 80 V. Cena je kolem 8 Kč/ks.

Nevýhodou Darlingtonu je vyšší úbytek napětí mezi bází a emitorem. Je totiž součtem úbytků napětí na BE přechodu obou tranzistorů. Nevím, jaký úbytek má BD679. Hodím do rovnice odhad:

V_BE = V_BE1 + V_BE2 = 0,7 + 0,7 = 1,4 V

Bázový rezistor potom vychází s ještě nižší hodnotou, než v přechozím případě a sice 923 Ω .

Výsledný obvod pro spínání solenoidu

Vždy když je v obvodě nějaký induktor, měli bychom se zamyslet, jak se bude chovat. Víme, že při průchodu proudu vinutým vodičem dochází k indukci. Po vypnutí může napětí na cívce dosáhnout docela vysokých hodnot, byť na velmi krátký okamžik. To však stačí ke zničení tranzistoru. V laboratorních podmínkách provedeme třeba deset pokusů a vše funguje jak má. Ale kdyby se zapínal solenoid s vyšším výkonem, potom by obvod ve stávající podobě mohl po nějaké době selhat.
Pro jistotu proto přidáme usměrňovací diodu a kondenzátor, takže budou napěťové špičky hladší a nehrozí průraz tranzistoru. V případě takto předimenzovaného Darlingtonu je riziko sice nízké, ale proč si funkčnost zařízení trochu nepojistit? Činnost diody a kondenzátoru vysledujete nejlépe v simulátoru, když budete zapínat a vypínat řídící signál a testovat různé rychlosti simulace a toku proudu. Je to mnohem lepší, než teoretizovat, co že to tam ta dioda a kondenzátor dělají. Nebojte se zkusit přenastavit kapacitu kondenzátoru.

Obvod zapneme a co se nestane? Solenoid se po nějaké době trvalého zapojení spálí. Jak je to možné? Inu, Darlington propouští opravdu velký proud – ve srovnání s běžným NPN tranzistorem. Teče tím hotová Amazonka. Co kdybychom dali za emitor nějaký slabší rezistor, třeba 10 Ω ? Pomůžeme si tím? Nevím, zkuste to!
V simulátoru vychází po připojení 10 Ω rezistoru proud o velikosti 360 mA, což pro spínání solenoidu stačí. Bez rezistoru tam ale jede veškerý proud ze zdroje naplno. Jde o to, že cívka solenoidu má jen 28 Ω. To ji pěkně rozpálí. Buď tedy musíte hodně chladit nebo dát za emitor rezistor, který sníží proud. Musí to být ale takový rezistor, který to ustojí tepelně, žádné tintítko.

Obvod s Darlingtonem si můžete vyzkoušet zde: Darlington. Rychlost simulace nastavte tak nějak doprostřed, abyste při vypínání viděli, jak dioda zpacifikuje nárazový proud z cívky. Starost by nám měl dělat již zmiňovaný dvojitý úbytek napětí mezi bází a emitorem. Proč? Co kdybychom chtěli takto připojit třeba dvacet solenoidů přes dvacet Darlingtonů? Ustály by to řídící obvody?? Jak tento problém vyřešit se můžeme podívat v některé z dalších hodin. Jenom napovím, že by možná stačilo připojit před bázový rezistor obyčejný tranzistor. Schválně přineste na příští hodinu své náčrtky.

To nejdůležitější, a sice jak by mohl vypadat řídící systém, případně logické obvody pro předávání signálu do Darlingtonu, dnes probírat nebudeme. Ale pokud by to někoho zajímalo, rád připravím přednášku.

Spouštěcí signál lze tvořit velmi zajímavými způsoby, například pomocí mikrokontroléru (třeba Arduino), nebo hodně pokročile přes Raspberry Pi a naprogramovat tento minipočítač v Pythonu (obrázkovou učebnici Pythonu jakou svět ještě neviděl vydám ještě tento rok), případně pomocí několika málo integrovaných logických obvodů … 7400 (NAND), 555 (časovač), apod.).

Málem bych zapomněl. Jako poslední možnost spínání solenoidu jsem na začátku uvedl tranzistor typu MOSFET, který je spínán elektrickým polem. Tento tranzistor však probírat nebudeme, protože jsem neměl čas si jej nastudovat. Nejsem žádný učitel a už vůbec ne elektrikář. Šel jsem jenom náhodou kolem téhle třídy. Vypadali jste znuděně, tak jsem si nastudoval nějaké ty základy a udělal vám malou přednášku. Dohromady o tom ale v podstatě nic nevím, jenom si tak testuji různé nápady, takže vše zde uvedené si raději ověřte v učebnicích, které napsaly osoby znalé, osoby úředně potvrzené, či jinak pomazané. Máte přestávku. Odcházím.

 

Kdo dočetl až sem a čekal, že objeví nějakou mimozemskou vzdělávací techniku, tak trochu napovím: nejlépe si můžete vše zapamatovat a porozumět látce tím, že budete výše uvedeným způsobem sepisovat poznatky a zkušenosti a testovat a zkoušet. Člověk se výborně naučí cokoliv co jej fascinuje a s čím aktivně pracuje. Nemusí tomu přitom na začátku vůbec rozumět. Ono to samo vykrystalizuje. Hlavně se však zaměřte na hledání řešení konkrétních rozmanitých úkolů. Je to potom hodně zábavné, až snad i dobrodružné.