Helion - Elektronika dla bystrzaków. Wydanie II

Tytu oryginau: Electronics For Dummies, 2nd EditionTumaczenie: ukasz PiwkoISBN: 978-83-246-6651-5Original English language edition Copyright 2009 by Wiley Publishing, Inc.All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form.This translation published by arrangement with Wiley Publishing, Inc.

Oryginalne angielskie wydanie 2009 by Wiley Publishing, Inc.Wszelkie prawa, wczajc prawo do reprodukcji caoci lub czci w jakiejkolwiek formie, zarezerwowane.Tumaczenie publikowane na mocy porozumienia z Wiley Publishing, Inc.

Wiley, the Wiley Publishing logo, For Dummies, the Dummies Man and related trade dress are trademarks orregistered trademarks of John Wiley & Sons, Inc. and/or its affiliates in the United States and/or other countries.Used under license.

Wiley, the Wiley Publishing logo, For Dummies, the Dummies Man i zwizana z nimi szata graficzna smarkami handlowymi John Wiley & Sons, Inc. i/lub firm stowarzyszonych w Stanach Zjednoczonych i/lubinnych. Wykorzystane na podstawie licencji.

Translation copyright 2012 by Helion S.A.

All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means,electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system,without permission from the Publisher.

Wszelkie prawa zastrzeone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie caoci lub fragmentu niniejszej publikacjiw jakiejkolwiek postaci jest zabronione. Wykonywanie kopii metod kserograficzn, fotograficzn, a takekopiowanie ksiki na noniku filmowym, magnetycznym lub innym powoduje naruszenie praw autorskichniniejszej publikacji.

Autor oraz Wydawnictwo HELION dooyli wszelkich stara, by zawarte w tej ksice informacje byykompletne i rzetelne. Nie bior jednak adnej odpowiedzialnoci ani za ich wykorzystanie, ani za zwizanez tym ewentualne naruszenie praw patentowych lub autorskich. Autor oraz Wydawnictwo HELIONnie ponosz rwnie adnej odpowiedzialnoci za ewentualne szkody wynike z wykorzystania informacjizawartych w ksice.

Drogi Czytelniku!Jeeli chcesz oceni t ksik, zajrzyj pod adreshttp://dlabystrzakow.pl/user/opinie?elebys_ebookMoesz tam wpisa swoje uwagi, spostrzeenia, recenzj.

Wydawnictwo HELIONul. Kociuszki 1c, 44-100 Gliwicetel. 32 231 22 19, 32 230 98 63e-mail: [email protected]: http://dlabystrzakow.pl

Printed in Poland.

Pole ksik na Facebook.com

Kup w wersji papierowej

Oce ksik

Ksigarnia internetowa

Lubi to! Nasza spoeczno
http://ebookpoint.pl/rf/ELEBYShttp://ebookpoint.pl/rt/ELEBYShttp://ebookpoint.pl/ro/ELEBYShttp://ebookpoint.plhttp://ebookpoint.pl/r/E37AThttp://dlabystrzakow.pl/user/opinie?elebys_ebookmailto:[email protected]://dlabystrzakow.pl

Moim rodzicom, Beth i Jimowi Corbettom, za udowodnienie mi, e mog zrobi wszystko,jeli tylko si postaram. Siostrze Eustelle, ktra zrobia ze mnie pisark. Mojemu cudownemu mowi Billowi,

ktry zawsze mnie wspiera, oraz naszym fantastycznym synom, Kevinowi, Peterowi, Brendanowii Patrickowi, dziki ktrym kady dzie mojego ycia jest wspania, pen mioci przygod.

C.S.

Mojemu ojcu, Wallyemu McCombowi, ktry zarazi mnie bakcylem elektroniki.A take Forrestowi Mimsowi, ktry nauczy mnie kilku rzeczy na ten temat.

G.M.

4 Guitar Exercises For Dummies

Spis treciO autorach ....................................................................................................................15

Podzikowania od autorw ...........................................................................................17

Wstp ............................................................................................................................19Dlaczego warto kupi t ksik? .......................................................................................................19Dlaczego elektronika? ........................................................................................................................20Naiwne zaoenia ..............................................................................................................................20Bezpieczestwo przede wszystkim ......................................................................................................21Jak podzielona jest ksika? ...............................................................................................................22

Cz I. Podstawy elektroniki ........................................................................................................22Cz II. eby si nauczy, trzeba si ubrudzi ...............................................................................22Cz III. Przekuwanie teorii w praktyk ........................................................................................22Cz IV. Dekalogi .......................................................................................................................23

Ikony uyte w ksice ........................................................................................................................23

Cz I: Podstawy elektroniki .................................. 25Rozdzia 1: Czym jest elektronika i co mona dziki niej zrobi? .................................27

Czym jest elektronika? .......................................................................................................................27Skd si bierze prd elektryczny? .......................................................................................................28

Wydobywanie adunku z elektronw ..............................................................................................29Mobilizowanie elektronw w przewodnikach ...................................................................................29Wprawianie elektronw w ruch ......................................................................................................30

Wykorzystywanie energii elektrycznej do wykonywania pracy ...............................................................31Wykorzystywanie energii elektrycznej .............................................................................................32Umoliwianie elektronom dotarcia we waciwe miejsce ...................................................................32

Co elektrony potrafi zrobi (gdy tylko si nimi odpowiednio pokieruje)? ..............................................34Wytwarzanie dobrych wibracji .......................................................................................................34Zobaczy znaczy uwierzy .............................................................................................................34Wyczuwanie i alarmowanie ...........................................................................................................35Sterowanie ruchem .......................................................................................................................35Rozwizywanie problemw (czyli uywanie komputerw) ................................................................35Komunikacja ................................................................................................................................35

6 Elektronika dla bystrzakw

Rozdzia 2: Elektryczno w Twoich rkach ................................................................ 37Dostarczanie energii elektrycznej ........................................................................................................37

Pobieranie prdu staego z baterii ..................................................................................................38Uywanie prdu zmiennego z elektrowni ........................................................................................39Zamiana wiata w elektryczno ...................................................................................................41

Rzeczywisty ruch elektronw a umowny kierunek przepywu prdu .......................................................42Prosty obwd z arwk ....................................................................................................................43Sterowanie prdem elektrycznym za pomoc podstawowych elementw ................................................45

Sposoby kontrolowania prdu ........................................................................................................46Elementy czynne i bierne ...............................................................................................................47

Poczenia szeregowe i rwnolege .....................................................................................................47Poczenia szeregowe ....................................................................................................................47Poczenia rwnolege ...................................................................................................................48Obwody mieszane ........................................................................................................................49

Tworzenie ukadw elektronicznych ...................................................................................................49Skd bierze si ten dwik? ...........................................................................................................50Rysowanie przy uyciu elektronw .................................................................................................51

Rozdzia 3: Napotykamy czynny opr ........................................................................... 53Ograniczanie przepywu prdu ..........................................................................................................53Rezystory bierne, ale potne ........................................................................................................54

Do czego su rezystory? ..............................................................................................................55Rodzaje rezystorw stae i zmienne ...........................................................................................56Budowa rezystorw staych ............................................................................................................57Co w potencjometrze piszczy? .......................................................................................................59Moc znamionowa rezystorw .........................................................................................................60

czenie rezystorw ..........................................................................................................................62Szeregowe czenie rezystorw .......................................................................................................62Rwnolege czenie rezystorw .....................................................................................................63Kombinacje szeregowych i rwnolegych pocze rezystorw ..........................................................65

Przestrzeganie prawa Ohma ..............................................................................................................66Przepyw prdu mimo stawianego mu oporu ...................................................................................66Wszystko jest proporcjonalne .........................................................................................................66Jedno prawo, trzy rwnania ...........................................................................................................67

Zastosowanie prawa Ohma do analizy obwodw ................................................................................68Obliczanie natenia prdu pyncego przez element ......................................................................68Obliczanie wartoci napicia prdu w elemencie .............................................................................69Obliczanie rezystancji ...................................................................................................................71

Do czego tak naprawd przydaje si prawo Ohma? .............................................................................72Analizowanie skomplikowanych obwodw ......................................................................................72Projektowanie i modyfikowanie obwodw .......................................................................................73

Moc prawa Joulea ............................................................................................................................74Zastosowanie prawa Joulea przy wyborze elementw elektronicznych ..............................................75Joule i Ohm doskonay duet ......................................................................................................75

Sprbuj swych si w projektowaniu obwodw z rezystorami ..................................................................75

Spis treci 7

Rozdzia 4: Wydobywanie adunku z kondensatorw ...................................................77Kondensatory zbiorniki na energi elektryczn ................................................................................78adowanie i rozadowywanie kondensatorw ......................................................................................79

Przeciwstawianie si zmianom napicia ..........................................................................................80Przepuszczanie prdu zmiennego ...................................................................................................81

Do czego su kondensatory? ............................................................................................................82Charakterystyka kondensatorw .........................................................................................................83

Ile adunku mona zmagazynowa na pytce kondensatora? .............................................................83Pilnowanie napicia znamionowego ...............................................................................................84Wybr rodzaju (dielektryku) kondensatora .....................................................................................85Rozmiary kondensatorw ..............................................................................................................85Polaryzacja kondensatorw ............................................................................................................86Odczytywanie wartoci kondensatorw ...........................................................................................87Kondensatory zmienne ..................................................................................................................89

czenie kondensatorw ....................................................................................................................89Rwnolege czenie kondensatorw ...............................................................................................89Szeregowe czenie kondensatorw ................................................................................................90

Reaktancja pojemnociowa ................................................................................................................91Zastosowanie prawa Ohma do obliczania reaktancji pojemnociowej ................................................93

Wsppraca z rezystorami ..................................................................................................................94Czas jest najwaniejszy ..................................................................................................................94Wyznaczanie staej czasowej obwodu RC .......................................................................................96Tworzenie zegara .........................................................................................................................97

Wybr czstotliwoci przy uyciu prostych filtrw RC ..........................................................................97Filtr dolnoprzepustowy ..................................................................................................................98Filtr grnoprzepustowy .................................................................................................................98Czstotliwo graniczna .................................................................................................................99Filtrowanie pasm czstotliwoci ....................................................................................................100

Sprbuj swych si w projektowaniu obwodw z kondensatorami ..........................................................100

Rozdzia 5: Cewki indukcyjne i krysztay ....................................................................101Niedalecy krewni magnetyzm i elektryczno ................................................................................102

Rysowanie linii za pomoc magnesu .............................................................................................102Wytwarzanie pola magnetycznego za pomoc elektrycznoci ..........................................................102Indukcja prdu za pomoc magnesu .............................................................................................103

Cewka indukcyjna zwj o charakterze przycigajcym jak magnes ..................................................104Mierzenie indukcyjnoci ..............................................................................................................104Przeciwstawne zmiany prdu .......................................................................................................105Nadanie (albo i nie!) za prdem zmiennym ...............................................................................106

Reaktancja indukcyjna .....................................................................................................................107Uycie wartoci reaktancji indukcyjnej w rwnaniach prawa Ohma ................................................108Zmiana zachowania zalenie od czstotliwoci (po raz kolejny) ......................................................108

Zastosowanie cewek indukcyjnych w obwodach .................................................................................108Izolowanie i ekranowanie cewek indukcyjnych ...............................................................................109Oznaczenia indukcyjnoci ...........................................................................................................109czenie ekranowanych cewek indukcyjnych .................................................................................109Filtrowanie sygnaw za pomoc cewek indukcyjnych ....................................................................110Obliczanie staej czasowej obwodw RL ......................................................................................111


Przedstawiamy impedancj! .............................................................................................................111Dostrajanie do stacji radiowych ........................................................................................................112

Rezonans w obwodach RLC ......................................................................................................113Krystalicznie czysty rezonans .......................................................................................................114

Oddziaywanie na elementy ssiednie transformatory ....................................................................115Co czy nieekranowane cewki indukcyjne? ...................................................................................115Izolowanie obwodw od rda zasilania ......................................................................................116Podwyszanie i obnianie napicia ...............................................................................................116

Rozdzia 6: Bogaty wiat pprzewodnikw .............................................................. 119Przewodzi czy nie przewodzi? .......................................................................................................119

Domieszkowanie pprzewodnikw ..............................................................................................121Tworzenie elementw przy uyciu kombinacji pprzewodnikw typw n i p ...................................123

Diody zczowe ...............................................................................................................................123Polaryzacja diod .........................................................................................................................124Przewodzenie prdu przez diod .................................................................................................125Wartoci znamionowe diod ..........................................................................................................126Identyfikacja diod .......................................................................................................................126Ktr stron podcza? ..............................................................................................................127

Zastosowanie diod w obwodach .......................................................................................................127Prostowanie prdu zmiennego .....................................................................................................127Regulowanie napicia przy uyciu diod Zenera ............................................................................129wiato z diod LED ...................................................................................................................130Inne zastosowania diod ...............................................................................................................131

Niesamowicie utalentowane tranzystory ............................................................................................132Tranzystory bipolarne zczowe ...................................................................................................133Tranzystory polowe ....................................................................................................................133

Uywanie tranzystorw ...................................................................................................................134Zasada dziaania tranzystorw .........................................................................................................134

Emitowanie i gromadzenie elektronw ..........................................................................................135Wzmacnianie natenia prdu .....................................................................................................138Nasycenie tranzystora .................................................................................................................138

Modelowanie dziaania tranzystorw ................................................................................................139Wzmacnianie sygnaw za pomoc tranzystorw ...............................................................................141

Polaryzacja tranzystora, aby dziaa jak wzmacniacz ......................................................................141Kontrolowanie wzmocnienia napiciowego ...................................................................................142Konfiguracja obwodw wzmacniajcych z tranzystorami ................................................................142

Przeczanie sygnaw za pomoc tranzystorw .................................................................................143Wybr tranzystora ...........................................................................................................................144

Najwaniejsze parametry tranzystorw .........................................................................................144Identyfikacja tranzystorw ...........................................................................................................145Jak rozpozna tranzystor? ............................................................................................................145

Rewolucja pprzewodnikowa ..........................................................................................................146Sprbuj swych si w projektowaniu obwodw z elementami pprzewodnikowymi ................................146

Spis treci 9

Rozdzia 7: Ukady scalone .........................................................................................147Dlaczego ukady scalone? ................................................................................................................147Ukady analogowe, cyfrowe i mieszane .............................................................................................148Podejmowanie logicznych decyzji .....................................................................................................149

Na pocztku by bit .....................................................................................................................149Przetwarzanie danych przy uyciu bramek ....................................................................................151Upraszczanie bramek przy uyciu tabel prawdy ...............................................................................153Tworzenie elementw logicznych .................................................................................................154

Jak uywa ukadw scalonych? ........................................................................................................155Identyfikacja ukadw scalonych wedug numerw czci ...............................................................155Najwaniejsza jest obudowa ........................................................................................................156Styki ukadw scalonych ..............................................................................................................157Korzystanie z kart danych katalogowych .......................................................................................159

Popularne rodzaje ukadw scalonych ...............................................................................................159Wzmacniacze operacyjne .............................................................................................................160Wehiku czasu ukad 555 .......................................................................................................161Licznik dziesitny 4017 ..............................................................................................................167Mikrokontrolery i inne popularne ukady scalone ...........................................................................168

Poszerzanie horyzontw ..................................................................................................................168

Rozdzia 8: Wybr czci ............................................................................................171czenie elementw ........................................................................................................................171

Wybr rodzaju przewodw ..........................................................................................................171Zcza .......................................................................................................................................173

Zasilanie ........................................................................................................................................174Wyciskanie sidmych potw z baterii ...........................................................................................174Wykorzystanie energii sonecznej .................................................................................................177Zasilanie z gniazdka ciennego (niezalecane) ...............................................................................178

Wczanie i wyczanie prdu ..........................................................................................................178Sterowanie dziaaniem przecznika .............................................................................................179Nawizywanie pocze ..............................................................................................................180

Czujniki .........................................................................................................................................181Zobaczy wiato ........................................................................................................................181Wychwytywanie dwiku za pomoc mikrofonw ..........................................................................182Wykrywanie ciepa ......................................................................................................................182Inne rodzaje przetwornikw wejciowych ......................................................................................183

Efekt dziaania urzdze elektronicznych ..........................................................................................184Gos gonikw ...........................................................................................................................185Brzczenie brzczykw ................................................................................................................186Silniki prdu staego ...................................................................................................................187

Cz II: eby si nauczy, trzeba si ubrudzi ......... 189Rozdzia 9: Urzdzanie warsztatu i dbanie o bezpieczestwo ....................................191

Wybr miejsca na warsztat ...............................................................................................................192Podstawowe wyposaenie warsztatu .............................................................................................192St warsztatowy .........................................................................................................................193


Gromadzenie narzdzi i materiaw ..................................................................................................193Sprzt do lutowania ....................................................................................................................193Polowanie na multimetr ..............................................................................................................195owienie narzdzi rcznych .........................................................................................................196Szmatki i rodki czyszczce .........................................................................................................197rodki smarne ............................................................................................................................199Materiay klejce ........................................................................................................................199Inne narzdzia i materiay ............................................................................................................200

Zaopatrywanie si w czci zapasowe ...............................................................................................201Pytki stykowe ............................................................................................................................201Zestaw pocztkowy .....................................................................................................................203Wyposaenie dodatkowe .............................................................................................................204Przechowywanie czci ................................................................................................................204

Ochrona zdrowia i elementw elektronicznych ..................................................................................205Elektryczno moe by naprawd niebezpieczna ..........................................................................205Bezpieczne lutowanie ..................................................................................................................209Unikanie wyadowa elektrostatycznych jak zarazy ........................................................................210

Rozdzia 10: Czytanie schematw ............................................................................. 213Co to jest schemat i do czego suy? .................................................................................................213Spojrzenie z szerokiej perspektywy ...................................................................................................214

Poczenia s najwaniejsze .........................................................................................................214Prosty obwd z bateri ................................................................................................................215

Insygnia mocy .................................................................................................................................216Wskazywanie rda napicia ......................................................................................................217Oznaczanie masy ........................................................................................................................218

Oznaczanie elementw elektronicznych .............................................................................................219Analogowe elementy elektroniczne ...............................................................................................221Elementy cyfrowe i ukady scalone ...............................................................................................222Pozostae elementy .....................................................................................................................224

Miejsca dokonywania pomiarw .......................................................................................................226Analiza schematu ............................................................................................................................226Inne standardy symboli elementw elektronicznych ............................................................................228

Rozdzia 11: Budowa ukadw elektronicznych ......................................................... 231Pytki stykowe .................................................................................................................................231

Szczegy budowy pytki stykowej ................................................................................................232Rozmiary pytek stykowych ..........................................................................................................233

Konstruowanie ukadw elektronicznych z wykorzystaniem pytek stykowych .......................................234Przygotowywanie czci i narzdzi ...............................................................................................234Przygotowywanie czwek na zapas ............................................................................................235Topografia ukadu ......................................................................................................................235Zapobieganie uszkodzeniom .......................................................................................................237

Podstawy lutowania ........................................................................................................................238Przygotowywanie do lutowania ....................................................................................................239Technika lutowania ....................................................................................................................239Sprawdzanie jakoci poczenia ...................................................................................................241Rozlutowywanie .........................................................................................................................241

Spis treci 11

Postpowanie po zakoczeniu lutowania ......................................................................................242Bezpieczestwo w czasie lutowania ..............................................................................................242

Pene zaangaowanie czenie elementw na stae ........................................................................243Budowa ukadu na uniwersalnej pytce drukowanej .......................................................................243Wykonywanie prototypw przy uyciu perforowanych pytek montaowych .....................................244Wykonywanie pocze owijanych ...............................................................................................246Wykonywanie wasnej pytki obwodu drukowanego .......................................................................247

Rozdzia 12: Wykonywanie pomiarw i analizowanie obwodw ................................249Niezwyke moliwoci maego multimetru ..........................................................................................250

Ale to jest przecie woltomierz! ..................................................................................................251To take amperomierz! ...............................................................................................................251Omomierz te! ...........................................................................................................................251

Rodzaje multimetrw ......................................................................................................................252Analogowy czy cyfrowy? .............................................................................................................252Multimetr cyfrowy ......................................................................................................................253Wybr zakresu pomiaru ..............................................................................................................255

Kalibracja multimetru ......................................................................................................................256Posugiwanie si multimetrem ..........................................................................................................257

Pomiar napicia prdu ................................................................................................................258Pomiar natenia prdu ..............................................................................................................258Pomiar rezystancji ......................................................................................................................260Inne rodzaje prb ........................................................................................................................265

Sprawdzanie obwodw za pomoc multimetru ..................................................................................266

Rozdzia 13: Analizator stanw logicznych i oscyloskop ...........................................267W gb logiki ..................................................................................................................................267Analiza sygnaw przy uyciu oscyloskopu ........................................................................................270

Obserwacja przebiegu sygnaw ...................................................................................................271Pasmo i rozdzielczo oscyloskopu ...............................................................................................273

Kiedy uywa oscyloskopu? .............................................................................................................274Praca z oscyloskopem ......................................................................................................................275

Podstawowa konfiguracja i testowanie ..........................................................................................275Wywietlanie i dokonywanie pomiaru sygnaw ................................................................................277

Wykonywanie pomiarw ..................................................................................................................279Czy z baterii da si jeszcze co wycisn? .....................................................................................280Obrazowanie przebiegu akustycznego sygnau radiowego ..............................................................280Sprawdzanie czstotliwoci w obwodzie prdu zmiennego .............................................................281

Cz III: Przekuwanie teorii w praktyk ................ 285Rozdzia 14: Podstawy budowy ukadw elektronicznych .........................................287

Przygotowanie do pracy ..................................................................................................................287Zobaczy znaczy uwierzy prawo Ohma naprawd dziaa! ...........................................................289

Analiza obwodu szeregowego ......................................................................................................289Rozdzielanie napicia .................................................................................................................293Obwody z rezystorami poczonymi rwnolegle .............................................................................294


adowanie i rozadowywanie kondensatorw ....................................................................................296Gromadzenie i oddawanie adunku ..............................................................................................296Zmienianie staej czasowej obwodu RC .......................................................................................298

Zmniejszanie napicia na diodach ....................................................................................................299Wczanie diody LED ................................................................................................................300Stabilizowanie napicia ...............................................................................................................301

Praca z tranzystorami ......................................................................................................................303Wzmacnianie prdu ....................................................................................................................303Przecznik jest wczony! ...........................................................................................................305

Sztuka logicznego mylenia ..............................................................................................................305wiateko na kocu bramki NAND .............................................................................................306Budowa bramki OR z trzech bramek NAND ..............................................................................307

Rozdzia 15: Projekty do samodzielnego wykonania w p godziny ........................... 309Potrzebne czci .............................................................................................................................309Migajce byskotki ...........................................................................................................................310

Analiza obwodu migacza na bazie ukadu 555 .............................................................................310Budowa ukadu migajcych wiateek ...........................................................................................312Sprawdzanie gotowego obwodu ...................................................................................................314

Wystukiwanie wietlnej melodii dziki wykorzystaniu zjawiska piezoelektrycznoci ...............................315Piezo co? ...............................................................................................................................315Krtki kurs piezoelektrycznoci ....................................................................................................315wietlny bbenek ........................................................................................................................317

Widzenie w ciemnoci dziki detektorowi podczerwieni ......................................................................317Wykrywanie czci detektora podczerwieni ...................................................................................317Szukanie rde podczerwieni ......................................................................................................318

Konstrukcja domowego alarmu ........................................................................................................319Gromadzenie czci ....................................................................................................................319Zasada dziaania alarmu .............................................................................................................320

Trafianie do celu dziki elektronicznemu kompasowi .........................................................................321Czci potrzebne do budowy kompasu .........................................................................................322Konstrukcja kompasu ..................................................................................................................322

Jak jest jasno, to sycha jakie dwiki ..............................................................................................323Lista czci do budowy wietlnego alarmu ....................................................................................324Praktyczne zastosowania alarmu ..................................................................................................324

May wzmacniacz, ale jaki mocny .....................................................................................................324Gos w sprawie potrzebnych czci ...............................................................................................325Szczegy konstrukcji maego wzmacniacza ...................................................................................325

Rczny wykrywacz rde wody .......................................................................................................326Lista czci ................................................................................................................................326Zasada dziaania wykrywacza wody .............................................................................................327

Generator niesamowitych efektw wietlnych .....................................................................................327Lista czci generatora efektw wietlnych ....................................................................................327Sterowanie wiatami ..................................................................................................................329Rozmieszczenie diod LED .........................................................................................................329

Spis treci 13

Cz IV: Dekalogi ................................................ 331Rozdzia 16: Gar cennych wskazwek ....................................................................333

Gotowe projekty elektroniczne ..........................................................................................................333Uycie nastawnego rda zasilania ..................................................................................................334Liczenie megahercw ......................................................................................................................334Generowanie rnych rodzajw sygnaw .........................................................................................335Zmiana czstotliwoci .....................................................................................................................336Sprawdzanie pulsu ukadu ...............................................................................................................336Analizowanie stanw logicznych ......................................................................................................338Symulowanie ukadw elektronicznych ..............................................................................................338Gdzie kupi przyrzdy pomiarowe? ..................................................................................................339

Rozdzia 17: Dziesi najpopularniejszych sklepw z czciami elektronicznymi .......... 341Polska ............................................................................................................................................341

Aprovi .......................................................................................................................................341AVT .........................................................................................................................................342Cyfronika ...................................................................................................................................342Distrelec ....................................................................................................................................342Centrum Elektroniki ...................................................................................................................342Allegro ......................................................................................................................................342

Poza Polsk ...................................................................................................................................342RadioShack ...............................................................................................................................342All Electronics ...........................................................................................................................343Farnell .......................................................................................................................................343Parts Express .............................................................................................................................343

Dyrektywa RoHS ...........................................................................................................................343Nowe, uywane czy z wyprzeday? ..................................................................................................343

Dodatek: Zasoby internetowe .....................................................................................345

Skorowidz ....................................................................................................................347

O autorachCathleen Shamieh jest pisark z wyksztaceniem technicznym. Specjalizuje siw tworzeniu materiaw komunikacyjnych dotyczcych wykorzystania technologiiw biznesie. Ukoczya studia z elektrotechniki w Manhattan College i MIT. Zanimzacza zajmowa si komunikacj marketingow i doradztwem biznesowym, wiadczcusugi dla firm z brany technologicznej, wczeniej pracowaa w brany elektronikimedycznej i telekomunikacyjnej. Cathleen lubi dzieli si swoj wiedz techniczni biznesow, tworzc publikacje techniczne przeznaczone dla odbiorcw niebdcychzawodowcami w danej dziedzinie.

Gordon McComb napisa ponad 60 ksiek i 1000 artykuw, ktre zostay opublikowanew rnych czasopismach. Drukiem ukazao si ponad milion egzemplarzy jego ksiek,ktre przetumaczono na kilkanacie jzykw. Przez 13 lat Gordon pisa cotygodniowyfelieton na temat komputerw osobistych. Kiedy nie pisze o elektronice i innych ciekawychrzeczach, pracuje jako konsultant ds. kina cyfrowego dla kilku wanych firm z Hollywood.

Wstp 17

Podzikowania od autorwCathleen Shamieh dzikuje wspaniaym redaktorom z wydawnictwa Wiley, w szczeglnociKatie Feltman i Christopherowi Morrisowi, za wykonanie cikiej pracy, wsparcie orazdelikatne napomnienia, a take Kirkowi Kleinschmidtowi za drobiazgowe sprawdzeniemateriau. Cathleen pragnie rwnie wyrazi swoj wdziczno Lindzie Hammer i KenowiDonoghue za polecenie jej pracy wydawnictwu Wiley. W kocu dzikuje rodziniei przyjacioom, ktrych wsparcie, pomoc i zrozumienie sprawiy, e w kocu udao sijej zosta autork ksiki z serii Dla bystrzakw.

Gordon pragnie podzikowa swojej rodzinie, ktra po raz kolejny wstrzymaa swj oddech,aby mg dokoczy nastpn ksik.


Podzikowania od wydawcy oryginau

Jestemy dumni z tej ksiki. Prosimy o przesyanie wszelkich uwag za pomoc formularzainternetowego serii Dummies, ktry znajduje si pod adresem http://dummies.custhelp.com.

W wydaniu tej ksiki pomogli nam midzy innymi:

Acquisitions, EditorialSr. Project Editor: Christopher MorrisAcquisitions Editor: Katie FeltmanSr. Copy Editor: Barry Childs-HeltonTechnical Editor: Kirk KleinschmidtEditorial Manager: Kevin KirschnerSr. Editorial Assistant: Cherie CaseCartoons: Rich Tennant (www.the5thwave.com)

Composition ServicesProject Coordinator: Katie CrockerLayout and Graphics: Karl Brandt,

Shawn Frazier, SDJumperProofreader: John GreenoughIndexer: Potomac Indexing

Publishing and Editorial for Technology DummiesRichard Swadley, Vice President and Executive Group PublisherAndy Cummings, Vice President and PublisherMary Bednarek, Executive Acquisitions DirectorMary C. Corder, Editorial Director

Publishing for Consumer DummiesDiane Graves Steele, Vice President and Publisher

Composition ServicesDebbie Stailey, Director of Composition Services
http://dummies.custhelp.comhttp://www.the5thwave.com

Wstp 19

Wstpiekawi Ci jak to si dzieje, e Twj iPod dziaa? Co siedzi w Twoim telefoniekomrkowym, laptopie, zestawie stereo, aparacie cyfrowym, 46-calowym telewizorze

plazmowym i kadej innej elektronicznej zabawce, ktrej uywasz na co dzie do zabawyi aby uatwi sobie ycie?

Jeli kiedykolwiek ciekawio Ci, jak dziaaj tranzystory, kondensatory i inne elementyukadw elektronicznych, albo chciae zbudowa wasne urzdzenie elektroniczne, tota ksika jest wanie dla Ciebie!

Elektronika dla bystrzakw. Wydanie II jest Twoj przepustk do elektryzujcego wiataelektroniki. Nie znajdziesz tu adnych nudnych, niezrozumiaych teoretycznych rozwaa.Ksika, ktr trzymasz w rkach, pozwoli Ci zrozumie zasad dziaania urzdzeelektronicznych oraz nauczy Ci tworzy i naprawia wasne takie urzdzenia.

Dlaczego warto kupi t ksik?Elektronika czsto jest postrzegana jako tajemnicza sztuka, poniewa polega na sterowaniuczym, czego nie wida prdem elektrycznym i czego nie naley dotyka, jak uczononas od dziecka. To wystarczy, aby odstraszy wikszo ludzi. Jeli jednak zastanowisz sinad tym, jak czsto korzystasz z urzdze elektronicznych na co dzie, moesz zaczsi ciekawi, jak to moliwe, e tak mae urzdzenia mog robi tyle niezwykych rzeczy.

Ksika ta objania zasady elektroniki w sposb, ktry jest zrozumiay dla zwykegouytkownika. Dowiesz si, czym tak naprawd jest elektronika, poznasz dziaanienajwaniejszych elementw elektronicznych oraz nauczysz si budowa i testowadziaajce ukady i projekty elektroniczne. Nie znajdziesz tu odpowiedzi na wszystkiemoliwe pytania, ale zdobdziesz gruntown wiedz na temat podstawowych zasad.

Marzy nam si, aby po lekturze tej ksiki Czytelnik odkry, e elektronika wcale niejest tak skomplikowana, jak si wydaje. Naszym celem jest wyposay Ci w tak wiedz,dziki ktrej zyskasz pewno siebie i wkroczysz do wiata elektroniki.

C


Dlaczego elektronika?Elektronika otacza nas ze wszystkich stron. Mona j znale w urzdzeniach sucychdo komunikacji, rozrywki, jak rwnie w kuchni. Ukady elektroniczne steruj wiatamiulicznymi, handlem elektronicznym i urzdzeniami medycznymi, a take wielomazabawkami. Sprbuj sobie wyobrazi swoje ycie bez niej to tak, jakbymy siprzenieli do redniowiecza.

Czego w takim razie dowiesz si, przegldajc karty tej ksiki? Przecie nie monaoczekiwa, e po lekturze tego skromnego tomu bdziesz umie projektowa systemykomunikacji satelitarnej. To prawda, ale prawd jest rwnie to, e nawet najbardziejskomplikowane ukady elektroniczne s zbudowane z zaledwie kilku rodzajw podstawowychelementw, poczonych wedug tych samych zasad, ktre wykorzystuje si do budowyprostszych urzdze. Jeli wic chcesz zrozumie zasad dziaania zoonych ukadwelektronicznych, musisz najpierw nauczy si podstaw ich twrcy te tak zaczynali.

Co waniejsze, dziki znajomoci podstaw elektroniki bdziesz umie budowa wasneuyteczne, aczkolwiek nieskomplikowane urzdzenia elektroniczne. Dowiesz si, jakzbudowa ukad emitujcy wiato w okrelonym czasie, wczajcy sygna dwikowy,gdy do domu wejdzie nieproszony go, a nawet jak porusza przedmiot po caym pokoju.Kiedy nauczysz si wykorzystywa ukady scalone, zoone z atwych w uyciu, w penifunkcjonalnych miniaturowych ukadw, bdziesz mg tworzy nawet bardziej zooneprojekty, dziki ktrym zrobisz wraenie zarwno na swoich przyjacioach, jak i wrogach a wszystko to moesz mie przy niewielkim nakadzie finansowym.

Przy niezwykle dynamicznym rozwoju technologii oraz postpujcej miniaturyzacjii spadajcych z roku na rok cenach elementw elektronicznych skadniki zaawansowanychsystemw zmieszcz Ci si na jednej doni. Dysponujc odrobin wiedzy i chci doeksperymentowania, moesz zbudowa ukad sterujcy owietleniem w Twoim domu,robota, ktry bdzie odkurza za Ciebie pokoje, oraz system ostrzegajcy, e kto otwieraTwoj lodwk.

Moe masz jakie inne hobby, ktre wzbogacisz dziki znajomoci elektroniki? Jelinp. interesujesz si modelami pocigw, to znajc si na elektronice, moesz zbudowaautomatyczn zwrotnic kolejow. Jeli lubisz wycigi zdalnie sterowanych samochodw,to dziki znajomoci elektroniki moesz podrasowa swj pojazd, aby wygra nastpnywycig ze znajomym.

W kocu zajmowanie si elektronik jest przyjemne. Zdobywanie wiedzy i dowiadczeniaz zakresu elektroniki samo w sobie jest du wartoci.

Naiwne zaoeniaPodczas pisania tej ksiki przyjlimy zaoenie, e Czytelnik jest ciekaw, jak dziaajurzdzenia elektroniczne, ale niewiele wie na temat zasad ich dziaania. Skoro Czytelnikwybra t ksik zamiast jakiej publikacji z gotowymi projektami ukadw elektronicznych,to zakadamy, e chciaby dowiedzie si czego na temat takich elementw, jak rezystory,kondensatory i tranzystory. W zwizku z tym postanowilimy powici nieco czasu(i ponad poow objtoci tej ksiki) na objanienie tych podstaw i przedstawi je

Wstp 21

w atwej do zrozumienia formie. Aby odnie korzyci z przeczytania tej ksiki, nie musiszby sprawnym matematykiem ani fizykiem, niemniej jednak podstawowa wiedza z algebrywyniesiona ze szkoy redniej na pewno si przyda (robimy, co moemy, aby pomc Ciodwiey t zdobyt nierzadko w pocie czoa wiedz).

Podejrzewamy, e niektrzy Czytelnicy mog przeglda tylko wybrane fragmenty tejksiki, aby przeczyta co nieco na wybrany temat, ktry ich akurat najbardziej interesuje,a pozostae czci tylko pobienie przejrz. Majc to na uwadze, umiecilimy w tekciemnstwo odsyaczy do innych miejsc zawierajcych informacje, dziki ktrym monawypeni luki w swojej wiedzy albo odwiey sobie pami. Mimo i w pierwszej poowieksiki opisujemy zasady dziaania ukadw elektronicznych i ich poszczeglnychelementw, w tekcie umiecilimy te wiele odsyaczy do ukadw i projektw, ktrezostay opisane w dalszej czci. Dziki temu, gdy dowiesz si, jak dziaa okrelony element,moesz przej od razu dalej i sprbowa skonstruowa ukad z jego wykorzystaniem.

Zamieszczony na pocztku ksiki spis treci pomoe Ci szybko znale dokadnie to,czego potrzebujesz. Take zamieszczony na kocu sowniczek przyda Ci si, gdy zapomniszjakiego pojcia i zechcesz sobie szybko przypomnie, co to byo. Wreszcie ludziew Helionie postarali si i sporzdzili szczegowy indeks rzeczy, ktry mona znalena kocu ksiki. Skorzystaj z niego, jeli chcesz dowiedzie si, na ktrych stronachopisane s wybrane elementy.

Bezpieczestwo przede wszystkimCzytanie o elektronice to bezpieczne zajcie. Najgorsze, co Ci si moe przy tymprzytrafi, to co najwyej zmczenie oczu po kilku niedospanych nocach, spdzonychna czytaniu tej ksiki. Lecz budowanie projektw elektronicznych to cakiem innapara kaloszy. Zabawy z elektronik to igranie z wysokim napiciem, ktre moe Cizabi, gorcymi lutami, ktre mog Ci poparzy, oraz maymi kawakami drutu, ktremog wbi Ci si w oko podczas przecinania ich przy uyciu obcinaka. Och!

W elektronice bezpieczestwo jest najwaniejsze. Jest tak wane, e powicilimymu znaczn cz rozdziau 9., do ktrego czsto bdziemy si odwoywa.

Jeli jeste nowicjuszem w elektronice, to koniecznie przeczytaj ten rozdzia. Nie pomijajgo, nawet jeli wydaje Ci si, e jeste najbezpieczniejsz osob na wiecie. Nawet jeliju grzebae w urzdzeniach elektronicznych, zawsze warto przypomnie sobie zasadybezpieczestwa. Jeli postpuje si z zachowaniem waciwych rodkw ostronoci,elektronika jest bardzo bezpiecznym i mdrym zajciem. Nie zapominaj o tym!

Mimo i staralimy si dostarczy Ci jak najwicej porad dotyczcych bezpieczestwa,nie da si w jednej ksice opisa kadej moliwej zasady. Dlatego nie tylko trzymaj siopisanych przez nas wskazwek, ale te kieruj si wasnym zdrowym rozsdkiem, uwanieczytaj instrukcje doczone do czci i narzdzi, ktrych uywasz, oraz cay czas bd czujny.


Jak podzielona jest ksika?Ksika Elektronika dla bystrzakw zostaa podzielona tak, aby mona byo w niej szybkoznale, przeczyta i przyswoi informacje dotyczce wybranych zagadnie. PonadtoCzytelnik majcy ju pewn wiedz z dziedziny elektroniki lub chccy pogbi swojewiadomoci na okrelone tematy moe atwo znale i przeczyta to, co go interesuje.

Ksik podzielono na cztery czci, aby uatwi Czytelnikowi znalezienie interesujcegogo dziau.

Cz I. Podstawy elektronikiT cz przeczytaj, jeli chcesz zdoby solidne teoretyczne podstawy elektroniki.W rozdziale 1. wyjaniamy, czym w ogle jest elektronika oraz jakie stwarza moliwoci.W rozdziale 2. zdobdziesz podstawowe wiadomoci na temat obwodw elektronicznychi dowiesz si, czym s napicie elektryczne, prd elektryczny i jakie s rda energiielektrycznej. W rozdziaach 3. 6. zgbisz tajniki najwaniejszych elementwelektronicznych, takich jak rezystory, kondensatory, cewki indukcyjne, transformatory, diodyi tranzystory. Dowiesz si, jak dziaa kady z tych elementw, co robi z doprowadzonymdo niego prdem elektrycznym oraz jak rol odgrywa w ukadzie elektronicznym.Rozdzia 7. zawiera wprowadzenie do ukadw scalonych, objanienie podstaw logikicyfrowej oraz opis funkcjonowania trzech czsto uywanych rodzajw ukadw scalonych.W rozdziale 8. zapoznasz si z czujnikami, gonikami, brzczykami, przecznikami,przewodami i zczkami. Sposb dziaania kadego z elementw przedstawionychw czci I demonstrujemy poprzez zamieszczenie odwoa do prostych ukadw, ktremona zbudowa i ktrych omwienie znajduje si w czci III.

Cz II. eby si nauczy, trzeba si ubrudziNajwaniejszymi tematami drugiej czci ksiki s: wybr i pozyskiwanie narzdzi,konstruowanie prawdziwych ukadw oraz badanie dziaania (i niedziaania) ukadwprzy jednoczesnym unikaniu poraenia prdem. W rozdziale 9. podpowiadamy, jakzorganizowa warsztat do pracy i jakie elementy, narzdzia oraz inne rzeczy powinnyznale si w jego wyposaeniu, aby mona byo budowa ukady elektroniczne i chronisiebie i swoje narzdzia przed niebezpieczestwem. W rozdziale 10. nauczysz si odczytywaschematy pocze (nazywane te schematami ideowymi), dziki ktrym wiadomo,jak poczy elementy budowanego ukadu elektronicznego. W rozdziale 11. poznaszrne metody wykonywania tymczasowych i staych pocze w obwodach oraz nauczyszsi technik lutowania. W kocu w rozdziaach 12. i 13. nauczysz si uywa trzechnajwaniejszych elektronicznych przyrzdw pomiarowych: multimetru, analizatora stanwlogicznych i oscyloskopu, ktre su do analizowania zachowania ukadw elektronicznych.

Cz III. Przekuwanie teorii w praktykJeli palisz si do budowy ukadw elektronicznych i nie moesz ju si doczeka, a puciszprzez nie prd, to cz III jest bez wtpienia dla Ciebie. W rozdziale 14. przedstawiamykilka podstawowych ukadw, ktre mona utworzy, i na ich przykadzie pokazujemy,e prezentowane wczeniej elementy elektroniczne dziaaj tak, jak je opisywalimy.

Wstp 23

Przeczytaj ten rozdzia, jeli chcesz wzbogaci swoj teoretyczn wiedz dotyczcukadw elektronicznych lub chcesz zdoby nieco praktycznego dowiadczenia w tworzeniuprostych ukadw. Gdy ju bdziesz gotowy na bardziej skomplikowane projekty, przejddo rozdziau 15. Znajdziesz w nim opis budowy kilku fajnych projektw, ktre bdzieszmg przeanalizowa. Niektre z nich moesz nawet wykorzysta w swoim domu lub biurze.

Cz IV. DekalogiJak mona si byo spodziewa, czwarta cz ksiki zawiera dodatkowe przydatneinformacje dotyczce elektroniki. W rozdziale 16. opisalimy techniki, dziki ktrymposzerzysz swoje horyzonty. Znajdziesz w nim informacje o kompletnych zestawachelektronicznych, oprogramowaniu do symulacji ukadw elektronicznych orazwskazwki dotyczce rnych przyrzdw pomiarowych i sposobw wyszukiwaniaokazji u sprzedawcw elementw elektronicznych. Gdy ju bdziesz gotowy do zakupw,przeczytaj rozdzia 17., w ktrym znajdziesz list najwikszych dostawcw podzespowelektronicznych w swoim kraju.

Ikony uyte w ksicePoniewa nie moemy w kadej ksice z tej serii umieszcza dziesitek tych karteczek,uywamy specjalnych ikon, aby przycign uwag Czytelnika do bardzo wanychinformacji, ktre w jaki sposb si wyrniaj.

Wskazwki zawieraj informacje, dziki ktrym moesz unikn problemw, stratyczasu albo straty pienidzy (lub wszystkich tych nieprzyjemnoci naraz). Jeli bdzieszpostpowa zgodnie z naszymi wskazwkami, to Twoje spotkania z elektronik bdo wiele przyjemniejsze.

Podczas pracy z urzdzeniami elektronicznymi zdarzaj si sytuacje, w ktrych naleyzachowa najwiksz ostrono. Ikona ostrzeenia przypomina, e w danym przypadkutrzeba zachowa szczegln ostrono, aby nie odnie adnych obrae albo nie stracinarzdzi, podzespow bd ukadw albo notesu.

Ta ikona przypomina o wanych sprawach, ktre warto mie na uwadze podczas poznawaniafascynujcego wiata elektroniki. Czasami te wskazuje, w ktrym miejscu znajduje sidokadny opis jakich zagadnie, aby Czytelnik w razie potrzeby mg go przeczyta,jeli potrzebuje odwieenia pamici.

Mimo i caa ksika dotyczy technicznych rzeczy, t ikon zwracamy uwag Czytelnikana gbsze sprawy techniczne, ktrych zrozumienie moe wymaga nieco wicej wysiku.Jeli pominiesz te informacje, to nic zego si nie stanie moesz dalej czyta tekst bezprzeszkd. Traktuj to jako nadprogramowy materia drobn dygresj od gwnego tematu,jeli wolisz za ktry na egzaminie z matematyki mona dosta dodatkowe punkty.

Cz I

Podstawy elektroniki

26 Cz I: Podstawy elektroniki

W tej czciardzo chcesz si dowiedzie, jak dziaaj urzdzeniaelektroniczne? Zastanawiae si kiedykolwiek, jak to jest,

e goniki wydaj dwik, silniki wykonuj prac, a komputerylicz? Jeli tak, to dobrze trafie!

W poszczeglnych rozdziaach objanilimy, czym tak naprawdjest elektronika, co moe dla nas zrobi oraz jak dziaaj rozmaiteurzdzenia elektroniczne. Nie przejmuj si, nie bdziemy Cinudzi przydugimi teoretycznymi matematyczno-fizycznymiwywodami, chocia moglibymy to zrobi. Aby uatwi Cizrozumienie opisywanych poj, posuylimy si wieloma (niekiedyzabawnymi) porwnaniami i przykadami, odnoszcymi si m.in.do wody, kulek, a nawet deserw. Dziki temu poprzez zabawpoznasz dogbnie zasady dziaania elementw elektronicznychoraz dowiesz si, jak wykorzystuj one rne siy, aby wykona wielezdumiewajcych rzeczy.

B

Rozdzia 1: Czym jest elektronika i co mona dziki niej zrobi? 27

Rozdzia 1

Czym jest elektronikai co mona dziki niej zrobi?

W tym rozdziale: Wyjanienie, czym jest prd elektryczny Istota mocy elektronw Wykorzystywanie przewodnikw czenie elementw w obwody Sterowanie przepywem elektronw za pomoc elementw elektronicznych Zastosowanie energii elektrycznej do wielu rnych rzeczy

ikszo ludzi ma pewne wyobraenie, czym jest elektronika. Kady z nas naco dzie korzysta z urzdze elektronicznych powszechnego uytku, takich jak

iPod, sprzt stereo, komputer, aparat cyfrowy czy telewizor. Lecz dla wielu osb s onejak magiczne czarne skrzynki z przyciskami, ktre speniaj nasze zachcianki.

Wiadomo, e pod pikn obudow kryje si zdumiewajca pltanina maych elementw,ktre dziki pewnym poczeniom mog dziaa w odpowiedni sposb. Na pewnochcesz wiedzie, jak to jest moliwe.

Z tego rozdziau dowiesz si, e prd to uporzdkowany ruch elektronw oraz e sterowanietym ruchem stanowi istot elektroniki. Wyjanimy, czym tak naprawd jest prdelektryczny, i pokaemy, co trzeba zrobi, aby pyn. Ponadto zrobimy krtki przegldmoliwoci, jakie daje nam elektronika.

Czym jest elektronika?Gdy wczasz wiato w swoim domu, to w rzeczywistoci czysz rdo energiielektrycznej (najczciej dostarczanej przez elektrowni) i arwk w jeden ukadnazywany obwodem elektrycznym. Jeli do obwodu doczysz ciemniacz albo regulatorczasowy, to bdziesz mg sterowa dziaaniem arwki w ciekawszy sposb, ni tylkoj wcza i wycza.

W


W ukadach elektrycznych takich jak obwody elektryczne w domu uywa siczystego, niemodyfikowanego prdu elektrycznego, ktry suy np. do zasilania arwek.W ukadach elektronicznych idziemy o krok dalej: za ich pomoc sterujemyprzepywem prdu. Zmieniamy jego parametry i kierunek, aby uzyska rne efekty,od przyciemnienia arwki po komunikacj za porednictwem satelity rysunek 1.1.Wanie ta moliwo kontrolowania prdu odrnia ukady elektroniczne od elektrycznych.

Rysunek 1.1.W tym obwo-

dzie przepy-wem prdu

elektrycznegodo arwki ste-ruje ciemniacz

Skd si bierze prd elektryczny?Prd elektryczny, czasami nazywany elektrycznoci (zob. ramk Co to jest elektryczno?),to ruch malekich elektrycznie naadowanych czstek elektronw. Gdzie konkretniemona te elektrony znale i jak si one poruszaj? Aby odpowiedzie na to pytanie, trzebazajrze do wntrza atomu.

Co to jest elektryczno?Nieatwo wyjani, czym jest elektryczno. Terminelektryczno jest niejednoznaczny, a jego rnedefinicje czsto s sprzeczne, co powoduje wiele nie-porozumie nawet wrd nauczycieli i naukowcw.

Oglnie rzecz biorc, pojcie elektrycznoci jest zwi-zane z tym, jak pewnego rodzaju czstki wystpujcew naturze oddziauj midzy sob, gdy umieci sipewn ich ilo w jakim okrelonym obszarze.

Dlatego lepiej jest uywa innych, precyzyjniejszychterminw do opisu poj zwizanych z elektryczno-ci. Oto niektre z nich:

adunek elektryczny fundamentalna (tzn.niepodlegajca dyskusji) waciwo niekt-rych czstek opisujca sposb ich wzajemnegooddziaywania midzy sob. Wyrnia si dwarodzaje adunku elektrycznego: dodatni i ujemny.

Czstki tego samego typu (dodatnie lub ujemne)odpychaj si, a przeciwnych typw przy-cigaj. Energia elektryczna rodzaj energii wytwa-rzanej przez naadowane elektrycznie czstki. Zato pacisz elektrowni. Prd elektryczny ruch elektrycznie naado-wanych czstek. Jest to najszerzej znane wyja-nienie elektrycznoci i na nim bdziemy sikoncentrowa w tym rozdziale.

Jeli wic ucinasz sobie pogawdk z kumplamiprzy szklance wody, to moesz swobodnie uywasowa elektryczno, aby powiedzie, co zasilaTwoj konsol do gier. Jeli jednak bdziesz sza-sta tym sowem wrd zawodowych fizykw, tomog nie zechcie z Tob rozmawia.


Wydobywanie adunku z elektronwAtomy to podstawowy skadnik, z ktrego zbudowane jest wszystko we wszechwiecie,zarwno to, co stworzya natura, jak i wytwory czowieka. S tak mae, e w jednej drobiniekurzu mieci si ich wiele milionw, a wic wyobra sobie, ile ich musi by w redniegowzrostu zawodniku sumo. W kadym atomie s elektrony, ktre znajduj si pozajego rodkiem, czyli jdrem. Wszystkie elektrony maj ujemny adunek elektrycznyi przycigaj inny rodzaj malekich czstek, ktre nazywamy protonami. Protony majadunek dodatni i znajduj si w jdrze atomu.

adunek elektryczny to waciwo niektrych czstek, elektronw, protonwi kwarkw (tak, wanie kwarkw), okrelajca sposoby ich wzajemnego oddziaywania.Istniej dwa rodzaje adunku elektrycznego, ktrym nadano nazwy dodatni i ujemny(nazwy te nie maj adnego zwizku z prawdziwym znaczeniem tych sw, rwniedobrze mona by uywa nazw Flip i Flap albo pnoc i poudnie). Czstkio takim samym rodzaju adunku odpychaj si, a czstki o rnych rodzajach adunku przycigaj. Dlatego wanie elektrony i protony czuj do siebie taki silny pocig.

W typowych warunkach atom zawiera tyle samo protonw, co elektronw, i wwczasmwi si, e jest elektrycznie obojtny. Sia przycigajca protony do elektronwdziaa jak niewidzialny klej, ktry utrzymuje czstki atomu razem, podobnie jak grawitacjaziemska utrzymuje Ksiyc w pobliu naszej planety. Elektrony znajdujce si najbliejjdra s zwizane z atomem silniej ni elektrony znajdujce si nieco dalej. Niektre atomytrzymaj swoje dalsze elektrony bardzo mocno, podczas gdy inne s bardziej rozlunione.

Mobilizowanie elektronw w przewodnikachMateriay, ktre lubi zatrzymywa elektrony przy sobie (np. powietrze i tworzywasztuczne), nazywamy izolatorami. Natomiast materiay takie jak mied, aluminiumi inne metale, w ktrych elektrony pooone dalej od jdra atomu nie s z nim mocnozwizane, nazywamy przewodnikami.

W metalach elektrony pooone daleko od jdra atomu s tak sabo przycigane, e mogwyrwa si na wolno i wdrowa midzy atomami. Te wolne elektrony mona porwnado owiec pascych si na zboczu wzgrza krc si bez celu po okolicy, ale nie oddalajsi zbyt daleko ani nie poruszaj si w adnym cile okrelonym kierunku. Jeli jednakzastosujemy jaki specjalny bodziec, wszystkie te elektrony z przyjemnoci zaczn podaw jedn stron. Prd elektryczny (czsto nazywany elektrycznoci) to masowy ruchelektronw w przewodniku, wymuszony przez si, ktra dziaa na nie z zewntrz.

Wydaje si, e ruch ten rozpoczyna si natychmiast. Jest to spowodowane tym, e wszystkiewolne elektrony na caej dugoci przewodnika zaczynaj si rusza mniej wicejjednoczenie.

Porwnajmy to z grup ludzi podajcych sobie wiadra podczas gaszenia poaru. Mamykilka osb ustawionych w rzdzie, kada z nich trzyma w rkach wiadro wody. Osobabdca na pocztku kolejki napenia puste wiadro wod, a osoba znajdujca si na kocuwylewa wod z wiadra. Na specjaln komend kada osoba podaje swoje wiadro osobie


po swojej lewej stronie i odbiera wiadro od ssiada z prawej strony. Mimo i kade wiadropokonao tylko bardzo krtk drog (z rk jednej osoby do nastpnej), to moe siwydawa, e jedno wiadro przebyo cay dystans od pierwszej do ostatniej osoby w kolejce.Podobnie jest z prdem elektrycznym kady elektron przechodzi na miejscepoprzedniego wzdu przewodnika (rysunek 1.2).

Rysunek 1.2.Ruch elektronww przewodniku

mona porwnado grupy osb

podajcychsobie wiadraz rki do rki

Prd elektryczny to krlestwo malekich czstek, ktre czasami oddziauj midzysob w ogromnych ilociach. Dlatego do jego opisu potrzebne s specjalne jednostkimiary. Na przykad jeden kulomb oznacza adunek przenoszony przez 6,24 1018

(czyli 624 i 16 zer) elektronw. Jeli jeden kulomb adunku przepywa przez dowolnpaszczyzn w cigu jednej sekundy, to mwimy, e natenie prdu elektrycznegowynosi jeden amper (w skrcie 1 A). To bardzo dua liczba elektronw, znaczniewiksza ni liczba elektronw przepywajcych w typowym ukadzie elektronicznym.W elektronice prd czciej mierzy si w miliamperach (mA). Jeden miliamper tojedna tysiczna ampera.

Wprawianie elektronw w ruchPrd elektryczny to przepyw ujemnie naadowanych elektronw przez przewodnikwskutek dziaania pewnej siy. Ale co to za sia, ktra sprawia, e elektrony poruszajsi w uporzdkowany sposb? Co zarzdza elektryczn brygad poarow z wiadrami?

Sia wprawiajca elektrony w ruch to napicie, ktre mierzy si w jednostkach o nazwiewolt (w skrcie V). Jeli do przewodnika przyoy si odpowiednio silne napicie,to znajdujce si w nim wolne elektrony zaczn porusza si w jednym kierunku,tak jak owce zaganiane do zagrody, tylko duo szybciej.

Napicie mona sobie wyobrazi jako cinienie. Tak jak cinienie wody powoduje jejprzepyw przez rury i zawory, tak napicie pcha elektrony przez przewodniki. Im wyszecinienie, tym silniejsza sia popychajca a wic im wysze napicie, tym silniejszyjest prd przepywajcy przez przewodnik.

W opisach napicia elektrycznego czasami mona spotka te takie okrelenia, jak rnicapotencjaw, potencja napicia, spadek potencjau czy spadek napicia. Niemusisz si na razie nimi przejmowa. Wicej o tych pojciach dowiesz si z rozdziau 2.


Dowiadczanie elektrycznociMoesz na wasnej skrze odczu przepyw elek-tronw. Wystarczy, e w suchy dzie potrzesz sto-pami o dywan, a nastpnie dotkniesz klamki u drzwi.Trzanicie, ktre usyszysz (i iskra, ktra moe sipojawi), jest efektem przeskoczenia elektrycznienaadowanych czstek z Twojego palca na klamk.Nazywamy to elektrycznoci statyczn. Jest tonagromadzenie si elektrycznie naadowanych cz-stek w jednym miejscu; s one statyczne (nierucho-me) a do momentu zblienia i przycignicia ich doprzeciwnie naadowanych czstek.

Innym przykadem elektrycznoci statycznej jest by-skawica (aczkolwiek lepiej jej nie dowiadcza nawasnej skrze), ktr wywouj naadowane czstkipodrujce midzy chmurami lub od chmury doziemi. Poruszajce si naadowane czstki uwalniajenergi, ktr obserwujemy w postaci byskawici grzmotw.

Kto potrafi zmusi wystarczajc liczb naadowa-nych czstek do poruszania si i umie zapanowa nadwyzwalan przez nie energi, moe t energi wy-korzysta do zasilania arwek i innych urzdze.

Wykorzystywanie energii elektrycznejdo wykonywania pracy

Jednym z pionierw bada nad elektrycznoci by Benjamin Franklin, autor wieluterminw i poj (np. prd, ang. current), ktre dzi doskonale wszyscy znamy. Wbrewpowszechnej opinii Franklin nie trzyma klucza znajdujcego si na kocu sznurkaprzyczepionego do latawca w czasie owej pamitnej burzy w 1752 roku (gdyby go trzyma,to nie wziby udziau w wojnie o niepodlego Stanw Zjednoczonych). Moliwe, eprzeprowadzi ten eksperyment, ale na pewno w czasie jego trwania nie mia klucza w rce.

Franklin zdawa sobie spraw z tego, jak niebezpieczna i zarazem potna jest elektryczno.Po zapoznaniu si z jego prac wiele osb zastanawiao si, czy elektryczno monawykorzysta w praktyce. Naukowcy i wynalazcy, tacy jak Michael Faraday czy ThomasEdison, rozwinli prace Franklina i odkryli rne sposoby panowania nad energielektryczn oraz moliwoci jej wykorzystania.

Zanim zaczniesz fascynowa si moliwociami wykorzystania energii elektrycznej, zwruwag na straszn ikon ostrzeenia, ktr wida po lewej stronie. Pamitaj, e ponad250 lat temu Benjamin Franklin wiedzia ju, jak naley postpowa z elektrycznymisiami natury. Ty rwnie postpuj z rozwag. miertelnie niebezpieczne mog bynawet niewielkie iloci adunku elektrycznego, jeli dojdzie do splotu niekorzystnychwarunkw. Potencjalne niebezpieczestwa, jakie niesie ze sob praca z prdem, orazsposoby ochrony przed nimi opisalimy w rozdziale 9. Ale ju teraz bd ostrony!

Z tej czci rozdziau dowiesz si, jak elektrony przenosz energi i jak mona jwykorzysta do wykonywania pracy.


Wykorzystywanie energii elektrycznejPodrujce elektrony przenosz energi z jednego koca przewodnika na drugi. Takiesame adunki si odpychaj kady elektron odpycha swojego ssiada bezdotykowsi, przesuwajc go wzdu przewodnika. W ten sposb energia jest przesyana przezprzewodnik.

Jeli wiesz, jak przetransportowa t energi do urzdzenia, ktre moe wykona okrelonprac, np. arwki, silnika albo gonika, to moesz jej uy na wasn korzy. Energiaelektryczna przenoszona przez elektrony jest pobierana przez dane urzdzenie, ktrenastpnie zamienia j na inn posta, np. wiato, ciepo albo energi mechaniczn.To wanie dziki tej przemianie drucik w arwce si arzy, wirnik silnika si obraca,a membrana w goniku drga.

Poniewa pyncych elektronw nie wida i lepiej nie dotyka przewodnika abyuatwi sobie zrozumienie, na czym polega ujarzmianie energii elektrycznej, pomylo wodzie. Jedna kropla wody na niewiele si zda (i nikogo nie skrzywdzi), ale wystarczywzi du liczb takich kropel, poczy je, przepuci przez kana, ktrego wylot jestskierowany na jaki przedmiot (np. koo wodne), i ju mona wykorzysta energi wodydo swoich celw. Podobnie jak miliony kropel wody poruszajce si w jednakowymkierunku tworz prd, miliony elektronw poruszajcych si w tym samym kierunkutworz prd elektryczny. W istocie Benjamin Franklin rwnie zauway, e elektrycznozachowuje si podobnie do cieczy i ma nawet podobne do niej waciwoci, tzn. prdi cinienie (ale pewnie nie polecaby nam jej pi).

Ale skd si bierze pierwotna energia, ta, dziki ktrej elektrony w ogle zaczynaj sirusza? Pochodzi ona ze rda energii elektrycznej, np. baterii (omwienie rdeenergii elektrycznej znajduje si w rozdziale 2.).

Umoliwianie elektronomdotarcia we waciwe miejscePrd elektryczny nie moe pyn wszdzie (gdyby mg, to cay czas bylibymy nim raeni).Elektrony mog pyn tylko wwczas, gdy zapewnimy im zamknit przewodzc ciek,czyli obwd, po ktrej bd mogy si porusza, oraz zainicjujemy przepyw za pomocbaterii lub innego rda energii elektrycznej. Mied i inne materiay przewodzce czstoformuje si w przewody (druty), ktre s nastpnie wykorzystywane do wytwarzaniacieek przepywu wolnych elektronw i kierowania energii elektrycznej do arweki innych urzdze. Tak jak w przypadku rur wodnych, im wiksz rednic ma przewd,tym atwiej mog porusza si w nim elektrony.

Jeli w obwodzie wystpuje przerwa (jest to wwczas tzw. obwd otwarty), to elektronyprzestaj pyn, szybko przechodz w przewodniku w stan elektrycznie obojtny. Monato porwna do litra wody przepywajcego przez niezatkan rur. Woda szybko w caociwyleci na zewntrz i przestanie pyn. Gdyby pyna w obiegu zamknitym, to poruszaabysi tak dugo, jak dugo byaby do tego zmuszana. Aby utrzyma ruch elektronw, trzebazbudowa obwd elektryczny. Na rysunku 1.3 wida, e kady obwd musi zawieratrzy podstawowe elementy, aby elektrony mogy w nim pyn i dostarcza energido urzdzenia, ktre ma wykona prac:


Rysunek 1.3.Obwd elek-

tryczny skadasi ze rda za-

silania, obci-enia i przewo-

dw, ktrymipynie prdelektryczny

rdo energii elektrycznej rdo dostarcza si, ktra popycha elektronyw obwodzie. Czasami rdo energii elektrycznej nazywa si jeszcze takimi terminami,jak rdo elektryczne, rdo zasilania, rdo napicia albo rdo energii.rda energii elektrycznej opisalimy w rozdziale 2.

Obcienie jest to element obwodu elektrycznego, ktry pochania energi(np. arwka albo gonik). Stanowi on punkt docelowy, do ktrego ma byprzesana energia.

Przewody umoliwiaj przepyw elektronw od rda do obcienia.Elektrony s popychane przez rdo i w przewodach zaczyna pyn prd elektrycznydo obcienia, w ktrym energia elektryczna zostaje zamieniona na co innego np. wiato.

Pracujce elektrony dostarczaj mocW przypadku elektronw dostarczajcych energi doarwki i innych urzdze sowo praca jest uywanew rozumieniu fizycznym. Praca to ilo energii wyko-rzystanej przez urzdzenie w okrelonym czasie przysile (napiciu) zastosowanej do zbioru elektronww tym urzdzeniu. Im wicej elektronw wepchniemydo urzdzenia oraz im silniej bdziemy je popycha,tym wicej energii elektrycznej wyzwolimy i tymwicej pracy bdzie mogo by wykonane (np. arw-ka bdzie janiej wieci albo w silniku szybciej bdziesi obraca wirnik). Sum energii zuytej podczaswykonywania pracy w okrelonym przedziale czasunazywa si moc i mierzy si j w watach. Aby ob-liczy moc, naley pomnoy si (napicie) przez roz-miar strumienia elektronw (natenie):

Moc = napicie natenie

Obliczenia mocy s w elektronice bardzo wane,poniewa pozwalaj okreli, jak ilo energiipodzespoy elektroniczne s w stanie wytrzyma.Jeli do elementu elektronicznego wpompujemyzbyt duo elektronw, wytworzy si nadmierna ilociepa i element ten moe ulec uszkodzeniu (spalisi). Na wielu czciach elektronicznych znajduje sioznaczenie maksymalnego poboru mocy, dzikiczemu mona nie dopuci do ich uszkodzenia.Przypominamy o tym jeszcze w dalszych rozdzia-ach, przy opisie poszczeglnych elementw i ichmocy znamionowej.


Co elektrony potrafi zrobi(gdy tylko si nimiodpowiednio pokieruje)?

Wyobra sobie, e do pary gonikw podczasz prd, ktrym w aden sposb niesterujesz i ktremu nie nadajesz adnego ksztatu. Co by usysza? Na pewno niemuzyk! Przy uyciu odpowiednich, waciwie poczonych elementw elektronicznychmona sprawi, aby membrana gonika drgaa w okrelony sposb i wytwarzaarozpoznawalne dwiki, np. mow lub muzyk (oczywicie jak konkretn). Gdy umiemysterowa przepywem elektronw, moemy zrobi z prdem elektrycznym wiele rzeczy.

Elektronika w caoci opiera si na wykorzystaniu specjalnych urzdze, nazywanychelementami elektronicznymi (s to np. rezystory, kondensatory, cewki indukcyjnei tranzystory, ktre opisalimy odpowiednio w rozdziaach 3., 4., 5. i 6.), do sterowaniaprdem (czyli przepywem elektronw) w taki sposb, aby zmusi go do wykonaniaokrelonych zada.

W prostych urzdzeniach elektronicznych do sterowania przepywem prdu uywa sitylko kilku elementw elektronicznych. Jako przykad mona wymieni ciemniacz,kontrolujcy przepyw prdu do arwki, lecz wikszo ukadw elektronicznych toznacznie bardziej skomplikowane systemy. Zamierzony cel jest w nich uzyskiwany poprzezpoczenie wielu elementw elektronicznych w obwd lub obwody. Najlepsze jest to,e gdy pozna si istot dziaania kilku takich elementw oraz nauczy si stosow

Helion - Elektronika dla bystrzaków. Wydanie II

Documents

Transcript of Helion - Elektronika dla bystrzaków. Wydanie II