Схемы устройств из набора «Микроник»

Привет, электронщик!

На этой странице ты найдёшь все необходимые схемы и подробные пояснения, чтобы собрать устройства из электронного конструктора «Микроник» и понять, как именно они работают.

Смотри: светодиод горит!

• Что такое светодиод
• Что такое резистор

Гляди: горят оба светодиода!

• У каждого из светодиодов свой независимый контур, который не влияет на работу соседних элементов.
• Сюда можно добавить ещё несколько светодиодов, насколько позволяет мощность батареек. Только запомни: каждому светодиоду обязательно нужен отдельный резистор.

Выдерни любой провод и засеки, сколько времени гаснет светодиод!

• Что такое конденсатор

Нажимай и отпускай кнопку, чтобы светодиод мигал!

• Что такое кнопка

Поворачивай ручку по часовой стрелке, чтобы плавно уменьшать яркость!

• Что такое делитель напряжения

Управляй каждым из светодиодов с помощью своего выключателя!

Загороди фоторезистору свет, и светодиод станет тусклее!

Возьми свободные провода в разные руки — и светодиод загорится!

• Что такое транзистор

Собери схему и попроси друга взять в руку один свободный провод, а сам возьми другой. Теперь дайте пять свободными руками — светодиод должен загореться.

Разоблачение фокуса

Человеческое тело является проводником электрического тока. Когда провода оказываются в руках, через тело протекает слабый электрический ток. Слабый он из-за того, что сопротивление тела достаточно высоко. Такого тока не хватит, чтобы светодиод загорелся, но этот сигнал приходит на базу транзистора. Транзистор открывается, и через него уже начинает протекать сильный ток, который включает светодиод.

Подбери шифр на переключателе, чтобы зажечь светодиод!

В современной электронике очень часто применяются микросхемы — сборки большого количества электронных компонентов в одном корпусе.

Познакомимся с микросхемой логики 74HC02 («2 И-НЕ»). Это одна из серии микросхем булевой логики, где входные данные представляются в виде напряжения высокого или низкого уровня (1 или 0), а результат логической операции на выходе также получается в виде напряжения высокого или низкого уровня (1 или 0).

Конкретно микросхема 74HC02 представляет собой 4 отдельных логических элемента, где у каждого есть два входа (A и B) и один инвертирующий выход (Y).

Рассмотрим на примере одного канала: при логическом нуле на обоих входах A и B на выходе Y будет присутствовать логическая единица. Во всех остальных случаях — логический ноль.

В эксперименте задействованы все 4 канала, чтобы максимально усложнить код. Собери схему и попробуй подобрать шифр на переключателе, чтобы зажечь светодиод.

Рассмотрим схему подробнее и попробуем разгадать код от замка:

• NOR 4. Чтобы светодиод загорелся, нужна логическая единица на выходе 4Y, то есть логические нули на входах 4A и 4B.
• NOR 3. Нужен логический ноль на выходе 3Y, поэтому на входах 3A и 3B не должно быть одновременно двух нолей. Вход 3A подключён к земле и на нём уже присутствует логический ноль, значит на входе 3B необходима единица. Вход 3B подключен к третьему каналу DIP-переключателя. Соответственно, устанавливаем канал №3 DIP-переключателя в режим ON.
• NOR 2. Нужен логический ноль на выходе 2Y, поэтому на входах 2A и 2B не должно быть одновременно двух нолей. Вход 2B подключён к земле и на нём уже присутствует логический ноль, значит на входе 2A необходима единица. Вход 2A подключён к выходу NOR 1.
• NOR1. Нужна логическая единица на выходе 1Y, то есть логические нули на входах 1A и 1B. Входы 1A и 1B подключены к первому и второму каналам DIP-переключателя. Следовательно, устанавливаем каналы №1 и №2 DIP- переключателя в режим OFF.

Смотри: светодиод мигает!

• Что такое конденсатор

Рассмотрим одну из самых популярных микросхем — таймер NE555. У него два режима работы: моностабильный и автоколебательный. Моностабильный режим нам не подходит, так как светодиод сможет мигнуть только один раз. Поэтому будем строить наш маяк на таймере 555 в автоколебательном режиме.

Микросхема выдаёт на выходе OUT последовательность прямоугольных импульсов, параметры которых определяются RC-цепочкой из конденсатора и двух резисторов по формулам:

• f = 1 / 0,693 * C * (R1 + 2 * R2)
• t = 1 / f
• t = t1 + t2
• t1 = 0,693 * C * (R1 + R2)
• t2 = 0,693 * C * R2, где:

• f – частота импульсов, Гц.
• t – период импульса, секунды.
• t1 – длина импульса (логическая единица), секунды.
• t2 – длина паузы (логический ноль), секунды.
• R1, R2 – сопротивление, Ом.
• С – ёмкость, Фарады.

Интегрируем общую формулу в нашу схему.

Дано:

• R1 = 10 кОм = 10000 Ом
• R2 = 100 кОм = 100000 Ом
• C1 = 22 мкФ = 0,000022 Ф

Решение:

• Частота импульсов: f = 1 / 0,693 * C1 * (R1 + 2 * R2) = 0,693 * 0,000022 * (10000 + 2 * 100000) = 1 / 3,2 = 0,31 Герц.
• Период импульса: t = 1 / f = 1 / 0,31 = 3,2 секунды.
• Длительность импульса (логическая единица): t1 = 0,693 * C1 * (R1 + R2) = 0,693 * 0,000022 * (10000 + 100000) = 1,67 секунды.
• Длина паузы (логический ноль): t2 = 0,693 * C1 * R2 = 0,693 * 0,000022 * 100000 = 1,52 секунды.

Вывод: светодиод с текущими номиналами RC-цепочки будет гореть 1,67 секунды, гаснуть на 1,52 секунды и так по кругу. Частота мигания светодиода равна 0,31 Гц, а период 3,2 секунды.

Настройки

• При увеличении ёмкости С1 длительность импульсов и пауза между ними будут пропорционально увеличиваться, т. е. частота мигания светодиода будет уменьшаться. А при уменьшении ёмкости С1 длительность импульсов и длина между ними будут пропорционально уменьшаться: частота мигания светодиода будет увеличиваться. Допустим, заменим номинал С2 с 22 мкФ на 220 мкФ. В итоге светодиод будет гореть 16,7 секунды, гаснуть на 15,2 секунды и так по кругу.
• При увеличении сопротивления R2 длительность импульсов и пауза между ними будут непропорционально увеличиваться. А при уменьшении сопротивления R2 длительность импульсов и пауза между ними будут непропорционально уменьшаться. Т. е. возможно регулировать отдельно время включения и выключения светодиода. Допустим, заменим номинал R2 с 100 кОм на 10 кОм. В итоге светодиод будет гореть 0,304 секунды, гаснуть на 0,152 секунды и так по кругу.
• При увеличении сопротивления R1 длина импульса будет увеличиваться, а пауза между импульсами останется прежней. Т. е. возможно регулировать отдельно только время включения светодиода. Допустим, заменим номинал R3 с 10 кОм на 100 кОм. В итоге светодиод будет гореть 3,05 секунды, гаснуть на 1,52 секунды и так по кругу.

Создай темноту, чтобы светодиод загорелся ярко!

• Что такое делитель напряжения

Схема светильника основана на резисторном делителе, где в верхнем плече стоит постоянный резистор на 220 Ом, а в нижнем — фоторезистор.

• При увеличении светового потока сопротивление фоторезистора уменьшается, а напряжение между минусом и средней точкой делителя падает. Соответственно, подключённый к средней точке светодиод светится слабее.
• При уменьшении светового потока сопротивление фоторезистора увеличивается, а напряжение между минусом и средней точкой делителя возрастает. Соответственно, светодиод светится ярче.

Крути ручку, чтобы плавно изменять частоту мигания светодиода!

Освежим в памяти принцип работы потенциометра из эксперимента №5 с диммером.

Теперь повторим схему мультивибратора таймера 555 из эксперимента №10 «Маяк».

Следующий шаг — заменим два постоянных резистора на один потенциометр.

• R1 com — сопротивление потенциометра между крайними ножками (постоянное). В нашем случае 10 кОм.
• R1 div — сопротивление потенциометра между центральной и одной из крайних ножек. Меняется от 0 до 10 кОм в зависимости от положения ручки.

Отразим изменения схемы в нашей формуле.

Дано:

• R1 com = 10 кОм = 10000 Ом
• R2 div min = 0 Ом
• R2 div max = 10 кОм = 10000 Ом
• C1 = 22 мкФ = 0,000022 Ф

Решение: Длительность импульса (логическая единица): t1 = 0,693 * C1 * R1 com = 0,693 * 0,000022 * 10000 = 0,15 секунды. Длина минимальной паузы (логический ноль): t2 min = 0,693 * C1 * R1 div min = 0,693 * 0,000022 * 0 = 0 секунд. Длина максимальной паузы (логический ноль): t2 max = 0,693 * C1 * R1 div max = 0,693 * 0,000022 * 10000 = 0,15 секунд.

Вывод: В итоге светодиод будет гореть 0,15 секунд, а гаснуть от 0 до 0,15 секунд в зависимости от поворота ручки потенциометра.

Посмотри: светодиоды мигают по очереди!

• Что такое транзистор

Задача — создать попеременное мигание светодиодов, напоминающее светофор на железнодорожном переезде. Сначала соберём схему из эксперимента №10 «Маяк». Один мигающий светодиод LED1 уже есть.

Добавим в схему ещё один светодиод LED2. Важно, что второй светодиод LED2 должен загораться, когда первый LED1 тухнет, и наоборот. Для этого подключим LED2 непосредственно к минусу и плюсу питания. А затем добавим в схему транзистор для управления LED2.

Алгоритм работы

1. При подаче питания на выходе таймера OUT логический ноль: LED1 не горит, транзистор Q1 закрыт и LED2 горит через токоограничивающий резистор R3.
2. Далее таймер генерирует импульс на выходе OUT: LED1 загорается, транзистор Q1 открывается и на анод светодиода LED2 поступает напряжение от земли сильнее, чем через резистор R3. В итоге LED2 тухнет.
3. Потом идёт пауза между импульсами и на выходе OUT снова логический ноль: LED1 гаснет, транзистор Q1 закрывается и на анод светодиода LED2 поступает напряжение через резистор R3. В итоге LED2 горит.
4. Далее весь процесс повторяется по кругу.

Конечно, можно было обойтись без транзистора: подключить катод LED2 к выходу таймера, а анод к плюсу питания. Но мы с вами ещё учимся и не ищем лёгких путей.

Нажимай на кнопку, чтобы извлекать звук из пьезодинамика!

• Что такое зуммер

Для вывода звука воспользуемся зуммером, который преобразует электрические колебания в механические, генерируя звуковую волну.

Сначала снова повторим эксперимент №10 «Маяк». Добавим кнопку между плюсовым контактом питания и ножкой таймера VDD: это даёт таймеру возможность работать только при зажатой кнопке.

Далее вместо светодиода подключим зуммер. К сожалению, мы не услышим ни звука, так как по прошлым расчётам схемы частота таймера равна 0,31 Гц. Она слишком низкая, ведь человеческое ухо слышит звуковые колебания от 20 до 20000 Гц.

Поэтому увеличим частоту импульсов путём уменьшения ёмкости конденсатора С1 до 10 нФ.

Дано:

• R1 = 10 кОм = 10000 Ом
• R2 = 100 кОм = 100000 Ом
• С1 = 10 нФ = 0,00000001 Ф

Решение:

f = 1 / 0,693 * 0,00000001 * (10000 + 2 * 100000) = 1 / 0,001455 = 687 Гц.

Вывод:

В результате при нажатии на кнопку мы будем слышать из динамика писк с постоянной частотой 687 Гц.

Закрывай фоторезистор от света, чтобы менять тональность звука!

Инструмент терменвокс создал в 1919 году русский изобретатель Лев Термен. Чтобы играть на терменвоксе, нужно изменять расстояние от своих рук до антенн инструмента.

Для начала используем схему из эксперимента №14 «Клаксон», только вместо кнопки плюсовой контакт питания сразу подключим к ножке таймера VDD. Вместо антенн терменвокса в нашей схеме будем использовать переменный фоторезистор — поставим его вместо постоянного резистора R2 на 100 кОм.

Когда ты подносишь руку к датчику освещенности, сопротивление фоторезистора растёт и частота звука уменьшается. И наоборот, когда рука отдаляется от датчика, сопротивление фоторезистора падает и частота звука увеличивается.

В документации фоторезистора сказано, что при дневном свете его сопротивление снижается до 100 Ом, а при полной темноте — 1 МОм.

Дано:

• R1 = 10 кОм = 10000 Ом
• R2 min = 100 Ом
• R2 max = 1 МОм = 1000000 Ом.

Решение:

• f min = 1 / 0,693 * C1 * (R1 + 2 * R2) = 0,693 * 0,00000001 * (10000 + 2 * 100) = 1 / 0,00007 = 14285 Гц
• f max = 1 / 0,693 * C1 * (R1 + 2 * R2) = 0,693 * 0,00000001 * (10000 + 2 * 1000000) = 1 / 0,014 = 71 Гц

Вывод:

Полный частотный диапазон звука нашего терменвокса равен от 71 до 14285 Гц. И он несколько меняется от общих условий освещённости.

Выдерни провод, чтобы зазвучал тревожный сигнал!

За основу возьмём эксперимент №14 «Клаксон». Только вместо кнопки плюсовой контакт питания сразу подключим к ножке таймера VDD.

Теперь замкнём вход микросхемы TRIG на шину питания. Таким образом таймер не запустится, и сирена не включится.

В итоге «охранный провод» сдерживает таймер, вокруг тишина. Если же выдернуть этот провод — сработает сирена на зуммере.

Справка:

Вместо провода можно установить геркон, и это будет уже полноценная охранная система.

Нажимай кнопки по очереди или вместе, чтобы сыграть мелодию!

Соберём ещё один музыкальный инструмент — простой рояль. За основу возьмём всё тот же эксперимент №14 «Клаксон».

Вместо кнопки плюсовой контакт питания сразу подключим к ножке таймера VCC.

Добавляем в схему две кнопки с резисторами, чтобы получить разные тональности звука.

• При нажатии на кнопку SW1 к таймеру NE555 подключается резистор R2.
• При нажатии на кнопку SW2 к таймеру NE555 подключается резистор R3.
• При одновременном нажатии SW1 и SW2 к таймеру NE555 подключается параллель из резисторов R2 и R3.

Посчитаем полученные характеристики звука нашего рояля.

Дано:

R1 = 10 кОм = 10000 Ом R2 = 10 кОм = 10000 Ом R3 = 100 кОм = 100000 Ом Rcom = (R2 * R3) / (R2 + R3) = 9,09 кОм = 9090 Ом С1 = 10 нФ = 0,00000001 нФ

Решение:

f1 = 1 / 0,693 * C1 * (R1 + 2 * R2) = 0,693 * 0,00000001 * (10000 + 2 * 10000) = 1 / 0,0002 = 5000 Гц f2 = 1 / 0,693 * C1 * (R1 + 2 * R3) = 0,693 * 0,00000001 * (10000 + 2 * 100000) = 1 / 0,0014 = 714 Гц

fcon = 1 / 0,693 * C1 * (R1 + 2 * Rcon) = 0,693 * 0,00000001 * (10000 + 2 * 9090) = 1 / 0,0002 = 5263 Гц

Вывод:

В результате наш рояль умеет воспроизводить звуки нескольких тональностей:

• Нажатие кнопки SW1 — звук частотой 714 Гц.
• Нажатие кнопки SW2 — звук частотой 5000 Гц.
• Одновременное нажатие SW1 и SW2 — звук частотой 5263 Гц.

Нажми на кнопку, и вместо красного светодиода на 25 секунд загорится зелёный!

Щёлкай выключателями №1 и №3, чтобы включать и выключать свет!

Представь длинный коридор с двумя обычными выключателями в начале и в конце. Как сделать так, чтобы светом можно было независимо управлять из этих двух точек?

Поможет нам в этом микросхема логики 74HC02 («2ИЛИ-НЕ»), про которую мы говорили в эксперименте №9 «Кодовый замок».

Задействуем в DIP-переключателе два канала (№1 и №3). Каждое переключение SW1 №1 или SW1 №3 будет переключать текущее состояние светодиода.

Так как выключателей всего два, у нас возможно четыре состояния переключателей. Разберём все варианты событий.

Состояние 1:

• SW1.1: OFF
• SW1.3: OFF

1. NOR 2: 2A = 0, 2B = 0 → 2Y = 1.
2. NOR 3: 3A = 1, 3B = 0 → 3Y = 1.
3. NOR 4: 4A = 1, 4B = 0 → 4Y = 1.
4. NOR 1: 1A = 0, 1B = 0 → 1Y = 1.

Светодиод LED1 горит.

Состояние 2:

• SW1 №1: ON
• SW1 №3: OFF

1. NOR 2: 2A = 0, 2B = 1 → 2Y = 0.
2. NOR 3: 3A = 0, 3B = 0 → 3Y = 1.
3. NOR 4: 4A = 0, 4B = 1 → 4Y = 0.
4. NOR 1: 1A = 0, 1B = 1 → 1Y = 0.

Светодиод LED1 не горит.

Состояние 3:

• SW1 №1: ON
• SW1 №3: ON

1. NOR 2: 2A = 1, 2B = 1 → 2Y = 0.
2. NOR 3: 3A = 0, 3B = 1 → 3Y = 0.
3. NOR 4: 4A = 0, 4B = 1 → 4Y = 0.
4. NOR 1: 1A = 0, 1B = 0 → 1Y = 1.

Светодиод LED1 горит.

Состояние 4:

• SW1 №1: OFF
• SW1 №3: ON

1. NOR 2: 2A = 1, 2B = 0 → 2Y = 0.
2. NOR 3: 3A = 0, 3B = 1 → 3Y = 0.
3. NOR 4: 4A = 0, 4B = 0 → 4Y = 1.
4. NOR 1: 1A = 1, 1B = 0 → 1Y = 0.

Светодиод LED1 не горит.

Играй с другом! Правая кнопка запускает «утку», левая делает «выстрел». Цель — успеть подстрелить утку.

Создать игру нам поможет микросхема логики 74HC02 («2ИЛИ-НЕ»), которая уже встречалась в эксперименте №9 «Кодовый замок».

Для наглядности соотнесём электронные компоненты с элементами игры:

• Кнопка SW1 — запуск утки. Запускает первый игрок.
• Кнопка SW2 — выстрел. Стреляет второй игрок.
• Светодиод LED1 — индикатор утки. Горит, когда утка летит, в противном случае не горит.
• Светодиод LED2 — время выстрела. Пока светодиод полностью не загорелся, выстрел разрешён.

Режим ожидания:

NOR3: На входе 3A логический ноль, так как сигнал притянут к земле через резистор R6. На входе 3B логический ноль. В итоге на выходе 3Y логическая единица.

NOR2. На входе 2A логическая единица от сигнала 3Y. На входе 2B логический ноль, так как сигнал притянут к земле через резистор R5. В итоге на выходе 2Y логический ноль, и светодиоды LED1 и LED2 не горят.

Режим игры:

Первый игрок нажимает на кнопку SW1 (запускает утку).

• NOR3. На входе 3A логическая единица, так как сигнал проходит через кнопку SW2 без сопротивления. На входе 3B логический ноль. В итоге на выходе 3Y логический ноль.
• NOR2. На входе 2A логический ноль от сигнала 3Y. На входе 2B логический ноль, так как сигнал притянут к земле через резистор R5. В итоге на выходе 2Y логическая единица.

LED1 горит (утка полетела), а LED2 (время выстрела) начинает медленно загораться через RC цепочку (R2C1) и транзистор VT1.

Второму игроку необходимо успеть нажать на кнопку SW2 (выстрелить), пока светодиод LED2 не загорелся полностью (утка не улетела).

Подробности:

• Выход 2Y также соединён со входом 3B, в итоге при нажатии на кнопку SW1 на обоих входах 3A и 3B появляется логическая единица. И даже при отпускании кнопки SW1 на входе 3B останется логическая единица, следовательно, останется логический ноль на выходе 3Y. Процесс замкнулся. Значит первому игроку не нужно удерживать кнопку SW1, а достаточно лишь кликнуть по ней.
• Время загорания светодиода LED2 (полёта утки) равняется времени полного заряда конденсатора C1 через резистор R2.

Вспомним формулу:

TC = R * C, где:

• R — сопротивление в Омах;
• С — ёмкость в Фарадах;
• TC — постоянная времени, промежуток, за который конденсатор C зарядится на 63% своей ёмкости.

В следующий интервал времени TC конденсатор зарядится на 63% от оставшейся ёмкости. В итоге в реальном мире конденсатор никогда полностью не зарядится, поэтому принято считать 5 промежутков TC как полное время зарядки конденсатора:

5ТС = 5 * ТС.

Интегрируем формулу в нашу схему.

Дано:

R2 = 100 кОм = 100000 Ом C1 = 22 мкФ = 0,000022 Ф

Решение:

TC = R * C = 100000 * 0,000022 = 2,2. 5ТС = 2,2 * TC = 11.

Это значит, что после запуска утки у второго игрока есть 11 секунд, чтобы её подстрелить. На самом деле светодиод заметно загорится даже за первый промежуток TC зарядки конденсатора C1, то есть за 2,2 секунды. Наш глаз просто не увидит разницу.

При увеличении ёмкости С1 или сопротивления R2 время полёта утки будет пропорционально увеличиваться, и наоборот.

• Набор «Микроник» в магазине.

• Светодиод
• Резистор
• Кнопка
• Делитель напряжения
• Конденсатор
• Зуммер
• Транзистор

• Datasheet на фоторезистор GL5528
• Datasheet на биполярный транзистор BJT BC337
• Datasheet на микросхему 74HC02