You are here

Esimene sõprus takisti ja dioodiga

Tahaks mingid LED võimendi väljundisse vilkuma panna, aga kuidas? Kas on tähtis, mispidi takisti skeemi ühendada? Niisuguseid küsimusi kohtab tihti nii veebi jututubades kui ka tehnikafoorumites. Jääb mulje, et elektroonika on midagi ülikeerukat või et küsija pole füüsikatunnis just ülearu tähelepanelik olnud. Kui aga prooviks elektroonika selgeks saada katsetamise teel? ELEKTROPOL-is püüamegi valgust heita elektroonika põhitõdedele. Peamine rõhk on praktikal, valemeid vaataks just niipalju, kui minimaalselt vaja. Kuna moodsal ajal on vist igas seadmes varsti paar protsessorit, püüame ka nendeni jõuda.

Takisti

Nagu igas joonistuses olevat päike, on igas skeemis vähemasti üks takisti. Ja-jah, kodanik Hemingway rääkis ka midagi sellist. Takisti ülesanne on vähendada ahelas uitava voolu tugevust. Klassikud toovad selgituseks võrdluse vee voolamisega: on selge, et mida kitsam toru ehk suurem takistus, seda raskem on veel voolata. Samamoodi on elektronidega.

Nagu kitsa toru puhul pole oluline, mispidi toru veevärki on ühendatud, nii pole see määrav ka takisti korral. Öeldakse, et ühendamise polaarsusel pole tähtsust. Paljudel muudel juhtudel, kas või patareil, on see jällegi oluline.

Takisti põhisuurust ehk takistust mõõdetakse kuulsa Saksa füüsiku Georg Ohmi auks oomides, tähis oomega Ω. Kõik on suhteline, kuid praktilistes skeemides on oomidesse jäävad takistused üsna väikesed väärtused - enamasti liigutakse kilo-oomides (kΩ, 1 kΩ = 1000 Ω) ja isegi megaoomides (MΩ, 1 MΩ = 1 000 000 Ω) - tarbitud vool ju maksab, igas mõttes.

Reaalsuses on igal elektrijuhil mingi takistus. Kuigi vaskjuhtme eritakistus ehk 1 meetri pikkuse ja 1 mm2 läbimõõduga juhtme takistus on kaduvväike, on isegi see äärmiselt kahjulik. Elektrivõrgus on vool priske - veeboiler, keedukann, pliit ja muud seadmed rüüpavad elektrone ahnelt. Nii langeb pinge ka ülekandeliini väikesel takistusel piisavalt palju. Kaotsi energia ei lähe, vaid eraldub soojusena, aga see ei lohuta tarbijat. Meie elektroonikaskeemides, kus kiloampreid ei kulutata, võib juhtmete takistuse siiski arvestamata jätta.

Skeemis tähistatakse takistit tavaliselt sümboliga R. Näiteks R1 tähendab takistit järjenumbriga 1. Konkreetse väärtuse kirjutamisel jäetakse enamasti keerukas oomi-krõnks ära: 1 k tähendab 1 kΩ. Alla oomise takisti puhul ühikut isegi ei kirjutata. Näiteks 0,22 või R22 märgib takistit takistusega 0,22Ω. Reaalsele takistile märgitakse väärtus värvikoodis. Kooditabeleid leiab netis päris palju, üks on maakeelsena saadaval Tevalo elektroonikapoe veebilehel. Värvikood jääb ruttu pähe ja erinevalt nõukaaegsest markeeringust on hõlpsasti loetav takisti mis tahes asendis.

Takistil on veel üks lisasuurus: maksimaalne hajuvõimsus. Siin toome sisse paar valemit. Ohmi seadus väidab, et ahelas kulgev vool sõltub ahela takistusest ja sellele rakendatud pingest: I = U/R. Ehk kui ühendame üheoomise takisti 9-voldise (tähis V) patareiga, voolab läbi takisti 9/1= 9 amprit (A). Takistil eraldub (ikka soojusena) võimsus P = U x I = 9 x 9 = 81 vatti (W). Päris suur number. Võrdluseks: auto stopptule pirni võimsus on 21 W. Enamik takisteid säärast mahvi ei kannataks ja põleksid heleda leegiga tuhaks. Tavatakisti on veerandvatise hajuvõimsusega, võimsamad 5-10-vatised. Leidub ka suuremaid ning sääraseidki, mille takistus ei ole kogu aeg ühesugune, vaid sõltub näiteks temperatuurist (termotakisti), pingest (varistor) või valgustatusest (fototakisti). Kasu on neist mitmel pool: termotakistiga saab mõõta temperatuuri, varistor pakub kaitset ülepinge eest, fototakistiga lülitatakse pimedas sisse kas või aiavalgusti. Ja lõpuks - on ka käsitsi muudetava takistusega isendeid. Neid kutsutakse potentsiomeetriteks ehk kodusemalt - potedeks. Selline on näiteks võimendi helitugevuse nupp.

Diood

Väljaviike on dioodil samuti kui takistil kaks, mõõdudki sarnased. Diood erineb takistist põhiliselt selle poolest, et juhib voolu vaid ühes suunas. Ühendades dioodi patarei ja pirni vahele pärisuunas, hakkab pirn põlema, aga pinge lambikesel on patarei omast umbes 0,7 V väiksem. Seda suurust nimetatakse dioodi päripingelanguks. Parematel eksemplaridel (nn Schottky diood) on pingelang väiksem, ulatudes isegi 0,2 voldini. Tavaliselt valmistatakse diood ränist, pooljuht nagu ta on, mõnikord ka germaaniumist.

Pöörame nüüd dioodi vastupidi - pirnike jääb pimedaks. Vastusuunas diood voolu ei juhi. Natuke ta küll ikkagi lekib, aga seda omadust üritavad tootjad maha suruda.

Kui aga pinget dioodil tõsta? Kilovoltideni näiteks? Paha mõte, enamik neist põleb seepeale läbi. Siit tuleb dioodi teine oluline parameeter - maksimaalne vastupinge. "Harju keskmised" dioodid, nagu 1N4148 ja teised, kannatavad kuskil 50 V, veidi tublimad alaldusdioodid taluvad 400-700 V. Need sobivad 220-voldise vooluvõrgu alalditesse.

Nagu takistil, on ka dioodi voolujuhtimise võimel piir. Seda suurust nimetatakse maksimaalseks pärivooluks. Mainitud 1N4007 kannatab välja umbes ühe ampri. Korraliku helivõimendi toitedioodiks see järelikult ei sobi, sest seal küünib vool mitmetesse ampritesse.

Valgusdiood

Kas valgusdiood põlebki heleda leegiga? Nii ja naa. Tavalisest klaaskestaga dioodistki saab välja võluda ilusa sähvaka, aga vaid üks kord. Seevastu valgusdiood on disainitud pidevaks helendamiseks. Helendus on moodsal ajal isegi sinist värvi ja spetsdioodidel pimestavalt hele, ulatudes sadade kandelateni, millega heledust mõõdetakse. On olemas valgusdioode (lühemalt LED, ingl Light Emitting Diode), mis suudavad taasesitada mitmeid värve. Efekt savutatakse mitme erivärvilise LED monteerimisega samasse korpusesse. Igaühel on mõistagi oma väljaviik.

LED heledus sõltub seda läbivast voolust - mida suurem on vool, seda heledamalt diood kiirgab. Siit ka tema teine oluline omadus (esimene oli valguse tugevus ja ehk ka värvus) - maksimaalne pärivool. Tavalised LED-d kannatavad umbes 10-30 milliamprit (mA), andes selle juures heleduse mõttes endast kõik. Võimsamad eksemplarid saavad hakkama ka suuremate vooludega: 350 mA ja enamgi. Sel puhul nõutakse tihti LED kinnitamist jahutusradiaatorile. Võimsaid ja heledaid LED-sid toodavad näiteks firmad Luxeon, Cree, Citizen, Seoul Semiconductors jpt.

Muide, kui mingi LED kannatab pidevalt välja 50 mA, võib olla, et lühiajaline vastupidavus on palju suurem. Tavaliselt see nii ongi. Kas või 0,5 A. Sel juhul on see asjaolu kindlasti andmelehel konkreetselt määratletud, näiteks 10 millisekundi jooksul. Inimese silm nii kiireid vilkumisi ei märka ja talle tundub ikka, et vastu vaatab hele prožektor.

Veel üks tähelepanek. Ei tasu valgusdioodide valmistajate andmelehtedel pakutud suurte heleduste õnge minna. Nad ei valeta, aga nagu reklaamideski, ei räägita kõike. Nimelt on valgusallika puhul oluline ka kiirguse nurk. Enamik hüper-superheledaid dioode kiirgavad kuni 40-kraadise nurga ulatuses, enamasti veelgi kitsamalt. Maakeeli tähendab see, et vaadates otse dioodi, võib see küll, kirjanduslikult liialdades, paberisse augu põletada, aga LED teljest veidi kõrvale nihkudes on valgus üsna tagasihoidlik. Tasub veel teada, et osa andmelehti avalikustavad poole nurgast, teised jälle kaks korda suurema väärtuse. Vahest see polegi niivõrd oluline, ent kui ehitate näiteks mingit tabloidi, pakuvad huvi 100-kraadise või suurema nurgaga dioodid (ingl Lambertian emitter). Vastasel juhul on otse displei vastas olevasse seina põletatud teksti läheduses pilkane pimedus. Muide, mainitud 100 ja enam kraadi on kahekordne nurk.

Aga prooviks kuuldud juttu praktikas rakendada.

Indikaatortuli mõne skeemi lülitile

LED-st saab indikaatortule teha edukalt mõnes oma elektroonikaprojektis. Vaja on vaid valgusdioodi ja sobivat eeltakistit. Ilma voolu piirava takistita ei tasu LED-sid kunagi ühendada - see annab vaid ühe sähvaka ja ongi elustav sinine suits välja läinud (hiljem näeme, et on ka erandeid). Oletame, et autovõimendi vajab pingestatud olukorra näitamiseks kena tulukest. Auto pardapinge on teatavasti 12 V. Moodsal ajal pole kahtlustki, et valime nimelt sinise dioodi. Sellised hakkavad tööle alates umbes kolmest voldist. Seega peab eeltakistil soojuseks hajuma 12 - 3 = 9 V. "Kõrvetame" tulukest vooluga 10 mA. Takisti väärtus tuleks sel juhul R = U/I = 9 V/10 mA = 900 oomi. Sellist nominaali standardtakistuste reast ei leia, lähim väärtus on 910 oomi. Aga võimsus? Seda arvutame valemiga P = U x I. Arvud asemele: P = 9 V x 10 mA = 0,09 W. Piisavalt pisike suurus, tavaline 0,25-vatine takisti ajab asja edukalt ära.

Prooviks midagi vingemat? Hüva, ka kodu (lae)tulede lülitid võiksid sisaldada LED-sid, mis hõõguvad mõnusalt, kui lamp ise ei põle. Pimedas ruumis oleks sedasi nuppu mugav leida. Valem on sama, vaid numbrid veidi teised: seinas liikuva voolu pinge on 220 V; kasutades jälle 3-voldise päripingega sinist dioodi, peab eeltakistil hajuma 220-3=217 V. Tavalise 10 mA pärivoolu juures on vajalik R = U/I= 217 V/10 mA = 21,7 k takisti. Element peab taluma P = U x I = 217 x 10 mA = 2,17 W võimsust. Lähim sobiv eksemplar on 12 k takistuse ja 2 W võimsusega. Takistist ja LED-st koosnev ahel ühendatakse lüliti kontaktidega paralleelselt (otse kontaktidele).

Aga kuidas on lood maksimaalse vastupingega? Juhib ju LED nagu tavalinegi diood voolu vaid ühes suunas ja järelikult saaks ta vooluvõrgu vastupidise pinge poolperioodi ajal kenasti terve 220-voldise sähmaka kaela!? Jah, nii juhtub ja diood põleb maha ka. Selle vältimiseks ühendame valgusdioodi otstele teise samasuguse dioodi, kuid vastupidi - katood kokku anoodiga ja anood katoodiga. Nüüd hakkab üks diood helendama näiteks võrgu vahelduvvoolu positiivsel poolperioodil ja teine negatiivsel. Nii kasutame seinast tulevat energiat tõhusamalt ja ka dioodid jäävad terveks. Kui teine LED ei mahu, ei meeldi või ei sobi muudel põhjusetel, asendame selle tavalise dioodiga, näiteks 1N4007-ga.

Edasijõudnutele

Siinkohal toome trükinumbris aeg-ajalt skeeme neile, kes tahaksid kangesti midagi põnevamat ehitada. Skeemid on maketil proovitud ja vähemasti autori eksemplar töötas.

LOE VEEL

Valget värvi kiirgusega LED-d on põnevad - moodsad isendid sobivad peaaegu et auto esitulesid asendama. Hetkel veel ehk mitte, aga see aeg on varsti käes. Valgusallika eluiga on tunduvalt pikem kui hõõglambil. Kasutegur samuti, st enam ei pea niipalju maksma ilma soojaks kütmise eest. Valgete (ja mitte ainult) LED-de tööks vajalike pingete/voolude tekitamiseks on välja mõeldud hulk skeeme. Näiteks sellised:

taskulamp LED-del

taskulamp LED-del

LED-de toitmine otse vooluvõrgust, vilkuvad tuled jne

LED-de eeltakistite arvutamise kalkulaator neile, kellele valemid kohe üldse ei istu

 

VELJO SINIVEE (1964) töötab Tallinna Tehnikaülikooli füüsikainstituudis elektroonikuna. Huvialadeks elektroonika, koodi kirjutamine PIC-, 8051- ja viimasel ajal ka AVR-mikrokontrolleritele, ning akvaristika. E-aadressid http://parsek.yf.ttu.ee/~felc/ ja felch@staff.ttu.ee.

Ilmume ka e-ajakirjana: