"Макетная плата и блок питания"
"Работа с Aliexpress.com"
"Подготовка макетной платы"
"О проводе и монтаже на макетке"
======================
Краткий порядок задания:
1. Общее знакомство с макетной платой.
2. Сборка схемы индикатора питания.
3. Определение величины тока в цепи светодиода.
4. Логические операции.
5. Проверка таблицы истинности логического элемента 2И-НЕ (мс К155ЛА3).
6. Определение логики работы элементов микросхем К155ЛЛ1, К155ЛИ1, К155ЛП5.
7-9. Задание на дом.
10. Самостоятельная проверочная работа по теме.
11. Задание. Сборка схемы на логических элементах (сумматор).
======================
1. Общее знакомство с макетной платой (или как пользоваться макетной платой) :
Для сборки схем необходимы блок питания на 5 вольт (или батарейный отсек) и макетная плата (на изображении показана уже подготовленная для работы макетка):
В правом верхнем углу макетки установлен разъём (поз.1). Через него на макетку (собранную схему) от блока питания подаётся питающее напряжение (для проверки работоспособности схем). От разъёма по длине макетки проходят линии красного и синего цвета (сверху и снизу). Между ними располагаются два поля питающих контактов. Вдоль линий синего цвета располагаются контакты земли (“минус”), а вдоль линий красного цвета – контакты напряжения 5 вольт (“плюс”). Для объединения питающих контактов на макетке установлены перемычки (поз. 2).
Основное макетное поле состоит из двух частей по 320 контактов или по 315 контактов (5x64 или 5x63, зависит от производителя). Любая 5-ти контактная группа (например, поз. 3) – это пять контактов, соединённых между собой и не соединённых с другими контактами.
2a. Сборка схемы индикатора питания.
Первая схема, которую необходимо собрать – это схема индикатора питания. Собрав индикатор, его не следует разбирать. Каждый раз, работая уже с другими схемами, светящийся светодиод подскажет о присутствии питания на макетке (или отсутствии, если он не светится).
Выводы деталей устанавливаются в отверстия до упора (глубина отверстия около 8 мм). Внимание ! У светодиода выводы (анод и катод) имеют разную длину (анод длиннее катода).
В соответствии со схемой один вывод сопротивления устанавливается в плюсовой контакт (по схеме линия VCC), а второй вывод устанавливается в любой контакт незанятой 5-ти контактной группы (например, поз.1). Рядом с выводом сопротивления (в этой же контактной группе) устанавливается анодный вывод светодиода.
Ранее говорилось, что все пять контактов в 5-ти контактной группе имеют соединение между собой и такая установка выводов сопротивления и светодиода обеспечивает электрическое соединение между ними в соответствии со схемой (позиция 1 на изображении). Второй (катодный) вывод светодиода устанавливается в минусовой контакт (по схеме линия GND, Ground-земля).
Проверив монтаж схемы, подайте питание. Светодиод должен светиться !
===!===
Последующие пункты заданий этого раздела (задания 1, 2, 3, 4, 5) направлены на последовательный курс изучения цифровой логики (логических операций, цифровых микросхем) и рекомендуется выполнять или старшеклассникам (9-11 классы), студентам или заинтересованным школьникам более младшего возраста.
Перед этапом 3 рекомендуется заглянуть в темы :
"Первая Работа" - сборка разных простых схем; знакомство с различными элементами (сопротивление, светодиод, кнопка, конденсатор, микросхема). Данная практика направлена на развитие навыков сборки схем на макетной плате. По ходу выполнения работ увеличивается работа с монтажным проводом. Для улучшения качества проводной сборки рекомендуется познакомиться с темой "О проводе и проводном монтаже на макетке".
"Простые задачи для светодиода и сопротивления" - простые контрольные вопросы-задания, знакомство с двухцветными светодиодами, шкальными индикаторами.
"Отдельные упражнения для начинающих" - работа с тестером; упражнение с кнопками; знакомство с особенностями работы разноцветных светодиодов.
"Сила тока и яркость светодиода" - практическая работа.
===!===
2b. Номинал сопротивления (резистора).
В схеме используется светодиод и сопротивление (резистор).
Сопротивления могут быть разных номиналов (в индикаторе питания 1 кОм=1000 Ом) и номинал любого сопротивления необходимо знать до его применения в схеме. При использовании не известных сопротивлений светодиод может или очень слабо светиться (величина сопротивления очень большая) или даже сгореть (величина сопротивления очень маленькая).
Номинал современного выводного сопротивления зашифрован цветными окружностями на его корпусе. Дешифровка сопротивлений в пунктах 3-5 темы “Сопротивления и Конденсаторы”.
3. Определение величины тока и сопротивления в цепи светодиода.
После подачи питающего напряжения на макетку на линии VCC будет присутствовать напряжение 5 вольт, а на линии GND – 0 вольт. По схеме светодиод включён анодом к плюсу, а катодом к минусу, значит, в последовательной цепи сопротивления и светодиода потечёт ток I (от плюса к минусу, от большего напряжения к меньшему, от 5 v к 0 v), величина которого определяет яркость свечения светодиода. При этом, величина тока может быть очень маленькой и свечение светодиода будет не заметным, а может быть очень большой и светодиод сразу перегорит. Для светодиода, установленного в индикаторе питания, допустимая величина тока - 20 мА. Если светодиод перевернуть в схеме (анодом к GND, катодом к VCC), то ток I не потечёт.
Определите какая величина тока I в цепи светодиода при R=1 кОм в схеме на следующем изображении ?
Так как U=Uvd+Ur, то при :
- U=5v - напряжение источника питания,
- Uvd=2v - падение напряжения на красном светодиоде (величина постоянная),
уравнение примет вид : 5=2+Ur, следовательно Ur=5-2=3 v.
Сопротивление R и светодиод VD включены последовательно, значит, ток I, протекающий через них, один и тот же.
Согласно закона Ома : Ur=I*R, тогда, I=Ur/R и при R=1 кОм, I=3 v/1000 Ом=3 мА.
Из уравнения видно, что величина тока I в схеме зависит от величины сопротивления R. Оно ограничивает величину тока, а соответственно определяет и яркость свечения светодиода. Так как полученная величина 3 мА меньше допустимых 20 мА, то светодиод не должен перегореть.
Задачки :
- для тех же величин напряжений (U=5v, Uvd=2v), определите величину тока при R=3 кОм, 500 Ом и 200 Ом,
- определите величину тока при R=2 кОм, 1 кОм, 500 Ом и 200 Ом, но при U=5v и Uvd=3v (напряжение для светодиода синего цвета),
В первой схеме используется сопротивление 1 кОм. Величина тока - 3 мА и яркости светодиода достаточно для индикатора питания.
Но предположим, вам необходимо использовать светодиод в условиях максимальной яркости. Значит, вам необходимо определить параметры сопротивления при максимальном для светодиода токе. Задачки :
Какая величина сопротивления при I=20 мА для красного светодиода ?
Какая величина сопротивления при I=20 мА для синего светодиода ?
4. Логические операции.
В цифровой электронике есть два устойчивых состояния : 0 и 1.
Их можно умножать, складывать между собой, инвертировать. Результаты этих операций приведены в таблице:
1 и 2 столбцы – это перебор вариантов состояний для двух переменных
(у одной переменной – два состояния, у 2-х – четыре, далее - у 3-х – восемь, 4-х – шестнадцать и так далее).
3 столбец – это результат логического умножения состояний из 1-го и 2-го столбцов,
4 столбец – это результат инвертирования состояний из 3-го столбца,
5 столбец – это результат логического сложения состояний из 1-го и 2-го столбцов,
6 столбец – это результат инвертирования состояний из 5-го столбца.
Логические операции выполняют цифровые микросхемы. Далее надо будет проверить логику работу 2И-НЕ у элемента микросхемы К155ЛА3.
5. Проверка таблицы истинности логического элемента 2И-НЕ (мс К155ЛА3).
На правом изображении "живая" микросхема К155ЛА3 (корпус DIP14). В одном корпусе микросхемы находится четыре логических элемента 2И-НЕ (левое изображение). Напряжение питания микросхемы - 5 вольт (вывод 7 – GND; вывод 14 – VCC). Обратите внимание, с левой стороны корпуса микросхемы находится углубление – это её ключ; рядом с ним находится первая ножка корпуса микросхемы.
Логику работы элемента 2И-НЕ можно “прочитать” с рисунка элемента :
2 – это количество входов элемента (выводы входов расположены с левой стороны рисунка элемента)
И - внутри графического обозначения элемента есть знак логического умножения
НЕ – со стороны выхода элемента есть кружок – знак инверсии
Для проверки таблицы истинности логического элемента 2И-НЕ необходимо собрать схему:
На изображении показан один логический элемент микросхемы К155ЛА3 (остальные при проверке не используются).
Сборка схемы и её проверка:
- установите микросхему на макетке и “подайте на неё питание” (с помощь перемычек соедините выводы 7 и 14 микросхемы с линиями GND и VCC):
- к выходу 3 подключите сопротивление R3 и светодиод VD1 (катодом к земле, катод - короткий вывод у светодиода) :
- установите две кнопки KN1, KN2 и два сопротивления R1, R2. Обратите внимание на особенность установки кнопок :
- проверьте монтаж схемы и включите питание.
- после подачи питания должен светиться светодиод индикатора питания, а светодиод VD1 с выхода логического элемента светиться не должен.
- при нажатии на любую из кнопок (KN1 или KN2) или при одновременном нажатии обоих кнопок светодиод VD1 должен светиться.
Если всё так, то схема работает правильно.
Ошибки при сборке :
- отсутствие надёжного соединения в контактах макетки;
- не правильно подключены выводы питания микросхемы;
- не правильная полярность включения светодиода;
- не правильно выполнено соединение между сопротивлением и анодным выводом светодиода.
Итак, схема работает правильно и пора приступить к проверке.
Перепишите в тетрадь таблицу для сверки (левое изображение):
У логического элемента 2И-НЕ два входа (выводы 1,2) и один выход (вывод 3). В верхней части таблицы те же два входа (1,2) и один выход (3), но ещё она заполнена нулями и единицами. Как “обозначить” в собранной схеме нули и единицы ? Или, что надо делать на входе и как увидеть состояние на выходе ?
Если кратко :
- Состояния входов определяют кнопки (замкнута - 0, не нажата -1), а состояние выхода “показывает” светодиод (светится - 1, не светится - 0).
Подробней, принято считать :
Что на входах ?
В схеме к входам логического элемента подключены кнопки. Если кнопку нажать, то вход элемента через замкнутый контакт кнопки соединяется с линией GND (землёй), значит, на входе элемента установится низкий уровень напряжения, что соответствует логическому нулю. Если кнопка не нажата, то на входе элемента будет высокий уровень напряжения (логическая единица), так как сопротивления R1 и R2 подключены к линии VCC (5 вольт).
Что на выходе ?
На выходе элемента установлен светодиод и он своим состоянием (светится - не светится) может “подсказывать” состояние выхода. По схеме включения светодиода (анод в сторону выхода, катод на землю) он должен светиться тогда, когда со стороны выхода логического элемента будет высокий уровень напряжения, а значит, логическая единица. И соответственно, он не будет светиться - при логическом нуле на выходе элемента, так как на нём будет присутствовать низкий уровень напряжения. В этом случае ток в цепи светодиода не течёт и он не светится.
Итого:
Логический ноль на входе - кнопка нажата;
Логическая единица на входе - кнопка не нажата;
Логический ноль на выходе - светодиод не светится;
Логическая единица на выходе - светодиод светится.
Далее следует последовательно пройти по пунктам 1-4 таблицы, нажимая или не нажимая на кнопки и делая соответствующие отметки о состоянии выхода элемента (например, обводить кружком).
После завершения проверки, можно проверить ещё раз.
6. Определение логики работы элементов микросхем К155ЛЛ1, К155ЛИ1, К155ЛП5.
Логические элементы микросхем К155ЛЛ1, К155ЛИ1, К155ЛП5 также 2-х входовые и их выводы имеют такую же нумерацию, как и у микросхемы К155ЛА3. Поэтому !!! для определения их логики работы достаточно на место установки микросхемы К155ЛА3 последовательно устанавливать другие типы микросхем (только эти три типа !). Менять микросхемы следует при отсутствии питания на макетке.
Составьте таблицы истинности для элементов микросхем К155ЛЛ1, К155ЛИ1, К155ЛП5 и определите логику их работы.
7. Проверка логики работы элементов микросхем К155ЛН1 и К155ЛЕ1.
Схемы для проверки элементов этих микросхем отличаются от предыдущей схемы. И поэтому необходимо :
- найти справочную информацию о микросхемах,
- нарисовать в тетрадке схемы для работы с одним из элементов каждой микросхемы,
- собрать схемы,
- составить в тетрадке таблицы истинности,
- и определить (или проверить) логику работы элементов.
8. Необходимо знать электрические характеристики микросхем K155 серии.
- напряжение питания,
- уровни напряжений логического нуля и единицы,
- максимальные величины тока на выходе элемента (при логическом нуле и единице на выходе).
9. Расчёты.
Условия для схем - VCC = 5 В, светодиод VD1 красного свечения с Uvd1=2v. При расчетах принимается, что уровень напряжения логического нуля на выходе логического элемента равен 0 вольт :
1. Схема 1. Перерисуйте схему в тетрадку. Укажите направление тока в цепи светодиода VD1 (он светится) и вычислите его величину при разных величинах сопротивления R1 (10 кОм, 2 кОм, 1 кОм, 200 Ом).
2. Схема 1. Определите величину сопротивления R1, при разных величинах тока (1 мА, 5 мА, 10 мА), протекающего через светодиод VD1.
3. Схемы 1-4. При каких состояниях (X1-X4) на входах логических элементов светодиод VD1 будет светиться. Перерисуйте схемы в тетрадь, обозначьте выводы элементов микросхем, соберите схемы (R1 = 1 кОм) и убедитесь в правильности ответов.
4. Аналогично схеме 3 нарисуйте в тетрадке электрическую схему для элементов микросхемы К155ЛП5 и выполните предыдущий пункт.
