4. Потенциометр и фоторезистор
Делитель напряжения, потенциометр, фоторезистор (занятия 5–6)
Тип задачи тура: Задача 2 (15 баллов) — «собрать цепь по данной принципиальной схеме, проверить работу, провести измерения I, U при заданных условиях; возможно использование фоторезистора и/или потенциометра». Баллы: схема собрана и работает — 5, ток измерен верно — 3, измерения + расчёт мощности — 7.
Занятие 5. Делитель напряжения и три лица потенциометра
Цель занятия: обучающиеся собирают три схемы включения потенциометра и заранее предсказывают поведение каждой, затем проверяют предсказание измерением.
Разминка-вспоминание (5 мин)
- R для красного светодиода на 15 мА от 5 В? (интервальный возврат формулы)
- Измеренное R сборки не сходится с расчётом — что проверяем в первую очередь?
- 300 ∥ 300 = ?
Разбор (worked example): делитель напряжения
Потенциометр 10 кОм — это делитель в одном корпусе: крайние ножки 1 и 3 — концы резистивной дорожки (между ними всегда 10 кОм), средняя ножка 2 — движок. Три схемы включения:
| Схема | Как подключено | Что делает |
|---|---|---|
| Реостат | ножка 1 + движок 2 (ножка 3 свободна или на движок) | переменное сопротивление 0…10 кОм последовательно в цепи; регулирует ток |
| Делитель | 1 → «+», 3 → «−», сигнал с движка 2 | плавно регулируемое напряжение 0…Uпит; регулирует напряжение |
| Балансир | движок 2 → «+», ножки 1 и 3 → две ветви нагрузки | делит ток между двумя ветвями; сдвиг движка усиливает одну и ослабляет другую |
Практика
Реостат: регулятор яркости
5 В → потенциометр (ножки 1–2) → 100 Ом → красный светодиод → «−». Предсказать до включения: движок у ножки 1 → R_пот = 0 → I = (5−2)/100 = 30 мА (максимум разумного!); движок у ножки 3 → R_пот = 10 кОм → I ≈ 0,3 мА, еле тлеет. Проверить: крутить и смотреть. Резистор 100 Ом здесь — страховка от превышения тока при R_пот = 0; без него движок у края сжёг бы светодиод.
Делитель: регулятор напряжения
9 В на крайние ножки, вольтметр между движком и «−». Предсказать: плавно 0…9 В. Проверить. Затем нагрузить движок резистором 1 кОм на «−» и увидеть просадку в среднем положении — обсудить почему (1 кОм ∥ нижняя половина дорожки).
Балансир: две ветви
Движок на «+5 В», с ножки 1 — ветвь [100 Ом + красный светодиод] на «−», с ножки 3 — ветвь [100 Ом + зелёный светодиод] на «−». Предсказать: в среднем положении яркости примерно равны; сдвиг движка перекачивает ток из одной ветви в другую. Эта схема — прямая репетиция правой половины рис. 2 тура (занятие 6).
Мини-проверка выхода
По предъявленной схеме включения (карточка) назвать режим (реостат/делитель/балансир) и предсказать, что произойдёт при повороте движка. 3 карточки, проверка сборкой.
Занятие 6. Фоторезистор и сборка по «чужой» схеме
Цель занятия: обучающиеся собирают цепь по заданной принципиальной схеме (формат задачи 2) и выполняют заданные измерения с расчётом мощности.
Разминка-вспоминание — кумулятивный квиз занятий 1–5 (8 вопросов, без подглядывания)
- Соединены ли ряды макетки через центральную канавку?
- Амперметр включаем …?
- R_экв: 150 + 150 последовательно, им параллельно 300?
- I через 250 Ом от 3 В?
- R для синего светодиода на 10 мА от 5 В?
- Ток 28 мА от 5 В — какое R нужно?
- Три схемы включения потенциометра?
- Формула делителя напряжения?
Разбор: фоторезистор PGM5516
Разбор (worked example): задача 2 эталонного варианта (рис. 2)
Условие. Собрать цепь по принципиальной схеме (рис. 2, источник 5 В). Схема (восстановлена по рисунку регламента): общий выключатель Кнопка 1 в цепи питания; далее две ветви. Левая: Кнопка 2 → Потенциометр 1 (включён реостатом) → светодиоды 1 и 2, каждый со своим резистором 200 Ом (2×100 Ом последовательно из набора). Правая: Кнопка 3 → на движок Потенциометра 2, крайние ножки которого питают две ветви: [Светодиод 3 + 100 Ом] и [Светодиод 4 + 100 Ом] — тот самый балансир из занятия 5. Задания: (а) при нажатых кнопках 1, 2 измерить ток светодиода 2, если движок потенциометра 1 — в крайнем положении у ножки 1; (б) при нажатых кнопках 1, 3 потенциометром 2 отрегулировать одинаковую яркость светодиодов 3 и 4, провести измерения и рассчитать мощность на потенциометре 2.
Прочитать схему до сборки
Обвести на бланке узлы, посчитать элементы, выписать: сколько ветвей, где стоят измерения. Правило тура: 2 минуты чтения экономят 10 минут пересборки.
Собрать при снятом питании, ветвь за ветвью
Сначала шины питания и кнопка 1, затем левая ветвь, прозвонка, затем правая ветвь, прозвонка. Кнопки ставить через канавку макетки (4-выводные кнопки: пары ножек соединены попарно вдоль — проверить прозвонкой, какие!).
Задание (а): ток светодиода 2
Движок потенциометра 1 в крайнее положение у ножки 1 → его сопротивление в цепи 0 Ом. Расчёт-прогноз: I = (5 − Uпр)/200 = (5 − 2,0)/200 = 15 мА (красный). Разорвать цепь светодиода 2, включить амперметр, нажать кнопки 1 и 2, записать измеренное (ожидаем 13–16 мА — Uпр реального светодиода гуляет). На бланк: измеренное значение + прогноз.
Задание (б): равная яркость и мощность на потенциометре 2
Нажать кнопки 1 и 3, крутить потенциометр 2 до визуально равной яркости светодиодов 3 и 4 (ветви симметричны → движок около середины). Измерить: U между движком и ножкой 1 (U₁), U между движком и ножкой 3 (U₂), ток каждой ветви (I₃, I₄ — по очереди в разрыв). Мощность на потенциометре: P = U₁·I₃ + U₂·I₄ (два плеча дорожки — два резистора). При симметрии P = 2·U·I. Типичный порядок: U ≈ 2,5–2,8 В на плечо при токах ~0,4–0,6 мА → P — единицы милливатт; светодиоды при этом тусклые — это нормально, 10 кОм плечи сильно ограничивают ток.
Оформить бланк
Все измерения с единицами; расчёт мощности с подставленными числами; пометить на схеме точки измерений.
Техника безопасности и типичные ошибки:
- Не менять схему под напряжением — амперметр включаем в разрыв только при отпущенных кнопках/снятом питании.
- Кнопка впаяна «поперёк» — пары ножек перепутаны, ветвь замкнута постоянно. Прозвонить кнопку до установки.
- Мощность считают как U_пит·I вместо напряжения именно на элементе — жюри снимет все 7 баллов за расчёт.
- «Одинаковая яркость» разных цветов светодиодов на глаз не определяется — на туре в этой задаче ветви симметричны и цвета совпадают; если нет — выравнивайте токи амперметром, а не глазом.
Мини-проверка выхода (контрольная точка, формат жюри)
Аналог задачи 2: схема «делитель на фоторезисторе + светодиодный индикатор через кнопку», три заданных измерения + расчёт мощности на резисторе делителя. Оценка по таблице 5+3+7.