<طريقة التعلم الاستكشافي للمشكلة>
سؤال استفسار
"كيف يمكنني جعل اثنين من مصابيح LED يومضان من خلال الجمع بين مكثفين وترانزستورين؟ "
موضوعات "كيفية جعل مؤشر LED يومض باستخدام هزاز متعدد غير مستقر"
<قياس التغير في فترة الإضاءة>
الغرض: 1. ضبط دورة التشغيل والإيقاف باستخدام إجراء التبديل لترانزستورات NPN.
2. افهم كيف أنه عند تشغيل المفتاح وتناقص الجهد، يتم إيقاف تشغيل الترانزستور الآخر.
3. افهم كيف أنه عندما يتم تشغيل المفتاح، يبدأ المكثف في الشحن، وعندما يزيد الجهد، يتم تشغيل الترانزستور الآخر.
خلفية معرفية):
1. اعتقدت أن السبب في استخدام قيم مقاومة كبيرة على الجانبين R3 و R4 في هذه الدائرة هو السماح لتيار كبير بالتدفق عبر قسم LED الذي يضيء.
2. عند تشغيل الترانزستور، يصبح الجهد بين VCE وVCE صغيرًا وقريبًا من 0.
3. عندما يتدفق التيار عبر مكثف، يزداد الجهد على جانب المدخل بينما يكون مشحونًا بشكل إيجابي، ويزداد أيضًا الجهد عند B للترانزستور المتصل.
(جعل المسألة ملموسة)
استخدم نفس السعة لـ C1 وC2، وتأكد من أن الفاصل الزمني للوميض يزيد مع زيادة السعة، وتأكد من أن وقت شحن المكثف يخلق فاصل الإضاءة.
استخدم نفس قيمة المقاومة لـ R3 وR4، وتأكد من شحن المكثف من خلال R3 وR4 لأن الفاصل الزمني للإضاءة يتغير عند تغيير قيمة المقاومة.
قم بتوصيل مصابيح LED بـ R3 وR4 وتحقق من مسار الشحن.
(فرضية)
الحالة: يومض مؤشر LED بسبب تغير الجهد الأساسي للترانزستور الذي يتصل به المكثف.
الحالة: مع تغير الجهد على جانب مجمع الترانزستورات Tr1 وTr2 للمكثفات C1 وC2، يتم تشغيل وإيقاف مفتاح الترانزستورات الأخرى Tr2 وTr1 لأنه يتم شحنها من خلال R3 وR4.
(تم تأكيده بالتجربة)
طريقة التحضير
مقياس متعدد رقمي، 2 ترانزستورات NPN (2SC1815)، مكثفات (100μF، 200μF، 300μF، 400μF، 470μF)، مقاومات R1، R2 (120Ω)، R3، R4 (10kΩ، 20kΩ، 51kΩ، 75kΩ، 120kΩ، 200kΩ)، LED ( أزرق، أزرق، أحمر، أصفر)، ساعة توقيت، لوح تجارب، سلك توصيل، بطاريتان AA، علبة البطارية
طريقة
1. اضبط R1 وR2 (120Ω) وC1 وC2 (100μF) وقم بقياس وقت الفاصل الزمني لإضاءة LED عند تغيير R3 وR4.
2. اضبط R1، R2 (120Ω)، R3، R4 (200kΩ)، وقم بقياس الفاصل الزمني لإضاءة LED عند تغيير C1، C2.
3. قم بقياس الوقت من تشغيل LED1 إلى إيقاف التشغيل والوقت من إيقاف التشغيل إلى تشغيل LED1 عند R3 (10kΩ)، R4 (200kΩ)، C1، C2 (100μF).
4. قم بقياس الوقت من ON إلى OFF لـ LED1 والوقت من OFF إلى ON لـ LED1 عندما تكون R3 وR4 (10kΩ)، وC1 100μF، وC2 470μF.
5. اضبط R1 وR2 (120Ω) وR3 وR4 (200kΩ) وC1 وC2 (470μF) وقم بقياس تغيرات الجهد لـ VCE1 وVP وVC1.
6. فهم كيفية عمل الهزاز المتعدد المستقر.
نتيجة
تظهر دائرة 4 مصابيح LED في الشكل.
باستخدام 120Ω لـ R1 وR2 و100μF لـ C1 وC2، كانت دورة الإضاءة عند تغيير قيم المقاومة R3 وR4 كما يلي.
دورة الإضاءة عند استخدام 120 أوم لـ R1 و R2 و 200 كيلو أوم لـ R3 و R4 وتغيير سعة C1 و C2 كانت كما يلي.
عند استخدام 10kΩ لـ R3، و200kΩ لـ R4، و100μF لـ C1 وC2، يكون وقت إضاءة LED1 هو 0.25 ثانية.
كان زمن إطفاء الأنوار 4.68 ثانية. عندما كان LED1 قيد التشغيل، كان LED2 متوقفًا، وعندما كان LED1 متوقفًا، كان LED2 قيد التشغيل.
عندما تم استخدام 120 Ω لـ R1 وR2، تم استخدام 200 kΩ لـ R3 وR4، وتم استخدام 100 μF لـ C1 و470 μF لـ C2، كان وقت إضاءة LED1 5.66 ثانية، وكان وقت إطفاء الضوء 10.16 ثانية . في هذه الحالة أيضًا، عندما كان LED1 قيد التشغيل، كان LED2 متوقفًا، وعندما كان LED1 متوقفًا، كان LED2 قيد التشغيل.
بالإضافة إلى ذلك، كان تغير الجهد لـ C1 على النحو التالي.
مفهوم دائرة الاهتزازات المتعددة غير المستقرة
بداية
على افتراض أن LED1 مضاء بسبب تدفق IC1، فإن Vout1 هو 0V. يبدأ شحن المكثف C1 عبر R3. في هذا الوقت، يتم توفير IB1 من خلال R4 ويتم الحفاظ على VBE1 عند 0.6V.
عندما يتم شحن C1 وتصبح النقطة P 0.6V، يصبح VBE2 أيضًا 0.6V، لذلك يتم تشغيل Tr2. عندما يتم تشغيل Tr2، يتدفق IC2 ويصبح Vout2 0، وبالتالي فإن الجهد عند النقطة Q يتناقص أيضًا ويصبح VBE1 0.6V أو أقل، لذلك يتم إيقاف تشغيل Tr1. يتدفق IB2 عبر R3. يتم شحن C2 من خلال R4.
عندما يتم شحن C2 وتصل نقطة Q إلى 0.6V، يصبح mVBE1 أيضًا 0.6V، ويتم تشغيل مفتاح Tr1، ويضيء LED1، وتتكرر الدورة مرة أخرى.
خاتمة
1. عند وميض اثنين من مصابيح LED بهزاز متعدد غير مستقر، يمكنك تحديد مجموعة قيم المقاومة للمقاومات الواقية R1 وR2، والجهد الأساسي للترانزستور، وR3 وR4 التي تشحن المكثفات C1 وC2.
2. تم التأكيد على أن الفاصل الزمني الوامض يتم تحديده من خلال الجمع بين المقاومات R3 و R4 والمكثفات C1 و C2.
3. أدرك أنه عند إضاءة Tr1، يتم تأمين VBE1 من خلال R4 وتدفقات IB1 ويتم شحن C1 من خلال R3.
4. أدرك أنه عند إضاءة Tr2، يتم تأمين VBE2 من خلال تدفقات R3 وIB2، ويتم شحن C2 من خلال R4.
5. لقد وجد أنه في الهزاز المتعدد المستقر، عندما يكون LED1 في وضع التشغيل، يتم إيقاف تشغيل LED2، وعندما يكون في وضع إيقاف التشغيل، يتم تشغيله.
مراجعة التعلم
○ النتائج والابتكارات
من خلال توصيل مصابيح LED بـ R3 وR4، يمكن التحقق من الحالة الحالية بصريًا، ومن خلال تغيير حجم R3 وR4 وحجم C3 وC4، من الممكن تحديد ما إذا كان C1 أو C2 مضاءًا بسبب الاختلاف في تشغيل/إيقاف الوقت. لقد تمكنت من فهم المسار الذي يتدفق عبر المقاومات R3 و R4.
○ الفشل
لقد ارتكبت عدة أخطاء في فتحات الإدخال الموجودة على اللوح.
○اقتراح التحسين
إنها فكرة جيدة أن يكون لديك مشبك لدودة القز لتوفير الراحة أثناء القياس.
○ ما فهمته
من خلال دمج المقاومات والمكثفات، يمكن إجراء تبديل الترانزستور والتحكم في الوقت.
○ المهمة التالية
أنواع أخرى من الهزازات المتعددة
*****<طريقة تعلم الاستعلام عن المهام>***************************************
المواضيع [التكنولوجيا]
الموضوع <التحقيق والتخطيط> الغرض وجهة النظر: هدف التجربة/[التفكير]
الخلفية <المعرفة> المنظور: مسائل التعلم المسبق، والكتب المدرسية المرجعية، والمهام الملموسة، والفرضيات [المعرفة]
طريقة الإعداد <التحقيق والتخطيط> وجهات النظر: المخطط المفاهيمي، متغيرات القياس، خطة الاستفسار [التكنولوجيا]
النتائج/المناقشة <المعالجة والتقييم> وجهة النظر: النتائج ورسومها البيانية/صلاحية الفرضية/الاستنتاج/المناقشة [التكنولوجيا]
التفكير في التعلم (وجهات النظر: الإنجازات والجهود، أسباب الفشل، خطط التحسين، ما تم فهمه، المهام التالية) [الموقف]
تقرير [التكنولوجيا]
********************************************************************************
<Problem exploratory learning method>
inquiry question
“How can I make two LEDs blink by combining two capacitors and two transistors? ”
Topics “How to make LED blink using an unstable multivibrator”
<Measurement of change in lighting interval>
Purpose: 1. Setting the cycle for ON-OFF using the switching action of NPN transistors.
2. Understand how when a switch is turned on and the potential decreases, the other transistor is turned off.
3. Understand how when a switch is turned on, the capacitor starts charging, and when the voltage increases, the other transistor is turned on.
Background (knowledge):
1. I thought that the reason for using large resistance values on the R3 and R4 sides in this circuit was to allow a large current to flow through the LED section that lights up.
2. When the transistor is switched on, the voltage between VCE and VCE becomes small and close to 0.
3. When current flows through a capacitor, the voltage on the inlet side increases while being positively charged, and the voltage at B of the connected transistor also increases.
(Making the issue concrete)
Use the same capacity for C1 and C2, confirm that the blinking interval increases as the capacity increases, and confirm that the charging time of the capacitor creates the lighting interval.
Use the same resistance value for R3 and R4, and confirm that the capacitor is being charged through R3 and R4 because the lighting interval changes when you change the resistance value.
Connect LEDs to R3 and R4 and check the charging route.
(hypothesis)
Condition: The LED blinks due to a change in the base voltage of the transistor to which the capacitor is connected.
Condition: As the voltage changes on the collector side of transistors Tr1 and Tr2 of capacitors C1 and C2, the other transistors Tr2 and Tr1 switch turns on and off because they are charged through R3 and R4.
(Confirmed by experiment)
Preparation/method
Digital multimeter, 2 NPN transistors (2SC1815), capacitors (100μF, 200μF, 300μF, 400μF, 470μF), resistors R1, R2 (120Ω), R3, R4 (10kΩ, 20kΩ, 51kΩ, 75kΩ, 120kΩ, 200kΩ) , LED (blue, blue, red, yellow), stopwatch, breadboard, jumper wire, 2 AA batteries, battery case
Method
1. Set R1, R2 (120Ω), C1, C2 (100μF) and measure the LED lighting interval time when changing R3 and R4.
2. Set R1, R2 (120Ω), R3, R4 (200kΩ), and measure the LED lighting interval when changing C1, C2.
3. Measure the time from LED1 ON to OFF and the time from OFF to ON of LED1 when R3 (10kΩ), R4 (200kΩ), C1, C2 (100μF).
4. Measure the time from ON to OFF of LED1 and the time from OFF to ON of LED1 when R3 and R4 (10kΩ), C1 is 100μF, and C2 is 470μF.
5. Set R1, R2 (120Ω), R3, R4 (200kΩ), C1, C2 (470μF) and measure the voltage changes of VCE1, VP, and VC1.
6. Understand how an astable multivibrator works.
result
The circuit for 4 LEDs is shown in the figure.
Using 120Ω for R1 and R2 and 100μF for C1 and C2, the lighting cycle when changing the resistance values of R3 and R4 was as follows.
The lighting cycle when using 120Ω for R1 and R2 and 200kΩ for R3 and R4 and changing the capacitance of C1 and C2 was as follows.
When using 10kΩ for R3, 200kΩ for R4, and 100μF for C1 and C2, the lighting time of LED1 is 0.25sec.
Lights-off time was 4.68 seconds. When LED1 was on, LED2 was off, and when LED1 was off, LED2 was on.
When 120 Ω were used for R1 and R2, 200 kΩ were used for R3 and R4, and 100 μF was used for C1 and 470 μF for C2, the lighting time of LED1 was 5.66 seconds, and the light-off time was 10.16 seconds. In this case as well, when LED1 was on, LED2 was off, and when LED1 was off, LED2 was on.
In addition, the voltage change of C1 was as follows.
UnstableMultivibrator circuit concept
beginning
Assuming that LED1 is lit due to IC1 flowing, Vout1 is 0V. Capacitor C1 begins to be charged through R3. At this time, IB1 is supplied through R4 and VBE1 is maintained at 0.6V.
When C1 is charged and the P point becomes 0.6V, VBE2 also becomes 0.6V, so Tr2 turns ON. When Tr2 turns on, IC2 flows and Vout2 becomes 0, so the voltage at point Q also decreases and VBE1 becomes 0.6V or less, so Tr1 is switched off. IB2 flows through R3. C2 is charged through R4.
When C2 is charged and the Q point reaches 0.6V, mVBE1 also becomes 0.6V, the switch of Tr1 turns on, LED1 lights up, and the cycle repeats again.
conclusion
1. When blinking two LEDs with an unstable multivibrator, you can select the combination of the resistance values of the protective resistors R1 and R2, the base voltage of the transistor, and R3 and R4 that charge the capacitors C1 and C2.
2. It was confirmed that the blinking time interval is determined by the combination of resistors R3 and R4 and capacitors C1 and C2.
3. I understand that when Tr1 is lit, VBE1 is secured through R4, IB1 flows, and C1 is charged through R3.
4. I understand that when Tr2 is lit, VBE2 is secured through R3, IB2 flows, and C2 is charged through R4.
5. It was found that in the astable multivibrator, when LED1 is ON, LED2 is turned OFF, and when it is OFF, it is turned ON.
Review of learning
○Results and innovations
By connecting LEDs to R3 and R4, the current status can be visually checked, and by changing the size of R3 and R4, and the size of C3 and C4, it is possible to determine whether C1 or C2 is lit due to the difference in on/off time. I was able to understand which path is flowing through resistors R3 and R4.
○Failure
I made several mistakes with the insertion holes on the breadboard.
○Improvement proposal
It is a good idea to have a bagworm clip for convenience during measurement.
○What I understood
By incorporating resistors and capacitors, transistor switching and time control can be performed.
○Next task
Other types of multivibrators
*****<Task inquiry learning method>*************************************
Topics [Technology]
Theme <Investigation and Planning> Purpose Viewpoint: Aim of the experiment/[Thinking]
Background <Knowledge> Perspective: Prior learning matters, reference textbooks, concrete assignments, hypotheses [Knowledge]
Preparation/Method <Investigation and Planning> Viewpoints: Conceptual Diagram, Measurement Variables, Inquiry Plan [Technology]
Results/Discussion <Processing and Evaluation> Viewpoint: Results and their graphing/Validity of hypothesis/Conclusion/Discussion [Technology]
Reflection on learning (perspectives: achievements and efforts, causes of failure, improvement plans, what was understood, next tasks) [Attitude]
Report [Technology]
************************************************** ********************
<課題探究的学習手法>
探究の問い
『コンデンサー2個とトランジスタ2個を組み合わせて2個のLEDを点滅させるにはどうすればよいだろうか？』
トピックス『非安定マルチバイブレータを用いてLED点滅をさせるには』
<点灯間隔の変化の測定>
目的: 1. NPN型トランジスタのスイッチング作用を利用してON-OFFを起こす周期の設定。
2. スイッチが入って電位が小さくなった時, もう一方のトランジスタのスイッチを切る仕組みを理解をする。
3. スイッチが入ると, コンデンサーの充電が始まり, 電圧が上がるともう一方のトランジスタのスイッチが入る仕組みを理解する。
背景（知識）:
1. この回路でR3,R4側に大きな抵抗値を使っているのは,点灯するLED部に大きな電流を流すためと考えた。
2. トランジスタのスイッチが入った時, VCE間電圧は小さく0に近くなる。
3. コンデンサーは, 電流が流れると, 入口側は+に帯電しながら電圧が上がって行き, つながっているトランジスタのBの電圧も上がってゆく。
（課題の具体化）
C1, C2に同じ容量を用い, 容量が大きくなると点滅間隔が大きくなることを確認し, コンデンサーの充電時間が点灯間隔を作り出していることを確認する。
R3, R4に同じ抵抗値を用い, 抵抗値を変化させると点灯間隔が変化することから, R3,R4を通じてコンデンサーが充電されていることを確かめる。
R3, R4にLEDを接続し, 充電が行われている経路の確認をする。
(仮説)
条件: コンデンサーが結合しているトランジスタのベース電圧の変化のためにLEDの点滅が起きる。
条件:コンデンサーC1, C2のトランジスタTr1, Tr2のコレクタ側の電圧変化に伴い, R3, R4を通じて充電されるために他方のトランジスタTr2, Tr1のスイッチがONOFFを起こす。
(実験での確認)
準備・方法
デジタルマルチメータ, NPN型トランジスタ(2SC1815)2個, コンデンサー (100μF, 200μF, 300μF, 400μF, 470μF) , 抵抗R1,R2(120Ω), R3,R4(10kΩ, 20kΩ, 51kΩ, 75kΩ, 120kΩ, 200kΩ ), LED(青, 青, 赤, 黄), ストップウォッチ,ブレッドボード, ジャンパー線, 単３乾電池２本, 乾電池ケース
方法
1. R1,R2(120Ω), C1,C2(100μF)とし, R3,R4を変化させたときの、LED点灯間隔時間を測定する。
2. R1,R2(120Ω), R3,R4(200kΩ)とし, C1,C2を変化させたときのLEDの点灯間隔を測定する。
3. R3(10kΩ), R4(200kΩ), C1,C2(100μF)のときの, LED1のONからOFFの時間, LED1がOFFからONの時間を測定する。
4. R3, R4(10kΩ)とし, C1を100μF, C2を470μFとしたときのLED1のONからOFFの時間, LED1がOFFからONの時間を測定する。
5. R1,R2(120Ω), R3,R4(200kΩ), C1,C2(470μF)とし, VCE1, VP, VC1の電圧変化を測定する。
6. 非安定マルチバイブレータの動作の仕組みを理解する。
結果
4LEDのときの回路は図のようである。
R1, R2に120Ω, C1, C2に100μFを用い, R3, R4の抵抗値を変えたときの点灯周期は次のようであった。
R1, R2に120Ω, R3, R4に200kΩを用い, C1, C2の容量を変えたときの点灯周期は次のようであった。
R3に10kΩ, R4に200kΩ, C1, C2に100μFを用いたときのLED1の点灯時間は, 0.25sec.
消灯時間は4.68secであった。LED1点灯時はLED2は消灯, LED1消灯時はLED2は点灯していた。
R1, R2に120Ω, R3, R4に200kΩを用い, C1を100μF, C2に470μFを用いたときのLED1の点灯時間は, 5.66sec.消灯時間は10.16secであった。この場合も, LED1点灯時はLED2は消灯, LED1消灯時はLED2は点灯していた。
また, C1の電圧変化は, 次のようであった。
UnstableMultivibratorの回路の考え方
初め
LED1がIC1が流れ, 点灯しているとすると, Vout1は0V. コンデンサーC1がR3を通じて充電され始める。このとき, R4を通じてIB1は供給されVBE1は0.6Vが維持される。
C1が充電され, P点が0.6Vになると, VBE2も0.6VとなるのでTr2がONとなる。 Tr2がONになると, IC2が流れ, Vout2が0となるので, Q点の電圧も低下し, VBE1が0.6V以下となるので, Tr1のスイッチが切れる。IB2はR3を通じて流れる。C2はR4を通じて充電される。
C2が充電され, Q点が0.6Vになると VBE1も0.6Vとなり, Tr1のスイッチがONとなり, LED1が点灯し, 再び周期が繰り返される。
結論
1. 非安定マルチバイブレータでLEDを２個点滅させる時の, 保護抵抗R1, R2の抵抗値とトランジスタのベース電圧とコンデンサーC1, C2の充電をするR3, R4の組み合わせが選択できた。
2. 点滅の時間間隔は, 抵抗R3, R4とコンデンサーC1, C2の組み合わせで決まることが確かめられた。
3. Tr1点灯時には, R4を通じてVBE1を確保し, IB1が流れ, R3を通じてC1が充電されることが理解できた。
4. Tr2点灯時には, R3を通じてVBE2を確保し, IB2が流れ, R4を通じてC2が充電されることが理解できた。
5. 非安定マルチバイブレータで, LED1がONの時には, LED2はOFFになり, OFFになるとONになるような仕組みになっていることが分かった。
学習の振り返り
○成果と工夫
R3とR4にLEDを接続することで, 電流状態が目視でき, R3と R4の大きさを変えること, C3, C4の大きさを変えることで, 点灯, 消灯時間の違いからC1, C2のどちらをR3, R4どちらの抵抗を通じて流れているか通り道が理解できた。
○失敗
ブレッドボードの差し穴のミスが何度かあった。
○改善案
測定時の便宜のためにミノムシクリップがあると良い。
○理解できたこと
抵抗とコンデンサーを組み込むことで, トランジスタのスイッチングと時間制御ができる。
○次の課題
他のタイプのマルチバイブレータ
*****<課題探究的学習手法>**************************************************
トッピクス[技術]
テーマ＜探究と計画＞目的 観点:実験のねらい・[思考]
背景＜知識＞観点:先行学習事項・参考教科書・課題の具体化・仮説[知識]
準備・方法＜探究と計画＞観点：概念図・測定変数・探究計画[技術]
結果・考察＜処理と評価＞観点：結果とそのグラフ化・仮説の妥当性・結論・考察[技術]
学習の振り返り(観点：成果と工夫、失敗の原因、改善案、理解できたこと、次の課題)[態度]
報告[技術]
**********************************************************************
[参考]
Doug Mercer, Antoniu Mictaus "ADALM2000 Activity : BJT Multivibrators" ADI, Jul(2022)
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/studentzone/studentzone-july-2022.html