Elixír do škol - 6. setkání

Ve čtvrtek 2. 2. 2017 proběhlo v prostorách SPŠST Panská v Malé Štupartské šesté setkání projektu Elixír do škol ve školním roce 2016/2017. Projekt zaměřený na zkvalitnění výuky fyziky zejména na základních školách je podporován Nadací Depositum Bonum. Na setkání, kterého se zúčastnilo osm účastníků, jsme pokračovali v popisu digitální techniky.

„Budeme pokračovat v problematice, kterou jsme začali minule,“ vítám účastníky setkání. „Skončili jsme tím, že jsme sestavili tabulky pravdivostních hodnot logických funkcí a k nim vymysleli schémata realizovaná pomocí žárovek a vypínačů. Tak to ale v zařízeních, která máme kolem sebe a která jsem zmiňoval minule, nefunguje. Jednak jsou vypínače a přepínače příliš velké na to, aby mohli být součástí regulátorů teploty, iVěcí a podobně, a také jsou příliš pomalé při změně svého stavu. Nemluvě o tom, kdo by přepínače přepínal! Proto se v praxi používají součástky, kterým se říká tranzistory. A to bude váš první úkol: seznámit se s činností tranzistorů.“

Přinesu z kabinetu tranzistory, LED, zdroje napětí a spojovací vodiče.

„Půjčím vám kartičku, kde máte zakreslené schéma obvodu,“ říkám a vše rozdávám účastníkům setkání.

„A tyhle kartičky máš jen pro nás nebo i pro žáky?“ ptá se Edita Martoníková.

„Ty mám pro žáky a používáme je stejně, jako je používáme teď s vámi,“ odpovídám.

„A není to zbytečné?“ diví se Edita. „Já vše kreslím na tabuli.“

„Pro mě to zbytečné není,“ odpovídám. „Občas se stává, že různí žáci pracují různým tempem, a proto chci mít zadání pro všechny.“

Chvíli nechám účastníky, aby sestavili obvod.

„Dejte, prosím, pozor na polaritu zdroje napětí a na správné zapojení tranzistorů. Nerad bych, abychom ty součástky zničili,“ upozorňuji, jak doufám zbytečně, zkušené učitele fyziky.

„Na těch ledkách ale není vyznačena polarita. Jak to máme zapojit, abychom ti to nespálili?“

„U těch dvou ledek je to jedno - jsou zapojené antiparalelně, takže pokaždé bude zapojená jedna v propustném směru a jedna v závěrném směru,“ vysvětluji.

Za chvíli mají všechny skupiny obvod sestaven.

„Pokud ho máte správně sestaven, obvod nefunguje. To znamená, že LED nesvítí,“ usmívám se.

„No jo, LED nesvítí,“ potvrzují účastníci moje slova.

Po chvíli diskuse společně docházíme k závěru, že je nutné zprůchodnit tranzistor.

„K tomu, abyste tranzistor otevřeli, stačí spojit jeho bázi s jedním koncem LED,“ říkám a kreslím příslušnou opravu schématu obvodu na tabuli. Všichni si to zkoušejí a hlásí, že vše funguje. Zkoušíme i otevření tranzistoru pomocí prstů jedné ruky, ale také pomocí dvou lidí, kteří se vzájemně drží za ruce. Pokaždé se podaří tranzistor otevřít, a LED se proto rozsvítí.

„Ale proč se to tak děje?“ ptá se několik účastníků setkání.

„Chování činnosti tranzistoru vysvětlíme z hlediska vedení elektrického proudu v polovodičích. Je otázkou, co mám z polovodičů připomenout. Budeme potřebovat pochopitelně vědět, jak fungují příměsové polovodiče a přechod PN.“

„Vezmi to od začátku, ať se neztratíme,“ ozývá se z učebny.

„Nevadí mi to, ale nejsem na to připraven experimentálně,“ říkám a přináším z kabinetu krabici se součástkami, abych v rychlosti připravil ty, které budou potřebova. Ač mám všechny součástky připraveny čtyřikrát, nedaří se jeden panel se součástkami ve čtvrtém provedení najít.

„To nevadí, my se spojíme,“ reagují dvě skupinky.

Postupně tedy projdeme:

„A nyní se pokusíme vysvětlit chování zapojeného obvodu,“ usmívám se a vracíme se k počátečnímu experimentu. Jedná se o zapojení tranzistoru se společnou bází, které postupně rozdiskutujeme a rozkreslíme pohyb děr v jednotlivých částech polovodiče.

„Důvod, proč jsem vám tuto krátkou aktivitu zadal,“ usmívám se při pohledu na hodinky, které ukazují 25 minut do konce setkání, „byl prostý: v reálných součástkách jsou logické funkce realizované právě pomocí tranzistorů. Používají se sice speciální tranzistory, jejichž princip teď zkoumat nebudeme, ale základní vlastnosti jsou stejné, jako u těch, které jsme použili v našem experimentu.“

Následná diskuse byla zaměřená na typy hradel, která se v praxi používají.

„Nejčastěji se používá hradlo NAND, a proto se v praktických aplikacích volí takové postupy, které vedou k realizaci navrženého obvodu právě pomocí tohoto typu hradel.

„A ukážeme si tento postup?“ ptá se kdosi z účastníků.

„No měl jsem to původně v plánu, ale když se podívám, kolik času mi zbývá, tak to už asi nestihneme. Ale rád bych to naznačil,“ usmívám se a zdá se, že účastníci semináře jsou spokojení. „Ukážu postup návrhu obvodu pomocí tzv. Karnaughových map na velmi jednoduché úloze. Zkusíme si navrhnout detektor zapojení LED, který sice nemá v praxi velký význam v tom zadání, které budeme řešit my, ale pomocí kterého lze pochopit, jak se od zadání přejde k pravdivostní tabulce a od ní ke schématu hledaného obvodu.“

Postupně tak v rychlosti projdeme návrh tabulky, zjednodušení pomocí Karnaughových map až ke schématu příslušného obvodu.

„Já mám ten obvod sestaven na nepájivém poli.“

„No nazdar, to je drátků!“ ozve se z hloučku účastníků, kteří se přemístili blíže ke katedře.

„A to se jedná o tu nejjednodušší úlohu,“ usmívám se. „A právě, abychom minimalizovali vznik chyby, používá se nepájivé pole. Na něm obvod sestavíme, odzkoušíme a následně, pokud ho budeme potřebovat v praxi, spájíme na pevno. A pak už je jedno, zda sestavujete takovou ptákovinku nebo reálný obvod, který vám bude podle denní doby zatahovat žaluzie, zalévat květiny nebo zapínat topný systém v domě.“

Pár minut po páté hodině končíme. Ač jsem měl setkání připraveno jinak, než se nakonec vyvinulo, účastníci odcházeli nadšeni, že se dozvěděli něco nového. A navíc, kromě zadání domácího úkolu na promyšlení tématu na květnové setkání, jsme vymysleli mimochodem námět na další setkání v novém školním roce.

Materiály ze setkání:

Průběh samostatné práce účastníků setkání je zobrazen na fotografiích.

Autoři fotografií:

Martina Kotibová

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 4. 2. 2017