Урок 5. Транзистор: усилитель и сенсорная кнопка из фольги

В коробке набора остался последний нетронутый пакетик — с чёрными трёхногими «таблетками». Это биполярные транзисторы BC337 и BC327, младшие братья полевика IRFZ24, который крутил мотор в двадцать третьем уроке. Сегодня они отработают своё имя дважды: сначала соберём из них логический тестер — прибор, который показывает цветом, что творится на любом выводе платы, — а потом сотворим маленькое чудо: кнопку из куска фольги, у которой вообще нет подвижных частей.

Знакомство: три ноги и стрелка

Запомнить выводы просто: смотрите на плоскую сторону, ножки вниз — слева направо Коллектор, База, Эмиттер. В наборе два типа: BC337 — «n-p-n», открывается, когда на базу подают напряжение побольше, и BC327 — «p-n-p», его зеркальный близнец, открывающийся от нуля. Корпуса неотличимы, поэтому надпись на плоской стороне — единственный способ их не перепутать.

Главный фокус тот же, что у полевика: слабый сигнал управляет сильным. Но есть отличие, важное для схем: полевик открывался напряжением, а биполярный транзистор — током через базу. Ток надо отмерять, поэтому в базу всегда ставят резистор. В наборе для этого лежат специальные 1 кОм — вот и их очередь пришла.

Проект 1. Логический тестер

Соберём прибор из главы 10 брошюры набора: два транзистора разного типа с общим входом. Подали на вход «единицу» — открывается n-p-n и зажигает красный светодиод. Подали «ноль» — открывается p-n-p и зажигает зелёный. Прибор показывает цветом логический уровень — настоящий инструмент электронщика.

// Продвинутый курс, урок 5. Шаг 1: проверяем логический тестер.

const int TESTER = 12;   // вход тестера — сюда подаём «1» и «0»

void setup() {
  pinMode(TESTER, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(TESTER, HIGH);   // «1»: открывается BC337 — горит красный
  delay(1000);
  digitalWrite(TESTER, LOW);    // «0»: открывается BC327 — горит зелёный
  delay(1000);
}

Загрузите — светодиоды замигают по очереди: секунду красный («на выводе 12 единица»), секунду зелёный («ноль»). Обратите внимание: плата тратит на управление двумя яркими светодиодами меньше миллиампера — весь рабочий ток идёт через транзисторы от шин питания. Именно так один слабый вывод контроллера управляет гирляндой, мотором или реле.

Проект 2. Кнопка из фольги

А теперь — магия из главы 11 брошюры. Вокруг нас всюду «электрический шум»: провода сети 220 вольт, зарядки, техника — всё это наводит в любом проводнике слабенькие колебания напряжения. Обычно наводки — враг, с которым борются. Но наш транзистор умеет усиливать — а значит, может сделать наводки видимыми. И тут выясняется приятное: человеческое тело собирает наводки отлично. Коснулись провода — транзистор усилил вашу «шумность» — плата заметила касание. Готовая сенсорная кнопка.

Разберём схему. Резистор 10 кОм от «+» приоткрывает транзистор — как чуть-чуть отвёрнутый кран. К базе же подключён сенсорный провод: его свободный конец оберните кусочком пищевой фольги — это и есть кнопка. Эмиттер через 470 Ом уходит на землю, и с него же сигнал идёт на вход A0.

// Продвинутый курс, урок 5. Шаг 3: слушаем наводки через транзистор.

const int PROBE = A0;   // сюда транзистор отдаёт усиленный сигнал

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // Откройте вкладку «График» и потрогайте фольгу.
  Serial.println(analogRead(PROBE));
  delay(5);
}

Откройте вкладку «График» и потрогайте фольгу. Видите пляску? Частота этих волн — 50 герц, ровно как у розеточной сети: вы в прямом смысле видите на экране электрическое эхо проводки вашего дома, пойманное вашим же телом.

Учим плату замечать касание

// Продвинутый курс, урок 5. Шаг 4: касание зажигает свет.

const int PROBE = A0;
const int LED = 13;      // встроенного светодиода для опыта достаточно
const int SENS = 3;      // чувствительность: БОЛЬШЕ число — ГРУБЕЕ сенсор

int last = 0;            // прошлое показание
int glow = 0;            // «свечение»: пока больше нуля — светим

void setup() {
  pinMode(LED, OUTPUT);
  last = analogRead(PROBE);
}

void loop() {
  int now = analogRead(PROBE);

  // Наводка — это дрожание: текущее показание отличается от прошлого.
  if (abs(now - last) > SENS) {
    glow = 500;          // заметили касание — светим ближайшие 500 кругов
  }
  last = now;

  if (glow > 0) {
    glow = glow - 1;
    digitalWrite(LED, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(LED, LOW);
  }
}

Идея детектора проста: касание — это дрожание сигнала, поэтому сравниваем каждое показание с предыдущим. Разница больше порога SENS — значит, трогают. А чтобы светодиод не мерцал в такт волнам, работает приём «растянуть короткое событие» из урока о датчиках: переменная glow заряжается на 500 кругов и тает по единичке.

// Продвинутый курс, урок 5. Шаг 5: выключатель без подвижных частей.

const int PROBE = A0;
const int LED = 13;
const int SENS = 3;

int last = 0;
bool lightOn = false;
unsigned long lastTouch = 0;   // когда сработали в прошлый раз

void setup() {
  pinMode(LED, OUTPUT);
  last = analogRead(PROBE);
}

void loop() {
  int now = analogRead(PROBE);
  bool touched = (abs(now - last) > SENS);
  last = now;

  // Пауза 800 мс — иначе одно долгое касание переключит свет много раз.
  if (touched && millis() - lastTouch > 800) {
    lastTouch = millis();
    lightOn = !lightOn;          // восклицательный знак — «наоборот»
    digitalWrite(LED, lightOn);
  }
}

Следующий шаг — выключатель: одно касание зажигает, следующее гасит. Новинка в строке lightOn = !lightOn: восклицательный знак означает «наоборот» — из правды делает неправду и обратно. Идеальный переключатель в одну строку. Пауза в 800 миллисекунд бережёт от двойных срабатываний — это тот же антидребезг, только для пальца.

Финал: сенсорный ночник

// Продвинутый курс, урок 5. Шаг 6: сенсорный ночник.
// Касание фольги плавно зажигает лампу на выводе 10, ещё касание — гасит.

const int PROBE = A0;
const int LED = 10;
const int SENS = 3;

int last = 0;
bool lightOn = false;
unsigned long lastTouch = 0;

int current = 0;   // яркость сейчас
int target = 0;    // яркость-цель

void setup() {
  pinMode(LED, OUTPUT);
  last = analogRead(PROBE);
}

void loop() {
  int now = analogRead(PROBE);
  bool touched = (abs(now - last) > SENS);
  last = now;

  if (touched && millis() - lastTouch > 800) {
    lastTouch = millis();
    lightOn = !lightOn;
    if (lightOn) {
      target = 255;
    } else {
      target = 0;
    }
  }

  // Плавность — старый добрый шаг к цели.
  if (current < target) {
    current = current + 1;
  }
  if (current > target) {
    current = current - 1;
  }
  analogWrite(LED, current);
  delay(2);
}

Соединяем всё: детектор касания, переключатель и плавность из урока про умный ночник. Коснулись фольги — лампа на выводе 10 плавно разгорается, коснулись ещё раз — плавно тает. Приклейте фольгу под лист бумаги на столе — и у вас невидимая кнопка, о которой гости не догадаются.

Частые проблемы

• Сенсор срабатывает сам по себе. Ваш порог слишком чуткий — поднимите SENS до 5–8. И укоротите сенсорный провод: длинный ловит наводки даже без касания.
• Сенсор не чувствует палец. Проверьте резистор 10 кОм от «+» к базе — без него транзистору не хватает «приоткрытости». И убедитесь, что трогаете именно фольгу, а не изоляцию провода... хотя через тонкую изоляцию сенсор тоже часто слышит!
• Тестер горит обоими цветами сразу. Так и должно быть, если вход тестера никуда не подключён: обе базы «висят в воздухе». Подключите зелёный провод к выводу — останется один цвет.
• График ровный даже при касании. Перепроверьте ножки транзистора: К—Б—Э, плоской стороной к себе. Перевёрнутый BC337 усиливать не будет.

Задания для тренировки

• РазминкаСделайте из ночника «сенсорный диммер»: первое касание — половина яркости, второе — полная, третье — выключить. Счётчик режимов и остаток от деления вам в помощь.
• ПосложнееПодключите зуммер и превратите сенсор в «терменвокс наоборот»: пока фольгу трогают — звучит нота, отпустили — тишина. Помните про таймеры: зуммер на выводе 12 не мешает ничему.
• Со звёздочкой ⭐Глава 11 брошюры называется «Съедобная сенсорная кнопка» неспроста: вместо фольги воткните сенсорный провод в яблоко или банан. Фрукт проводит ток — значит, тоже собирает наводки. Сделайте яблочный дверной звонок и удивите семью.

Что вы теперь умеете

• различать выводы TO-92: Коллектор — База — Эмиттер, плоской стороной к себе;
• объяснять, чем n-p-n отличается от p-n-p и почему в базе всегда резистор;
• собирать транзисторный ключ: слабый вывод управляет сильной нагрузкой;
• превращать наводки из помехи в сигнал — и видеть сеть 50 Гц на графике;
• строить сенсорные кнопки из фольги, бумаги и даже яблока.

Остался последний нетронутый уголок коробки — три ярких светодиода. В следующем уроке они выстроятся в светящуюся шкалу-градусник, а заодно мы научимся зажигать «полтора светодиода» — звучит невозможно, но вы уже почти умеете.

Частые вопросы

← Все уроки курса