Lidé se o elektroniku začínají zajímat v každém věku a z různých důvodů. Někdo potřebuje vědu k práci nebo studiu, u jiného to prostě vzbuzuje zájem. Pro úplné pochopení tohoto tématu a pochopení jeho základních pojmů budete muset nastudovat základy elektroniky a elektrotechniky.
Základní pojmy
Ve školních letech se všichni museli v hodinách fyziky naučit základy elektroniky. Ale kvůli složitým termínům, množství vzorců a různým měrným jednotkám nebyl každý schopen asimilovat informace. V životě nastávají různé situace, kdy člověk tyto znalosti potřebuje. Dnes existuje mnoho příruček, publikací a časopisů, které popisují základy elektroniky. Pro začátečníky jsou takové příručky dobrými pomocníky., protože všechny základní pojmy a procesy v nich jsou prezentovány v přístupném jazyce.
Nejčastějšími elektronickými pojmy, které lidé slyší v každodenním životě, jsou slova proud, napětí a odpor. Abyste pochopili jejich podstatu, musíte si uvědomit, že jakákoli látka je sbírka kladně a záporně nabitých částic (protonů a elektronů).
Usměrněný tok elektronů tvoří proud. Síla, která je pohybuje jedním směrem, se nazývá stres. Pohyb negativních částic neprobíhá bez zábran, brání mu tření, které se ve fyzice nazývá odpor. Tyto veličiny spolu souvisejí, takže když znáte dvě z nich, můžete snadno vypočítat třetí pomocí příslušného vzorce.
Každá veličina v elektronice má své označení a měří se v konkrétních jednotkách. Proud A je v ampérech, odpor R je v ohmech, napětí U je ve voltech.
Aplikace elektřiny
Takzvaná elektronika pro „figuríny“ začátečníkům nejen vysvětluje podstatu výskytu elektrického proudu, ale uvádí i příklady jeho aplikace. Rozsah zdrojů napětí je velmi široký. Všechny mají různé velikosti a technické vlastnosti:
- Lithiová baterie. Určeno pro jmenovitou zátěž 3 V. Díky malým rozměrům se dobře hodí pro použití v kapesních zařízeních (hodinky, svítilny). Může mít kapacitu 30-500 mAh.
- Nikl-metal hydridový prvek. Vyznačuje se vysokou hustotou energie a rychlou schopností akumulovat náboj. Často se používá k napájení různých robotů.
Olověná baterie je také typem napájecí baterie a mezi známými zdroji energie zaujímá samostatné místo. Jeho design se skládá z následujících prvků:
- pozitivní a negativní kontakt;
- sada elektrod s různými náboji;
- pojistný a dělicí ventil.
Všechny detaily jsou uzavřeny v pevném pouzdře. Taková baterie je hlavním zdrojem napětí pro většinu elektronických zařízení. Snadno a rychle se dobíjí, dobře se hodí pro systémy, ve kterých nehraje hlavní roli hmotnost zařízení, ale jeho energetická rezerva.
Технические характеристики
Výkon baterie je ovlivněn způsobem připojení. Sériové zapojení vede ke zvýšení napětí, paralelní zapojení vede ke zvýšení proudu.
Hlavní charakteristikou zdroje energie v elektronice je kapacita. Tato hodnota slouží jako míra náboje v ní uloženého a přímo závisí na hmotnosti účinné látky. Při specifikaci jmenovité kapacity mají výrobci na mysli maximální množství elektřiny, které lze za konkrétních podmínek vytěžit. Ale protože podmínky pro použití baterií nejsou zdaleka ideální, v praxi je úroveň kapacity nižší než deklarovaná. Hlavními faktory ovlivňujícími její pokles jsou doba provozu, teplotní podmínky, počet nabití a vybití.
Jako měrná jednotka pro tento parametr je obvyklé používat watthodiny (Wh), kilowatthodiny (kWh), ampérhodiny (Ah) nebo miliampérhodiny (mAh). Watthodina je definována jako součin proudu a napětí dodaného zařízením za jednu hodinu. Úroveň napětí je konstantní a závisí na typu zdroje energie (lithium, alkalické, olověné).
V případě úplného vybití většina zdrojů napětí selže. Aby se zabránilo rozbití, výrobci určují podíl proudu, který z něj lze odebírat. Říká se jí hloubka vybití a měří se jako procento maximální kapacity.
Omezovače proudu
Některá elektronická zařízení vyžadují omezení proudu. Aby toho bylo dosaženo, je do obvodu zabudováno speciální omezovací zařízení, rezistor. Jako spotřebitel, nikoli současný výrobce, efektivně zvládá funkci oddělení napěťových a vstupních (výstupních) vedení. Používá se jako doplněk k aktivním prvkům integrovaných obvodů.
Existuje mnoho typů rezistorů. V závislosti na konstrukci, technických ukazatelích a složení jsou to:
- Lineární. Odpor zůstává konstantní bez ohledu na potenciální rozdíl aplikovaný na takové odpory. Vyznačuje se přímým vedením proud-napětí.
- Nelineární. Odpor závisí na rozdílu v použitém napětí nebo toku proudu. Rezistory tohoto typu nepracují striktně v souladu s Ohmovým zákonem a mají nelineární charakteristiku. Používá se v robotických projektech jako senzory.
- Proměnné. Jsou vybaveny speciální hřídelí, která umožňuje měnit parametry odporu během provozu.
- Trvalý. Parametry v nich nastavené nelze měnit.
- Uhlík. Jádra uvnitř takových rezistorů jsou vyrobena z uhlíku a mají miskovité kontakty. Díky poréznímu tělu jsou citlivé na vlhkost prostředí.
- Film. Vyrábí se nanášením stříkaného kovu na keramický podklad. Vyznačují se vysokou spolehlivostí, proto se úspěšně používají v základních elektronických systémech.
- Drát. Jejich konstrukce se skládá z keramického jádra a drátěného vinutí z různých kovových slitin. Složení slitin závisí na požadované odolnosti. Vykazují stabilní provoz při vysokém výkonu.
- Metal-keramické. K jejich výrobě se používá směs keramiky a pálených kovů. Procento určitých složek určuje úroveň odporu.
- Tavitelné. V běžném provozu fungují jako omezovače. Se zvýšením jmenovitého výkonu fungují jako pojistky, chránící elektrický obvod před zkratem.
- Citlivé na teplo. Mohou dávat kladné i záporné koeficienty v závislosti na kolísání teploty.
- Fotosenzitivní. Hlavním faktorem ovlivňujícím jejich práci je intenzita dopadajícího světelného toku. Čím jasnější světlo, tím nižší je odpor rezistoru.
Pokud jde o rezistory, které během provozu mění odpor, používá se termín jako tolerance, měřeno v procentech. Ukazuje, jak blízko jsou měnící se indikátory jmenovitým hodnotám. Například zařízení s nominálním elektrickým odporem 500Ω a tolerancí 10% může v praxi produkovat hodnoty v rozsahu od 550 do 450Ω.
Začněme konceptem elektřiny. Elektrický proud je uspořádaný pohyb nabitých částic pod vlivem elektrického pole. Volné elektrony kovu mohou působit jako částice, pokud proud protéká kovovým drátem, nebo ionty, pokud proud proudí v plynu nebo kapalině.
V polovodičích je také proud, ale to je samostatné téma k diskusi. Příkladem je vysokonapěťový transformátor z mikrovlnné trouby – nejprve dráty procházejí elektrony, poté se mezi dráty pohybují ionty, nejprve proud prochází kovem a poté vzduchem. Látka se nazývá vodič nebo polovodič, pokud obsahuje částice schopné nést elektrický náboj. Pokud takové částice nejsou, pak se taková látka nazývá dielektrikum, nevede elektřinu. Nabité částice nesou elektrický náboj, který se měří jako q v coulombech.
Jednotka síly proudu se nazývá Ampere a označuje se písmenem I, proud 1 Ampér vznikne, když bodem elektrického obvodu projde náboj 1 Coulomb za 1 sekundu, tedy zhruba síla proudu je měřeno v coulombech za sekundu. A ve skutečnosti je síla proudu množství elektřiny protékající za jednotku času průřezem vodiče. Čím více nabitých částic prochází drátem, tím více proudu.
Aby se nabité částice pohybovaly z jednoho pólu na druhý, je nutné vytvořit mezi póly rozdíl potenciálů nebo – Napětí. Napětí se měří ve voltech a označuje se písmenem V nebo U. Abyste získali napětí 1 Volt, musíte mezi póly přenést náboj 1 C a přitom dělat práci 1 J. Souhlasím, je to trochu nepochopitelné .
Pro názornost si představte nádrž s vodou umístěnou v určité výšce. Z nádrže vychází potrubí. Voda vytéká potrubím pod vlivem gravitace. Nechť je voda elektrický náboj, výška vodního sloupce je napětí a rychlost proudění vody je elektrický proud. Přesněji ne průtok, ale množství vody vytékající za vteřinu. Chápete, že čím vyšší je hladina vody, tím větší je tlak u dna.A čím vyšší tlak u dna, tím více vody vyteče potrubím, protože rychlost bude vyšší.. Obdobně čím vyšší je napětí , tím více proudu poteče obvodem.
Vztah mezi všemi třemi uvažovanými veličinami ve stejnosměrném obvodu definuje Ohmův zákon, který je vyjádřen takovým vzorcem, a zní to tak, že proud v obvodu je přímo úměrný napětí a nepřímo úměrný odporu. Čím větší odpor, tím menší proud a naopak.
Dovolte mi přidat ještě pár slov o odporu. Dá se to změřit, ale dá se to spočítat. Řekněme, že máme vodič, který má známou délku a plochu průřezu. Hranaté, kulaté, cokoliv. Různé látky mají různý měrný odpor a pro náš imaginární vodič existuje takový vzorec, který určuje vztah mezi délkou, plochou průřezu a měrným odporem.
Odpor látek lze nalézt na internetu ve formě tabulek.
Opět můžete nakreslit analogii s vodou: voda protéká potrubím, nechte potrubí mít specifickou drsnost. Je logické předpokládat, že čím delší a užší potrubí, tím méně vody jím proteče za jednotku času. Vidíte, jak je to jednoduché? Nemusíte se ani učit nazpaměť vzorec, stačí si představit dýmku s vodou.
Pokud jde o měření odporu, potřebujete zařízení, ohmmetr. V dnešní době jsou populárnější univerzální přístroje – multimetry, měří odpor, proud, napětí a spoustu dalších věcí. Udělejme experiment. Vezmu kus nichromového drátu známé délky a průřezu, najdu měrný odpor na místě, kde jsem ho koupil, a spočítám odpor. Nyní pomocí přístroje změřím stejný kus. Pro tak malý odpor budu muset odečíst odpor sond mého zařízení, který se rovná 0.8 ohmu. A je to!
Stupnice multimetru je dělena velikostí naměřených hodnot, je to děláno pro vyšší přesnost měření. Pokud chci změřit odpor 100 kΩ, otočím knoflíkem na vyšší nejbližší odpor. V mém případě je to 200 kiloohmů. Pokud chci změřit 1 kiloohm, tak dám na 2 com. To platí pro měření jiných veličin. To znamená, že na stupnici jsou nastaveny meze měření, do kterého se potřebujete dostat.
Pokračujme ve hře s multimetrem a zkusme změřit zbytek studovaných veličin. Vezmu několik různých zdrojů stejnosměrného proudu. Budiž to 12voltový zdroj, USB port a trafo, které vyrobil můj děda v mládí. Napětí na těchto zdrojích můžeme změřit právě teď zapojením voltmetru paralelně, tedy přímo do plusu a mínusu zdrojů. S napětím je vše jasné, dá se vzít a změřit. Ale pro měření síly proudu je potřeba vytvořit elektrický obvod, kterým bude proud protékat. V elektrickém obvodu musí být spotřebič nebo zátěž. Ke každému zdroji připojíme spotřebitele. Kus LED pásku, motor a rezistor (160 ohmů).
Změřme proud tekoucí v obvodech. K tomu přepnu multimetr do režimu měření proudu a přepnu sondu na proudový vstup. Ampérmetr je zapojen do série s měřeným objektem. Zde je schéma, mělo by se také pamatovat a nezaměňovat s připojením voltmetru. Mimochodem, existuje něco jako proudové svorky. Umožňují měřit proud v obvodu bez přímého připojení k obvodu. To znamená, že nemusíte odpojovat dráty, stačí je hodit na drát a měří. Dobře, zpět k našemu obvyklému ampérmetru.
Takže jsem změřil všechny proudy. Nyní víme, kolik proudu je spotřebováno v každém obvodu. Tady svítí LED diody, tady se točí motor a tady . Tak stůj, ale co dělá ten odpor? Nezpívá nám písničky, neosvětluje místnost a neotáčí žádným mechanismem. Za co tedy utratí celých 90 miliampérů? To nepůjde, uvidíme. Hej ty! Ach, ten je žhavý! Takže tam jde energie! Dá se nějak spočítat, jaká je zde energie? Ukazuje se – je to možné. Zákon popisující tepelný účinek elektrického proudu objevili v 19. století dva vědci, James Joule a Emil Lenz. Zákon se nazýval Joule-Lenzův zákon. Vyjadřuje se takovým vzorcem a číselně ukazuje, kolik joulů energie se uvolní ve vodiči, kterým protéká proud, za jednotku času. Z tohoto zákona lze zjistit výkon, který se uvolňuje na tomto vodiči, výkon se označuje anglickým písmenem P a měří se ve wattech.
Na mém stole tak proudí elektrická energie do osvětlení, k provádění mechanické práce a k ohřevu okolního vzduchu. Mimochodem, na tomto principu fungují různé ohřívače, rychlovarné konvice, vysoušeče vlasů, páječky a tak dále. Všude je tenká spirálka, která se vlivem proudu zahřívá.
Tento bod je třeba vzít v úvahu při připojování vodičů k zátěži, to znamená, že v tomto konceptu je také zahrnuto pokládání kabeláže do zásuvek po bytě. Pokud do zásuvky zavedete příliš tenký drát a zapojíte do této zásuvky počítač, varnou konvici a mikrovlnnou troubu, může se drát zahřát až k požáru. Proto existuje taková deska, která spojuje průřezovou plochu vodičů s maximálním výkonem, který projde těmito vodiči. Pokud se rozhodnete vytáhnout dráty – nezapomeňte na to.
Také v rámci tohoto čísla bych rád připomněl vlastnosti paralelního a sériového zapojení současných spotřebičů. Při sériovém zapojení je proudová síla pro všechny spotřebiče stejná, napětí je rozděleno na části a celkový odpor spotřebičů je součtem všech odporů. Při paralelním připojení je napětí na všech spotřebičích stejné, síla proudu je rozdělena a celkový odpor se vypočítá pomocí tohoto vzorce.
Z toho plyne jeden velmi zajímavý bod, kterým lze měřit aktuální sílu. Řekněme, že potřebujete změřit proud v obvodu asi 2 ampéry. Ampérmetr se s tímto úkolem nevyrovná, takže můžete použít Ohmův zákon v jeho nejčistší podobě. Víme, že při sériovém zapojení je síla proudu stejná. Vezměte rezistor s velmi malým odporem a vložte jej do série se zátěží. Změříme na něm napětí. Nyní pomocí Ohmova zákona zjistíme aktuální sílu. Jak vidíte, shoduje se s výpočtem pásky. Hlavní věc, kterou je třeba si pamatovat, je, že tento přídavný odpor by měl být co nejmenší, aby měl minimální vliv na měření.
Je třeba si uvědomit ještě jeden velmi důležitý bod. Všechny zdroje mají maximální výstupní proud, při překročení tohoto proudu se může zdroj zahřát, selhat, v nejhorším případě i vznítit. Nejpříznivější výsledek je, když má zdroj nadproudovou ochranu, v takovém případě proud jednoduše vypne. Jak si pamatujeme z Ohmova zákona, čím nižší odpor, tím vyšší proud. To znamená, že pokud vezmete kus drátu jako zátěž, tedy uzavřete zdroj k sobě, proud v obvodu vyskočí na obrovské hodnoty, tomu se říká zkrat. Pokud si pamatujete začátek vydání, můžete nakreslit analogii s vodou. Pokud do Ohmova zákona dosadíme nulový odpor, dostaneme nekonečně velký proud. V praxi se to samozřejmě nestává, protože zdroj má vnitřní odpor, který je zapojen do série. Tento zákon se nazývá Ohmův zákon pro úplný obvod. Zkratový proud tedy závisí na hodnotě vnitřního odporu zdroje.
Nyní se vraťme k maximálnímu proudu, který může zdroj vyprodukovat. Jak jsem řekl, síla proudu v obvodu určuje zátěž. Mnozí mi psali na VK a ptali se na něco takového, trochu to přeháním: Sanya, mám zdroj 12 voltů a 50 ampérů. Když k tomu připojím malý kousek LED pásku, nespálí se? Ne, samozřejmě to nebude hořet. 50 ampér je maximální proud, který je zdroj schopen dodat. Když k tomu připojíte kus pásky, vezme si to dobře, řekněme 100 miliampérů, a je to. Proud v obvodu se bude rovnat 100 miliampérům a nikdo se nikde nespálí. Jiná věc je, že pokud vezmete kilometr LED pásku a připojíte jej k tomuto zdroji, proud tam bude vyšší než přípustný a zdroj se s největší pravděpodobností přehřeje a selže. Pamatujte, že je to spotřebitel, kdo určuje množství proudu v obvodu. Tento blok dokáže dodat maximálně 2 ampéry a když jej zkratuji na šroub, se šroubem se nic nestane. To se ale nelíbí napájecímu zdroji, funguje v extrémních podmínkách. Pokud ale vezmete zdroj schopný dodávat desítky ampér, šroubovi se tato situace nebude líbit.
Spočítejme si například napájecí zdroj, který bude potřeba k napájení známého segmentu LED pásku. Koupili jsme tedy cívku LED pásku od Číňanů a chceme napájet tři metry právě tohoto pásku. Nejprve přejdeme na stránku produktu a pokusíme se zjistit, kolik wattů spotřebuje jeden metr pásky. Nemohl jsem najít tyto informace, takže existuje takový znak. Podívejme se, jaký druh pásky máme. Diody 5050, 60 kusů na metr. A vidíme, že výkon je 14 wattů na metr. Chci 3 metry, takže výkon bude 42 wattů. Napájecí zdroj je vhodné brát s rezervou 30% z hlediska výkonu, aby nefungoval v kritickém režimu. Výsledkem je 55 wattů. Nejbližší vhodný zdroj bude 60 wattů. Z výkonového vzorce vyjádříme aktuální sílu a najdeme ji s vědomím, že LED diody pracují při napětí 12 voltů. Ukazuje se, že potřebujeme blok s proudem 5 ampér. Jdeme třeba do Ali, najdeme, nakoupíme.
Při výrobě jakýchkoli USB domácích produktů je velmi důležité znát aktuální spotřebu. Maximální proud, který lze z USB odebrat, je 500 miliampérů a je lepší jej nepřekračovat.
A na závěr něco málo o bezpečnosti. Zde můžete vidět, do jakých hodnot je elektřina považována za neškodnou pro lidský život.
