Teoria obwodów

W ostatnim artykule opisałem oddziaływanie napięcia i rezystancji na przepływ prądu w obwodzie, czyli tzw. Prawo Ohma. Czym właściwie jest obwód elektryczny i jakie warunki musi spełniać aby mógł funkcjonować w prawidłowy sposób.? W poniższym tekście postaram się przedstawić zagadnienia związane z obwodami elektrycznymi.

Sygnały oraz zasilanie 

 

Każde źródło napięcia posiada różnicę potencjałów, która umożliwia przepływ ładunku (elektronów) dążąc do ich wyrównania. Gdy połączymy przewodami kilka elementów w taki sposób, że prąd może przez nie popłynąć i wrócić do punktu wyjścia( z potencjału wyższego do niższego) uzyskamy obwód. Tak więc, gdy elektrony znajdą inną drogę niż ta określona przez projektanta urządzenie nie będzie funkcjonowało poprawnie. Prąd przepływa niczym woda w przyrodzie tzn. zawsze znajduje najłatwiejszą drogą. Serwisant naprawiający sprzęt tropi w urządzeniu przejścia sygnałów między poszczególnymi blokami czy znajdują się w miejscach których powinny lub czy w ogóle występują oraz stan zasilania w poszczególnych miejscach.

Na rysunku poniżej przedstawione są rodzaje zmienności prądu w czasie:

  • tętniący– występuje po wyprostowaniu napięcia przemiennego mostkiem prostowniczym z równolegle podpiętym kondensatorem
  • stały– napięcie zostaje dokładnie odfiltrowane i ustabilizowane np. za pomocą diody Zenera do stałej wartości np. 5V
  • przemienny– prąd zmienia swoją wartość okresowo w sposób powtarzalny
  • zmienny– wartość natężenia prądu zmienienia się w sposób dowolny

 

źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Prąd_zmienny#/media/File:Zmienno%C5%9B%C4%87_pr%C4%85du_by_Zureks.svg

Sygnałem nazywamy odpowiednią zmianę napięcia lub prądu w czasie, w których jest ulokowana jakaś informacja. Wyróżniamy dwie podstawowe możliwości przesyłania danych:

  1. Technika cyfrowa- uznaje tylko dwa stany jest napięcie lub go nie ma np. 0V lub 5V. Inne stany napięcia takie jak 4.234V nie jest odbierany lub wysyłany przez różne układy jako informacja. Tak więc sygnały przyjmują charakter prostokątny z ostrymi zboczami. Dane tworzą bity, które przyjmują wartość 1 (jest napięcia) i 0 (brak napięcia).
  2. Technika analogowa- wszystkie zmiany sygnału są pewny rodzajem informacji np. sygnał radiowy trafiający na antenę radioodbiornika. Zmiana napięcia lub częstotliwości w czasie jest odpowiednio odczytywana przez odbiornik i przetwarzana do uzyskania odpowiednich danych.

Na fotografii przedstawiono obie techniki. Sygnał cyfrowy (kolor niebieski) ma wartości 0 i 1 a wartość informacji jest ulokowana w 4-ro bitowej liczbie. Natomiast zmienny sygnał analogowy (kolor czerwony) przyjmuje nieskończenie wiele wartości, których nie da się wszystkich zapisać cyfrowo. Zdjęcie to głównie przedstawia działanie przetwornika analogowo-cyfrowego , czyli tzw. kwantyzację.

Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Sygnał_analogowy#/media/File:4-bit_resolution_analog_comparison.png

 

Sygnały cyfrowe dominują nad analogowymi dzięki dużej odporności na zakłócenia, możliwość zapisu i przetwarzania oraz mniejszej budowie układów. Mimo to często wykorzystuje się układy analogowe ze względu na dużą wiarygodność odbieranego lub wysłanego sygnału. Jako przykładu można użyć oscyloskopu analogowego nie posiada pamięci, nie przetwarza i wylicza parametrów, ale sygnał jest w pełni wiarygodny z tym podanym na wejście przyrządu. Natomiast cyfrowy umożliwia zapamiętanie, wyliczenie wielu parametrów jest sporo mniejszy niemniej jednak sygnał po przejściu przez wzmacniacz jest próbkowany i zakodowany w liczbę zero- jedynkową i skierowany do innych bloków, ostatecznie trafiając na ekran LCD, który też posiada swoje ograniczenia cyfrowe, czyli rozdzielczość. W urządzeniach często stosuje się obydwie techniki tak aby wykorzystać do maksimum zalety każdej z nich tworząc urządzenie lepszym.

Wracając jednak do omawiania obwodów można wyróżnić bardzo wiele rodzajów, których nie sposób opisać od A do Z. Obwody wykorzystujące prąd stały DC (Direct Current) mają określoną biegunowość (polaryzację). Biegun dodatni (+) często jest oznaczony kolorem czerwonym natomiast czarnym przewodem jest utożsamiony biegun ujemny (-). W układach tych niepożądanym efektem jest odwrócenie polaryzacji, gdyż może wywołać bardzo złe skutki uszkadzając obwody projektu. W układach zasilanych napięciem stałym najważniejszym czynnikiem jest stabilność źródła zasilania. W czasie pracy urządzenia natężenie prądu często zmienia wartość a co za tym idzie również obciążenie źródła energii. Zmieniający się prąd w obwodzie powinien powodować jak najmniejsze tętnienia napięcia. Natomiast prąd zmienny AC ( Alternating Current)  cechuje to, że  jest zmieniana jego polaryzacja o konkretnej liczbie okresów w jednostce czasu, czyli częstotliwości.(fotografia 1) Taki rodzaj zasilania jest obecny w gniazdkach pochodzący z sieci elektrycznej (230V i częstotliwości 50Hz). Główną zaletą prądu przemiennego jest możliwość przetwarzania napięcia i prądu z dużą sprawnością za pomocą urządzania nazywanego transformatorem. Również straty cieplne są dużo mniejsze dlatego, więc stosuje się go w energetyce do przekazywania energii na spore odległości.

Schematy elektryczne

Niezależnie od rożnych wyżej opisanych źródeł zasilania oraz sygnałów podstawą działania projektowanych urządzeń są odpowiednio połączone elementy tworzące obwód elektryczny. W pierwszym artykule posłużyłem się obwodem z trzema elementami: wyłącznikiem, diodą LED oraz rezystorem. Są one połączone w określonej konfiguracji. Wyróżniamy dwa sposoby łączenia elementów obwodu elektrycznego : szeregowo oraz równolegle.

Na screenie przedstawiłem przykładowy obwód z szeregowym połączeniem:

Źródłem zasilania jest bateria 9V do, której podłączono szeregowo rezystor a za nim trzy diody LED. Elektrony popłyną od plusa zasilania najpierw przez opornik następnie przez LED-y do minusa baterii. Rezystor wynosi 330Ω , gdyż R= (9V – 2,2V) : 0,02A = 340Ω zapewnia prawidłowe napięcie oraz prąd w obwodzie (patrz tutaj). Jak przedstawia tabelka z danymi prąd 0,02A, czyli 20mA płynie tylko jedną ścieżką tak więc jest identyczny dla R1, D1, D2, D3. Natomiast napięcie 9V baterii jest rozłożone na wszystkich czterech elementach obwodu. Można powiedzieć, że każdy z nich „zużywa” energię powodując tzw. spadek napięcia. Ich suma będzie zawsze równa napięciu źródła zasilania w przybliżeniu, gdyż przewody łączące te elementy również posiadają niewielką rezystancje tak więc też powodują pewien spadek napięcia. Na poniższym rysunku jest oznaczony literką U i ma zwrot przeciwny do płynącego prądu w obwodzie.

http://elektroniczny.eu/prawo-ohma/

Spójrz teraz na obwód z elementami połączonymi w sposób równoległy:

 

Natężenie prądu popłynie już nie tylko jedną drogą jak w połączeniu szeregowym, lecz przez trzy trasy R1, R2, R3 oraz podpięte za nimi diody LED łączące obwód z masą (patrz słownik elektronika). Zauważ, że wykorzystałem rezystory 330Ω, 3,3kΩ, 33kΩ, a więc opór R1 jest dziesięć razy mniejszy od R2 i 100 Razy od R3. Prąd R1 ma 25mA, R2 wynosi 2,5mA natomiast R3 równa się 0,25 mA. Wartości te pokazują ogromne zalety prawa Ohma dla obliczeń obwodów elektrycznych. Im większa rezystancja tym mniejsze natężenie prądu. Można powiedzieć, że prąd jest bardzo leniwy i popłynie zawsze łatwiejszą drogą. To właśnie jest powodem niedziałania niektórych urządzeń i nieprzyjemnego zapachu 🙂 . Niekiedy ta cecha jest bardzo pożądana i często się z niej korzysta zwłaszcza w technice analogowej.

UWAGA! : Spadki napięć na diodach wynoszą ok. 0,7 V, gdyż w używany prze zemnie program LTspice do symulacji obwodów nie posiada  lampki LED tak więc zachowuje parametry typowej diody półprzewodnikowej.

W elektronice podobnie jak z techniką cyfrową i analogową wykorzystuje się obwody szeregowe i równoległe tworząc w ten sposób różne konfiguracje.

Prąd rezystorów o wartości 330Ω i ich diod LED jest ograniczony przez opór R1 i R5, które są połączone szeregowo za źródłem napięcia.

Myślę, że udało mi się w przyzwoity sposób omówić to co spotyka każdy elektronik na starcie z tworzeniem ciekawych i pożytecznych układów. Obranie opisanej koncepcji w moim przypadku zaoszczędziło mi dużej straty czasu oraz nerwów. Skoro napisałem już na temat obwodów i ich właściwości w następnym artykule postaram się przedstawić podstawowe elementy, które wchodzą w ich skład.

 

 

 

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *