Na pierwszy ogień – czyli podstawy elektrotechniki i elektroniki dla początkujących.

Długo zastanawiałem się w jaki sposób mam podzielić się z Wami swoimi doświadczeniami z tą, jakże piękną dziedziną jaką jest elektronika. Postanowiłem, że zacznę od kluczowych zagadnień , czyli podstaw elektrotechniki i elektroniki.

Prawo Ohma –najważniejsze prawo elektronika

Każdy kto w praktyce zetkną się z tą dziedziną, jego pierwsze wspomnienia mogą być nienajlepsze. Wielu z Was drodzy czytelnicy przypomina sobie pierwszą klasę technikum o tym profilu. Ja również nie mam dobrych wspomnień z pierwszych kilku lekcji Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki. Nasiekane już od samego początku dziwnymi wzorami ( z kosmosu) zawierającymi wiele niezrozumiałych liter greckich itd. To powodowało, że w głowach wielu początkujących pojawiał się mętlik. W artykule tym postaram się pokazać, że elektronika nie jest taka straszna jak może się wydawać. Po prostu wystarczy nabrać odpowiedniego podejścia i na własny sposób poznawać tę dziedzinę. Na sam początek warto zrozumieć Prawo Ohma- absolutną podstawę i elektrotechniki i elektroniki, którego treść brzmi tak:

„Napięcie(U) mierzone na końcach przewodnika o rezystancji (R) podczas przepływu prądu(I) jest równe iloczynowi rezystancji i prądu.”

U= I*R

Jest to  podstawa, którą trzeba znać o każdej porze dnia i nocy. Pojęcie to można umieć , ale jak to zrozumieć i z powodzeniem wykorzystać. Moją metodą podczas zajmowania się elektroniką np. obwodami sterowania, zasilania itp. jest  wykorzystywanie analogi ze zawodem hydraulika. Tak, wcale nie żartuję. Te dwie znacznie różniące się dziedziny wbrew pozorom są bardzo podobne. Przepływ wody jest analogiczny do przepływu prądu w zamkniętym obwodzie. Podstawowa, różnica polega jednak na tym, że przepływającą wodę można w zobaczyć i zlokalizować np. pękniętą rurę. Natomiast przepływu elektronów nigdy nie zobaczymy gołym okiem. Wyobraźmy sobie dwie rzeki : mały potok oraz wielką rzekę i to po kilkudniowych intensywnych opadach deszczu. W pierwszym przypadku przepływa niewiele wody (ilość prądu)  w jednostce czasu, nurt rzeki (napięcie) jest niewielki. Tak samo działają układy elektroniczne o niskim napięciu np. zwykłe latarki LED na baterię , pobierające niewiele prądu mające niskie napięcie zasilające. W drugim przykładzie ilość energii jest bardzo duża, a przepływ wody (prądu) powoduje duże szkody jak np. zerwane mosty. Takim przykładowym urządzeniem może być piecyk elektryczny, który potrzebuje dużo energii elektrycznej. Wróćmy jednak do podstawowego prawa elektryczności analizując go na hydraulicznym odpowiedniku. Przeanalizuj poniższy rysunek:

Model hydrauliczny

W zbiorniku pierwszym znajduje się spora ilość wody. Za zbiornikiem znajduje się  rurka z zaworem oraz miernik przepływu ilości cieczy. W obwodzie  jest także turbina i pusty zbiornik nr 2 na przepływającą ciecz. Gdy otworzymy zawór duże ciśnienie spowoduje przepływ wody, wskazówka wody podniesie się w górę. Na łopatki zacznie działać ciśnienie i jego siła spowoduje obracanie wirnika, a więc będzie wytwarzana energia mechaniczna, którą można wykorzystać. Jednak poziom wody w  zbiorniku pierwszym będzie spadał i przepływ wody nie będzie już tak intensywny. A jeśli zamienilibyśmy średnice rurek na mniejsze oczywiste jest, że słup wody będzie generował duże ciśnienie powodując nacisk na ścianki rurki niemniej jednak ilość przepływającej wody w jednostce czasu  będzie ograniczona ich zwężeniem. Na podstawie opisanej sytuacji oczywiste jest, że im większe ciśnienie, tym  więcej wody płynie oraz cieńsza rurka ogranicza ilość przepływu wody, lecz zwiększa ciśnienie.  Teraz spójrzmy na rysunek poniżej:

Schemat obwodu elektrycznego

                                                                                                                                        

Spróbujmy porównać go z hydraulicznym odpowiednikiem. Mamy  źródło zasilania, czyli baterię (zbiornik), wyłącznik (zawór), miernik przepływającego prądu tj. amperomierz (wodomierz). Dalej mamy rezystor ograniczający prąd (rurki), diodę (turbinę), która zmienia energię elektryczną na świetlną oraz połączony z nią równolegle woltomierz mierzący napięcie. Przełączenie wyłącznika w pozycję ON spowoduje zamknięcie obwodu (dokładnie jak odkręcenie zaworu) dioda  zacznie świecić natomiast amperomierz wskaże przepływ prądu. Na odbiorniku odłoży się napięcie co zaobserwujemy na woltomierzu. Prąd będzie płynął od plusa do minusa aż do rozładowania baterii (brak wody w zbiorniku 1). W tak wykonanym obwodzie elektrycznym powstały pewne zależności, które tworzą następujące wielkości elektryczne:

  • Unapięcie, jego hydraulicznym odzwierciedleniem jest ciśnienie wody w zbiorniku. I wyższe tym większy przepływ prądu natomiast, gdy ma wartość równą zero prąd nigdy nie popłynie. Jednostką jest Volt[V]
  • Inatężenie prądu w modelu hydraulicznym utożsamia się jako ilość przepływającej wody w jednostce czasu co w elektrotechnice jest równoznaczne z przepływem ilości elektronów w danym czasie przez dowolny przekrój przewodnika. Jego wartość ściśle zależy od wartości napięcia oraz rezystancji. Jednostką jest Amper[A]
  • R- rezystancja ,która utożsamia się z grubością rurek przez które przepływa woda z rysunku nr 1. Ma duży wpływ na wartość natężenia prądu w obwodzie. Im większa wartość (cieńszy przekrój rurki), tym mniejszy prąd płynący w obwodzie. Jej wartość zależy od rodzaju materiału (przewodnika) przez, który przepływa prąd. Jednostką rezystancji jest Om[Ω].

Więc wzór:

                                                                      U=I*R

ma sens , gdyż po przekształceniu go otrzymujemy:

                                                                      I= U/R

Widać, że natężenie prądu będzie rosło, gdy wzrośnie napięcie U i zmaleje przy większej rezystancji R. Porównując to do modelu hydraulicznego wyobraźmy sobie, że wąż do słuchawki prysznicowej ma grubość wkładu długopisu. Nie ma opcji nawet o porządnym prysznicu przy takim sprzęcie. Dodatkowo ciśnienie w instalacji spowodowało by zapewne uszkodzenie takiego węża.Dokładnie tak samo działają obwody, które tworzymy. Wróćmy jednak do powyższego wzoru. Daje nam on  bardzo dużo mianowicie możemy dostosować napięcie i prąd do danych odbiorników, które znajdują się w naszym obwodzie np. dioda świecąca LED. tak aby działały bez zarzutu. Spójrzmy na rysunek nr.2 ze schematem obwodu. Źródło zasilania (bateria, zasilacz) ma stałe napięcie ok. 9 V natomiast nasza  lampka ma maksymalne napięcie ok. 2,5 V. Tak więc wyższe napięcie spowoduje według wzoru I= U/R przepływ zbyt dużego prądu i efektowne spalenie lampki. Jednak ” grzebiąc” w Prawie Ohma możemy wyłuskać wzór:

                                                                     R= U/I

Daje nam nic innego jak możliwość ograniczenia, a raczej dopasowanie odpowiedniego prądu do wymagań konkretnego obwodu. Niekiedy również ustalimy napięcie na odbiorniku. Umożliwi to podany poniżej wzór:

R=(U zasilania – U odbiornika)/I

Dla przykładu z rys.2 maksymalny prąd diody LED wynosi ok. 30 mA(0,03 A), a napięcie równe 2,5 V otrzymujemy :

Taki rezystor skutecznie ograniczy nam prąd co przedstawię w ćwiczeniu praktycznym o prawie Ohma i dowiesz się drogi czytelniku, że ono działa i co ważne umożliwia ożywienie wszystkiego co  tylko przewodzi prąd i jest zasilone. Wystarczy, że dysponujemy dwoma  wielkościami  to możemy wyliczyć trzecią. Kiedy trafisz na układ, który nie działa mimo, że jest odpowiedni poziom napięcia prawdopodobnie występuje przerwa w obwodzie, czyli rezystancja jest nieskończenie wielka co potwierdza podany wyżej wzór na natężenie  prądu. Z prądem jest dokładnie jak z wodą, popłynie wszędzie gdziekolwiek się da i tam, gdzie jest to najłatwiejsze. Zwróć uwagę, że jest to bardzo mała wartość. Nie będzie to dla Ciebie nic dziwnego kiedy poznasz wzór na moc elektryczną. Obecnie producenci urządzeń walczą między sobą o jak najmniejszy pobór prądu. Amper to bardzo duża jednostka dla urządzeń zasilanych bateryjnie natomiast w energetyce to mała, wręcz znikoma wartość.

Na zakończenie muszę wspomnieć o tak zwanej rezystancji wewnętrznej źródła zasilania. Jak wiesz w naszym świecie nie istnieje nic idealnego. Każda bateria posiada oprócz czystego napięcia, ograniczenie prądu co widać na poniższym rysunku.

Rezystancja wewnętrzna baterii

Rezystancja wewnętrzna jest główną wadą baterii o której trzeba pamiętać. Przy zwarciu „+” z „-” popłynie prąd ograniczony tą rezystancją, jednak nie warto tego robić bo rozładowuje się bateria. Im mniejsza wartość, tym większy prąd można pobrać do zasilania odbiorników, zwykle nie jest ona duża i zależy od wielu czynników.

Podsumowanie

Reasumując prąd nigdy nie popłynie jeśli nie będzie napięcia! Natomiast obecność napięcia nie gwarantuje przepływu prądu. Powodem tego stanu rzeczy jest wartość rezystancji. Podejrzewam, że w przeszłości trafiłeś na urządzenia, które mimo napięcia (np. nowe baterie  nie działało). Częstą przyczyną jest przerwany obwód, czyli bardzo duża rezystancja np. urwany kabelek z koszyka na baterie został odizolowany powietrzem, które nie przewodzi prądu elektrycznego.

Myślę, że udało mi się Wam drodzy czytelnicy w prosty sposób wyjaśnić teorię funkcjonowanie obwodów elektrycznych konkretnie prawa Ohma. Dla elektronika skomplikowane wzory i teorie, prócz tych konkretnych  nie wiele pomagają podczas projektowania czy  naprawiania urządzeń. W moim przypadku, to dużo praktycznych ćwiczeń i konstruowanie różnych „wynalazków” pomogło mi w opanowaniu podstaw. Wbrew opiniom elektronika to nie „czarna magia” , lecz dawno opracowane i zbadane prawa przez geniuszy. W następnym artykule opiszę symbole i obwody elektryczne, które z pewnością napotkasz podczas podróży w świat elektroniki. Zachęcam Cię do sprawdzenia zakładki ĆWICZENIA, gdzie przedstawiłem działanie Prawa Ohma wykorzystując schemat z rysunku nr.2

Dodaj komentarz

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