Ta strona używa ciasteczek (plików cookies), dzięki którym może działać lepiej. Dowiedz się więcejRozumiem i akceptuję

Kurs elektroniki – #1 – napięcie, prąd, opór, zasilanie

Elektronika Podstawy 03.03.2015 Futrzaczek

Elektronika jest nauką, na której bazuje niemała część otaczającego nas świata. Stąd pomysł na darmowy kurs elektroniki dla początkujących!

Zwłaszcza w kontekście robotyki, poznanie podstawowych zasad, którymi się rządzi, jest bardzo cenne – wszak elektronika stanowi w robotach „most” między programem, a mechaniką.

Nawigacja serii artykułów:
« poprzednia częśćnastępna część »

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Zaczynajmy! Pierwsza część, z konieczności, bardziej teoretyczna od kolejnych, więc proszę się nie zniechęcać! Podstawowe pojęcia najlepiej opanować na samym początku.

Kurs elektroniki – Część 1

Elektronika bazuje na fizyce, dlatego zasady w niej obowiązujące są jednoznaczne i – póki co – niepodważalne. Pierwszą fundamentalną rzeczą jest zrozumienie trzech podstawowych pojęć:

  1. napięcia,
  2. prądu,
  3. oporu.

Napięcie

Napięcie jest miarą siły z jaką nośniki ładunku elektrycznego chcą się do siebie zbliżyć. Jest to pewne uproszczenie, ale oddające postać rzeczy. Im większe napięcie, tym większa jest ta siła. Jeżeli napięcie jest zerowe, wówczas tej siły nie ma. Proste, prawda?

Zapamiętaj! Napięcie zawsze jest mierzone między dwoma punktami.

Jednostką napięcia jest wolt, symbol V. Napięcie może być: stałe lub zmienne. Robotycy operują przede wszystkim na napięciach stałych, ponieważ wszelkiego rodzaju baterie i akumulatory wytwarzają wyłącznie takie napięcie. Drugi rodzaj – napięcie zmienne – ma bardziej złożoną naturę i nie będzie tu szerzej opisywane. Na ten moment wystarczy powiedzieć, że napięcie stałe nie zmienia się wraz z upływem czasu, a zmienne – owszem.

Prąd

Jeżeli między dwoma punktami istnieje napięcie, to, po umożliwieniu nośnikom przepływu z jednego punktu do drugiego, zacznie płynąć prąd. Prąd będzie tym większy, im więcej nośników przepłynie przez połączenie w jednostce czasu, czyli, mówiąc prościej, jest to miara szybkości ich przepływu.

Zapamiętaj! Prąd – przeciwnie niż napięcie – określa się w jednym punkcie.

Jednostką natężenia prądu jest amper, symbol A. Prąd może być – podobnie jak napięcie – stały lub zmienny, ale w obrębie tego kursu będziemy się zajmować wyłącznie prądem stałym.

Poniższa grafika przedstawia sposób pomiaru napięcia oraz prądu w układzie. Więcej informacji na ten temat znajdziesz w kolejnych częściach kursu. Teraz zwróć jedynie uwagę, że pomiar prądu wymaga przerwania obwodu w jednym miejscu. Informacje, jak czytać proste schematy znajdziesz w artykule: Czytaj schematy, jak doświadczony elektronik.

Sposoby pomiaru napięcia oraz prądu.

Sposoby pomiaru napięcia oraz prądu.

Pamiętaj, że podstawą w zrozumieniu elektroniki jest praktyka. Nie będziesz umiał wykorzystać zdobytej tu wiedzy, jeśli nie wykonasz ćwiczeń z kursu.

Zestaw elementów do przeprowadzenia ćwiczeń

Gwarancja pomocy na forum dla osób, które kupią poniższy zestaw!

Zestaw ponad 90 elementów do przeprowadzenia wszystkich ćwiczeń z kursu dostępny jest u naszych dystrybutorów już od 47zł!


Kup w Botlandzie »

Opór (inaczej: rezystancja)

Na podstawie poprzednich akapitów można wysnuć następujący wniosek: jeżeli nośniki chcą przeskakiwać z jednego punktu do drugiego (napięcie), a umożliwienie im tego spowoduje ich przepływ, to co w zasadzie miałoby ograniczać ich szybkość (natężenie prądu)? Tutaj do gry wchodzi trzeci fundamentalny czynnik, czyli rezystancja, zwana również oporem.

Typowo, opór jest cechą danego podzespołu (w uproszczeniu), która wynika z jego właściwości nadanych fabrycznie, wynikających z właściwości fizycznych wykorzystanych materiałów.

Jednostką rezystancji (lub oporności, w dalszych artykułach pojęcia te będą stosowane zamiennie) jest om, symbol Ω (wielka litera omega), niekiedy w Internecie zamiast niej stosuje się om, ohm lub R. Należy mieć to na uwadze, bo w tej materii panuje nieporządek.

Zasilanie – zasady

Aby budowany układ elektroniczny mógł zadziałać, trzeba podłączyć do niego źródło energii elektrycznej, czyli źródło napięcia. Co ważne, napięcie, które oferuje na swoich zaciskach źródło (np. bateria) powinno znajdować się w zakresie akceptowalnym przez zasilany układ. Nigdy bowiem nie zdarzy się tak, że napięcie zasilania będzie idealnie równe potrzebnemu – dlatego zawsze określa się przedział.

Podłączenie do układu napięcia wyższego niż zalecane, może spowodować jego bezpowrotne zniszczenie. W przypadku napięcia zbyt niskiego, układ prawdopodobnie zadziała błędnie albo wcale.

Ponadto, po podłączeniu układu do źródła napięcia, będzie on z niego pobierał jakiś prąd. Jego wartość powinna być znana (chociażby zgrubnie) przed dołączeniem. Można się tutaj posłużyć intuicją: próba zasilenia dużego silnika z małej bateryjki nie zakończy się powodzeniem, do takich zadań służą duże akumulatory (np. samochodowe). Stąd wynika ważny fakt:

Wydajność prądowa źródła zasilania (prąd, jakie może ono „oddać”) powinien być większy niż prąd, jaki będzie pobierał układ.

Nie należy się martwić, jeżeli źródło może oddać prąd wielokrotnie większy niż jest potrzebny układowi – jeżeli napięcie jest odpowiednie, to pobierze on tylko tyle, ile potrzebuje.

Czym zasilać?

Początkującym zaleca się zasilanie swoich urządzeń przede wszystkim z różnorakich baterii lub akumulatorów. Dysponują one na swoich zaciskach niskimi napięciami, dlatego ryzyko porażenia jest zminimalizowane. Pisanie o porażeniu może wydawać się na wyrost, ale naprawdę nie można go lekceważyć. Prąd elektryczny to olbrzymia siła, wobec której należy mieć dużo pokory i doświadczenia, w przeciwnym razie może się to skończyć naprawdę tragicznie.

W niniejszym cyklu artykułów do doświadczeń będzie wykorzystywana bateria o napięciu 9V – to w zupełności wystarczy do wielu zastosowań.

Baterie mają jeszcze jedną cechę, która tutaj jest pożądana: ich wydajność prądowa nie jest duża, dlatego omyłkowe zwarcie nie musi grozić katastrofą. Ponadto, szybko się wtedy wyczerpują ograniczając jednocześnie prąd.

Bateria 9V, autor: „Duracell 9 Volt 0849” przez Ashley Pomeroy – praca własna. Licencja CC BY 3.0 przez Wikimedia Commons.

Zwarcie baterii należy usunąć możliwie szybko, najlepiej przerywając obwód! Zwarta bateria silnie rozgrzewa się, co może prowadzić do wycieku z niej szkodliwych substancji.

Inną opcją jest używanie regulowanego zasilacza warsztatowego. Musi to jednak być urządzenie posiadające regulowane ograniczenie prądowe (w przeciwnym razie, może dojść do zniszczenia układu gdyby znajdował się w nim błąd) oraz wykonane fabrycznie, zgodnie z odpowiednimi normami bezpieczeństwa.

Używanie różnorakich niesprawdzonych wynalazków może skończyć się bardzo niebezpiecznie!

Do wielkich zalet zasilacza z pewnością należy fakt, że nie rozładowuje się. Jest jednak stosunkowo drogi – przyzwoity zasilacz to wydatek 150-300zł zależnie od wbudowanych opcji.

O elementach elektronicznych

Dowiedziałeś się już, co to jest prąd, napięcie, rezystancja i jak tę wiedzę można wykorzystać podczas eksperymentów. Ponieważ artykuł ten dotyczy podstaw elektroniki, należy przejść teraz do sklasyfikowania podstawowego „materiału budulcowego”, czyli elementów elektronicznych.

Mianowicie, elementy można podzielić na dwie grupy: czynne i bierne.

Elementy bierne nie są w stanie wytwarzać energii elektrycznej ani zmieniać swoich parametrów pod wpływem innych parametrów w obwodzie (napięcia czy prądu). Ich jedynym zadaniem jest jej magazynowanie (cewka, kondensator) lub po prostu „tracenie” (rezystor).

Elementy czynne, to takie, które wytwarzają energię elektryczną lub są w stanie zmieniać swoje parametry, zależne od przyłożonego do nich prądu i/lub napięcia. Do tej grupy należą, przede wszystkim, źródła zasilania (baterie) oraz tranzystory i układy scalone.

Po lewej stronie: elementy bierne, jak kondensatory, cewka i rezystor. Po prawej stronie: elementy aktywne, czyli tranzystory i układy scalone.

Po lewej stronie: elementy bierne, jak kondensatory, cewka i rezystor.
Po prawej stronie: elementy czynne, czyli tranzystory i układy scalone.

Wbrew pozorom, taka klasyfikacja nie jest jedynie sztucznym, teoretycznym tworem, ma ona duże znaczenie praktyczne. Pozwala na rozdzielenie podzespołów biorących udział w przetwarzaniu prądów lub napięć od tych, które im towarzyszą.

Patrząc na tę klasyfikację można stwierdzić, że elementy bierne, a w szczególności rezystory, które potrafią jedynie zużywać cenną energię, są zbędne. Mam nadzieję, że wraz z kolejnymi częściami kursu przekonasz się, jak bardzo mylne jest to podejście.

Podsumowanie

W pierwszej części omówiono jedynie wstępne pojęcie, które wykorzystywane będą we wszystkich kolejnych artykułach. Pytajcie w komentarzach, jeśli na ten moment coś nie jest jasne. W ramach zadania domowego warto zapoznać się z poniższym artykułem:

Czytaj schematy, jak doświadczony elektronik

Jeśli szukasz książek, które mogę przydać się do uzupełnienia wiedzy zawartej w kursie zwróć uwagę na następujące pozycje:

  1. Elektronice dla bystrzaków
  2. Przygodzie z elektroniką

W kolejnej części zajmiemy się pierwszymi elementami – rezystorami. Po raz pierwszy użyjemy również uniwersalnego miernika cyfrowego. Listę niezbędnych elementów znajdziesz w niedawno opublikowanej zapowiedzi kursu. Nie chcesz przegapić kolejnych części kursu? Skorzystaj z poniższego formularza i zapisz się na powiadomienia o nowych artykułach!

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Pamiętaj, że podstawą w zrozumieniu elektroniki jest praktyka. Nie będziesz umiał wykorzystać zdobytej tu wiedzy, jeśli nie wykonasz ćwiczeń z kursu. W każdym kolejnym artykule wykorzystywana jest wiedza z poprzedniego.

Komplet elementów niezbędnych do przeprowadzenia wszystkich ćwiczeń jest dostępny w Botlandzie. Zakup zestawów wspiera kolejne publikacje na Forbocie! Co więcej, gwarantujemy pomoc na forum dla osób, które kupią te zestawy!

Zachęcam do komentowania,
Michał Kurzela

Powiadomienia o nowych, darmowych artykułach!

Komentarze

Bobby

14:49, 03.03.2015

#1

Warto dodać informację, że bateria 9V stosowana w kursie nie nadaje się absolutnie do zasilania silników, ma strasznie mizerną wydajność prądową (co jest spowodowane przez rezystancję wewnętrzną - może też o tym warto wspomnieć).

Treker
Administrator

16:25, 03.03.2015

#2

Bobby, masz racje. Tutaj akurat zabrakło tej informacji. Pojawia się w dalszych, bardziej zaawansowanych częściach kursu. Tak jak pisałem kurs nie zakłada tworzenie działających urządzeń. Jego zadanie to jedynie przedstawienie elementów, podstawowych praw i pomierzenie najważniejszych wartości. Stąd zasilanie z 9V - tanie rozwiązanie, które pozwala na zaobserwowanie tego, co najważniejsze :)

Bobby

21:36, 03.03.2015

#3

Rozumiem całkowicie ideę zastosowania baterii 9V, tylko tak na wszelki wypadek umieściłbym tam te informację - w końcu to forum o robotach, a roboty mają silniki :P

Marooned

21:42, 20.03.2015

#4

O proszę. Futrzaczek często pojawia się przed mymi oczyma jak przeglądam Elektronikę dla Wszystkich. Znak rozpoznawczy: "Futrzaczek" na PCB :)

MaciejLisCK

11:00, 18.08.2015

#5

Dziękuję bardzo za artykuł, myślę, że dobrze by było napisać czym jest wydajność prądowa skoro jest o niej mowa w artykule.

Treker
Administrator

9:01, 19.08.2015

#6

MaciejLisCK, dzięki za uwagę, myślę, że w dalszych częściach kursu się to powoli rozjaśnia. Czy Twoja propozycja dotyczy całości, czy tylko do tej części?

Mellon

9:16, 22.09.2015

#7

Warto byłoby dodać krótkie definicje parametrów oraz ich wartości liczbowe dla przykładowych elementów

Treker
Administrator

10:35, 22.09.2015

#8

Mellon, to dopiero pierwsza lekcja, ciężko o wartości i przykłady, gdy czytelnik nie zna elementów. Ich opisy pojawiają się później i wtedy robione są konkretne pomiary oraz obliczenia.

Treker
Administrator

13:06, 15.11.2015

#9

Już niedługo rusza kolejny poziom kursu!

Tym razem omówione zostaną kolejne elementy, dzięki którym, zbudujemy razem jeszcze więcej praktycznych projektów. Więcej informacji »

robot123HIOT

18:50, 25.01.2016

#10

Futrzaczek i panie administratorze czy mógłbym wykorzystać na forobcie informacje na moim mini blogu oczywiście dam też linki do forbota

Treker
Administrator

19:52, 25.01.2016

#11

robot123HIOT, w takich sprawach proszę o kontakt na PW, ze wskazaniem o jakie informacje konkretnie chodzi.

dawiddo

10:51, 22.03.2016

#12

Witam, już mówię że jestem całkiem zielony z elektroniki i proszę o wytłumaczenie mi jednej kwesti. Głównie chodzi mi o oporniki w ogóle nie rozumiem ich zastosowania skoro pisze że:

Cytat:

Nie należy się martwić, jeżeli źródło może oddać prąd wielokrotnie większy niż jest potrzebny układowi – jeżeli napięcie jest odpowiednie, to pobierze on tylko tyle, ile potrzebuje.

No to moje pytanie po co te oporniki np na led skoro według tego co napisane pobiorą sobie tyle prądu ile potrzebują?

Z góry dziękuje za odpowiedź

Treker
Administrator

10:59, 22.03.2016

#13

dawiddo napisał/a:

jeżeli napięcie jest odpowiednie, to pobierze on tylko tyle, ile potrzebuje.

Diody przeważnie zasilane są z napięcia wyższego od tego, które jest dla nich odpowiednie (od 1.2-3.6V - zależnie od koloru).

Stąd potrzeba oporników, które ograniczają płynący prąd.

Mechano

11:06, 22.03.2016

#14

Akurat diody led to takie specyficzne odbiorniki, które steruje się prądem a nie napięciem. To jest tylko potrzebne, żeby dioda zaczęła świecić, później reguluje się prąd żeby regulować jasność. Regulować prąd można zmieniając rezystancję w tej samej gałęzi. Na rezystorze będzie się odkładać niepotrzebne napięcie a razem z nim będzie się zmniejszać prąd, tyle że zmiany prądu będą o wiele większe niż zmiany napięcia na diodzie.

Rozumiesz? Jeżeli jeszcze czegoś nie wiesz to pytaj.

dawiddo

11:36, 22.03.2016

#15

Dziękuje za szybką odpowiedź. Czyli jeżeli dobrze rozumiem to oporniki nie tylko zmniejsza głownie prąd ale również napięcie?

Treker
Administrator

16:22, 22.03.2016

#16

dawiddo, oporniki ograniczają prąd. Jeśli masz problemy ze zrozumieniem tej tematyki (ograniczenie prądu/napięcia), to pójdź trochę dalej z kursem. Szczególnie do 2 i 3 części. Wszystko powinno być jaśniejsze :)

Zobacz wszystkie komentarze (25) na forum

FORBOT Damian Szymański © 2006 - 2017 Zakaz kopiowania treści oraz grafik bez zgody autora. vPRsLH.