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

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

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

Zwłaszcza w kontekście robotyki, Arduino oraz majsterkowania poznanie podstawowych zasad, którymi rządzi się ten świat, jest bardzo cenne!

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?

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.

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.

Zestaw elementów do kursu

Gwarancja pomocy na forum Błyskawiczna wysyłka

Praktyka to podstawa! Gotowy zestaw wszystkich elementów do wykonania ćwiczeń z tego kursu dostępny jest już od 47 zł!

Kup w Botland.com.pl

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.

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.

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:

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.

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

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!

Nawigacja kursu

Zachęcam do komentowania,
Michał Kurzela

części, elektronika, elementy, kursElektroniki, napięcie, opór, poradnik, prąd, rezystancja