Książki o elektronice i programowaniu w promocji 2 za 1 (tańsza za 0 zł)! Sprawdź listę tytułów »

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

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

Coraz więcej osób zaczyna traktować elektronikę jako ciekawe zajęcie dodatkowe lub umiejętność, która będzie przydatna w przyszłej pracy.

Zacznijmy od poznania podstawowych pojęć oraz zasad, którymi rządzi się świat elektroniki. Pora nareszcie zrozumieć o co w tym chodzi.

Zacznijmy od poznania najważniejszych pojęć, które od teraz będą pojawiały się już wszędzie. Na tym etapie (przynajmniej w teorii) nie znasz jeszcze żadnych elementów elektronicznych, więc nie będziemy jeszcze odnosić tych informacji do konkretnych układów - tym zajmiemy się w następnej części.

Najważniejsze wielkości w elektronice

Elektronika bazuje na fizyce, dlatego zasady w niej obowiązujące są (na szczęście) jednoznaczne, nie ma tu miejsca na domysły i własne teorie. Pierwszą, fundamentalną umiejętnością jest zrozumienie trzech podstawowych pojęć:

  1. napięcie,
  2. prąd,
  3. opór (inaczej rezystancja).

Czym jest 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.

W elektronice często korzystamy z analogii wodnej. To znaczy, że dla łatwiejszego zrozumienia świata elektroniki porównujemy sobie wszystko do płynącej wody, która jest bardziej "namacalna". Dzięki temu zrozumienie niektórych zjawisk jest łatwiejsze.

Napięcie możemy w taki sposób przyrównać do wody zebranej przed tamą:

Wysokość wody przed tamą może symbolizować napięcie w układach elektronicznych

Wysokość wody przed tamą może symbolizować napięcie w układach elektronicznych

Poziom wody (napięcia) mierzymy między dwoma umownymi punktami. Już teraz widać, że im wody będzie więcej tym szybciej będzie wypływała przez śluzę w tamie (jeszcze do tego wrócimy).

Napięcie stałe i zmienne

Napięcie może być: stałe lub zmienne. W naszym przypadku będziemy zajmować się tylko napięciem stałym, bo to z niego korzysta się głównie podczas majsterkowania, zabaw z Arduino oraz Raspberry Pi. Wszystkie baterie i akumulatory są właśnie źródłem napięcia stałego. Drugi rodzaj, napięcie zmienne, ma bardziej złożoną naturę i nie będzie tu szerzej opisywane.

Jednostką napięcia jest wolt, którego oznaczamy literą V. Napięcie może charakteryzować baterię. Ta, której używamy w kursie powinna mieć 9 V, co czytamy jako "9 woltów". W naszych eksperymentach będziemy pracować z bezpiecznymi dla zdrowia napięciami mieszczącymi się w zakresie od 0 do 9V.

Zestaw elementów do kursu

 999+ pozytywnych opinii  Gwarancja pomocy  Wysyłka w 24h

Chcesz zrozumieć elektronikę? Zamów zestaw elementów do wykonania wszystkich ćwiczeń z kursu i przejdź do praktyki!

Zamów w Botland.com.pl »

Taniej w pakiecie: Mistrz ElektronikiMistrz Majsterkowania

Jak zmierzyć napięcie?

Pora na Twój pierwszy pomiar miernikiem. Sprawdźmy, czy bateria dołączona do zestawu ma faktycznie 9V. W tym celu ustaw pokrętło miernika na pomiar napięcia i wybierz zakres 20V - będzie to informacja dla miernika, że maksymalne zmierzone napięcie nie przekroczy 20V.

Pomiaru napięcia dokonujemy zawsze równolegle! Czyli, aby np. zmierzyć spadek napięcia na diodzie świecącej należałoby miernik wpiąć, tak jak widoczne jest to poniżej.

Przykładowe, równoległe wpięcie miernika i pomiar spadku napięcia na diodzie

Przykładowe, równoległe wpięcie miernika i pomiar spadku napięcia na diodzie

Nie przejmuj się, jeśli jeszcze nie rozumiesz tego schematu. Wrócimy do takich pomiarów w następnym artykule. Teraz chcemy zmierzyć tylko napięcie baterii, więc podłączamy miernik równolegle do niej. Pamiętaj, aby sondy pomiarowe (bo tak nazywa się te kolorowe kable z ostrymi końcówkami) wpiąć w odpowiednie gniazda:

  • czarny przewód do gniazda COM,
  • czerwony przewód do gniazda, które w opisie ma V.

Następnie dwie końcówki pomiarowe przyłóż do baterii. Czerwoną do plusa, a czarną do minusa. Nie ma różnicy czy wyprowadzeń baterii dotkniesz od dołu, od góry, czy od boku - uważaj tylko, aby nie zrobić zwarcia, czyli, aby NIE zewrzeć ze sobą dwóch biegunów baterii!

Przykładowy pomiar widoczny jest poniżej:

Pomiar napięcia na baterii 9V za pomocą miernika uniwersalnego

Pomiar napięcia na baterii 9V za pomocą miernika uniwersalnego

Z miernika odczytujemy wartość 9,71V, czyli nie uzyskaliśmy 9V, które napisane jest na baterii. Czy to znaczy, że jest ona uszkodzona? Nie, wszystko jest dobrze!

Trzeba się przyzwyczaić, że w świecie elektroniki jest duża różnica między wartościami teoretycznymi oraz faktycznymi. Twoje wyniki mogą być jeszcze inne. Wynika to z wielu powodów, ale o tym później.

Czasami w kursie będziemy umieszczać zdjęcia, a czasami będziemy posługiwać się ilustracjami (tak, jak poniżej). Od razu odpowiedź na częste pytanie: grafiki zostały przygotowane przy częściowej pomocy darmowego programu Fritzing, jednak większość użytych bibliotek oraz niestandardowych dodatków wykonaliśmy samodzielnie w Corelu. Dzięki temu pokazywane na grafiach elementy elektroniczne są praktycznie identycznie jak części, które są w naszych zestawach

Sprawdźmy teraz co się stanie, jeśli przy pomiarze napięcia czerwoną sondą dotkniemy minusa baterii, a czarną plusa - spokojnie, nic się nie uszkodzi:

Jak widać na wyświetlaczu pojawił się dodatkowo znak minusa. Jest to dla nas sygnał, że sondy zostały podłączone do baterii odwrotnie, ale nie jest to szkodliwe (ani dla baterii, ani dla miernika). Teraz dla testu zmierz jeszcze baterię, gdy miernik jest ustawiony na zakres do 200V.

Pomiar napięcia baterii na większym zakresie miernika

Pomiar napięcia baterii na większym zakresie miernika

Jak widać wynik się trochę różni (i wcale nie jest to zaokrąglenie wartości w dół), a do tego nasz miernik wskazał tylko jedno miejsce po przecinku. Ten pomiar jest więc mniej precyzyjny. Właśnie dlatego pomiary należy zawsze wykonywać na najmniejszym możliwym zakresie (ale w granicach rozsądku).

No dobrze, wiemy już (mniej więcej) czym jest napięcie, teraz pora na kolejną wartość.

Czym jest 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 prąd jest miarą szybkości ich przepływu.

W przypadku analogii wodnej z naszą tamą, prąd można przyrównać do tego jak szybko woda wylatuje przez śluzę. Im szybciej woda będzie się wydostawała tym dalej zostanie "wyrzucona" poza tamę:

Prędkość wody wylatującej przez śluzę w tamie może symbolizować prąd w układach elektronicznych

Prędkość wody wylatującej przez śluzę w tamie może symbolizować prąd w układach elektronicznych

Jednostką natężenia prądu jest amper, którego oznaczamy literą A. Silnik prądu stałego może więc np. pobierać 2A (2 ampery), a dioda świecąca pobierze 0,002A, czyli 2mA (2 miliampery). W elektronice, o której mówimy 2A to już stosunkowo duży prąd. Układy, z którymi będziemy się spotykać często pobierają do 500 mA (a najczęściej znacznie, znacznie mniej np. do 50mA).

Jak zmierzyć prąd?

Absolutnie NIE podłączaj teraz miernika w trybie pomiaru prądu do baterii. Natychmiast go uszkodzisz i konieczna będzie wymiana bezpiecznika. Pomiar prądu w praktyce sprawdzimy w drugiej części kursu, bo do tego potrzebna jest nam znajomość rezystorów.

Teraz zwróć tylko uwagę na poniższą grafikę, na której pokazany jest symbolicznie sposób pomiaru prądu w obwodzie. Widać tu, że amperomierz wpina się szeregowo, oznacza to, że trzeba przerwać obwód i wpiąć tam miernik. Może to być teraz mało intuicyjne, ale w kolejnej części kursu sprawdzimy to kilka razy i wszystko stanie się jasne.

Szeregowe wpięcie miernika i pomiar prądu płynącego w obwodzie

Szeregowe wpięcie miernika i pomiar prądu płynącego w obwodzie

Na powyższym rysunku wykorzystano symbole elementów znane ze schematów ideowych. Widać tam symbol baterii, rezystora oraz diody, którymi niedługo będziemy się zajmować. Jeśli nie masz pojęcia jak czytać takie schematy to sprawdź poniższy artykuł.

Czytaj schematy, jak doświadczony elektronik
Czytaj schematy, jak doświadczony elektronik

Niniejszy artykuł jest poradnikiem dla kompletnie początkujących, którzy nie wiedzą w jaki sposób interpretować schematy ideowe. Najprościej... Czytaj dalej »

Przy okazji: podczas całego kursu spotkasz wiele ramek podobnych do powyższej - są to odesłania do dodatkowych artykułów z naszego bloga, które ułatwiają zrozumienie elektroniki w praktyce i zostały napisane jako materiały uzupełniające do tego kursu. Zapoznawaj się z tymi tekstami!

Czym jest opór (inaczej rezystancja)?

Na podstawie poprzednich informacji można wysnuć taki 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 pojawia się trzeci fundamentalny czynnik, czyli opór, zwany również rezystancją. Nazw tych można spokojnie używać zamiennie.

Opór jest cechą danego podzespołu (w uproszczeniu), która wynika z jego właściwości fizycznych. Nie tylko podzespoły cechują się opornością - wszystko co nas otacza stawia opór dla prądu.

W przypadku analogii wodnej oporem będzie poziom otwarcia śluzy. Im jest szerzej otwarta, tym opór jest mniejszy i wypływa więcej wody. Im bardziej jest zamknięta, tym opór jest większy i ze zbiornika za tamą wypływa mniej wody.

Poziom otwarcia śluzy w tamie może symbolizować opór w układzie elektronicznym

Poziom otwarcia śluzy w tamie może symbolizować opór w układzie elektronicznym

Jednostką rezystancji jest om, symbol Ω (wielka litera omega), niekiedy zamiast niej stosuje się zapis om lub R. Im większy opór tym przez układ popłynie mniejszy prąd. Rezystancje, z którymi będziemy spotykać się podczas eksperymentów z elektroniką to najczęściej wartości od 100 do 100kΩ, czyli od stu omów, do stu kiloomów (100 000 omów).

Jak zmierzyć opór?

Analogicznie jak przy pomiarze prądu, właściwy eksperyment zrobimy w momencie poznania nowych elementów elektronicznych, ale akurat tutaj możemy też dokonać pomiaru bez żadnej elektroniki.

Ustaw miernik na pomiar maksymalnie dużej wartości oporu. Na mierniku widoczna będzie "1" po lewej stronie to oznacza, że opór jest zbyt duży, aby miernik mógł go zmierzyć (czyli mamy tu w przybliżeniu nieskończenie duży opór). Następnie zetknij dwie sondy, na ekranie powinno pokazać się ~0. Oznacza to, że miernik nie wykrył praktycznie żadnego oporu - tak właśnie powinno być, bo chcemy, aby przewody pomiarowe były dobrym przewodnikiem i nie stawiały oporu.

Teraz złap mocno sondy palcami. Czarną sondę ściśnij palcami lewej dłoni, a czerwoną w prawej. W tym przypadku można bezpiecznie dotknąć obu końcówek miernika (bo nie są podłączone do niczego innego). Dzięki temu zmierzysz swój opór! Jeśli masz ustawiony maksymalny zakres pomiarowy to na ekranie miernika powinna być widoczna jakaś duża wartość, która będzie malała, gdy trochę mocniej ściśniesz sondy.

Powtórz ten eksperyment i daj znać w komentarzu jakie wyniki osiągnąłeś. Dla testu możesz również poprosić inne osoby o dokonanie tego pomiaru - dla każdego wartość powinna być inna.

Parametry źródła zasilania

Aby 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.

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 potrzebne są większe źródła zasilania, z których można pobrać duży prąd.

Świetnym przykładem jest mała bateria A23G, której napięcie znamionowe to 12V. Chyba nikt nie ma wątpliwości, że nie można nią zastąpić wielkiego akumulatora samochodowego, którego napięcie znamionowe to również 12V. Samo napięcie to za mało, należy jeszcze pomyśleć o wydajności danego źródła zasilania. 

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. Czyli jeśli wiemy, że nasz układ przy zasilaniu z 12V będzie pobierał np. 100 mA, a na zasilaczu napisane jest 12V 1A to spokojnie można go wykorzystać. Po prostu z takiego zasilacza można pobrać maksymalnie 1A, ale nasz układ "weźmie sobie" tylko tyle ile potrzebuje. Zasilacz "nie wpompuje" w układ zbyt dużego prądu.

Czym zasilać swoje układy?

Początkującym zaleca się zasilanie urządzeń przede wszystkim z różnorakich baterii lub akumulatorów. Dysponują one na swoich zaciskach niskimi napięciami i mają ograniczoną wydajność prądową. Są więc bardzo bezpieczne, a ryzyko porażenia jest zminimalizowane.

W tym kursie do doświadczeń będzie wykorzystywana popularna bateria o napięciu 9V. Pamiętaj, że taka bateria ma stosunkowo niską wydajność prądową, więc zasilanie z niej układów wymagających dużego prądu jest złym pomysłem. Jednak do naszych ćwiczeń będzie idealna, uważaj tylko, aby nie zewrzeć wyprowadzeń baterii.

Bateria 9V używana w naszym kursie elektroniki

Bateria 9V używana w naszym kursie elektroniki

Inną opcją zasilania urządzeń może być używanie regulowanego zasilacza warsztatowego. Musi to być urządzenie z regulowanym ograniczeniem prądowym i musi być wykonane, zgodnie z odpowiednimi normami bezpieczeństwa. Używanie różnorakich tanich, niesprawdzonych wynalazków może skończyć się bardzo niebezpiecznie! Dlatego nasza mała bateria 9V będzie idealna do nauki.

Podział elementów elektronicznych

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

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

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

Przykłady elementów pasywnych (po lewej) oraz aktywnych (po prawej)

Przykłady elementów pasywnych (po lewej) oraz aktywnych (po prawej)

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. Wraz z kolejnymi częściami kursu przekonasz się, jak bardzo mylne jest to podejście.

Podsumowanie

W pierwszej części omówiliśmy jedynie wstępne pojęcia, które wykorzystywane będą we wszystkich kolejnych artykułach. Koniecznie wykonaj pokazane tu ćwiczenia, nawet jeśli są dla Ciebie oczywiste. W razie problemów śmiało pytaj w komentarzach. Będzie nam również bardzo miło, jeśli podzielisz się wynikami swoich eksperymentów i napiszesz czy wszystko przebiegło bez problemów!

Czy artykuł był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena / 5. Głosów łącznie:

W kolejnej części zajmiemy się pierwszymi elementami - rezystorami, bez których nie może obejść się żaden układ elektroniczny. Pamiętaj, że podstawą w zrozumieniu elektroniki jest praktyka. Nie będziesz umiał wykorzystać zdobytej tu wiedzy, jeśli nie wykonasz ćwiczeń z kursu. Wszystkie elementy można zamówić w formie gotowych zestawów.

Nawigacja kursu

Aktualna wersja kursu: Damian Szymański, ilustracje: Piotr Adamczyk. Pierwsza wersja: Michał Kurzela. Schematy montażowe zostały wykonane przy częściowym wykorzystaniu oprogramowania Fritzing (oraz własnych bibliotek elementów). Zakaz kopiowania treści kursów oraz grafik bez zgody FORBOT.pl

Data ostatniego sprawdzenia lub aktualizacji tego wpisu: 19.08.2019.

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

Trwa ładowanie komentarzy...