Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
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.
Nie próbuj nic podłączać lub mierzyć do momentu, gdy w kursie nie pojawi się konkretne ćwiczenie. Możesz przypadkiem uszkodzić elementy lub miernik.
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:
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.
Napięcie zawsze jest mierzone między dwoma punktami. Tak jak mierzy się np. wysokość gór względem poziomu morza. Trzeba mieć dwa punkty i je porównać.
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
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).
Warto pamiętać, że napięcie może przez długi czas po prostu „istnieć”. Przykładowo, jeśli nie będziemy pobierać prądu z baterii AA (1,5 V), to będzie ona utrzymywała swoje napięcie przez kilka lat. Tak samo jak woda nagromadzona przed tamą z zamkniętą śluzą.
Napięcie może być stałe lub zmienne. W naszym przypadku będziemy zajmować się tylko napięciem stałym, bo to głównie z niego korzysta się 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 opisywany.
Odradzamy początkującym samodzielne eksperymentowanie z napięciem zmiennym, np. w gniazdku. Ewentualny błąd może zakończyć się utratą zdrowia lub życia – to nie jest zabawa! Dlatego lepiej skupić się na opisanych tutaj eksperymentach, które są całkowicie bezpieczne.
Jednostką napięcia jest wolt, który 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 9 V.
Komplet elementów 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 Elektroniki • Mistrz Majsterkowania
Pora na Twój pierwszy pomiar miernikiem. Sprawdźmy, czy bateria dołączona do zestawu ma faktycznie 9 V. W tym celu ustaw pokrętło miernika na pomiar napięcia i wybierz zakres 20 V – będzie to informacja dla miernika, że maksymalne zmierzone napięcie nie przekroczy 20 V.
Pomiaru powinniśmy dokonywać zawsze na najmniejszym możliwym zakresie – zapewnia to najlepszą precyzję pomiaru. Czyli przykładowo baterię 9 V mierzymy na zakresie 20 V, ale zasilacz, który miałby dawać 21 V, mierzylibyśmy już na zakresie 200 V.
Pomiaru napięcia dokonujemy zawsze równolegle! Czyli aby np. zmierzyć spadek napięcia na diodzie świecącej, należałoby miernik wpiąć tak, jak to jest widoczne poniżej.
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 (tak nazywają się te kolorowe kable z ostrymi końcówkami) wpiąć w odpowiednie gniazda:
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 9 V za pomocą miernika uniwersalnego
Sondy pomiarowe trzymamy za plastikowe elementy obudowy. Nie należy dotykać metalowych końcówek. Mogłoby to sfałszować wyniki, a przy niektórych pomiarach zakończyć się utratą zdrowia lub życia przez osobę dokonującą pomiaru (ale tak dużych wartości tutaj nie będziemy nawet próbować mierzyć i nie będziesz się z nimi spotykał).
Z miernika odczytujemy wartość 9,71 V, czyli nie uzyskaliśmy 9 V, które napisane są 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 a faktycznymi. Twoje wyniki mogą być jeszcze inne. Wynika to z wielu powodów, ale o tym później.
W każdym razie nowa bateria (raczej na pewno) będzie miała ponad 9 V – z czasem wartość ta będzie spadać (po wykonaniu różnych ćwiczeń).
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 grafikach elementy elektroniczne są praktycznie identyczne 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 minus. 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 200 V.
Pomiary na większym zakresie nie uszkodzą nigdy miernika, wpływają jednak negatywnie na precyzję (pokazywaną liczbę miejsc po przecinku) i dokładność tego konkretnego pomiaru.
Pomiar napięcia baterii na większym zakresie miernika
Jak widać, wynik się minimalnie różni (i wcale nie jest to zaokrąglenie wartości w dół, wzrósł błąd pomiarowy), a do tego nasz miernik wskazał tylko jedno miejsce po przecinku. Ten pomiar jest więc mniej precyzyjny oraz mniej dokładny. Właśnie dlatego pomiary należy zawsze wykonywać na najmniejszym możliwym zakresie (ale w granicach rozsądku).
Jeśli zupełnie nie masz pojęcia, na jakim zakresie mierzyć, to zacznij od największego zakresu, sprawdź wynik i na tej podstawie ustaw odpowiednio mniejszą wartość.
No dobrze, wiemy już (mniej więcej), czym jest napięcie – teraz pora na kolejną wartość.
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, a zatem prąd jest miarą szybkości ich przepływu.
Zapamiętaj! Prąd, przeciwnie do napięcia, określa się w jednym punkcie.
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
Jednostką natężenia prądu jest amper, który oznaczamy literą A. Silnik prądu stałego może więc np. pobierać 2 A (2 ampery), a dioda świecąca pobierze 0,002 A, czyli 2 mA (2 miliampery). W elektronice, o której mówimy, 2 A to już stosunkowo duży prąd. Układy, z którymi będziemy się spotykać, często pobierają do 500 mA (a najczęściej znacznie, znacznie mniej, np. do 50 mA).
Więcej informacji o jednostkach i przedrostkach typu „mili” znajdziesz w materiałach dostępnych do pobrania po rejestracji zestawu do kursu oraz na naszych kieszonkowych tablicach.
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, co oznacza, 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.
Niektóre mierniki wymagają, aby podczas pomiaru prądu czerwona sonda była podłączona do innego gniazda miernika (szczegóły w instrukcji). W naszym przypadku przy pomiarach do 500 mA nie musimy zmieniać połączenia przewodów.
Szeregowe wpięcie miernika
i pomiar prądu płynącego w obwodzie
Na powyższym rysunku wykorzystano symbole elementów znane ze schematów ideowych. Widać tam symbole baterii, rezystora oraz diody, którymi niedługo będziemy się zajmować. Jeśli nie masz pojęcia, jak czytać takie schematy, to sprawdź poniższy artykuł.
Niniejszy artykuł jest poradnikiem dla kompletnie początkujących, którzy szukają wskazówek na temat tego jak czytać schematy. 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!
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) wynikającą z jego właściwości fizycznych. Nie tylko podzespoły cechują się opornością – wszystko, co nas otacza, stawia opór dla prądu.
W przypadku elementów elektronicznych konkretny opór wynika ze specjalnie dobranych materiałów, których użyto do ich budowy.
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
Jednostką rezystancji jest om – symbol Ω (wielka litera omega); niekiedy zamiast niego 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 Ω do 100 kΩ, czyli od 100 omów do 100 kiloomów (100 000 omów).
Przy podawaniu wartości rezystorów często pomija się również jednostkę, ponieważ nie ma jej na klawiaturze. Czyli przykładowo rezystor 100 Ω może być zapisany jako 100 R lub nawet 100. Z kolei rezystor o oporze 100 kΩ często będzie opisany jako 100 k (bez R lub Ω).
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 cyfra 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 – 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.
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.
Podłączenie do układu napięcia wyższego niż zalecane może spowodować jego bezpowrotne zniszczenie. W przypadku napięcia zbyt niskiego układ zadziała błędnie (lub wcale).
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 12 V. Chyba nikt nie ma wątpliwości, że nie można nią zastąpić wielkiego akumulatora samochodowego, którego napięcie znamionowe to również 12 V. Samo napięcie to za mało; należy jeszcze pomyśleć o wydajności danego źródła zasilania.
Wydajność prądowa źródła zasilania (prąd, jaki może ono „oddać”) powinna być większa niż prąd, jaki będzie pobierał nasz 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. Czyli jeśli wiemy, że nasz układ przy zasilaniu z 12 V będzie pobierał np. 100 mA, a na zasilaczu napisane jest 12 V 1 A, to spokojnie można go wykorzystać. Po prostu z takiego zasilacza można pobrać maksymalnie 1 A, ale nasz układ „weźmie” sobie tyle, ile potrzebuje. Zasilacz „nie wpompuje” w układ zbyt dużego prądu.
Odwrotnie byłoby w przypadku zasilacza o zbyt dużym napięciu wyjściowym. Jeśli urządzenie wymaga zasilania z 12 V, to zasilacz o napięciu 24 V uszkodzi je!
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.
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 wykazać się doświadczeniem, w przeciwnym razie może się to skończyć naprawdę tragicznie.
W tym kursie do doświadczeń będzie wykorzystywana popularna bateria o napięciu 9 V. Pamiętaj, że ma ona 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.
Zwarcie baterii należy usunąć możliwie szybko, najlepiej przerywając obwód! Zwarta bateria silnie się rozgrzewa, co może prowadzić do wycieku z niej szkodliwych substancji.
Bateria 9 V 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 dużym niebezpieczeństwem! Dlatego nasza mała bateria 9 V będzie idealna do nauki.
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 można podzielić na dwie grupy: czynne i bierne.
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)
Wbrew pozorom taka klasyfikacja nie jest jedynie sztucznym, teoretycznym tworem, ma bowiem 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 lekturą kolejnych części kursu przekonasz się, jak bardzo mylne jest to podejście.
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!
W kolejnej części zajmiemy się pierwszymi elementami – rezystorami, bez których nie może obejść się żaden układ elektroniczny. Pamiętaj, że podstawą zrozumienia elektroniki jest praktyka. Nie będziesz umiał wykorzystać zdobytej tu wiedzy, jeśli nie wykonasz ćwiczeń z kursu. Wszystkie elementy można zamówić w formie gotowych zestawów.
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: 19.11.2024.
części, elektronika, elementy, kursElektroniki, napięcie, opór, poradnik, prąd, rezystancja
Dołącz do 20 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...