Spis treści:
- 1 Základy elektroniky - proud, odpor, napětí, napájení
- 2 Parametry popisující elektrické obvody a elektronické systémy
- 3 Za jakým účelem se obvody popisují pomocí elektrických veličin?
- 4 Elektrický náboj
- 5 Napětí, proud a odpor v přehledu
- 6 Elektrické napětí - tlak působící na nosiče elektrického náboje
- 7 Proud
- 8 Odpor
- 9 Ohmův zákon
- 10 Ohmův zákon v praxi
- 11 Základní elektrické veličiny prizmatem hydrostatiky
Základy elektroniky - proud, odpor, napětí, napájení
Každý elektronický obvod a součástky, které ho tvoří, popisují odpovídající veličiny, které lze měřit a vypočítat.
Parametry popisující elektrické obvody a elektronické systémy
Tento článek popisuje základní elektrické veličiny, jako je proud, napětí, odpor, analogii těchto veličin v hydrostatice a vztah mezi těmito veličinami z teoretického a praktického hlediska.
Za jakým účelem se obvody popisují pomocí elektrických veličin?
Při poznávání světa elektrických obvodů a elektronických systémů od začátku je užitečné zvládnout základy, které pomáhají pochopit jevy probíhající v těchto systémech. Popis parametrů elektrických obvodů je založen na třech veličinách, jako jsou proud, napětí a odpor. Tyto veličiny nelze odhadnout vizuálně jako například vzdálenost mezi dvěma fyzickými objekty. Jak v případě mobilního telefonu napájeného z baterie, tak v případě bleskového výboje máme co do činění s tokem proudu. Ačkoli je v druhém případě proudový tok viditelný jako vysoce ionizovaný vzduch nesoucí elektrický náboj, nelze jednoznačně určit, jak velký proud byl přítomen v okamžiku úderu blesku. V laboratorních podmínkách se hodnoty elektrických veličin měří pomocí vhodných měřicích přístrojů, jako jsou multimetry, osciloskopy nebo spektrální analyzátory. Z provedených měření můžeme přímo i nepřímo určit hodnoty veličin, které nás zajímají. Tímto způsobem můžeme zkoumat odezvu systému za určitých podmínek.
Elektrický náboj
Elektrický proud, jak ho známe, je v podstatě uspořádaný pohyb nosičů elektrického náboje. Typ nosičů se může lišit v závislosti na fyzikálně-chemických vlastnostech prostředí, ve kterém elektrický proud teče. Ve vodičích, např. v kovech, jako je měď nebo železo, jsou nosiči elektrony, v polovodičích elektrony a elektronové díry, v plynech ionty a elektrony a v kapalinách ionty. Elektrická a elektronická zařízení, která nás obklopují, jako jsou žárovky, zesilovače zvuku, telefony, počítače nebo pračky, ve skutečnosti fungují na základě pohybu nosičů elektrického náboje.
Napětí, proud a odpor v přehledu
K popisu jevů v elektrických obvodech používáme tři základní veličiny. Jsou to:
- napětí – rozdíl potenciálů mezi dvěma body v obvodu;
- proud – veličina, která popisuje množství elektrického náboje protékajícího vodičem za jednotku času;
- odpor – parametr vyplývající z geometrie a rezistivity vodiče, který určuje jeho tendenci tlumit průtok elektrického proudu.
V diskusi o těchto veličinách budeme hovořit o pohybu nosičů elektrického náboje. Aby však k pohybu elektrického náboje, tj. k toku elektrického proudu, došlo, musí být obvod uzavřen.
Elektrické napětí - tlak působící na nosiče elektrického náboje
Elektrické napětí je rozdíl elektrických potenciálů, který vzniká mezi dvěma určitými body v elektrickém obvodu, a je výsledkem práce vykonané elektrickým nábojem. Napětí i potenciál jsou veličiny měřené ve voltech – jednotka je pojmenována po italském vědci Alessandru Voltovi, který se proslavil vynálezem první elektrické baterie, takzvaného “Voltova komínu”. Voltův zásobník. Pro popis napětí, proudu a odporu ve vztahu k mechanice tekutin bude přístupnou analogií fyzikální jev v jednoduché nádobě s vodou.
V tomto případě množství uložené vody představuje množství elektrického náboje, hydrostatický tlak působící na vodu představuje napětí a průtok vody představuje průtok elektrického proudu. Je-li nádrž s vodou s připojeným potrubím zahnutým do kolena v pravém úhlu umístěna na rovnou plochu, tlak působící na kapalinu (vodu) způsobí, že se její molekuly budou pohybovat z nádrže do kolena. Čím větší je množství vody uložené v nádrži, tím větší je množství uloženého elektrického náboje. Nádrž na vodu si proto můžeme představit jako elektrickou baterii. Tlak na konci hadice může představovat napětí. Voda v nádrži představuje elektrický náboj. Čím více vody je v nádrži, tím vyšší je náboj, tím vyšší je tlak naměřený na konci hadice. Nádrž si můžeme představit jako baterii, ve které uchováváme určité množství energie a poté ji uvolňujeme. Pokud nádrž vyprázdníme o určité množství náboje, tlak vytvořený na konci hadice klesne. Můžeme si to představit jako snížení napětí, podobně jako když se baterie vybije a baterka pohasne. Sníží se také množství vody, které bude protékat hadicí. Menší tlak znamená, že protéká méně vody, což vede k menšímu proudu. Množství vody, které protéká hadicí z nádrže, si můžeme představit jako proud. Čím vyšší je tlak, tím vyšší je proud a naopak.
Proud
U vody jsme měřili objem vody protékající hadicí po určitou dobu. U elektřiny jsme měřili množství náboje, které proteklo obvodem za určitou dobu. Proud se měří v ampérech. Jeden ampér je definován jako 6,241*10^18 elektronů (1 coulomb) za sekundu, které projdou bodem v obvodu. Proud se ve výpočtu označuje písmenem “I”. Nyní předpokládejme, že máme dvě nádrže, z nichž každá má hadici vycházející ze dna. V obou nádržích je naprosto stejné množství vody, ale hadice v jedné nádrži je užší než hadice v druhé. Na konci každé hadice naměříme stejný tlak, ale když začne voda téct, bude průtok vody v nádrži s užší hadicí menší než průtok vody v nádrži se širší hadicí. Elektricky je proud protékající užší hadicí menší než proud protékající širší hadicí. Chceme-li, aby průtok oběma hadicemi byl stejný, musíme zvýšit množství vody (náplň) v nádrži s užší hadicí. Tím se zvýší tlak (napětí) na konci užší hadice a nádrží se protlačí více vody. Je to analogické tomu, jako když zvýšení napětí způsobí zvýšení proudu. Nyní vidíte vztah mezi napětím a proudem.
Odpor
Je však třeba vzít v úvahu ještě třetí faktor: šířku hadice. V této analogii představuje šířka hadice odpor. To znamená, že do našeho modelu musíme přidat další člen, a to pomocí hydrostatické analogie: voda je náboj (měřený v coulombech), tlak je napětí (měřené ve voltech), průtok je proud (měřený v ampérech), šířka hadice je odpor (měřený v ohmech). Uvažujme opět naše dvě nádrže na vodu, jednu s úzkou a druhou se širokou trubkou. Při stejném tlaku se nám do úzké trubky nevejde tolik objemu jako do širší. To je odpor. Úzká trubka “klade odpor” průtoku vody, přestože voda má stejný tlak jako nádrž se širší trubkou. Elektricky to představují dva obvody se stejným napětím a různými odpory. Obvodem s vyšším odporem projde méně náboje, což znamená, že obvodem s vyšším odporem protéká menší proud. Tím se vracíme k definici odporu, kde jednotkou odporu je jeden ohm, jako elektrický odpor, který existuje mezi dvěma body ve vodiči, kde přiložení napětí jednoho voltu způsobí průtok proudu jednoho ampéru, neboli 6,241×10^18 elektronů.
Ohmův zákon
Spojením prvků napětí, proudu a odporu vytvořil Georg Simon Ohm vzorec:
Kde:
U – napětí ve voltech;
I – proud v ampérech;
R – odpor v ohmech.
Takový vztah se nazývá Ohmův zákon. Předpokládejme například, že máme obvod s potenciálem 1 V, proudem 1 A a odporem 1 Ω. Pomocí Ohmova zákona můžeme dojít k závěru, že:
1V = 1A * 1Ω
Předpokládejme, že máme nádrž se širokou hadicí. Množství vody v nádrži je definováno jako jeden volt a “úzkost” (odpor proti proudění vody) hadice je definována jako jeden ohm. Pomocí Ohmova zákona tak získáme průtok vody (proud) o velikosti jednoho ampéru. Na základě této analogie se nyní podívejme na nádrž s úzkou hadicí. Protože je hadice užší, je její průtokový odpor vyšší. Definujme tento odpor jako dva ohmy. Množství vody v nádrži je stejné jako v druhé nádrži, takže pomocí Ohmova zákona je naše rovnice pro nádrž s úzkou hadicí následující:
1V = ?A * 2Ω
Po transformaci (I=U/R) získáme proud:
1V = 0,5A * 2Ω
V důsledku zúžení dráhy proudění vody je tedy proud v nádrži menší a odpor větší. Nyní vidíme, že pokud známe dvě hodnoty Ohmova zákona, můžeme najít třetí.
Ohmův zákon v praxi
Ohmův zákon je možné pozorovat i v praxi, a to na jednoduchých elektrických obvodech složených z několika málo součástek! V tomto experimentu použijeme 9voltovou baterii k napájení LED diody. LED diody jsou křehké a může jimi protékat jen omezený proud, protože hrozí vysoké riziko jejich vyhoření. Maximální vodivý proud LED je obvykle uveden v její dokumentaci.
K provedení našeho experimentu budeme potřebovat tyto prvky
- 9V baterie;
- Rezistor 560R;
- LED DIODA;
- Digitální multimetr
Všimněte si, že LED diody se nechovají stejně jako rezistory. Jsou to polovodičové prvky. To znamená, že rovnice pro proud protékající samotnou LED diodu není tak jednoduchá jako standardní Ohmův zákon, tj. U = I*R. LED dioda vnáší do obvodu úbytek napětí, a tím mění velikost proudu, který jí protéká.
V tomto experimentu se však pouze snažíme ochránit LED diodu před nadproudem, takže nebudeme brát ohled na proudovou charakteristiku LED diody a zvolíme hodnotu rezistoru podle Ohmova zákona tak, aby proud protékající LED diodou byl bezpečný a nepřekročil 20 mA. V tomto příkladu máme 9V baterii a červenou LED diodu s proudovou hodnotou 20 mA. Z bezpečnostních důvodů nenapájíme LED diodu maximálním proudem, ale jejím doporučeným proudem, který je v aplikační poznámce uveden jako přibližně 20 mA. 18 mA. Pokud LED diodu připojíme přímo k baterii, budou hodnoty proudu pro Ohmův zákon vypadat takto:
U = I * R
Proto:
I = U / R
Pokud v obvodu nemáme žádný odpor, pak:
I = 9 V / 0 R
Dělením nulou získáme nekonečný proud! V praxi nedostaneme nekonečný, ale takový proud, jaký je schopna dodat baterie. To znamená, že LED diodou může protékat velmi velký proud, který ji zcela jistě poškodí. Protože nechceme, aby naší LED diodou protékal tak velký proud, budeme potřebovat rezistor. K určení hodnoty odporu rezistoru můžeme použít Ohmův zákon, který nám poskytne požadovanou hodnotu proudu:
R = U * I
Dosazením hodnot do vzorce:
R = 9 V * 0,018 A
Vypočítaná rezistence je:
R = 500 R
Potřebujeme tedy rezistor o velikosti přibližně. 500 R, aby proud procházející LED diodou byl nižší než maximální jmenovitý proud. Hodnota 500 R není u standardních rezistorů běžná, proto můžeme použít rezistor o odporu 560 ohmů. Použití rezistoru s nepatrně vyšším odporem, než je požadováno, může navíc mírně snížit jas světla LED diody, ale rozhodně ji nepoškodí. Pokud chcete přesnost, můžete rezistor nahradit potenciometrem.
Základní elektrické veličiny prizmatem hydrostatiky
Ukázka základních veličin používaných v elektronice formou analogie s hydrostatikou v tomto článku má pomoci pochopit, jak proud teče v elektrických obvodech. Jedním z nejjednodušších způsobů, jak toho dosáhnout, je ilustrovat mechanismy proudění kapalin, které umožňují pouhým okem sledovat, jak kapaliny proudí v závislosti na geometrických podmínkách nádob. Pomocí takové analogie je možné pod lupou ukázat, jak teče proud v elektrických obvodech, a demonstrovat Ohmův zákon. Článek však nevyčerpává problematiku elektřiny a měl by být považován pouze za orientační. V případě obvodů střídavého proudu, které mohou navíc obsahovat reaktanční (tj. indukční a kapacitní) prvky, je mechanismus toku proudu a rozdělení napětí propracovanější a vyžadoval by rozsáhlejší vysvětlení než analogie s mechanismy proudění tekutin.
