Kurs podstaw elektroniki cz. 1

Na stronę wchodzi sporo osób zainteresowanych elektroniką, dlatego postanowiłem przygotować kilkuczęściowy kurs poświęcony tej właśnie dziedzinie wiedzy. Dla kogo on jest? Dla wszystkich osób zainteresowanych tematem – zarówno takich, które nie miały styczności z lutownicą, jak i posiadających pewne doświadczenie.

Podczas kursu będę starał się wytłumaczyć wszystko jak najprościej, dlatego będzie sporo rysunków, fotografii i innych multimediów. Nie będziemy się zagłębiać w niepotrzebne na początku szczegóły, będzie tylko o rzeczach ważnych w praktyce. Myślę, że dobrą pomocą w nauce będzie symulator obwodów elektronicznych, za pomocą którego można pokazać graficznie prądy i napięcia w układzie. Pod koniec każdej części będą znajdowały się ćwiczenia i linki do materiałów, które zawierają bardziej szczegółowe informacje na temat omawiany w danym odcinku.

Małe ostrzeżenie:

W urządzeniach elektrycznych występują napięcia elektryczne, które mogą być szkodliwe dla zdrowia, a nawet prowadzić do śmierci! Przyjmuje się, ze wartość maksymalnego napięcia bezwzględnie bezpiecznego to 24V. Wyższe napięcia, szczególnie napięcie sieci 230V stwarzają poważne zagrożenie i należy się z nimi obchodzić bardzo ostrożnie z zachowaniem wszystkich środków bezpieczeństwa.

Co jest niezbędne do lutowania?

Fot. 1 Niezbędnik każdego elektronika

Na fotografii 1 możesz zobaczyć narzędzia i preparaty praktycznie niezbędne podczas lutowania. Są to:

• Lutownica – Znajduje się na samym dole fotografii. Na początek wystarczy zwykła lutownica kolbowa za 20-30zł Nie polecam ciężkich lutownic transformatorowych, nimi dobrze się lutuje np. grube kable, tutaj potrzeba czegoś delikatniejszego.

• Odsysacz – Pomocna rzecz gdy zajdzie potrzeba wylutowania elementu.

• Pęseta – Przydatna do zaginania końcówek i przytrzymywania elementów. Praca z elementami SMD, o których dowiesz się więcej w dalszej części tekstu jest bez niej praktycznie niemożliwa.

• Ucinaczki – Służą do odcinania końcówek wlutowanych elementów oraz przycinania przewodów.

• Cyna – Z jej pomocą wykonuje się połączenia elementów, zwykle najodpowiedniejsza jest o średnicy 1mm lub nieco mniejszej.

• Kalafonia – Topnik lutowniczy pomocny w przypadku lutowania “trudnych” elementów. Powoduje lepsze chwytanie stopu lutowniczego do np. lekko zanieczyszczonej powierzchni miedzi lub metali nie pokrytych stopem lutowniczym.

Dobra rada jeśli jeszcze nie zakupiłeś tego niezbędnika – nie kupuj najtańszego badziewia! Dołóż kilka złotych i kup solidne narzędzia. Myślisz, że jeśli kupisz tanio to zaoszczędzisz? Jeśli tak, to pewnie jesteś w błędzie – byle jakie produkty zwykle nie nadają się  do niczego już po krótkim czasie używania i zachodzi potrzeba ponownego udania się do sklepu.

Prąd i napięcie

Napięcie elektryczne to różnica potencjałów miedzy dwoma punktami układu elektrycznego, czyli. np. między “+” i “-” baterii, czy wyprowadzeniami rezystora pracującego w układzie. Napięcie jest oznaczane literą U, a jednostka służąca do wyrażania napięcia to wolt oznaczany literą V.

Prąd elektryczny to uporządkowany ruch elektronów od potencjału wyższego do niższego. W rzeczywistości jest odwrotnie, ale tak przyjęto ze względów historycznych. Prąd oznaczamy literą I, a jego jednostkę – amper  literą A.

Rezystor

Fot. 2 - Rezystory

Rezystor to najpopularniejszy element elektroniczny. Jego podstawową cechą jest rezystancja R mierzona w omach (Ω). Rezystancja to zdolność do stawiania oporu przepływowi prądu elektrycznego. Inne istotne właściwości rezystora to tolerancja (dokładność i stałość oporu) i moc jaka może się w nim wydzielić bez obaw o uszkodzenie.

Kilka przykładowych rezystorów możesz zobaczyć na fotografii 2. Największy to rezystor o dużej mocy – kilku watów, dwa mniejsze to standardowe oporniki o mocy 0,25W, jeden z nich to zwykły opornik węglowy o tolerancji 5%, drugi to precyzyjny rezystor metalizowany o znacznie lepszej stałości parametrów. Te dwa małe, czarne sześcianiki to nie śmieci, które znalazły się na zdjęciu przypadkiem. To też rezystory – tyle, żeSMD, czyli montowane na powierzchni płytki bez przewlekania wyprowadzeń na drugą jej stronę.

Elementy SMD stosowane są powszechnie w nowoczesnych urządzeniach wymagających miniaturyzacji, takich jak komputery czy telefony komórkowe. Ich zaletą jest łatwość montażu przez maszyny, czyli mniejszy koszt produkcji. Jednak człowiek to nie maszyna i może mieć trudności z lutowaniem tych maleństw. Jeśli myślisz, ze podczas swojej przygody z elektroniką nie będziesz musiał tego robić, to możesz być w błędzie. Niektóre układy scalone dostępne są tylko w takich obudowach, niekiedy urządzenie powinno być jak najmniejsze, co wręcz zachęca do stosowania elementów tego typu. Nie bój się ich, z czasem gdy przyjdzie wprawa w posługiwaniu lutownicą będziesz lutował jeszcze mniejsze!

Wartości rezystorów są przeważnie oznaczane kodem paskowym, którego wyjaśnienie znajdziesz na TEJstronie Wikipedii. W sklepie razcej nie znajdziesz rezystorów o dowolnej rezystancji – wartości standaryzowane są w szeregach wartości. Im bardziej rezystor precyzyjny, tym więcej wartości szeregu. Dla popularnych rezystorów o tolerancji 5% dostępnych jest 24 wartości szeregu E24 + mnożniki (x0.1, x10,  x100…):

Symbol rezystora

10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91

Rezystor jest oznaczany na schematach spłaszczonym prostokątem lub zygzakami (oznaczenie amerykańskie) z dwoma wyprowadzeniami.

Prawo Ohma – rezystancja w akcji

Prawo Ohma to podstawowe prawo elektroniki – mówi ono o relacjach zachodzących między prądem, napięciem i rezystancją. Wzór opisujący to prawo ma postać:

I=U/R

Po przekształceniu otrzymujemy również:

U=I*R

R=U/I

I – prąd, U – napięcie, R – rezystancja

Dla przykładu przeanalizujmy jaki prąd będzie przepływał przez rezystory o wartości 10Ω i 4,7kΩ(4700Ω) jeśli napięcie przyłożone do nich to 5V.

I₁=5V/10Ω=0,5A

I₂=5V/4,7kΩ=0,0010A=1mA

Na symulacji 1 możesz zobaczyć skalę przepływu prądu przez rezystory o różnym oporze. Wniosek jest następujący – im mniejsza rezystancja, tym większy prąd przepływając przez nią. Inna zależność wynikająca z prawa to: im większe napięcie, tym większy prąd. Możesz to sprawdzić poprzez zabawę symulatorem – polecenia możesz wydawać przez menu kontekstowe (wymagana choć minimalna znajomość języka angielskiego). Więcej wiadomości o rezystorach (np. ich łączeniu) znajdziesz w następnej części kursu, teraz  poznasz inny element elektroniczny.

Dioda LED

Fot. 3 - Diody LED

Na fotografii 3 znajdują się diody LED, czyli diody służące do wytwarzania światła. Nie będę się o nich zbytnio rozpisywał, więcej dowiesz się przy okazji omawiania diod w jednej z następnych części. Co musisz wiedzieć? Dioda jest elementem biegunowym, czyli aby świeciła musi być podłączona w odpowiednią stronę. Zwykle końcówka, która ma być dołączona do “+” zasilania jest dłuższa od drugiej. Dioda potrzebuje do świecenia odpowiedniego napięcia – dla czerwonej jest to ok. 1,6V. Standardowo maksymalnym ciągłym prądem zasilania jest 20mA (0,02A).

Diody LED nie należy podłączać bez rezystora ograniczającego prąd. Pominięcie go może spowodować uszkodzenie się diody lub znaczne zmniejszenie się jej czasu i jasności świecenia

Bateria + rezystor + dioda = pierwszy układ elektroniczny

Czerwona dioda będzie zasilana napięciem 9V z baterii. Jak dobrać opornik by nie uległa uszkodzeniu? Od napięcia baterii należy odjąć napięcie, przy którym dioda zaczyna przewodzić prąd. Reszta to już tylko czyste prawo Ohma i związany z nim wzorek. Tak prezentują się obliczenia:

R=(9V-1,6V)/0,02A

R=7,4/0,02A

R=370Ω

Wartość 370Ω nie wchodzi w skład szeregu E24, najbliższe to 360Ω i 390Ω. W tym zastosowaniu lepsza będzie ta druga – prąd nie przekroczy 20mA.

Rys. 4 - Schemat

Schemat pokazany jest na rysunku 4, ale jak to wszystko zmontować? Kabelek od “+” baterii do rezystora. Jego druga nóżka do dłuższej nóżki diody. Krótsza nóżka diody do “-” baterii. Możesz to zobaczyć nafotografii 5. Rezystor może być z drugiej strony diody, czyli przy minusie baterii – nie robi to żadnej różnicy.

Fot. 5 - Montaż bez płytki, zwany też "na pająka"

Układ można zmontować na płytce - fotografia 6 - ale nie ma to większego sensu przy tak malej ilości elementów.

Fot. 6 - Montaż na kawałeczku płytki uniwersalnej

Fot. 7 - Montaż na płytce stykowej

Do eksperymentów szczególnie polecam płytkę stykową pokazaną na fotografii 7, którą można kupić w cenie od kilkunastu do kilkudziesięciu złotych, w zależności od wielkości. Jej główną zaletą jest to, że nie wymaga lutowania i elementy można szybko przepinać w odpowiednie miejsca.

Na koniec

I to by było na tyle, jeśli chodzi o tą część kursu. W następnej zajmiemy się dalej rezystorami, oraz nauczymy coś więcej o schematach. Proszę o komentarze i opinie o kursie – chcę podać informacje w jak najbardziej przystępny i łatwy do zrozumienia sposób. Jeśli coś jest niezrozumiałe lub masz z czymś problem, możesz zapytać w komentarzu lub na naszym forum. Aby nie przegapić następnego odcinka i innych artykułów, skorzystaj z RSS lub dodaj stronę do zakładek\ulubionych. Zachęcam do wykonania kilku prostych ćwiczeń, które są kilka linijek niżej.

Linki dla ciekawych:

• Rezystor

• Więcej o szeregach wartości

• Dioda LED

Ćwiczenia:

1. Co to jest napięcie i prąd? Jakimi jednostkami je mierzymy?

2. Jaka jest podstawowa cecha rezystora i co ona oznacza?

3. Oblicz wartość rezystora ograniczającego prąd do 10mA dla diody czerwonej zasilanej napięciem 5V. Jaka jest najbliższa wartość rezystora w szeregu E24?

Odpowiedzi:

1. Napięcie to różnica mieczy dwoma punktami układu elektrycznego. Mierzymy je w woltach (V). Prąd to uporządkowany ruch elektronów, jego wartość podajemy w amperach (A).

2. Rezystancja – zdolność do stawiania opory przepływowi prądu elektrycznego.

3. Przebieg obliczeń:

R=(5V-1,6V)/0,01A
R=3,4/0,01A
R=340Ω
Najbliższa wartość w szeregu to 330Ω.