Podstawy elektroniki - niezbędnik każdego modera

Rezystory.

Rezystory - Ohm ój B.O.R.ze !!! -oporniki na blat!

Rezystory, zwane również opornikami ( określenie z dawnych czasów), zaliczane są do elementów biernych. Podstawowym parametrem oporników jest rezystancja podawana w omach (od nazwiska jednego kolesia, co psuje krew studentom) i jednostkach wyższych rzędów, czyli "kilo omach" i "mega omach". Można powiedzieć, że rezystancja to zdolność od przeciwstawiania się przepływowi prądu.
Oporniki posiadają też określoną moc, której przekroczenie powoduje nadmierne grzanie się elementu i może być przyczyną jego uszkodzenia. Najpopularniejsze są oporniki o mocach 1/4 i 1/8 W (0,25 i 0,125 W). Stosuje się je powszechnie w elektronice, gdzie nie ma dużych prądów i napięć, a zatem również mocy. Oporniki nieco większe (0,5 - 2 W) można stosować do ograniczania prądu np. na wiatraczkach w PC. Mocniejszych oporników używa się sporadycznie. Moc opornika można określić "na oko" po jego rozmiarach. Oporniki 1/8W są maciupkie, mają około 4 mm długości, 1/4W są około 2 razy dłuższe i nieco szersze (te są najpowszechniejsze), 1 W to około 1,5 cm i średnica jakieś 5 mm, 1-2W to już spore bydle o długości 2 cm i średnicy około 7-10 mm. Oczywiście wszystkie wymiary podałem nie licząc wyprowadzeń, których opornik posiada 2 sztuki i jest absolutnie obojętne, które się gdzie przylutuje - nie da się przylutować opornika odwrotnie ;).

Nieco inaczej jest z opornością, tu już nie ma nic "na oko". Część oporników ma podaną oporność w postaci napisu, ale na większości jest ona zakodowana kolorowymi paskami. Kody poszczególnych kolorów podaje tabelka:

Sporadycznie pojawiają się rezystory z trzema paskami, zazwyczaj jest ich cztery lub pięć . Poniżej przykład obliczania oporności opornika z czterema paskami:

1. pasek - brązowy = 1,
2. pasek - czarny = 0,
3. pasek - czerwony = 100,
4. pasek - złoty = +/- 10%,
tak więc mamy: 1k ohm (10*100) i tolerancję 5% (rozbieżność podanej rezystancji).

A z pięcioma paskami mamy:
1. pasek - czerwony = 2,
2. pasek - czerwony = 2,
3. pasek - czarny = 0,
4. pasek - pomarańcz = 1k,
5. pasek - srebrny = +/- 10%,
co daje: 220k ohm (220*1k) i tolerancję 10%.

Wartości rezystorów są znormalizowane. Najpopularniejsze rezystory węglowe mają wartości rezystancji pochodzące z 5-procentowego szeregu E24. Jak korzystać z powyższej tabelki?
Wartość 10 oznacza, że są dostępne rezystory: 1R, 10R, 100R, 1k, 10k, 100k, 1M, 10M. Podobnie z innymi wartościami - 47 oznacza rezystancje zarówno 470R jak i 47k. Pozostałe wartości są analogiczne.
Tolerancja 5% oznacza, że rezystancja danego rezystora może odbiegać od tej deklarowanej na obudowie o 5% wartości. Czyli rezystor 1k 5% może mieć wartość z zakresu 950...1050R. Nie należy się tym przejmować, ponieważ w typowych zastosowaniach nie ma to większego znaczenia (podobnie, gdy nie możesz kupić potrzebnego rezystora - po prostu zastosuj jakąś zbliżoną wartość np. zamiast 4,7k możesz wykorzystać 5,1k). Do układów precyzyjnych stosuje się rezystory metalizowane o tolerancji 1%. Na razie możesz jednak o tym zapomnieć.

Łączenie rezystorów - rezystancja wypadkowa.

Są dwie podstawowe metody łączenia rezystorów:

To samo nazewnictwo typów połączeń dotyczy wszystkich innych elementów. W przypadku oporników zastępczą rezystancję dla połączenia szeregowego (czyli jaki pojedynczy opornik zastąpiłby połączone dwa) obliczamy po prostu sumując oporności obu np.:

100K + 220K = 320K

Z połączeniem równoległym jest nieco trudniej. Ogólny wzór dla dowolnej liczby oporników połączonych równolegle wygląda tak:

1/R = 1/r1 + 1/r2 + ...

Czyli odwrotność wypadkowej rezystancji jest równa sumie odwrotności wszystkich składowych. To tylko tak źle wygląda - liczy się dość prosto tyle tylko, że trzeba sprowadzać do wspólnego mianownika wszystkie odwrotności rezystancji składowych. Następnie dzielimy jeden przez otrzymany wynik i już mamy rezystancję wypadkową. Istnieje także uproszczony wzór dla przypadku, gdzie mamy tylko dwa rezystory i wygląda tak:

R = (r1 * r2) / (r1 + r2)

Moc rezystorów zwyczajnie sumujemy niezależnie od sposobu połączenia.

Potencjometry

Specyficzną odmianą oporników są potencjometry, czyli rezystory zmienne. Jest ich bardzo wiele rodzajów, głównie sklasyfikowanych ze względu na to czy są przeznaczone do montażu na płytce lub przykręc ania do obudowy. Najpopularniejszymi do montażu w obudowie są potencjometry potocznie zwane obrotowymi. Obracają się o niecałe 360 stopni zmieniając tym samym rezystancję między środkową nóżką, a pozostałymi dwiema bocznymi. Tak jak napisałem, każdy potencjometr ma trzy nóżki, dwie skrajne są dołączone do przeciwległych końców specjalnie dobranej warstwy węgla i metali wyznaczającej całkowitą oporność potencjometru (czyli jednym słowem te dwie nóżki są analogicznymi do 2 nóżek zwykłego opornika). Trzecia, środkowa nóżka połączona jest z suwakiem przesuwającym się po wspomnianej warstwie oporowej i dzięki temu oporność między tą nóżką a pozostałymi dwiema z osobna może ulec zmianie.
Poza tym mamy także potencjometry suwakowe (zmiana oporności na zasadzie przesuwania góra-dół), ale trudniej jest je "wpakować" do obudowy, ponieważ trzeba wycinać szczelinę na suwak.

Na identycznej zasadzie działają potencjometry obrotowe przeznaczone do druku (czyli na płytkę) czasem zwane "peerkami" lub "podkowami" ze względu na swój kształt. Najczęściej mają one dwie nóżki (skrajne), z tyłu, a środkową wysuniętą na przód lub wszystkie trzy w rzędzie.

Istnieją także bardziej precyzyjne potencjometry zwane wieloobrotowymi lub helitrimami. Popularniejsze są w wersji do druku. Ze względu na bardziej skomplikowaną budowę, wersje do obudowy są znacznie droższe od zwykłych potencjometrów. Jak sama nazwa wskazuje ich oś można obracać wielokrotnie, powodując niewielkie zmiany rezystancji. Potencjometr taki (do druku) wygląda jak długi prostopadłościan ze śrubką na jednym z małych boków, ale w sprzedaży są też wersje w postaci kostek niewiele większych od normalnych potencjometrów montażowych (są przy tym trochę droższe).

Niezależnie od budowy , wszystkie potencjometry mają niewielką moc (egzemplarze dużej mocy występują rzadko i są wykorzystywane w specyficznych zastosowaniach) i dlatego nie można nimi bezpośrednio regulować większych prądów i napięć (dlatego nie używa się samych potencjometrów do regulacji napięcia wentylatora!).

Co za dużo to nie zdrowo - ograniczenie prądowe i napięciowe.

Skoro wiemy już co to są oporniki, pora przejść do ich najprostszego, a za razem najpopularniejszego w moddingu zastosowania, czyli ograniczania prądu i napięcia.
Często zdarza się, że chcemy wyciszyć na stałe jakiś wentylator. Można do niego podłączyć niższe napięcie zasilania, ale niekoniecznie musi się nam chcieć prowadzić inne przewody. Najprościej jest zastosować ograniczenie prądu (a tak naprawdę również napięcia) w postaci jednego opornika:

Opornik o odpowiednio wyliczonej rezystancji (o czym za chwilkę) włączamy w szereg z wentylatorem. Opornik taki powinien mieć nieco większą moc niż standardowe 1/4W gdyż wentylator pobiera dość dużo prądu. Prąd, jaki chcemy uzyskać będzie zależał od oporności zastosowanego opornika i od napięcia, na jakim pracuje nasz wentylatorek. Wzór na oporność będzie zatem wyglądał tak:

R = U / I

gdzie R oznacza liczoną oporność, U napięcie zasilania , a I pożądany prąd. Dla przykładu mamy wentylatorek pobierający 0,26 A (Ampera , od kolejnego człowieka niechętnego studentom) czyli 260 mA (m - mili) i działającego na napięciu 12V. Chcemy ograniczyć ten prąd, załóżmy do 150 mA. Tak więc :

R = 12V / 0,15A = 80om.

Jak widzimy opornik musi mieć wartość mniej więcej 80 omów (mniej więcej, bo kilka omów nie zrobi wielkiej różnicy, kupujemy np. opornik 75 om). W tym miejscu dokonałem pewnego uproszczenia pomijając oporność wentylatora, ale ze względu na dość skomplikowane zagadnienia z tym związane można to pominąć i ewentualnie zastosować rezystor o nieco mniejszym oporze. Moc opornika wyliczymy z innego prostego wzoru:

P = U * I

Daje nam to 1,8W (wata) czyli kupujemy opornik dwu watowy o oporności około 80 om. Nadmienię jeszcze, że jeśli nie mamy takiego opornika, możemy połączyć równolegle dwa oporniki po około 160 ohmów o mocy 1W (moce się dodadzą, a oporność wyniesie równo 80 om). Tak to wygląda teoretycznie, a w praktyce włączałem w szereg z wentylatorem oporniki o mocy 0 , 5W i choć grzały się niemiłosiernie to wszystko pracowało bezawaryjnie ;-).

Obliczenia - podstawowe wzory i jednostki.

Skoro już jesteśmy przy obliczeniach, to musisz wiedzieć, że podstawowym i najważniejszym prawem w elektronice jest prawo Ohma. Koniecznie musisz się nauczyć wzoru na prąd płynący przez obciążenie (I=U/R) oraz na moc (P=U*I). Będziesz z nich często korzystał. Pozostałe wzory to przekształcenia powyższych.

NE555: Na zakończenie tego podrozdziału jeszcze mały przykład praktyczny na prawo Ohma:

Dzielnik napięcia.

Czasem zamiast ograniczać prąd, chcemy zmniejszyć napięcie na danym elemencie. Wykonuje się to najprościej za pomocą dzielnika napięciowego zbudowanego z dwóch rezystorów. Dzielnik taki wygląda następująco:

W miejscu oznaczonym "Uwe" podłączamy napięcie pierwotne np. 12V. Stosunek dwóch oporności wyznaczy nam napięcie na wyjściu, zgodnie ze wzorem:

Uwy = (Uwe * R2) / (R1 + R2)

Przykładowo chcemy otrzymać napięcie 7V z 12V. Wybieramy sobie jakąś wartość R2 np. 10k i dobieramy R1:

7V = (12V * 10k) / (10k + R1)
R1 = [(12V * 10k) / 7V] - 10k
R1 = 7,1k

Nie trudno zauważyć, że taki sam efekt otrzymamy biorąc oporniki 100om i 71om, lub jeszcze inne, byleby ich stosunek był taki sam. Różnica polega na prądzie, jaki będzie przepływał przez dzielnik - im mniejsze wartości oporników tym większy prąd (ale też i rezystory będą się bardziej grzały).
Stosuje się zasadę, że prąd pobierany z dzielnika powinien być co najmniej dziesięć razy mniejszy od prądu dzielnika. Dzielnik ma niedużą wydajność prądową, dlatego rozwiązanie takie należy stosować tylko wtedy, gdy mamy do czynienia z niewielkimi prądami (np. jeden LED lub jakiś tranzystor).

W roli regulowanego dzielnika może pracować potencjometr, jak pokazuje rysunek b). Potencjometry są powszechnie stosowane do regulacji głośności. Używa się wtedy potencjometrów 10k lub 100k, ale o charakterystyce wykładniczej. Dają one wrażenie bardziej równomiernej regulacji. Wszystkie potencjometry montażowe mają charakterystykę liniową.

Prawa Kirchhoffa.

Prawa Kirchhoffa są, obok prawa Ohma, jednymi z najważniejszych praw w elektronice. Mówią one nam o napięciach o raz o rozpływie prądu w obwodzie elektrycznym.

Każdy obwód elektryczny (nawet bardzo rozbudowany) możemy podzielić na tzw. oczka, czyli pojedyncze, zamknięte obwody (jak na rysunku). Przy rozpatrywaniu tego typu układów warto stosować kilka reguł:

• Zaznaczamy na schemacie kierunek przepływu prądu. Może być on dowolny (w obliczeniach zmienia to tylko znak), ale umownie przyjmuje się, że prąd płynie od plusa do minusa.

• Nad każdym rezystorem rysujemy pomocnicze strzałki wskazujące punkt o wyższym potencjale (na rysunku – plus baterii).

• Rysujemy strzałkę informującą, w którym kierunku będziemy się poruszać po obwodzie.

Po co to wszystko? Już wyjaśniam. Gdy „idziemy” wzdłuż obwodu i sumujemy napięcia to gdy strzałka nad rezystorem ma zwrot zgodny z kierunkiem naszego ruchu, to zapisujemy napięcie na tym rezystorze ze znakiem +, gdy strzałka jest przeciwna do naszego ruchu to dajemy znak minus.
Czyli w przypadku jak na rysunku, siłę elektromotoryczną E zapisujemy ze znakiem plus (ponieważ „idziemy” od potencjału niższego do wyższego), a napięcia U1 i U2 ze znakiem minus (ponieważ strzałki nad rezystorami są przeciwnie skierowane). U1 i U2 określają spadek napięcia na rezystancjach i można je policzyć z prawa Ohma: U1 = I * R1 oraz U2 = I * R2.
Ostatecznie, sumę napięć w obwodzie jak na rysunku możemy zapisać:

E - U1 - U2 = 0 <=> E - I*R1 – I*R2 = 0

Co pozwala nam obliczyć nieznaną wartość napięcia, rezystancji lub prądu (w zależności od rozpatrywanego problemu).