Image138

Elektronika dla nieelektroników EdE

że napięcie i prąd są nierozłącznie związane. Owszem, często można i warto sobie wyobrażać, że przepływ prądu jest skutkiem obecności napięcia. Ale w innych koniecznie trzeba zrozumieć, że występowanie napięcia jest skutkiem przepływu prądu. Ściślej biorąc, należy powiedzieć: spadek napięcia na rezystancji jest skutkiem przepływu prądu. Tak jest też przy przepływie prądu przez przewody i ścieżki. Rzeczywiste ścieżki i przewody wykonane są z miedzi, która wprawdzie dobrze przewodzi prąd, ale ma też ma jakąś niewielką rezystancją. Prąd przepływając przez przewód, wywołuje powstanie na (maleńkiej) rezystancji tego przewodu jakiegoś niewielkiego spadku napiącia. W praktyce takie spadki napiąć na przewodach i ścieżkach zazwyczaj pomijamy, bo zwykle nie przeszkadzają w pracy układu, jednak mając czuły woltomierz, można je zmierzyć. Co ciekawe i ważne, zgodnie z prawem Ohma napięcie to jest wprost proporcjonalne do rezystancji i do płynącego prądu (U = I*R). Czyli te spadki napiącia występują tylko wtedy, gdy płynie prąd. Rysunek 12a pokazuje, że mówiąc o spadku napiącia na przewodzie, mamy na myśli napięcie, które występuje na końcach badanego odcinka przewodu. Małe rezystancje Ra, Rb reprezentują oporność rzeczywistych przewodów miedzianych. Na tych małych rezystancjach występują niewielkie spadki napięcia Ua i Ub. Trzeci woltomierz mierzy napięcie Uc występujące na obciążeniu Rc (intuicja podpowiada, że suma napięć Ua+Ub-Uc jest równa napięciu baterii, ale to inny temat). Rysunek 12b ilustruje sytuację, gdy przez rezystor Rc włączony w obwód kolektora tranzystora płynie prąd Jc. Jest to klasyczny przykład, gdy powinniśmy napięcie na rezystorze (U) wyobrażać sobie jako skutek przepływu prądu Ic przez rezystancję Rc. Mówimy, ze przepływ prądu wywołuje na rezystancji Rc spadek napięcia.

Rys. 12

W przyrodzie nic nie ginie...

Jeżeli w instalacji hydraulicznej wszystkie rury i urządzenia są szczelne, wtedy nie ma żadnych wycieków wody. Ilość wody przepływającej przez dowolne miejsce obwodu pokazanego na rysunku 2 jest jednakowa. Jest oczywiste, że w takim szczelnym systemie woda nie może zginąć i gdzieś się zawieruszyć. W obwodzie elektrycznym jest tak samo: prąd to ruch elektronów, więc w zamkniętym obwodzie prąd nie może zniknąć czy zmniejszyć swoją wartość. Ilustruje to rysunek 13. Jeśli obwód jest rozgałęziony, to suma prądów dopływających do danego punktu (węzła) zawsze jest równa sumie prądów odpływających, jak zostało to zilustrowane na rysunku 14. Ta oczywista zasada znana jest jako prądowe prawo Kirchhoffa.

lfd

Analogicznie napięcie w obwodzie elektrycznym nie może tajemniczo zniknąć. Już przy rysunku 12 narzuca się intuicyjny wniosek, że suma napięć (spadków napięć) na elementach zawsze jest równa napięciu źródła. Mówiąc nieco hardziej precyzyjnie, w zamkniętym obwodzie (oczku) suma napięć źródeł napięcia zawsze jest równa sumie spadków napięć na elementach.

Choć w codziennej praktyce nie jest to wykorzystywane, warto wiedzieć, że na schematach niekiedy zaznacza się napięcia źródeł i spadki napięć na elementach za pomocą strzałek. Grot strzałki zawsze wskazuje punkt o wyższym potencjale, czyli potocznie mówiąc - plus. Prosty przypadek ilustrujący omówione właśnie napięciowe prawo Kirchhoffa pokazany jest na rysunku 15.

Moc

Prąd elektryczny niesie pewną energię. Prąd przepływając przez rezystancję, powoduje wydzielanie się ciepła. Energia elektryczna zamienia się w energię cieplną. Zazwyczaj interesuje nas energia w jednostce czasu, czyli moc. Moc oznaczamy zwykle literą P, a jednostką mocy jest wat (W). Energię zasadniczo wyrażamy w dżulach (J). ale w elektronice częściej w watosckundach (lWs ~ 1J) lub w watogodzinach (lWh = 3600Ws = 36U0J).

Znając napięcie na elemencie i płynący przezeń prąd. można łatwo obliczyć moc, która z postaci elektrycznej zamieni się na ciepło i wydzieli się w elemencie jako tzw. moc strat cieplnych P - U*I

W podręcznikach często podaje się wzór na moc cieplną, tak zwane ciepło Joule’a (dżula):

P = I²*R

Warto też pamiętać trzecią postać wzoru na moc:

P = U² / R

Na rysunku 16 pokazane jest koło zawierające dodatkowo przekształcone postacie tych pożytecznych wzorów.

Efektem wydzielania mocy strat cieplnych jest wzrost temperatury elementu, przez który płynie prąd i na którym występuje napięcie. W praktyce jest to bardzo istotne, ponieważ elementy elektroniczne mają ograniczony zakres temperatur pracy. Na przykład struktury czynne tranzystorów i układów scalonych nie powinny mieć temperatury wyższej niż + 150°C. Przy wyższej temperaturze struktury elementy takie szybko ulegają uszkodzeniu. Aby temu zapobiec, tranzystory mocy i układy scalone mocy (np. wzmacniacze, stabiliza tory) muszą współpracować z odpow iednim radiatorem, który rozprasza ciepło do otoczenia i nie pozwala na wzrost temperatury powyżej dopuszczalnej granicy.

Piotr Górecki

Cios dalszy nastąpi.

Elektronika dla Wszystkich Wrzesień 2005 25