Manuální, technická a elektrozručnost Realizace praktických úloh zaměřených na dovednosti v oblastech: Vybavení elektrolaboratoře Schématické značky, základy pájení Fyzikální principy činnosti základních elektrosoučástek Základní pojmy a veličiny Řešení úloh s elektrickými obvody s použitím Ohmova zákona Zapojování elektrických obvodů podle schématu Praktické použití polovodičových součástek Měření základních elektrických veličin Scénář č. 7 Zapojování elektrických obvodů podle schématu, řešení úloh s použitím Ohmova zákona Klíčové pojmy: Skica, schéma zapojení, řazení elektrosoučástek (rezistorů, kondenzátorů a diod), sériové zapojení, paralelní zapojení, anoda- katoda LED diody, propustný-závěrný směr, schématické značení, předřadný ochranný odpor R [Ω] dle Ohmova zákona v obvodu LED diody, samoblikající LED 1. Základní pojmy Elektronické součástky zapojujeme do elektrických obvodů. Jednotlivé elektronické součástky pro jednoduchost znázorňujeme schématickými značkami o kterých jsme se již v tomto kurzu zmínili. LED dioda: Každý elektrický obvod má svou specifickou funkci, kterou využíváme. K lepšímu pochopení činnosti obvodu si můžeme elektrický obvod schématicky zakreslit. Datum: 8.10.2011 Scénář 7/ Obor V2.x strana 1/ ze 6
Jednoduché obvody lze zakreslit i z ptačí perspektivy jako skicu. Je to znázorněno například na následujícím obrázku. Taková skica není však moc vhodná. Je málo čitelná a těžko se v ní orientuje. Proto se zavedl jednotný způsob schématického kreslení elektrických obvodů. V předchozím uvedený příklad zapojení elektrického obvodu lze jednoduše překreslit: Dioda LED je zapojena v jednoduchém obvodu se zdrojem napětí 5 V a sériovým předřadným ochranným odporem 180 Ω. Předřadný odpor je nezbytný, protože LED je zapojena v propustném směru (má minimální odpor) a představuje v obvodu zkrat. Úbytek napětí na diodě je 1 až 3 V, podle barvy světla diody. Napájecí napětí se volí vždy vyšší než napětí, které zůstane na diodě. Rozdíl těchto napětí se zachytí na předřadném odporu. Tento odpor zároveň určuje proud, který teče LED diodou. Na tomto proudu zase závisí jas, kterým svítí dioda. Má-li například dioda LED pracovat při napětí 5 V s proudem 20 ma, pak při použití červené diody můžeme počítat s úbytkem napětí Datum: 8.10.2011 Scénář 7/ Obor V2.x strana 2/ ze 6
na diodě asi 1,6 V. Na předřadném odporu R1 tedy musí vzniknout úbytek napětí rovný rozdílu mezi napájecím napětím 5 V a napětím 1,6 V. 5 V 1,6 V = 3,4 V Požadovanou hodnotu předřadného odporu vypočteme podle Ohmova zákona: 3,4 / 0,02 = 170 Ω Ve schématu je uvedeno 180 Ω, což je nejbližší hodnota v normované řadě E. K vyzkoušení je možné namísto napájecího zdroje napětí 5 V použít i plochou baterii 4,5 V. Zvláště u složitých obvodů se bez kreslení schémat neobejdeme. Protože chceme, aby i technická veřejnost tomuto zakreslení rozuměla, používáme obecně známých symbolů dle platné české normy. 2. Řazení rezistorů 2.1 Sériové řazení rezistorů Při sériovém řazení teče všemi rezistory stejný proud a napětí se rozloží na každý rezistor podle Ohmova zákona. Celkový odpor Rc je tedy dán součtem (sumou) jednotlivých odporů. 2.2 Paralelní řazení rezistorů Při paralelním řazení je na všech rezistorech stejné napětí a proud se dělí podle Ohmova zákona. Celkový odpor Rc je dán součtem vodivostí (admitancí), tedy převrácených hodnot jednotlivých odporů (1/R). Datum: 8.10.2011 Scénář 7/ Obor V2.x strana 3/ ze 6
3. Řazení kondenzátorů 3.1 Sériové řazení kondenzátorů Sériovým zapojením dvou a více kondenzátorů se celková kapacita snižuje. Převrácenou hodnotu výsledné kapacity lze vypočítat jako součet převrácených hodnot jednotlivých kapacit. 3.2 Paralelní řazení kondenzátorů Paralelním zapojením kondenzátorů se celková kapacita zvyšuje. Výsledná kapacita se vypočte součtem jednotlivých kapacit: 4. Řazení LED diod Diody lze obecně řadit do série i paralelně. 4.1 Sériové zapojení LED Při sériovém zapojení se jejich úbytky napětí sčítají. Musíme použít tedy vyšší napájecí napětí. Pokud budou výrobní parametry diod shodné, budou také svítit stejně. V opačném případě budou svítit rozdílně. Totéž platí i pro paralelně zapojené diody. Proud I je u všech součástek stejný. Un = ULED1 + ULED2 + ULED3 + UR R = UR / I Rozdíly v intenzitě světla však nemusí být odvozovány z různosti proudů, neboť různé polovodivé materiály vykazují různý zisk světla (účinnost) a za druhé lidské oko vnímá různé barvy světla s různou citlivostí. Proto se každá LED dioda zapojuje s vlastním předřadným odporem, kterým nastavíme svítivost každé diody samostatně. Datum: 8.10.2011 Scénář 7/ Obor V2.x strana 4/ ze 6
4.2 Paralelní zapojení LED Pokud připojíme k diodě D1 další jednu nebo dvě diody, musí se proud rozdělit do dvou nebo tří větví. Podle Kirchhoffova zákona se proud tekoucí do uzlu rovná součtu proudů tekoucích z uzlu do všech větví. Svítivost všech diod poklesne, některé i zhasnou pokud proud nedosáhne jmenovitých hodnot. Když chceme, aby současně svítily různé LED (s jiným napětím) stejně, musíme každou LED napájet přes samostatný rezistor. Hodnotu R1 až Rn vypočítáme podle nám už známých výpočtů pro samostatnou LED diodu. Datum: 8.10.2011 Scénář 7/ Obor V2.x strana 5/ ze 6
Chceme-li například (pro UB= 4,5 V, ULED = 3,5 V) vypočítat předřadný odpor R pro 20 ma LED diodu, dosadíme: Podobně pro 25 ma LED diodu bude ochranný předřadný odpor R mít hodnotu: Chceme-li přesně popsat vlastnosti konkrétní LED diody, musíme znát její takzvanou voltampérovou charakteristiku. Tu zjistíme měřením. Měření provádíme jak v propustném, tak i závěrném směru. Příklad průběhu V-A charakteristiky diody je na následujícím obrázku. Novinkou na trhu jsou samoblikající LED diody. Pouhým přiložením napájecího napětí LED dioda bliká s frekvencí zhruba 1 Hz. Součástí diody je přerušovací obvod implantovaný do pouzdra diody. Zapojíme-li do série se samoblikající LED diodou další klasické LEDky, bude celý řetězec spínán frekvencí samoblikající LED diody. Všechny do série zapojené LEDky budou blikat shodně. Datum: 8.10.2011 Scénář 7/ Obor V2.x strana 6/ ze 6