Ohmin laki selitettynä: jännite, sähkövirta ja LED-vastukset.

Kolme suuretta, jotka kuvaavat jokaista virtapiiriä.

Johtimessa liikkuvaa sähkövarausta kutsutaan sähkövirraksi. Jokin saa sen liikkeelle, ja se jokin on jännite. Myös jokin estää sen kulkua, ja sitä kutsutaan resistanssiksi.

• Jännite (V), jonka yksikkö on voltti, on energiaa, jonka jokainen varausyksikkö saa kulkiessaan lähteen, kuten pariston, läpi. Se on työntävä voima.
• Sähkövirta (I), jonka yksikkö on ampeeri (A), kertoo, kuinka paljon varausta kulkee tietyn pisteen ohi sekunnissa. Se on virtaus.
• Resistanssi (R), jonka yksikkö on ohmi (Ω), kertoo, kuinka voimakkaasti jokin osa vastustaa tätä virtausta.

Vesivertaus auttaa aluksi: jännite on kuin paine, sähkövirta on kuin putkessa virtaavan veden nopeus ja resistanssi on kuin putken kapea kohta. Kuten kaikilla vertauksilla, sillä on rajat, mutta se auttaa ymmärtämään, miten nämä kolme riippuvat toisistaan.

Turvallisuudesta: kaikki tässä käsiteltävä liittyy pienjännitteisiin, paristotasolla toimiviin piireihin. Kotitalouksien verkkosähkö on vaarallista, eikä sen kanssa pidä kokeilla, joten tämä opas ja laboratorio eivät käsittele sitä.

Ohmin laki: yksi yhtälö, kolme vastausta.

Monilla tavallisilla vastuksilla niiden yli olevan jännitteen kaksinkertaistaminen kaksinkertaistaa niiden läpi kulkevan virran. Tämä suoran viivan mukainen riippuvuus on Ohmin laki:

V = I × R

Kun kaava järjestetään uudelleen, se vastaa kolmeen eri kysymykseen:

• Tarvitsetko jännitteen? V = I × R
• Tarvitsetko virran? I = V / R
• Tarvitsetko resistanssin? R = V / I

Nopea esimerkki: 9 V:n paristo 450 Ω:n vastuksen yli antaa virraksi I = 9 / 450 = 0.02 A, mikä on 20 milliampeeria. Kun muutat mitä tahansa näistä kolmesta luvusta, muutkin muuttuvat sen mukaisesti.

Ohmin laki kuvaa tietynlaista komponenttia, ohmista vastusta, suunnilleen vakio-olosuhteissa. Kaikki komponentit eivät noudata sitä. Yksi niistä on LED, johon tutustumme seuraavaksi.

Lukujen tulkitseminen: milliampeereja, kilohmeja ja värikoodit

Oikeissa virtapiireissä käytetään jatkuvasti etuliitteitä. 1 mA on ampeerin tuhannesosa. 1 kΩ on tuhat ohmia. Yksiköiden sekoittaminen on yleisin virhe kaavaa V = I × R käytettäessä, joten muunna yksiköt ensin: 20 mA muuttuu muotoon 0,02 A ennen jakamista.

Pienissä vastuksissa on painettujen numeroiden sijaan rivi väriraitoja. Yleisessä neljän raidan mallissa kaksi ensimmäistä raitaa ovat numeroita, kolmas on kerroin ja neljäs toleranssi, joka kertoo, kuinka paljon todellinen arvo voi poiketa. Esimerkiksi ruskea, musta ja punainen tarkoittavat 1:tä, 0:aa ja sitten kerrointa ×100, joten tulos on 1 kΩ.

Sinun ei tarvitse opetella koko värikoodia ulkoa heti aluksi. Muutaman vastuksen lukeminen laboratoriossa, kunnes kuvio alkaa hahmottua, toimii paremmin kuin taulukon opettelu.

Miksi LED-diodia ei voi kytkeä suoraan paristoon

Tavallisen vastuksen läpi kulkeva virta kasvaa tasaisesti jännitteen kasvaessa. LED (valodiodi) ei toimi näin. Tietyn jännitteen alapuolella, jota kutsutaan kynnysjännitteeksi, se päästää läpi lähes olemattoman määrän virtaa. Juuri tämän jännitteen yläpuolella virta kasvaa erittäin jyrkästi pienestäkin jännitteen lisäyksestä.

Siksi pelkän LEDin kytkeminen paristoon on riski: paristo syöttää edelleen virtaa, virta kasvaa paljon suuremmaksi kuin LED kestää, ja LED voi rikkoutua lähes heti. LEDissä ei ole sisäänrakennettua tapaa sanoa "riittää".

Ratkaisu on lisätä sarjaan kytketty virtaa rajoittava vastus. Koska saman virran on kuljettava molempien komponenttien läpi, vastus ottaa jännitteen, jota LED ei tarvitse, ja rajoittaa virtaa Ohmin lain avulla.

Vastuksen valinta: esimerkki

Oletetaan, että punaisen LEDin myötäjännite on noin 2 V ja haluat sen läpi noin 15 mA:n virran 5 V:n virtalähteellä.

1. Selvitä vastukselle jäävä jännite: 5 V − 2 V = 3 V.
2. Jaa se haluamallasi virralla: R = 3 / 0.015 = 200 Ω.
3. Valitse lähin vakiovastus, joka ei ole tätä pienempi, esimerkiksi 220 Ω. Virrasta tulee hieman pienempi ja LEDistä hieman himmeämpi, mikä on turvallinen suunta erehtyä.

Voimme myös selvittää, kuinka paljon tehoa vastus käsittelee. Teho on P = V × I, joten 3 V × 0.015 A = 0.045 W, mikä on reilusti pienen vastuksen nimellistehon rajoissa.

Tarkista aina LEDin omista tiedoista sen myötäjännite ja suositeltu virta. Yllä olevat luvut ovat tyypillisiä, eivät yleispäteviä.

Vältettävät virheet

• Muunnosten unohtaminen. Milliampeerit ja kilo-ohmit pitää muuntaa ampeereiksi ja ohmeiksi ennen jakolaskua.
• Vastuksen kytkeminen rinnakkain. Jotta virran raja-arvo toimisi, vastus pitää kytkeä sarjaan, samaan virtapiiriin LEDin kanssa.
• LEDin kytkeminen väärin päin. LED johtaa virtaa vain yhteen suuntaan. Jos se pysyy pimeänä, kokeile kääntää se toisin päin ennen kuin epäilet laskuja.
• Ohmin lain pitäminen yleispätevänä. Se pätee vastuksiin, ei kaikkiin virtapiirin osiin.
• Ajatus, että ”pienempi vastus on turvallisempi”. LEDin kohdalla asia on päinvastoin: pienempi vastus päästää läpi enemmän virtaa.

Miten tätä voidaan tutkia laboratoriossa?

Elektroniikka & Arduino -laboratoriossa voit rakentaa ja mitata näitä virtapiirejä ilman laitteita. Järkevä etenemisjärjestys ilmaisen ensimmäisen maailman läpi:

1. Aloita osiosta Jännite, virta, vastus, jotta opit erottamaan nämä kolme käsitettä toisistaan.
2. Testaa yhtälöä osiossa Ohmin laki käytännössä ja harjoittele sitten kolmea muunnosta osiossa Ohmin lain muokkaaminen.
3. Tutustu LEDin toimintaan osiossa LED.
4. Suojaa se osiosta Virtaa rajoittavat vastukset opittavalla tavalla.
5. Päätä osioon Teho ja watit, jossa näet, kuinka paljon lämpöä vastus käsittelee.

Laboratorio on ihanteellisiin komponentteihin perustuva yksinkertaistettu opetusmalli, joten oikeat komponentit toimivat yksityiskohdissa hieman eri tavalla. Käytä omissa kokeiluissasi vain pienjänniteparistoja ja USB-tason virtalähteitä.