Prawo Ohma wyjaśnione: napięcie, prąd i rezystory LED

Trzy wielkości opisujące każdy obwód

Ładunek elektryczny przemieszczający się przez przewodnik nazywa się prądem. Coś musi wprawiać go w ruch — tym czymś jest napięcie. Coś również utrudnia jego przepływ — to opór elektryczny.

• Napięcie (V), mierzone w woltach, to energia przekazywana każdej jednostce ładunku podczas przechodzenia przez źródło, takie jak bateria. To siła napędzająca.
• Prąd (I), mierzony w amperach (A), to ilość ładunku przepływającego przez dany punkt w każdej sekundzie. To przepływ.
• Opór elektryczny (R), mierzony w omach (Ω), mówi, jak silnie dany element przeciwstawia się temu przepływowi.

Na początek pomaga analogia z wodą: napięcie przypomina ciśnienie, prąd przypomina szybkość przepływu przez rurę, a opór przypomina zwężony odcinek rury. Jak każda analogia ma ona swoje granice, ale dobrze pokazuje, jak te trzy wielkości zależą od siebie.

Uwaga dotycząca bezpieczeństwa: wszystko tutaj dotyczy obwodów niskonapięciowych, zasilanych bateriami. Domowa sieć elektryczna jest niebezpieczna i nie należy z nią eksperymentować, dlatego ten poradnik ani pracownia się nią nie zajmują.

Prawo Ohma: jedno równanie, trzy odpowiedzi.

W przypadku wielu zwykłych rezystorów podwojenie napięcia na ich zaciskach powoduje podwojenie natężenia prądu, który przez nie płynie. Ta zależność liniowa to prawo Ohma:

V = I × R

Po przekształceniu wzór pozwala odpowiedzieć na trzy różne pytania:

• Potrzebujesz napięcia? V = I × R
• Potrzebujesz natężenia prądu? I = V / R
• Potrzebujesz rezystancji? R = V / I

Szybki przykład: bateria 9 V podłączona do rezystora 450 Ω daje I = 9 / 450 = 0.02 A, czyli 20 miliamperów. Zmień dowolną z tych trzech liczb, a pozostałe dostosują się do niej.

Prawo Ohma opisuje konkretny rodzaj elementu, nazywany rezystorem omowym, w przybliżeniu stałych warunkach. Niektóre elementy go nie spełniają — jednym z nich jest dioda LED, którą za chwilę poznamy.

Odczytywanie wartości: miliampery, kiloomy i oznaczenia kolorystyczne.

W prawdziwych obwodach prefiksy są używane cały czas. 1 mA to jedna tysięczna ampera. 1 kΩ to tysiąc omów. Mieszanie jednostek to najczęstszy błąd przy używaniu V = I × R, dlatego najpierw je przelicz: 20 mA zmienia się na 0,02 A, zanim wykonasz dzielenie.

Małe rezystory mają rząd pomalowanych pasków zamiast nadrukowanych liczb. W popularnym układzie czterech pasków dwa pierwsze oznaczają cyfry, trzeci jest mnożnikiem, a czwarty określa tolerancję, czyli informuje, jak bardzo rzeczywista wartość może się różnić. Na przykład brązowy, czarny i czerwony oznaczają kolejno 1, 0, a następnie ×100, czyli 1 kΩ.

Nie musisz zapamiętać całego kodu pierwszego dnia. Odczytywanie kilku rezystorów w pracowni, aż wzór stanie się jasny, działa lepiej niż nauka z tabeli.

Dlaczego diody LED nie można podłączać bezpośrednio do baterii.

Zwykły rezystor pozwala, by natężenie prądu płynnie rosło wraz ze wzrostem napięcia. LED (dioda elektroluminescencyjna) działa inaczej. Poniżej pewnego napięcia, zwanego napięciem przewodzenia, prawie wcale nie przepuszcza prądu. Tuż powyżej tego napięcia natężenie bardzo szybko rośnie przy nawet niewielkim dodatkowym wzroście napięcia.

Dlatego podłączenie samej diody LED do baterii jest ryzykowne: bateria nadal wymusza przepływ prądu, jego natężenie rośnie znacznie powyżej wartości, do której dioda LED została zaprojektowana, i dioda może niemal od razu ulec uszkodzeniu. Dioda LED nie ma wbudowanego sposobu, by powiedzieć „wystarczy”.

Rozwiązaniem jest dodanie rezystora ograniczającego prąd szeregowo. Ponieważ przez oba elementy musi płynąć to samo natężenie prądu, rezystor przejmuje napięcie, którego dioda LED nie potrzebuje, i dzięki prawu Ohma ogranicza natężenie prądu.

Dobór rezystora: przykład

Załóżmy, że czerwona dioda LED ma napięcie przewodzenia wynoszące około 2 V, a Ty chcesz, by płynęło przez nią około 15 mA, korzystając z zasilania 5 V.

1. Oblicz napięcie pozostające dla rezystora: 5 V − 2 V = 3 V.
2. Podziel je przez żądane natężenie prądu: R = 3 / 0.015 = 200 Ω.
3. Wybierz najbliższą standardową wartość, która nie jest mniejsza, na przykład 220 Ω. Natężenie prądu będzie wtedy nieco mniejsze, a dioda LED trochę ciemniejsza — to bezpieczniejszy kierunek pomyłki.

Możemy też obliczyć, jaką moc musi wytrzymać rezystor. Moc to P = V × I, więc 3 V × 0.015 A = 0.045 W, co z dużym zapasem mieści się w zakresie mocy małego rezystora.

Zawsze sprawdzaj dane konkretnej diody LED dotyczące jej napięcia przewodzenia i zalecanego natężenia prądu; powyższe wartości są typowe, ale nie uniwersalne.

Częste błędy, których należy unikać.

• Zapominanie o przeliczaniu jednostek. Miliampery i kilo omy trzeba przeliczyć na ampery i omy przed dzieleniem.
• Podłączanie rezystora równolegle. Aby ograniczenie prądu działało, rezystor musi być podłączony szeregowo, w tej samej pętli co dioda LED.
• Podłączanie diody LED odwrotnie. Dioda LED przewodzi prąd tylko w jednym kierunku. Jeśli nadal nie świeci, spróbuj ją odwrócić, zanim uznasz, że błąd tkwi w obliczeniach.
• Traktowanie prawa Ohma jako uniwersalnej zasady. Dotyczy ono rezystorów, a nie każdego elementu w obwodzie.
• Myślenie, że „mniejszy opór jest bezpieczniejszy”. W przypadku diody LED jest odwrotnie: mniejszy rezystor przepuszcza większy prąd.

Jak przeprowadzić takie eksperymenty w laboratorium.

Laboratorium elektroniki i Arduino pozwala budować i mierzyć te układy bez sprzętu. Rozsądna kolejność przejścia przez darmowy pierwszy świat:

1. Zacznij od Napięcie, prąd, rezystancja, aby rozróżnić te trzy pojęcia.
2. Sprawdź równanie w Prawo Ohma w praktyce, a następnie przećwicz trzy przekształcenia w Przekształcanie prawa Ohma.
3. Zobacz, jak zachowuje się dioda LED, w Dioda LED.
4. Zabezpiecz ją za pomocą Rezystorów ograniczających prąd.
5. Na koniec przejdź do Mocy i watów, aby zobaczyć, ile ciepła wytrzymuje rezystor.

Laboratorium to uproszczony model dydaktyczny idealnych elementów, więc rzeczywiste podzespoły będą się nieco różnić w szczegółach. Do własnych eksperymentów używaj baterii niskonapięciowych i zasilaczy na poziomie USB.