Praktická elektronika/Nejjednodušší obvody

Elektrický obvod je vodivé spojení elektrických prvků. Tyto prvky vytváří vodivou cestu a splňují funkce, které jsou od obvodu požadovány, např. zesilování signálu, vytváření oscilací apod. Může být nepatrný jako integrovaný obvod, nebo může zahrnovat celou elektrickou síť. Obvod se může skládat z jednotlivých prvků nebo celých integrovaných obvodů. Pokud je vodivá dráha tvořená elektrickým obvodem uzavřená, pak se hovoří o uzavřeném elektrickém obvodu. Je-li vodivá dráha obvodu přerušena, např. otevřeným spínačem, pak se mluví o otevřeném elektrickém obvodu.

Elektrický obvod

Na obrázku níže je zobrazen nejjednodušší obvod, tvořený jedním zdrojem a jedním spotřebičem. Zdroj mění vnější energii - např. chemickou pokud jde o článek, nebo mechanickou pokud jde o točivý generátor - na elektrickou energii, která je přenášena vedením do spotřebiče, kde se mění na jiný typ energie - např. tepelnou (rezistor, topné těleso), světelnou (žárovka, LED dioda), mechanickou (elektromotor) atd...

Elektrický výkon v obvodu vypočítáme jako: $P=U\cdot \ I$

S pomocí Ohmova zákona z toho můžeme odvodit: $P={\frac {U^{2}}{R}}$; respektive: $P=R\cdot I^{2}$

Obvod se zdrojem a odporovým spotřebičem

Na baterii o napětí 12V připojíme topné těleso o odporu 5 ohmů. Jaký bude odebírat proud a jakým výkonem bude topit?
$U=12V;R=5\Omega$
$R={\frac {U}{I}}\Rightarrow I={\frac {U}{R}}={\frac {12}{5}}=2,4A$
$P=U\cdot \ I=12\cdot \ 2,4=28,8W$

Jakým napětím musíme takové topné těleso napájet, aby topilo jen na 70% výkonu?
$P=28,8\cdot 0,7=20,16W$
$P={\frac {U^{2}}{R}}\Longrightarrow U={\sqrt {P\cdot R}}$
$P={\sqrt {20,16\cdot 5}}\approx 10V$

Žárovka

U některých spotřebičů se ale odpor mění. Například žárovka, za studena má její vláko výrazně nižší odpor než když se ohřeje. Po sepnutí tak krátce odebírá násobně větší proud.

Žárovka má označení 60W/230V. Ohmmetrem jsme změřili odpor vlákna 91Ω. Jak bude vyypadat proud po sepnutí?
a) po sepnutí:
$I_{MAX}={\frac {U_{N}}{R_{0}}}={\frac {230}{91}}=2,53A$
b) po ustálení
$I_{N}={\frac {P_{N}}{U_{N}}}={\frac {60}{230}}=0,26A$
Žárovka po sepnutí odebírá téměř desetinásobek normálního odběru.

Elektronická schémata

schématické značky

Pro zjednodušení kreslení elektronických obvodů se do praxe zavedly schématické značky. Jde o zjednodušené symbolické obrázky reprezentující jednotlivé součástky. Na obrázku vpravo jsou uvedeny základní symboly/značky používané ve schématech. Následující jednoduché schéma ukazuje žárovku připojenou k baterii přes spínač a pojistku:

Příklad jednoduchého elektronického schématu

Příklad komplikovanějšího elektronického schématu

U komplikovanějších schémat, kde je obvykle více součástek stejného typu, má každá součástka svůj identifikátor. Většinou se používá první písmeno z anglického názvu součástky a číslo. Například R1, R2 pro odpory (Resistor), C1, C2 pro kondenzátory (Capacitor) atd.

Nejčastěji používané identifikátory

Součástka	Identifikátor
Odpor, Potenciometr, Trimer	R
Kondenzátor	C
Tranzistor	T nebo Q
Dioda	D
Integrovaný obvod	IO nebo U
Vypínač, přepínač	S
Cívka	L
Krystal	X
Baterie	B

Řazení součástek

Uzel s vyznačenými proudy

Kirchhoffovy zákony

... jsou dvěma jednoduchými, ale velmi podstatnými poznatky o chování obvodů. Vycházejí z toho, že elektrické náboje nikde v obvodu nezanikají ani nevznikají.

Zákon proudu v uzlu
Proudy, které do uzlu vtékají, z něj musí i vytékat. ($\sum _{k}I_{k}=0$)

Ve větších obvodech můžeme najít velké množství různých uzlů a tento zákon platí pro každý z nich.

Obvod s vyznačenými napětími, uzly a smyčkami

Zákon napěti ve smyčce

Souhrn napětí na všech součástkách ve smyčce je nulový. ($\sum _{k}U_{k}=0$)

Napětí na zdroji se zde uvažuje jako záporné. Ve větších obvodech můžeme najít velké množství různých smyček a tento zákon platí pro každou z nich.

Paralelní a sériové zapojení

Obvod může obsahovat mnoho součástek a může se větvit. Proto rozlišujeme:

• Paralelní zapojení, kdy jsou součástky vedle sebe. Na všech je stejné napětí a sčítá se protékající proud
• Sériové zapojení, kdy součástky zapojíme za sebe. Všemi teče stejný proud a sčítá se napětí.

Místo, kde se součástky dotýkají (a tedy mají stejné napětí), nazýváme uzel. Libovolnou část obvodu, která je uzavřená a ve které tedy může protékat elektrický proud, nazýváme smyčka. Při řešení elektrických obvodů může být za smyčku prohlášena i část obvodu bez zdroje, nebo část obvodu obsahující jen zdroje.

• Zdroje se zpravidla řadí sériově - pokud požadujeme zvýšit napětí, které se sčítá. Například baterie 4,5V (klasická plochá) je složena ze 3 článků o napětí 1,5V; baterie 9V jich má 6; olověný akumulátor v autě taktéž šest ale o napětí 2V, celkem tedy 12V. Paralelní řazení je problematické z důvodu vyrovnávacích proudů při napěťové nesymetrii.
• Spotřebiče se zpravidla řadí paralelně -.požadují stejné napájecí napětí, sčítají se proudy v uzlu. Příkladem jsou spotřebiče v elektrické síti (např. domácnost), které jsou připojeny na tytéž póly zdroje. Sériové řazení je problematické, protože při přerušením obvodu poruchou jednoho spotřebiče jsou odstaveny všechny.

Měření voltmetrem a ampérmetrem

Napětí měříme voltmetrem zapojeným paralelně k součástce/součástkám na které napětí měříme (voltmetr je téměř nevodivý),

Proud měříme ampérmetrem zapojeným seriově se součástkou/součástkami jimiž protékající proud měříme (ampérmetr je vodivý, proud teče skrz).

Výjimkou jsou bezkontaktní ampérmetry, které stačí nacvaknout jako kleště okolo vodiče. Měří magnetické pole vytvářené proudem.

Jak správně měřit voltmetrem a ampérmetrem

Měření voltmetrem a ampérmetrem současně

Chybné zapojení voltmetru jen rozpojí obvod.

Pokud se spleteme u měření proudu a ampérmetr zapojíme špatně, způsobíme tím zkrat, což může vést ke zničení ampérmetru a/nebo zdroje.