Elementy

Aby zrozumieć działanie opornika, musisz znać prawa elektryczności. Dlatego przeczytaj o nich tutaj i tutaj. Dla przypomnienia powtórzymy część podanych tam informacji.

Prawdopodobnie najpowszechniejszym elementem elektronicznym jest opornik, zwany również rezystorem (ang. resistor). Spotkasz go praktycznie w każdym układzie elektronicznym. Zadaniem opornika jest stawianie oporu przepływowi prądu elektrycznego. W hydraulice odpowiednikiem opornika jest zawór, który reguluje strumień wody. Dzięki zaworowi możemy wypływać na to, ile wody przepłynie przez rurę w jednostce czasu. Tutaj jest podobnie. Opornik ogranicza przepływający przez obwód prąd elektryczny (stawia mu opór, stąd jego nazwa: opornik).

Jeśli do opornika przyłożymy napięcie U, to popłynie przez niego prąd elektryczny o natężeniu I. Okazało się, że pomiędzy wartością napięcia a przepływającym prądem istnieje zależność, którą możemy zapisać następująco:

Współczynnik proporcjonalności R został nazwany oporem elektrycznym, opornością lub rezystancją (ang. resistance). Prawo to opisał niemiecki fizyk Georg Ohm i nosi ono nazwę prawa Ohma.

Z prawa Ohma wynika prosty wniosek: prąd w obwodzie jest proporcjonalny do przyłożonego do tego obwodu napięcia. Gdy napięcie wzrośnie dwukrotnie, również prąd wzrośnie dwa razy. Czy jest to zawsze prawda? Zajmując się elektroniką musisz posiadać giętki umysł. Prawo Ohma obowiązuje tylko wtedy, gdy obwód zawiera elementy spełniające to prawo. O takim obwodzie mówimy, że jest liniowy lub omowy. Zwykły opornik jest elementem liniowym (w pewnych warunkach) i spełnia prawo Ohma (w pewnych warunkach).  Jednak nawet on w sytuacji ekstremalnej (np. po podgrzaniu do wysokiej temperatury lub po przyłożeniu zbyt wysokiego napięcia) może zacząć zachowywać się inaczej. Dlatego w elektronice staramy się, aby elementy obwodów pracowały w bezpiecznych dla nich zakresach napięć i prądów. Jak widzisz, sprawa nie jest wcale taka jednoznaczna i prosta. Wróćmy jednak do opornika. Prawo Ohma zapisujemy również w takiej postaci:

Wzór ten definiuje jednostkę oporu elektrycznego – ohm:

Opór obwodu wynosi 1Ω (1 ohm, czytaj om), jeśli po przyłożeniu do tego obwodu napięcia elektrycznego równego 1V popłynie prąd o natężeniu 1A.

W praktyce spotkasz się jeszcze z dwoma jednostkami oporu elektrycznego:

Na schematach elektrycznych (w aplikacji Eagle) oporniki posiadają następujące symbole:

Ponieważ żyjemy w Europie, będziemy używali symboli europejskich dla oporników.  Symbol amerykański nawiązuje do wczesnych konstrukcji oporników, które powstawały przez nawinięcie na walec przewodu oporowego o odpowiedniej długości. Takie oporniki są czasem używane i dzisiaj, nosząc nazwę oporników drutowych (ang. wire resistor).

Wiem, że uczniowie niezbyt lubią wzory i rachunki, lecz czasami trudno się bez nich obejść. Rozważymy teraz kilka przypadków połączeń oporników, co przyda nam się później w różnych obwodach elektronicznych.

Do zasilacza (np. może nim być jeden z zasilaczy bateryjnych) podłączamy dwa oporniki w sposób następujący:

Nawet w tak prostym obwodzie możemy zapoznać się z kilkoma ważnymi zjawiskami elektrycznymi:

1. Prąd może popłynąć tylko wtedy, gdy jest utworzony obwód zamknięty. Taki obwód tworzy bateria, przewody oraz dwa oporniki R1 i R2. Na rysunku zaznaczyliśmy drogę przepływu prądu elektrycznego za pomocą czerwonej kreski.
2. Prąd w elementach pasywnych płynie od bieguna dodatniego (+) do bieguna ujemnego (–). Kierunek ten jest przeciwny do zwrotu napięcia. Jednakże w elemencie aktywnym, jakim jest zasilacz, zwrot prądu jest zgodny ze zwrotem napięcia. Tłumaczymy to tak, że na biegunie dodatnim powstają nośniki prądu i są od tego bieguna odpychane w kierunku obwodu zewnętrznego. Z kolei biegun ujemny przyciąga nośniki prądu i je pochłania. W efekcie, jeśli obwód zewnętrzny jest zamknięty, to zacznie w nim przepływać prąd "napędzany" przez źródło napięcia, czyli zasilacz, baterię, akumulatorek, itp. Oczywiście jest to tylko tłumaczenie poglądowe, ale wystarczające do zrozumienia zasady działania zasilacza.
3. Napięcie na obu opornikach R1 i R2 traktowanych razem jako jeden opornik R musi być równe U, czyli napięciu na wyjściu zasilacza. Dzieje się tak dlatego, że napięcie nie może znikać. Skoro na zaciskach zasilacza jest napięcie U, to to samo napięcie musi być na opornikach.
4. Przez oba oporniki R1 i R2 przepływa prąd o dokładnie takim samym natężeniu. Tutaj również obowiązuje zasada, iż prąd nie znika.

Postarajmy się obliczyć oporność zastępczą R, spadki napięć U1 i U2 oraz prąd I. Mamy dane napięcie U oraz rezystancję oporników R1 i R2. Zgodnie z prawem Ohma zapisujemy:

Jednakże nie znamy wartości prądu I. Wykorzystujemy fakt, że napięcie U rozkłada się na dwa napięcia U1 i U2 (na razie nie wiemy, jakie to są napięcia, ale ich suma musi wynosić U, ponieważ napięcie nie znika):

Dla obu tych napięć stosujemy prawo Ohma:

Dlaczego jest to prawdziwe? Ponieważ, gdy przyłożone zostanie napięcie o wartości U1 do opornika R1, to musi w nim popłynąć prąd I. To samo odnosi się do opornika R2. Co więcej, ten sam prąd przepływa przez oba oporniki (ponieważ jest to dla niego jedyna droga). Wyprowadzamy dalej:

Opór zastępczy w połączeniu szeregowym jest równy sumie połączonych szeregowo oporników. Wykorzystując ten fakt obliczamy prąd płynący w tym obwodzie:

A teraz oba spadki napięć:

Zwróć uwagę, że taki układ oporników dzieli napięcie wejściowe. Dlatego często nazywamy go dzielnikiem oporowym napięcia.

Odwrotność oporności zastępczej układu jest sumą odwrotności oporników.

Z przeprowadzonych rachunków wynikają ważne następujące wnioski:

Kolejnym ważnym zagadnieniem jest moc elektryczna, wyrażana wzorem:

Jednostką mocy elektrycznej jest wat:

Układ pobiera moc jednego wata, jeśli przy przyłożonym do niego napięciu 1V popłynie przez niego prąd o natężeniu 1A.

Wykorzystując prawo Ohma, otrzymamy:

Dlaczego tym się zajmujemy? Ponieważ elementy dobiera się, tak aby w układzie elektrycznym pracowały w bezpiecznym zakresie swoich parametrów elektrycznych. Moc pobierana przez opornik jest zamieniana w ciepło, które powoduje wzrost temperatury elementu. Wytworzone ciepło przechodzi do otoczenia, jednakże odbywa się to z określoną wydajnością. Jeśli w elemencie powstaje więcej ciepła, niż jest on w stanie oddać do otoczenia, to nadwyżka powoduje dalszy wzrost temperatury. W pewnym momencie temperatura przekracza wartość krytyczną i z opornika zaczyna unosić się siwy dymek, opornik robi się czarny, a dookoła rozchodzi się przyjemna woń spalenizny. Opornik traci swoje własności (czytaj: zmienia swój opór) i przestaje prawidłowo wypełniać swą funkcję w układzie.

Musimy zatem sprawdzać, czy dany opornik wytrzyma w zaprojektowanym układzie elektronicznym.

Załóżmy, że mamy następujący układ z opornikami o mocy 0,25W (każdy może wytrzymać pobieranie mocy do 0,25W, są to typowe oporniki miniaturowe).

W obwodzie popłynie prąd:

Moce pobierane przez oporniki wynoszą:

Pierwszy opornik pobiera moc mniejszą od znamionowej i będzie pracował w układzie dowolnie długo i poprawnie. Niestety, drugi opornik pobiera moc większą od znamionowej, co doprowadzi do jego zniszczenia. Jak temu zapobiec? Musimy jako R2 użyć opornika o większej mocy, np. 0,5W lub 1W. Będzie on większy, lecz wytrzyma takie warunki pracy. Konstruując układ elektroniczny, zawsze sprawdzaj, czy zastosowane elementy pracują poniżej swoich parametrów znamionowych. Pamiętaj o tym!

Rozróżniamy dwa typy oporników: oporniki przewlekane i oporniki SMD. Różnią się one sposobem montażu na płytce PCB.

Oporniki przewlekane

Oporniki przewlekane mają postać korpusu, z którego wychodzą dwa wyprowadzenia.

Wyprowadzenia te przewlekamy przez otwory w płytce PCB i przylutowujemy do ścieżek po drugiej stronie.

Budową wewnętrzną oporników nie będziemy się zajmować, ponieważ nie jest to nam potrzebne. Jeśli cię ten temat zainteresował, to w sieci Internet znajdziesz szczegółowe informacje. Skupmy się na parametrach elektrycznych. Każdy opornik posiada określony przez producenta opór oraz moc rozpraszania.

Na przykład, zapis 1kΩ/0,125W oznacza miniaturowy opornik o oporności 1 kilooma (1000Ω) i mocy 0,125W. Maksymalny prąd, który może przepływać przez ten opornik określimy ze wzoru:

Jest to wartość graniczna. Zwykle element powinien pracować przy 50% obciążenia, tak dla bezpieczeństwa.

Oporniki produkowane są wg kilku szeregów wartości oporu. Rodzaj szeregu zależy od dokładności wykonania. Dokładność tę podajemy w procentach i określa ona dopuszczalną tolerancję rzeczywistej wartości opornika od wartości w danym szeregu. Na przykład mamy opornik 1kΩ o tolerancji 10%. Oznacza to, że jego faktyczny opór może leżeć w zakresie od 900Ω do 1100Ω. W praktyce używa się trzech szeregów wartości oporów:

Wartości szeregu są wymnażane przez kolejne mnożniki: 0,1  1 10 100 1000... W ten sposób otrzymujemy wartości oporu produkowanych oporników. Na przykład weźmy szereg E6 o tolerancji 20%, w którym zdefiniowane jest sześć wartości: 10, 15, 22, 33, 47 i 68. W sprzedaży spotkasz następujące oporniki:

Jak widzisz, opory powtarzają się z mnożnikiem co 10. Dzięki temu możesz zawsze zdobyć opornik o potrzebnej oporności. W pozostałych szeregach jest podobnie, tylko na danym poziomie mamy więcej wartości pośrednich, a zatem dokładniej da się dobrać pożądany opór. Na nasze potrzeby w zupełności wystarczy szereg E12.

Oporniki 0,125/0,25W są bardzo małe. Zapisanie na nich wartości oporu cyframi napotyka na różne problemy. Dlatego wymyślono kod kolorowych pasków do oznaczania oporu opornika. Kod ten proponuję wyuczyć się na pamięć.

Zwróć uwagę, że podstawowe szeregi E6, E12 i E24 kodują oporność w postaci:

cyfra cyfra × mnożnik oraz tolerancja

W kodzie paskowym odpowiada to czterem paskom: dwa pierwsze paski cyfr, jeden pasek mnożnika oraz jeden pasek tolerancji. Kolory są następujące:

Jak odczytywać kod paskowy? Bierzemy opornik i ustawiamy go sobie, tak aby po prawej stronie znalazł się pasek tolerancji, który najczęściej będzie złoty lub srebrny. Teraz odczytujemy dwa pierwsze paski po lewej stronie. Będą to dwie cyfry wartości w szeregu. Kolejny pasek będzie oznaczał mnożnik, przez który należy pomnożyć odczytane cyfry, aby otrzymać oporność opornika. Dla oporności od 10Ω pasek mnożnika można również traktować jako liczbę zer, które należy dopisać do pierwszych dwóch cyfr, aby otrzymać wartość oporności.

Przykłady:

Potrzebujemy opornika 47kΩ. Jakie będzie miał kolory?

System kolorowych pasków jest bardzo prosty. Po pewnym czasie stosowania rzut oka na opornik od razu poinformuje cię o jego oporności. Musisz poćwiczyć. W sieci dostępne są proste aplikacje do odczytu pasków koloru. Oto adres jednej z nich:

http://serwis-tv.com/opornik.html

Oporniki SMD

Oporniki SMD są lutowane bezpośrednio do ścieżek i nie wymagają wykonywania otworów w płytce PCB. Dzięki temu ich montaż jest prostszy i może być wykonywany automatycznie.

Pewną wadą (a może zaletą) oporników SMD są ich małe rozmiary. Obudowa opornika ma kształt małego prostopadłościanu. Dwa boki są metalizowane. Są to pola stykowe, którymi przylutowuje się opornik SMD do punktów lutowniczych na płytce PCB.

Operacja lutowania nie jest wcale skomplikowana i na prawdę możesz ją wykonać, jeśli tylko zaopatrzysz się w odpowiednie narzędzia. Sposób lutowania elementów SMD opisaliśmy w poprzednim rozdziale.

Oporności oporników SMD są oznaczane cyframi lub cyframi i literami. Stosuje się tutaj kilka systemów oznaczeń. Jeśli oznaczenie składa się tylko z cyfr, to ostatnia jest mnożnikiem (wykładnikiem 10). Jest to system analogiczny do systemu pasków kolorowych.

Oporniki o lepszych tolerancjach mogą posiadać w oznaczeniu więcej cyfr. Jednakże zasada wciąż jest ta sama: ostatnia cyfra określa mnożnik:

Czasem w oznaczeniu pojawia się litera R. Oznacza ona przecinek i jest zwykle stosowana przy małych oporach:

Oporniki SMD o bardzo małych wymiarach oznaczane są wg specjalnego kodu EIA-96. Oznaczenie składa się z dwóch cyfr oraz jednej litery. W tym przypadku cyfry są kodem oporności (uwaga, nie jest to wartość oporności!!!), a litera określa mnożnik. Aby odczytać oporność takiego opornika, należy posłużyć się poniższymi tabelami:

Na przykład mamy oznaczenie 38C. Odszukujemy w tabelce wartość dla kodu 38: 243. Litera C oznacza mnożnik 100. Mamy zatem:

243 x 100 = 24300 = 24,3kΩ

W sieci znajdziesz kalkulatory, które przeliczają kod EIA-96 na oporność. Poniżej masz jeden z nich:

Kalkulator oporników SMD

Kolejną rzeczą, którą powinieneś rozumieć, to rozmiary elementów SMD. W poniższej tabelce zebraliśmy podstawowe rozmiary obudów dla oporników SMD. Wymiary podane są w milimetrach. W ostatniej kolumnie umieściliśmy typową moc rozpraszania ciepła dla danego opornika SMD.

Im większa obudowa, tym więcej ciepła może rozproszyć opornik SMD. Sprawa jest o tyle istotna, że bardzo małe wymiarowo oporniki posiadają niewielką moc i łatwo je spalić przy nieumiejętnym zaprojektowaniu obwodu. Zawsze powinieneś sobie sprawdzić, czy dany opornik wytrzyma w twoim projekcie. Wzór jest prosty i podawaliśmy go już wielokrotnie:

Dla bezpieczeństwa można przyjąć, że maksymalna moc wydzielana w oporniku nie powinna przekraczać połowy jego mocy znamionowej. Wtedy taki opornik nie będzie się grzał nadmiernie.

Potencjometr (ang. potentiometer) jest opornikiem o regulowanej oporności. Technicznie realizuje się potencjometry w ten sposób, iż po pasku oporowym przesuwa się suwak, który ustala na tym pasku punkt styku. W zależności od położenia suwaka opór wynikowy zmienia się w ustalonym zakresie (najczęściej od zera do wartości maksymalnej).

Potencjometry występują w kilku typach.

Potencjometr obrotowy

Posiada obrotową gałkę. Obrót gałki przesuwa styki suwaka po podkówce oporowej i w ten sposób zmienia się płynnie oporność wynikowa.

Potencjometr wieloobrotowy

Zasada działania jest podobna do potencjometru obrotowego, tyle że ten może wykonać kilka obrotów, co pozwala dokładniej ustawić właściwą oporność. Potencjometry wieloobrotowe nazywa się również precyzyjnymi.

Potencjometr suwakowy

Uchwyt suwaka jest wyprowadzony na zewnątrz obudowy. Przesuwanie powoduje zmianę oporności.

Potencjometry oprócz oporności maksymalnej posiadają dodatkowy parametr, który określa sposób zmiany oporności w funkcji przesunięcia/obrotu suwaka:

A – liniowy B – logarytmiczny C – wykładniczy

Potencjometr liniowy zmienia oporność proporcjonalnie do obrotu/przesunięcia suwaka. Potencjometry liniowe stosuje się zwykle do regulacji napięć w dzielnikach.

Potencjometr logarytmiczny zmienia oporność wg funkcji logarytmicznej. Stosowany jest w urządzeniach audio do regulacji głośności, ponieważ ucho ludzkie reaguje na głośność dźwięku w sposób logarytmiczny.

Na schematach elektronicznych potencjometry oznacza się poniższym symbolem: