0. diel - Elektronické súčiastky pre Arduino - rezistor, kondenzátor

V dnešnej kapitole nášho kurzu o Arduine nás čaká jedna pomerne rozsiahla téma. Predstavíme si dve základné elektronické súčiastky, ktorými sú rezistor a kondenzátor a ktoré sa využívajú v elektrických obvodoch.
Vo väčšine z našich hardvérových projektov si ukážeme nejakú novú súčiastku a spoločne s tým si ju naprogramujeme. Dnes sa ale budeme zaoberať súčiastkami, ktoré programovateľné nie sú. Ide o klasické elektronické súčiastky používané všeobecne v každom elektronickom obvode. Dobrou správou je pre nás plná kompatibilita oboch spomínaných súčiastok s mikropočítačom Arduino.

Pasívne elektronické súčiastky

Prvou kategóriou súčiastok, ktorou sa dnes budeme zaoberať sú tzv. pasívne súčiastky.

Charakteristiky pasívnych súčiastok sú nasledujúce:

• V obvode sa nesprávajú ako zdroj,
• jedná sa o základné elektronické súčiastky,
• majú vlastnosti vodičov a menia elektrickú energiu.

Chápeme teda, že sa jedná o presný opak súčiastok aktívnych, ktoré sú schopné zosilňovať elektrický signál alebo sa správajú ako zdroj elektrického napätia. V tejto lekcii sa zameriame na dve úplne základné súčiastky, ktorými sú rezistor a kondenzátor.

Rezistor

Rezistor sa po zapojení do elektrického obvodu prejavuje zvýšením elektrického odporu. Na výpočet odporu použijeme Ohmov zákon, kde R=U/I, kedy U je napätie vyjadrené vo Voltoch [V], I je prúd vyjadrený v Ampéroch [A] a R je odpor vyjadrený v ohmoch [Ω]. Jedná sa o najpoužívanejšiu slaboprúdovú elektronickú súčiastku. Používa sa pre zníženie veľkosti elektrického prúdu alebo zaistenie zníženia elektrického napätia. Hodnota vývodových rezistorov sa často označuje farebným prúžkovým kódom. Na väčšine rezistorov (s ktorými sa my obvykle stretneme) je 5 prúžkov. Prvé tri určujú hodnotu, štvrtý pruh je násobiteľ a piaty je tolerancia. Rezistory môžeme deliť na pevné a premenné. U premenných môžeme meniť ich odpor v určitom rozsahu. U pevných nemôžeme meniť ich odpor, ale nie je stály vďaka vplyvom ako je napr. teplota. Ideálny rezistor by bol úplne odolný voči ďalším vplyvom. Schématické značky rezistora máme celkom dve, podľa európskej a amerického značenia:

Hodnota rezistora sa dá zistiť použitím multimetra alebo pomocou už spomínaného farebného označenia. Pre toto označenie existuje tabuľka, ktorá popisuje všetky potrebné hodnoty:

Základné vlastnosti rezistorov

• Menovitý odpor - Výrobcom predpokladaný odpor. Existujú normalizované rady rezistorov E6, E12, E24, E48. (písmeno E značí, že sa jedná o európsku normu, a číslo udáva, koľko hodnôt pripadá na dekádu). Väčšinou sa používa rad E12.
• Tolerancia - Odchýlka od menovitej hodnoty.
• Menovité zaťaženie - Výkon, ktorý sa za určitých podmienok stanovených normou smie premeniť na teplo bez toho, aby teplota povrchu prekročila prípustnú veľkosť.
• Prevádzkové zaťaženie - Je určené najvyššou teplotou povrchu, pri ktorej ešte nenastávajú trvalé zmeny jej odporu a krátenie jej života.
• Najvyššie dovolené napätie - Napätie medzi vývodmi, pri prekročení napätia môže dôjsť k poškodeniu.
• Teplotný súčiniteľ - Dovoľuje určiť zmenu odporu spôsobenú zmenou teploty (uhlíkové rezistory majú Tk záporný.)
• Šumové napätie - Vzniká nerovnomerným pohybom elektrónov v materiáli, vplyvom toho vznikajú medzi vývodmi rezistora malé, časovo nepravidelné zmeny potenciálu - tzv. elektronický šum obvodu.

Druhy rezistorov

Existuje celý rad typov rezistorov. My si v tejto kapitole spomenieme tie najdôležitejšie a najpoužívanejšie.

Rezistor SMD (Surface Mount Devices)

Odporový materiál je nanesený na keramický čip. Časti odporového materiálu sú potom odstránené (napríklad laserom alebo brúsením) tak, aby mal rezistor požadovaný odpor. Kontakty na koncoch sú väčšinou pripájané na obvody strojmi. Tieto rezistory majú väčšinou toleranciu +/- 0,02%. Sú veľmi často používané na ich kompaktnosť napríklad na grafických kartách či základových doskách.

Rezistor THD (Through Hole Devices)

Ide o nevodivý valec, vyrobený napr. z keramzitu, ktorý je pokrytý uhlíkovým filmom cez ktorý preteká elektrický prúd. Na túto vrstvu je nanesená nevodivá farba a prúžkový kód. Rezistory mávajú toleranciu +/- 5% a pre ich nízku cenu sa často balia po desiatkach či stovkách. Tieto rezistory budeme používať vo všetkých našich projektoch. Vlastnosti rezistora závisia predovšetkým od jeho dĺžky, resp. na dĺžke uhlíkového filmu.

Výpočet odporu

Ako už vieme, u rezistora je hlavnou veličinou elektrický odpor, ktorého jednotkou je ohm [Ω]. Často budeme, či už v obvode alebo pri samotnej práci s Arduinom, potrebovať spočítať tzv. celkový odpor, a preto si teraz povieme, ako na to. Výpočet celkového odporu nie je nič ťažké. Záleží iba na tom, ako je náš obvod s rezistormi zapojený. Existujú iba dva typy zapojenia obvodu:

• sériovo zapojenie,
• paralelné zapojenie.

Oba typy zapojenia vidíme na nasledujúcom obrázku:

Rozdiel však nespočíva iba v zapojení ako takom, ale aj v používaných vzorkách pre výpočty jednotlivých typov zapojenia. Vzorečky, ktoré na výpočet postačia vyzerajú nasledovne:

Alternatívne typy rezistorov

Existujú aj rezistory, ktorých veličiny (väčšinou elektrický odpor) sa menia s pôsobením nejakej inej veličiny. Na obrázku vidíme značky takýchto rezistorov spoločne s popisom toho, ako fungujú:

Kondenzátor

Ďalšou, a pre nás poslednou, pasívnou súčiastkou je kondenzátor. Kondenzátor je prvok, ktorý vie uchovávať (akumulovať) energiu v podobe elektrického náboja. Charakteristickou vlastnosťou kondenzátora je kapacita, ktorú značíme písmenom C a ktorej jednotka je Farad [F]. Ideálny (dokonalý) kondenzátor sa v jednosmernom obvode správa ako spínač, ktorý obvod rozpojí, pričom jeho odpor je nekonečný. Aby sme kondenzátor vybili, musíme medzi jeho nožičky zapojiť nejaký spotrebič, prípadne ho skratovať.

Ak skratujeme kondenzátor hrozí reálne nebezpečenstvo zničenie ostatných súčiastok.

Schématické značky kondenzátorov vyzerajú nasledovne:

Kapacita určuje kapacitu kondenzátora, tolerancia určuje toleranciu v % napr. 10 nF ± 1%, menovité napätie určuje maximálne povolené napätie kondenzátora.

Pri prekročení maximálneho povoleného napätia môže dôjsť k prerazeniu dielektrika a zničeniu kondenzátora. Pri elektrolytických kondenzátoroch dôjde pri veľkom preťažení k výbuchu.

Už vieme, že na rezistoroch značíme ich primárnu veličinu – elektrický odpor. Na kondenzátoroch samozrejme tiež musíme značiť to hlavnú veličinu, ktorou je kapacita. Značenie keramických THD kondenzátorov sa určuje z čísel na nich napísaných. Prvé 2 čísla určujú kapacitu, posledné číslo určuje násobiteľ n → 10n . Na týchto kondenzátoroch väčšinou nenájdeme maximálne napätie. Existuje viacero typov kondenzátorov a s tým aj iné značenie, pre ukážku si ukážeme jedno z možných značení:

Druhy kondenzátorov

Kondenzátorov existuje naozaj množstvo typov, my si tu ukážeme tie najzákladnejšie.

Keramické kondenzátory

Ide o základný typ kondenzátorov, kde je dielektrikum tvorené z keramiky. Tieto kondenzátory majú nízke dielektrické straty, sú vhodné pre vysoké frekvencie a ich kapacita dosahuje desiatok μF (mikrofarad). Využívajú sa takmer všade, napríklad oscilátoroch (zariadeniach slúžiacich na generáciu sínusových vĺn - kmitočtu). Takto keramický kondenzátor vyzerá:

Sľudové kondenzátory

Sľudové kondenzátory sú veľmi stabilné s malými stratami, ale majú malé kapacity desiatky nF (nanofarad). Sú drahšie ako keramické. Dielektrikum je vytvorené zo sľudy. Využívajú sa vo vysokofrekvenčných obvodoch.

Elektrolytické a hliníkové kondenzátory

Tieto kondenzátory sa využívajú iba v obvode s jednosmerným prúdom a musia mať pripojenú správnu polaritu – v prípade prepólovania dôjde k zničeniu a výbuchu. V striedavom obvode kladná polvlna tento kondenzátor nezničí, ale akonáhle nastane záporná polvlna, dôjde k jeho prepólovaniu a vybuchne. Dosahujú veľmi vysoké kapacity, typicky desiatky mF (milifarad). Dielektrikum je vytvorené pomocou zrolovanej látky (oxid hlinitý) napustenej elektrolytom. Látka má z jednej strany hliníkový plátok (podobný alobalu) ako elektródu. Takto vyzerá:

Počítanie elektrickej kapacity

Už vieme, ako vypočítať odpor u rezistorov a môžeme sa teda presunúť na počítanie primárnej vlastnosti kondenzátorov – kapacity. Opäť nejde o nič zložité.
Ak používame paralelné zapojenie kondenzátorov, potom je ich celková kapacita rovná súčtu ich jednotlivých kapacít: C = C 1 + C 2 + C 3 + .. + C n. Naopak, ak máme použité sériové zapojenie kondenzátorov, potom je prevrátená hodnota celkovej kapacity rovná súčtu prevrátených hodnôt jednotlivých kapacít: 1/C = 1/C 1 + 1/C 2 + 1/C 3 + .. + 1/C n.

Schémy týchto zapojení môžu vyzerať napr. takto:

To by bolo z dnešnej kapitoly všetko.