Lekce 2 - Arduino - Pasivní elektronické součástky

V předchozí lekci, Arduino - Nepájivé pole a desky plošných spojů, jsme se dozvěděli, co je nepájivé pole a k čemu slouží. Poté jsme si představili desku plošných spojů a ukázali si, jak ji navrhnout a vyrobit.

Dnes nás v Arduino tutoriálu čeká jedno poměrně rozsáhlé téma. Představíme si dvě základní elektronické součástky využívané v elektrických obvodech, kterými jsou rezistor a kondenzátor. Jedná se o tzv. pasivní elektronické součástky, jež nalezneme obecně v každém elektronickém obvodu.

Ve většině z našich hardwarových projektů si ukážeme nějakou novou součástku a společně s tím si ji naprogramujeme. Rezistor a kondenzátor jsou ale součástky, které programovatelné nejsou. Dobrou zprávou je pro nás plná kompatibilita obou zmíněných s mikropočítačem Arduino.

Pasivní elektronické součástky

Pojďme si nejprve vysvětlit, co to pasivní elektronické součástky jsou.

Pasivní elektronické součástky mají tyto charakteristiky:

• v obvodu se nechovají jako zdroj,
• jedná se o základní elektronické součástky,
• mají vlastnosti vodičů a mění elektrickou energii.

Chápeme tedy, že se jedná o přesný opak součástek aktivních, které jsou schopny zesilovat elektrický signál a mohou se chovat jako zdroj elektrického napětí.

Rezistor

Rezistor se po zapojení do elektrického obvodu projevuje zvýšením elektrického odporu. Pro výpočet odporu použijeme Ohmův zákon. Vzorec výpočtu je R = U / I, kdy U je napětí ve Voltech [V], I je proud vyjádřený v Ampérech [A] a R je odpor vyjádřený v ohmech [Ω].

Rezistor je nejpoužívanější slaboproudou elektronickou součástkou. Používá se pro snížení velikosti elektrického proudu nebo napětí. Hodnota vývodových rezistorů se často označuje barevným proužkovým kódem. Na většině rezistorů je pět proužků. První tři určují hodnotu, čtvrtý pruh je násobitel a pátý je tolerance.

Rezistory můžeme dělit na pevné a proměnné. U proměnných rezistorů můžeme v určitém rozsahu měnit odpor. U pevných rezistorů to udělat nemůžeme, neznamená to ale, že tento odpor je stabilní. Odpor rezistoru kolísá v závislosti na okolních vlivech, například v závislosti na teplotě.

Schématické značky rezistoru máme dvě. Budeme používat evropské značení, ale ukážeme si i americké:

Hodnota rezistoru se dá zjistit použitím multimetru nebo pomocí zmiňovaného barevného označení. Ukažme si tabulku, která popisuje veškeré potřebné hodnoty:

Základní vlastnosti rezistorů

Rezistory charakterizují následující vlastnosti:

• Jmenovitý odpor - Předpokládaný odpor je uveden přímo výrobcem. Existují normalizované řady rezistorů E6, E12, E24, E48. Písmeno E značí, že se jedná o evropskou normu, a číslo udává, kolik hodnot připadá na dekádu. Nejčastěji se používá řada E12.
• Tolerance - Tolerancí se rozumí odchylka od jmenovité hodnoty.
• Jmenovité zatížení - Další vlastnost určuje výkon, který se za určitých podmínek stanovených normou smí přeměnit na teplo, aniž by teplota povrchu překročila přípustnou velikost.
• Provozní zatížení - Rezistorům určujeme také nejvyšší teplotou povrchu, při které ještě nenastávají trvalé změny odporu a krácení života rezistoru.
• Nejvyšší dovolené napětí - Také překročením dovoleného napětí může dojít k poškození součástky.
• Teplotní součinitel - Teplotní součinitel dovoluje určit změnu odporu způsobenou změnou teploty. Uhlíkové rezistory jej mají záporný.
• Šumové napětí - Kvůli nerovnoměrnému pohybu elektronů v materiálu vznikají mezi vývody rezistoru malé, časově nepravidelné změny potenciálu, tzv. elektronický šum obvodu.

Druhy rezistorů

Rezistory můžeme rozdělit do dvou základních kategorií:

Rezistor SMD (Surface Mount Devices)

U těchto typů je odporový materiál nanesen na keramický čip. Části odporového materiálu jsou poté odstraněny laserem nebo broušením tak, aby měl rezistor požadovaný odpor. Kontakty na koncích bývají připájeny na obvody stroji. SMD rezistory mají většinou toleranci +/- 0,02 %. Pro svou kompaktnost jsou velice často používané na grafických kartách či základových deskách:

Rezistor THD (Through Hole Devices)

Druhým typem je rezistor THD. Jedná se o nevodivý válec vyráběný z keramzitu. Ten je pokrytý uhlíkovým filmem, skrze nějž protéká elektrický proud. Na tuto vrstvu je nanesena nevodivá barva a proužkový kód. THD rezistory mívají toleranci +/- 5 %. Vlastnosti rezistoru závisí především na jeho délce, resp. na délce uhlíkového filmu. Tyto rezistory budeme používat ve všech našich projektech:

Výpočet odporu

Jak již víme, u rezistoru je hlavní veličinou elektrický odpor, jehož jednotkou je ohm [Ω]. Často budeme, ať už v obvodu nebo při samotné práci s Arduinem, potřebovat spočítat celkový odpor, a proto si nyní řekneme, jak na to. Výpočet celkového odporu není nic těžkého. Záleží pouze na tom, jestli rezistory zapojíme sériově, nebo paralelně. Oba typy zapojení vidíme na následujícím obrázku:

Podle způsobu zapojení zvolíme odpovídající vzorec pro výpočet odporu:

Alternativní typy rezistorů

Existují také rezistory, jejichž elektrický odpor se mění působením nějaké jiné veličiny. Na obrázku vidíme značky takových rezistorů společně s popisem toho, jak fungují:

Kondenzátor

Další pasivní součástkou je kondenzátor. Kondenzátor je prvek, který umí uchovávat energii v podobě elektrického náboje. Charakteristickou vlastností kondenzátoru je kapacita, kterou značíme písmenem C a jejíž jednotkou je farad [F]. Abychom kondenzátor vybili, musíme mezi jeho nožičky zapojit nějaký spotřebič, případně jej zkratovat.

Zkratujeme-li kondenzátor hrozí reálné nebezpečí zničení ostatních součástek.

Schématické značky kondenzátorů vypadají následovně:

Také kondenzátory mají své označení, obvykle tříčíselné:

První dvě čísla určují kapacitu, poslední číslo určuje násobitel n → 10n. Kromě kapacity nás u kondenzátoru zajímá také tolerance (např. 10 nF ± 1%) a jmenovité napětí, které určuje maximální povolené napětí.

Při překročení maximálního povoleného napětí může dojít k proražení dielektrika a zničení kondenzátoru. U elektrolytických kondenzátoru dojde při velkém přetížení k výbuchu.

Druhy kondenzátorů

Představme si nyní tři základní typy kondenzátorů:

Keramické kondenzátory

U těchto kondenzátorů je dielektrikum tvořeno z keramiky. Keramické kondenzátory mají nízké dielektrické ztráty a jsou vhodné pro vysoké frekvence. Jejich kapacita dosahuje desítek μF (mikrofarad). Využívají se například v oscilátorech - zařízeních sloužící ke generaci sinusových vln, tj. kmitočtu:

Slídové kondenzátory

Slídové kondenzátory jsou velmi stabilní s malými ztrátami, mají ale malou kapacitu v řádu desítek nF (nanofarad). Dielektrikum je vytvořeno ze slídy. Jsou dražší, než keramické a využívají se také ve vysokofrekvenčních obvodech:

Elektrolytické a hliníkové kondenzátory

Poslední typ využijeme pouze v obvodu se stejnosměrným proudem, protože musí mít připojenou správnou polaritu. V případě přepólování dojde ke zničení a výbuchu. Proto jsou v obvodu se střídavým proudem nepoužitelné. Dosahují velmi vysoké kapacity, typicky desítky mF (milifarad). Dielektrikum je vytvořeno pomocí srolované látky (oxidu hlinitého) napuštěné elektrolytem. Látka má z jedné strany hliníkový plátek podobný alobalu jako elektrodu:

Počítání elektrické kapacity

Počítání primární vlastnosti kondenzátorů, tj. kapacity je obdobné, jako vypočet odpor u rezistorů. Používáme-li paralelní zapojení kondenzátorů, pak je jejich celková kapacita rovna součtu jejich jednotlivých kapacit: C = C₁ + C₂ + C₃ + .. + C_n. Naopak máme-li kondenzátory zapojeny sériově, pak je převrácená hodnota celkové kapacity rovna součtu převrácených hodnot jednotlivých kapacit: 1/C = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃ + .. + 1/C_n.

Schémata těchto zapojení mohou vypadat např. takto:

V následující lekci, Arduino - Polovodičové elektronické součástky, si představíme dvě polovodičové součástky - LED diody a tranzistor, které při práci s Arduinem také často využijeme.