Elektronski elementi in vezja – 1. del 

Brez elektrike ni življenja. No ja, mogoče se preživeti nekako še da, a modernega sveta si brez elektrike ne moremo predstavljati. Praktično vse naprave okoli nas poganja električna energija – od telefona, računalnika, televizije, digitalne ure, sušilca za lase, električnega skiroja in vse bolj tudi avtomobile.

Poglej dokumentarni video ali preberi besedilo

Vsa vsebina tega predavanja ti je na voljo v video obliki ali pa kot besedilo na tej spletni strani in naslednji (v 2 delih).

DRUGI DEL: http://stiri.si/elektronski-elementi-vezja-2-del/

Dragi raziskovalec in raziskovalka! 

Čaka nas nadvse zanimiva, a na trenutke tudi precej zahtevna, pot. 

Besedilo sem napisal z mislijo nate, ki se nahajaš v osnovni šoli. Zato je polno slikovitih primerjav in brez fizikalnih enačb. Za te bo še dovolj časa. To področje je namreč zahtevno tudi odraslim. 

Glede vprašanj, ki se ti porajajo, pa vprašaj učitelja robotike ali pa mene (Tilen) na rednem mesečnem predavanju, ki je vsako prvo soboto v mesecu.  

V kolikor se boš v življenju odločil za tehničen oz. naravosloven poklic ti bo to znanje izredno pomagalo. Za »suhoparnimi« fizikalnimi enačbami se namreč skriva resničen svet. In ključno je, da si lahko zapletene tehnološke naprave, kar se da nazorno predstavljamo. In zato na tečajih gradimo vezja.

Dobrodošel v svetu elektronike!

Kaj je elektrika?

Kaj pa dejansko je elektrika? Nihče v resnici ne ve. Vemo le, kako jo je moč proizvesti, razumemo lastnosti elektrike in njen nadzor. 

Ves svet je sestavljen iz atomov, ki naj bi bili, tako je trdil Aristotel pred več kot 2000 leti, osnovni gradniki sveta. Danes pa vemo, da obstajajo še manjši delčki, ki sestavljajo atome. Gre za protone in nevtrone (ti dvoji so v jedru) ter elektrone, ki krožijo okoli jedra.

Električni tok je gibanje teh nabitih delcev – elektronov – skozi prevoden material, kot je bakrena žica. Baker je takoj za srebrom, drugi najboljši prevodnik elektrike, zato ga uporabljamo za žice.

Natančneje povedano se elektroni premikajo iz enega atoma do drugega v “toku”. En elektron se iz prvega atoma odcepi in se pripoji k drugemu atomu s pomočjo atomskega toka, med tem procesom se ustvarja električna energija – temu torej rečemo električni tok. 

Vir energije, električni tok in napetost

Da pa se elektroni zares začnejo premikati, jih moramo potisniti. Ta pritisk ustvarja vir energije – npr. baterija.

Gibanje elektrike se pogosto, za lažje razumevanje, predstavlja z vodnim tokom. 

Vir energije – torej baterijo – lahko ponazorimo z vodno črpalko, ki potiska vodo po cevi.

Električna napetost lahko ponazorimo z vodnim tlakom. Bolj močno, kot bo vodna črpalka potisnila vodo po cevi, večja bo sila vode, da prodre naprej po cevi. Enako bo baterija z visoko napetostjo bolj močno potisnila elektrone naprej po žici.

Električni tok pa lahko ponazorimo s količino vode, ki potuje po cevi. Če bi rekli, da je vsaka kapljica vode en elektron, to pomeni, da ogromna cev polna vode predstavlja električno žico po kateri potuje ogromno elektronov – torej velik električni tok.

Električne žice prenašajo elektriko, tako kot vodovodne cevi prenašajo vodo.

Električna/elektronska vezja

Preden se spustimo v detajle o elektroniki, pa povejmo kaj več o elektronska vezjih, ki jih najdemo v električnih napravah.

Električna vezja so zgrajena iz osnovnih gradnikov – elektronskih elementov. 

Glede na to, da živimo v digitalni dobi, kjer nas električne naprave obdajajo na vsakem koraku, je zelo pomembno, da dobro poznamo sestavne dele, ki jih sestavljajo.

Na tečajih robotike v Inštitutu 4.0 bomo zato na praktičen način osvajali znanja prihodnosti. Spoznali bomo osnovne gradnike, torej elektronske elemente, ter z njimi sami zgradili lastna elektronska vezja.

Prek lastnega poskušanja in eksperimentiranja bomo osvojili praktično znanje o tem, kaj sestavlja digitalni svet okoli nas. Naš cilj je, da osvojimo sposobnost videti »pod površje« tega digitalnega sveta in da postanemo soustvarjalci prihodnosti.

Elektronski elementi in elektronska vezja

Tako kot hišo sestavljajo posamezni sestavni deli, kot npr. okna, opeke, vrata, strešniki, tudi elektronska vezja v napravah kot so TV, računalnik in pečici, sestavljajo manjši deli imenovani elektronski elementi.

V nadaljevanju si bomo ogledali elektronske elemente, ki jih bomo uporabljali pri gradnji naših vezij.

Osnovna mreža

Osnovna mreža, ki jo bomo uporabljali, deluje kot tiskana vezja v elektronskih izdelkih. Je platforma oz. temelj za pritrditev delov (elektronskih elementov) in žic.

Običajno so na tiskanih vezjih žice že “natisnjene” na plošči. Zato se tudi imenujejo tiskana vezja. Mi pa bomo žice navezovali sami.

Žice

Kot smo omenili v uvodnem poglavju, so električne žice tiste, ki omogočajo prenos elektrike. Imajo torej nalogo prenašanja elektronov, podobno kot imajo vodovodne cevi nalogo prenašati vodo.

Modre priključne žice, ki jih bomo uporabljali, so torej le žice, ki služijo povezovanju drugih delov (komponent oz. elektronskih elementov).

Žice ne vplivajo na delovanje vezja. Uporabljamo jih v različnih dolžinah, seveda glede na to, kako daleč med seboj so sestavni deli, ki jih želimo povezati.

Rdeče in črne gibljive žice omogočajo prilagodljive povezave – torej za primere, ko ne moremo uporabiti togih modrih žic.

Baterije

Baterije so vir energije, ki omogoča, da po našem vezju začne potovati elektrika.

Baterije proizvajajo električno napetost s kemijsko reakcijo. To “napetost” lahko razumemo kot električni tlak, ki potiska električni tok skozi vezje. 

V uvodu smo baterijo primerjali z vodno črpalko, ki potiska vodo po ceveh. Ta prispodoba z vodo, cevmi in črpalkami se uporablja po vsem svetu za lažje razumevanje elektrike. Kot zanimivost velja omeniti, da na Kitajskem električno napetost včasih imenujejo kar električni pritisk. Očitno jim je analogija z vodo zares blizu!

Napetost baterije (1,5 V) je veliko nižja in veliko varnejša kot pa tista, ki se uporablja pri ožičenju naših hiš in stanovanj (220 V). Hišna napetost te ubije, zato nikoli ne delaj nikakršnih poizkusov z vtičnicami v stanovanju in gospodinjskimi napravami. Ko je določena naprava (TV, radio, ..) odslužena in namenjena za odpad, jo razstavi in preglej, a nikoli več je ne povezuj z električnim omrežjem.

Kaj pa pomenita oznaki + in –?

Gre za oznake polarnosti. Kemijska reakcija, ki poteka v bateriji, vedno potiska električni tok zgolj v eno smer. Če bi želel, da tok v vezju teče v drugo smer, zgolj obrni baterijo.

Določeni elektronski elementi so občutljivi na smer toka, drugi ne. Npr. pri elektromotorju smer toka določa smer vrtenja. Če bomo baterijo obrnili, se bo elektromotor začel vrteti v drugo smer. Na žarnici, stikalu in žicah pa ne bomo opazili oznak + in – saj delujejo enako, ne glede na smer električnega toka.

Baterije – vzporedna in zaporedna vezava

Kako različne oblike povezav med baterijami vplivajo na napetost in tok? Ni namreč vseeno kako so med seboj povezane baterije!

Če povežemo več baterij zaporedno (ena za drugo), se njihov »pritisk« sešteje. Tako bo skupna napetost enaka seštevku napetosti vseh zaporednih baterij. Električni tok pa bo nespremenjen.

Če pa več baterij povežemo vzporedno (ena zraven druge), pa bo napetost vezja ostala enaka napetosti posamezne baterije. Električni tok pa bo višji – dejansko bo seštevek električnih tokov vseh vzporedno vezanih baterij. 

Baterije – kratek stik

Zagotovo ti je izraz »kratek stik« že poznan. A kaj pravzaprav pomeni?

Vsako vezje ima vir energije (baterije) in pa porabnike, ki zaustavljajo električni tok (npr. luč, motor, upor, …). Če sedaj neposredno med seboj povežemo baterije in ne uporabimo (zadosti) porabnikov, dobimo kratek stik. Električni tok bo namreč brez vsakega upora stekel po žicah in tako poškodoval oz. hitro iztrošil baterije.

Če se izrazimo malo bolj slikovito – električni tok moramo obvezno zaustavljati, saj je sicer premočen in tako uniči baterije ter ostale elemente.  

Varovalka

Toku, ki steče, če v električnem toku ni vezanega nobenega porabnika, pravimo kratkostični tok. V praksi se kratkemu stiku izogibamo in se pred njim zavarujemo z varovalkami. 

Varovalka je običajno posebna žička, ki pregori, če prek nje teče preveč toka. Ko varovalka pregori se tok v celotni napravi prekine. Tako naprava preneha delovati, še preden bi se preveč segrela ali celo zagorela. Varovalko pa lahko potem enostavno zamenjamo z novo.

Doma imaš varovalke v električni omarici. Najverjetneje imaš posebno vrsto varovalk, na katerih zgolj preklopimo stikalo (jih s tem resetiramo) in že spet delujejo.

Varovalke so torej elementi, ki varujejo elektronske naprave pred prekomernimi električnimi tokovi (in uničenjem). Srečamo jih v večini elektronskih naprav.

Stikalo

Stikalo poveže (ON) ali odklopi (OFF) žice v vezju. Kadar je stikalo je vklopljeno, nima vpliva na delovanje vezja. Vklopljeno stikalo torej omogoči tok elektrike skozi vezje.

Uporabljali bomo dve vrsti stikal, ki se v glavnem razlikujeta v načinu vklopa:

– drsno stikalo ter

– stikalo z gumbom.

Če se zopet navežemo na našo prispodobo z vodo, lahko rečemo, da stikalo služi enakemu namenu kot vodovodna pipa, ki nadzoruje pretok vode.

Nadaljevanje

DRUGI DEL: http://stiri.si/elektronski-elementi-vezja-2-del/