ELEKTRONSKI ELEMENTI IN VEZJA – 2. DEL

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).

PRVI DEL: http://stiri.si/elektronski-elementi-in-vezja-1/

Upor

Upor je element, ki ima v vezjih nalogo omejevanja električnega toka.

Preden nadaljujemo z razlago, omenimo našo prispodobo z vodo. Tako, kot zožen del cevi omejuje pretok vode, tako tudi upor omejuje pretok električnega toka. Glede na ime »upor«, si ne bo težko zapomniti njegove naloge.

Upor se s tujko imenuje »resistor« in zato v fiziki upor označujemo s črko R.

Upor je eden izmed najpomembnejših elementov, ki ga srečamo na vsakem elektronskem vezju.

Jasno je, da vsi materiali ne prevajajo električnega toka – npr. plastika ni prevodnik in zato kot izolator služi za ovijanje žic (samo poglej električen kabel tvojega polnilca za telefon). Pa tudi od materialov, ki so prevodniki, imajo nekateri boljšo prevodnost, drugi slabšo. Baker je, takoj za srebrom, najboljši prevodnik električnega toka. Upori pa so izdelani iz materialov, ki električni tok omejijo.

Upor v obliki likalnika

Veš katera naprava v tvojem domu je pravzaprav en velik upor? Likalnik!

Osnovno načelo, na katerem deluje električni likalnik, je, da se žica v njem, ko se skozi njo teče električni tok, močno segreje. Ta toplota se nato iz žice prenese na podplat (osnovno) ploščo električnega likalnika.

Ja, nekako tako kot se segrejejo tvoje roke, če jih sredi zime močno podrgneš med seboj, se tudi žica segreje, ko se skozi njo prebijajo elektroni. In v likalniku se nahaja precej dolga in debela žica, ki predstavlja elektronom kar nekaj težav, da se prebijejo skozi. Vsi ti elektroni pa se zaletavajo v atome iz katerih je narejena žica. To drgnjenje ustvarja toploto.

Omenili smo že, da različni materiali, različno dobro prevajajo električni tok. In glede na to, da želimo pri likalniku čim več toplote, bomo uporabili material, ki električnega toka ne prevaja preveč dobro. Tako v likalnikih kot tudi toasterjih tako uporabljamo nikrom (mešanico niklja in kroma), ki ima precej visoko upornost za električni tok.

Fotoupor

Fotoupor oz. fotoresistor je posebna oblika upora. Njegova upornost je odvisna od intenzitete vpadle svetlobe. Povedano drugače, glede na svetlobo, ki sveti na fotoupor, se spreminja njegovo omejevanje električnega toka.

Fotoupori, ki jih bomo uporabljali, v popolni svetlobi skoraj da ne omejujejo električnega toka. Na svetlem torej elektrika teče neovirano.

V primeru, ko bomo fotoupor pokrili ali postavili v temo, pa se bo upor povečal do 1000Ω. To pomeni, da bo upor skoraj popolnoma omejil pretok električnega toka. V temi bo fotoupor torej poskrbel, da bo naše vezje ostalo brez električnega toka.

Še fizikalna opomba – oznaka za električni upor je, kot smo že omenili, R. Njegova enota pa je ohm, ki ga označimo z zadnjo črko grške abecede – omega (Ω).

Žarnica

Žarnica je element, ki sveti, ko skozi njega potuje električni tok.

V žarnici se namreč nahaja posebna žička, izdelana iz tungstena oz. wolframa. Ta element zelo slabo prevaja elektriko. Ko je pod napetostjo (torej ko skozi njega potuje električni tok) se tako zelo segreje, da začne žareti. In to žarenje je torej svetloba, ki jo oddaja žarnica.

Pri žarnicah je, tako kot pri ostalih elementih, pomembno, da prek nje ne potuje višja električna napetost, kot pa je to navedeno na sami žarnici. Mi bomo pri eksperimentiranju uporabljali 2,5 V žarnice. Če bomo žarnice priključili na višjo napetost, bomo s tem sežgali njeno svetilno žičko in žarnica bo uničena.

Elektromotor

Elektromotor je naprava, ki jo srečamo v številnih napravah. Če ste uporabili ročni mešalec, mikrovalovko ali pa sesalec, ste lahko gotovi, da se naprava giblje zaradi elektromotorja.

Elektromotor je naprava, ki pretvori elektriko v mehansko gibanje.

Potrebno je razumeti, da je električna energija tesno povezana z magnetizmom. To povezavo sta v 19. stoletju raziskovala dva zelo znana angleška fizika – Faraday in Maxwell.

Torej, električni tok, ki teče po žici, ima okoli sebe magnetno polje. Podobno je magnetnem polju iz zelo, zelo drobnega magneta.

V notranjosti motorja so tri tuljave (klopčiči oz. navitja) žic s številnimi zankami. Ko skozi zanke steče električni tok, se okoli njih ustvari magnetno polje. Lahko rečemo, da žičnate zanke postanejo magnet.

Poleg teh tuljav pa ima motor v sebi tudi pravi stalni magnet. Kot vemo se magneti med seboj odbijajo in privlačijo.

Torej, kot smo rekli, ko električen tok steče skozi tuljave, se te »spremenijo« v magnet. Tuljave se želijo poravnati (torej približati) s stalnim magnetom, ki je v motorju.

Ker so tuljave nameščene na gred motorja, se tako s premikanjem tuljav tudi gred zavrti.

Elektromotor, ki ustvarja elektriko, pa deluje, hmm, kako?

Vse kar smo povedali o elektromotorjih deluje tudi v obratno smer. In takrat elektromotor imenujemo generator. Enega prav zagotovo dobro poznaš! Imenuje se dinamo

Opisali smo način kako elektromotor porablja električno energijo in jo pretvarja v vrtenje (gibalno energijo). A ta isti elektromotor lahko deluje tudi obratno!

To pomeni, da če zavrtimo elektromotor, bo ustvarjal električno energijo. Takrat ga imenujemo generator, saj namreč ustvarja električno energijo (generirati = ustvarjati). Če smo zelo natančni pa ne smemo reči, da jo ustvarja, saj dejansko pretvarja gibalno energijo v električno.

V teoriji to pomeni, da bi lahko zgradili vezje, kjer bi povezali elektromotor in 2,5 V žarnico. Če bi zavrteli elektromotor, bi s tem ustvarjali električno energijo, ki bi prižgala žarnico. V resnici nam to ne bi uspelo, saj motorja z rokami ne bi uspeli zavrteti dovolj hitro. Poizkusi to na tečajih, ko bomo gradili vezja!

Drugače pa je, ko imamo elektromotor povezan s tokom reke. Gre za primer hidroelektrarne. Tok reke ima dovolj moči, da dovolj hitro zavrti turbine (lopatice), ki so priključene na elektromotor. Vrtenje je dovolj hitro, da ustvarja električno energijo, ki jo potem po omrežju prenesemo do naših domovanj.

Ko elektromotor deluje v obratno smer, ga imenujemo generator, saj prek vrtenja ustvarja električno energijo.

Zvočnik

Kaj je zvok? Preden začnemo z razlago zvočnika, je dobro zastopiti, kaj sploh je to, kar slišimo kot zvok.

Zvok je dejansko gibanje (nihanje) zračnih delčkov (atomov). Ker so delčki zraka bolj stisnjeni, tam je pritisk večji. Velja seveda tudi obratno. Naša ušesa torej gibanje zračnih delčkov (razliko v pritisku) tolmačijo kot zvok.

Zvočnik je naprava, ki pretvori električno energijo v zvok. Torej naprava, ki pretvarja elektriko v gibanje zračnih delčkov. Da pa se delčki zraka zatresejo, mora zvočnik poprej zatresti svoje opno. To je ta ponjava, ki se trese, ko pogledamo v zvočnik.

Zvočnik zatrese svoje opno s pomočjo tuljave in magneta, ki delujeta podobno tistim v elektromotorju.

Še vprašanje za konec – kakšna je razlika med zvočnikom in mikrofonom? Sploh kakšna?

Žvižgač – malo drugačen zvočnik

Žvižgač (angleško: Whistle Chip oz. WC) v naših vezjih uporabljamo za enak namen kot zvočnik. Lahko oddaja zvok ali pa služi za zaznavo zvoka. Deluje pa žvižgač drugače kot zvočnik.

Vsebuje dve tanki plošči. Ko čez njiju steče električni signal, se ti plošči rahlo raztegneta in oddaljita ena od druge. Ko pa se signal prekine, se vrneta skupaj.

Če se tako električni signal, hitro spreminja, potem se tudi plošči hitro premikata narazen in skupaj. Plošči torej vibrirata in s tem premikata okoliške zračne delčke. Te vibracije ustvarjajo razlike v zračnem tlaku, ki jih naša ušesa čutijo kot zvok.

Razlika med zvočnikom in žvižgačem je torej v tem, da vsaka izmed naprav drugače povzroča tresenje. V obeh primerih pa to tresenje zraka zaznamo kot zvok.

LED dioda

LED dioda je elektronski element, ki je povsem enak navadni diodi, s to razliko, da sveti, ko skozi njo teče električni tok.

Glede na to torej, da je lučka zgolj dodatek k diodi, razložimo kaj sploh je dioda.

Dioda je element, ki prepušča električni tok samo v eno smer. Zaradi tega jo v vezjih uporabljamo za usmerjanje izmeničnih signalov.

Če se spomnimo na našo razlago elektrike prek vode, bi lahko rekli da je dioda tako kot nepovratni ventil v vodovodni cevi. Torej ventil, ki prepušča vodo v eno smer, tok v nasprotno smer pa blokira.

Na robotiki uporabljamo LED diode, ki so označene s puščico, tako da vemo v katero smer lahko teče elektrika. Mora pa biti napetost vsaj 1,5 V, da prek diode naše diode steče tok (to je: prag vklopa). Obenem pa moramo paziti, da diode ne povežemo na previsok električni tok, saj jo bomo tako skurili, torej uničili.

Čip oz. Integrirano vezje

Ko skupino elektronskih elementov ekstremno pomanjšamo, povežemo in damo na področje manjše od tvojega nohta, dobimo čip oz. integrirano vezje.

Do sedaj smo spoznali že več različnih elementov – npr. stikala, upore in diode. S časom pa bomo spoznali še druge, bolj zahtevne elemente, ki tudi gradijo vezja (kondenzatorje, tranzistorje, …).

Torej, ko več tisoč elementov pomanjšamo in povežemo med seboj na skupni plošči, dobimo čip oz. integrirano vezje. Lahko rečemo, da je čip svet v malem. Čipe srečamo povsod – od preprostih elektronskih igrač do najzahtevnejših računalnikov.

Pri robotiki večino časa uporabljamo integrirana vezja, ki delujejo kot glasbeni moduli.

Kondenzator

Kondenzatorji so elektronski elementi, ki lahko shranijo električni naboj, zaradi česar so uporabni v mnogih vrstah vezij.

So podobni baterijam, le da so precej manjši in da se napolnijo veliko hitreje.

Najpreprostejši kondenzator je sestavljen iz dveh vzporednih kovinskih plošč ploščine. Če je med ploščama zrak, se imenuje zračni kondenzator. Med plošče pa lahko dodamo tudi snov (dielectric) in mu s tem povečamo kapaciteto, prebojno trdnost itd.

Ko torej kondenzator priključimo na električni tok, sprejme naboj. Naboj ostane v kondenzatorju tudi, če odstranimo vir napetosti. Ko nato na njega priključimo porabnik (npr. žarnico ali upor), se kondenzator sprazni.

Kondenzator je torej neke vrste mini baterija. Shranjuje električni naboj za kasneje.

Pri robotiki včasih uporabimo tudi spremenljivi kondenzator (variabilni). Dejansko pa ga bomo uporabljali samo za uglaševanje frekvence, ko bomo gradili radijsko vezje. Kot že ime pove, gre za kondenzator, kjer lahko z vrtenjem gumba spreminjamo količino shranjenega električnega naboja (kapacitivnost.).Tranzistor

Izum tranzistorja mnogi štejejo za največji izum v zgodovini človeštva. Tranzistor je tisti sestavni del, ki omogoča delovanje računalnikov in ves digitalni svet okoli tebe.

Tranzistor je najbolje opisati kot ojačevalnik toka – za kontroliranje velike količine toka, uporablja majhno količino toka.

Tranzistorji so izredno zapleteni, zato se bomo pri robotiki predvsem usmerili na njihovo praktično uporabo. Tisti, ki ga bo delovanje tranzistorjev podrobno zanimalo, bo moral počakati vsaj do konca srednje šole, da bo imel dovolj znanja iz naravoslovnih področij. Nadaljujmo torej s splošnimi informacijami.

Ko v Inštitutu 4.0 gradimo vezja uporabljamo tranzistorje dveh vrst. Prvi so tranzistorji NPN, drugi pa PNP. Izbira je odvisna od narave vezja, ki ga želimo zgraditi.

Obema vrstama tranzistorjev je skupno to, da sta izdelana iz silicija, ki ima posebno lastnost, da je polprevodnik.  Poleg tega imata obe dve vrsti trdi priključne točke (3 pine) – emitter, base in collector.

Razložimo delovanje NPN tranzistorja. Ko skozi base priključek »priteče« električni tok v napetosti vsaj 0,7 V se odpre glavna povezava med collector in emiter.

Če prenesemo to naše analogije z vodo, bi lahko rekli da manjši tok, ki priteče skozi base, odpre ventil med priključkoma collector in emitter.

PNP tranzistor deluje tako kot NPN, vendar s to razliko, da električni tokovi tečejo v nasprotnih smereh.

Antena

Razložili smo že veliko izmed glavnih sestavnih delov, ki sestavljajo elektronske naprave.

Kot zadnji element tako omenimo še anteno, ki jo bomo uporabljali ob sestavljanju radia.

Če bi našo anteno, ki jo uporabljamo pri robotiki, razstavil, bi notri našli železno palico in okoli nje gosto navito bakreno žico.

To navitje zaznava radijski signal, ki potuje po zraku.