Część 1

Zacznijmy od poznania najważniejszych pojęć, które od teraz będą pojawiały się już wszędzie. Na tym etapie (przynajmniej w teorii) nie znasz jeszcze żadnych elementów elektronicznych, więc nie będziemy jeszcze odnosić tych informacji do konkretnych układów. tym zajmiemy się w następnej części.

Najważniejsze wielkości w elektronice

Elektronika bazuje na fizyce, dlatego zasady w niej obowiązujące są (na szczęście) jednoznaczne, nie ma tu miejsca na domysły i własne teorie. Pierwszą, fundamentalną umiejętnością jest zrozumienie trzech podstawowych pojęć:

napięcie,prąd,opór (inaczej rezystancja).

Czym jest napięcie?

Napięcie jest miarą siły z jaką nośniki ładunku elektrycznego chcą się do siebie zbliżyć. Jest to pewne uproszczenie, ale oddające postać rzeczy. Im większe napięcie, tym większa jest ta siła. Jeżeli napięcie jest zerowe, wówczas tej siły nie ma.

Napięcie zawsze jest mierzone między dwoma punktami. Tak jak mierzy się np. wysokość gór względem poziomu morza. Trzeba mieć dwa punkty i je porównać.

W elektronice często korzystamy z analogii wodnej. To znaczy, że dla łatwiejszego zrozumienia świata elektroniki porównujemy sobie wszystko do płynącej wody, która jest bardziej "namacalna". Dzięki temu zrozumienie niektórych zjawisk jest łatwiejsze.

Napięcie możemy w taki sposób przyrównać do wody zebranej przed tamą:

Wysokość wody przed tamą może symbolizować napięcie w układach elektronicznych

Poziom wody (napięcia) mierzymy między dwoma umownymi punktami. Już teraz widać, że im wody będzie więcej tym szybciej będzie wypływała przez śluzę w tamie (jeszcze do tego wrócimy).

Napięcie stałe i zmienne

Napięcie może być: stałe lub zmienne. W naszym przypadku będziemy zajmować się tylko napięciem stałym, bo to z niego korzysta się głównie podczas majsterkowania, zabaw z Ariduno oraz Raspberry Pi. Wszystkie baterie i akumulatory są właśnie źródłem napięcia stałego. Drugi rodzaj, napięcie zmienne, ma bardziej złożoną naturę i nie będzie tu szerzej opisywane.

Odradzamy początkującym samodzielne eksperymentowanie z napięciem zmiennym np. w gniazdku. Ewentualny błąd może zakończyć się utratą zdrowia lub życia - to nie jest zabawa! Dlatego lepiej skupić się na opisanych tutaj eksperymentach, które są całkowicie bezpieczne.

Jednostką napięcia jest wolt, którego oznaczamy literą V. Napięcie może charakteryzować baterię. Ta, której używamy w kursie powinna mieć 9 V, co czytamy jako "9 woltów". W naszych eksperymentach będziemy pracować z bezpiecznymi dla zdrowia napięciami mieszczącymi się w zakresie od 0 do 9V.

Jak zmierzyć napięcie?

Pora na Twój pierwszy pomiar miernikiem. Sprawdźmy, czy bateria dołączona do zestawu ma faktycznie 9V. W tym celu ustaw pokrętło miernika na pomiar napięcia i wybierz zakres 20V - będzie to informacja dla miernika, że maksymalne zmierzone napięcie nie przekroczy 20V.

Pomiaru powinniśmy dokonywać zawsze na najmniejszym możliwym zakresie - zapewnia to najlepszą precyzję pomiaru. Czyli przykładowo baterię 9V mierzymy na zakresie 20V, ale zasilacz, który miałby dawać 21V mierzylibyśmy już na zakresie 200V.

Pomiaru napięcia dokonujemy zawsze równolegle! Czyli, aby np. zmierzyć spadek napięcia na diodzie świecącej należałoby miernik wpiąć, tak jak widoczne jest to poniżej.

Przykładowe, równoległe wpięcie miernika i pomiar spadku napięcia na diodzie

Nie przejmuj się, jeśli jeszcze nie rozumiesz tego schematu. Wrócimy do takich pomiarów w następnym artykule. Teraz chcemy zmierzyć tylko napięcie baterii, więc podłączamy miernik równolegle do niej. Pamiętaj, aby sondy pomiarowe (bo tak nazywa się te kolorowe kable z ostrymi końcówkami) wpiąć w odpowiednie gniazda:

-czarny przewód do gniazda COM

-czerwony przewód do gniazda, które w opisie ma V.

Następnie dwie końcówki pomiarowe przyłóż do baterii. Czerwoną do plusa, a czarną do minusa. Nie ma różnicy czy wyprowadzeń baterii dotkniesz od dołu, od góry, czy od boku - uważaj tylko, aby nie zrobić zwarcia, czyli, aby NIE zewrzeć ze sobą dwóch biegunów baterii!

Przykładowy pomiar widoczny jest poniżej:

Pomiar napięcia na baterii 9V za pomocą miernika uniwersalnego

Z miernika odczytujemy wartość 9,71V, czyli nie uzyskaliśmy 9V, które napisane jest na baterii. Czy to znaczy, że jest ona uszkodzona? Nie, wszystko jest dobrze!

Trzeba się przyzwyczaić, że w świecie elektroniki jest duża różnica między wartościami teoretycznymi oraz faktycznymi. Twoje wyniki mogą być jeszcze inne. Wynika to z wielu powodów, ale o tym później.

W każdym razie, nowa bateria (raczej na pewno) będzie miała ponad 9V - z czasem wartość ta będzie spadać (po wykonaniu różnych ćwiczeń).

Czasami w kursie będziemy umieszczać zdjęcia, a czasami będziemy posługiwać się ilustracjami (tak, jak poniżej). Od razu odpowiedź na częste pytanie: grafiki zostały przygotowane przy częściowej pomocy darmowego programu Fritzing, jednak większość użytych bibliotek oraz niestandardowych dodatków wykonaliśmy samodzielnie w Corelu. 

Sprawdźmy teraz co się stanie, jeśli przy pomiarze napięcia czerwoną sondą dotkniemy minusa baterii, a czarną plusa - spokojnie, nic się nie uszkodzi:

Pomiar baterii z „poprawnym” podłączeniem sond

Pomiar baterii z odwrotnym podłączeniem sond

Jak widać na wyświetlaczu pojawił się dodatkowo znak minusa. Jest to dla nas sygnał, że sondy zostały podłączone do baterii odwrotnie, ale nie jest to szkodliwe (ani dla baterii, ani dla miernika). Teraz dla testu zmierz jeszcze baterię, gdy miernik jest ustawiony na zakres do 200V.

Pomiary na większym zakresie nie uszkodzą nigdy miernika, wpływają jednak negatywnie na precyzję tego konkretnego pomiaru.

Pomiar napięcia baterii na większym zakresie miernika

Jak widać wynik się trochę różni (i wcale nie jest to zaokrąglenie wartości w dół), a do tego nasz miernik wskazał tylko jedno miejsce po przecinku. Ten pomiar jest więc mniej precyzyjny. Właśnie dlatego pomiary należy zawsze wykonywać na najmniejszym możliwym zakresie (ale w granicach rozsądku).

Jeśli zupełnie nie masz pojęcia na jakim zakresie mierzyć to zacznij od największego zakresu, sprawdź wynik i na tej podstawie ustaw odpowiednio mniejszą wartość.

No dobrze, wiemy już (mniej więcej) czym jest napięcie, teraz pora na kolejną wartość.

Czym jest prąd?

Odpowiedź poznasz w 2 części.