-----
REZYSTORY
Rezystor, zwany dawniej opornikiem, jest dwukońcówkowym elementem biernym, którego podstawowym parametrem jest rezystancja, wyrażona w ohmach. Zadaniem rezystora jest przede wszystkim ustalenie wartości prądu, lub podział napięcia. Składa się z korpusu, materiału oporowego i pokrycia zabezpieczającego przed uszkodzeniem. Ze względu na możliwości regulacji, rezystory dzieli się na: stałe (których rezystancja została ustalona w czasie produkcji i nie można jej zmienić) oraz nastawne, zwane potencjometrami. W tej części artykułu zajmę się opisem rezystorów stałych.
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...a/resistor.jpg
Jak wspomniałem wcześniej, najważniejszym parametrem w przypadku rezystorów jest rezystancja. Można powiedzieć, że określa ona ile prądu jest w stanie przepłynąć przez rezystor. Mała rezystancja, czyli mały opór umożliwi przepływ większej ilości prądu, niż duża rezystancja stanowiąca duży opór. Wartości rezystancji w przypadku rezystorów stałych, określane są na podstawie “ciągu wartości rezystancji” zwanych popularnie szeregiem. Szereg E24 to:
10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91.
Liczba 33 oznacza na przykład, że kupić możemy rezystor o wartości 3.3, 3, 33, 330 itd. ohmów.
Mówiąc jeszcze o oznaczeniach należy nadmienić, że na schematach stosuję się skróty w zapisie wartości rezystorów. I tak np. 430R oznacza rezystor 430 ohmów. Natomiast 2k oznacza rezystor 2000 ohmów (literka k oznacza tysiąc).
Ważnym parametrem gdy mowa o rezystorach jest ich moc, wyrażona w watach [W]. Prąd płynący przez rezystor powoduje wydzielanie się na rezystorze ciepła. Im prąd większy, tym rezystor bardziej się grzeje. Jeśli zakupi się rezystor o mocy mniejszej niż ta, która teoretycznie powinna wydzielić się na rezystorze, ten może się spalić. Na rynku możemy spotkać rezystory o różnych mocach. Najpopularniejsze to: 0.125W, 0.25W, 0.5W, 1W, 2W i inne. Sposób obliczania potrzebnej mocy przedstawię w dalszej części artykułu.
Na schematach elektrycznych, rezystor oznacza się przy pomocy prostokąta lub zygzaka.
Prawo Ohma
Na rysunku widać rezystor. Do jego nóżek podłączone jest napięcie stałe pochodzące z np. bateryjki. Napięcie oznacza się strzałką, której grot skierowany jest w kierunku napięcia wyższego. W tym przypadku podłączając np bateryjkę 4.5V, tam gdzie plus będzie napięcie 4.5V a tam gdzie minus 0V. Przyjęło się również, że napięcie oznacza się literką “U”.
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...dyteoria/1.gif
Ponieważ na rysunku na rezystorze występuje napięcie (różnica potencjałów), zaczyna płynąć prąd wyrażony w amperach [A]. Przyjęło się (znowu), że prąd płynie od wyższego potencjału do niższego, a oznacza się go literką “I”. Na rysunku prąd jest zaznaczony czerwoną strzałką i płynie od plusa, do minusa przez rezystor. Wartość tego prądu określa prawo Ohma, którę przedstawię w trzech postaciach w zależności którą wartość chcemy obliczyć:
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...dyteoria/3.gif
gdzie U- napięcie [V], I- prąd [A], R- rezystancja [Ohm].
Przypuśćmy, że do bateryjki 4.5V podłączyliśmy rezystor o wartości 100R. Chcemy się dowiedzieć, jaki prąd popłynie przez rezystor. Napięcie na rezystorze jest takie samo, jak bateryjki czyli 4.5V. Możemy zapisać wzór:
I= Ur/R = 4.5 / 100 = 0.045 [A].
Wiemy już, że przez rezystor 100R, przy napięciu 4.5V popłynie prąd 0.045 ampera.
Kolejnym ważnym punktem kwestii rezystorów (i nie tylko) jest sposób ich łączenia. W przypadku zabawy z diodami najważniejsze będą dwa: szeregowy i równoległy.
Połączenie szeregowe
W przypadku połączenia szeregowego, jeden rezystor podłączony jest do nóżki poprzedniego tak jak na rysunku.
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...dyteoria/2.gif
W tym przypadku połączyliśmy trzy rezystory R1, R2 i R3. Cechą połączenia szeregowego jest to, że przez wszystkie elementy w takim połączeniu przepływa taki sam prąd. Różnią się natomiast napięcia na poszczególnych elementach. Inną ważną cechą połączenia szeregowego rezystorów jest, że ich rezystancje się sumują. Gdybyśmy połączyli 4 rezystory o rezystancjach 10, 20, 30 i 40 ohmów szeregowo.. to takie połączenie możemy zastąpić jednym rezystorem o wartości R = 10 + 20 + 30 + 40 = 100 ohmów.
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...dyteoria/4.gif
W celu lepszego zobrazowania kwestii połączenia szeregowego proponuję następujące zadanie
Zadanie:
Trzy rezystory o wartościach R1 = 100R, R2 = 200R i R3 = 300R zostały połączone szeregowo. Do końcówek takiego połączenia przyłożono napięcie 6V. Oblicz napięcia na każdym z tych rezystorów
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...dyteoria/5.gif
Żeby rozwiązać to zadanie musimy obliczyć prąd I, przepływający przez wszystkie rezystory. W tym celu obliczmy rezystancję zastępczą całego obwodu. Ponieważ rezystory połączone są szeregowo, ich rezystancje możemy dodać uzyskując jeden rezystor: Rz = R1 + R2 + R3 = 100R + 200R + 300R = 600R.
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...dyteoria/6.gif
Napięcie na tym rezystorze zastępczym jest takie samo jak napięcie zasilania. Mając rezystancję i napięcie na rezystorze, możemy obliczyć prąd ze wzoru ohma: I=U/R
I=Urz/Rz = 6 / 600 = 0.01 A
Znamy już prąd. Możemy wrócić do poprzedniego układu i obliczyć napięcia na poszczególnych rezystorach ze wzoru Ohma: U=R*I.
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...dyteoria/7.gif
Ur1 = R1*I = 100 * 0.01 = 1V
Ur2 = R2*I = 200 * 0.01 = 2V
Ur3 = R3*I = 300 * 0.01 = 3V Zauważmy, że suma poszczególnych napięć na elementach połączonych szeregowo, jest równa napięciu przyłożonemu do tych elementów.
W naszym przypadku: U = Ur1 + Ur2 + Ur3.
Połączenie równoległe
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...dyteoria/8.gif
Cechą szczególną połączenia równoległego jest to, że napięcia na elementach połączonych w ten sposób są takie same, natomiast różne są prądy (zupełnie odwrotnie niż w przypadku połączenia szeregowego).
Na rysunku powyżej, jeśli taki obwód zasilimy bateryjką 4.5V, to na każdym z tych rezystorów bez względu na ich rezystancję, pojawi się napięcie 4.5V. Prąd I który wpływa do rozgałęzienia (węzła) rozpływa się na mniejsze prądy I1, I2 i I3. Suma tych prądów jest równa właśnie prądowi I. Zobrazuję to na przykładzie zadania:
Zadanie: Trzy rezystory o wartościach R1 = 50R, R2 = 100R i R3 = 300R połączono równolegle i przyłożono do nich napięcie U = 10V. Oblicz wartość prądów I1, I2 i I3 w poszczególnych gałęziach obwodu i prąd wpływający do rozgałęzienia (węzła).
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...dyteoria/9.gif
Jak stwierdzono wcześniej, w przypadku połączenia równoległego napięcia na każdej równoległej gałęzi są takie same. Oznacza to w tym przypadku, że na każdym rezystorze jest 10V. Żeby obliczyć prądy wystarczy skorzystać z prawa Ohma dla każdej gałęzi.
I1 = U / R1 = 10 / 50 = 0,2 A
I2 = U / R2 = 10 / 100 = 0,1 A
I3 = U / R3 = 10 / 300 = 0,03 A
Prąd wpływający do węzła jest sumą prądów I1, I2 i I3.. Czyli:
I = I1 + I2 + I3 = 0,2 + 0,1 + 0,03 = 0,33 A
Warto jeszcze wspomnieć o obliczaniu rezystancji zastępczej połączonych równolegle rezystorów. Wiedza ta nie jest niezbędna przy budowaniu oświetlenia na LEDach, ale dobrze ją posiadać. Rezystancję zastępczą oblicza się z następującego wzoru:
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...yteoria/10.gif
Dla zadania wyżej rozwiązanie będzie wyglądało następująco:
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...yteoria/11.gif
W ten sposób powstał nam obwód z jednym rezystorem o wartości 30,3R. Sprawdźmy, czy obliczenia są prawidłowe. Korzystając ze wzoru Ohma obliczmy prąd I w obwodzie.
I=10/30,3 = 0,33 A, czyli dokładnie taki sam jak w przypadku liczenia prądów, w poszczególnych gałęziach i zsumowaniu ich. Nasze obliczenia są prawidłowe.
Przydatną dla nas cechą w przypadku budowania oświetlenia na LEDach jest to, że w przypadku przepalenia jakiegoś elementu w którejś gałęzi, prąd przestaje płynąć tylko w tej uszkodzonej gałęzi.
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...yteoria/12.gif
Na rysunku w drugiej gałęzi przerwał się przewód. Dlatego przez drugi rezystor prąd płynąć nie będzie, natomiast prądy I1 i I3 przepływać będą dalej.
Połączenie równoległo-szeregowe
Innym połączeniem przydatnym przy budowaniu oświetlenia jest połączenie stanowiące hybrydę dwóch poprzednich.
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...yteoria/13.gif
Jak widać na rysunku polega ono na tym, że niektóre elementy są łączone szeregowo, a potem takie grupy szeregowe podłączane są do napięcia równolegle. Jak widać na załączonym rysunku, w gałęzi pierwszej znajdują się dwa rezystory. Przez te dwa rezystory przepływa ten sam prąd I1, natomiast napięcia na rezystorach Ur1 i Ur4 będą się różnić. Ważne jednak jest to, że suma napięć na poszczególnych elementach w gałęzi, równa jest napięciu zasilającemu. Zapisując to wzorami:
U = Ur1 + Ur4
U = Ur2 + Ur5
U = Ur3 + Ur6
W moim projekcie oświetlenia nocnego zastosowałem właśnie taki sposób łączenia tyle, że w każdej gałęzi zamiast jednego rezystora była dioda.
Moc rezystora
Bardzo ważnym parametrem w przypadku rezystorów (i wszystkich innych części elektronicznych) jest ich moc. Rezystor pod wpływem przepływającego prądu wydziela ciepło. Im wyższe napięcie przyłożymy do rezystora, tym większy prąd przez niego przepływa. Gdy prąd będzie bardzo duży, ilość ciepła wydzielana przez rezystor będzie dość znaczna i może on ulec przepaleniu. To tak, jakbyśmy próbowali przepchać banana (duży prąd) przez słomkę (rezystor małej mocy).
Moc wyrażamy w watach [W], we wzorach oznaczamy literką “P” a obliczyć ją możemy z
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...yteoria/14.gif
Zadanie:Do bateryjki 4.5V podłączono rezystor o rezystancji 100R. Jaka wydzieli się na nim moc?
Mamy podane napięcie przyłożone do rezystora i jego rezystancję więc skorzystam ze wzoru drugiego (mogę obliczyć również z prawa Ohma prąd przepływający przez ten rezystor i skorzystać z pozostałych wzorów):
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...yteoria/15.gif
Jak widać, na rezystorze wydzieli się 0,2 wata. Oznacza to, że musimy kupić rezystor o większej mocy niż 0,2 wata. Jak pisałem wcześniej, na rynku spotkamy rezystory o mocach 0.125, 0.25, 0.5 itd. Dlatego aby wszystko dobrze działało, należy kupić rezystor o mocy 0.25W.
Jeśli do tego rezystora przyłożymy napięcie np 50V, oznacza to, że wydzieli się na nim 25W ciepła! To prawie piecyk!!! Im większą moc posiadają rezystory, tym większe są ich rozmiary.
Na szczęście w przypadku oświetlenia LED, przy niskich napięciach zasilania rzędu paru woltów, rezystory 0,25W w zupełności wystarczą.
DIODY LED
Diody elektroluminescencyjne LED należą do IV generacji sztucznych źródeł światła wykorzystywanych przez człowieka w oświetleniu. Pierwsze 3 generacje to oczywiście: płomień, lampy żarowe i lampy wyładowcze.
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...teoria/led.jpg
Nie będę tutaj opisywał dlaczego LEDy świecą (zainteresowanych odsyłam do google z hasłami: elektroluminescencja i rekombinacja). Skupię się raczej na sposobie ich łączenia.
Polaryzacja diody
W przypadku LEDów jak i innych diod bardzo ważną kwestią jest to, gdzie przyłożymy napięcie. Kupując diodę można zauważyć, że jedna nóżka jest dłuższa od drugiej. Przyglądając się bliżej można dostrzec, że we wnętrzu diody występują dwie "blaszki": jedna większa, druga mniejsza. Dłuższa nóżka wchodzi do mniejszej blaszki i jest zwana "anodą", natomiast krótsza nóżka, wchodzi do większej blaszki zwanej "katodą".
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...yteoria/ak.jpg
Plus zasilania podłączamy zawsze do anody, natomiast minus do katody. Warto wspomnieć, że na schematach elektrycznych diodę LED oznacza się takim symbolem:
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...yteoria/16.gif
Bardzo ważne parametry
Diody LED sterowane są prądowo. Oznacza to, że najbardziej szczęśliwe są wtedy, gdy przepływa przez nie odpowiedni prąd. A prąd ten wynosi około <strong>20mA</strong> czyli 0,02 ampera. Dodatkowo do diody musi być przyłożone odpowiednie napięcie. Napięcie to różni się dla diod o różnych kolorach. Wartości tego napięcia dla najczęściej wykorzystywanych LEDów zamieszczam w poniższej tabelce:
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...ria/tabela.jpg
Uwzględniając wszystko co do tej pory napisałem, stwórzmy podstawowy obwód, który spowoduje że dioda zaświeci. Podłączmy zwykłą zieloną diodę do bateryjki 4,5V. Ponieważ dioda sterowana jest prądowo, konieczny jest dobór odpowiedniego rezystora utrzymującego prąd 0.02 A. Schemat połączeń wyglądać będzie następująco:
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...yteoria/17.gif
Mamy tutaj podobną sytuację jak w przypadku połączenia szeregowego dwóch rezystorów, tylko zamiast drugiego rezystora jest dioda. Napięcie dla diody zwykłej zielonej to 2,2V (odczytane z tabelki). W rozdziale o połączeniu szeregowym było napisane, że napięcie zasilania równa się sumie napięć na elementach, czyli (Ur - napięcie rezystora, Ud - napięcie na diodzie):
U=Ur + Ud
Ponieważ napięcie zasilające znamy (4,5V) i znamy napięcie na diodzie (2,2V) możemy obliczyć napięcie na rezystorze Ur:
Ur = U-Ud = 4,5 - 2,2 = 2,3 V.
Wiadomo więc, że napięcie które pojawi się na rezystorze to 2,3V, a prąd przez niego przepływający to 0,02 A. Obliczmy więc rezystancje tego rezystora z prawa Ohma:
R=U/I = 2,3 / 0,02 = 115
Wiemy już, że przy podłączeniu do bateryjki 4,5 V diody zielonej zwykłej, musimy zastosować rezystor o wartości 115 ohmów (lub rezystor o rezystancji jak najbardziej zbliżonej do tej.. np 120 ohmów).
Sprawdźmy też, jakiej mocy rezystor musimy kupić:
P=U*I = 2,3*0,02 = 0,046W
Oznacza to, że trzeba kupić rezystor o rezystancji 120 Ohmów i mocy większej niż 0,046W czyli np 0,125W.
Tak może wyglądać dioda, z przyczepionym do niej rezystorem
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy/galeria/img2.jpg
Łączenie kilku diod
Rzadko kiedy zdarza się, że chcemy podłączać jedną diodę. Częściej podłączyć musimy kilka a nawet kilkadziesiąt sztuk. W tym miejscu zaprezentuję najczęściej stosowane połączenia a także ich zalety i wady.
Pierwszym sposobem połączenia diod jest połączenie szeregowe. Sprawdza się ono dość dobrze w przypadku niewielkiej ilości LEDów, lecz osobiście radziłbym go unikać. Napięcie zasilania podane na łańcuszek połączonych szeregowo diod, musi być większe od sumy napięć każdej diody. Czyli łącząc szeregowo trzy zielone diody o napięciu 2.2V, musimy je zasilić napięciem większym niż 3x2.2 = 6.6V. Schemat połączenia wygląda następująco.
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...yteoria/18.gif
Wadą tego rozwiązania jest to, że im większa liczba diod, tym wyższe napięcie zasilania jest potrzebne. Do tego przepalenie jednej diody oznacza zgaśnięcie wszystkich pozostałych. Trudniejsze jest również dodawanie i odejmowanie LEDów w takim układzie. Osobiście uważam, że taki układ połączeń ma więcej wad niż zalet dlatego proponuję połączenie równoległe:
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...yteoria/19.gif
Na rysunku pierwszym, każda dioda ma swój rezystor. Całość podłączona jest do zasilania. Plusem tego połączenia jest bardzo łatwe dodawanie lub odejmowanie LEDów. W przypadku przepalenia diody lub rezystora, nie świeci tylko ta przepalona. Ograniczeniem jest wydajność prądowa zasilacza.
Na rysunku niżej, zastosowano jeden rezystor przed diodami. W tym przypadku diody też będą świecić. Jednak rezystor musi być większej mocy, bo przepływa przez niego prąd równy ilości diod pomnożonej przez 0,02A. Poza tym w gałęziach mogą pojawić się różne dziwne zmiany przepływającego prądu dlatego taki układ nie jest zalecany.
Jeśli do podłączenia mamy bardzo dużo LEDów, do tego układ zasilać chcemy z napięcia dużo większego niż napięcie diody (np. podłączając diodę o napięciu 2V do zasilania 12V, 10V odłoży się na rezystorze i zamienione będzie na ciepło, co jest po prostu stratą, a prąd kosztuje), warto zastanowić się nad połączeniem szeregowo-równoległym.
http://www.linuxpl.com/%7Eacid19/diy...yteoria/20.gif
Kilka diod łączy się szeregowo z rezystorem, a następnie takie gałęzie podłącza równolegle do zasilania. Oczywiście w tym przypadku napięcie zasilania musi być większe od sumy napięć diod w jednej gałęzi. W przypadku na rysunku wyżej, układ zasilono napięciem 12V. W każdej gałęzi połączone są trzy super jasne zielone diody o napięciu 3,7V. Spadek napięcia na trzech diodach się sumuje i wynosi 3x3,7=11,1V. Oznacza to, że na rezystorze odłoży się tylko 0,9V. Na pewno jest to lepsze niż gdybyśmy do 12V podłączyli jedną diodę. Wtedy spadek na rezystorze by wyniósł 8,3V!. To zupełnie tak, jakby wyrzucić dwie duże płaskie baterie do kosza na śmieci.
Zaletą takiego rozwiązania jest zmniejszenie liczby przewodów w przypadku dużej liczby diod (np podłączając 12 diod równolegle do zasilania, musimy poprowadzić 24 przewody, 12 plusów i 12 minusów. Po stworzeniu 4 gałęzi z 3 diod, można całość podłączyć do wyższego zasilania przy pomocy 8 przewodów). Możliwe jest też zasilanie układu większym napięciem. Wadą natomiast to, że w przypadku przepalenia którejś diody, gasną wszystkie w gałęzi.
Tyle w tej materii. Wiecej info o zasilaczach i prostej regulacji świeceniem LEDów na mojej stronie domowej.
REWELACJA!!!
Bardzo dobry poradnik, gratulacje
Dzieki wielkie. Ciesze sie, ze doceniono moj wysilek.
dobra robota :)
kiedyś miałem plan napisać taki mały poradnik ale widze, że nie będę musiał ;)
dopisze jeszcze potem coś tutaj
WOW, tzn. :zdziwko: :zdziwko:
Świetny tekst!
A jeśli komuś sie nie chce liczyć to może skorzystać z pomocy programu:
http://www.excray.republika.pl/rez.exe
Liczy opornik dla jednej diody.
Spoko! Zawalisty poradnik ziom, naprawde super, przeczytam jak będe się bawić diodami albo coś będe zmieniać w budzie (bo się zanosi na mały remont).
