01 – Elektrický obvod

Každý elektronický přístroj je na konci jen spleť drátů, kudy teče proud. Tady vidíš ten nejjednodušší možný příklad.

Zapojení

Součástky na desce

• Napájení (+5 V / GND) — Nahoře je +5 V, dole 0 V. Elektřina teče vždy z kladného pólu (+) směrem k zápornému (–).
• Tlačítko SW1 — Spínač. Když ho nestlačíš, obvod je přerušený. Když ho stlačíš, spojí body A a B a uzavře cestu pro proud.
• Rezistor R1 (470 Ω) — Omezuje proud a chrání LEDku před zničením.
• LED dioda (LED1) — Svítí, když přes ni teče proud. Má anodu (A) a katodu (C) — proud může téct jen jedním směrem.
• Měřicí body M1 a M2 — Slouží k měření napětí multimetrem na různých místech obvodu.

---

Co je elektrický obvod

Aby elektřina mohla téct, musí mít uzavřenou cestu — smyčku, která začíná u zdroje napětí, prochází součástkami a vrací se zpět. Pokud je tato cesta kdekoliv přerušená, proud neteče a nic se neděje.

Na této desce je cesta vedena takto:

+5 V → SW1 → R1 → LED1 → 0 V (GND)

Celý obvod je zapojený sériově — všechny součástky jsou za sebou v jedné cestě, jako vagóny vlaku. To znamená, že všemi součástkami teče stejný proud, postupně za sebou.

Co se stane, když stlačíš tlačítko

Tlačítko nestlačeno: Obvod je přerušený → proud nemá kudy téct → LEDka nesvítí.

Tlačítko stlačeno: Obvod se uzavře a proud teče celou cestou. LEDka se rozsvítí.

Proč tam musí být rezistor

warning

Bez rezistoru by LEDkou protekl příliš velký proud a okamžitě by se zničila. Rezistor je nutný vždy.

LED dioda snese pouze 5–20 mA. Rezistor proud omezí na bezpečnou hodnotu — funguje jako úzká tryska na zahradní hadici. Čím větší odpor, tím méně proudu proteče.

Navazuje na první sekci

Víš, že obvod se uzavírá a že rezistor chrání LEDku. Teď si ukážeme, jak to změřit a co čísla znamenají.

Rozdělení napětí v obvodu

Napětí se nikam neztrácí — v sériovém obvodu se rozdělí mezi jednotlivé součástky. Celkem máme 5 V ze zdroje:

• U_SW1 ≈ 0 V (sepnuté tlačítko neklade odpor)
• U_R1 ≈ 2,5–3,2 V (úbytek na rezistoru)
• U_LED1 ≈ 1,8–2,5 V (závisí na barvě LED)

Součet musí vždy dávat 5 V — to není náhoda, ale fyzikální zákon.

Ohmův zákon

Vztah mezi napětím, proudem a odporem popisuje Ohmův zákon:

Vzorec	Význam
U = I · R	Napětí = proud × odpor
I = U / R	Proud = napětí / odpor
R = U / I	Odpor = napětí / proud

Měření na desce

Měření je klíčová část práce s elektronikou — bez něj pouze odhadujeme. Na této desce máš k dispozici 2 měřicí body a součástky s přístupnými body A a B, které ti umožňují ověřit Ohmův zákon i Kirchhoffovy zákony.

Jak nastavit multimetr

Než cokoliv připojíš, zkontroluj správné nastavení multimetru:

1. Červená sonda → zdířka označená V/Ω (někdy VmA)
2. Černá sonda → zdířka označená COM
3. Přepínač nastav na DC V — stejnosměrné napětí. Hledej symbol ⎓ nebo zkratku DCV. Pokud má multimetr autorozsah (AUTO), stačí přepnout na DC V a rozsah si zvolí sám. Jinak zvol rozsah 20 V.

Měření napětí na měřicích bodech M1 a M2

Měřicí body M1 a M2 jsou přístupné plošky na desce. Napětí měříš vždy vůči GND — černá sonda zůstává na GND po celou dobu, červenou přikládáš na různá místa.

Postup:

1. Připoj desku přes USB-C
2. Černou sondu přilož na bod GND (označen na desce vpravo dole)
3. Červenou sondu přilož postupně na M1, pak na M2
4. Odečti hodnotu na displeji, jednou s uvolněným tlačítkem, jednou se stlačeným

Bod	Co měříš	Tlačítko uvolněno	Tlačítko stlačeno
M1	Napětí za SW1 a před R1	~0 V	~5 V
M2	Napětí za R1 a před LED1	~0 V	~1,8–2,2 V

Proč M1 ukazuje 0 V při uvolněném tlačítku? Proud neteče, takže na M1 se nic neděje — celých 5 V „drží" přerušený spínač. Jakmile tlačítko stlačíš, napětí se začne rozdělovat dál po obvodu.

Jak z toho spočítat proud? Rozdíl napětí M1 − M2 je úbytek přímo na rezistoru R1. Dosaď do Ohmova zákona:

$I = \frac{U_{M1} - U_{M2}}{R_1} = \frac{3{,}0}{470} \approx 6{,}4 \text{ mA}$

Měření přímo na součástkách — body A a B

Každá součástka na desce má označené body A (vstup) a B (výstup), viditelné ve schématu. Měřením napětí mezi nimi zjistíš úbytek přímo na té součástce.

Postup:

1. Červenou sondu přilož na bod B součástky (vstupní strana, blíže k +5 V)
2. Černou sondu přilož na bod A součástky (výstupní strana, blíže k GND)
3. Odečti napětí — to je úbytek právě na té součástce

Součástka	Červená sonda	Černá sonda	Tlačítko stlačeno
SW1 (spínač)	bod B na SW1	bod A na SW1	~0 V (ideálně)
R1 (rezistor)	bod B na R1 = M1	bod A na R1 = M2	~2,8–3,2 V
LED1	bod A na LED1 = M2	GND	~1,8–2,2 V

info

Součet všech tří úbytků (SW1 + R1 + LED1) musí dát přesně 5 V. Pokud se čísla mírně liší, je to normální — multimetr má svou přesnost. To je 2. Kirchhoffův zákon ověřený v praxi.

Měření proudu procházejícího obvodem

Proud se měří úplně jinak než napětí — multimetr musíš zapojit do série, tedy do přerušeného obvodu, aby veškerý proud procházel přes něj.

Přenastav multimetr do režimu měření proudu:

1. Červenou sondu přesuň do zdířky mA (nebo µA/mA, záleží na multimetru)
2. Přepínač nastav na DC mA

Nejjednodušší místo pro přerušení obvodu je mezi bodem B na SW1 a C na LED1.

Postup:

1. Červenou sondu přilož na stranu B na SW1, černou na stranu C na LED1
2. Připoj napájení a stlač tlačítko
3. Multimetr ukáže proud tekoucí celým obvodem — očekávaná hodnota: ~6–7 mA

info

Protože je obvod sériový, naměříš stejný proud kdekoliv — přes spínač, přes rezistor i přes LEDku. To potvrzuje 1. Kirchhoffův zákon: v sériovém obvodu teče všemi součástkami stejný proud.

Přehled všech měření

Co měřím	Nastavení multimetru	Červená sonda	Černá sonda	Očekávaná hodnota
Napětí za SW1	DC V	M1	GND	0 V / 5 V
Napětí za R1	DC V	M2	GND	0 V / ~2 V
Úbytek na SW1	DC V	B (SW1)	A (SW1)	~0 V (sepnuto)
Úbytek na R1	DC V	A rezistoru	B rezistoru	~3 V
Úbytek na LED1	DC V	A ledky (anoda)	C ledky (katoda)	~1,8–2,2 V
Proud obvodem	DC mA	do série (+)	do série (–)	~6–7 mA

Navazuje na obě předchozí sekce

Změřils napětí a proud — teď se podíváme na zákon, který za tím stojí, a na fyziku součástek samotných.

Kirchhoffovy zákony

Kirchhoffovy zákony jsou základem analýzy elektrických obvodů.

1. Kirchhoffův zákon (proudový): V sériovém obvodu teče všemi součástkami stejný proud.

$I_{SW1} = I_{R1} = I_{LED1}$

2. Kirchhoffův zákon (napěťový): Součet napětí v uzavřené smyčce je nula.

$U - U_{SW1} - U_{R1} - U_{LED1} = 0$

$5 - 0 - U_{R1} - 2{,}0 = 0 \implies U_{R1} = 3{,}0 \text{ V}$

Stavba rezistoru

Rezistor klade odpor průchodu elektrického proudu. SMD rezistory na této desce jsou kovové vrstvové — tenká vrstva kovové slitiny (NiCr) nanesená na keramickém tělísku.

Hodnota odporu závisí na materiálu, délce a průřezu vodiče:

$R = \rho \cdot \frac{l}{S}$

kde ρ je měrný odpor materiálu, l délka a S průřez vodiče.

info

Hodnotu SMD rezistoru poznáš podle číselného kódu na součástce — kód 471 znamená 47 × 10¹ = 470 Ω.

Jak funguje LED dioda

LED (Light Emitting Diode) je polovodičová součástka s P-N přechodem. Když přiložíš napětí ve správném směru, elektrony a díry se rekombinují a uvolňují energii jako fotony — světlo. Barva závisí na použitém polovodiči:

Barva LED	Materiál	Propustné napětí Uf
Červená	GaAsP	~1,8–2,2 V
Zelená	GaP / InGaN	~2,0–3,5 V
Modrá	InGaN	~3,0–3,5 V
Bílá	InGaN + fosfor	~3,0–3,5 V

warning

LED dioda není lineární součástka — neklade stálý odpor jako rezistor. Proto musí být proud vždy omezen externím rezistorem.

Výpočet hodnoty rezistoru

Pro správnou funkci LEDky je třeba spočítat odpor R1.

Zadané hodnoty:

• Napájecí napětí: U = 5 V
• Propustné napětí LED: U_f ≈ 2,0 V (červená)
• Požadovaný proud: I_f = 10 mA = 0,01 A

$R_1 = \frac{U - U_f}{I_f} = \frac{5 - 2{,}0}{0{,}01} = 300 \text{ Ω}$

Na desce je osazena hodnota 470 Ω — proud bude nižší (~6,4 mA), LEDka svítí méně jasně, ale bezpečněji a s delší životností.

info

Výkon ztracený na rezistoru:

$P = I^2 \cdot R = (0{,}0064)^2 \cdot 470 \approx 19 \text{ mW}$

Standardní SMD rezistor o velikosti 0805 s maximálním výkonem 0,12 W to zvládne bez problémů.