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

Součástka	Funkce
+5 V / GND	Napájení. Elektřina teče z kladného pólu (+5 V) zpátky k zápornému (GND = 0 V).
Tlačítko SW1	Spínač — rozhoduje, jestli proud smí projít nebo ne.
Rezistor R1 (470 Ω)	Omezuje proud — chrání LEDku před zničením.
LED dioda (LED1)	Světelná součástka — svítí, když přes ni teče dostatečný proud.
Měřicí body M1, M2	Přístupné plošky pro připojení multimetru.

---

Jak funguje elektrický obvod

Aby elektřina mohla téct, musí mít uzavřenou smyčku — cestu z kladného pólu zdroje přes součástky zpátky k zápornému. Přeruš ji kdekoliv a proud okamžitě přestane téct.

Na desce jde smyčka takto:

+5 V → SW1 → R1 → LED1 → GND

Všechny součástky jsou zapojené sériově — za sebou, jako vagóny vlaku. Přes každou z nich teče stejný proud, jeden po druhém.

Ilustrace

Schéma toku proudu: oranžová šipka sleduje cestu +5 V → SW1 → R1 → LED1 → GND. Ve stavu „tlačítko pustěno" je šipka přerušená u SW1 a LED je zhasnutá. Ve stavu „stlačeno" prochází celou smyčkou a LED září. Styl: čistá linka na tmavém pozadí, oranžová (#ff7120) pro aktivní cestu.

Tlačítko jako vrátný

Tlačítko SW1 je jediný bod, kde se cesta otvírá a zavírá:

• Pustěno — cesta je přerušená, proud neteče, LEDka nesvítí
• Stlačeno — cesta se uzavře, proud teče, LEDka se rozsvítí

Proč tam musí být rezistor

Bez rezistoru LED okamžitě shoří

LED dioda snese jen 5–20 mA. Kdybychom ji připojili přímo bez R1, protekl by jí mnohonásobně větší proud a zničila by se. Rezistor funguje jako úzká tryska na hadici — omezuje průtok, aniž by ho úplně zastavil.

---

Úkol 1 — Zmáčkni tlačítko

Připoj desku přes USB-C. Nic se nestane — LEDka nesvítí.

1. Stlač tlačítko SW1. Co vidíš?
2. Drž tlačítko stlačené. Svítí LEDka pořád stejně jasně, nebo se jas mění?
3. Rychle mačkej a pouštěj. Reaguje LEDka ihned, nebo se zpožděním?

Napiš vlastními slovy, co se děje a proč si myslíš, že to tak funguje.

Úkol 2 — Sleduj cestu proudu

Podívej se na desku zblízka. Zlaté linky jsou elektrické vodiče — spoje, kudy teče proud.

Prstem nebo tužkou stopuj cestu od nápisu +5V nahoře až k nápisu GND dole. Kde přesně se cesta přeruší, když je tlačítko pustěné?

Navazuje na první sekci

Víš, jak obvod funguje a co dělá každá součástka. Teď si ukážeme, jak to změřit čísly — a co ta čísla znamenají.

Ohmův zákon

Napětí, proud a odpor jsou pevně svázané — změň jedno a změní se i ostatní:

$U = I \cdot R \qquad I = \frac{U}{R} \qquad R = \frac{U}{I}$

Veličina	Symbol	Jednotka	Přirovnání k vodě
Napětí	U	Volt (V)	Tlak v potrubí
Proud	I	Ampér (A)	Průtok
Odpor	R	Ohm (Ω)	Zúžení trubky

Příklad na desce: R1 = 470 Ω, napětí na R1 ≈ 3 V:

$I = \frac{3{,}0\,\text{V}}{470\,\Omega} \approx 6{,}4\,\text{mA}$

Jak se napětí dělí v sériovém obvodu

Celková hodnota 5 V se v sériovém obvodu rozdělí mezi součástky. Součet jejich napětí musí vždy dávat přesně 5 V:

Součástka	Napětí při stlačeném tlačítku
SW1 (spínač, sepnutý)	≈ 0 V
R1 (rezistor)	≈ 2,8–3,2 V
LED1	≈ 1,8–2,2 V
Součet	= 5 V

---

Úkol 3 — Nastav multimetr

Než začneš měřit, nastav multimetr správně:

1. Červená sonda → zdířka V/Ω
2. Černá sonda → zdířka COM
3. Přepínač na DC V (symbol ⎓ nebo zkratka DCV)
4. Pokud není autorozsah (AUTO), zvol rozsah 20 V

Úkol 4 — Mapa napětí

Černou sondu přilož na GND (označeno na desce vpravo dole) a nechej ji tam po celou dobu. Červenou přikládej na různá místa.

Měř ve dvou stavech tlačítka a zapiš výsledky:

Bod	Tlačítko pustěno	Tlačítko stlačeno
M1	_____ V	_____ V
M2	_____ V	_____ V

Pak spočítej proud z naměřených hodnot (R1 = 470 Ω):

$I = \frac{U_{M1} - U_{M2}}{R_1} = \frac{\_\_\_\,\text{V}}{470\,\Omega} = \_\_\_\,\text{mA}$

info

M1 ukazuje 0 V při puštěném tlačítku proto, že proud neteče — celých 5 V „visí" na přerušeném spínači a nikam se nerozděluje. Jakmile tlačítko stlačíš, napětí se začne rozdělovat dál po celém obvodu.

Úkol 5 — Úbytky přímo na součástkách

Změř napětí přímo na každé součástce. Červenou sondu dej na vstup (strana blíže k +5 V), černou na výstup.

Součástka	Červená sonda	Černá sonda	Naměřeno
SW1	bod B na SW1	bod A na SW1	_____ V
R1	bod M1	bod M2	_____ V
LED1	bod M2	GND	_____ V
Součet			_____ V

Součet by měl dát přesně 5 V. Pokud se trochu liší, je to normální — multimetr i součástky mají toleranci.

Navazuje na obě předchozí sekce

Změřil jsi napětí na každé součástce a spočítal proud. Teď se podíváme na fyzikální zákony, které tvá měření potvrdila.

Kirchhoffovy zákony

Kirchhoffovy zákony popisují, jak se proud a napětí chovají v libovolném obvodu — platí vždy, bez výjimky.

1. Kirchhoffův zákon — proudový (KCL): V sériovém obvodu teče přes každou součástku stejný proud. Přidáš-li ampérmetr kdekoliv do série, ukáže pokaždé totéž číslo.

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

2. Kirchhoffův zákon — napěťový (KVL): Součet napětí v uzavřené smyčce je nula. Veškerá energie, kterou zdroj dodal, se musí spotřebovat na součástkách.

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

$5 - 0 - U_{R1} - U_{LED1} = 0 \implies U_{R1} + U_{LED1} = 5\,\text{V}$

Fyzika LED diody

LED (Light Emitting Diode — dioda emitující světlo) je polovodičová součástka s P-N přechodem. Přivedeme-li napětí správným směrem, elektrony z oblasti N přeskočí do oblasti P — při tomto setkání (rekombinaci) uvolní energii jako foton světla.

Barva závisí na materiálu a šířce jeho zakázaného pásu (band gap):

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

warning

LED není lineární součástka. Malá změna napětí způsobí velkou změnu proudu. Proto musí být proud vždy omezen externím rezistorem — nestačí „nastavit správné napětí".

Výpočet hodnoty rezistoru

Chceš-li navrhnout obvod s LED z vlastních součástek:

$R_1 = \frac{U_{cc} - U_f}{I_f}$

kde U_cc je napájecí napětí, U_f prahové napětí LED a I_f požadovaný proud.

Příklad — červená LED, 5 V, proud 10 mA:

$R_1 = \frac{5 - 2{,}0}{0{,}01} = 300\,\Omega$

Na desce je osazena hodnota 470 Ω — proud bude ~6,4 mA. LEDka svítí mírně slaběji, ale s delší životností.

---

Úkol 6 — Změř proud přímo

Proud se měří jinak než napětí — multimetr musíš zapojit do série (do přerušeného místa v obvodu), aby veškerý proud procházel přes něj.

Přenastav multimetr:

1. Červenou sondu přesuň do zdířky mA
2. Přepínač na DC mA

Postup:

1. Červenou sondu přilož na bod B na SW1 (testpoint)
2. Černou sondu přilož na katodu LED1 (výstupní strana, blíže GND)
3. Stlač tlačítko a odečti hodnotu
4. Očekávaná hodnota: ~6–7 mA

Souhlasí s hodnotou, kterou jsi spočítal z napěťových měření v Úkolu 4?

Pozor — měření proudu se nastavuje jinak než napětí

Kdybys omylem měřil napětí s multimetrem nastaveným na mA (červená sonda v zdířce mA), způsobil bys zkrat přes nízký vnitřní odpor multimetru. Přepálil bys pojistku. Vždy zkontroluj přepínač i polohu červené sondy před každým měřením.