01 – Elektrický obvod

Zamysli se: co přesně se stane, když zmáčkneš vypínač světla?

Zapojení

Hráči tohoto obvodu

Součástka	Role v příběhu
+5 V / GND	Pumpa — žene elektrony vpřed, dává jim energii
Tlačítko SW1	Vrátný — rozhoduje, jestli elektrony smí projít
Rezistor R1 (470 Ω)	Zábranka — zpomaluje elektrony, aby nepřetekly
LED dioda (LED1)	Cílová stanice — elektrony tady předají svou energii jako světlo
Měřicí body M1, M2	Průzory — místa, kde lze nahlédnout dovnitř obvodu

---

Ty jsi detektiv

Elektřina je neviditelná. Ale tato deska, LEDka a multimetr jsou tvoje nástroje, jak ji „vidět". Než ti cokoliv vysvětlíme, zkus pár věcí sám — a zapiš si, co vidíš.

Úkol 1 — Predikuj, pak pozoruj

Než připojíš napájení, podívej se na desku a odpověz:

1. Co si myslíš, že se stane, když připojíš USB-C?
2. Co se stane, když zmáčkneš tlačítko SW1?
3. Co si myslíš, proč tam je ten rezistor?

Zapiš si svůj tip — nemusí být správně, důležité je, že přemýšlíš dřív, než uvidíš výsledek.

---

Teď připoj desku a ověř, co jsi čekal. Bylo to tak?

Jak to celé funguje

Elektřina potřebuje uzavřenou smyčku — cestu, po které mohou elektrony cestovat od jednoho konce zdroje napájení na druhý. Přeruš tuto cestu kdekoliv a proud okamžitě přestane téct.

Představ si řetěz — když utrhneme jediný článek, přestane fungovat celý.

Na desce jde smyčka takto:

+5 V → SW1 → R1 → LED1 → GND (0 V)

Tlačítko SW1 je ten přerušený článek. Dokud ho nestlačíš, smyčka je otevřená a nic se neděje.

Ilustrace

Animovaný diagram: pohybující se tečky (elektrony) sledují cestu +5 V → SW1 → R1 → LED1 → GND. Při puštěném tlačítku se tok zastaví u SW1, LED je zhasnutá. Při stlačeném prochází celou smyčkou, LED září. Barvy: oranžová (#ff7120) pro aktivní tok, šedá pro přerušené místo. Pozadí tmavé.

Co dělá každá součástka

Zkus si představit cestu jako příběh elektronů:

Zdroj (+5 V) — elektrony mají energii a chtějí cestovat ke GND. Bez zdroje by se nic nepohnulo.

Tlačítko SW1 — vrátný. V klidu říká „ne". Stlačené říká „projdi". Nic víc, nic míň.

Rezistor R1 — zábranka. Elektrony musí překonat odpor — tím ztrácejí část energie. To je záměr: bez rezistoru by na LEDku dorazilo příliš mnoho energie najednou.

LED dioda — cílová stanice. Elektrony tady předají zbývající energii — a ta se přemění na světlo.

Bez rezistoru LED okamžitě shoří

LED snese jen 5–20 mA. Bez R1 by přes ni protekl mnohonásobně větší proud a spálila by se během vteřiny. Rezistor je nutný vždy.

info

Kde jsi viděl podobný obvod v reálném životě? Domovní zvonek, světlo na kole, baterka — všechny fungují na stejném principu. Tlačítko → zdroj → spotřebič → zpět. Tato deska je záměrně ta nejjednodušší verze, aby šlo vše vidět najednou.

---

Úkol 2 — Prozkoumej chování tlačítka

S připojenou deskou vyzkoušej různé způsoby ovládání:

1. Krátký stisk — LEDka blikne
2. Dlouhý stisk — LEDka svítí
3. Rychlé střídání — LEDka „bliká"
4. Zkus tlačítko uvolňovat pomalu — zhasne světlo okamžitě, nebo pozvolna?

Přemýšlej: Co to říká o tom, jak rychle elektřina reaguje? Srovnej s domovním vypínačem nebo tlačítkem na telefonu.

Úkol 3 — Stopni cestu proudu

Prstem nebo tužkou fyzicky sleduj cestu proudu po desce — zlaté linky jsou vodiče.

Začni od místa označeného +5V a sleduj trasu až k GND. Najdi místo, kde se cesta při puštěném tlačítku přeruší.

Navazuje na první sekci

Pozoroval jsi, co se děje, a vysledoval jsi cestu proudu. Teď přidáme čísla — a ověříme multimetrem, že naše vysvětlení opravdu sedí.

Napětí — elektrický tlak

Napětí je to, co žene elektrony vpřed. Přirovnání: je to jako tlak vody ve věži — čím výš je nádrž, tím silnější proud teče potrubím. Bez tlaku voda (ani elektřina) neteče.

Náš zdroj dodává 5 V. To je celkový „tlak", který pohání celý obvod.

Ilustrace

Srovnávací diagram: vlevo věž s vodou (výška = napětí, průtok = proud, ventil = tlačítko, úzká trubka = rezistor), vpravo odpovídající elektrický obvod. Vizuálně páruje pojmy. Styl: čistý, oranžové zvýraznění pro klíčové prvky, tmavé pozadí.

Jak se napětí rozděluje

Celých 5 V se v sériovém obvodu spotřebuje postupně — každá součástka si vezme svůj podíl. Na konci musí být vždy 0 V (GND).

Takto to vypadá na desce přibližně:

Místo v obvodu	Napětí vůči GND
Před SW1 (zdroj)	5 V
Za SW1 — bod M1	~5 V (stlačeno)
Za R1 — bod M2	~2 V (stlačeno)
Za LED1 — GND	0 V

Čísla nejsou náhodná — jejich součet musí vždy dávat 5 V. Ověř to sám.

---

Úkol 4 — Sestav mapu napětí

Toto je klíčový experiment. Nastav multimetr na DC V (červená sonda do V/Ω, černá do COM). Černou sondu polož na GND a nechej ji tam.

Červenou přikládej na různá místa. Měř ve dvou stavech tlačítka:

Bod měření	Tlačítko pustěno	Tlačítko stlačeno
M1 (za SW1, před R1)	_____ V	_____ V
M2 (za R1, před LED1)	_____ V	_____ V

Otázky k zamyšlení:

• Proč je M1 = 0 V při puštěném tlačítku?
• Jaký je rozdíl M1 − M2? Co to číslo představuje?

info

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

Ohmův zákon — odvozený z tvých měření

Naměřil jsi napětí na rezistoru R1 (= rozdíl M1 − M2) a znáš jeho odpor (470 Ω). Z těchto dvou čísel dokážeš spočítat proud tekoucí celým obvodem:

$I = \frac{U_{R1}}{R_1} = \frac{U_{M1} - U_{M2}}{470\,\Omega}$

Dosaď svá naměřená čísla. Výsledek by měl být přibližně 6–7 mA.

Tenhle vztah — napětí děleno odporem rovná se proud — se jmenuje Ohmův zákon. Georg Ohm ho popsal v roce 1827. Ty jsi ho právě odvodil sám z měření.

$U = I \cdot R$

---

Úkol 5 — Ověř Ohmův zákon

Změř napětí přímo na rezistoru R1:

• Červená sonda na M1 (vstup R1)
• Černá sonda na M2 (výstup R1)

Z naměřeného napětí spočítej proud:

$I = \frac{U_{R1}}{470\,\Omega} = \frac{\_\_\_\,\text{V}}{470\,\Omega} = \_\_\_\,\text{mA}$

Souhlasí s tím, co by mělo být (~6–7 mA)? Pokud ne — zkontroluj, jestli je tlačítko stlačené.

Bonusový úkol: Změř napětí i přímo na LED1 — červenou na M2, černou na GND. Kolik voltů si „vezme" LEDka?

Navazuje na obě předchozí sekce

Měřil jsi, počítal, ověřoval. Teď pojmenujeme to, co jsi dělal — formálním jazykem fyziky — a podíváme se hluboko do součástek samotných.

Kirchhoffovy zákony

Kirchhoffovy zákony jsou pravidla, která platí v každém obvodu na světě — od baterky po serverový rack. Tvá měření je právě ověřila experimentálně.

1. Kirchhoffův zákon — proudový (KCL): V každém uzlu obvodu součet přitékajících proudů rovná se součtu odtékajících. Pro sériový obvod z toho plyne: přes každou součástku teče totéž.

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

Přidáš-li ampérmetr kdekoliv do série, ukáže pokaždé ~6–7 mA.

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

$U_{zdroj} = U_{SW1} + U_{R1} + U_{LED1}$

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

Přesně toto jsi ověřil v Úkolu 5 — součet napětí na součástkách dává 5 V.

Fyzika LED diody — kvantový přístroj

LED (Light Emitting Diode) je polovodičová součástka s P-N přechodem. Co to znamená?

Polovodič obsahuje dvě oblasti:

• Oblast P — přebytek kladných „děr" (míst, kde chybí elektron)
• Oblast N — přebytek volných elektronů

Přivedeme-li napětí správným směrem, elektrony z oblasti N přeskočí do oblasti P. Tím se rekombinují s dírami — a uvolněná energie se vyzáří jako foton světla. Tenhle proces je v podstatě kvantový: energie fotonu odpovídá přesně šířce zakázaného pásu (band gap, E_g) použitého materiálu.

Barva světla závisí na materiálu:

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

Toto prahové napětí jsi naměřil v bonusovém úkolu — je to přesně napětí, které LEDka „drží".

warning

LED není lineární součástka. Na rozdíl od rezistoru neklade stálý odpor — malá změna napětí způsobí velkou změnu proudu. Proto musí být proud vždy omezen externím rezistorem. Nestačí nastavit „správné napětí".

Navrhni vlastní obvod

Chceš vyrobit obvod s LED z vlastních součástek nebo jiného napájecího napětí? Vzorec pro výpočet rezistoru:

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

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. Víš proč? Nižší proud = menší zahřívání = delší životnost.

Výzva k zamyšlení: Jaký odpor bys zvolil pro proud přesně 5 mA? A pro maximálních 20 mA?

---

Úkol 6 — Změř proud přímo

Přímé měření proudu vyžaduje zapojit multimetr do série — přerušit obvod a nechat veškerý proud projít přes přístroj.

Přenastav multimetr:

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

Postup:

1. Červenou sondu přilož na stranu B na SW1 (testpoint)
2. Černou sondu přilož na katodu LED1 (strana blíže GND)
3. Stlač tlačítko a odečti hodnotu
4. Porovnej s výpočtem z Ohmova zákona — souhlasí?

Pozor — měření proudu se nastavuje jinak než napětí

Ampérmetr má velmi nízký vnitřní odpor. Kdybys ho omylem přiložil paralelně (jako při měření napětí), způsobil bys zkrat a přepálil pojistku multimetru. Vždy zkontroluj přepínač a polohu červené sondy.

info

Vše, co jsi se naučil na této desce, budeš potřebovat na každé další. Deska 02 – Světelné diody přidá LED různých barev a ukáže, proč záleží na orientaci. Deska 03 – Rezistory ti ukáže, co se stane, když zapojíš odpory za sebou nebo vedle sebe — a proč to mění jas LEDky.