Přeskočit na hlavní obsah

01 – Elektrický obvod

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

Zapojení​

Deska 01 – elektrický obvod

Obvod: +5 V → tlačítko SW1 → měřicí bod M1 → odpor R1 (470 Ω) → měřicí bod M2 → LED1 → GND

Jak to funguje?​

Elektřina je pohyb elektronů po vodiči. Aby se pohybovaly, potřebují dvě věci — hnací sílu (napětí) a uzavřenou smyčku (obvod), kudy se mohou vrátit zpátky.

Představ si vodovodní potrubí. Vodárna (baterie) vytváří tlak (napětí). Voda (elektrický proud) teče trubkami, když je kohout (tlačítko) otevřený. Potrubí musí tvořit uzavřený kruh — bez návratu voda neteče.

Co se stane po stisku tlačítka?​

Stiskni SW1. Obvod se uzavře a proud proteče přes odpor R1 a LED. LED se rozsvítí.

Pusť tlačítko. Smyčka se přeruší — proud přestane téct, LED zhasne.

Co je co?​

  • Napětí (U, měříme ve voltech V) — „tlak", který žene proud. Na desce je to +5 V proti GND (0 V).
  • Proud (I, měříme v ampérech A) — kolik elektronů proteče za sekundu. LED potřebuje přibližně 20 mA.
  • Odpor (R, měříme v ohmech Ω) — brzdí proud. R1 chrání LED před příliš velkým proudem.
Bez odporu LED shoří

Bez odporu R1 by přes LED protekl příliš velký proud — v lepším případě zhasne hned, v horším vydá záblesk a je po ní.

Ohmův zákon a výpočty​

Napětí, proud a odpor nejsou nezávislé — jsou pevně svázané Ohmovým zákonem:

U=I⋅R,I=UR,R=UIU = I \cdot R, \quad I = \dfrac{U}{R}, \quad R = \dfrac{U}{I}

Deska ti dává k dispozici dva měřicí body M1 a M2 — jsou to malé plošky, na které přiložíš hroty multimetru.

Co naměříš multimetrem?​

Nastav multimetr na měření napětí (DC, rozsah kolem 20 V).

  1. Hroty na M1 (za tlačítkem) a GND → vidíš napětí celého obvodu za spínačem. Při stisknutém tlačítku ≈ 5 V.
  2. Hroty na M1 a M2 → napětí na odporu R1 (UR1).
  3. Hroty na M2 a GND → napětí na LED (ULED).

Platí: UR1 + ULED = 5 V (napětí zdroje se rozdělí mezi součástky).

Výpočet proudu​

Napětí na R1 změříš multimetrem (typicky kolem 3 V u červené LED s ULED ≈ 2 V). Pak:

I=UR1R1=3 V470 Ω≈6,4 mAI = \dfrac{U_{R1}}{R_1} = \dfrac{3\,\text{V}}{470\,\Omega} \approx 6{,}4\,\text{mA}

Chceš ověřit? Přepni multimetr na měření proudu (DC mA), zařaď ho do série s R1 — naměříš totéž číslo.

Kirchhoffovy zákony​

Ohmův zákon funguje pro jeden odpor. Ve složitějším obvodu potřebuješ nástroj, který platí všude — to jsou Kirchhoffovy zákony.

První zákon — proudový (KCL)​

Součet proudů přitékajících do uzlu se rovná součtu proudů odtékajících.

Jinými slovy: elektrony „nikam nezmizí". Kolik jich přiteče, tolik musí odtéct. V sériovém obvodu téhle desky je to triviální — jeden proud, jeden uzel. Ale ve větvených obvodech je to klíčové pravidlo.

∑Iin=∑Iout\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}

Druhý zákon — napěťový (KVL)​

Součet všech napětí v uzavřené smyčce se rovná nule.

Projdi celý obvod v jednom směru a sečti napětí (kladné = po směru proudu, záporné = proti):

Uzdroj−USW1−UR1−ULED=0U_{\text{zdroj}} - U_{\text{SW1}} - U_{R1} - U_{\text{LED}} = 0 5 V−0 V−UR1−ULED=05\,\text{V} - 0\,\text{V} - U_{R1} - U_{\text{LED}} = 0

(Napětí na sepnutém tlačítku je ideálně 0 V.)

Odtud rovnou dostaneš: UR1 + ULED = 5 V — to jsi ověřil multimetrem výše.

Výkon a energie​

Každá součástka přeměňuje elektrickou energii. Výkon spočítáš jako:

P=U⋅I=I2⋅R=U2RP = U \cdot I = I^2 \cdot R = \dfrac{U^2}{R}

Pro R1 v tomto obvodu:

PR1=UR1⋅I≈3 V⋅6,4 mA≈19 mWP_{R1} = U_{R1} \cdot I \approx 3\,\text{V} \cdot 6{,}4\,\text{mA} \approx 19\,\text{mW}

To je pro běžný SMD odpor v pohodě (typická maximální hodnota je 100–125 mW). Ale kdyby R1 chyběl a celých 5 V padlo na LED s proudem v řádu stovek mA — odpor by se zahřál na stovky miliwattů a LED by shořela.

Doporučená literatura​

  • Horowitz & Hill: The Art of Electronics — kapitola 1
  • Hayt & Kemmerly: Engineering Circuit Analysis — KVL, KCL
  • Sedra & Smith: Microelectronic Circuits — úvodní kapitola