I. Trochę teorii. 1. Przydługi wstęp do tej wędrującej kupy elektronów.

Transkrypt

1

2 Przegląając nasze forumowe poraniki można znaleźć kilka artykułów poświęconych elektronice w moelarstwie zapałczanym. Jenak wiele osób żali się, że poraniki w ogóle im niczego nie wyjaśniły. Jako, że mój poprzeni tekst zebrał raczej pozytywne komentarze, jak i również latego, że wspomniane poraniki pozostawiają wiele o życzenia, postanowiłem napisać swój własny, traktujący o wszystkim tym co powinniśmy wiezieć aby zaprojektować oświetlenie o moelu i zawierający niezbęne informacje pominięte w otychczasowych. Z góry uspokoję, że nie musisz obawiać się rętwych regułek, niezrozumiałych nawet przez ich twórców. Nic tak okrutnego Cię tu nie spotka, bo ja sam takowych nie lubię i wiem z oświaczenia, że zobrazowanie zjawiska takim sposobem niewiele wyjaśni. W zamian za to może się czasem uzielić mój mopsowy styl wypowiezi, za co z góry serecznie przepraszam wszystkich szanujących nasz język ojczysty. A na koniec tego krótkiego wstępu muszę ostrzec, że poranik jest ługi. Pewnie niewielu bęzie się go chciało oczytać o końca, no ale cóż. Dla oświetlenia trzeba się nieco poświęcić. I. Trochę teorii. Przyługi wstęp o tej węrującej kupy elektronów. Dobrze, zacznijmy zatem o początku. Przee wszystkim należy się owiezieć czym jest napięcie. Dobra istota zwana prąem nas nie interesuje o strony teoretycznej, obcować z nią bęziemy tylko w praktyce. Okej, zatem czym jest napięcie? W każej książce o fizyki wyczytamy, że jest to stosunek pracy, którą wykonają siły pola elektrycznego żeby przesunąć pewien punktowy łaunek... abla blabla. No więc ja się pytam - co nam po takiej efinicji, jak my chcemy sobie ioki w moelu zamontować? Otóż tak naprawę należy wiezieć, że napięcie to coś, co umożliwia przepływ prąu - popłynie on tylko wtey, kiey mięzy woma punktami w obwozie jest jakaś różnica potencjałów (czyli napięcie), a nie, jak można sązić, zawsze kiey oziałuje na nie pole elektryczne (mniejsza o to czym ono właściwie jest). Dlatego, na przykła, ptaszki w zimie mogą sobie beztrosko usiąść na kablu linii wysokiego napięcia i nic im się nie zieje - wtey mają jeynie jakiś tam potencjał. Dopiero gy rugą nóżką otkną rugiego kabla, to potencjał lewej nózi jest różny o prawej - mamy różnicę potencjałów (napięcie), w wyniku czego przez ptaszka płynie prą, efektownie nim trzepiąc. Co ciekawe, napięcie nie tylko pozwala prąowi płynąć, ale również eterminuje jego wartość. Zapewne wielu z nas ma już za sobą fizykę gimnazjalną, na której to mówiło się o prawie Ohma. To słynne na cały świat prawo głosi, iż (uwaga, proszę zamknąć oczy, bo tu bęzie regułka): prą płynący przez obwó jest wprost proporcjonalny o napięcia przyłożonego o tego obwou. Nam jenakowoż nic to nie mówi - zresztą jak każe inne prawo - więc rozpatrzymy to na przykłazie ptaszka. Załóżmy sobie jakieś napięcie mięzy kablami, których otykać bęzie ptaszek - ajmy na to, że jest ono małe. A następnie postawmy go na te kable. I teraz barzo ważna kwestia: ptaszek zamyka obwó, czyli łączy swoimi nóżkami wa kable iące o zasilania, w wyniku Oświetlenie LED w moelach str. 2

3 czego zaczyna przez niego płynąć prą. My póki co tego nie wizimy, ptaszek zresztą też tego nie oczuwa - bo ustaliliśmy sobie, że napięcie mięzy kablami jest małe. A gybyśmy zwiększyli napięcie? Przez ptaszka bęzie płynąć troszkę więcej prąu, a zwiększając jeszcze barziej - prą płynący przez jego ciało (i jenocześnie przez kable, wiaomą sprawą jest że żeby prą oarł o ptaszka to najpierw musi popłynąć ze źróła przez kable) bęzie jeszcze większy. Oczywiście wraz ze wzrostem prąu płynącego przez ciało ptaszek coraz barziej to oczuwa. O tym właśnie mówi nam prawo Ohma. Prą płynący przez obiornik jest wprost proporcjonalny o napięcia, jakie się przyłoży o jego końcówek. I ~ U Jako, że ścisłowcy nie lubią proporcji, ustalili sobie współczynnik proporcjonalności jako tak zwaną konuktancję: I G * U W praktyce używamy owrotności konuktancji, czyli rezystancji ( G ): U I O nieużywanej konuktancji G zapominamy, bo nie jest nam o szczęścia potrzebna. Przystąpmy więc o opisania niewiaomych: U - obrze już nam znane napięcie, wyrażamy je w woltach [V] I - nieco mniej znany prą, aczkolwiek równie ważny - jego jenostką jest amper [A] - i tutaj nowość, mianowicie rezystancja, wyrażana w omach [ ] Teraz trochę słów o rezystancji. Zacznijmy o jenostki - ten koleś z użą głową zamknięty w nawiasie kwaratowym to tak naprawę nie jest żaen koleś, tylko uża grecka litera omega. Takie tam urozmaicenie w jenostkach, pewnie komuś znuziły się litery łacińskie... Zapewne Czytelnik zapyta czymże ta tajemnicza rezystancja jest. Opowiaając na to pytanie najprościej jak sie a ojziemy o naprawę banalnego wniosku - rezystancja, nieprzypakowo zwana również oporem, jest wartością która pokazuje jak barzo any materiał chce się przeciwstawić pęzącym przez niego elektronom (prąowi). Mamy sobie jakiś przewó mieziany - ma on jakąś niewielką rezystancję (zależną o kilku czynników, ale nie interesuje nas to). Biorąc taki sam przewó (o takiej samej ługości i przekroju), ale już wykonany z aluminium jego rezystancja jest inna. W tym wypaku większa. A to latego, że mieź jest lepszym przewonikiem niż aluminium, czyli stawia prąowi mniejszy opór poczas gy on płynie, w wyniku czego nie musi się on z nią tak męczyć i może go sobie popłynąć więcej. A w przypaku aluminium musi zmarnować nieco więcej energii na przejście przez nie, w wyniku czego płynie go mniej (to tak jak z suchym ląem i bagnem - któręy przejzie szybciej większa ilość luzi?). Nasz hipotetyczny ptaszek obrazował nam tak naprawę rezystor, czyli jeen z elementów elektronicznych służących o stawiania prąowi oporu. Jak można wywnioskować, taki rezystor ma jakąś aną, w miarę niezmienną rezystancję. W przypaku ptaszka opór stawiało rzecz jasna jego ciało - a energia, którą prą musiał zużyć o pokonania tego oporu Oświetlenie LED w moelach str. 3

4 przechoziła o ptaszka i uwalniała się w postaci spektakularnych wstrząsów i ponoszenia temperatury ciała (o tym kilka linijek niżej). U Zostawmy ptaszka na chwilę w spokoju i powróćmy o wzoru: I. Wiać z niego wyraźnie, że im większe napięcie, tym prą również jest większy, a im barziej zwiększymy opór obiornika, przez który płynie prą, tym ten prą bęzie mniejszy. Napisałem wyżej, że gy prą płynie przez obiornik, to ten stawia mu jakiś opór, w wyniku czego traci on (prą, nie obiornik) swoją energię. Wiaome jest, że energia nigy nie wyparowuje tak ot - albo zmienia swoją formę, albo jest rozpraszana poczas wykonywania pracy. Przy przepływie prąu jest tak samo. W przypaku rezystorów sprawa jest prosta, bo cała energia stracona na pokonanie oporu zostaje zamieniona na ciepło. To taka informacja na przyszłość - nie należy o tej przemianie zapominać, bo nagle może się okazać że takim rezystorkiem zwęglimy sobie spory kawał moelu. A tego byśmy nie chcieli. Jeśli chozi o wartość energii cieplnej wyzielanej na rezystorze, wrócimy o tego jeszcze kiey inziej. Tymczasem, kiey już barzo okłanie zostały omówione postawowe pojęcia i prawa, możemy przejść o poziału rugiego, który to nosi umną nazwę Małe co nieco, czyli co to jest ioa Na początku należy powiezieć, że ioa jako taka nie świeci - robi to tylko ioa LED (o nazwy: elektroluminescencyjna). Ale już wszystkie ioy bez wyjątku mają jeną nieocenioną właściwość: przewozą prą tylko w jenym kierunku. Czyli o anoy o katoy - gybyśmy ją włączyli o obwou na owrót, to prą by nie popłynął, bo ioa ziałałaby jako przerwa w obwozie (no, nieco inna sprawa jest przy ioach Zenera, ale one nas nie interesują). Także jeśli chcemy żeby nam nasza LEDka świeciła, to musimy ją połączyć anoą (A) o plusa zasilania, a katoą (K) o minusa. Ci barziej obeznani pewnie by mnie powiesili za używanie takiej terminologii jak plus i minus, no ale cóż, nie zagłębiamy się w teorię, więc nie mogę sobie pozwolić na fajniejsze określenia. Obok zjęcie przykłaowej ioy (znalezione w Internecie). W przypaku io LED zwykło się poawać pewien ziwny zapis otyczący ich parametrów, mianowicie coś w stylu: 20mA". Cóż to za ustrojstwo i co ono oznacza? Ano, znaczy to, że jeśli przez ioę bęzie przepływał prą 20mA, to spaek napięcia na niej bęzie równy 3V (zauważasz pewną analogię o prawa Ohma? Cała elektronika przy prązie stałym kręci się wokół niego). Znaczy to również, że prą 20mA jest maksymalnym prąem, który może płynąć przez ioę bez możliwości uszkozenia jej. Gybyśmy puścili przez nią prą, ajmy na to, 60mA, to ość pręko by się popsuła. A to za sprawą ciepła - kiey przez rezystancję płynie prą, uwalnia się ciepło. To tak mimochoem, okłaniej opowiem o tym nieco później, teraz wypaa nam wiezieć jeynie tyle, że gy przepuszczamy większy prą przez ioę, to wyziela się na niej większe ciepło - a ioa LED jest na nie strasznie wrażliwa i nietruno o jej uszkozenie. Oświetlenie LED w moelach str. 4

5 No obrze, powiezieliśmy sobie coś o napięciu, rezystorze i iozie, związku mięzy napięciem i natężeniem, i kilku innych rzeczach. Myślę, że już najwyższa pora na II. Wybór zasilania Źróeł zasilania jest sporo, jenak nas bęą interesować tylko wa z nich - mianowicie ogniwa chemiczne bąź zasilacze. Plusem tych pierwszych jest fakt, że można je ostać praktycznie wszęzie (no, to jest jeszcze uzależnione o rozaju ogniwa/baterii) i są na pozór tanie. Jeśli chozi o ostępność i cenę to z zasilaczami jest zupełnie na owrót - trzeba się pofatygować i zamówić przez Internet, i ceny wyają się być uże w porównaniu o baterii. Ale pamiętajmy, że baterie trzeba wymieniać (no chyba, że używamy akumulatorków, ale komplet obrych ogniw łaowanych bęzie często roższy niż zasilacz opowieni o naszych potrzeb), przez co ilość pienięzy wyanych na zasilanie zwiększa się w funkcji czasu. Drugą sprawą jest sposób pozyskania elektryczności w obu rozajach zasilania - ogniwa ziałają na zasazie reakcji chemicznych, a zasilacze po prostu opowienio zmieniają prą z gniazka. Po tym wzglęem o wiele lepsze są zasilacze - napięcie które ają jest niezmienne i mamy okłanie określone jak uży prą możemy z nich pobierać. W przypaku ogniw (lub baterii, bo bateria to kilka połączonych ze sobą ogniw) napięcie na wyjściu spaa wraz ze stopniem rozłaowania baterii, nie wspominając już o nieznanym maksymalnym prązie, który możemy pobierać bez zbytniego spaku napięcia na wyjściu. Tak więc osobiście polecam zainwestowanie tych kilku złotych więcej w zasilacz, bo jest on po prostu efektywniejszy niż baterie. Może być jenak problem ze znalezieniem opowieniego. Popowiem, że o naszych celów nie są potrzebne jakieś świetne moele, taki chiński za 5 złotych również się świetnie naa (pokreślam, o naszych celów, czyli o zrobienia oświetlenia LEDowego). Gy wejziemy na znany portal aukcyjny i wpiszemy szukaną frazę, o razu rzuci się nam w oczy wielka różnoroność zasilaczy - różne napięcia na wyjściu, różne maksymalne prąy i, przee wszystkim, różne ceny. Z tym ostatnim łatwo sobie porazić, wystarczy po prostu ustawić sortowanie weług ceny w kolejności rosnącej. Naprawę, nas interesuje tylko to żeby ten zasilacz ziałał może nawet mieć napięcie tętniące na wyjściu (zamiast stałego), i tak tego nie zauważymy. Niestety na wyborem napięcia zasilania musimy się trochę łużej zastanowić. Każe źróło zasilania ma jakąś rezystancję wewnętrzną w, im większy prą pobieramy ze źróła, tym większy jest spaek napięcia na tej rezystancji. Przykła: źróło zasilania bez obciążenia aje 5V, jego rezystancja wewnętrzna, i po połączeniu o niego jakiegoś obiornika aje on prą I = w A. Spaek napięcia wynosi U I V (przekształcony wzór wynikający z prawa Ohma). Tak więc, s w jak wiać, przy takich warunkach spaek napięcia na samym źróle zasilania bęzie wynosić V - w wyniku czego na wyjściu bęzie nie 5V, a 4. W źrółach chemicznych (ogniwa, baterie) rezystancja wewnętrzna jest zazwyczaj sporo większa niż w zasilaczach, co skutkuje znacznym ograniczeniem maksymalnego poboru prąu, jak i sporym spakiem napięcia w przypaku pobierania tego prąu. Oświetlenie LED w moelach str. 5

6 Wybór jest spory. Wyszukiwarka o razu wypluje nam nieskończoną ilość zasilaczy 2V, 9V, 6V, 5V, 4.5V, a nawet 3V. Który wybrać? To akurat zależy o sposobu łączenia io, jenak najlepszym rozwiązaniem bęzie zakup zasilacza 3V. Dlaczego? Wyżej wspomnieliśmy o reprezentacji najważniejszych parametrów ioy LED. Była to formułka: 20mA" i oznaczała ona, że gy przez ioę płynie prą maksymalny 20mA, to wtey spaek napięcia na niej jest równy 3V. Sęk w tym, że praktycznie nie stosuje się io, na których spaek napięcia jest większy niż 3V (przy płynącym przez nią prązie maksymalnym) - znaczy to, że zasilacz 3V wyrobi "napięciowo", a jenocześnie strata energii na rezystorach ograniczających prą ioom (o tym za chwilę) bęzie najmniejsza ze wszystkich możliwych opcji. Załóżmy, że Czytelnik mi zaufał i postanawia zakupić zasilacz ający napięcie 3V. Teraz pozostała tylko kwestia maksymalnego prąu. I tutaj ważna uwaga: maksymalny prą nie oznacza ile prąu bęzie płynąć przez ioy po połączeniu ich o zasilania. Prą który popłynie przez ukła jest ustalany na postawie prawa Ohma (czyli zależy o przyłożonego napięcia i rezystancji [w tym wypaku rezystancji całego ukłau]). Zatem prą maksymalny oznacza największy prą jaki zasilacz może ać, a nie - jak można sązić - określa jaki prą bęzie płynąć przez ukła. No obrze, ale wróćmy o jego wyboru. Ską mamy wiezieć jaki prą bęzie pobierał nasz ukła? Zależy to o ilości io i sposobu ich połączenia. Ostatnio wiziałem w Internecie zasilacz o maksymalnym prązie A, z możliwością regulacji napięcia mięzy 3, 4.5, 6, 7.5, 9 lub 2V (notabene, kosztował 5 złotych z groszami). Taka aukcja nie jest rzakością i wystarczy wpisać opowienią frazę, a znajziemy poobną okazję bez problemu. Gybyśmy ustalili napięcie na 3V i połączyli ioy LED przez które miały płynąć prą 20mA, to przy najmniej korzystnym prąowo połączeniu moglibyśmy połączyć takich io... 50! Wtey przez ukła płynąłby A, czyli tyle ile może ać ten zasilacz. 2 aczej nikt nie bęzie połączać w moelu więcej niż 50 io, więc A przy 3V nam spokojnie wystarczy. Zróbmy więc w końcu coś w kierunku naszego przyszłego oświetlenia. Zaczniemy o wyjaśnienia sobie rozajów połączeń elementów elektronicznych. Pierwsze z nich to... 2 Zaznaczyłem, że takie połączenie pobierałoby najwięcej prąu ze wszystkich możliwych. Jak się za nieługo okaże, zasilając ukła większym napięciem, możemy przy tym samym prązie połączyć więcej io. Oświetlenie LED w moelach str. 6

7 III. Połączenie szeregowe Przestawione na schemacie obok połączenie szeregowe jest takim połączeniem, w którym obiorniki (w tym wypaku rezystory - to te ciemnoczerwone prostokąty) łączy się - uwaga, uwaga - w szeregu. Znaczy to, że są ze sobą połączone jeen za rugim: ruga nóżka pierwszego łączy się z pierwszą rugiego, ruga rugiego z pierwszą trzeciego, i tak alej. Oczywiście łączyć tak można każe elementy elektroniczne, jenak nas interesują tylko te reprezentujące rezystancję, pomijamy elementy pojemnościowe, inukcyjne i inne. Dlatego jeyne co nas bęzie obowiązywać to wzór na rezystancję całego szeregu (tak zwaną rezystancję zastępczą ukłau), którą można sobie wyprowazić z prawa Ohma opierając się na pewnym mało znanym, aczkolwiek barzo przyatnym prawie, czyli rugim prawie Kirchhoffa (Niemcy zawsze mieli ziwne nazwiska...), co po przeliczeniu a nam następujący wynik: rezystancja zastępcza obiorników połączonych szeregowo jest równa sumie rezystancji poszczególnych obiorników. Gybyśmy chcieli przestawić to matematycznie, to wyszłoby nam takie coś: n z i i Ale to jest strasznie ziaowe przestawienie i nikomu nic to nie mówi, więc my ujmiemy to sobie krótko i w o wiele przystępniejszej postaci:... Wynika z tego, że jakiekolwiek wartości bęą na miejscu rezystancji skłaowych, rezystancja zastępcza zawsze bęzie większa niż którykolwiek ze skłaników. Dla przykłau, jeśli mamy sobie rezystory 0 7, to połączenie ich szeregowo am nam ukła o rezystancji zastępczej z Następną ważną sprawą jest kwestia rozkłau napięcia. W tym miejscu przytoczę rugie prawo Kirchhoffa, na którym to opieramy się poczas wyprowazania wzoru na rezystancję całego ukłau. Otóż, głosi ono, że suma spaków napięć na poszczególnych elementach obwou jest zawsze równa napięciu zasilającemu ten obwó. Popatrzmy na poniższy rysunek pomocniczy: z Zgonie z tym prawem: 2 3 n U U U 2 U3.U 4 W tym nie ma chyba niczego ziwnego. Trzeba sobie za to wpoić o łepetyny raz na zawsze, że w obwozie szeregowym prą jest wszęzie taki sam, zarówno przy plusie (prze rezystorami) jak i minusie (po rezystorach). I nie ma to tamto, że "przecież prze rugim rezystorem jest pierwszy, prą powinien zmaleć!". Nie! Prą jest taki sam - maleje napięcie. W tym przypaku maleje o kolejne spaki napięć na rezystorach, czyli za rezystorem bęzie napięcie równe U U. Wiać to okłanie na wzorze onoszącym się o rugiego prawa Kirchhoffa - po przekształceniu a nam: U 2 U3. U 4 U U. Analogicznie, za Oświetlenie LED w moelach str. 7

8 rezystorem 2 napięcie bęzie wynosić U3. U 4 U U U 2. Natomiast za rezystorem 4 mamy już minus zasilania, także tam, zgonie z nowo poznanym prawem, napięcie bęzie wynosić rzecz jasna 0V. Jest to pewne uproszczenie, bo w rzeczywistości za rezystorem 4 byłby jeszcze jakiś przewó prowazący o minusa zasilania - a żaen materiał w warunkach omowych nie ma rezystancji równej 0 omów, więc na nim również bęzie jakiś maluteńki spaek napięcia. Ale tak maluteńki, że go pomijamy. No obrze, wiemy już że napięcie nigzie nie ucieka, tylko elegancko rozkłaa się na poszczególnych elementach. Ale póki co niewiele nam z takiej informacji, bo alej nie wiemy jak to napięcie obliczyć. O tym, że rozkłaa się ono naprawę elegancko, przekona nas obrze już znane przekształcone prawo Ohma 3 : U I Jak wiać, spaek napięcia na rezystorze rośnie wraz z jego rezystancją - i to głównie ten fakt bęziemy później wykorzystywać w praktyce. Spaek napięcia zależy również o prąu, który płynie przez opornik (rezystor), ale jako, że w całym obwozie prą jest taki sam, to z zależności tej korzystać bęziemy raczej rzako. IV. Połączenie równoległe Powiezieliśmy już sobie co nieco o połączeniu szeregowym, przejźmy więc o równoległego. Wygląa ono tak: W połączeniu równoległym obiorników nie łączyny jeen za rugim, tylko jeen o rugiego. Oznacza to tyle, że każy obiornik jest połączony ze wszystkimi innymi - w przeciwieństwie o połączenia szeregowego, gzie jeen rezystor był połączony jeynie z sąsiaami (czyli z maksymalnie woma rezystorami: maksymalnie, bo rezystory graniczne miały tylko jenego sąsiaa). 3 Prawo Ohma przyatne nie tylko o liczenia jaki prą popłynie przez ukła jeśli znamy napięcie zasilania i rezystancję, ale w każym innym przypaku, kiey napięcie, prą i rezystancja są ze sobą połączone zależnościami. To barzo komfortowe, niepraważ? Oświetlenie LED w moelach str. 8

9 W opisie matematycznym tego połączenia pomoże nam tym razem pierwsze prawo Kirchhoffa, które to mówi, że suma prąów wpływających o jakiegoś punktu rozpływu prąów jest równa sumie prąów wypływających. Na rysunku po lewej wiać, że połączenie równoległe jest ponieką przeciwieństwem połączenia szeregowego - tutaj z kolei napięcie na wszystkich rezystorach jest równe, a prą jest sumą prąów płynących przez poszczególne rezystory. To właśnie obrazuje nam pierwsze prawo Kirchhoffa: I I I 2 I3.I 4. A wzór na samą rezystancję zastępczą takiego ukłau jest następujący: z wzór na z zrobić z Czyli owrotność rezystancji zastępczej jest równa sumie owrotności rezystancji poszczególnych rezystorów. Trzeba pamiętać, że jest to, a nie z - często się o tym zapomina i później wychozą ziwne wyniki. Aby z z, rzecz jasna owracamy wynik (licznik w miejsce mianownika, mianownik w 3 5 miejsce licznika, jak w przykłazie: ). Po łuższej analizie wzoru zauważymy, że w 5 3 przypaku połączenia równoległego pojemność zastępcza zmniejsza się wraz z opinaniem jakichkolwiek rezystorów. Co za tym izie? Ano to, że przez ukła bęzie płynąć większy prą - nie ma w tym nic ziwnego, w końcu oajemy kolejne obiorniki, które ten prą pobierają. O ziwo wszystko co o tej pory sobie powiezieliśmy jest logiczne! V. Połączenie mieszane Nie jest to jako taki sposób łączenia elementów elektronicznych - jest to po prostu przemieszane łączenie szeregowe z równoległym. Na pozór skomplikowany przykła: Jak rozwiązać taki obwó? Barzo prosto: należy pozielić go na mniejsze obwoy, które są połączeniami szeregowymi lub równoległymi. Następnie obliczyć rezystancje zastępcze poczynając o najbarziej "zagłębionych" gałęzi obwou, by sukcesywnie przemieszczać się na zewnątrz obwou, a w efekcie - obliczyć rezystancję całego obwou. Jako, że o montażu oświetlenia się to raczej nie przya, jak i z powou szczegółowego opisania każego z połączeń już wyżej, nie bęę poawał obliczeń, a jeynie posłużę się rysunkami ukazującymi poszczególne etapy "zwijania" obwou. Jeszcze tylko mała legena: Oświetlenie LED w moelach str. 9

10 niebieski: połączenie szeregowe zielony: połączenie równoległe czerwony: połączenie szeregowe pomarańczowy: połączenie równoległe szary: połączenie szeregowe VI. Zaświecanie pojeynczej ioy Do tego momentu napisane zostało 2 tysięcy znaków - myślę, że już najwyższa pora wziąć się za coś, co bęzie miało wioczne ozwiercielenie w rzeczywistości... zaświećmy jeną ioę! Oczywiście najpierw należy takową pozyskać. Oprócz ioy bęziemy potrzebować:. źróła zasilania (la barziej obeznanych: źróła napięciowego) 2. rezystora 3. lutownicy 4. cyny 5. jakichś przewoów, wele uznania (byle grubością nie przypominały liany, bąź na owrót - włosa) Oświetlenie LED w moelach str. 0

11 6. (taśmy izolacyjnej lub rurki termokurczliwej [zmniejszającej swoją śrenicę po wpływem temperatury]: pożąane przy małych oległościach mięzy nóżkami io, końcówkami przewoów i innych otwartymi częściami obwou - przyatne, ale nie konieczne) Jeśli nie masz lutownicy, to truno - obęzie się i bez niej, wystarczy zainwestować w taśmę izolacyjną. Jenak o wiele barziej fachowo bęzie wykonać pewne połączenia, a nie skręcać przewoy i zaklejać taśmą. I jeszcze zjęcia całości oraz różnych io LED. Oświetlenie LED w moelach str.

12 Jak wiać, obuowy io są różne ta piątka to tylko niewielka część wszystkich ostępnych. Zazwyczaj zielimy je na obuowy o montażu przewlekanego (o io ostają nóżki: obuowy a, b oraz ) lub powierzchniowego (inna nazwa to SMD; ioy mają tylko malutkie, płaskie, metalowe wyprowazenia: obuowy c). aczej niewielu w naszym fachu bęzie używać tych rugich, a to ze wzglęu na rozmiary. Spora część lewo potrafi się posługiwać lutownicą, nie mówiąc już o lutowaniu takiego cukru 4 (ioy c, rzecz jasna a okłaniej te po lewej stronie). Dlatego zajmiemy się tutaj jeynie ioami o montażu przewlekanego, czyli takimi, o których można przylutować przewó i który nie oerwie się o niej wraz z wyprowazeniem po niecałych ziesięciu minutach egzystowania. Pewnie Czytelnik myśli że zaraz bęziemy lutować i po chwili bęziemy mieć świecącą ioę, ale niestety zanim to uczynimy muszę jeszcze trochę poglęzić o tym nieszczęsnym prązie. Otóż, ioy to są takie ziwne twory, że niby mają jakiś określony spaek napięcia przy anym prązie, ale... no właśnie, coś z nimi jest nie tak. Ten spaek napięcia nie jest 4 Określenie to pochozi o użytkownika PiotrekEl, któremu w imię całej społeczności ICowoforumowej pragnę poziękować za rozbuowę naszego pięknego fachowego języka... Oświetlenie LED w moelach str. 2

13 proporcjonalny o płynącego prąu! Mogłoby to oznaczać, że ioa przeczy prawu Ohma, ale tak nie jest - ona ma po prostu zmienną rezystancję. Nie jest nam potrzebna znajomość okłanej zależności opisującej tę rezystancję, wystarczy nam wiezieć że la napięć rzęu opuszczalnego napięcia ioy, jej rezystancja jest mała. Co z tego? Ano to, że nie można sobie tak po prostu połączyć zasilania o ioy i zacieszać że świeci... bo ługo nie poświeci. Prą trzeba ZAWSZE ograniczyć rezystorem, nawet gy napięcie zasilania jest takie samo jak napięcie maksymalne ioy. Bo tak naprawę to napięcie zasilania wcale nie jest równe temu rugiemu. To, że na zasilaczu pisze, że napięcie wyjściowe to 2V, to nic nie znaczy. Zasilacze są projektowane tak, by przy zerowym obciążeniu prąowym (nic nie jest połączone) awać na wyjściu nieco większe napięcie niż jest to napisane w anych znamionowych (tych na etykiecie). ozpatrzmy zatem taki przykła: mamy zasilacz 3V i ioę LED o charakterystyce 20mA, którą połączamy bezpośrenio o zasilacza. Weług tego wszystkiego co napisałem wyżej, oto co następuje: na zasilaczu nie jest okłanie 3V, tylko nieco więcej (prą płynący przez ioę jest tak mały, że spaek napięcia wewnątrz zasilacza możemy pominąć, latego zasilacz ma takie napięcie jak przy zerowym obciążeniu), ajmy na to 3.05V wiemy, że przy 20mA spaek napięcia na iozie jest równy 3V, zatem "zostaje" nam jeszcze 0.05V, które rozpatrujemy osobno napisaliśmy, że ioa przy niskich napięciach ma niewielką rezystancję, rzęu oma policzmy jaki prą musi popłynąć przez ioę, aby spaek na niej wynosił oatkowo o 0.05V więcej, czyli 3.05V: I U 0.05V 0.05A ma 50 Doając o siebie "zwykły" prą ioy 20mA z 50mA, czyli prąem jaki bęzie musiał oatkowo przepłynąć przez ioę aby całkowity spaek napięcia na iozie był równy napięciu zasilania (zgonie z rugim prawem Kirchhoffa), wychozi nam wynik 70mA. Tak! Przez ioę nie popłynie 20mA, tylko 70mA, mimo że różnica napięć wynosi jeynie 20 wolta! Oczywiście przykła jest ość naciągany, ale choziło mi tylko o zobrazowanie efektu połączenia bez rezystora. Chyba nie muszę wspominać, że 70mA na łuższą metę jest la ioy zabójcze. Nawet nie na taką znowu łuższą, bo ioa przy takim prązie pociągnęłaby pewnie coś koło trzech minut, a później trwale się uszkoziła. Dlatego zapamiętujemy sobie raz na zawsze: nigy nie łączymy ioy o zasilacza bez rezystora! Nigy. Nawet jeśli zasilacz aje mniejsze napięcie niż poane w charakterystyce ioy. Tu sprawa jest nieco inna, ale już nie bęziemy się w nią niepotrzebnie zagłębiać, bo praktycznie nigy się czegoś takiego nie robi. Oświetlenie LED w moelach str. 3

14 Przygląnijmy się schematowi po prawej, który bęziemy realizować. Elementy V i GND oznaczają opowienio plus i minus zasilania. Diozie trzeba ograniczyć prą rezystorem - szukamy jego wartości. Jak wiemy, jego U rezystancja, gzie U to spaek napięcia na rezystorze, a I to prą płynący przez I niego (i równocześnie przez ioę, rzecz jasna). I jest nam znane, i wynosi ono maksymalny prą ioy (oznaczmy go jako I, a spaek napięcia na iozie U ). Pozostaje nam znaleźć U. Czym jest U? Z rugiego prawa Kirchhoffa: postawieniu o głównego wzoru wyjzie nam: V U I V U U, więc U V U Prosty przykła: ioa ma parametry 20mA (wiem, oklepany ten przykła, ale właśnie takie parametry ma większość io [no, to jeszcze zależy o koloru - zazwyczaj 3V la io białych, a nieco mniej la innych kolorów]), napięcie zasilania V 5V. W takim przypaku rezystor ograniczający prą bęzie musiał mieć wartość: V U 5V 3V 2V 00 I 0.02A 0.02A Wszystko byłoby banalnie proste gyby nie "wyjątek" gy. Po V U ("wyjątek" w cuzysłowie, bo wiemy już, że ta równość jest zawsze fałszywa). Gybyśmy chcieli zasilić tę samą ioę zasilaczem 3V, musielibyśmy przyjąć napięcie zasilania za równe 3 (raczej niewielu użytkowników ma w omu woltomierz, więc mierzenie rzeczywistego napięcia opaa, a prowazenie obliczeń na postawie omniemań jest błęne u samych postaw). Wtey, zgonie z tym wzorem, rezystancja rezystora byłaby równa 0, czyli rezystora nie byłoby w ogóle. Dlatego przyjmujemy, że ten wzór stosujemy tylko la źróeł napięć, których wartość jest przynajmniej o jeen wolt większa o maksymalnego napięcia na iozie. To znaczy, że la naszej ioy 20mA wzór ten stosujemy tylko la zasilaczy ających co najmniej 4V. Co zrobić, gy mamy zasilanie poniżej 4V? Wtey po prostu zakłaamy, że V =4V. Może się to wyać nieco ziwne wyjście z sytuacji, bo ając większy rezystor niż trzeba, automatycznie zmniejszamy jasność świecenia ioy. Ale uwierz mi na słowo, że nie bęzie tego wiać. Oświetlenie LED w moelach str. 4

15 Tak więc cały sposób rozumowania możemy skrócić o wóch linijek. Dla pojeynczej ioy LED o charakterystyce U woltów przy I ma połączonej o zasilacza V woltów, sposób liczenia rezystora ograniczającego prą jest następujący: la V U : = V U I lub przypaki szczególne, la V U : V U I ( U V ) U I V I Prawa, że sprawa jest prosta? Zatem zlutujmy w końcu to ustrojstwo, bo już pewnie się powoli nuzisz. Na początku należy przygotować przewoy. A okłaniej 2. Możemy użyć praktycznie każego przewonika, byle tylko pasował nam swoimi gabarytami. Ocinamy opowienie ługości, a następnie ściągamy z nich izolację, ale tylko z końcówek. Długość ściąganej izolacji w zależności o potrzeb, ale obrze by było mieć o yspozycji co najmniej kilka milimetrów oizolowanego przewou. Ja tam o tego celu zawsze używam zębów, bo nie wizę sensu kupowania "urzązenia" o ściągania izolacji. Kiey już ściągniemy izolację, naszym oczom ukaże się wiele cienkich żyłek. Należy je ze sobą skręcić, tak la wygoy. Następnie tak przygotowaną końcówkę przewou cynujemy, czyli pokrywamy warstwą cyny. Przewoów z taką końcówką po prostu wygoniej się używa. ozgrzewamy lutownicę, przykłaamy ją o splecionych żyłek i przykłaamy cynę. Zawarty w niej topnik sprawi, że łanie rozprowazi się po całej powierzchni osłoniętej miezi (ale zarza się, że pocynowało się tylko z jenej strony, i proces trzeba powtórzyć z rugiej strony końcówki). Całą operację można obejrzeć po tym linkiem: Oświetlenie LED w moelach str. 5

16 Teraz skracamy którąkolwiek nóżkę ioy o ługości nam opowiaającej i to samo robimy z rezystorem. Skrócone nóżki cynujemy tak jak końcówki przewoów. Oraz lutujemy ioę z rezystorem krótszymi nóżkami. Przykłaamy nóżki o siebie, później o nich lutownicę oraz cynę. Lutownica stopi cynę na nóżkach, a oanie orobiny cyny z fiolki zwiększy pewność połączenia. Kolejny filmik (tutaj nie użyłem oatkowej cyny, przez co lutowanie się utruniło no cóż, niestety mam tylko jeną parę rąk): Dla zapewnienia pewnej izolacji możemy jeszcze nałożyć koszulkę termokurczliwą/taśmę izolacyjną. Ostatnim krokiem bęzie przylutowanie przewoów o pozostałych nóżek (które też należy wcześniej pocynować). Oświetlenie LED w moelach str. 6

17 Teraz wystarczy tak skonstruowany szeregowy ukła popiąć o zasilania i popatrzeć czy ioa świeci. Oczywiście trzeba go wpiąć tak, aby prą przez ioę płynął w kierunku o anoy o katoy. Jako, że nie wiemy która nóżka to która elektroa, należy wpiąć ukła o zasilania, a jeśli ioa nie bęzie się świecić, to połączyć go na owrót. Wtey, jeśli obrze wykonaliśmy połączenie, powinna się już pięknie zaświecić. Dobrze, zaświeciliśmy jeną ioę. Nie ograniczajmy się i zapalmy kolejne. VII. Zapalanie większej ilości io W przypaku zapalania jenej ioy wykonaliśmy jeynie połączenie szeregowe. W tym przypaku większą ilość takich połączeń bęziemy łączyć równolegle. Czyli jest to najzwyklejsze połączenie mieszane. Przygotowujemy wszystkie szeregi które bęziemy włączać w obwó. Po sprawzeniu w każym z nich gzie jest plus, a gzie minus, łączymy ich plusy razem, a minusy razem. Dla wygoy przygotowujemy jeszcze wa przewoy, które lutujemy o wspólnego plusa i minusa, tworząc w ten sposób węzeł, czyli punkt, o którego prąy wpływają z jenych gałęzi, a wpływają o rugich (prą wpływa z głównego przewou, a rozpływa się po szeregach z ioami). Oświetlenie LED w moelach str. 7

18 Całość połączamy o zasilacza i cieszymy się. Ostatni film, pokazujący tym razem 3 świecące ioy: tac Trzeba tylko pamiętać o maksymalnym prązie, jaki może ać zasilacz. Ukła przestawiony na schemacie pobiera I I I I 3I 60mA. Jest to malutko, 2 3 ale la większej ilości io, rzęu 5, należy już ten prą brać po uwagę i sprawzić, czy zasilacz wyrobi z poaniem takiego prąu. VIII. Alternatywne połączenie io Załóżmy, że mamy zasilacz 4V i 40 io 20mA o połączenia. Gybyśmy chcieli połączyć je weług sposobu z punktu VII, musielibyśmy na to przeznaczyć 800mA (40 * 20mA). Co zrobić jeśli nasz zasilacz ma niższą wyajność? Zauważmy, że szeregowy ukła ioa-rezystor połączony o zasilania 2V, w tym wypaku a nam następujący rozkła napięć: 3V na iozie i aż V na rezystorze. ezystor miałby wartość 550 omów. To straszne marnotrawstwo, bowiem zmarnujemy pona 3.5 razy więcej energii na ciepło niż na światło. Można temu zarazić połączając większą ilość io szeregowo o rezystora. Najwyajniej w tym przypaku bęzie to zrobić tak: Dlaczego aż 4 ioy? Na każej z nich jest spaek napięcia równy 3V, więc na czterech jest łącznie spaek 2V (rugie prawo Kirchhoffa). Skoro U 2V, to U V U 4V 2V V. Jest to r 2 obwó szeregowy, więc prą jest stały i ma wynosić I = 20mA. Szukana wartość rezystora U r 2V wynosi zatem: 00 I 0.02A Jak wizisz, w takim ukłazie bez problemu można policzyć opór, oznacza to że jest jak najbarziej poprawny. Co by było, gyby jenak napięcie V było równe 2V? Stałaby się rzecz analogiczna jak w przypaku gy przyjmujemy, że tutaj wyszłoby V V U la jenej ioy w obwozie. Czyli U V i liczymy rezystancję la już zmienionego V. Dla przykłau V U ( U V ) U V 50 I I 0.02A Oświetlenie LED w moelach str. 8

19 Sprawa jest prosta, w zasazie wszystko jest takie same jak w obwozie z jeną ioą. Oprócz jenego faktu... ukła alej pobiera 20mA, mimo że świecą nam aż 4 ioy! Zatem łącząc 0 takich ukłaów równolegle, tak jak gałęzie ioa-rezystor z punktu VII, otrzymujemy ukła pobierający 0*20mA = 00mA, a zawierający 40 świecących io! Magia, mógłby ktoś pomyśleć. Otóż nie - po prostu zamiast marnować energię prąu na pokonanie rezystorów, wykorzystujemy ją zamieniając w światło io. Ot, cała filozofia. I jeszcze zjęcie ukłau z 8 ioami połączonymi w 2 rzęy po 4 ioy, na potwierzenie moich słów. Zmieniłem nieco rezystory, bo ioy moje ioy mają charakterystykę 20mA. Amperomierz pokazuje około nieco pona 30mA, ale to wina trochę zaniżonego napięcia (coś koło V zamiast 2) i zawyżonych rezystorów (po ręką miałem 220 omów, a nie 200). Wiać, że bez problemu można wymusić maksymalną jasność 8 io LED przy zużyciu jeynie 30mA, co aje nam łany wynik - niecałe 4mA na ioę (jeśliby na to spojrzeć jak na zwykłe połączenie równoległe). Jenak należy pamiętać, że w przypaku szeregowego łączenia io (aż 4 w jenej gałęzi) w razie, gyby spaliła się choćby jena, przestaną świecić wszystkie w gałęzi. A to latego, że gałąź staje się przez to obwoem niezamkniętym (brak połączenia mięzy nóżkami spalonej ioy) i prą po prostu przez nią nie płynie. Oczywiście nie wpłynie to w żaen sposób na pozostałe gałęzie. Mimo tego poważnego kontrargumentu uważam, że takie połączenie jest barzo opłacalne przy zasilaczach o napięciach wyższych niż 5V. I to nie tylko ze wzglęu na zaoszczęzenie prąu. Ważną sprawą jest też ilość wyzielanego na rezystorach ciepła. Oświetlenie LED w moelach str. 9

20 IX. Połączanie io o różnych charakterystykach Oczywiście możemy wsazić o moelu kilka różnych io - na przykła 0 białych i 6 czerwonych, o charakterystykach opowienio 20mA i 20mA. Najbezpieczniej w takim wypaku jest połączenie io białych o innych gałęzi niż czerwonych. Wprawzie w tym wypaku obie ioy mają jenakowy prą maksymalny, więc moglibyśmy je wpiąć razem w szereg, jenak nie ma sobie po co utruniać życia. Jeśli zasilalibyśmy cały ukła napięciem 2V, rozwiązanie mogłoby wygląać na przykła tak: Na schemacie ozielone są ioy białe (te wyżej) o czerwonych (niżej). Przy ioach czerwonych mamy ten komfort, że możemy je połączyć wszystkie w jenym szeregu, bowiem spaek napięcia na 6 takich ioach a nam 2V, także wystarczy jeynie rezystor jak la V U V i sprawę czerwonych mamy załatwioną. Dioy białe musimy po prostu rozzielić na kilka gałęzi, oczywiście starając się maksymalnie wykorzystać napięcie jakie jest nam ane przez zasilacz. Jak wiać, nie taki iabeł straszny X. Problem ciepła Wiele stron wyżej pisałem o tym, że prą płynący przez rezystancję traci energię (napięcie), która wyziela się w postaci ciepła. Do ciepła możemy ojść znając wzór na moc prąu elektrycznego (stałego): P UI Jenostką jest wat [W]. W tym przypaku moc informuje nas ile ciepła wyziela rezystor przez any okres czasu, kiey przez niego płynie prą (oczywiście zamiast rezystora możemy wstawić cokolwiek innego, co posiaa jakąś aną rezystancję 5 ). Ale nas bęzie interesować samo pojęcie mocy. Otóż, rezystory oprócz anej rezystancji mają jeszcze tak zwaną tolerancję 6 oraz maksymalną moc, jaka się może wyzielić na rezystorze bez obawy o jego 5 Ci spostrzegawczy o razu zauważą, że piszę o rezystancji, a we wzorze nie ma o niej mowy. A właśnie że jest, bo U I, więc wzór można przekształci o 2 U 2 P, bąź P I. U I oraz 6 czyli maksymalną zmianę rezystancji; najczęściej sprzeaje się rezystory o tolerancji 5%, i takie właśnie zakupujemy, bowiem im okłaniejsze, tym roższe, a okłaniejszych nam nie potrzeba. Oświetlenie LED w moelach str. 20

21 przepalenie po pewnym czasie. Na stanarowych rezystorach może się wyzielić 0.25W. Znaczy to na przykła, że przy spaku napięcia na nim równym 5V, może przez niego płynąć P 0.25W co najwyżej prą równy I 0.05A 50mA. Gybyśmy chcieli połączyć ukła U 5V ioa-rezystor o źróła zasilania 4V, to moc rezystora musiałaby być równa co najmniej P U I ( 4V 3V )*0.02A V *0.02A 0. 22W. Także jeszcze mieści się w rezystorze 0.25W, jenak obrym nawykiem jest, aby w takich przypakach zainwestować w rezystor o mocy 0.5W, bo nigy nic nie wiaomo, a o tego słabe oprowazanie ciepła jeszcze pogarsza sprawę. Moc mówi nam tylko trochę o cieple które taki rezystor by na sobie wyzielał (a, co za tym izie, oawał też otoczeniu, w tym wypaku punktowi w naszym moelu). Do precyzyjnego określenia temperatury potrzebne jest ciepło w postaci liczby, ale jest to już zaganienie stricte fizyczne, a ten poranik traktuje o elektronice. Można za to przyjąć pewne uogólnienia: 0.25W nie musimy się ani trochę obawiać (ciepło nie bęzie w ogóle oczuwalne) 0.5W alej jest bezpieczne Przy W powinniśmy już pomyśleć o przemieszczeniu rezystora gzieś, gzie bęzie więcej miejsca (im większy ścisk, tym gorzej) i jako taka wymiana powietrza ze światem zewnętrznym. Powyżej W najbezpieczniej byłoby użyć osobnego raiatora o rezystora, a sam rezystor przenieść o postawki, żeby nawet w najgorszym wypaku (małe, szczelnie zamknięte pomieszczenie, nieopasowany raiator) nie uszkoził moelu. Ale nie ma się co martwić, obierając zasaę im mniej strat na rezystorach, tym lepiej, praktycznie nigy nie bęziemy musieli kupować rezystorów innych niż 0.25W. Przez cały poranik o każej ioy lutowaliśmy osobny rezystor. Tak naprawę można wlutować jeen o całego ukłau, ale tak się nie robi, a przynajmniej robić się nie powinno jeśli się okłanie nie wyliczy wszystkiego otyczącego ciepła, jego oprowazania i temperatury wokół takiego rezystora. Bez wzglęu na to czy wybierzemy opcję jenego rezystora (naprawę niepolecana, nie stosować nigy jeśli nie jest to jeyne możliwe wyjście), czy osobnych o każej ioy, energia wywalona w ciepło na całym ukłazie bęzie taka sama. Ale jena rzecz jest ważna w przypaku wielu rezystorów ta energia rozkłaa się na wiele obiektów, wiele miejsc i ma wiele rzeczy o ogrzania zanim się konkretnie pogrzeje. W wyniku czego takie rozwiązanie likwiuje nam w zasazie cały problem z ciepłem, bowiem zanim pojeynczy rezystor ząży się rozgrzać, już awno oa ciepło powietrzu, ono naszemu moelowi, a stamtą już sobie łanie wyparuje o otaczającego moel powietrza. W wyniku czego ciepło już nam nie zagraża (ciepło jest tak małe, że jego transfer przy pomocy moelu nie szkozi mu w żaen sposób). Inaczej sprawa by się miała z jenym wielkim rezystorem, gzie to cała energia cieplna gromazona jest w jenym miejscu. Skutki można przewizieć nawet nie znając się na fizyce Oświetlenie LED w moelach str. 2

22 XI. Zakończenie Tak, to naprawę już koniec. Wiem, było ciężko. Tekstu użo, nierzako pisanego nie wiaomo po co. Ale mam nazieję, że właśnie zięki okłanemu opisowi całości (a nie tylko poaniu wzorów, nie opisując nawet poszczególnych symboli) Czytelnik choć trochę przyswoił sobie zaganienie oświetlenia w moelach. Korzystając z okazji, chciałbym zachęcić wszystkich którzy wizą, że nie mają problemów z przestawionym powyżej materiałem, o samozielnego poszerzania wiezy z zieziny elektroniki, która niezaprzeczalnie jest królową nauk technicznych. Połączenie jej z moelarstwem zapałczanym aje zaziwiające rezultaty, i nie mam tutaj na myśli jeynie świecących ioek. Powozenia! Oświetlenie LED w moelach str. 22

23 Autorem całego powyższego materiału jest mopsiok (z wyłączeniem opowienio oznaczonych plików). Całość należy tylko i wyłącznie o Autora i Aministracji serwisu Proszę, uszanuj moją pracę. Oświetlenie LED w moelach str. 23