ROBOTYKA PW JUNIOR SKRYPT DO ZAJĘĆ CZ 1. AUTOR mgr inż. Katarzyna Radziewicz

ROBOTYKA PW JUNIOR SKRYPT DO ZAJĘĆ CZ 1 AUTOR mgr inż. Katarzyna Radziewicz 1

Spis treści CEL ZAJĘĆ... 3 OMÓWIENIE PRZYKŁADOWYCH MODELI ROBOTÓW... 3 CZYM JEST ROBOTYKA?... 4 PODSTAWOWE CZĘŚCI ELEKTRONICZNE... 5 Rezystor... 5 Kondensator... 5 Cewka... 6 Tranzystor... 7 Dioda... 7 Przełączniki... 8 Przyciski... 8 Potencjometr... 9 Buzzer... 9 Źródło zasilania... 10 Płytka stykowa... 11 PODSTAWOWE JEDNOSTKI ELEKTRYCZNE... 11 PRAWO OHMA... 12 POŁĄCZENIE SZEREGOWE REZYSTORÓW... 13 POŁĄCZENIE RÓWNOLEGŁE REZYSTORÓW... 14 CHARAKTERYSTYKA IU... 16 Przykładowe charakterystyki IU... 16 REZYSTOR... 16 DIODA LED... 17 PODSTAWOWY UKŁAD ELEKTRONICZNY... 17 Dobór rezystora do diody LED... 17 Standardowe napięcia przewodzenia diod LED... 19 Rozróżnienie polaryzacji diody LED... 19 2

CEL ZAJĘĆ Celem zajęć jest samodzielne zbudowanie, zmodyfikowanie oraz zaprogramowanie jednego z przykładowych robotów zaprezentowanych na zdjęciach: ROBOT TYPU LINE FOLLOWER AUTONOMICZNY ROBOT POTRAFIĄCY OMIJAĆ PRZESZKODY OMÓWIENIE PRZYKŁADOWYCH MODELI ROBOTÓW ROBOT TYPU LINE FOLLOWER Robot typu line follower jest w stanie poruszać się po wyznaczonej trasie. Robot jest zbudowany na bazie platformy wykonanej z pleksiglasu. Jest wyposażony w dwa silniki napędzające niezależnie dwa duże koła oraz jedno mniejsze koło wleczone, które zapewnia stabilną pozycję robota. Robot widzi linię przy pomocy sensorów odbiciowych, które pozwalają mu rozróżnić kolor czarny (trasę) od białego (tła). Sterowaniem robota zajmuje się mózg, czyli płytka Arduino UNO. Mózg zbiera dane od czujników odbiciowych i na ich podstawie odpowiednio steruje silnikami, tak aby robot nie zjechał z wyznaczonej trasy. AUTONOMICZNY ROBOT OMIJAJĄCY PRZESZKODY Ten typ robota jest w stanie jeździć samodzielnie i zmieniać swoją trasę jeżeli napotka na swojej drodze przeszkodę. Ten robot jest również zbudowany na bazie platformy wykonanej z pleksiglasu. Tak jak poprzednik jest wyposażony w dwa silniki napędzające dwa duże koła oraz jedno mniejsze koło wleczone, które zapewnia stabilną pozycję robota. Oczami robota są w tym przypadku dwa czujniki ultradźwiękowe, które sprawdzają odległość od najbliższych przedmiotów. Na podstawie zebranych przez czujniki informacji mózg robota (Arduino UNO) steruje silnikami, tak aby robot w nic nie uderzył. 3

CZYM JEST ROBOTYKA? Robotyka jest dziedziną, która łączy w sobie zagadnienia związane z mechaniką, elektroniką oraz sterowaniem (informatyka). Poznanie podstawowej wiedzy z każdej z tych dziedzin jest niezbędne do zbudowania nawet najprostszego robota. Zagadnienia mechaniczne dotyczą konstrukcji robota. Odpowiednio zaprojektowana platforma pozwoli zrealizować określony rodzaj zadania, np. chodzenie jak pająk, jazda na dwóch kołach (seagway), czy podnoszenie i przenoszenie przedmiotów przy pomocy chwytaka. Dział elektroniki zajmuje się konstruowaniem układów, które łączą elementy mechaniczne z oprogramowaniem. Typowymi układami elektronicznymi wykorzystywanymi w robotyce są np.: sterowniki silników, różnego rodzaju czujniki, mikrokontrolery sterujące, układy zasilania. Dział informatyki w robotyce sprowadza się do napisania odpowiedniego algorytmu sterowania oraz zrealizowania go przy pomocy języka programowania. Algorytm wykorzystuje sygnały, które mikrokontroler otrzymuje od układów elektronicznych znajdujących się na robocie i na ich podstawie steruje układami wyjściowymi. Skutkiem poprawnego zaprogramowania algorytmu sterowania jest określona reakcja części wykonawczych (mechanicznych) robota, np. przejechanie do przodu, przekręcenie ramienia robota, zamknięcie lub otwarcie chwytaka. MECHANIKA INFORMATYKA ELEKTRONIKA ROBOTYKA 4

PODSTAWOWE CZĘŚCI ELEKTRONICZNE Elektronika jest bardzo rozbudowaną dziedziną nauki. Aby poznać jej podstawy należy na początku zapoznać się z jej najprostszymi elementami częściami elektronicznymi. Poszczególne części elektroniczne połączone w odpowiedni sposób pozwalają na zbudowanie dowolnego urządzenia. W związku z tym, ważne jest aby nauczyć się z nich poprawnie korzystać. Każdy element elektroniczny charakteryzuje się określonymi parametrami. Najczęściej są to wytyczne określające maksymalny prąd pracy, maksymalne napięcie pracy, czy maksymalną dopuszczalną moc. Przekroczenie którejkolwiek z tych wartości najczęściej powoduje nieodwracalne uszkodzenie elementu elektronicznego. Tworząc układ należy zwrócić szczególną uwagę na te parametry, gdyż niektóre uszkodzenia mogą nie być widoczne gołym okiem. Rezystor Rezystor jest najprostszym elementem elektronicznym. Służy do ograniczenia prądu w układzie. Charakteryzuje się rezystancją wyrażaną w omach [Ω], która mówi jak duży opór stawia rezystor przepływającemu w układzie prądowi. Drugim parametrem opisującym rezystor jest maksymalna moc [W], z jaką może pracować. Zależy ona od rozmiarów danego elementu. Im większa obudowa rezystora, tym większa maksymalna dopuszczalna moc. REZYSTANCJA REZYSTORA [Ω] miliomy 1 mω = 1x10-3 Ω = 0,001 Ω kiloomy 1 kω = 1x10 3 Ω = 1000 Ω megaomy 1 MΩ = 1x10 6 Ω = 1000000 Ω Rezystory w różnych obudowach. Symbol rezystora na schemacie elektrycznym Kondensator Kondensator jest elementem gromadzącym energię w polu elektrycznym. Element ten charakteryzuje się pojemnością wyrażaną w faradach [F], napięciem pracy [V] oraz temperaturą pracy [ o C]. Pojemność kondensatora mówi o tym, ile ładunku jest on w stanie zmagazynować. Napięcie pracy jest to maksymalne napięcie, które może występować między okładkami kondensatora. Jeżeli zostanie ono przekroczone, to istnieje duże ryzyko, że kondensator zostanie uszkodzony. Temperatura pracy jest parametrem określającym maksymalną temperaturę, w której kondensator może pracować. POJEMNOŚĆ KONDENSATORA [F] mikrofarady 1 µf = 1x10-6 F = 0,000001 F nanofarady 1 nf = 1x10-9 F = 0,000000001 F pikofarady 1 pf = 1x10-12 F = 0,000000000001 F 5

W elektronice najbardziej elektrolityczne i ceramiczne. rozpowszechnionymi typami Kondensatory elektrolityczne mają wygląd cylindrów z dwoma wyprowadzeniami. W większości są to elementy spolaryzowane (mają dwa bieguny: dodatni + i ujemny -), co oznacza że należy je odpowiednio podłączyć do układu. Niepoprawne podłączenie tego elementu skutkuje jego uszkodzeniem. Kondensatory elektrolityczne charakteryzują się dużą pojemnością wyrażaną w mikrofaradach [µf]. Z tego względu stosuje się je do gromadzenia energii w układach zasilania i stabilizowania napięcia. Kondensatory ceramiczne mają zwykle wygląd pastylki z dwoma wyprowadzeniami. Są to elementy niespolaryzowane, co oznacza że można je dowolnie podłączyć w układzie. Kondensatory ceramiczne charakteryzują się małą pojemnością wyrażaną zwykle w nanofaradach [nf]. Służą głównie jako elementy przeciwzakłóceniowe i stabilizujące wahania napięcia zasilania układów cyfrowych. Symbol kondensatora spolaryzowanego na schemacie elektrycznym kondensatorów są kondensatory Kondensatory elektrolityczne w różnych obudowach. Kondensatory ceramiczne w różnych obudowach. Symbol kondensatora niespolaryzowanego na schemacie elektrycznym Cewka Cewka jest elementem gromadzącym energię w polu magnetycznym. Charakteryzuje się indukcyjnością wyrażaną w henrach [H] oraz maksymalnym prądem pracy [A]. Indukcyjność mówi o tym, jakie pole magnetyczne wytworzy Symbol cewki na schemacie elektrycznym cewka, kiedy przepłynie przez nią prąd. Prąd pracy jest to maksymalny prąd, który może przepłynąć przez cewkę nie powodując jej uszkodzenia oraz utraty indukcyjności. Cewek używa się do filtrowania zakłóceń (np. w zasilaczach impulsowych) oraz gromadzenia energii w przetwornicach napięcia stałego. Cewki w różnych obudowach. 6

Tranzystor Tranzystor jest najprostszym elementem logicznym w elektronice. Można go porównać do przełącznika, który jest włączany (stan logiczny 1) i wyłączany (stan logiczny 0) automatycznie z dużą częstotliwością. Tranzystory, ze względu na zasadę ich działania, dzielą się na dwie grupy: tranzystory unipolarne i tranzystory bipolarne. Do tranzystorów unipolarnych należą m.in. tranzystory typu MOSFET. MOSFET-y posiadają trzy wyprowadzenia: bramkę, źródło i dren. Napięcie przyłożone do bramki tego tranzystora steruje przepływem prądu między źródłem a drenem. Do tranzystorów bipolarnych należą tranzystory typu NPN i PNP. Te tranzystory również posiadają 3 wyprowadzenia i są to: baza, kolektor i emiter. Nóżką sterującą te tranzystory jest baza. Przepływ niewielkiego prądu między bazą a emiterem steruje przepływem dużego prądu między kolektorem a emiterem. Każdy tranzystor może występować w różnych obudowach, zarówno do montażu powierzchniowego (SMD), jak i przewlekanego (THT). ZASADA DZIAŁANIA TRANZYSTORA BIPOLARNEGO KOLEKTOR BAZA EMITER PODSTAWOWE RODZAJE TRANZYSTORÓW I ICH SYMBOLE unipolarne bipolarne nazwa symbol nazwa symbol MOSFET-N NPN nazwa symbol nazwa symbol MOSFET-P PNP Tranzystory w różnych obudowach. Dioda Dioda jest elementem spolaryzowanym, który przepuszcza prąd tylko w jedną stronę. Z tego powodu ważne jest, w jaki sposób zostanie podłączona do układu. W przypadku odwrotnego podłączenia przepływ prądu nie będzie możliwy. Element nie ulegnie uszkodzeniu, ale nie będzie działać. Podstawowymi parametrami diody są napięcie przewodzenia [V], oraz maksymalny prąd pracy [A]. Napięcie przewodzenia mówi o tym, jakie napięcie należy przyłożyć do diody, aby zaczęła przewodzić prąd (świecić w przypadku diody LED). Diody dzielą się na: prostownicze stosowane do prostowania napięcia przemiennego, 7

Zenera stosowane jako źródło napięcia odniesienia w stabilizatorach napięcia, pojemnościowe (warikap) diody o zmiennej pojemności zależnej od napięcia, stosowane w układach do automatycznego strojenia, elektroluminescencyjne (LED) dioda świecąca, stosowana do sygnalizacji różnych stanów układu (np. dioda świeci, jeśli układ jest zasilany, wykryto przeszkodę, wciśnięto przycisk), laserowe stosowane m.in. w czytnikach płyt CD, wskaźnikach laserowych, dalmierzach, fotodiody dioda, która przewodzi prąd kiedy pada na nią światło, stosowana jako czujnik natężenia światła. Symbol diody na schemacie elektrycznym Symbol diody LED na schemacie elektrycznym Symbol fotodiody na schemacie elektrycznym Parametry diod różnią się w zależności od rodzaju i zastosowania. Zakresy pracy diod obejmują prądy od kilku miliamperów [ma] do kilku kiloamperów [ka], a napięcia od kilku woltów [V] do kilkudziesięciu kilowoltów [kv]. Różne rodzaje diod w różnych obudowach. Przełączniki Przełącznik jest elementem mechanicznym, który umożliwia włączanie i wyłączanie prądu w obwodzie. O tym czy prąd płynie w obwodzie decyduje położenie dźwigni. Symbol przełącznika na schemacie elektrycznym Różne rodzaje przełączników. Przyciski Przycisk, tak jak przełącznik, jest elementem mechanicznym umożliwiającym włączanie i wyłączanie prądu w obwodzie. W przeciwieństwie do przełącznika, prąd w układzie płynie tak długo, jak przycisk jest naciśnięty. Zwolnienie przycisku spowoduje wyłączenie prądu. Przyciski stosowane są do wyboru różnych opcji. Można je spotkać np. w klawiaturach i padach. Symbol przycisku na schemacie elektrycznym Różne obudowy przycisków 8

Potencjometr Potencjometr jest szczególną odmianą rezystora. Charakteryzuje się sumaryczną rezystancją. Posiada trzy wyprowadzenia i pokrętło. Można go porównać do dwóch rezystorów połączonych jeden za drugim (szeregowo). Punkt połączenia rezystorów jest przyczepiony do pokrętła. Obracanie nim pozwala na zmianę punktu tego połączenia. Jeżeli pokrętło znajduje się dokładnie na środku, to rezystancja obu rezystorów jest taka sama (A). Jeżeli pokrętło jest przekręcone do lewej strony, to rezystancja prawego rezystora jest maksymalna, a lewego wynosi 0 (B). W przypadku przekręcenia pokrętła do prawej strony, rezystancja prawego rezystora wynosi 0, a lewego jest maksymalna (C). Potencjometry są wykorzystywane do regulacji różnych rzeczy (np. poziomu głośności w radiu, jasności świecenia, szybkości jazdy). Schemat potencjometru na schemacie elektrycznym ZASADA DZIAŁANIA POTENCJOMETRU A B C Różne rodzaje potencjometrów Buzzer Buzzer inaczej zwany brzęczykiem piezoelektrycznym jest elementem wydającym ciągły, piskliwy dźwięk. Jest to element spolaryzowany dlatego ważne jest poprawne podłączenie do układu. Brzęczyki piezoelektryczne stosuje się do sygnalizacji różnych stanów układu (np. wykrycie przeszkody, wykrycie obecności, naciśnięcie przycisku). Symbol buzzera na schemacie elektrycznym Brzęczyk 9

Źródło zasilania Źródło zasilania służy do dostarczenia energii wymaganej do pracy układu. Typowymi źródłami zasilania stosowanymi w robotyce są baterie, akumulatory i zasilacze. Źródła napięcia mają swoją polaryzację. Elektroda dodatnia (+) tworzy dodatnią szynę zasilania, a elektroda ujemna (-) ujemną szynę zasilania potocznie zwaną masą. Symbol źródła stałego napięcia na schemacie elektrycznym Baterie są źródłem jednorazowego użytku. Ich głównymi parametrami są napięcie [V] oraz pojemność wyrażana w amperogodzinach [Ah]. Typowy paluszek R6 jest źródłem napięcia o wartości 1,5V. Pojemność baterii mówi o tym, jak długo jest ona w stanie pracować przy danym (najczęściej niewielkim) prądzie. Akumulator jest źródłem napięcia podobnym do baterii, jednak może być wielokrotnie rozładowywany i ładowany. Typowe napięcie dla akumulatora R6 to 1,2V. Zasilacze są urządzeniami, które przekształcają wysokie przemienne napięcie sieci w niewielkie stałe napięcie, którym jest zasilane wiele układów elektronicznych (np. ładowarka do telefonu). Najważniejszymi parametrami takiego zasilacza są napięcie wyjściowe [V] oraz maksymalny prąd wyjściowy [A]. Baterie Zasilacz laboratoryjny Akumulatory Zasilacze wtyczkowe 10

Płytka stykowa Płytka stykowa jest narzędziem do tworzenia prototypów i prostych układów elektronicznych. Najczęściej jest zbudowana z czterech sekcji: dwóch sekcji zasilania i dwóch sekcji głównych, na których budowany jest układ. Każda sekcja składa się z otworów, które są ze sobą połączone w odpowiedni sposób. W otworach umieszczane są wyprowadzenia elementów. Schemat połączeń płytki stykowej Płytka stykowa PODSTAWOWE JEDNOSTKI ELEKTRYCZNE Podstawowymi wielkościami w elektronice są prąd, napięcie i moc. Prąd elektryczny jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Na schematach elektrycznych prąd jest oznaczany strzałką opisaną literą I (rysunek A), a jego wartość (natężenie) jest wyrażane w amperach [A]. Napięcie jest to różnica potencjałów między dwoma punktami obwodu elektrycznego. Na schematach elektrycznych jest oznaczane literą U lub E (rysunek B), która pojawia się przy strzałkach określających napięcie panujące na danym elemencie. Literami U i E oznaczamy także źródła napięcia. Jednostką napięcia jest wolt [V]. Moc jest to praca wykonywana w jednostce czasu. W przypadku układów elektronicznych moc jest określana jako iloczyn prądu i napięcia. Symbolem mocy jest litera P, a jej jednostką jest wat [W]. P [W] = I [A] A B 11

PRAWO OHMA Podstawowym prawem rządzącym w elektronice jest prawo Ohma. Prawo to mówi o tym, że prąd I płynący przez rezystor o rezystancji R jest proporcjonalny do napięcia U przyłożonego do tego rezystora i odwrotnie proporcjonalny do jego rezystancji. W sposób matematyczny prawo to wyraża się prostym równaniem: I [A] = Przykład 1 Jeżeli napięcie ma wartość U = 5 V, a rezystancja opornika wynosi R = 1kΩ, to można policzyć prąd płynący przez rezystor korzystając z prawa Ohma: I [A] = = 5 V 1kΩ = 5 = 0,005 A = 5mA 1000 Przykład 2 Prawo Ohma można również wykorzystać do policzenia rezystancji. Jeżeli wartość napięcia wynosi U = 5 V, a wartość prądu I = 0,02 A = 20mA, to przekształcając wzór można łatwo policzyć rezystancję. I [A] = R[Ω] = I [A] = I [A] = 5 V 20mA = 5 0,02 = 250 Ω Przykład 3 Korzystając z prawa Ohma możemy również wyliczyć napięcie, jeżeli znamy prąd I = 2 A oraz rezystancję R = 115 Ω. Wystarczy przekształcić wzór. I [A] = = I [A] = I [A] = 2 A 115 Ω = 230 V 12

POŁĄCZENIE SZEREGOWE REZYSTORÓW Połączenie szeregowe rezystorów występuje, gdy połączymy rezystory jeden za drugim. W takim przypadku rezystancja zastępcza widziana ze skrajnych zacisków jest sumą rezystancji połączonych w ten układ. Przy połączeniu szeregowym przez wszystkie rezystory płynie ten sam prąd. Napięcie na rezystorach jest różne i zależy od ich rezystancji. I = const (stałe) U = var (zmienne) R = R + R + + R Przykład Powyższy układ jest to połączenie szeregowe 3 rezystorów podłączonych do źródła zasilania. Znając napięcie źródła E oraz rezystancje poszczególnych rezystorów R 1, R 2 i R 3, w łatwy sposób można policzyć napięcie panujące na każdym z nich. Na początku należy obliczyć prąd, który płynie przez rezystory. Żeby go obliczyć należy skorzystać z własności połączenia szeregowego rezystorów i wyznaczyć rezystancję zastępczą R Z. R = R + R + R = 1Ω + 3Ω + 6Ω = 10Ω DANE R 1 = 1 Ω R 2 = 3 Ω R 3 = 6 Ω E = 10 V = U RZ SZUKANE R Z =? I =? U R1 =? U R2 =? U R3 =? Następnie korzystając z prawa Ohma można policzyć prąd płynący przez rezystor R Z. I [A] = E [V] 10 V = > I [A] = = R [Ω] 10 Ω = 1 A 13

Znając prąd płynący przez rezystory R1, R2 i R3 oraz ich rezystancje, można obliczyć napięcie jakie na nich panuje. Wystarczy przekształcić wzór na prawo Ohma: I [A] = = I [A] Rezystor R 1 U [V] = I [A] R [Ω] = 1 A 1 Ω = 1 V Rezystor R 2 U [V] = I [A] R [Ω] = 1 A 3 Ω = 3 V Rezystor R 3 U [V] = I [A] R [Ω] = 1 A 6 Ω = 6 V Na koniec można sprawdzić poprawność obliczeń i zsumować napięcia na rezystorach. Wynik powinien być równy napięciu panującemu na źródle. U + U + U = 1 V + 3 V + 6 V = 10 V = E POŁĄCZENIE RÓWNOLEGŁE REZYSTORÓW Połączenie równoległe rezystorów występuje, gdy połączymy rezystory jeden obok drugiego. W takim przypadku rezystancja zastępcza widziana ze wspólnych zacisków jest sumą odwrotności rezystancji połączonych w ten układ. Napięcie na każdym z rezystorów jest takie samo, natomiast prąd przepływający przez rezystory zależy od ich rezystancji. I = var (zmienne) U = const (stałe) 1 = 1 + 1 + + 1 R R R R 14

Przykład DANE R 1 = 1 Ω R 2 = 3 Ω R 3 = 6 Ω E = 10 V = U SZUKANE R Z =? I RZ =? I R1 =? I R2 =? I R3 =? Powyższy układ jest to połączenie równoległe 3 rezystorów podłączonych do źródła zasilania. Znając napięcie źródła E oraz rezystancje poszczególnych rezystorów R 1, R 2 i R 3, w łatwy sposób można policzyć prąd płynący przez każdy z nich. Napięcie panujące na każdym z rezystorów jest takie samo i jest równe napięciu źródła zasilania U = E. Teraz wystarczy podstawić dane do wzoru na prawo Ohma: Rezystor R 1 I [A] = 10 V = = = 10 A R [Ω] 1 Ω Rezystor R 2 I [A] = 10 V = = = 3,3(3) A R [Ω] 3 Ω Rezystor R 3 I [A] = 10 V = = = 1,6(6) A R [Ω] 6 Ω Do wyliczenia rezystancji zastępczej R Z należy użyć wzoru na połączenie równoległe rezystorów: 1 R = 1 R + 1 R + 1 R = 1 1 Ω + 1 3 Ω + 1 6 Ω = 6 6 + 2 6 + 1 6 = 9 6 = 1 0,6(6) 15

R = 0,6(6)Ω Prąd płynący przez rezystancję zastępczą I RZ można policzyć z prawa Ohma: I [A] = = R [Ω] = 10 V = 15 A 0,6(6) Ω Na koniec możemy sprawdzić poprawność obliczeń poprzez zsumowanie prądów płynących przez rezystory R 1, R 2 i R 3. Prąd wynikowy powinien być taki sam, jak prąd płynący przez rezystancję zastępczą R Z układu. I + I + I = 10 A + 3,3(3) A + 1,6(6) A = 15 A = I CHARAKTERYSTYKA IU Charakterystyka prądowo napięciowa jest to zależność między prądem a napięciem przedstawiona w sposób graficzny (wykres). Zależność ta przedstawia zachowanie elementu elektronicznego w określonych warunkach i dla każdego elementu jest ona inna. Przykładowe charakterystyki IU REZYSTOR Charakterystyka prądowo napięciowa rezystora jest zależnością liniową. Im większa rezystancja, tym mniejszy prąd płynie przez rezystor przy tym samym napięciu. Im mniejsza rezystancja, tym większy prąd płynie przez rezystor przy tym samym napięciu. Zależność prądu od napięcia dla różnych rezystancji opornika. 16

DIODA LED Charakterystyka prądowo napięciowa diody LED jest zależnością nieliniową. Na początku dioda nie przewodzi prądu. Dopiero, kiedy napięcie osiągnie wartość napięcia przewodzenia U D0 przez diodę zaczyna płynąć prąd. Prąd ten bardzo szybko osiąga duże wartości, które grożą uszkodzeniem diody. Maksymalny prąd pracy dla diody LED to 20 ma. Z tego powodu należy diodę podłączać zawsze w szeregu z rezystorem. Zależność prądu od napięcia dla zielonej diody świecącej. PODSTAWOWY UKŁAD ELEKTRONICZNY Dobór rezystora do diody LED Najprostszym układem elektronicznym, którego działanie można zaobserwować gołym okiem jest dioda LED połączona szeregowo z rezystorem. Układ ten podłączony do baterii w odpowiedni sposób spowoduje zaświecenie diody LED. Łącząc taki układ należy pamiętać o doborze odpowiedniego rezystora, który zabezpieczy diodę LED przed spaleniem. Samą diodę świecącą należy podłączyć zwracając uwagę na jej polaryzację. Anodę diody (+) podłączamy od strony dodatniej szyny zasilania, a katodę (-) do masy. 17

Napięcie źródła zasilania wynosi U = 5V. Znany jest również prąd I. Jest to maksymalny prąd, z którym może pracować dioda LED, czyli I = 20 ma. Wiadomo również jakie napięcie panuje na diodzie LED. Żeby dioda mogła zaświecić U D musi być równe napięciu przewodzenia diody, czyli U D = U D0 = 2,2V. Znając U D można łatwo policzyć napięcie panujące na rezystorze. Wynosi ono: U U D = U R = 5 V 2,2 V = 2,8V. Teraz korzystając z prawa Ohma można policzyć rezystancję opornika: = U [V] I [A] = 2,8 V 20mA = 2,8 0,02 = 140 Ω Rezystor o wartości 140Ω należy do szeregu E48. Rezystory należące do tego szeregu są dosyć drogie, dlatego też warto skorzystać z rezystora należącego do popularnego szeregu E3. W szeregu E3 występują 3 wartości rezystancji na tzw. dekadę i są to: 1Ω oraz wszystkie wielokrotności i podwielokrotności (, 0,1Ω, 1 Ω, 10 Ω, 100 Ω, 1k Ω, 10k Ω, 100 kω, 1M Ω, ) 2,2 Ω oraz wszystkie wielokrotności i podwielokrotności ( 0,22 Ω, 2,2 Ω,22 Ω, 220 Ω, 2,2k Ω, 22 kω, 220 kω, 2,2M Ω, ) 4,7 Ω oraz wszystkie wielokrotności i podwielokrotności ( 0,47 Ω, 4,7 Ω,47 Ω, 470 Ω, 4,7k Ω, 47 kω, 470 kω, 4,7M Ω, ) Najbliższymi rezystancjami, z szeregu E3, do wyliczonej są 100 Ω oraz 220 Ω. 100Ω 140Ω 220Ω W przypadku wybrania rezystora 100 Ω prąd płynący przez diodę wyniesie: I [A] = U [V] = 2,8 V = 0,028 A = 28 ma 100 Ω Prąd I = 28 ma, jest za duży dla diody LED i może spowodować jej uszkodzenie. Dlatego też nie możemy wybrać rezystora o wartości 100 Ω. W przypadku rezystora 220 Ω prąd płynący przez diodę wyniesie: I [A] = U [V] 2,8 V = = 0,013 A = 13 ma 220 Ω Prąd I = 13 ma jest prądem bezpiecznym dla diody, dlatego można spokojnie zastosować rezystor 220 Ω. 18

Standardowe napięcia przewodzenia diod LED zielona czerwona żółta niebieska biała U D0 = 2,2 V U D0 = 1,9 V U D0 = 2,2 V U D0 = 3,2 V U D0 = 3,4 V Rozróżnienie polaryzacji diody LED Nowa dioda LED posiada dwa wyprowadzenia, które są różnej długości. Dłuższa nóżka oznacza anodę diody, czyli plus. W przypadku, kiedy dioda została wylutowana z układu polaryzację można sprawdzić oglądając elektrody wewnątrz bańki. W większości przypadków elektroda większa jest katodą, czyli minusem. katoda (-) anoda (+) 19