Rezistor má poměrně důležitý parametr, který zcela ovlivňuje spolehlivost jeho provozu. Tento parametr se nazývá disipační výkon. Bylo to zmíněno již v článku o parametrech rezistorů.
Samotný DC výkon se vypočítá pomocí jednoduchého vzorce:
Jak vidíte, výkon závisí na napětí a proudu. V reálném obvodu protéká určitý proud odporem. Protože rezistor má odpor, rezistor se vlivem protékajícího proudu zahřívá. Uvolňuje trochu tepla. To je výkon, který je rozptylován rezistorem.
Pokud nainstalujete rezistor s menším ztrátovým výkonem, než je požadováno v obvodu, rezistor se zahřeje a nakonec shoří. Pokud tedy potřebujete vyměnit 0,5W rezistor v obvodu, nastavte jej na 0,5W nebo více. Ale ne méně!
Každý rezistor je navržen pro svůj vlastní výkon. Standardní řada odporů pro ztrátový výkon se skládá z následujících hodnot:
Čím větší je odpor, tím větší výkon je zpravidla navržen k rozptýlení.
Řekněme, že máme rezistor s nominálním odporem 100 ohmů. Protéká jím proud 0,1 Ampér. Na jaký výkon by měl být tento odpor dimenzován?
Zde potřebujeme vzorec. Vypadá to takto:
R(Ohm) – odpor obvodu (v tomto případě odpor);
I(A) – proud protékající rezistorem.
Všechny výpočty by měly být prováděny s přísným dodržováním rozměrů. Pokud tedy odpor rezistoru není 100 Ohmů, ale 1 kOhm, musíte do vzorce dosadit hodnotu v Ohmech, tzn. 1000 Ohm (1 kOhm = 1000 Ohm). Stejné pravidlo platí i pro ostatní veličiny (proud, napětí).
Vypočítejme výkon našeho odporu:
Dostali jsme výkon 1 Watt. Nyní malá odbočka.
V reálném obvodu je nutné instalovat rezistor s výkonem jeden a půl až dvakrát vyšším, než je vypočtený.
Proto je pro nás vhodný rezistor o výkonu 2 W (viz standardní řada výkonů rezistorů).
Existuje také další vzorec pro výpočet výkonu. Používá se, když je neznámý proud procházející rezistorem.
Všechno by bylo v pořádku, ale v životě existují případy, kdy se používá sériové nebo paralelní zapojení rezistorů. Jak vypočítat ztrátový výkon pro každý z rezistorů v sériovém nebo paralelním obvodu?
Řekněme, že potřebujeme vyměnit rezistor s odporem 100 ohmů. Proud jím protéká je 0,1 Ampér. Proto je výkon tohoto odporu 1 Watt.
K jeho výměně můžete použít dva rezistory zapojené do série s odporem 20 Ohmů a 80 Ohmů. Na jaký výkon by měly být tyto odpory dimenzovány?
Pro sedmikrásku platí jedno pravidlo. Stejný proud protéká odpory zapojenými do série. Nyní použijeme vzorec pro výpočet výkonu a zjistíme, že ztrátový výkon rezistoru 20 Ohm by měl být roven 0,2 W a ztrátový výkon odporu 80 Ohm by měl být 0,8 W. Rezistory vybíráme podle standardního výkonového rozsahu:
Jak vidíte, pokud jsou odpory rezistorů různé, bude se lišit i výkon jim přidělený.
Výkon rozptýlený rezistorem závisí především na proudu, který rezistorem protéká. A proud závisí na odporu rezistoru. Pokud tedy zapojíte odpory různých hodnot do série, bude mezi ně distribuován rozptýlený výkon.
Tuto okolnost je třeba vzít v úvahu při nezávislém navrhování elektronických domácích výrobků, jinak, pokud jsou odpory vybrány nesprávně, může se ukázat, že na jednom odporu je uvolněno více energie než na druhém a bude pracovat v náročných teplotních podmínkách.
Abyste si nelámali hlavu a vypočítali výkon každého jednotlivého odporu, můžete to udělat takto:
Výkon každého rezistoru obsaženého v obvodu, který skládáme (paralelní nebo sériový), se musí rovnat výkonu vyměnitelné odpor. Jinými slovy, pokud potřebujeme vyměnit rezistor s výkonem 1 W, pak každý z rezistorů, který ho vyměníme, musí mít výkon alespoň 1 Watt. V praxi se jedná o nejrychlejší a nejefektivnější řešení.
Pro paralelní zapojení rezistorů je třeba počítat s tím, že rezistorem s nižším odporem protéká větší proud. V důsledku toho se na něm rozptýlí více energie.
V tomto článku se podíváme na rezistor a jeho interakci s napětím a proudem, který jím prochází. Naučíte se, jak vypočítat odpor pomocí speciálních vzorců. Článek také ukazuje, jak lze speciální odpory použít jako světelný a teplotní senzor.
Začátečník by si měl umět představit elektrický proud. I když chápete, že elektřina se skládá z elektronů pohybujících se vodičem, je stále velmi obtížné si ji jasně představit. Proto nabízím tuto jednoduchou analogii s vodním systémem, který si každý snadno představí a pochopí, aniž by se pouštěl do zákonů.
Všimněte si, že elektrický proud je podobný průtoku vody z plné nádrže (vysoké napětí) do prázdné nádrže (nízké napětí). V této jednoduché analogii vody a elektrického proudu je ventil analogický s odporem omezujícím proud.
Z této analogie můžete odvodit některá pravidla, která byste si měli navždy zapamatovat:
– Kolik proudu teče do uzlu, tolik z něj teče
– Aby proud procházel, musí být na koncích vodiče různé potenciály.
– Množství vody ve dvou nádobách lze přirovnat k nabití baterie. Když se hladina vody v různých nádobách shodne, přestane téct, a když se baterie vybije, nebude mezi elektrodami žádný rozdíl a přestane téct proud.
– Elektrický proud se bude zvyšovat se snižujícím se odporem, stejně jako se zvyšuje průtok vody se snižujícím se odporem ventilu.
Mohl bych napsat mnoho dalších závěrů založených na této jednoduché analogii, ale jsou popsány v Ohmově zákoně níže.
Rezistor
Rezistory lze použít k řízení a omezení proudu, proto je hlavním parametrem rezistoru jeho odpor, který se měří v Omaha. Neměli bychom zapomínat na výkon rezistoru, který se měří ve wattech (W) a ukazuje, kolik energie může rezistor rozptýlit, aniž by se přehříval a shořel. Je také důležité poznamenat, že rezistory se nepoužívají pouze k omezení proudu, ale mohou být také použity jako dělič napětí k výrobě nižšího napětí z vyššího. Některé senzory jsou založeny na tom, že odpor se mění v závislosti na osvětlení, teplotě nebo mechanickém vlivu, což je podrobně napsáno na konci článku.
Ohmův zákon
Je jasné, že tyto 3 vzorce jsou odvozeny ze základního vzorce Ohmova zákona, ale musí se naučit rozumět složitějším vzorcům a diagramům. Měli byste být schopni porozumět a představit si význam kteréhokoli z těchto vzorců. Například druhý vzorec ukazuje, že zvýšení napětí bez změny odporu povede ke zvýšení proudu. Zvýšení proudu však nezvýší napětí (i když je to matematicky pravda), protože napětí je potenciální rozdíl, který vytvoří elektrický proud, nikoli naopak (viz analogie 2 vodní nádrže). Vzorec 3 lze použít k výpočtu odporu omezovacího odporu proudu při známém napětí a proudu. To jsou jen příklady, které ukazují důležitost tohoto pravidla. Jak je používat, se naučíte sami po přečtení článku.
Sériové a paralelní zapojení rezistorů
Pochopení důsledků zapojení rezistorů paralelně nebo sériově je velmi důležité a pomůže vám pochopit a zjednodušit obvody pomocí těchto jednoduchých vzorců pro sériový a paralelní odpor:
V tomto příkladu obvodu jsou R1 a R2 zapojeny paralelně a mohou být nahrazeny jedním rezistorem R3 podle vzorce:
V případě 2 paralelně zapojených rezistorů lze vzorec napsat takto:
Kromě použití ke zjednodušení obvodů lze tento vzorec použít k vytvoření hodnot rezistoru, které nemáte.
Všimněte si také, že hodnota R3 bude vždy menší než hodnota ostatních 2 ekvivalentních rezistorů, protože přidání paralelních rezistorů poskytuje další cesty
elektrický proud, snižující celkový odpor obvodu.
Sériově zapojené rezistory mohou být nahrazeny jediným rezistorem, jehož hodnota bude rovna součtu těchto dvou, vzhledem k tomu, že toto zapojení poskytuje dodatečný proudový odpor. Ekvivalentní odpor R3 se tedy vypočítá velmi jednoduše: R3=R1+R2
Pro výpočet sériových a paralelních zapojení rezistorů jsou na internetu pohodlné online kalkulačky.
Rezistor omezující proud
Nejzákladnější úlohou odporů omezujících proud je řídit proud, který bude protékat zařízením nebo vodičem. Abychom pochopili, jak fungují, podívejme se nejprve na jednoduchý obvod, kde je lampa přímo připojena k 9V baterii. Lampa, stejně jako každé jiné zařízení, které spotřebovává elektřinu k provedení konkrétního úkolu (např. vyzařování světla), má vnitřní odpor, který určuje její aktuální spotřebu. Od této chvíle tedy může být jakékoli zařízení nahrazeno ekvivalentním odporem.
Nyní, když bude lampa považována za rezistor, můžeme použít Ohmův zákon k výpočtu proudu, který jí prochází. Ohmův zákon říká, že proud procházející rezistorem se rovná rozdílu napětí na něm dělenému odporem rezistoru: I=V/R nebo přesněji:
Já = (V1-V2) / R.
kde (V1-V2) je rozdíl napětí před a za rezistorem.
Nyní se podívejte na obrázek výše, kde byl přidán odpor omezující proud. Omezí proud jdoucí do lampy, jak název napovídá. Velikost proudu procházejícího lampou můžete ovládat jednoduše výběrem správné hodnoty R1. Velký rezistor výrazně sníží proud, zatímco malý rezistor sníží proud méně silně (stejně jako v naší analogii s vodou).
Matematicky to bude napsáno takto:
Ze vzorce vyplývá, že proud bude klesat, pokud se zvýší hodnota R1. K omezení proudu lze tedy použít další odpor. Je však důležité poznamenat, že to způsobuje zahřívání rezistoru a musíte správně vypočítat jeho výkon, o kterém bude řeč později.
Pro výpočet odporu omezujícího proud LED můžete použít online kalkulačku.
Rezistory jako dělič napětí
Jak název napovídá, rezistory lze použít jako dělič napětí, jinými slovy, lze je použít ke snížení napětí jeho dělením. Vzorec:
Pokud mají oba odpory stejnou hodnotu (R1=R2=R), pak vzorec může být zapsán takto:
Dalším běžným typem děliče je, když je jeden rezistor připojen k zemi (0V), jak je znázorněno na obrázku 6B.
Nahrazením Vb 0 ve vzorci 6A dostaneme:
Uzlová analýza
Nyní, když začínáte pracovat s elektronickými obvody, je důležité umět je analyzovat a vypočítat všechna potřebná napětí, proudy a odpory. Existuje mnoho způsobů, jak studovat elektronické obvody, a jednou z nejběžnějších metod je uzlová metoda, kdy jednoduše aplikujete sadu pravidel a krok za krokem vypočítáte všechny potřebné proměnné.
Zjednodušená pravidla pro analýzu uzlů
Definice uzlu
Uzel je jakýkoli spojovací bod v řetězci. Body, které jsou vzájemně propojeny, bez dalších komponent mezi nimi, jsou považovány za jeden uzel. Za jeden uzel se tedy považuje nekonečný počet vodičů do jednoho bodu. Všechny body, které jsou seskupeny do jednoho uzlu, mají stejná napětí.
Definice pobočky
Větev je soubor 1 nebo více komponent zapojených do série a všechny komponenty, které jsou zapojeny do série k tomuto obvodu, jsou považovány za jednu větev.
Všechna napětí se obvykle měří vůči zemi, což je vždy 0 voltů.
Proud vždy teče z uzlu s vyšším napětím do uzlu s nižším.
Napětí v uzlu lze vypočítat z napětí v blízkosti uzlu pomocí vzorce:
V1-V2=I1* (R1)
Jdeme:
V2=V1-(I1*R1)
Kde V2 je požadované napětí, V1 je referenční napětí, které je známé, I1 proud tekoucí z uzlu 1 do uzlu 2 a R1 představuje odpor mezi 2 uzly.
Stejným způsobem jako v Ohmově zákoně lze určit proud větve, pokud je známo napětí 2 sousedních uzlů a odpor:
I 1= (V1-V2) / R.1
Aktuální vstupní proud uzlu se rovná aktuálnímu výstupnímu proudu, takže jej lze zapsat jako: I 1+ I3=I2
Je důležité, abyste byli schopni porozumět významu těchto jednoduchých vzorců. Například na obrázku výše proud teče z V1 do V2, a proto by napětí V2 mělo být menší než V1.
Použitím vhodných pravidel ve správný čas můžete okruh rychle a snadno analyzovat a pochopit. Této dovednosti je dosaženo praxí a zkušenostmi.
Výpočet požadovaného výkonu rezistoru
Při nákupu rezistoru si můžete položit otázku: Jaké výkonové rezistory chcete? nebo mohou dát 0.25W odpory, protože jsou nejoblíbenější.
Pokud pracujete s odporem větším než 220 ohmů a váš zdroj poskytuje 9V nebo méně, můžete pracovat s odpory 0.125W nebo 0.25W. Ale pokud je napětí vyšší než 10V nebo hodnota odporu je menší než 220 ohmů, musíte vypočítat výkon odporu, jinak může spálit a zničit zařízení. Pro výpočet požadovaného výkonu rezistoru musíte znát napětí na rezistoru (V) a proud, který jím protéká (I):
P=I*V
kde se proud měří v ampérech (A), napětí ve voltech (V) a P – ztrátový výkon ve wattech (W)
Na fotografii jsou rezistory různých výkonů, liší se hlavně velikostí.
Typy rezistorů
Rezistory mohou být různé, od jednoduchých proměnných odporů (potenciometrů) až po ty, které reagují na teplotu, světlo a tlak. Některé z nich budou diskutovány v této části.
Variabilní odpor (potenciometr)
Výše uvedený obrázek ukazuje schematické znázornění proměnného rezistoru. Často bývá označován jako potenciometr, protože jej lze použít jako dělič napětí.
Liší se velikostí a tvarem, ale všechny fungují stejně. Svorky vpravo a vlevo jsou ekvivalentní pevnému bodu (jako je Va a Vb na obrázku nahoře vlevo) a prostřední svorka je pohyblivá část potenciometru a používá se také ke změně poměru odporu levého a levého pravé terminály. Potenciometr je tedy dělič napětí, který lze nastavit na libovolné napětí od Va do Vb.
Proměnný odpor lze navíc použít jako odpor omezující proud připojením kolíků Vout a Vb, jak je znázorněno na obrázku výše (vpravo). Představte si, jak proud bude protékat odporem z levé svorky doprava, dokud nedosáhne pohyblivé části a protéká podél ní, zatímco do druhé části proudí velmi malý proud. Pomocí potenciometru tedy můžete upravit proud jakýchkoli elektronických součástek, například lampy.
LDR (Light Sensing Resistors) a termistory
Existuje mnoho odporových senzorů, které reagují na světlo, teplotu nebo tlak. Většina z nich je zahrnuta jako součást děliče napětí, který se mění v závislosti na odporu rezistorů, který se mění pod vlivem vnějších faktorů.
Termistory
Fotorezistor (LDR)
Jak můžete vidět na obrázku 11A, fotorezistory se liší velikostí, ale všechny jsou to odpory, jejichž odpor se při vystavení světlu snižuje a ve tmě se zvyšuje. Bohužel fotorezistory reagují poměrně pomalu na změny v úrovních světla a mají poměrně nízkou přesnost, ale jsou velmi snadno použitelné a oblíbené. Typicky se odpor fotorezistorů může lišit od 50 ohmů na slunci až po více než 10 megaohmů v úplné tmě.
Jak jsme již řekli, změnou odporu se změní napětí z děliče. Výstupní napětí lze vypočítat pomocí vzorce:
Pokud předpokládáme, že odpor LDR se pohybuje od 10 MΩ do 50 Ω, pak Vout bude od 0.005V do 4.975V.
Termistor je podobný fotorezistoru, nicméně termistory mají mnohem více typů než fotorezistory, například termistor může být buď termistor se záporným teplotním koeficientem (NTC), jehož odpor klesá s rostoucí teplotou, nebo kladný teplotní koeficient (PTC) , jehož odpor se bude zvyšovat s rostoucí teplotou. Nyní termistory reagují na změny parametrů prostředí velmi rychle a přesně.
