Die предыдущем эксперименте мы изменяли напряжение на светодиоде меняя резисторы в схеме. Удобно было бы использовать устройство для регулировки напряжения, не меняя постоянно резисторы. Оказывается, для этого предназначен так званный variable Widerstands или, как его еще называют – потенциометр. В продаже имеется большое разнообразие типов и размеров потенциометров, но все они выполняют одну и ту же функцию: позволяют изменять напряжение и ток в цепи за счет изменения сопротивления. В этом эксперименте мы сможем узнать больше о напряжении, силе тока и соотношении между ними. Здесь вы также познакомитесь и научитесь читать справочные листы технических данных изделий, выпускаемых фирмами – изготовителями потенциометров.
Здесь вам пригодятся:
- те же самые батарейки, держатель для батареек, зажимы типа «крокодил» и светодиод, которые вы использовали в последнем эксперименте;
- потенциометр с линейной характеристикой и номиналом 2 кОм. Количество — 2 шт. Полноразмерные потенциометры, которые выглядят так, как на Abb. 1, встречаются реже по сравнению с более миниатюрными версиями. Я предпочитаю использовать потенциометры большего размера, поскольку с ними намного легче работать;
- один дополнительный светодиод;
- мультиметр.
Abb.1.
Заглянем внутрь вашего потенциометра
Первое что я хочу сделать, это познакомить вас с тем, как работает потенциометр. Это означает, что вы должны открыть его, именно поэтому в вашем списке необходимых деталей было указано приобретение двух потенциометров — на тот случай, если вы не сможете собрать первый из них снова.
Большинство потенциометров фиксируются в собранном состоянии небольшими металлическими лапками. Вы наверняка сумеете подцепить эти лапки вашими бокорезами (кусачками для проводов) или плоскогубцами, а затем отогнуть их вверх и немного в стороны. Если вы сделаете это, то потенциометр должен открыться, как это показано на рис. 2.
Рис.2.
Провод или проводящая пленка обладают некоторым сопротивлением (2 кОм в данном случае), а при повороте оси потенциометра обеспечивается контакт любой соответствующей точки резистивного элемента (проволочного или непроволочного) с центральным выводом потенциометра.
После разборки потенциометра вы можете попытаться собрать его снова, но если это не получится, то надо взять запасной аналогичный потенциометр.
Чтобы проверить ваш потенциометр, нужно с помощью мультиметра измерять его сопротивление в омах, обеспечивая при этом постоянный контакт измерительных щупов с выводами потенциометра и вращая его ось в одну и другую сторону, как это показано на Abbildung. 3.
Рис.3.
Уменьшение яркости вашего светодиода
Прежде всего, поверните ось потенциометра в крайнее положение против часовой стрелки, в противном случае вы можете сжечь ваш светодиод еще до начала эксперимента. (Крайне малое количество потенциометров увеличивают и уменьшают сопротивление другим способом по сравнению с тем, который я описываю здесь, но поскольку вы применяете потенциометр, показанный на Abb. 1, то мое описание должно быть достаточно подробным).
После этого выполните все подключения, как это показано на Abbildung. 4, следя за тем, чтобы не позволять металлическим частям зажимов типа «крокодил» касаться друг друга. Теперь очень медленно по часовой стрелке начните поворачивать ось потенциометра. В результате вы должны заметить, что светодиод будет светиться все ярче и ярче, и, в конце концов, вдруг погаснет. Итак, вы опытным путем увидели, как легко можно вывести из строя современную электронику? Выбросите этот светодиод. Больше он уже никогда не загорится. Замените его новым светодиодом, но теперь будьте гораздо внимательнее.
Для измерения напряжения в схеме, в которой используются батарейки, надо на мультиметре выбрать режим для измерения напряжения на постоянном токе — «V» и «DC», «V» или «VDC», где DC (direct current) — постоянный ток, как это показано на Abbildung. 5. Теперь измерительными щупами коснитесь выводов светодиода. Попытайтесь, удерживая щупы на месте, слегка повернуть ось потенциометра сначала в одну, а затем в другую сторону. Вы должны увидеть соответствующее изменение величины напряжения на выводах светодиода. Мы называем это разностью потенциалов между двумя выводами светодиода.
Рис.5.
Если вы вместо светодиода будете использовать маленькую лампочку накаливания, то вы при измерении получите разность потенциалов, которая будет меняться в гораздо большей степени, поскольку лампочка ведет себя, как «простое» сопротивление, тогда как светодиод в некоторой степени осуществляет самонастройку, изменяя свое сопротивление в зависимости от изменения напряжения питания.
Теперь, чтобы измерить разность потенциалов между выводами потенциометра, коснитесь их измерительными щупами. Потенциометр и светодиод делят между собой все имеющееся напряжение таким образом, что когда разность потенциалов (падение напряжения) на потенциометре повышается, тогда разность потенциалов между выводами светодиода падает, и наоборот (рис. 6, 7).
Рис.6.
Следует иметь в виду несколько обстоятельств.
• Если вы сложите все падения напряжения на каждом элементе цепи, то сумма будет равна тому напряжению, которое выдается батарейкой.
• При измерении напряжения вы всегда измеряете относительное напряжение между двумя точками в цепи.
• Измерительные щупы вашего прибора подсоединяйте очень осторожно, словно стетоскоп, без каких-либо нарушений или повреждений соединений в цепи.
Рис.7.
Von Figur 7:
а – Прибор показывает значение напряжения на светодиоде;
б – Прибор показывает значение напряжения на потенциометре.
Strommessung
Сейчас выполним несколько другое измерение. Давайте измерим ток или силу тока в цепи, используя мультиметр, установив на нем «мА» (миллиамперы). Чтобы измерить силу тока, следует помнить, что:
• вы можете измерить ток только тогда, когда он проходит через ваш прибор;
• ваш измерительный прибор должен быть встроен в цепь;
• слишком большой ток может сжечь предохранитель внутри вашего прибора.
Следует убедиться, что на мультиметре установлен режим именно для измерения силы тока в миллиамперах (Abbildung. 8), а не напряжения, как это было ранее.
Рис.8.
Подключите ваш тестер в цепь как это показано на рис. 9, а, б. Не следует поворачивать потенциометр больше чем наполовину. Сопротивление потенциометра будет защищать ваш тестер, как и светодиод. Если через тестер пропускается слишком большой ток, то вы сможете обнаружить себя выполняющим замену внутреннего предохранителя тестера.
Рис.9.
Если вы слегка измените положение регулятора потенциометра, повернув его в одну или другую сторону, то обнаружите, что изменение сопротивления в цепи будет приводить к изменению тока. Это может объяснить, почему светодиод перегорел в предыдущем эксперименте. Слишком большой ток делает его горячим, и это тепло расплавит его изнутри, как предохранитель в приведенном ранее эксперименте 2.
Более высокое сопротивление ограничивает ток или ее величину в амперах.
Теперь встройте мультиметр в другую часть исследуемой цепи, как это показано на рис. 9, б. По мере поворота потенциометра вперед или назад вы будете получать точно такие же результаты, что и в схеме, приведенной на рис. 9. Это происходит потому, что ток во всех точках такой цепи имеет одно и то же значение. Все это именно так, поскольку у потока электронов нет никакого другого пути.
Теперь наступило время, чтобы обратиться к некоторым цифрам. Здесь осталось проверить одну последнюю вещь. Отключите светодиод и замените его резистором с сопротивлением 1 кОм, как это показано на рис. 10. Общее сопротивление в цепи теперь будет равно 1 кОм плюс сопротивление потенциометра, зависящее от положения оси регулятора, в которое вы его установили. (Разумеется, мультиметр тоже имеет некоторое сопротивление, но оно настолько мало, что мы можем им пренебречь).
Рис.10.
Сначала поверните ось потенциометра до упора против часовой стрелки, и у вас получится суммарное сопротивление в цепи, равное 3 кОм. Ваш мультиметр при этом должен показать приблизительно 2 мА. Затем поверните ось потенциометра в среднее положение, и вы получите общее сопротивление в цепи порядка 2 кОм. Ток в этом случае должен быть около 3 мА. Теперь поверните ось потенциометра до упора по часовой стрелке. Общее сопротивление в цепи станет равно 1 кОм, и вы получите ток, который будет около 6 мА. Вы можете заметить, что если умножить сопротивление на силу тока, то каждый раз получится число 6 — что всего лишь означает величину напряжения, которое приложено к цепи (табл. 1).
Tabelle 1.
| Общее сопротивление, k | Сила тока, mA | Напряжение, Die |
| 3 | 2 | Sechs |
| 2 | 3 | Sechs |
| 1 | Sechs | Sechs |
Фактически мы можем сказать:
вольты = килоомы х миллиамперы.
Но подождите секунду: 1 кОм это 1000 Ом, а 1 мА это 1/1000 А. Поэтому наша формула по-настоящему должна выглядеть следующим образом:
вольты = (омы х 1000) х (амперы х 1/1000).
После сокращения числителя и знаменателя на 1000 получим:
вольты = омы х амперы.
Это известно, как закон Ома.
|
Basisinformationen |
|
Последовательно и параллельно Перед тем, как продолжить, вы должны узнать каким образом изменяется сопротивление в цепи при последовательном и параллельном подключении резисторов (рис. 11-13). Следует запомнить, что:
Когда вы последовательно подключаете два резистора одного номинала, то вы удваиваете общее сопротивление, поскольку электрический ток в данном случае преодолевает два последовательных препятствия.
Когда два резистора одного наминала подключены параллельно, то вы делаете общее сопротивление на два пути, по которым он может пройти, вместо одного. На практике нам нет необходимости устанавливать резисторы параллельно, но нам часто приходится подключать компоненты другого типа таким образом. Например, лампочки в вашем доме подключены таким образом. Поэтому очень полезно понимать, что сопротивление цепи уменьшается, если вы добавляете в нее компоненты при параллельном подключении. |
Использование закона Ома
Закон Ома очень полезен. Например, он помогает нам определить безопасно ли использовать какой – либо компонент в данной цепи. Вместо того, чтобы подвергать воздействию повышенным напряжением компонент до тех пор, пока он не перегорит, мы можем предсказать, как он будет работать.
Например, вначале, когда вы поворачивали ось потенциометра, вы на самом деле не знали, как долго вы можете это делать, чтобы светодиод не вышел из строя. Поэтому было бы полезно точно знать, какое сопротивление надо подсоединить последовательно со светодиодом, чтобы адекватно защитить его, получая при этом свечение максимальной яркости.
Как читать справочные листы технических данных
Как и для большинства других случаев, ответ на этот вопрос можно найти в Интернете.
Здесь описано как можно найти справочные листы технических данных на изделия (их технические описания), выпускаемых тем или иным изготовителем (рис. 14). Во – первых, найдите компонент, который вас интересует, у поставщика, оформляющего заказы по электронной почте. Затем введите в поисковую систему Google номер детали и имя производителя. Обычно в числе первых результатов запроса появятся справочные листы технических данных этого компонента. С использованием таких источников, как сайт компании Mouser Electronics, поиск осуществляется еще проще, поскольку он предоставляет прямую ссылку на справочные листы технических данных для многих изделий.
Рис. 14. Типичный справочный лист технических данных, в который включены соответствующие технические характеристики изделия, в данном случае высокоэффективного светодиода в корпусе диаметром 5 мм.
Приведем пример. Предположим, я хочу использовать красный светодиод типа TLHR5400, выпускаемый компанией Vishay Semiconductor, который стал настолько распространенным, что я могу его купить отдельно по цене $0,09 за штуку (≈2,7 руб.). Щелкните мышью по ссылке на лист технических данных, который представлен компанией Vishay Semiconductor. Почти немедленно на экране компьютера появится страница файла в формате PDF. Этот лист технических данных для светодиодов типа TLHR, TLHG и TLHY, которые соответственно имеют свечение красного, зеленого и желтого цветов, что обозначается буквами «R», «G» и «Y» в наименовании светодиода. Пролистываю документ и нахожу таблицу «OPTICAL ELECTRICAL CHARACTERICS» (оптические и электрические характеристики). В ней содержится информация о том, что при токе через светодиод величиной 20 мА он имеет типичное значение («TYP.») прямого напряжения (Forward voltage) равное 2 В. Слово «MAX.» в таблице означает максимальное значение, которое составляет 3 В.
Теперь посмотрим на другой лист технических данных, поскольку все они имеют одну и ту же форму. Я выберу другой светодиод – компонент WP7113SGC компании Kingbright. Щелчок мышью по ссылке на сайте производителя и я получаю вторую страницу листа технических данных, где типичное значение прямого напряжения составляет 2,2 В, максимальное значение – 2,5 В, а максимальный прямой ток 25мА. Кроме того, я нашел некоторую дополнительную информацию: максимально допустимое обратное напряжение – 5 В, а максимально допустимый обратный ток 10 мкА (означает микроампер, который составляет величину в 1000 раз меньше ампера). Эти данные говорят нам, что не следует прикладывать избыточные напряжение к светодиоду при подключении с обратной полярностью. Если же для светодиода превысить максимально допустимое значение обратного напряжения, то возникает опасность выхода его из строя. Поэтому всегда старайтесь соблюдать полярность при подключении!
Компания Kingbright предоставляет сведения о том какую температуру может выдерживать светодиод: 260 °C (500°F) в течение нескольких секунд. Это полезная информация, поскольку довольно скоро мы отложим в сторону наши зажимы типа «крокодил» и для соединения электрических компонентов будем использовать расплавленный паяльником горячий припой. Поскольку мы уже вывели из строя батарейку, предохранитель и светодиод при выполнении всего лишь четырех экспериментов, поэтому возможно вы не увидитесь, что мы испортим, по меньшей мере, еще несколько компонентов при определении их предельных температурных значений при воздействии паяльника.
В любом случае теперь мы знаем, что необходимо для нормальной работы светодиода, и мы можем сделать все соответствующие расчеты.
|
Basisinformationen |
| Закон Ома
По причинам, о которых я расскажу чуть позже, электрический ток обычно обозначается латинской буквой «I». Буквой «U» обозначают напряжение, а буквой «R» – сопротивление, обычно представленное в омах (поскольку с использованием большинства клавиатур не так легко напечатать букву «Ω»). Используя эти символьные обозначения, вы можете написать закон Ома тремя различными способами: In = ich × R.ich = In/R.R = In/ich.Следует помнить, что U – это разность потенциалов (напряжение) между двумя точками простой цепи, R – сопротивление в омах между двумя этими точками, а I – ток в амперах, который проходит по этой цепи между двумя точками. Буква «I» используется потому, что сила тока измеряется согласно создаваемой током индукции (inductance), что означает способность током индуцировать (создавать) магнитное поле. Для обозначения электрического тока гораздо меньше вопросов вызывало бы использование буквы «А», но, к сожалению, уже слишком поздно что – либо менять. |
|
Basisinformationen |
| Какое напряжение падает на проводе?
Обычно, мы можем не учитывать сопротивление проводов, например, у проводов малой длины, которые соединяют сопротивления, поскольку это очевидно. Однако если вы попытаетесь пропустить ток большой величины через длинный тонкий провод, то становится важным учитывать его сопротивление. Насколько же это важно? Чтобы определить это, мы снова можем воспользоваться законом Ома. Предположим, что очень длинный кусок провода имеет сопротивление 0,2 Ома. Допустим по этому проводу мы хотим пропустить ток величиной 15 А. Какое по величине напряжение будет отобрано у цепи за счет его сопротивления? Снова начинаем писать то уравнение, которое вам уже известно: R = 0,2 Ом I = 15 А Мы хотим знать напряжение U, падение напряжения, для провода, поэтому мы воспользуемся законом Ома, в котором напряжение U находится в левой части уравнения: In = ich × R.Теперь в эту формулу надо поставить значения, которые были заданы в условии: U = 15 А × 0,2 Ом = 3 В Три вольта это не слишком большое значение, если у вас есть источник большого напряжения, но если вы используете, например, автомобильный аккумулятор с напряжением 12 В, но провод такой длины будет отбирать в цепи четверть доступного напряжения (рис. 15). Теперь вы должны понимать, почему провода в автомобилях достаточно толстые – это связано с тем, что их сопротивление должно быть гораздо меньше 0,2 Ом.
|
|
Basisinformationen |
| Положение десятичного разделителя¹
Легендарный британский политик Сэр Уинстон Черчилль был знаменитым тем, что жаловался на «эти чертовы точка». Он имел в веду десятичные точки. Поскольку Черчилль был министром финансов в это время и нес ответственность за все расходы государства, то его затруднения при использовании десятичных точек создавали достаточно много проблем. Тем не менее, как бы то ни было, он всегда доводил дела до конца, что наверняка будете делать и вы. Кроме того, вы можете воспользоваться карманным калькулятором – или следующими далее двумя основными правилами. При выполнении умножения: перемещайте десятичные запятые Предположим. Вам надо умножить 0,04 на 0,005:
При выполнении деления: аннулируйте десятичные запятые Предположим. Вам надо разделить 0,006 на 0,0002:
|
Насколько большое сопротивление требуется для светодиода?
Предположим, что мы применяем светодиод производства компании Vishay Semiconductors. Не забыли его технически характеристики, которые приведены в справочном листе технических данных? Максимальное значение прямого напряжения 3 В и безопасная величина тока 20 мА.
Для повышения безопасности я собираюсь ограничиться прямым напряжением 2,5 В. Для питания у нас есть батарейка на напряжение 6 В. Вычтем 2,5 В из 6 и получим 3,5 В. Поэтому нам в данной цепи необходим резистор, падения напряжения на котором должно составлять 3,5 В, и чтобы 2,5 В осталось для светодиода.
Сила тока в такой простой цепи является одинаковой во всех ее точках. Поэтому, если мы хотим, чтобы максимальное значение тока, который протекал бы через светодиод, было 20 мА, то такой же силы ток будет протекать и через резистор.
Теперь мы можем записать то, что мы знаем о резисторе в цепи. Однако следует помнить, что все значения должны быть приведены к единицам измерения в вольтах, амперах и омах, поэтому вместо 20 мА при вычислениях надо записать 0,02 А:
U = 3,5 В (падение напряжения на резисторе)
I = 0,02 А (ток, проходящий через резистор)
Нам нужно узнать сопротивление резистора R. Поэтому мы используем вариант написания закона Ома, в котором сопротивление находится в левой части уравнения:
R = In/ich.
Теперь надо подставить известные значения в формулу:
R = 3,5/0,02
Выполните вычисление сопротивления с помощью вашего карманного калькулятора, если у вас есть проблемы с определением места, куда надо поставить десятичную запятую. Вы должны полечить следующий ответ:
R = 175 Ом
Итак, сопротивление 175 Ом является точным значением для резистора. Вы можете использовать резисторы со стандартным значением сопротивления 180 или даже 220 Ом, поскольку это достаточно близкие значения.
Очевидно, что резистор с сопротивлением 470 Ом, который мы использовали в эксперименте 3, был выбран со слишком большим запасом. Я предложил его именно потому, что вначале предполагалось использовать светодиод любого типа. Я рассчитал, что вне зависимости от типа используемого вами светодиода, резистор с сопротивлением 470 Ом вполне подойдет.
Наведение порядка и повторное использование
Сожженный светодиод должен быть выброшен. Все остальное можно использовать снова.
|
Basisinformationen |
| Происхождение понятия мощности
Несмотря на трудности при получении патентов (которые могли быть выданы в то время только с помощью парламентского решения), Ватт и его партнер по бизнесу в конечном итоге заработали много денег на своих инновациях. Хотя он жил раньше основоположников электричества, в 1889 году (через 70 лет после его смерти), его имя было присвоено основной единице измерения электрической мощности, которая в электрических цепях постоянного тока может быть определена, как произведение тока в амперах на напряжение в вольтах |
|
Basisinformationen |
| Основные сведения о ваттах
До сих пор я ничего не говорил о единице измерения, с которой наверняка знаком каждый — это ватты. Ватт это единица для измерения работы. Инженеры пользуются своим собственным определением работы — они говорят, что работа может быть выполнена человеком, животным или машиной, которая воздействует на что- то для преодоления механического сопротивления. Примером может служить паровой двигатель, который тянет поезд по горизонтальному пути (преодолевая трение и сопротивление воздуха), или человек, поднимающийся по лестнице (преодолевая силу тяжести). Когда электроны прокладывают себе дорогу в цепи, они тоже преодолевают некоторое сопротивление и поэтому выполняют работу, которая может быть измерена в ваттах. Имеется очень простое определение: ватты = вольты × амперы Применяя обычные используемые обозначения, можно привести три формулы, которые в принципе означают одно и то же: W = U × I.U = W/I.I = W/U.Для ватт используется сокращенное международное обозначение «W», в русском обозначении «Вт». Совместно с сокращенными обозначениями ватт могут быть использованы различные приставки, такие, например, как «m» для обозначения «милли» — «mW» (в русском обозначении «мВт»), впрочем, точно такие же, как и в случае применения вольтов или ампер (табл. 2). Таблица 2.
Таблица 3. |
Расчет мощности резистора
Ранее я уже упоминал, что резисторы изготавливают с различными стандартными значениями мощности — 0,25 Вт, 0,5 Вт, 1 Ватт и т. д. Я советовал, чтобы вы купили резисторы мощностью 0,25 Вт или больше. Откуда я это узнал?
Давайте вернемся назад к цепи со светодиодом. Помните, мы хотели, чтобы на резисторе падало напряжение 3,5 В, а ток был бы равен 20 мА. Какое количество мощности рассеивается на этом резисторе?
Запишите, что вам известно:
U = 3,5 В (падение напряжения на резисторе)
I = 20 мА = 0,02 А (ток, протекающий через резистор)
Мы хотим узнать мощность в ваттах, поэтому используем формулу, где мощность располагается в левой части уравнения:
W = U × I.
Теперь надо подставить значения в эту формулу:
W = 3,5 В × 0,02 А = 0,07 Вт (мощность, которая рассеивается резистором)
Таким образом, мы выяснили, что используемый нами резистор мощностью 0,25 Вт (1/4 ватта) имеет почти 4-кратный запас по сравнению с действительно рассеиваемой им мощностью. На самом деле здесь мы могли бы использовать резисторы мощностью 0,125 Вт (1/8 ватта), но для будущих экспериментов нам понадобятся резисторы мощностью 0,25 Вт. Поэтому в данном случае применяют именно такие резисторы, поскольку нет никаких ограничений для использования резистора, рассчитанного на мощность большую, чем та, которая в действительности на нем рассеивается.
