Elektronikai alapfogalmak

Az elektrotechnika hatékony eszköztárat kínál a pontos adatok meghatározásához. Ahelyett, hogy csak azt  mondanánk, hogy különbség van két dolog között (szín, fényerő, töltés stb.), az elektronikus eszközök lehetővé teszik, hogy pontosan megmérjük, mekkora a különbség.

Elektronok és töltés

Az elektronika szó az „elektron” szóból származik. Az elektronok negatív töltésű, szubatomi részecskék. Az elektromos töltés  mértékegysége a coulomb. Egy coulomb 6,24 milliárd (10¹⁸ ) elektron töltésének felel meg. Egyetlen elektron töltése túl kicsi ahhoz, hogy a legtöbb elektronikus eszközben mérhető legyen, ezért a tudósok a coulombot hasznosabb mértékegységként használják a töltés leírására.

Multiméterek

Az elektronikus eszközök alapvető mértékegységei a feszültség, az áram és az ellenállás. Olcsó és érzékeny eszközök, az úgynevezett multiméterek, ezek mindegyikét mérni tudják. Ha kíváncsi vagy valaminek a feszültségére, akkor egy multiméterrel pontos meg tudod mérni. A multiméter használatával kapcsolatos további információkért tekintse meg a Science Buddies
kézikönyv Hogyan használjunk multimétert .

Feszültség

A feszültség definíciója: annak értéke, hogy egy elektromos tér milyen potenciállal képes áramot okozni a vezetőben. Az elektromos tér elektromos töltéseket „lök és húz”, így ha egy elektront elektromos térbe helyezünk, az elmozdul. A töltött részecskék mozgása az áram (az áramról lentebb). A lényeg az, hogy a feszültség annak mértéke, hogy az elektromos tér milyen erősen töltött részecskéket tol és húz. A feszültség szimbóluma V.

Vegyünk egy egyszerű zseblámpát két ceruza elemmel. Minden ceruza elem feszültsége 1,5 V. Ha két 1,5 V-os elemet összerakunk sorban, a teljes feszültség 3 V. Ez a feszültség elég magas egy izzó táplálásához. Amikor bekapcsoljuk a zseblámpát, a feszültségkülönbség hatására elektronok áramlanak át az izzón, ami ragyogást okoz. Az elektromos tér biztosítja az energiát a töltött részecskék vezetékeken (elektromos vezetőkön) és az izzón keresztül történő mozgatásához.

A feszültség lehet egyen (DC) vagy váltakozó (AC). Egyenáramú feszültségben a feszültség nem váltakozik. Ha például grafikonon ábrázoljuk egy 9 V-os akkumulátor feszültségét az idő függvényében, akkor egy egyenes vonalat kapunk 9 V értéknél.
A váltakozó áram ide-oda billen a pozitív és a negatív között. Ha elkészítjük a váltakozó áram és az idő közötti grafikont, az pozitívról negatívra vált, gyakran szinuszos hullám formájában. Az áramkör feszültségét akkumulátor vagy más tápegység szolgáltatja.

Áramerősség

Az áramerősség annak mértéke, hogy mennyi töltés mozog az áramkörön egy adott időtartam alatt. A zseblámpa esetében az izzón áthaladó áram az adott idő alatt az izzón átáramló elektromos töltés mértéke.

Az áramerősség szimbóluma az I. Az áram mértékegységének, az ampernek a szimbóluma A. Az amper pontos definíciója: az az
áram, amely másodpercenként egy coulomb áramlása biztosítja.
Használja az „I”-t, amikor az áramra utal (mint az Ohm-törvényben, amelyet alább tárgyalunk), és az „A”-t, amikor az áramerősségre, mint mértékegységre utal .

Az egyenáramot egyenfeszültség, a váltakozó áramot pedig az váltakozó feszültség állítja elő.

Ellenállás

Az elektronok feszültség hatására átfolynak az anyagokon, áramot hozva létre. Egyes anyagok, például a réz, nagyon alacsony ellenállással rendelkeznek, így az elektronok szabadon áramlanak – jó vezetők . Egyes anyagok köztes ellenállással rendelkeznek, például a tranzisztorok gyártásához használt félvezetők. A félvezetőknek például lehet egy küszöbértéke annak a feszültségnek, amely áramot okoz. Néhány anyag, például a gumi, nagy ellenállással rendelkezik, és szigetelőként használják a töltések elkülönítésére.

Az ellenállás jele az R. Az ellenállás mértékegysége az ohm, amelynek szimbóluma Ω,

Ohm törvénye

Az Ohm-törvény matematikailag összefügg a feszültséggel, az áramerősséggel és az ellenállással. Ohm törvénye a következőképpen írható fel: V=IR.
Az Ohm-törvény kimondja, hogy az áramkörben lévő alkatrész feszültsége megegyezik az alkatrészen áthaladó áramerősséggel,
szorozva az alkatrész ellenállásával. 

Elektronikus áramkör

Az elektronikus áramkör egy zárt út, amelyet elektronikus alkatrészek összekapcsolása alkot, és amelyen keresztül elektromos áram áramolhat. Hasznos lehet összehasonlítani egy elektronikus áramkört egy olyan áramkörrel, amelyben víz folyik.

• A feszültség az elektronikus áramkörben olyan, mint a szivattyú a vízkörben – ez adja a lökést, hogy a dolgok menjenek.

• Az elektronikus áramkörben lévő áram olyan sebességgel egyezik meg (például liter per másodpercben), amellyel a víz a vízkörben áramlik.

• És az ellenállás az elektronikus áramkörben olyan, mint a tömlő szűkülete a vízkörben. Az elektronikus ellenállás akadályozza az elektronok áramlását, ahogy a tömlő szűkülete akadályozza a víz áramlását.

Fogalmak

• AC – A váltakozó áram rövidítése, amely a pozitív és negatív között ide-oda váltó feszültség.

• Amper – Az áram mértékegysége (szimbólum: A).

• Breadboard  (szerelőpanel) – Ideiglenes áramkörök készítésére használt tábla. A szerelőpanel fémbevonatú aljzatokkal  rendelkezik az elektronikus alkatrészek tesztáramkörben történő csatlakoztatásához.

• Kondenzátor – Elektronikus alkatrész, amely két vezető felületből áll, amelyeket szigetelő választ el egymástól. Energia tárolására és felszabadítására, valamint nagyfrekvenciás jelek vezérlésére szolgál.

• Áramkör – Összekapcsolt elektronikus alkatrészek gyűjteménye, amelyeket általában valamilyen funkció végrehajtására terveztek.

• Áramköri diagram – Egy áramkört ábrázoló diagram az elektronikus alkatrészek szimbólumait használva. Áramkörök megtervezésére és más emberekkel való kommunikálására használják, például tervrajzok vagy tervek.

• Zárt áramkör – Olyan áramkör, amelyben áram áramolhat az elektronikus alkatrészeken, a nagyfeszültségű ponttól az alacsony feszültségű pontig.

• Vezetőképesség – az ellenállás ellentéte. A nagy vezetőképességű anyagok (pl. fémek) alacsony ellenállásúak. A vezetőképesség mértékegysége siemens (S).

• Áram – Az elektromos töltés áramlása. Az áram mértékegysége az amper (A).

• DC – Az egyenáramú feszültség rövidítése, amely nem váltakozó feszültség.

• Dióda – Elektronikus alkatrész, amely lehetővé teszi az áram szabad áramlását csak egy irányban.

• I – Az áram szimbóluma. Az áram mértékegysége az amper (A).

• Integrált áramkör (IC) – Több egyszerűbb elektronikus alkatrészt tartalmazó elektronikus alkatrész. Az IC egy miniatűr elektronikus áramkör.

• Jumper – Rövid vezeték, amelyet egy áramkör ideiglenes befejezésére vagy az áramkör szakadásának megkerülésére használnak. 

• Kilo – „ezer” jelentésű előtag. Egy 10 kΩ-os ellenállás 10 000 ohm.

• Vezeték– Az áramkör alkotóelemei közötti összeköttetéshez használt vezeték hossza.

• LED (fény emittáló dióda) – Szilárdtest-eszköz, amelynek két fő jellemzője van: csak egy irányba engedi az áramot (azaz a „dióda” rész), és fényt bocsát ki, amikor áram folyik rajta a ” megengedett” irányba. A LED-eket számos specifikáció írja le, amelyek közül néhány a fontosabb:

  • Maximális áramerősség;

  • Fényesség;

  • fény színe;

  • Fénysugár szöge (például egy 15 fokos szögű LED
    jobban fókuszál, mint a 45 fokos fénysugár); és

  • Mérete, általában 5 mm.

1. ábra A fénykibocsátó diódák különböző méretűek, formájúak és színűek. (Wikipédia, 2008.)

• Mega – „millió” jelentésű előtag (szimbólum: M). Egy 1 MΩ (megaohm) ellenállás 1 millió ohm ellenállással rendelkezik.

• Multiméter – Több különböző mértékegység mérésére alkalmas mérőműszer. A multiméterek többek között feszültség, áram és ellenállás mérésére szolgálnak.

• Ohm – ellenállás mértékegysége. Az ohm szimbóluma Ω.

• Ohm törvénye – V = IR, vagy „A feszültség egyenlő az áram szorzatával.” Példa: Tegyük fel, hogy egy 1000 Ω-os ellenállás feszültségesése 9 V. Mekkora áram folyik át az ellenálláson? A számok csatlakoztatása 9 V = I amper x 1000 Ω, tehát I = 9/1000 amper (A) vagy 9 milliamper (mA).

• Nyitott áramkör – Olyan áramkör, amelyben egy rés van, amely megakadályozza az áram áramlását. Amikor egy villanykapcsolóval lekapcsolja a lámpát, kinyitja az áramkört, amely összeköti az izzót az áramforrással.

• Párhuzamos kapcsolás – Az áram egyszerre két vagy több komponensen folyik keresztül. Hasonlatként képzeljünk el egy folyót, amely két vagy több párhuzamos patakra szakad, amelyek aztán újra összeolvadnak. A különböző „folyamokon” átfolyó áram nagysága az  ellenállásuktól függ.

2. ábra Ez a diagram két ellenállást mutat párhuzamosan.

• R – Az ellenállás szimbóluma. Egy tárgy elektromos ellenállása az állandó elektromos áram áthaladásával szembeni  ellenállásának mértéke. A fémeknek nagyon alacsony az ellenállása, míg az olyan anyagoknak, mint a gumi és a műanyag, nagy az ellenállás. Az ellenállás mértékegysége az ohm, Ω szimbólummal.

• Ellenállás – Az áram áramlásának „ellenállására” használt elektronikus alkatrész. Az ellenállásokat az elektromos áramkörben lévő áram szabályozására használják. Az ellenállás mértékegysége az ohm (Ω). Az ellenállás ellenállásának értékét az ellenálláson lévő színes vonalak kódolják. Amikor feszültségellátással rendelkező áramkörben vannak, „feszültségesés” következik be az ellenálláson. Az ellenállásoknak három fő jellemzője van: ellenállási szintjük, teljesítményük és toleranciájuk. Tegyük fel, hogy egy ellenállás ellenállása 220 ohm (Ω), névleges teljesítménye 1/4 watt (W), és tűrése 5 százalék. A névleges teljesítmény megadja a teljesítmény határát (teljesítmény = áram x feszültség az ellenálláson), amelyet az ellenállás túlmelegedés nélkül képes ellenállni. A tolerancia az ellenállási tartomány mértéke. Az 5 százalékos tűréssel rendelkező 220 ohmos ellenállás 220 ohm ± 11 ohm tartományba esik. Egy elektromos specifikáció 100 Ω (ohm) értékű ellenállást igényelhet, de megadja a tűréshatárt is, például „±1%”. Ez azt jelenti, hogy bármely 99 Ω–101 Ω értékű ellenállás elfogadható.

• Rövidzárlat – Kis ellenállású kapcsolat egy elektromos áramkör két pontja között, amelyek különböző feszültségűek. Például egy akkumulátor pozitív és negatív pólusának vezetékkel történő összekapcsolása rövidzárlatot okoz. A csatlakozás alacsony ellenállása miatt az áramerősség nagyon magas lehet, ami túlmelegedéshez és az áramkör károsodásához vezethet. A rövidzárlat tüzet és robbanást okozhat, ha az áramerősség elég nagy.

• Soros kapcsolás – Soros kapcsolat esetén az áram egyenként folyik át az egyes komponenseken, akár egy folyó, amely több gáton halad át. Az alkatrészeken átfolyó áram mennyisége egyenlő, mivel azok „végtől végig” vannak összekötve. Hasonlítsa össze a párhuzamos csatlakozással.

3. ábra Ezen a diagramon két ellenállás látható soros csatlakozásban.

• Tolerancia – Az elektromos alkatrész paraméterében megengedett eltérési tartomány.

• V – Feszültség szimbóluma. A feszültség mértékegysége a volt.

• Feszültség – A két pont közötti elektromos potenciál különbségének mértéke. A feszültségkülönbség az elektronok áramlását okozza, hasonlóan ahhoz, mint a magasságkülönbség a víz áramlását. A feszültség mértékegysége a volt (V).

• Winscope – Ingyenes program, amellyel számítógépét oszcilloszkópként használhatja. Nagyon hasznos a feszültség/idő adatok mérésére kezdő elektronikai projekteknél.

A bejegyzés a ScienceBuddies cikke alapján készült.