Ledi pitäisi saada syttymään. Tuulettimen kierrosnopeutta laskea. Miten?

Tämän artikkelin on tarkoitus etsiä vastauksia ja ratkaisuja edellä mainittuihin ongelmiin. Koettaa pitää termit selkeinä ja ymmärrettävinä ja varmasti aiheuttaa uusia kysymyksiä. Tämän luettuasi sinulla tulee olemaan pohja mitoittaa etuvastuksia, laskea virrankulutuksia jne. Katsotaanpa, kuinka siinä onnistutaan.

Sisällysluettelo:

Jännite
Virta
Ohmin laki
Kirchhoffin 1. laki
Kirchhoffin 2. laki
Teho
Vastus
  Sarjaan kytkettynä
  Rinnan kytkettynä
  Värikoodi
  E-sarjat
Ledi
Transistori
Esimerkkejä
  Kaksi superkirkasta sinistä rinnan

Jännite

Suure U ja yksikkö on voltti (V).

Jännite on kahden pisteen sähköisen tilan ero varauksessa. Potentiaaliero. Kun nämä pisteet yhdistetään toisiinsa niin sähköinen tila pyrkii tasautumaan ja näin syntyy sähkövirtaa.

 

Potentiaalieroa voidaan havainnollistaa putousmallilla. Mitä korkeampi on putous, sitä korkeampi on myös veden voima jolla se tulee alas. Jos tarkastelupisteenä ei ole maa vaan jokin piste putouksen puolessa välissä niin huomaamme, että veden voima ei ole niin voimakas kuin alempana.

Sama ilmiö pätee myös PC:n virtalähteessä. Yleisesti käytetään potentiaaleja +12, +5 ja maa. Yleinen kytkentä jossa käytetään potentiaalieroa hyväksi on tapaus jossa tuulettimelle halutaan antaa hieman matalampi jännite kuin 12 volttia mutta korkeampi kuin 5 volttia. Kumpikin näistä jännitteistä on maa potentiaaliin verrattuja. Jos otammekin ja vertaamme niitä toisiinsa, eli kytkemme tuulettimen 12 voltin ja 5 voltin piuhojen väliin niin potentiaaliero on enää 7 volttia. Vähän kuin vesiputousmallissa, veden ei tarvitse laskeutua maatasoon asti joten sen voimakin on pienempi. Täten myös potentiaaliero on pienempi. 12 volttia - 5 volttia = 7 volttia.

Virta

Suure I ja yksikkö on ampeeri (A).

Varausten tasoittuminen ilmenee virtana. Se aiheutuu elektronien liikkeestä johtimessa. Elektronit kulkevat miinusnavasta plusnapaan mutta yleisesti on sovittu sähkövirran kulkevan plusnavasta miinusnapaan.

Ohmin laki

Varmasti eräs tärkeimmistä laeista, mitä elektroniikka pitää sisällään. Tämän avulla voidaan laskea jännitteen U, virran I ja resistanssin R suhde toisiinsa.

Kun kaavasta peitetään vaikka peukalolla haluttu suure, jäljelle jää tarvittava laskutoimitus.

Kun tiedetään jännite ja resistanssi, voidaan virta laskea kaavalla I= U/R

Kun tiedetään jännite ja virta, resistanssin voi laskea kaavalla R= U/I

Kun tiedetään virta ja resistanssi, voidaan laskea jännite kaavalla U= I*R

Esimerkki:

Haluamme saada punaisen ledin syttymään viiden voltin jännitelinjasta. Joka ledillä on oma kynnysjännitteensä ja virtansa. Punaisella ledillä käyttäkäämme tällä kertaa jännitteenä 1.6 volttia ja virtana ledeillä yleistä 20 milliampeeria eli 0.02 A.

Virtalähteestä tulee siis viisi volttia jännitettä, mutta ledimme tarvitsee vain 1.6 volttia. Tämä ylitse jäävä jännite pitää "hukata", mihin käytämme vastusta, joka muuttaa tämän jännitteen lämmöksi.

Ledi vie siis 1.6 volttia, joten vastuksen tulee poistaa 5 V - 1.6 V = 3.4 volttia kytkennästä. Jotta vastus poistaisi oikean määrän, laskemme sille vastusarvon. Koska tiedämme, paljon vastuksen tulee poistaa jännitettä ja tiedämme, että kytkennän läpi menee edellä mainittu 0.02 A virtaa, voimme käyttää laskuun tuttua kaavaa:

R = U/I

Arvot sijoitettuna kaavaan saamme 3.4 V/0.02 A = 170 ohmia. Lähin olemassa oleva vastus tähän tilanteeseen on 180 ohmia. Koska laitamme kytkentään 10 ohmia suuremman vastuksen kuin laskimme, ledi palaa hieman himmeämmin ja piirissä kulkee hieman pienempi virta kuin 0.02A.

Kirchhoffin 1. laki

Tämä laki esittelee mallin jonka mukaan rinnakkain kytkettyjen komponenttien virrat lasketaan yhteen. Kytkentään menevä virta on sama kuin sieltä pois lähteväkin.

Kun kytkemme virran niin jokaisen ledin kautta kulkee 0.02 ampeerin virta. Tämä aiheuttaa sen, että koko kytkentä vie virtaa 0.02A + 0.02A + 0.02A = 0.06 ampeeria.

Kirchhoffin 2. laki

Lain mukaan kytkennässä esiintyvien jännitehäviöiden summa on yhtä suuri kuin virtalähteessä oleva jännite.

Koska kytkennässämme on kaksi lediä ja yksi vastus ja koska tiedämme, että ledin kynnysjännite on 1.6 volttia, voimme laskea paljonko vastuksen yli oleva jännite tulee olemaan. 5 V -1.6 V - 1.6 V = 1.8 volttia. Tiedämme, että virta kytkennässä on 0.02 ampeeria, sillä kyseessä on sarjaankytkentä. Täten voimme laskea vastukselle arvon käyttäen Ohmin lakia. Vastuksen yli oleva jännite jaettuna vastuksen läpi kulkeva virta: R = U / I.= 1.8 V/ 0.02 A = 90 ohmia. Lähin olemassa oleva vastus on 82 ohmia.

Teho

Vastuksilla on eri tehokestoja. Tämä on tärkeää ottaa huomioon, sillä vastuksen tehtävähän on muuttaa sen yli oleva jännite lämmöksi. Tämän vuoksi vastuksen kautta kulkeva teho on tärkeä tietää, jotta osaamme valita oikean vastuksen oikealla tehokestolla.

Teho siis lasketaan käyttäen jännitettä U ja virtaa I. Esimerkiksi kytkentä, jossa on yksi vastus ja ledi kytkettynä sarjaan. Vastuksen yli vaikuttaa jännite 3.4 volttia ja virtaa sen läpi kulkee 0.02 ampeeria. Täten vastuksessa vaikuttava teho on 3.4 V * 0.02 A = 0.068 wattia. Ohessa esimerkki useammalla ledillä.

Esimerkki:

Kytkennässä rajoitetaan yhdellä vastuksella jännite sopivaksi kolmelle ledille. Ledien on oltava sähköisiltä ominaisuuksiltaan samanlaisia. Kytkennässä vaikuttaa tällä kertaa 12 voltin jännite.

Lasketaan ensin kytkennässä kulkeva kokonaisvirta. Kirchhoffin ensimmäisen lain mukaan lasketaan kolmen rinnakkain olevan ledin virrat yhteen.

0.02 A + 0.02 A + 0.02 A = 0.06 ampeeria.

Lasketaan vastuksen yli vaikuttava jännite käyttämällä Kirchhoffin toista lakia. Virtalähteen jännite - ledin yli vaikuttava jännite.

12 V - 1.6 V= 10.4 volttia.

Vastuksen yli vaikuttava teho tulee siis olemaan:

10.4 V * 0.06 A = 0.624 wattia.

Pienimmät ja halvimmat vastukset ovat tehokestoltaan luokkaa 0.25 W, joten sellainen ei tulisi tässä kytkennässä kauaa kestämään. Täten kytkentään tulee valita vastus, joka on tehokestoltaan vähintään tuon 0.6 wattia. Esimerkiksi yhden watin vastus olisi riittävä.

Vastus

Vastus nimensä mukaan siis vastustaa virran kulkua. Täten se aiheuttaa jännitehäviötä. Tämä ominaisuus johtuu vastuksen valmistusmateriaalista, joka johtaa huonosti sähköä. Vastuksen fysikaalinen ominaisuus on resistanssi, jonka tunnus on R ja perusyksikkö ohmi.

Vastus sarjaan kytkettynä.

Kytkennän vastus yhteensä siis 150 + 150 + 250 = 550 ohmia.

Vastus rinnakkain kytkettynä.

Vastusarvo yhteensä: 1 / (1/150 + 1/150 + 1/250) ~ 57.69 ~ 58 ohmia.

Värikoodit

Vastusten arvo esitetään värikoodeilla. Koodin lukeminen aloitetaan vastuksen siitä päästä, jota lähempänä ensimmäinen värirengas on.

Ensimmäinen rengas ilmoittaa resistanssiarvon ensimmäisen ja toinen rengas toisen numeron. Kolmas rengas ilmoittaa nollien lukumäärän eli "pilkun paikan". Tämä arvo on siis ohmeina. Neljäs rengas ilmoittaa toleranssin eli ohmimäärän tarkkuuden prosentteina. Seuraavassa taulukko jolla arvon voi lukea:

E-sarjat

Jotta vastuksia ei jouduttaisi tekemään jokaiselle ohmimäärälle omaansa, on olemassa niin kutsuttu E sarja. Tästä taulukosta pystyy hakemaan lähimmän olemassa olevan vastuksen. Yleisin on E12-sarja, joka määrittelee, että yhdessä dekadissa on 12 eri vastusarvoa. Dekadi tarkoittaa arvon kymmenkertaistumista. Esimerkiksi 10:stä 100:an.

Todellisia vastusarvoja vastaavat arvot saat siirtämällä pilkun paikkaa. Esim 0.15 ohmia, 1.5 ohmia, 15 ohmia jne.

Eli jos haluat löytää lasketulle arvolle 175 ohmia lähimmän vastaavan, kerrot taulukon arvot 10:llä. Täten lähin vastaava on 180 ohmia.

Esimerkkejä vastusarvoista:

keltainen, violetti, oranssi ja hopea. 4 ja 7 kertaa 1000. 47 kilo-ohmia 10 prosentin toleranssilla.

punainen, punainen, ruskea ja hopea. 2 ja 2 kertaa 10. 220 ohmia 10 prosentin toleranssilla.

Ledi

Ledit ovat siis näitä hassuja vermeitä, jotka valaisevat, kun niiden tarvitsema kynnysjännite ylitetään. Ledejä löytyy useilla eri väreillä, valovoimakkuuksilla, halkaisijalla jne. varustettuna. Ledi vaatii aina etuvastuksen rajoittamaan sen kautta kulkevaa virtaa. Monesti näkee kytkentöjä, joissa tätä ei ole otettu huomioon. Tällöin ledi ei ole kovin pitkäikäinen ja monesti tämä aiheuttaa myös muulle kytkennälle toimintahäiriöitä. Vastusta mitoitettaessa tarvitaan siis ledin kynnysjännite ja virta. Poikkeuksena ovat niin sanotut vilkkuledit, joissa on sisällä rajoitus virtaa varten, joten ne eivät tarvitse etuvastusta. Yleisiä arvoja normaaleiden ledien kynnysjännitteille:

Virrat ovat yleensä luokkaa 20mA. Näitä on hyvä käyttää apuna, jos ei tiedä tarkkaa arvoa. Etuvastuksen laskemiseen käytetään Ohmin lakia, joka on esitelty artikkelin alussa.

Transistori

Transistoria käytetään vahvistamaan signaalia. Täten se soveltuu esimerkiksi sähköiseksi kytkimeksi, jolla ohjataan suurempaa virtaa. Yksinkertaistaen voi sanoa, että transistori on kuin virralla ohjattava vastus. Pienellä ohjausvirralla muutetaan vastuksen resistanssia, joka vaikuttaa tämän läpi kulkevaan suurempaan virtaan, jota ohjataan.

Transistoreja on kahta tyyppiä, PNP ja NPN. Yleisimmin käytetään NPN transistoria. Tällä transistorilla on hyvä ohjata esimerkiksi suurempaa määrää ledejä kuin suoralla kytkennällä pystyisi. Esimerkkinä kytkis, jolla voisi ohjata NPN transistorilla kuutta lediä emolevyn kovalevylediliittimestä.

Ledien etuvastuksen arvo lasketaan olettamalla, että ledin kynnysjännite on 1.6 volttia ja virta on 20 mA. Kolme lediä sarjassa, joten jännite on 4.8 volttia. Transistorinkin yli jää jonkin verran jännitettä, keskiarvona voi käyttää 0.3 volttia. Vastukselle jää 12 V - 4.8 V- 0.3 V = 6.9 V. Ledisarjoja kaksi rinnan, joten virta vastuksen yli on 20mA + 20mA = 40mA. Ohmin lakia käyttäen vastuksen arvon tulisi olla 6.9 V / 40 mA = 172.5 ohmia (180 ohmia). Tehoa vastuksen yli tulee kaavan P = U*I mukaan 6.9 V * 40mA = 0.276 wattia eli välttämättä ei enää se halvin vastus kelpaa, koska niillä on tehokesto vain sen neljänneswatin (0.25 wattia).

Esimerkkejä

Kaksi superkirkasta lediä rinnan

Tehdään kytkentä jossa laitetaan kaksi superkirkasta sinistä lediä rinnan ja kytketään ne viiden voltin linjaan. Tällä on sitten hyvä valaista näppäimistöä, Glowpadi, kopan sisusta jne.

Kynnysjännite ledeillä on 3.8 V ja virta 20 mA. Koska ledit ovat rinnan, niiden yli vaikuttaa sama jännite, mutta virta on kaksinkertainen eli 40 mA. Vastuksen yli vaikuttava jännite on tällöin 5 V - 3.8 V = 1.2 V. Vastuksen arvoksi tulee tällöin ohmin lain mukaisesti R = U/I. = 1.2 V / 0.04 A = 30 ohmia. Koska E-sarjassa ei ole tällaista vastusta, valitaan lähin sopiva, joka on 33 ohmia.