Această activitate de laborator prezintă relația dintre tensiune, curent și rezistență. Sunt explicate legea lui Ohm și modul în care aceasta poate fi utilizată pentru înțelegerea circuitelor electrice, iar conceptele prezentate sunt ilustrate printr-un experiment simplu.
Noțiuni de bază despre electricitate
Atunci când începem să explorăm electricitatea și ingineria electrică, este util să pornim de la înțelegerea relațiilor fundamentale dintre tensiune, curent și rezistență.
Nu putem vedea cu ochiul liber curentul electric care circulă printr-un conductor și nici tensiunea unei baterii așezate pe masă. Chiar și în cazul unui fulger, ceea ce vedem nu este energia electrică propriu-zisă, ci lumina produsă în urma încălzirii și ionizării aerului străbătut de descărcarea electrică.
Pentru a observa și analiza fenomenele electrice sunt necesare instrumente de măsurare, precum multimetrele, osciloscoapele și analizoarele de spectru. Acestea ne permit să vizualizăm și să înțelegem comportamentul semnalelor electrice dintr-un sistem.
Sarcina electrică
Electricitatea este asociată cu prezența și mișcarea sarcinilor electrice. Becurile, ventilatoarele, aparatele radio, telefoanele mobile și numeroase alte dispozitive utilizează energia electrică pentru a îndeplini diferite funcții.
Cele trei mărimi fundamentale prezentate în această activitate pot fi explicate pornind de la noțiunea de sarcină electrică:
- Tensiunea electrică reprezintă diferența de potențial electric dintre două puncte. Aceasta indică energia disponibilă pentru deplasarea sarcinilor electrice între punctele respective.
- Curentul electric reprezintă cantitatea de sarcină electrică ce traversează un conductor într-un anumit interval de timp.
- Rezistența electrică exprimă măsura în care un material sau o componentă se opune trecerii curentului electric. Materialele cu rezistență electrică foarte mică se numesc conductoare, iar cele cu rezistență foarte mare se numesc izolatoare.
Un circuit electric este un traseu închis care permite deplasarea sarcinilor electrice. Componentele circuitului ne ajută să controlăm curentul și să utilizăm energia electrică pentru a produce efecte utile, precum lumină, căldură, mișcare sau sunet.
Georg Ohm a fost un fizician bavarez care a studiat relația dintre tensiune, curent și rezistență. Legea care îi poartă numele descrie legătura dintre aceste trei mărimi electrice fundamentale.
Tensiunea electrică
Tensiunea electrică reprezintă diferența de potențial electric dintre două puncte ale unui circuit. Altfel spus, ea indică diferența de energie potențială electrică pe unitatea de sarcină dintre cele două puncte.
Tensiunea se măsoară în volți (V). Un volt corespunde unei diferențe de potențial de un joule pentru fiecare coulomb de sarcină electrică: 1 V = 1 J/C
Pentru a explica mai ușor relația dintre tensiune, curent și sarcină electrică, este utilizată frecvent analogia unui rezervor cu apă. În această analogie:
Cantitatea de apă = Sarcina electrică
Diferența de presiune = Tensiunea electrică
Debitul apei = Curentul electric
Să considerăm un rezervor cu apă amplasat la o anumită înălțime, la baza căruia este conectat un furtun. Apa din rezervor poate fi comparată cu sarcina electrică, iar presiunea de la capătul furtunului poate fi comparată cu tensiunea electrică.
Cu cât nivelul apei din rezervor este mai ridicat, cu atât presiunea exercitată la baza acestuia este mai mare. În mod similar, o diferență de potențial mai mare poate determina deplasarea sarcinilor electrice printr-un circuit.
Rezervorul poate fi comparat, într-o anumită măsură, cu o baterie, deoarece ambele sisteme stochează energie care poate fi eliberată ulterior. Pe măsură ce apa este evacuată și nivelul din rezervor scade, presiunea la capătul furtunului se reduce. În aceleași condiții și utilizând același furtun, presiunea mai mică va determina și un debit mai redus.
Această situație poate fi asociată, în mod simplificat, cu scăderea tensiunii unei baterii pe măsură ce aceasta se descarcă, fenomen observabil, de exemplu, atunci când lumina unei lanterne devine treptat mai slabă.
Curentul electric
Cantitatea de apă care curge prin furtun într-un anumit interval de timp poate fi comparată cu intensitatea curentului electric. Pentru aceleași condiții, o diferență de presiune mai mare determină un debit mai mare, iar o diferență de presiune mai mică determină un debit mai redus. În cazul apei, debitul indică volumul de apă care trece printr-un anumit punct într-un interval de timp. În cazul electricității, curentul reprezintă cantitatea de sarcină electrică ce traversează un punct al circuitului într-un anumit interval de timp.
Curentul electric se măsoară în amperi (A). Un amper corespunde trecerii unui coulomb de sarcină electrică printr-un punct al circuitului într-o secundă: 1 A = 1 C/s
Un coulomb corespunde, aproximativ, sarcinii electrice a 6,24 × 10¹⁸ electroni.
Să considerăm acum două rezervoare identice, în care nivelul apei este același. La fiecare rezervor este conectat câte un furtun, însă unul dintre furtunuri are un diametru mai mic decât celălalt.
Deoarece nivelul apei este același, diferența de presiune disponibilă la baza celor două rezervoare este similară. Atunci când apa începe să curgă, furtunul mai îngust se opune într-o măsură mai mare trecerii apei și, în consecință, prin acesta va circula un debit mai mic.
În analogia electrică, furtunul mai îngust corespunde unei rezistențe electrice mai mari. Pentru aceeași tensiune, o rezistență mai mare determină un curent mai mic.
Rezistența în analogia cu apa
Pentru a obține același debit prin furtunul mai îngust, ar fi necesară o diferență de presiune mai mare. În mod similar, pentru a obține același curent printr-o rezistență mai mare, este necesară aplicarea unei tensiuni mai mari. Analogia poate fi rezumată astfel:
Cantitatea de apă = Sarcina electrică
Diferența de presiune = Tensiunea electrică
Debitul apei = Curentul electric
Rezistența la curgere a furtunului = Rezistența electrică
Diametrul furtunului influențează rezistența la curgere: un furtun mai îngust prezintă o rezistență mai mare, iar unul mai larg, o rezistență mai mică.
Rezistența electrică
Să revenim la cele două rezervoare cu același nivel al apei, unul prevăzut cu un furtun îngust, iar celălalt cu un furtun mai larg.
La aceeași diferență de presiune, prin furtunul îngust nu poate trece același debit de apă ca prin cel larg. Furtunul îngust opune o rezistență mai mare curgerii apei, chiar dacă presiunea disponibilă este aceeași în ambele cazuri.
În termeni electrici, situația poate fi comparată cu două circuite alimentate la aceeași tensiune, dar având rezistențe diferite. Prin circuitul cu rezistența mai mare va circula un curent mai mic.
Unitatea de măsură a rezistenței electrice este ohmul (Ω). Un conductor are o rezistență de 1 Ω atunci când aplicarea unei tensiuni de 1 V între capetele sale determină circulația unui curent de 1 A.
Legea lui Ohm
Relația dintre tensiune, curent și rezistență este exprimată prin formula: V = I × R
Unde:
V = tensiunea, exprimată în volți (V)
I = curentul, exprimat în amperi (A)
R = rezistența, exprimată în ohmi (Ω)
Această relație este cunoscută sub numele de legea lui Ohm.
De exemplu, într-un circuit cu o rezistență de 1 Ω, prin care circulă un curent de 1 A, tensiunea este: 1 V = 1 A × 1 Ω
Revenind la analogia cu apa, să presupunem că diferența de presiune disponibilă corespunde unei tensiuni de 1 V, iar furtunul larg prezintă o rezistență echivalentă cu 1 Ω. Aplicând legea lui Ohm, rezultă un curent de 1 A: 1 A = 1 V / 1 Ω
Să analizăm acum cazul furtunului mai îngust. Deoarece acesta opune o rezistență mai mare curgerii apei, vom considera că rezistența sa este de 2 Ω. Dacă tensiunea rămâne aceeași, ecuația devine: 1 V = I × 2 Ω
Pentru a determina curentul, împărțim tensiunea la rezistență: I = 1 V / 2 Ω = 0,5 A
Rezultatul confirmă faptul că, la aceeași tensiune, printr-o rezistență mai mare circulă un curent mai mic.
Legea lui Ohm permite determinarea oricăreia dintre cele trei mărimi – tensiune, curent sau rezistență – atunci când celelalte două sunt cunoscute.
Să demonstrăm printr-un experiment
În cadrul acestui experiment vom aprinde o diodă emițătoare de lumină, cunoscută sub denumirea de LED.
LED-urile trebuie protejate prin limitarea curentului care circulă prin ele. Depășirea curentului maxim admis poate deteriora sau chiar distruge componenta. Fișa tehnică a unui LED indică, de regulă, curentul direct maxim și valoarea recomandată pentru funcționarea normală. Pentru acest experiment vom utiliza ieșirea de alimentare de 5 V a modulului ADALM2000.
Materiale necesare
- Modulul de învățare activă ADALM2000
- Placă de testare fără lipire (breadboard) și un set de fire de conexiune
- Un LED – terminalul mai lung este, de regulă, anodul (+), iar cel mai scurt este catodul (–)
- Un rezistor
NOTĂ: LED-urile sunt componente neohmice. Aceasta înseamnă că relația dintre tensiunea aplicată și curentul care circulă prin ele nu este liniară și nu poate fi descrisă direct numai prin relația V = I × R. LED-ul este un tip special de diodă și prezintă o anumită cădere de tensiune directă, indicată în fișa sa tehnică. În cazul unui LED roșu, aceasta este, în mod obișnuit, de aproximativ 1,8 V până la 2,2 V. Pentru acest experiment introductiv vom utiliza o estimare simplificată și conservatoare pentru alegerea rezistorului, astfel încât curentul prin LED să rămână cu mult sub valoarea maximă de 20 mA.
Figura 1: Circuit pentru alimentarea unui LED de la o sursă de 5 V. (Sursă: ADI)
De ce este necesar rezistorul
În acest exemplu, ieșirea V+ a modulului ADALM2000 este configurată la 5 V și se utilizează un LED roșu al cărui curent maxim admis este de 20 mA, adică 0,020 A.
Pentru o funcționare sigură, vom urmări un curent mai mic, de cel mult 18 mA, adică 0,018 A.
LED-ul nu trebuie conectat direct la sursa de alimentare. Fără un rezistor de limitare, curentul ar fi determinat numai de rezistențele interne foarte mici ale LED-ului, conductoarelor și sursei de alimentare. În consecință, prin LED ar putea circula un curent mult mai mare decât cel admis, ceea ce ar conduce la deteriorarea sa.
Prin urmare, în circuit trebuie introdus un rezistor conectat în serie cu LED-ul.
Conexiunile circuitului sunt prezentate în Figura 1.
Calcularea rezistorului de limitare
Legea lui Ohm poate fi utilizată pentru estimarea valorii rezistorului: V = I × R
Reorganizând ecuația pentru determinarea rezistenței, obținem: R = V / I
Într-un calcul simplificat și conservator, putem considera întreaga tensiune de alimentare de 5 V ca fiind aplicată rezistorului: R = 5 V / 0,018 A
Rezultă: R ≈ 278 Ω
Prin urmare, este necesar un rezistor cu o valoare de cel puțin 278 Ω pentru a menține curentul sub limita stabilită în această estimare simplificată. Valoarea de 278 Ω nu este una uzuală în seriile standard de rezistoare. Pentru acest experiment vom utiliza un rezistor de 470 Ω, disponibil în kitul de componente ADALP2000. Codul său de culori este: galben – violet – maro.
Alegerea unei valori mai mari reduce suplimentar curentul și protejează LED-ul.
Nota redacției:
Calculul de mai sus reprezintă o estimare simplificată și conservatoare, în care întreaga tensiune de alimentare este considerată ca fiind aplicată rezistorului. În circuitul real, tensiunea de 5 V se distribuie între LED și rezistor. Un LED roșu prezintă, în mod obișnuit, o cădere de tensiune de aproximativ 2 V, iar diferența de aproximativ 3 V se regăsește la bornele rezistorului. În acest caz, curentul prin circuit poate fi estimat astfel: I = (5 V – 2 V) / 470 Ω ≈ 6,4 mA. Această valoare este suficientă pentru aprinderea LED-ului și rămâne cu mult sub limita sa maximă.
Figura 2: Montajul circuitului de alimentare a LED-ului pe o placă de testare fără lipire. (Sursă: ADI)
Figura 2 prezintă circuitul asamblat pe placa de testare.
Verificarea circuitului
Conectați circuitul la ieșirea pozitivă de 5 V a modulului ADALM2000. Valoarea rezistorului este suficient de mare pentru a limita curentul la un nivel sigur, dar permite în același timp aprinderea vizibilă a LED-ului.
Dacă LED-ul nu se aprinde, verificați orientarea acestuia:
- anodul (+) trebuie conectat către sursa pozitivă prin intermediul rezistorului;
- catodul (–) trebuie conectat către masă.
Montajul format dintr-un LED și un rezistor de limitare a curentului este întâlnit foarte frecvent în electronică. Legea lui Ohm permite alegerea valorii rezistorului necesar pentru stabilirea unui curent sigur prin circuit.
Rezistorul înainte sau după LED?
Pentru a extinde puțin experimentul, mutați rezistorul de limitare a curentului de cealaltă parte a LED-ului. Circuitul va funcționa în același mod, indiferent dacă rezistorul este conectat înainte sau după LED, după cum se observă în Figura 3.
Figura 3: Circuite cu LED-uri în care pozițiile componentelor au fost inversate. (Sursă: ADI)
Pentru cei care încep să studieze electronica, poate părea surprinzător faptul că rezistorul de limitare a curentului poate fi amplasat de oricare parte a LED-ului fără a modifica funcționarea circuitului.
Inversați pozițiile rezistorului și LED-ului în montaj. LED-ul se aprinde cu aceeași luminozitate în ambele configurații?
De ce poziția rezistorului nu contează
Explicația este că LED-ul și rezistorul sunt conectate în serie. Într-un circuit serie, același curent traversează toate componentele. Prin urmare, rezistorul limitează curentul prin întregul circuit, indiferent dacă este amplasat înainte sau după LED.
Pentru a înțelege mai ușor, să revenim la analogia cu apa. Imaginați-vă o conductă care formează o buclă închisă, în care o pompă menține apa în circulație. Dacă într-un punct al conductei este montată o supapă și aceasta este închisă complet, curgerea apei se oprește în întreaga buclă, nu doar în apropierea supapei.
Dacă supapa este deschisă doar parțial, aceasta limitează debitul în întreaga conductă, indiferent de locul în care este montată. Apa nu se acumulează continuu în spatele supapei. În schimb, presiunea este mai mare în zona dintre ieșirea pompei și supapă și mai mică în zona dintre supapă și intrarea pompei.
În această analogie, pompa corespunde sursei de tensiune, iar supapa corespunde rezistorului care limitează debitul. Poziția supapei în bucla închisă nu modifică debitul general al apei.
Analogia este, desigur, simplificată. În circuitul prezentat, rezistorul poate fi amplasat în oricare dintre cele două poziții, înainte sau după LED și își va îndeplini aceeași funcție de limitare a curentului.
O explicație mai riguroasă poate fi formulată cu ajutorul legii tensiunilor lui Kirchhoff (Kirchhoff’s Voltage Law – KVL). Aceasta afirmă că suma algebrică a tuturor creșterilor și căderilor de tensiune dintr-o buclă închisă este egală cu zero.
Figura 4: Schema de conectare pentru măsurarea tensiunilor reale din circuit. (Sursă: ADI)
Astfel, tensiunea furnizată de sursă este egală cu suma căderilor de tensiune pe LED și pe rezistor, indiferent de ordinea în care cele două componente sunt conectate în circuit.
Pentru informații suplimentare și exerciții practice bazate pe KVL, consultați cursul Electronics I oferit de ADI.
Măsurarea tensiunii și a curentului real
Modulul ADALM2000 dispune de două canale de intrare care pot fi utilizate pentru măsurarea tensiunilor din circuit. Conectați-le conform schemei din Figura 4.
Canalul 1 este configurat pentru măsurarea tensiunii reale furnizate de sursa de alimentare de 5 V, iar Canalul 2 măsoară tensiunea la anodul LED-ului față de masă.
Realizați conexiunile pe placa de testare conform Figurii 5.
Figura 5: Conexiunile realizate pe placa de testare pentru măsurarea tensiunilor din circuit. (Sursă: ADI)
Deschideți instrumentul Voltmeter din aplicația Scopy. Interfața acestuia este prezentată în Figura 6.
Apăsați butonul verde Run pentru a începe măsurarea. Valorile tensiunilor din circuit vor fi afișate în interfața instrumentului. Canalul 1 va indica tensiunea reală a sursei de alimentare (VCH1), care ar trebui să fie apropiată de 5 V. Canalul 2 va indica tensiunea directă (VCH2) pe LED. În acest exemplu, au fost măsurate aproximativ 4,96 V pentru sursa de alimentare și 1,84 V pe LED. Tensiunea pe rezistor se determină calculând diferența dintre cele două valori:
VR = VCH1 – VCH2
VR = 4,96 V – 1,84 V = 3,12 V
Putem utiliza apoi legea lui Ohm pentru calcularea curentului care circulă prin rezistor și, implicit, prin LED: I = VR / R
Figura 6: Interfața instrumentului Voltmeter din Scopy. (Sursă: ADI)
Introducând valorile măsurate:
I = 3,12 V / 470 Ω
I ≈ 0,0066 A
sau:
I ≈ 6,6 mA
Deoarece LED-ul și rezistorul sunt conectate în serie, prin ambele componente circulă același curent.
Întrebări
- Cum protejează un rezistor de limitare a curentului un LED și cum poate fi calculată valoarea corespunzătoare a rezistorului cu ajutorul legii lui Ohm?
- De ce rezistorul de limitare a curentului poate fi amplasat înainte sau după LED, păstrând același efect asupra curentului din circuit?
Răspunsurile pot fi consultate pe blogul StudentZone al Analog Devices.
Autor: Antoniu Miclaus, ADI
Despre autor:
Antoniu Miclaus este inginer software la Analog Devices, unde lucrează la dezvoltarea de software embedded pentru Linux și de drivere fără sistem de operare. De asemenea, este implicat în programele academice ADI, automatizarea proceselor de control al calității și managementul proceselor.
S-a alăturat companiei Analog Devices în februarie 2017, în cadrul echipei din Cluj-Napoca, România. Deține o diplomă de master în inginerie software, obținută la Universitatea Babeș-Bolyai, și o diplomă de inginer în electronică și telecomunicații, obținută la Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca.
Vizitați https://ez.analog.com
Glosar de termeni
ADALM2000 – Modul portabil de învățare activă dezvoltat de Analog Devices, care integrează instrumente pentru generarea și măsurarea semnalelor electrice.
Breadboard – Placă de testare fără lipire, utilizată pentru realizarea rapidă a circuitelor electronice experimentale.
Cădere de tensiune – Diferența de potențial electric măsurată la bornele unei componente traversate de curent.
Circuit serie – Circuit în care componentele sunt conectate succesiv și sunt traversate de același curent.
Scopy – Aplicație software utilizată împreună cu ADALM2000 pentru controlul instrumentelor virtuale și vizualizarea măsurătorilor.