Dziś będziemy kontynuować poznawanie możliwości kondensatorów z wykorzystaniem nowo poznanych elementów – przełączników (o stykach możesz przeczytać tutaj).

W naszym zestawie mamy 2 przełączniki suwakowe, jednobiegunowe, potrójne, których działanie możemy symbolicznie przedstawić jako:

Ryc. 1 Symboliczne przedstawienie działania przełącznika jednobiegunowego, potrójnego.

Przyjrzyjmy się naszemu przełącznikowi – od spodu ma on 4 nóżki, z których jedna jest widocznie oddalona od pozostałych. To nóżka wspólna dla wszystkich pozycji przełącznika, dlatego oznaczyłam ją jako „com” (od ang. common – wspólne). Kolejne położone obok siebie nóżki to odpowiednio: L1, L2, L3. Suwak natomiast może przesuwać się prawo-lewo przyjmując 3 położenia, które oznaczyłam jako P1, P2, P3.

Ryc. 2 Przełącznik jednobiegunowy potrójny.

Czy da się jakoś sprawdzić badając przełącznik w konkretnym położeniu suwaka która nóżka: L1, L2, L3 jest zwarta z nóżką „com” ? Oczywiście! Weź omomierz, ustaw go na obojętnie jaki zakres, połącz jedną sondę do nóżki „com”, a drugą kolejno do wszystkich nóżek „L” – jeśli nóżka jest zwarta wyświetli się wartość rezystancji. W moim przypadku wyświetliła się wartość 69,4 gdyż przełącznik przesuwał się podczas wykonywania pomiaru i nie było pewnego styku aby omomierz zdążył wskazać wartość bliską 0 om.

Ryc. 3 Pomiar rezystancji pomiędzy zwartymi w pozycji P1 nóżkami „com” i „L1″.

pozycja P1 odpowiada połączeniu nóżki „com” z „L1″

pozycja P2 odpowiada połączeniu nóżki „com” z „L2″

pozycja P3 odpowiada połączeniu nóżki „com” z „L3″

 Tyle tytułem wstępu, teraz przejdźmy do takiego oto układu:

Ryc. 4 Obwód zbudowany ze źródła zasilania B1, przełącznika S1, kondensatora C1, rezystora R1 oraz diody LED D1.

S1 to przełącznik suwakowy jednobiegunowy, potrójny . Kondensator C1, to nadal nasz supercap (5,5V, 0,10F). Jako że potrzebuje on odpowiedniego napięcia bateria B1 to w rzeczywistości koszyk z trzema bateriami (o tym jak „przerobić” koszyk na 4 baterie, tak aby pracował z jednym slotem wolnym wyjaśniłam w poprzedniej lekcji).  Dioda D1 to czerwona dioda LED (preferowane natężenie 20mA oraz napięcie rzędu 2,1V), a wartość rezystora R1 jak zwykle trzeba obliczyć (w celach rachunkowych przyjmijmy, że układ zbudowany jest jedynie z baterii, rezystora i diody):

Ryc. 5 Przykładowy sposób połączenia na płytce stykowej podzespołów elektronicznych: S1 – przełącznik; R1 – rezystor; D1 – dioda; C1 – super kondensator.

Jeśli Wasz  kondensator zdążył zgromadzić wystarczająco  dużo ładunku, to mimo odłączenia baterii od układu  dioda LED przez jakiś czas będzie świecić, aż zgaśnie z powodu zbyt niskiej wartości prądu w obwodzie.

Ryc. 6 Obwód elektroniczny zbudowany na płytce stykowej zgodnie ze schematem z ryc. 3.

Co stanie się gdy przełącznik suwakowy przełączymy z pozycji P1 do pozycji P2? Widzimy, że dioda świeci, a co dzieje się z kondensatorem. Weź do ręki woltomierz i przez chwilę pomierz napięcie na supercapie – na pewno zauważysz że napięcie rośnie. Wynika z tego tyle, że  prąd płynący z baterii przechodzi przez przełącznik suwakowy i rozdziela się – część płynie do gałęzi z kondensatorem, część zaś do gałęzi z rezystorem i diodą.

Ryc. 7 Pomiar napięcia na super kondensatorze.

Teraz rozłącz przełącznik S1 przesuwając suwak z pozycji P2 na pozycję P1 lub P3. Dioda świeci nadal, a co z napięciem na kondensatorze? Jeśli choć przez chwilę dokonasz pomiarów woltomierzem na supercapie na pewno zauważysz, że napięcie spada. Oznacza to, że gdy odłączymy źródło napięcia jakim jest bateria B1, kondensator, rezystor i dioda stworzą zamknięty układ, w którym prąd płynie od supercapa, przez rezystor i diodę z powrotem do kondensatora.

Różny przebieg prądu w układzie z podłączonym lub odłączonym źródłem napięcia B1, przedstawiają poniższe schematy:

Ryc. 8 Schemat z zaznaczonym kierunkiem przepływu prądu (czarne strzałki na liniach obwodu), po dołączeniu źródła napięcia B1 poprzez zwarcie przełącznika S1.

Ryc. 9 Schemat z zaznaczonym kierunkiem przepływu prądu (czarne strzałki na liniach obwodu), po odłączeniu źródła napięcia B1 poprzez rozwarcie przełącznika S1.

Do tej pory we wszystkich układach, w których pojawiał się kondensator, używaliśmy jako źródła napięcia koszyka z trzema bateriami, które dawały napięcie 4,5V. Czy na podstawie zdobytej już wiedzy do powyższego układu można w jakiś sposób podłączyć koszyk z 4 bateriami ograniczając jego napięcie, tak aby nie uszkodzić żadnego z elementów układu?

Do tego celu posłużą nam 2 rezystory z których zbudujemy dzielnik napięcia. Z wcześniejszych lekcji wiemy, że łącząc 2 rezystory szeregowo na każdym z nich wystąpi jakiś spadek napięcia – wykorzystajmy to!

Na początek przyjrzyjmy się takiemu oto prostemu układowi:

Ryc. 10 Schemat układu w którym do źródła napięcia B1 połączono szeregowo dwa rezystory R1 i R2.

Do źródła napięcia B1 podłączono szeregowo 2 rezystory: R1 i R2. Przyjmijmy teraz, że bateria B1 to nasz koszyk z czterema bateriami, natężenie prądu w obwodzie to 80mA, a spadki rezystancji na rezystorach wynoszą odpowiednio: 1,5V na rezystorze R1 oraz 4,5V na rezystorze R2 (o tym dlaczego przyjęliśmy takie dane napiszę później). Obliczmy rezystancję rezystorów R1 i R2:

R₁ = U₁ / I                                      R₂ = U2 / I

R₁ = 1,5V / 80mA                            R₂ = 4,5V/80mA

R₁ = 18,75Ω                                    R₂ = 56,25Ω

Rezystorów o takich rezystancjach nie ma w naszym zestawie, ale możemy użyć zbliżonych wartości: rezystor R1 będzie miał rezystancję 22Ω, a za rezystor R2 posłużą nam dwa rezystory 47Ω (R2) i 10Ω(R3). Zbudujmy taki układ na płytce stykowej, ale uwaga: zasilanie podłącz jedynie na krótką chwilkę, tylko aby zaobserwować że nóżki rezystorów robią się gorące!

Ryc. 11 Schemat obwodu elektronicznego zbudowanego ze źródła napięcia B1 oraz trzech rezystorów R1, R2, R3.

Ryc. 12 Obwód elektroniczny zbudowany ze źródła napięcia i rezystorów R1 – 22R; R2 – 47R; R3 – 10R.

Co się dzieje w naszym układzie? Przeliczmy układ od początku, chociażby po to aby przećwiczyć obliczanie obwodów elektronicznych :)

• rezystancja całkowita obwodu:

R = 22Ω + 47Ω + 10Ω

R = 79Ω

• prąd:

I = U_B1 / R

I = 6V / 79Ω

I = 76mA

• spadek napięcia na każdym z rezystorów:

U_R1 = R₁ x I                     U_R2 = R₂ x I                           U_R3 = R₃ x I

U_R1 = 22Ω x 76mA              U_R2 = 47Ω x 76mA                 U_R3 = 10Ω x 76mA

U_R1 = 1,67V                       U_R2 = 3,57V                            U_R3 = 0,76V

(przypominam, że wyniki wyszły zgodne z drugim prawem Kirchoffa: U1 + U2 + U3 = U_B1)

• moc wydzielana na każdym z rezystorów:

P_R1 = U₁ x I                         P_R2 = U₂ x I                       P_R3 = U₃ x I

P_R1 = 1,67V x 76mA              P_R2 = 3,57V x 76mA             P_R3 = 0,76V x 76mA

P_R1 = 0,13W                        P_R2 = 0,27W                            P_R3 = 0,06W

Moc wydzielana na rezystorze R2 wynosi aż 0,27W, a jego moc znamionowa to jedynie 0,25W! Spokojnie, jeśli układ podłączyłeś tylko na małą chwilkę rezystorowi nic się nie stało, ale gdybyś podłączył układ na dłużej mógłby on się spalić. Taki stan rzeczy nie jest też obojętny dla baterii – szybciej się rozładowuje.

Ryc. 13 Schemat układu w którym do źródła napięcia B1 podłączono dwa rezystory R1 i R2.

Wnioski są takie, że prąd ok. 80mA w obwodzie to jednak za dużo… może więc 40mA będzie dobrze? Przeliczmy powyższy układ od początku. Znów mamy koszyk baterii dostarczający napięcie UB1 = 6V, dwa rezystory R1 i R2 na których spadki rezystancji wynoszą odpowiednio: 1,5V na rezystorze R1 oraz 4,5V na rezystorze R2, prąd w obwodzie I = 40mA. Obliczenia są analogiczne do powyższego przypadku, więc podam jedynie gotowe rozwiązania (Ty w ramach ćwiczeń możesz dojść do nich samodzielnie): R1 = 37,5Ω; R2 = 112,5Ω

Znów nie mamy w zestawie rezystorów o takich rezystancjach, dlatego zamiast 37,5Ω przyjmijmy 2 x 22Ω, a zamiast 112,5Ω przyjmijmy 100Ω i 10Ω.

Ryc. 14 Schemat układu w którym do źródła napięcia B1 podłączono 4 rezystory: R1, R2, R3, R4.

Przeliczmy układ, ale biorąc pod uwagę rzeczywiste wartości: napięcia baterii i rezystancji rezystorów. Poniżej podam moje gotowe obliczenia:

• rezystancja całkowita obwodu: R = 155,9Ω;
• prąd: I = 41mA;
• spadek napięcia na każdym z rezystorów: U_R1 = 0,93V; U_R2 = 0,94V; U_R3 = 4,07V; U_R4 = 0,45V;
• moc wydzielana na każdym z rezystorów: P_R1 = 0,04W; P_R2 = 0,04W; P_R3 = 0,17W; P_R4 = 0,02W.

W tym układzie prąd nie jest duży, a moc wydzielana na żadnym z rezystorów nie przekracza dopuszczalnej wartości 0,25W – ten układ możemy spokojnie złożyć na płytce stykowej!

Ryc. 15 Obwód elektroniczny zbudowany ze źródła napięcia B1 i szeregowo połączonych rezystorów: R1 – 22R; R2 – 22R; R3 – 100R; R4 – 10R.

Wróćmy do naszego układu z ryc 4, gdybyśmy podłączyli go za drugim rezystorem do dodanej części układu trafiłoby napięcie w wysokości ok. 4,5V (dokładna wartość zależy od napięcia waszej baterii i rzeczywistej rezystancji użytych rezystorów), czyli w sam raz!

Ryc. 16 Układ elektroniczny zbudowany ze źródła napięcia B1, rezystorów R1, R2, R3, R4, R5, przełącznika S1, super kondensatora C1 i diody LED D1.

Tak właśnie działa dzielnik napięcia – do źródła napięcia podłączone są szeregowo co najmniej 2 rezystory (u nas 4 rezystory: R1, R2, R3, R4). Z drugiego prawa Kirchoffa pamiętamy, że suma spadków napięć na nich będzie równa z napięciem źródła zasilania (U_B1 = U_R1 + U_R2 + U_R3 + U_R4). Jeśli za co najmniej pierwszym rezystorem (u nas za R2) podepniemy dodatkową gałąź otrzyma ono: napięcie źródła zasilania minus spadek napięć na rezystorach połączonych szeregowo położonych przed naszą nową gałęzią (u nas U_B1 – U_R1 – U_R2).

Na pewno zauważyliście, że w stosunku do schematu z ryc. 4 jeden z rezystorów zmienił położenie – najpierw znajdował się tuż przed diodą, a teraz jest tuż za przełącznikiem S1. Funkcją rezystora R5 zyskał bowiem nową funkcję, jego zadaniem jest kierowanie do tej części układu prądu o odpowiedniej wartości.

Wiemy, że czerwona dioda LED najlepiej się „czuje” gdy dostarczymy do niej natężenie 20mA. Musicie jednak wiedzieć o pewnej zasadzie projektowania dzielników napięcia – prąd w dzielniku powinien być co najmniej 4 razy wyższy (najlepiej 10 razy większy) niż w kolejnej części układu. Dlatego też, aby dostarczyć diodzie prąd w wartości 20mA w dzielniku musiałoby być natężenie w wysokości 80mA, a my już przecież wiemy, że to za dużo (z uwagi na zbyt dużą moc wydzielaną na rezystorach). No trudno, nie damy rady dostarczyć diodzie natężenia 20mA, więc może chociaż 10mA – dioda będzie świecić słabiej.

Ryc. 17 Schemat z zaznaczonym kierunkiem przepływu prądu (czarne strzałki na liniach obwodu) przy zwartym przełączniku S1.

Jak to zrobić? Należy odpowiednio dobrać rezystor R5:

R₅ = (U_B1 – U_R1 – U_R2-U_D1) / I₁

R₅ = (6,38V – 0,93V – 0,94V-2,1V) / 10mA

R₅ = 241Ω

Znów nie mamy rezystora o takiej rezystancji, zamiast tego użyję 220Ω.

Ryc. 18 Układ zbudowany z 4 rezystorów (22R, 22R, 100R, 10R) tworzących dzielnik napięcia, przełącznika, rezystora 200R, czerwonej diody LED i super kondensatora.

Podłączcie cały układy zgodnie ze schematem z ryc. 17 i zbadajcie jak zachowuje się układ gdy przełącznik jest zwarty/rozwarty, jak świeci dioda LED, kiedy kondensator się ładuje lub rozładowuje.

Ostatnie już zagadnienie na dziś – najprostszy model podwajacza napięcia (wersja z ręcznie przełączaną baterią – w tej wersji układu nie zastosowałam jeszcze diod – o tym na późniejszej lekcji).

Ryc. 19 Schemat zbudowany z dwóch kondensatorów: C1 i C2, przełącznika S1, rezystora R1, diody LED D1 oraz przyłączanego osobno źródła napięcia B1.

Źródłem napięcia B1 jest nasz koszyk z 4 bateriami. Kondensatory C1 i C2 to elektrolity 6,3V, 1000uF. S1 to przełącznik, dioda D1 to czerwona dioda LED (natężenie 20mA, napięcie 2,1V). Rezystor R1 jak zwykle trzeba obliczyć. Zaczniemy jednak od zmierzenia rzeczywistego napięcia naszej baterii B1 – u mnie to 6,25V. Kondensatory zmagazynują ładunek elektryczny podwajając to napięcie: 2 x 6,25V = 12,5V

R₁ = U_C1+C2 – U_D1 / I

R₁ = 12,5V – 2,1V / 20mA

R₁ = 10,4 / 20mA

R₁ = 520Ω

W miejsce rezystora R1 użyję dwóch rezystorów: R1 – 470Ω i R2 – 100Ω.

Zanim zbudujemy nasz układ na płytce stykowej jeszcze tylko jedna uwaga – jak podłączyć kondensator elektrolityczny? Gdzie jest nóżka plusowa, a gdzie minusowa? Odpowiedź znajdziecie uważnie przyglądając się jego obudowie – przy jednej z nóżek widać biały pasek –  oznaczenie nóżki minusowej. To jest zasadą przy oznaczaniu biegunowości kondensatorów elektrolitycznych. Pamiętajcie, że to bardzo ważne, aby nie podłączyć kondensatora odwrotnie!

Ryc. 20 Kondensator elektrolityczny widoczny: a) ze strony opisującej jego parametry; b) od strony białego paska oznaczającego nóżkę minusową.

Jak działa powyższy układ?

• ładujemy kondensator C2 – wystarczy przewody baterii przyłożyć na krótką chwilkę – ten kondensator w porównaniu do wykorzystywanego super kondensatora ma bardzo małą pojemność (1000uF = 1mF = 0,001F), a poza tym prąd podczas ładowania nie przechodzi przez żaden rezystor:

Ryc. 21 Schemat układu w którym źródło zasilania zostało podłączone tak, aby naładować kondensator C2; kierunek przepływu prądu zaznaczają czarne strzałki na liniach obwodu.

Ryc. 22 Obwód połączony na płytce stykowej, w którym źródło zasilania zostało przyłączone tak aby naładować jeden z kondensatorów.

• ładujemy kondensator C1 – tu też wystarczy krótka chwilka:

Ryc. 23 Schemat układu w którym źródło zasilania zostało podłączone tak, aby naładować kondensator C1; kierunek przepływu prądu zaznaczają czarne strzałki na liniach obwodu.

Ryc. 24 Obwód połączony na płytce stykowej, w którym źródło zasilania zostało przyłączone tak aby naładować jeden z kondensatorów.

• odłączamy źródło napięcia B1 i zwieramy przełącznik S1 – dioda pali się bardzo krótko, ponieważ pojemność kondensatorów jest mała

Ryc. 25 Schemat układu w którym źródłem napięcia są dwa kondensatory C1 i C2; przycisk S1 jest zwarty; kierunek przepływu prądu zaznaczają czarne strzałki na liniach obwodu.

Ryc. 26 Obwód połączony na płytce stykowej – źródłem napięcia są dwa kondensatory elektrolityczne, przełącznik jest zwarty tak aby przepływający prąd przez rezystory dotarł do diody.

Każdy z kondensatorów zmagazynował ładunek po podłączeniu go do baterii stając się źródłem napięcia o wartości zbliżonej do napięcia baterii. Po załączeniu przełącznika S1 dioda zasilana jest  napięciem ok. 12V. Oporniki zachowały się jak przewężenie w układzie dla przepływającego prądu zmniejszając jego wartość, tak aby nie uszkodził on diody LED. Niestety ze względu na małą pojemność kondensatorów dioda zapaliła się jedynie na krótką chwilę.

W ten sposób poznaliśmy działanie bardzo prostego i ręcznie przełączanego podwajacza napięcia. W przyszłości, gdy poznamy inne elementy elektroniczne wrócimy do tego tematu. Pokażę Wam wtedy jak zbudować bardziej skomplikowany, a przy tym bardziej funkcjonalny podwajacz napięcia.