075 – Asamblare circuit electric

Orice dispozitiv electronic construit vreodată începe ca o buclă: o sursă, un conductor și ceva care limitează curentul. O placă de test (breadboard) este modalitatea standard de a realiza temporar acea buclă, fără lipire, astfel încât un design să poată fi testat, măsurat și modificat în câteva minute. Este unealta cu care începe fiecare laborator de electronică, banc de prototipare și curs universitar, și motivul pentru care un produs modern poate trece de la o schiță la un circuit funcțional într-o după-amiază.

Două reguli guvernează tot ceea ce se măsoară pe o astfel de buclă. Legea lui Ohm, V = IR, leagă curentul printr-o componentă de tensiunea de la bornele acesteia. Regula buclei a lui Kirchhoff afirmă că tensiunile dintr-o buclă închisă oarecare trebuie să se însumeze la zero — energia furnizată fiecărei sarcini electrice de către sursă este redată în întregime componentelor prin care trece. Împreună, ele au o consecință utilă: într-o singură buclă, curentul este același pretutindeni, astfel încât componentele în serie își împart tensiunea de alimentare proporțional cu rezistențele lor. Asta este suficient pentru a afla valoarea unei componente pe care nu o poți citi, folosind doar un voltmetru și un singur rezistor a cărui valoare o cunoști.

În acest laborator veți conecta o sursă de alimentare la o placă de test (breadboard), veți construi un circuit serie care conține un rezistor cunoscut și un rezistor misterios ale cărui marcaje au fost șterse, veți salva o diagramă a ceea ce ați construit și apoi veți măsura o singură tensiune cu un multimetru. Din acea singură citire, tensiunea de alimentare și rezistența cunoscută, veți calcula curentul din circuit, căderea de tensiune pe rezistorul misterios și, în final, rezistența acestuia – un primul exercițiu de obținere a unei mărimi pe care nu o puteți măsura direct din mărimi pe care le puteți măsura.

Obiective educaționale

Înțelegerea componentelor și a plăcii de test (breadboard)

• Un breadboard oferă o metodă de a construi circuite temporare fără a fi nevoie de lipire, pericolul fiind evitat prin conectarea ușoară a componentelor. O sursă de alimentare de laborator furnizează o tensiune și un curent electric reglabile pentru a alimenta circuitul. Un rezistor limitează fluxul de curent electric și controlează nivelul tensiunii în diferite părți ale circuitului. Un multimetru măsoară mărimi electrice precum tensiunea, curentul și rezistența în cadrul circuitului.
• Citește conexiunile interne ale plăcii breadboard de pe poster și anticipează care orificii reprezintă același punct din punct de vedere electric.

Construirea unui circuit în serie

• Conectează o sursă de alimentare la șinele plăcii de test (breadboard) și plasează două componente în serie între ele, verificând dacă bucla este completă înainte de a porni alimentarea.
• Redesenați circuitul asamblat sub formă de schemă și realizați că multe layout-uri fizice diferite dau aceeași schemă.

Măsurarea cu un multimetru

• Conectați un multimetru ca voltmetru — în paralel cu componenta de interes, selectorul pe V — și citiți valoarea la rezoluția oferită de afișaj.
• Un voltmeter trebuie să aibă o rezistență foarte mare pentru a nu permite curentului să treacă prin el, asigurându-se astfel că nu perturbă circuitul pe care îl măsoară și că măsoară căderea de tensiune corectă. În schimb, un ammetru trebuie să aibă o rezistență foarte mică pentru a permite curentului să treacă prin el cu o cădere de tensiune neglijabilă, astfel încât să nu schimbe valoarea curentului din circuit.

Aplicarea legii lui Ohm și a regulii ochiurilor de rețea a lui Kirchhoff

• Calculează curentul dintr-o circuit serie pornind de la tensiunea dintr-un rezistor cunoscut, apoi utilizează regula ochiurilor de rețea pentru a găsi tensiunea de pe cel necunoscut.
• Determină o rezistență necunoscută în două moduri independente — din propria tensiune și curent, și prin scăderea rezistenței cunoscute din totalul circuitului — și verifică dacă acestea coincid.

Evaluarea calității unui rezultat

• Estimați puterea disipată în fiecare componentă și verificați-o în raport cu ceea ce pot suporta componentele.

Înregistrarea muncii

• Salvați diagrama circuitului și fotografia circuitului asamblat, astfel încât un rezultat să poată fi pus în legătură cu montajul care l-a generat.

Protocol

În fața ta se află o placă de prototipuri, o sursă de alimentare și un multimetru.

• Placa de test este panoul alb mare din fața ta. Este un instrument care face posibilă construirea ușoară a unui circuit. Tot ce se află într-o coloană numerotată este conectat la tot ce se află în acea coloană. Același lucru este valabil și pentru rândurile X și Y.
• Sursa de alimentare este cutia gri de pe raft. Este ca o priză electrică! Furnizează energia necesară circuitelor noastre.
• Multimetrul este dreptunghiul cu contururi portocalii. Este o unealtă care face posibilă studiul curentului cât și a tensiunii circuitului dumneavoastră.

În dreapta dumneavoastră se află cutii ce conțin diverse componente electronice. În acest experiment, veți avea acces doar la fire și rezistoare.

Construirea circuitului

1. Ia două fire din coș și așază-le în fața ta.
2. Luați capătul unuia dintre fire și conectați-l la borna neagră a sursei de alimentare.
3. Ia celălalt capăt al aceluiași fir și conectează-l pe rândul X al breadboard-ului.
4. Luați un capăt al celuilalt fir și conectați-l la borna roșie a sursei de alimentare.
5. Ia celălalt capăt al aceluiași fir și conectează-l pe rândul Y al breadboard-ului.

Sursa de alimentare este acum conectată la breadboard. Este acum posibil să folosiți rândurile A până la E pentru a efectua experimentul.

6. Porniți sursa de alimentare folosind comutatorul și notați valoarea afișată pe sursa de alimentare.
7. Ia un fir și conectează-l de la rândul X la locația A-10.
8. Luați rezistorul misterios de pe raft din fața dumneavoastră și conectați-l de la B-10 la B-11
9. Ia un rezistor din coșul din dreapta ta și conectează-l de la C-11 la C-12
10. Folosind ghidul de culori, notează rezistența rezistorului.
11. Ia un fir și conectează-l de la E-12 la rândul Y.

Ai construit primul tău circuit! Acesta ar fi putut fi construit în multe alte moduri. Aici, configurația exactă a fost furnizată, dar important este doar să respecți conexiunile breadboard-ului, așa cum sunt ilustrate pe afișul de pe masă.

Salvare un circuit

12. În colțul din dreapta jos al meniului principal al acestei tablete, puteți găsi un buton care permite vizualizarea circuitului. Odată intrat în această interfață, puteți vedea o diagramă reprezentând circuitul pe care tocmai l-ați creat. În această interfață, sunt accesibile două butoane. Unul pentru a salva imaginea în rezultate, altul pentru a schimba tipul de afișare într-o cameră.
13. Salvează schema și vizualizarea camerei a circuitului.

Măsurarea unui circuit

Acum că circuitul este construit, trebuie studiat! Pentru a face acest lucru, trebuie să folosiți multimetrul.

14. Luați un fir și conectați-l la mufa centrală (COM) a multimetrului.
15. Ia un alt fir și conectează-l la mufa din dreapta (VHz) a multimetrului.
16. Asigurați-vă că cadranul central indică V.
17. Acum ești gata să măsori tensiunea rezistorului tău, pentru a face acest lucru, ia celelalte două capete ale firelor și conectează-le la locațiile D-11 și D-12.

Salvarea schemei circuitului

18. Opriți sursa de alimentare
19. Folosind rezistența și tensiunea notate, utilizați legea lui Ohm pentru a calcula curentul în rezistorul cunoscut și, prin urmare, în circuit.
20. Cu tensiunea măsurată și tensiunea furnizată de sursa de alimentare, utilizați al doilea principiu al lui Kirchhoff pentru a calcula tensiunea rezistorului misterios.

Acum cunoașteți tensiunea și curentul rezistorului misterios. Folosiți legea lui Ohm pentru a-i descoperi rezistența.

21. Trimite rezultatele

Rezultate anticipate

Valorile componentelor. Sursa de alimentare furnizează 12 V. Rezistorul luat din cutie are benzi de culoare verde – negru – auriu – maro, ceea ce se decodifică ca cifrele 5 și 0, cu un multiplicator auriu de ×0,1, deci 5 Ω ±1 % (același multiplicator auriu introdus în laboratorul 074). Al doilea rezistor are benzile șterse; valoarea sa este de 10 Ω, iar scopul exercițiului este tocmai acela de a ajunge la această valoare pe baza măsurătorilor, și nu pe baza codului.

De ce ies numerele în modul acesta

Cele două rezistoare se află într-o singură buclă, astfel încât fiecare electron care trece prin primul trece și prin cel de-al doilea: curentul este același în orice punct dintr-un circuit în serie. Aceasta este regula curentă a lui Kirchhoff în cea mai simplă formă a sa — sarcina nu are unde să se ducă în altă parte. Prin urmare, rezistențele se adună:

R_total = R₁ + R₂ = 5 + 10 = 15 Ω

iar legea lui Ohm aplicată întregului circuit închis dă curentul:

I = V / R_total = 12 V / 15 Ω = 0.80 A

Deoarece curentul este comun amândurora, aceeași lege aplicată fiecărei componente în parte arată că tensiunea de alimentare este împărțit în proporție cu rezistențele:

V₁ = I R₁ = 0,80 × 5 = 4,0 V și V₂ = I R₂ = 0,80 × 10 = 8,0 V

Rezistorul cu rezistența dublă preia o tensiune dublă. Regula ochiurilor a lui Kirchhoff reprezintă apoi verificarea faptului că bilanțul se închide:

V_{aprovizionare} − V₁ − V₂ = 12 − 4,0 − 8,0 = 0

Identificarea rezistorului fără marcaj în două moduri

Ruta pe care o cere protocolul trece prin propriile mărimi ale rezistorului misterios. Tensiunea sa este ceea ce lasă regula ochiurilor, 12 − 4,0 = 8,0 V, iar curentul său este curentul din circuit găsit de la rezistorul cunoscut, 4,0 V / 5 Ω = 0,80 A. Legea lui Ohm rearanjată oferă apoi răspunsul:

R₂ = V₂ / I = 8,0 V / 0,80 A = 10 Ω

O a doua rută independentă oferă același număr și merită să le fie cerută studenților, deoarece acordul între două derivări este modul în care un rezultat este de încredere: rezistența totală a buclei este R_total = 12 V / 0.80 A = 15 Ω, iar scăderea rezistorului a cărui valoare este cunoscută lasă 15 − 5 = 10 Ω. Cele două coincid exact, ceea ce trebuie să se întâmple, deoarece ambele se bazează pe aceeași singură măsurătoare.

Cel mai des omis detaliu: rezistorul de 5 Ω este ampermetrul. Selectorul multimetrului este setat pe V și rămâne acolo, astfel încât curentul nu este măsurat niciodată în nicio etapă a acestui laborator – el este dedus prin utilizarea unui rezistor de valoare cunoscută ca senzor de curent. Exact așa este măsurat curentul în aproape orice instrument și sursă de alimentare construită vreodată: o rezistență mică și precisă, numită șunt, este plasată în circuit, iar tensiunea de pe aceasta este citită. De asemenea, acest lucru explică de unde provine precizia rezultatului final și de ce toleranța imprimată pe acel singur rezistor contează mai mult decât orice altceva de pe bancul de lucru.

Puterea din acest circuit este singurul lucru de verificat înainte de a-l construi

Rezistențele de câțiva ohmi conectați la o sursă de 12 V consumă un curent foarte mare, iar energia trebuie să se disipeze undeva. Din P = VI sau, echivalent, P = I²R:

O rezistență cu orificii de montare, de uz general, are o putere nominală de un sfert de watt. Cele două componente din acest circuit trebuie să disipeze de treisprezece, respectiv de douăzeci și șase de ori această valoare, iar contactele cu arc ale unei plăci de testare sunt, de obicei, proiectate pentru aproximativ 1 A, astfel încât 0,80 A se află la limita capacității de curent pe care placa însăși ar trebui să o suporte. Pe un banc de lucru fizic, acest circuit ar începe să scoată fum în câteva secunde. Un student care construiește același lucru pe o placă de testare reală ar trebui avertizat, iar calculul de mai sus arată cum se ajunge la această avertizare, mai degrabă decât să fie doar memorată. Dacă mărim fiecare rezistență cu un factor de o sută — 470 Ω și 1,0 kΩ, ceea ce păstrează raportul ordonat de 1 : 2 — am obține 8,2 mA, căderi de tensiune de 3,84 V și 8,16 V, și disipări de 31 mW și 67 mW: aceeași fizică, aceeași aritmetică și nimic care să se apropie de limita sa.

De ce voltmetrul nu influențează ceea ce măsoară

Conectarea unui voltmetru în paralel cu rezistorul de 5 Ω face ca rezistența sa de intrare să fie în paralel cu acea rezistență, ceea ce reduce în mod inevitabil rezistența perechii și modifică chiar circuitul studiat. Ceea ce salvează măsurătoarea este amploarea perturbației. Intrarea de tensiune a unui multimetru digital este de aproximativ 10 MΩ, astfel încât combinația în paralel este de 5 Ω × 10⁷ / (5 + 10⁷), ceea ce difera de 5 Ω cu aproximativ cinci parți dintr-un milion — patru ordine de mărime sub propria toleranță a rezistorului. Ac Acesta este motivul pentru care un voltmetru este construit să aibă cea mai mare rezistență posibilă, iar un ampermetru cea mai mică, și merită menționat că aceeași măsurătoare într-un circuit construit din rezistoare de megaohmi ar fi grav greșită exact din acest motiv.

Rezultatele se găsesc urmând acest link (PDF).

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

Concentrare: construirea circuitului și efectuarea unei citiri.

Activități: Conectați alimentarea la șine, asamblați cele două rezistoare în serie respectând protocolul și explicați de pe poster de ce A-10 și B-10 sunt același punct electric. Citiți tensiunea de alimentare, conectați multimetrul ca voltmetru în paralel pe rezistorul cunoscut și notați valoarea măsurată. Decodificați rezistorul cunoscut pe baza benzilor sale de culoare. Nivelul de așteptare la acest stadiu: un circuit funcțional, o schemă salvată corect, o tensiune înregistrată cu unitatea de măsură și enunțul, în propriile cuvinte ale elevului, conform căruia cele două rezistoare își împart tensiunea de alimentare între ele.

Clasa a XI-a

Concentrare: analiza cantitativă a circuitului serie.

Activități: Calculați curentul din circuit pe baza tensiunii măsurate și a rezistenței cunoscute, aplicați regula buclelor pentru a obține tensiunea de pe rezistorul necunoscut și identificați-l folosind legea lui Ohm — cu fiecare substituție scrisă în detaliu. Confirmați răspunsul prin a doua metodă, rezistența totală minus rezistența cunoscută, și explicați de ce cele două rezultate trebuie să coincidă. Calculați puterea disipată în fiecare rezistor și comparați-o cu puterea nominală de un sfert de watt a unei componente obișnuite. Se așteaptă la acest nivel: calcule aritmetice corecte până la două cifre semnificative, prezentarea ambelor metode de rezolvare și un comentariu cu privire la posibilitatea construirii fizice a acestui circuit conform specificațiilor.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

Concentrare: teoria măsurării și efectele instrumentale.

Activități: deduceți expresia divizorului de tensiune V_i = V R_i / ΣR din regula ochiurilor de circuit și utilizați-o pentru a obține ambele căderi de tensiune fără a calcula curentul. Cuantificați efectul de sarcină al voltmetrului pe baza rezistenței sale de intrare de 10 MΩ și arătați de ce acesta este neglijabil aici, dar nu ar fi într-un circuit de un megohm. Estimați rezistența totală de contact și a conductorilor și preconizați efectul acesteia asupra curentului măsurat. În cele din urmă, reconfigurați circuitul pentru a păstra aceleași calcule în limitele puterii nominale a componentelor standard și justificați valorile alese. Nivelul așteptat la această etapă: o analiză scrisă, cu menționarea ipotezelor de la pornire și o reproiectare justificată.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Placă de test (breadboard), cu schema de conexiuni afișată pe posterul de pe bancul de lucru
• Sursă de alimentare de laborator (12 V) cu comutator de pornire/oprire și afișaj al tensiunii
• Multimetru, folosit aici ca voltmetru (selectorul pe V, cablurile în COM și VHz)
• Fire de conexiune × 6 — două la sursă, două în circuit, două la multimetru
• Tabelul codurilor de culori ale rezistențelor
• Tabletă, pentru vizualizarea și salvarea schemei circuitului și a imaginii camerei

Produse

• Rezistor cu valoare cunoscută, 5 Ω ±1, tip % — benzi de culoare verde, negru, auriu, maro, preluat din cutia cu componente
• Rezistor misterios, 10 Ω — pe raft, cu benzile îndepărtate

Diagramă