Напряжение и ток

В этих уроках мы будем заниматься робототехникой, то есть связывать электронику и программирование в единую систему. Прежде чем что-то программировать, это что-то сначала нужно правильно подключить, поэтому начнём с базовых понятий в электрике и электронике.

Электричество - это один из видов энергии в нашем мире, наряду с механической, тепловой, гравитационной и другими. Электричество обусловлено взаимодействием и движением заряженных частиц - электронов. Для лучшего понимания электрических процессов перейдём к аналогии с водой.

Напряжение #

Представьте бочку с водой, в самом низу которой есть кран. Чем выше уровень воды в бочке, тем выше давление на дне этой бочки и на кране. Рядом стоит ещё одна такая же бочка с другим уровнем воды.

В электричестве такая "бочка" называется полюсом, а "давление воды" - потенциалом, который измеряется в Вольтах (В, V) и в формулах обозначается как V (voltage). Чем выше уровень воды в бочке - тем выше давление на кран. Чем выше потенциал, тем больше будет теоретическая струя "частиц" из крана, если его открыть. К напряжению применяются стандартные приставки величин: киловольт (кВ) - 1000 Вольт, милливольт (мВ) - 0.001 Вольт, мегавольт (МВ) - 1000000 Вольт.

Электричеству всегда нужно два полюса, поэтому бочки мы будем соединять шлангом. Разность потенциалов между двумя полюсами называется напряжением и тоже измеряется в Вольтах. Если у одного полюса потенциал 20V, а у второго 5V, то между ними будет напряжение 20 - 5 = 15 V. Если у одного +12V, а у другого -12V - напряжение будет 12 - -12 = 24V. Напряжение - относительная величина, это характеристика системы из двух полюсов, т.е. даже если у одного полюса большой потенциал, условно 100V, а у второго 101V, то между ними будет напряжение всего 1V.

Если один из полюсов имеет нулевой потенциал 0V, то напряжение будет просто равно потенциалу второго полюса. В цифровой электронике чаще всего можно встретить именно такой вариант. Нулевой полюс обычно называется COM (common, общий) или GND (ground, земля) - будем лить в пустую бочку или просто на землю. Такое питание также называется однополярным - так как потенциал имеет только один из полюсов. Если оба полюса имеют ненулевой потенциал, например +12V и -12V, то это двухполярное питание.

Вот примеры напряжений для лучшего осознания Вольта: пальчиковая алкалиновая батарейка - 1.5V, батарейка Крона - 9V, автомобильный аккумулятор - 12V, сеть (розетка) - 220V.

Ток #

Соединим бочки шлангом и откроем краны. Вода из бочки с более высоким уровнем воды (давлением) потечёт в бочку с низким уровнем. Чем выше давление в одной бочке относительно другой, тем быстрее вода течёт по шлангу, тем больший её объём проходит в единицу времени. Если уровень воды одинаковый - вода никуда не потечёт!

Если соединить электрические полюса проводником, то по нему потечёт электрический ток, который представляет собой поток заряженных частиц, бочка в данном случае является источником электрической энергии (источником частиц). Количество частиц через сечение проводника в единицу времени называется силой тока и измеряется в Амперах (A) и в формулах обозначается как I (intensity, интенсивность тока). К току применяются стандартные приставки величин: килоампер (кА) - 1000 Ампер, миллиампер (мА) - 0.001 Ампер, микроампер (мкА) - 0.000001 Ампер.

Проводник - это материал, который на молекулярном уровне позволяет заряженным частицам перемещаться через себя, к таким материалам относятся все металлы, растворы солей и кислот, а также некоторые неметаллы (например углерод). Материалы, которые не проводят ток, называются диэлектриками: например пластик, резина, стекло. Такие материалы также называются изоляторами, т.е. изолируют от тока.

Когда мы соединили два полюса, замкнулась электрическая цепь - по ней пошёл ток, готовый совершать полезную работу. Таким образом, электрическое напряжение - это характеристика полюсов источника питания, а вот электрический ток - это характеристика замкнутой цепи: пока цепь не замкнута - тока нет, а напряжение есть. Как и в шланге, ток в проводнике течёт в направлении от полюса с более высоким потенциалом к полюсу с более низким.

Работа тока #

По шлангу течёт вода. Можно поставить в поток условную "турбинку", чтобы вода её крутила и совершала полезную работу.

Точно так же с электрическим током - он может совершать работу. Поток заряженных частиц способен:

• Нагревать, например электрический обогреватель, чайник, паяльник, фен
• Излучать свет, например светодиод и лампа накаливания (в ней это является следствием нагрева)
• Переключать транзисторы в процессоре, пиксели в дисплее
• Создавать магнитное поле - электромагнит двери домофона, электродвигатель, динамик в музыкальной колонке

Так как работу совершает именно ток, то принято говорить, что ток потребляется. Таким образом, для создания электрической цепи нужен источник электричества и его потребитель.

Постоянный и переменный ток #

В примере с бочкой мы подразумеваем постоянное напряжение - величина напряжения остаётся постоянной (не меняется во времени) и ток течёт в одну и ту же сторону. Такое напряжение называется DC (Direct Current, прямой ток) и обозначается прямой и пунктирной линиями. Почти все электронные устройства работают от постоянного напряжения, т.е. от батареек, аккумуляторов, USB и блоков питания.

Для удобства изменения величины напряжения и передачи электричества на большие расстояния (об этом поговорим позже) существует также переменное напряжение - AC (Alternating Current, переменный ток), обозначается волнистой линией. В быту оно встречается только в сети - в розетке и на всём пути к ней от электростанции по линиям электропередач. У переменного напряжения есть ноль, нулевой потенциал, и фаза - её потенциал изменяется по гармоническому закону от -max до +max с частотой 50 Гц - 50 раз в секунду (60 Гц в некоторых странах):

Некоторые "простые" устройства типа нагревательных элементов и ламп накаливания могут работать и от переменного, и от постоянного напряжения - им без разницы, в какую сторону течёт ток. А вот более сложные смогут работать только от "своего" типа напряжения, оно указано на корпусе или в документации. Подключение такого прибора к источнику с напряжением другого типа в большинстве случаев приведёт к поломке прибора.

Блок питания, AC/DC #

Для превращения переменного сетевого напряжения в более удобное и низкое постоянное используются блоки питания (БП) - они выпрямляют и понижают напряжение до нужного уровня. В любом сетевом устройстве, где есть некая управляющая электроника, всегда имеется блок питания - внешний или внутренний. Даже внутри не самых дешёвых сетевых светодиодных лампочек.

На блоке питания всегда можно найти информацию по его входным и выходным параметрам и увидеть обозначения, которые были описаны выше. Вход - напряжение и максимальный ток потребления, выход - напряжение и максимальный отдаваемый ток.

Источники напряжения и тока #

Источники электричества можно разделить по ещё одному признаку - какую величину они задают в цепи, напряжение или ток. В русском языке термины "источник напряжения" и "источник тока" имеют двойные значения и иногда это может путать, например на Википедии написано, что батарейка - источник постоянного тока, но по факту она создаёт в цепи постоянное напряжение. Давайте рассмотрим эту разницу более подробно.

Источники напряжения, CV #

99% источников электричества вокруг нас - это источники напряжения, т.е. имеют фиксированное напряжение, оно обычно указано на корпусе. В английском языке такие источники называют CV (Constant Voltage). Примеры CV: розетка (220V), батарейка АА (1.5V), батарейка Крона (9V), USB (5V) и так далее. Это означает, что на выводах такого источника будет указанная разность потенциалов независимо от наличия нагрузки - её можно взять и измерить мультиметром в режиме напряжения.

У источников напряжения также обычно указан ток. Это - максимальный ток, который может выдать источник без вреда для себя, этот параметр также называется токоотдачей (в основном применительно к аккумуляторам). Ток - это характеристика цепи, потребителя. Задача источника - обеспечить цепь напряжением, а потребители возьмут нужный им ток. Это очень распространённая ошибка: вот есть у нас огромный блок питания, на котором написано 5V 1000A. Можно ли подключить к нему лампочку, на которой указано 5V 1A? Конечно можно, лампочка возьмёт столько ампер, сколько ей нужно - 1A, а у БП останется "в запасе" 999A. То есть можно подключить ещё 999 таких лампочек, а вот больше - уже не рекомендуется, т.к. БП будет работать на пределе и за пределами своих возможностей - начнёт греться и работать "на износ". Если сильно превысить допустимый ток - хороший БП уйдёт в "защиту" - автоматически отключится, а плохой БП просто сгорит. Если превысить допустимый максимальный ток потребления литиевого аккумулятора - возможен взрыв и пожар.

Источники тока, CC #

Источники тока работают "наоборот": поддерживают в цепи указанный ток, изменяя напряжение. В английском такие источники называют CC (Сonstant Сurrent), у них указан рабочий ток и диапазон напряжений от минимального до максимального. Примеры CC: лабораторные источники питания, зарядные устройства для аккумуляторов, светодиодные драйверы, сварочные аппараты. Если к вам в руки попал такой источник - будьте внимательны, подключать к нему обычные устройства нельзя - можно только те, для которых он предназначен.

Светодиодный драйвер 300mA

В данном случае это важно, потому что в "самодельной электронике" мы часто используем блоки питания, которые остались от другой техники/куплены по дешёвке/найдены на балконе. Иногда это может оказаться светодиодный драйвер или зарядник для аккумулятора, который выглядит как обычный сетевой адаптер, но подключать к нему электронную схему нельзя - оно будет работать не так, как задумано, либо просто сгорит.

Полезные страницы #

• Набор GyverKIT – наш большой стартовый набор Arduino, продаётся в России
• Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress
• Обратная связь – сообщить об ошибке в уроке или предложить дополнение по тексту ([email protected])
• Поддержать автора за работу над уроками