Pod koniec ostatniego wpisu, dotyczącego dzielnika napięć, zamieściłem małą zagadkę. Prostą raczej. Do jej ogarnięcia wystarczy rozumieć podstawowe prawa elektrotechniki i trochę pomyśleć. Przy odrobinie szczęścia uda nam się odpowiedzieć bezbłędnie!

Zagadka, a właściwie pytanie, dotyczyło dwóch zagadnień. Chodziło o to, co się stanie jeśli obciążymy w jakiś sposób dzielnik. Otwartym pozostawiłem też pytanie, co będzie, gdy zewrzemy jedno z wyjść dzielnika. Głównym problemem do rozwiązania było to, jak zmienią się wówczas prądy. Gwoli ścisłości, zacytuję ów końcowy fragment.

„Prąd, jaki zmierzyliśmy, był rzędu 376μA, natomiast obliczony wynosi 372μA. Bliziutko. Przy okazji widać jeszcze jedną rzecz. Napięcia to jedno, a prądy… No właśnie – prądy. Co by było gdyby obciążyć czymś dzielnik? Albo zewrzeć któreś z jego wyjść? Tę zagadkę pozostawiam otwartą. Odpowiedź na nią znajdziesz w następnym wpisie.”

Jeśli jakimś cudem nie czytałeś poprzedniego wpisu to łap link i delektuj się: „Dzielnik napięcia – pierwszy przykład”. Tymczasem…

Dzielnik napięcia – prądy i obciążone wyjście

Jak najprościej dowiedzieć się, jak zachowa się dzielnik gdy go czymś obciążymy? Po prostu go czymś obciążając. Można torbą z zakupami, kilkudziesięciokilogramowym oscyloskopem analogowym, albo odważnikiem kettlebell. Najlepiej jednak użyć czegoś bardziej cywilizowanego, co jednocześnie będzie miało wpływ na prądy w układzie dzielnika. Żarówka, dioda LED, jakieś inne urządzonko, albo po prostu inny rezystor. Taki o odpowiedniej mocy i wartości. My weźmiemy rezystor o stosunkowo niewielkiej rezystancji i sporej mocy. Właściwie to kilka rezystorów. Jak się bawić to się bawić!

  • rezystor 2MΩ o mocy 250mW
  • rezystor 10Ω o mocy 5W
  • rezystor 10kΩ o mocy 1W

No to co, do dzieła.

Ale zaraz…

Rozpędziłem się, a warto przypomnieć kilka faktów.

  • nasz dzielnik zasilaliśmy prądem stałym o napięciu 18V
  • w moim przypadku źródłem napięcia był zasilacz laboratoryjny KORAD KA3005P
  • dzielnik składał się z rezystorów 6.2kΩ, 24kΩ oraz dwóch 9.1kΩ
  • wszystko złożyliśmy do kupy na płytce stykowej

Schemat dzielnika wyglądał tak.

dzielnik napięć przykład

Rzeczywisty dzielnik prezentował się niemniej obiecująco!

dzielnik napięcia na rezystorach

Przy składaniu owego cuda inżynierii elektronicznej dowiedziałem się, że powyższa płytka stykowa jest nieco uszkodzona. Otóż dolna szyna zasilania była zwarta. Na szczęście górna szyna działa wręcz idealnie. Warto mieć na uwadze takie przypadki, bo czasem zwykła drobnostka może być źródłem frustracji i zszarganych nerwów. Szczególnie przy większych projektach.

Oczywiście dziś wykorzystamy ten sam układ. Może nie będzie to w stu procentach precyzyjne, ale myślę, że tak będzie łatwiej. Otóż mówiąc o poszczególnych wyjściach dzielnika będę się odnosił od rezystancji. Będę pisał „wyjście 24kΩ”, albo „rezystor przy wyjściu 9.1kΩ”. Coś w ten deseń. Myślę, że będzie to zrozumiałe dla wszystkich. Chodźmy!

Dzielnik napięcia – obciążenie rezystorem 2MΩ – jedno wyjście

Najpierw jednak, dla zasady, sprawdźmy sobie jeszcze, jaki prąd przepływa przez nieobciążony dzielnik.

dzielnik napięć bez obciążenia

Wyszło 375.81µA. Śmiało możemy powiedzieć, że jest to w przybliżeniu 376µA. Praktycznie tyle co ostatnio. Podłączmy sobie teraz rezystor o wartości dwóch megaomów do jednego z wyjść. Niech to będzie jedno z wyjść, gdzie umieściłem rezystory 9.1kΩ.

dzielnik napięć i rezystor

Jak widać dodanie dużej rezystancji na jednym z wyjść praktycznie nic nie zmieniło. Prąd wynosi 375.63µA, różnica praktycznie żadna. Warto mieć na uwadze, że cały czas obowiązuje prawo Ohma i wynikające z niego zależności. Im większa rezystancja, tym mniejszy prąd. Jeśli rezystancja jest bardzo duża to i prąd jest bardzo mały. Idźmy dalej.

Dzielnik napięcia – obciążenie rezystorami 10Ω i 2x10kΩ – trzy wyjścia

Umieściłem rezystory 10kΩ przy wyjściach 24kΩ oraz 9.1kΩ. Samotny biały klocek, czyli rezystor 10Ω znalazł się na wyjściu 9.1kΩ. Prąd wyniósł 996.8µA.

dzielnik napięć i trzy rezystory

Dla ciekawskich zrobiłem jeszcze pomiar miliamperomierzem.

dzielnik napięć i trzy rezystory

Wyszło 1.004mA. Dla nas to bez różnicy. Można powiedzieć, że po dodaniu tych trzech rezystorów na wyjścia dzielnika, prąd wzrósł do 1000µA. Jednym słowem do 1mA. Skąd ta różnica? Chyba się domyślasz. W poprzednim przykładzie obciążyliśmy sobie dzielnik zaledwie jednym rezystorem o dużej wartości. To były 2MΩ, czyli 2 000 000Ω. Teraz mamy trzy rezystory, ale o stosunkowo niewielkich wartościach. Dwa z nich mają 10 000Ω, natomiast trzeci to tylko 10Ω. Mała rezystancja równa się duży prąd. Wiadomo.

Możesz jeszcze spytać – dlaczego w ogóle prąd wzrósł? Przecież obciążyliśmy dzielnik, nie powinnien on mieć teraz „mniej siły” i prąd powinien zmaleć? Pytanie zostawiam otwarte. Odpowiemy sobie na nie w podsumowaniu pod wpisem. Na razie sobie przemyśl to wszystko.

Dzielnik napięcia – obciążenie rezystorami 2×10Ω – dwa wyjścia

Wyjmujemy z naszego dzielnika dwa niebieskie skrzaty (rezystory 10kΩ) i dokładamy jeszcze jeden rezystor 10Ω. Teraz oba dziesięcioomowe rezystory znajdują się na wyjściach 9.1kΩ.

dzielnik napięcia i dwa rezystory

Prąd nam nieco spadł. Mamy teraz 604.8µA. No tak, im mniejsza rezystancja tym większy prąd. Dlaczego zatem, mimo wywalenia dwóch dużych rezystorów i drugiego małego rezystora, prąd zmalał? Przecież powinien wzrosnąć? Czyż nie?

Teraz czas na mały zgrzyt… Znaczy się zwarcie!

Dzielnik napięcia – prądy i zwarte wyjście

Co się stanie jeśli zewrzemy jedno, kilka, albo wszystkie wejścia naraz? Zaraz się przekonamy.

Dzielnik napięcia – zwarte jedno wyjście

Zaszalejemy! Zewrzemy jedno wyjście cztery razy. Wow, ale co to oznacza? Po prostu będziemy zwierać kolejno wszystkie wyjścia. Najpierw 6.2kΩ, następnie pierwsze 9.1kΩ, drugie 9.1kΩ, aż na koniec dojdziemy do 24kΩ. Oczywiście cały czas będziemy mierzyli prąd.

Zaczynamy od zwarcia wyjścia przy najmniejszym z rezystorów, czyli wyjścia 6.2kΩ.

dzielnik napięcia zwarcie

Zmierzyliśmy 426.91µA. Sprawdźmy, co będzie dalej. Teraz zwieramy sobie pierwsze wyjście 9.1kΩ.

dzielnik napięcia zwarcie

Tym razem mam już nieco więcej. Dokładnie 448.26µA. Przypomnę, że nieco wcześniej daliśmy na jedno z wyjść rezystor 2MΩ. Praktycznie nie zmienił on prądu w porównaniu do nieobciążonego dzielnika. Prąd ten wyniósł 375.63µA. Widać, że zwarcie, czyli w praktyce dodanie bardzo małej rezystancji na wyjście – robi różnicę. Spodziewaną w tym przypadku. W końcu 2MΩ to duża rezystancja, więc i mały prąd. Znikoma rezystancja to odpowiednio większy prąd.

Zewrzyjmy sobie teraz drugie z wyjść 9.1kΩ. Co sobie będziemy żałować.

dzielnik napięcia zwarcie

Pomiar jest bezlitosny. 463.94µA to źle czy dobrze? Przecież to taka sama rezystancja wyjścia… No nie do końca! 9.1kΩ to rezystancja znamionowa. Tolerancja to 5%. Pięć procent na plus, albo na minus. Stąd możliwa różnica.

Przyszedł czas na zwarcie wyjścia 24kΩ. Nie ma na co czekać.

dzielnik napięcia zwarcie

Mamy 731.6µA. Hoho, sporo!

Dzielnik napięcia – zwarte dwa wyjścia

Dla jaj zewrzemy sobie teraz dwa wyjścia na raz. Niech to będą dla przykładu te z rezystorami 9.1kΩ. Przy pojedynczym zwarciu tych wyjść mieliśmy prądy 448.26µA i 463.94µA, czyli w sumie ok. 1mA. Ile będzie przy zwarciu obu wyjść na raz?

dzielnik napięcia zwarcie

Tym razem mamy 606.6µA. Jednak nie 1mA…

Dzielnik napięcia – zwarte cztery, czyli wszystkie wyjścia

Jak szaleć to szaleć. Robimy młyn i zwieramy jeszcze dwa wyjścia. W sumie cztery będą teraz zwarte, czyli… Wszystkie.

dzielnik napięcia zwarcie

Po zwarciu wszystkich wyjść drucikami uzyskaliśmy… 5A? Nie widać tego na zdjęciu, ale na zasilaczu spadło napięcie. No i z kabelków zaczął iść dymek. Co się stało? Prąd wybrał drogę o najmniejszej rezystancji i… Można rzec, iż ominął rezystory.

Na koniec niemniej zagadkowo…

Podczas omawiania jednej zagadki pojawiły się kolejne zagadki. Właściwie to pytania bez odpowiedzi. Spróbuję na nie odpowiedzieć teraz, przy okazji zbierając wszystko „zusammen do kupy”. Jedziemy z tym!

Pierwsza rzecz, jaka może się rzucać w oczy to… Pomiar prądu, a przecież mamy jeszcze napięcie. Zrobiłem to celowo. Zagadka pozostanie częściowo otwarta. Może wywiąże się jakaś dyskusja w komentarzach. Na pewno przydałoby się zmontować jakiś prosty układ. Ot choćby taki dzielnik i przeanalizować go w podobny sposób, mierząc jednak wszystko. Prądy, napięcia, a może i sprawdzając poszczególne rezystancje. W końcu drut srebrzany, popularna srebrzanka, którą zwieraliśmy wyjścia, też ma jakąś rezystancję. To nie perpetuum mobile przecież.

Na pewno dzisiejsze pomiary mogą zrodzić wiele pytań. I dobrze. Ja jednak odpowiem tylko na podstawowe wątpliwości, które były założeniem mojej zagadki.

Obciążenie w postaci rezystora na wyjściu

Z rezystorem sytuacja jest prosta. Im większa rezystancja, tym mniejszy prąd. Analogicznie w drugą stronę. Oczywiście Wychodziły nam różne prądy, ale tu trzeba by się zagłębić bardziej. Coś policzyć. Wziąć sobie prawo Ohma, może prawa Kirchhoffa okazałyby się przydatne. Niemniej jednak jedno jest istotne – obciążając wyjście zmieniamy jakoś rozpływ prądów. Jak? Warto tu nawiązać do drugiej sprawy, czyli…

Zwarte wyjścia

Tu jest jeszcze ciekawiej. O ile zwierając poszczególne wyjścia nic nadzwyczajnego się nie dzieje. Po prostu obciążamy wyjścia niemalże zerową rezystancją. Istotne jest zjawisko, jakie ma miejsce, gdy zewrzemy wszystkie wyjścia na raz. Wtedy widać, jak na dłoni, pięknie działające prawa fizyki. Prąd szuka drogi o najmniejszej rezystancji. Jeśli wszystkie wyjścia są zwarte to omija on w ogóle rezystory z jakich zbudowany jest dzielnik. Prąd płynie po prostu od zasilacza, przez płytkę stykową (druty, zworki, ścieżki) i amperomierz, wracając potem znowu do źródła zasilania. Prąd omija rezystory.

Ufff…

No, to by było na tyle. Na pewno zrodziły się jakieś pytania, wątpliwości. O to chodzi w zgłębianiu elektronicznej sztuki. Jak nie ma pytań, to znak, że coś jest nie tak. Może po prostu udajemy, że rozumiemy i oszukujemy samych siebie? Nie martw się, jeśli masz jakieś wątpliwości to znak, że się przykładasz.

Kończąc, wpadnij na fanpage na Facebooku i daj łapę w górę! O ile uważasz, że warto.