29 zabluda o elektronici

29 čestih zabluda o elektronici: troši li otpornik struju, smiju li LED-ice dijeliti otpornik, što je masa i zašto pin Arduina ne pokreće motor.

Neke stvari o elektricitetu zvuče toliko logično da ih nitko ne provjerava: otpornik troši struju, elektroni jure brzinom svjetlosti, a jači punjač gura više struje u uređaj. Takve zablude nisu glupe. Nastaju kad korisno pojednostavljenje pretvoriš u pravilo koje vrijedi uvijek. Problem je što na njima gradiš dalje, pa kad sklop ne radi, grešku tražiš na krivom mjestu.

Ovdje je 29 čestih zabluda, poredanih od osnova struje i napona, preko komponenti i sigurnosti, do izrade gotovog uređaja.

Na usporednim slikama lijeva strana (✗) prikazuje zabludu, a desna (✓) kako je zapravo.

Struja i napon

Zabluda 1. Struja se troši u otporniku

Istina: Otpornik ne troši struju, nego je ograničava. Koliko struje uđe u otpornik, toliko iz njega i izađe. Ono što se u otporniku potroši je energija: otpornik je pretvara u toplinu, pa se zagrije.

Zamisli vodu koja teče cijevi s uskim dijelom. Uski dio smanjuje koliko vode proteče, ali voda u njemu ne nestaje: koliko je uđe, toliko i izađe.

Detaljnije:
U strujnom krugu bez grananja struja je jednaka u svakoj točki. Ako ampermetrom izmjeriš struju ispred otpornika i iza njega, dobit ćeš isti rezultat (pogledaj Mjerenje struje). Otpornik određuje koliko će struje teći cijelim krugom, prema Ohmovu zakonu:

Zabluda 2. Elektroni i struja teku u istom smjeru

Istina: Na shemama strelica struje ide od plusa prema minusu. Elektroni se u žici kreću obrnuto, od minusa prema plusu. Oba opisa su točna, samo opisuju različite stvari. Smjer struje dogovoren je davno, prije nego što su ljudi znali za elektrone, i taj je dogovor ostao do danas.

Detaljnije:
Tehnički (konvencionalni) smjer struje je od + prema − kroz vanjski dio kruga. Potječe iz 18. stoljeća, kad je Benjamin Franklin jednu vrstu naboja nazvao pozitivnom, a drugu negativnom. Elektron je otkriven tek 1897. godine. Pokazalo se da ima negativan naboj, pa se u metalima giba suprotno od dogovorenog smjera struje.

Za računanje je svejedno: negativni naboj koji se giba ulijevo daje istu struju kao pozitivni naboj koji se giba udesno. Zato se u shemama i računu uvijek koristi tehnički smjer. Vidi se i u simbolima: trokut u simbolu diode i LED-ice pokazuje smjer struje kroz nju, od anode prema katodi, a isto pokazuje i strelica na emiteru tranzistora.

Važno je znati koji opis koristiš i ostati dosljedan.

Zabluda 3. Elektroni kroz žicu putuju brzinom svjetlosti

Istina: Kad uključiš svjetlo, ono zasvijetli odmah, ali elektroni iz prekidača nisu doletjeli do žarulje. Žica je već puna elektrona. Kad ih baterija gurne na jednom kraju, svi se u istom trenu pomaknu, kao kuglice u cijevi: gurneš jednu unutra, a s drugog kraja odmah ispadne druga. Sami elektroni kroz žicu putuju sporije od puža.

Detaljnije:
Treba razlikovati dvije brzine:

• Brzina signala je brzina kojom se promjena (na primjer uključivanje) širi duž žice. Promjena putuje kao elektromagnetski val, blizu brzine svjetlosti: u kabelima je to obično između 60 % i gotovo 100 % brzine svjetlosti, ovisno o izolaciji oko vodiča.
• Driftna brzina je prosječna brzina kojom se sami elektroni pomiču kroz vodič. Ona je vrlo mala:

Elektroni se u vodiču gibaju i nasumično, vrlo brzo, ali u svim smjerovima, pa se to gibanje poništava. Struju čini samo njihov polagani zajednički pomak. Važno je zapamtiti: žarulja ne čeka da do nje stigne elektron iz baterije.

Zabluda 4. Struja ide samo putem najmanjeg otpora

Istina: Kad se put grana, struja ide svim putovima, a ne samo najlakšim. Lakšim putem ide više struje, a težim manje. Kao djeca koja izlaze iz škole kroz dvoja vrata, široka i uska: kroz široka izađe više djece, kroz uska manje, ali izlaze kroz oboja.

Detaljnije:
Na paralelno spojenim granama napon je isti, pa struju svake grane računaš Ohmovim zakonom posebno:

Izreka struja ide putem najmanjeg otpora vrijedi samo približno, kad je jedan put mnogo lakši od ostalih. Upravo se to događa u kratkom spoju: žica od 0,05 Ω spojena uz LED-icu s otpornikom odvede gotovo svu struju, pa LED-ica ne svijetli (pogledaj Kratki spoj). Ukupni otpor paralelnih otpornika možeš izračunati kalkulatorom za paralelni spoj otpornika.

Zabluda 5. Napajanje u uređaj gura svu struju koju može dati

Istina: Na punjaču piše, na primjer, 5 V 2 A. 2 A je najviše što punjač može dati, a ne koliko će dati. Uređaj uzima samo onoliko struje koliko mu treba, kao što iz velike boce piješ samo koliko si žedan. Zato Arduino ili micro:bit smiješ napajati jakim USB punjačem za mobitel. Ali napon mora odgovarati: punjač od 12 V umjesto 5 V uništio bi uređaj.

Detaljnije:
Oznaka 12 V / 5 A na izvoru napona znači: izvor drži napon od 12 V i smije dati najviše 5 A. Struju određuje potrošač, prema Ohmovu zakonu. Potrošač s otporom od 40 Ω na 12 V uzima:

Potrošač ne uzima uvijek istu struju. Motor pri pokretanju ili kad je zakočen uzima nekoliko puta više struje nego kad se slobodno vrti. Zato napajanje biraš prema najvećoj struji, s rezervom.

Iznimka su izvori struje, na primjer driveri za LED rasvjetu ili laboratorijsko napajanje s uključenim ograničenjem struje. Oni održavaju zadanu struju, a napon prilagođavaju. Kod njih oznaka struje stvarno znači struju kroz potrošač.

Zabluda 6. Dvije baterije uvijek daju dvostruki napon

Istina: Ovisi o tome kako ih spojiš. Ako ih složiš jednu za drugom, plus jedne na minus druge (serijski spoj), naponi se zbroje: dvije baterije od 1,5 V daju 3 V. Tako su spojene baterije u držaču za micro:bit. Ako spojiš plus s plusom i minus s minusom (paralelni spoj), napon ostane 1,5 V, ali baterije traju dulje.

Detaljnije:

• Serijski spoj: naponi se zbrajaju, a kroz sve baterije teče ista struja. Baterije traju jednako dugo kao jedna baterija. I baterija od 9 V iznutra je šest malih članaka od 1,5 V spojenih serijski.
• Paralelni spoj: napon ostaje isti, a struja se dijeli između baterija. Zajedno mogu dati više struje i traju dulje.

Paralelno se smiju spajati samo jednake baterije, jednako napunjene. Ako je jedna punija od druge, iz nje poteče struja u drugu, bez ikakvog otpornika koji bi je ograničio. Kod punjivih baterija, osobito Li-ion i LiPo, to je opasno. Ni u serijskom spoju ne miješaj staru i novu bateriju: slabija se isprazni prva, a ostale kroz nju i dalje tjeraju struju, pa može procuriti.

Zabluda 7. Baterija s više mAh je jača

Istina: Broj s oznakom mAh govori koliko dugo baterija može davati struju, a ne koliko je jaka. Kao veća boca vode: iz nje piješ dulje, ali voda ne teče jače. Koliko jako baterija tjera struju, govori napon, broj s oznakom V. Punjiva baterija od 2000 mAh traje dulje od iste takve baterije od 1000 mAh, ali obje imaju isti napon.

Detaljnije:
mAh (miliamper-sat) je jedinica za kapacitet baterije, odnosno količinu naboja. Baterija od 2000 mAh može davati 200 mA oko 10 sati:

Energija spremljena u bateriji ovisi i o naponu:

Koliku struju baterija smije dati, piše posebno. Kod LiPo baterija za dronove to je oznaka C: baterija od 1000 mAh i 25C smije davati do 25 A. Velik kapacitet i velika dopuštena struja znače i velike struje u kratkom spoju, pa za LiPo baterije vrijede posebna pravila (pogledaj projekt Dron).

Zabluda 8. Masa, uzemljenje i 0 V uvijek znače isto

Istina: Napon je uvijek razlika između dviju točaka, kao visina. Kad kažeš da je nešto visoko 2 m, moraš znati mjeriš li od poda ili od stola. U sklopu jednu točku proglasiš podom. Ta se točka zove masa ili GND (od engleske riječi ground). Ona ima 0 V, a sve ostale napone mjeriš od nje. Uzemljenje je nešto drugo: žica koja je stvarno spojena sa zemljom, kao u utičnici.

Detaljnije:
Na slici su iste dvije baterije od 9 V. Lijevo je masa na dnu, pa su naponi 0 V, 9 V i 18 V. Desno je masa u sredini, pa su naponi istih točaka −9 V, 0 V i +9 V. Baterije i struja su iste, promijenila se samo točka od koje mjeriš. Tako se dobiva i napajanje ±9 V, koje trebaju neka pojačala.

Tri pojma koja se često miješaju:

• Masa (GND, 0 V) je zajednička referentna točka sklopa, najčešće minus napajanja. Ne mora biti spojena sa Zemljom: masa Arduina ili micro:bita na bateriji nije.
• Zaštitno uzemljenje je žuto-zelena žica u kabelu i utičnici, spojena sa zemljom. Ona štiti ljude: ako se metalno kućište uređaja zbog kvara spoji s naponom iz utičnice, struja odlazi u zemlju i isključi se osigurač ili zaštitna sklopka. Zaštitno uzemljenje nije povratni vod za struju sklopa.
• Masa kućišta je metalno kućište uređaja. Ono može, ali ne mora, biti spojeno s masom sklopa ili s uzemljenjem.

Na shemama se masa često crta debelom crtom, kao na slici iznad, a uzemljenje s tri crte koje se prema dolje skraćuju (pogledaj simbole). Ali mnoge sheme i jednim i drugim simbolom označavaju masu. Zato nije dovoljno vidjeti simbol: treba razumjeti što je njime stvarno spojeno.

Kad dva uređaja razmjenjuju signale, moraju imati zajedničku masu. Zato u lekciji Dva semafora na križanju spajaš GND obaju Arduina.

Zabluda 9. Logička nula je uvijek 0 V, a jedinica 5 V

Istina: Arduino Uno radi s 5 V, a micro:bit s 3,3 V. Oba razumiju 0 i 1, ali jedinicu ne pišu istim naponom. Uz to, jedinica nije točno jedan napon, nego cijelo područje: sve iznad nekog napona je 1, a sve ispod nekog drugog je 0. Zato izlaz Arduina ne spajaj izravno na pin micro:bita: 5 V je za micro:bit previše i može ga oštetiti.

Detaljnije:
Digitalni ulaz ima dva praga, koji pišu u tehničkoj dokumentaciji (datasheetu) čipa:

• napon iznad praga V_IH čita kao 1 (HIGH),
• napon ispod praga V_IL čita kao 0 (LOW),
• između njih rezultat nije određen: isti napon jednom može biti pročitan kao 0, a drugi put kao 1.

Za mikrokontroler na Arduinu Uno (ATmega328P na 5 V) jedinica je sve iznad 3 V (0,6 · 5 V), a nula sve ispod 1,5 V (0,3 · 5 V). Za micro:bit (3,3 V) jedinica je iznad oko 2,3 V, a nula ispod oko 1 V. Mnogi noviji čipovi rade s još nižim naponom, 1,8 V: senzori, memorije, a i neki mikrokontroleri STM32 kad se napajaju s 1,8 V. Kod njih je jedinica iznad oko 1,3 V (0,7 · 1,8 V), a nula ispod oko 0,5 V (0,3 · 1,8 V). Iz toga slijedi:

• Izlaz micro:bita (3,3 V) Arduino Uno pročita kao 1, ali s malo rezerve.
• Izlaz Arduina Uno (5 V) je za ulaz micro:bita previše: na pinu micro:bita smije biti najviše oko 3,6 V. Između njih treba djelilo napona ili pretvarač razina (level shifter).
• Izlaz čipa od 1,8 V ni Arduino Uno ni micro:bit ne mogu pouzdano pročitati kao 1: Arduinu treba barem 3 V, a micro:bitu oko 2,3 V. Obrnuto, 3,3 V ili 5 V za takav je ulaz obično previše. I tu treba pretvarač razina.
• Ulaz koji nije nigdje spojen (u zraku) često je baš u neodređenom području. Zato treba pull-up ili pull-down otpornik (zabluda 10).

Stari serijski priključak računala, RS-232, pokazuje da je sve stvar dogovora: u njemu je 1 napon između −3 i −15 V, a 0 između +3 i +15 V. Takav signal spojen izravno na pin Arduina oštetio bi ga.

Zabluda 10. Nespojeni ulaz čita 0

Istina: Pin koji nije nigdje spojen ne čita 0, nego nasumično: čas 0, čas 1. Hvata smetnje iz okoline kao antena, pa se mijenja i kad mu samo približiš ruku. Zato tipkalo spajaš s otpornikom koji pin drži u poznatom stanju dok tipkalo nije pritisnuto.

Detaljnije:
Digitalni ulaz ima vrlo velik otpor, pa kroz njega teče gotovo nikakva struja. To je dobro, jer ulaz ne opterećuje signal, ali znači i da nespojeni pin nema određen napon: pomiče ga i najmanja smetnja, na primjer od kabela napajanja ili ruke u blizini. Kaže se da pin pluta (engl. floating), i to često baš u neodređenom području između 0 i 1 (zabluda 9).

Rješenje je otpornik koji pin povlači u poznato stanje:

• Pull-down otpornik (na primjer 10 kΩ) spaja pin s GND, a tipkalo spaja pin s 5 V. Nepritisnuto tipkalo daje 0, a pritisnuto 1. Taj spoj je na slici, a koristiš ga i u lekciji Dva semafora na križanju.
• Pull-up otpornik spaja pin s 5 V, a tipkalo spaja pin s GND. Nepritisnuto tipkalo daje 1, a pritisnuto 0. Arduino ima ugrađene pull-up otpornike, koje uključuješ naredbom pinMode(pin, INPUT_PULLUP), pa tada vanjski otpornik nije potreban.

Otpornik mora biti dovoljno velik da kroz njega ne teče velika struja kad je tipkalo pritisnuto (5 V / 10 kΩ = 0,5 mA), a dovoljno malen da nadjača smetnje.

Zabluda 11. analogWrite() daje pravi analogni napon

Istina: Arduino Uno na pinu ne može napraviti napon od 3 V. Može samo uključivati i isključivati 5 V, ali toliko brzo da LED-ica svijetli slabije, kao da dobiva manje struje. To se zove PWM. Oko ne vidi treptanje, nego samo prosječnu jačinu svjetla.

Detaljnije:
Naredba analogWrite(9, 153) ne daje 3 V. Pin se prebacuje između 0 V i 5 V oko 490 puta u sekundi (pinovi 5 i 6 oko 980 puta), a broj od 0 do 255 određuje koliki je dio vremena pin uključen. To se zove faktor ispune (engl. duty cycle). Za 153 to je 60 % vremena, pa je prosječni napon:

PWM radi samo na pinovima označenima s ~ (na Arduinu Uno 3, 5, 6, 9, 10 i 11). Za pravi analogni napon treba RC filtar, koji izgladi impulse, ili pretvarač iz digitalnog u analogni signal (DAC).

Komponente

Zabluda 12. Stvarne komponente ponašaju se kao idealne

Istina: U zadacima obično piše: baterija ima 9 V, a žica nema otpora. To je pojednostavljenje, kao kad je na karti cesta nacrtana ravnom crtom. Stvarna baterija ima malo više ili malo manje, a kad pokreće motor, njezin napon padne. Otpornik od 220 Ω može imati 215 ili 228 Ω. Takve komponente nisu pokvarene, takve su stvarne komponente.

Detaljnije:
Stvarna baterija opisuje se kao idealni izvor napona E i mali unutarnji otpor R_u spojen s njim u seriju. Kad teče struja, dio napona ostane na unutarnjem otporu:

Još nekoliko primjera:

• Otpornici imaju toleranciju: zlatni prsten znači ±5 %, a smeđi ±1 %. Otpornik od 220 Ω ±5 % smije imati od 209 do 231 Ω.
• Elektrolitski kondenzatori često imaju toleranciju ±20 %, a s godinama gube kapacitet. Napunjen kondenzator se s vremenom sam isprazni.
• Silicijska dioda nema uvijek pad napona točno 0,7 V: ovisno o struji i temperaturi to je otprilike od 0,5 do 0,8 V. Crvena LED-ica ima oko 2 V, a plava i bijela oko 3 V.
• Žice i kontakti breadboarda imaju mali otpor, koji raste kad je kontakt istrošen.

Ako izmjereni otpor ili kapacitet odstupa od oznake, prvo ga usporedi s tolerancijom i uvjetima mjerenja. Idealni model je dobra prva procjena, a ne obećanje proizvođača.

Zabluda 13. LED-ica ima otpor koji se računa Ohmovim zakonom

Istina: LED-ica nije otpornik. Dok je napon malen, kroz nju gotovo ne teče struja. Kad napon prijeđe određenu granicu (za crvenu LED-icu oko 2 V), struja naglo naraste. Zato LED-ica uvijek treba otpornik koji struju ograničava.

Detaljnije:
Kod otpornika struja raste ravnomjerno s naponom (plava crta): dvostruko veći napon, dvostruko veća struja. Kod LED-ice (crvena krivulja) nije tako. Ispod napona vođenja U_F struja je gotovo nula, a iznad njega vrlo malo povećanje napona znači veliku promjenu struje. LED-ica zato nema jedan stalni otpor koji bi se mogao uvrstiti u Ohmov zakon.

Struju LED-ice zato određuje otpornik. Od napona izvora oduzmeš napon LED-ice, a ostatak napona je na otporniku:

Zabluda 14. Otpornik mora biti na plusu LED-ice

Istina: Svejedno je. Otpornik i LED-ica spojeni su jedan za drugim, pa kroz oboje teče ista struja. Otpornik je ograničava jednako dobro bio ispred LED-ice ili iza nje. Važno je samo da je LED-ica pravilno okrenuta: duža nožica prema plusu.

Detaljnije:
U serijskom spoju struja je ista u svakoj točki (zabluda 1), a napon izvora se dijeli: oko 2 V ostane na LED-ici i oko 3 V na otporniku, bez obzira na redoslijed. Zato oba spoja na slici daju istu struju od oko 14 mA.

U praksi se otpornik ipak stavlja uvijek na istu stranu, radi urednosti. Kad više LED-ica ima zajednički GND, otpornik je obično na strani pina. Na breadboardu odaberi jedan način i drži ga se, jer se tako greške lakše pronalaze (pogledaj Uredno spajanje).

Zabluda 15. Više LED-ica može dijeliti jedan otpornik

Istina: Ako više LED-ica spojiš paralelno na jedan otpornik, jedna će svijetliti jače, a druge slabije ili nikako. Ta jedna dobiva gotovo svu struju i može pregorjeti, a onda struja prijeđe na sljedeću. Svaka LED-ica treba svoj otpornik.

Detaljnije:
Ni dvije LED-ice iste boje nemaju potpuno isti napon vođenja: razlikuju se za desetak ili stotinjak milivolta. Zbog strme krivulje LED-ice (zabluda 13) ta mala razlika znači veliku razliku u struji: LED-ica s najnižim naponom uzme najveći dio struje. Kad se zagrije, napon joj se još smanji (zabluda 26), pa uzme još više. LED-ice različitih boja (crvena oko 2 V, plava oko 3 V) uopće ne mogu dijeliti otpornik: plava tada gotovo ne svijetli.

Zato svaka LED-ica dobiva svoj otpornik. Druga mogućnost je serijski spoj LED-ica s jednim otpornikom, ako napon izvora to dopušta. Dvije crvene LED-ice (2 × 2 V) s otpornikom na 5 V ostavljaju otporniku samo 1 V, a tri već ne bi svijetlile.

Zabluda 16. Kod otpornika je važan samo otpor

Istina: Otpornik ima još jedan važan broj: snagu, odnosno koliko topline smije podnijeti. Mali otpornici kakve koristiš uz LED-ice obično podnose 1/4 W. Za LED-icu je to više nego dovoljno. Ali ako kroz mali otpornik pustiš veliku struju, on se pregrije, zadimi i pregori, iako mu je otpor točan.

Detaljnije:
Otpornik od 100 Ω spojen je na 12 V. Struja kroz njega je:

Za usporedbu, otpornik od 220 Ω uz crvenu LED-icu na 5 V: na njemu je oko 3 V, struja je oko 14 mA, a snaga 3 V · 0,014 A ≈ 0,04 W, šest puta manje od 1/4 W. Otpornik za LED-icu možeš izračunati kalkulatorom otpornika za LED, a više o veličini otpornika piše u odjeljku Otpornici i snaga.

Nazivna snaga ne znači da otpornik ostaje hladan. Otpornik koji radi blizu nazivne snage može biti vruć i preko 100 °C, pa mu treba mjesta i zraka oko sebe.

Zabluda 17. Veći kondenzator je uvijek bolji

Istina: Kondenzator je kao kantica koja se puni strujom. Veća kantica se dulje puni i dulje prazni. Ako u sklopu u kojem LED-ica trepće kondenzator zamijeniš većim, LED-ica će treptati sporije. Veći kondenzator nije bolji, nego drukčiji.

Detaljnije:
Kad se kondenzator puni preko otpornika, brzinu punjenja određuje vremenska konstanta:

• 10 kΩ · 100 µF = 1 s,
• 10 kΩ · 220 µF = 2,2 s.

U tajmeru, filtru ili sklopu za treptanje zamjena kondenzatora zato mijenja vrijeme ili frekvenciju. Ni kod napajanja veći nije uvijek bolji: veliki kondenzator pri uključivanju povuče veliku struju dok se puni.

Kondenzator ima dva važna podatka, kapacitet (na primjer 100 µF) i najveći dopušteni napon (na primjer 16 V). Dopušteni napon mora biti veći od napona u sklopu, s rezervom. Viši dopušteni napon ne smeta, ali kondenzator je onda obično veći. Pri zamjeni pazi i na polaritet: elektrolitski kondenzator okrenut naopako ili spojen na previsok napon može se napuhati i puknuti (pogledaj Elektrolitski kondenzatori). Oznake na kondenzatorima možeš pročitati kalkulatorom kondenzatora.

Zabluda 18. Zavojnica je samo drukčija vrsta otpornika

Istina: Zavojnica je žica namotana u kolut. Kad kroz nju poteče struja, postane magnet (elektromagnet). Zavojnica ne voli promjene struje: kao teška kolica u dućanu, treba vremena da je pokreneš, a kad se kreće, teško ju je naglo zaustaviti. Na zavojnicama rade relej, motor i zvučnik.

Detaljnije:
Otpornik električnu energiju pretvara u toplinu. Zavojnica je pohranjuje u magnetskom polju i protivi se promjeni struje. Njezino glavno svojstvo je induktivitet L, mjeren u henrijima (H). Napon na zavojnici ovisi o tome koliko se brzo struja mijenja:

Stvarna zavojnica ima i otpor žice, ali to nije isto što i induktivitet. Ako zavojnicu releja izmjeriš multimetrom, pokazat će, na primjer, 70 Ω, ali to ne govori ništa o tome što se događa kad je isključiš.

A isključivanje je najopasniji trenutak. Struja kroz zavojnicu ne može naglo stati, pa je ΔI/Δt vrlo velik i na zavojnici na trenutak nastane napon od više desetaka ili stotina volti. On može uništiti tranzistor ili pin koji upravlja relejem ili motorom. Zato uz zavojnicu releja i uz motor stavljaš zaštitnu diodu, kao na shemi u zabludi 25.

Zabluda 19. Kondenzatori za odvajanje napajanja nisu potrebni

Istina: Čip ponekad u djeliću sekunde zatraži puno struje. Mali kondenzator tik uz čip je kao boca vode koju trkač nosi sa sobom: ne mora trčati do česme, nego odmah otpije. Bez njega čip ponekad radi, a ponekad se čudno ponaša ili se sam ponovno pokrene.

Detaljnije:
Odvojni (blokirni, engl. decoupling) kondenzator, obično keramički od 100 nF, stavlja se što bliže pinovima napajanja (VCC i GND) svakog čipa. Kad čip naglo zatraži struju, na primjer kad istodobno promijeni sve izlaze, dugi vodovi do napajanja ne mogu je dati dovoljno brzo. Žice imaju otpor i induktivitet, pa napon na čipu na trenutak padne ili zatitra. Kondenzator uz čip daje tu struju iz blizine. Kondenzator na drugom kraju breadboarda zato ne pomaže puno: između njega i čipa opet su duge žice.

• Arduino Uno i micro:bit već imaju odvojne kondenzatore na pločici. Trebaju ti kad na breadboard staviš samostalni čip, na primjer logička vrata 74HC08.
• Motori i releji stvaraju smetnje u napajanju. Ako se Arduino ponovno pokrene svaki put kad se motor uključi, uzrok je često pad napona. Pomažu odvojeno napajanje za motor, zajednički GND i kondenzatori.
• Vrijednost i položaj odvojnih kondenzatora piše u tehničkoj dokumentaciji čipa.

Sklop koji na stolu radi i bez njih nije dokaz da su nepotrebni. Takvi problemi pojavljuju se povremeno i teško ih je ponoviti, a to su najteže greške za pronaći.

Zabluda 20. Kod sklopki i releja važna je samo struja

Istina: Kad sklopka isključi struju, između njezinih kontakata na tren preskoči iskra. Sklopka mora biti napravljena tako da tu iskru ugasi. Zato na sklopki ili releju piše i struja i napon, i to posebno za različite vrste napona. Ista sklopka može sigurno uključivati jedno, a za drugo biti preslaba. Na radionici sklopkama i relejima uključuješ samo niske napone.

Detaljnije:
Na relejnim modulima za Arduino često piše 10A 250VAC i 10A 30VDC. Isti relej smije prekidati 10 A uz izmjenični napon (AC) do 250 V, ali uz istosmjerni (DC) samo do 30 V. Zašto?

Kad se kontakti razdvajaju, između njih nastane električni luk. Izmjenični napon iz mreže od 50 Hz prolazi kroz nulu 100 puta u sekundi (zelene točke na slici), pa se luk sam ugasi. Istosmjerni napon nikad ne padne na nulu, pa luk može gorjeti dulje, topiti kontakte i trošiti ih. Zato su dopuštene vrijednosti za istosmjerni napon niže.

Dopuštene vrijednosti vrijede za određenu vrstu tereta. Motori i žarulje pri uključivanju povlače višestruko veću struju, a zavojnice pri isključivanju stvaraju visok napon (zabluda 18), pa sklopka za njih smije manje. Pri izboru pogledaj cijelu tablicu u tehničkoj dokumentaciji, a ne samo najveći broj.

Sigurnost i zaštita

Zabluda 21. Velika struja nije opasna ako je napon nizak

Detaljnije:
Za strujni udar važan je napon: koža ima velik otpor, pa pri niskom naponu kroz tijelo teče vrlo mala struja. Za zagrijavanje vodiča važna je struja kroz njega:

• Baterija od 9 V koja dodirne čeličnu vunu može je zapaliti. Zato se baterije od 9 V čuvaju sa zaštitnom kapicom.
• Akumulator u automobilu ima samo 12 V, ali u kratkom spoju daje stotine ampera. Ključ koji spoji njegove polove užari se.
• Li-ion i LiPo baterije (u mobitelima i dronovima) mogu se u kratkom spoju napuhati i zapaliti.

Zato i u niskonaponskim sklopovima trebaju dovoljno debele žice, čvrsti spojevi i zaštita. Više o tome piše na stranici Kratki spoj.

Zabluda 22. Kad je uređaj isključen, siguran je

Istina: Neki dijelovi zadrže energiju i nakon isključivanja. Kondenzator je kao mali spremnik: napuni se dok je uređaj uključen i ostane pun i kad izvadiš bateriju. Zato nožice velikih kondenzatora ne diraj prstima ni metalom ni kad je sklop isključen.

Detaljnije:
Kondenzator nakon isključivanja zadrži napon na koji je bio napunjen, a prazni se polako, kroz vlastito curenje i kroz ono što je na njega spojeno. Energija spremljena u kondenzatoru je:

U uređajima koji se uključuju u utičnicu (napajanja, bljeskalice fotoaparata, mikrovalne pećnice) kondenzatori ostaju napunjeni na stotine, pa i tisuće volti, i dugo nakon što se uređaj izvuče iz utičnice. Zato takve uređaje nikada ne otvaraj.

Zabluda 23. Statički elektricitet ne može oštetiti elektroniku

Istina: Kad zimi dodirneš kvaku i osjetiš mali udar, to je statički elektricitet. Tebi takva iskra ne škodi, ali čip može oštetiti, čak i iskra koju uopće ne osjetiš. Zato prije rada dotakni metalni radijator, pločice drži za rubove i ne diraj nožice čipova.

Detaljnije:
Pri hodanju po tepihu ili skidanju vunene majice tijelo se može nabiti na nekoliko tisuća volti. Iskru osjetiš tek od otprilike 3000 V, a osjetljivi čipovi mogu se oštetiti i pri nekoliko stotina volti, pa i manje. Struja iskre je kratka i mala, pa tebi ne škodi, ali probija vrlo tanke izolacijske slojeve u čipu. Štetu ne vidiš uvijek odmah: čip može i dalje raditi, ali lošije, ili se pokvari mnogo kasnije.

Zaštita od statičkog elektriciteta (engl. ESD, electrostatic discharge):

• Prije rada dodirni uzemljeni metal, na primjer radijator.
• Pločice drži za rubove i ne diraj nožice čipova i konektore.
• Čipove i module čuvaj u antistatičkim vrećicama, srebrnkastim ili ružičastim.
• U profesionalnim radionicama koriste se antistatička narukvica i podloga spojene s uzemljenjem.

Pinovi Arduina i micro:bita imaju zaštitne diode, koje podnose manje iskre, ali nisu neuništivi.

Zabluda 24. Osigurač štiti od svakog kvara

Istina: Osigurač reagira samo na jednu stvar: preveliku struju. Kad struja postane prevelika, osigurač pregori i prekine strujni krug. Ako se uređaj pokvari na drugi način, na primjer otpadne žica ili pregori LED-ica, osigurač to ne primijeti i ostane čitav. A kad osigurač pregori, to znači da je negdje kvar, koji treba pronaći.

Detaljnije:
Osigurač štiti žice, izvor napajanja i okolinu od pregrijavanja i požara. Osjetljive dijelove ne štiti: tranzistor, LED-ica ili pin mikrokontrolera pregore u djeliću sekunde, brže nego što se rastali žica u osiguraču. Osigurač ni ne reagira odmah. Što je struja veća, brže pregori, a struja malo veća od nazivne može teći dugo i grijati sklop, a da osigurač ne pregori. Zato postoje brzi i tromi osigurači, za različite namjene.

Mnogi kvarovi uopće ne povećavaju struju: prekinut spoj, loš kontakt, pogrešan program, neispravan senzor. Tada je osigurač čitav, a uređaj ne radi.

Kad osigurač pregori:

1. Pronađi uzrok: kratki spoj, preopterećenje ili neispravnu komponentu.
2. Osigurač zamijeni novim iste vrijednosti i vrste. Takav osigurač ima i multimetar na mjerenju struje (pogledaj Mjerenje struje).

Zabluda 25. Pin mikrokontrolera može izravno pokretati svaki potrošač

Istina: Pin Arduina može upaliti LED-icu, ali motor ne može. Pin je kao osoba koja pritisne prekidač: daje znak, ali ne može sama nositi težak teret. Za motor, relej ili jaku lampu treba pomoćnik, tranzistor, koji uključuje struju iz jačeg izvora napajanja.

Detaljnije:
Pin Arduina Uno smije dati oko 20 mA (apsolutni maksimum je 40 mA), a svi pinovi zajedno oko 200 mA. Mali motor pri radu uzima stotinjak ili nekoliko stotina mA, a pri pokretanju i više. Zavojnica releja od 5 V uzima 70 do 90 mA. Spojen izravno na pin, takav potrošač preoptereti pin i može ga trajno oštetiti, a smetnje motora mogu ponovno pokrenuti mikrokontroler.

Ispravan spoj (desno na slici):

• Pin preko otpornika (na primjer 1 kΩ) upravlja bazom tranzistora NPN. Kroz pin teče samo oko 4 mA.
• Tranzistor uključuje struju motora iz izvora napajanja.
• Dioda uz motor štiti tranzistor od napona koji nastane pri isključivanju (zabluda 18).
• Motor je najbolje napajati iz posebnog izvora, uz zajednički GND svih dijelova.

Za veće struje koriste se MOSFET-i i gotovi driveri za motore, ali princip je isti. Tranzistorom kojim upravlja pin Arduina upravljaš LED-icom u lekciji Arduino - korak po korak. Pravila za pinove su i na stranici Kratki spoj.

Zabluda 26. Temperatura je važna tek kad komponenta pregori

Istina: Toplina mijenja kako dijelovi rade, puno prije nego što se pokvare. Mobitel na hladnoći prije pokaže praznu bateriju, a vrući procesor u računalu uspori da se ne pregrije. Zato dijelovi koji se griju trebaju zraka oko sebe.

Detaljnije:
Gotovo svako električno svojstvo ovisi o temperaturi:

• Pad napona na silicijskoj diodi i LED-ici smanji se za oko 2 mV za svaki stupanj zagrijavanja.
• Baterije na hladnoći daju manje struje i manje energije.
• Otpor bakrene žice raste za oko 0,4 % po stupnju.
• Termistor to koristi namjerno: otpor mu se s temperaturom jako mijenja, pa služi kao senzor temperature.

Toplinu možeš izračunati. Linearni regulator napona 7805, koji od 12 V napravi 5 V uz struju od 0,5 A, razliku napona pretvara u toplinu:

Hladnjak ne smanjuje toplinu koja nastaje, samo je lakše odvodi, i to samo ako je dobro pričvršćen i ima zraka oko sebe. Ponekad je bolje rješenje da topline bude manje, na primjer preklopni regulator umjesto linearnog.

Od sheme do uređaja

Zabluda 27. Ako sklop ne radi, shema je pogrešna

Istina: Shema je kao recept. Ako kolač ne uspije, recept je možda dobar, ali je jaje ostalo u hladnjaku ili su se zamijenili sol i šećer. Kad sklop ne radi, greška je najčešće u spajanju: nožica u krivom retku breadboarda, okrenuta LED-ica ili žica koja ne drži.

Detaljnije:
Shema pokazuje kako bi dijelovi trebali biti spojeni, a ne kako su stvarno spojeni. Prije nego što posumnjaš u shemu, provjeri:

• spojeve, redak po redak, i označi kvačicom na isprintanoj shemi svaki provjereni spoj,
• loše kontakte na breadboardu i žice koje su ispale,
• vrijednosti komponenti: otpornici od 220 Ω i 22 kΩ razlikuju se samo u jednom prstenu,
• raspored nožica: tranzistori BC547 i 2N2222 u istom kućištu imaju nožice obrnutim redom (BC547: C, B, E; 2N2222: E, B, C), pa zamjena jednog drugim bez prespajanja ne radi,
• napajanje: je li uključeno, ima li pravi napon i je li GND zajednički,
• komponente koje su možda neispravne.

Multimetrom najprije izmjeri napajanje, a zatim slijedi signal od ulaza prema izlazu. Više savjeta je u odjeljcima Najčešće greške i Kad sklop ne radi.

Zabluda 28. Simulacija savršeno predviđa ponašanje sklopa

Istina: Simulator, kao onaj u MakeCodeu, odlično služi da isprobaš ideju. Ali on ne zna da se žica izvukla, da je baterija slaba ili da je LED-ica okrenuta naopako. Program koji radi u simulatoru zato uvijek isprobaj i na pravom micro:bitu ili Arduinu.

Detaljnije:
Simulator računa ponašanje modela koji mu zadaš. Ako model ne sadrži neku pojavu, ni rezultat je neće pokazati. Često nedostaju otpor kontakata i žica, unutarnji otpor baterije, smetnje, zagrijavanje, tolerancije komponenti, a ponekad i ograničenje struje pinova.

Moguće je i obrnuto: simulacija pokaže problem kojeg u stvarnom sklopu nema, zbog krivih postavki ili prejednostavnog modela.

Simulacija je odličan alat za razumijevanje i provjeru ideje, ali ne zamjenjuje mjerenje na stvarnom sklopu.

Zabluda 29. Ako je sklop jednom proradio, posao je gotov

Istina: Kad sklop prvi put proradi, to je velik uspjeh, ali tek početak. Papirnati avion koji je jednom lijepo poletio ne mora letjeti i po vjetru. Pravi uređaj mora raditi svaki put: kad ga nosiš u torbi, kad je baterija napola prazna i kad netko pritisne krivu tipku.

Detaljnije:
Uspješan pokus na stolu dokazuje da sklop može raditi u tim uvjetima. Prototip potvrđuje ideju, a pouzdan uređaj mora podnijeti uvjete u kojima će se stvarno koristiti:

• drukčije napajanje: slabiju bateriju, dulji kabel, drugi punjač,
• smetnje od motora, releja i drugih uređaja,
• temperaturu: sunce, hladnoću, zatvorenu kutiju bez zraka,
• vibracije i nošenje: spojevi na breadboardu se olabave, zato se gotovi uređaji leme,
• korisnike koji rade neočekivane stvari: dvaput pritisnu tipku, pritisnu je dok se uređaj pokreće ili izvuku kabel.

Zato gotov uređaj testiraj dulje i u različitim uvjetima, i namjerno ga pokušaj pokvariti. Svaka greška koju pronađeš prije korisnika je dobra greška. Kako sklop s breadboarda postaje gotov uređaj, možeš vidjeti u našim projektima.

Od pojednostavljenja do stvarnog sklopa

Većina ovih zabluda nastaje kad korisno pojednostavljenje pretvoriš u pravilo koje vrijedi uvijek. Za prve izračune pretpostaviš idealnu žicu, stalan napon baterije ili pad napona na diodi od točno 0,7 V. To je u redu, sve dok ne zaboraviš da je to bila pretpostavka.

Zato je najvažnija navika u elektronici provjera: provjera pretpostavki, tehničke dokumentacije, spojeva i rezultata mjerenja. Kad se stvarni sklop ne ponaša kao tvoj model, to nije samo prepreka. To je prilika da otkriješ što model nije obuhvatio i da sljedeći sklop napraviš bolje.

Što smo naučili?

• Otpornik ne troši struju, nego je ograničava. Energija se na njemu pretvara u toplinu.
• Elektroni se kroz žicu kreću sporo, a promjena se širi gotovo brzinom svjetlosti.
• Struja ide svim granama, a ne samo onom najmanjeg otpora.
• Baterije spojene serijski zbrajaju napon, a paralelno traju dulje. mAh govori koliko dugo baterija traje, a ne koliko je jaka.
• Uređaj uzima onoliko struje koliko mu treba, ali napon izvora mora odgovarati uređaju.
• Masa (0 V) je točka koju odabereš kao referencu. Uzemljenje je nešto drugo.
• Logičke razine su područja napona, a razlikuju se između uređaja (5 V i 3,3 V). Nespojeni ulaz čita nasumično, pa treba pull-up ili pull-down otpornik.
• analogWrite() daje PWM, brzo uključivanje i isključivanje, a ne miran napon.
• LED-ica nema stalan otpor. Svaka LED-ica treba svoj otpornik, a svejedno je je li ispred ili iza nje.
• Stvarne komponente imaju tolerancije i ovise o temperaturi, a otpornik ima i nazivnu snagu.
• Pin mikrokontrolera daje signal, a motore i releje uključuje tranzistor.
• Osigurač štiti od prevelike struje, a ne od svakog kvara.
• Kondenzator može ostati napunjen i nakon isključivanja, a statički elektricitet može oštetiti čip.
• Shema, simulacija i prvi uspješan pokus početak su provjere, a ne njezin kraj.

Mali kviz

Naprednija pitanja

Razgovaraj na Discord-u. (pridruži se)