Elektrický obvod je konstrukce, kterou vytvoříme z vodičů, kterými propojujeme další elektrické součásti obvodu. V projektech pro Boffin můžeme za obvod označit v podstatě jakékoliv zapojení, které nám Boffinové předkládají. Problémem ale je, že jsou většinou tyto obvody natolik složité, že se na nich moc nedají demonstrovat takové ty klasické součásti obvodu, které jsou pro začínající kutily právě důležité. Touto lekcí se pokouší m tento nedostatek odstranit.
Součásti elektrického obvodu
Elektrický obvod má jisté typické součásti, bez kterých elektrický obvod není elektrickým obvodem. Jejich popisem a tím, že si děti uvědomí, které fyzické součástky jsou kterými částmi elektrického obvodu dosáhneme pozdější samostatné práce s elektrickými konstrukcemi.
Projekt Boffin – jednoduchý elektrický obvod
Zdroj
Zdroj elektrického proudu a napětí je asi nejdůležitější součástí elektrického obvodu. Bez zdroje by námi sestavený obvod byla jen hromádka „mrtvých“ součástek a vodičů, která by nic nedělala (a tudíž by nás nezajímala a všeobecně by by byla k ničemu :-)). O zdrojích el. energie si popovídáme později podrobně v jiné lekci. Každopádně zdrojem rozumíme součástku, nebo zařízení, které je schopné na výstupech udržet náboj o různém potenciálu a také mezi těmito výstupy vést po nějakou dobu elektrický proud (dle kapacity a tvrdosti zdroje).
Povídání: Jaké znáte zdroje elektrické energie?
Spotřebič
Elektrický spotřebič je kupodivu také velmi důležitou součástí elektrického obvodu. Spotřebovává totiž elektrický proud. Bez spotřebiče by při uzavřeném elektrickém obvodu (uzavřený elektrický obvod: všechny spínače sepnuty = volný tok elektronů) došlo velmi rychle k nekontrolovatelnému toku el. proudu mezi výstupy zdroje – tzv. zkratu. Elektrický proud by velmi rychle proudil mezi výstupy zdroje a vyrovnával elektrický potenciál. Takto rychlé vyrovnání elektrického potenciálu by se ale neprojevilo jen tak. Většinou při zkratu dochází k poškození zdroje a dalších součástek v obvodu. Baterie vyteče a začne se z ní kouřit (a můžeme jí vyhodit). Může se projevit u vyšších proudů a napětí el. výboj (když se snažíme přerušit obvod). Nebo například mohou začít vlivem velkého protékajícího proudu hořet vodiče (takhle vznikají požáry elektroinstalace). U Boffina naštěstí takto dramatické projevy zkratu nehrozí (protože používáme bezpečné napětí), ale faktem je, že baterii si při zkratu zničit můžeme.
Z toho vyplývá, že zkrat je velmi nežádoucí jev a spotřebič, který spotřebovává el. proud vlastně dokáže regulovat i jeho tok a chrání tak celý obvod. Spotřebičem může být v elektrickém obvodu i rezistor.
Povídání: Jaké znáte spotřebiče elektrické energie?
Vodič
Představte si, že byste byli mlynáři s mlýnem, který by nestál na řece (pokud by se tedy nejednalo o větrný mlýn :-)). Zkrátka, vodní mlýn, proto aby plnil svůj účel – mlel obilí, musí být propojený s řekou vodním korytem. S elektrickým obvodem je to to samé. Jednotlivé součástky musí být vodivě propojeny, aby měl proud kudy protékat mezi výstupy zdroje. V praxi propojujeme součástky kovovými materiály, které vedou dobře elektrický proud – jsou vodivé. V Boffinu úplně stejně fungují nacvakávací proužky s patentkami, které propojují obvod. Kdybychom je rozebrali, nejspíše bychom vevnitř našli nějaký ten drát, kterým může elektrický proud protékat.
Úkol: Ukaž na sestaveném obvodu na vodiče, kudy asi tak teče elektrický proud.
Regulační prvek
Přísně vzato, regulační prvky v obvodu, tak jak je mám na mysli, nejsou úplně tou nejzákladnější součástí elektrického obvodu. Ale jsou velmi důležité a proto je zde také zmíním. Regulačními prvky myslím různá tlačítka, nebo spínače, které jsou v obvodu zařazené. Prostě prvky, které umí cíleně propojovat elektrický obvod ve chvíli, kdy se nám to hodí.
Úkol: Zkus přijít na to, jaký je rozdíl mezi tlačítkem a spínačem.
Úkol: Tento úkol je možné pojmout, jako soutěž s různými elektrickými obvody. Úkolem je co nejrychleji ukázat jednotlivé součásti elektrického obvodu.
Schéma elektrického obvodu
Dnes, kdy je používání elektrické energie natolik rozšířeno, že si bez elektřiny umíme představit jen velmi málo oblastí lidského života je také spousta lidí, kteří se zabývají sestavováním elektrických obvodů. A elektrické obvody umí být velmi složité. Proto si elektrikáři předávají elektrické obvody pěkně nakreslené ve schématech (schéma – zjednodušená kresba zapojení). Ve schématech je zakreslené zapojení složitých elektrických obvodů a to včetně součástek obvodu a vodičů, které tyto součástky propojují.
My si tak trochu zahrajeme na elektrikáře a zkusíme si takový elektrický obvod nakreslit do schématu a pak podle zakresleného schéma i zapojit.
Součástky v Boffinu a schematické značky
Vodiče mezi součástkami se kreslí jednoduchou černou čárou, stejně, jako máte na obrázku. Propojují schematické značky. Tam kde je uzel, což znamená, že se tam více vodičů spojuje se do místa spoje kreslí černý puntík. Součástky se nijak puntíky s vodiči nepropojují, prostě jen hladce naváží na nakreslené vodiče. Svorky, nebo zakončení vodičů (například u zdroje) se kreslí prázdným kolečkem. (příklad viz. následující obrázek).
Přehledná tabulka většiny součástek v základní sadě Boffina
| Součástka | Schematická značka | Popis součástky |
 |  | B1 – baterie – zdroj el. napětí. Na obrázku je značka pro jeden monočlánek. Pokud má baterie více článku, rozšiřuje se značka podle počtu článků |
 |  | S1 – spínač |
 |  | S2 – tlačítko – jedna z mnoha variant |
 |  | L1 – žárovka na 3V L2 – žárovka na 6V |
 |  | D1,D2 – svítící LED diody |
 |  | R1 – R5 – rezistory, hodnota rezistoru napsaná na krytu |
 |  | RV – potenciometr/trimr – regulovatelný odpor |
 |  | C1 – C5 – kondenzátor, hodnota napsaná na krytu, pokud je na krytu napsáno + je třeba si pohlídat polaritu |
 |  | M2 – analogový měřící přístroj – podle zapojení a použití chápeme měřící přístroj buď jako ampérmetr (pak má uvnitř písmeno A), nebo jako voltmetr (pak má uvnitř písmeno V) |
 |  | M1 – stejnosměrný motorek – univerzální značení, které může být upřesněno podle typu motoru |
 |  | Q1,Q2 – tranzitor (typ PNP a NPN) – typy rozlišujeme podle umístění šipky |
 |  | SP – reproduktor |
Tip: Pokud se kouknete na plastová pouzdra modulů, často na nich můžete pozorovat potisk se stylizovanou schematickou značkou.
Úkol: Vyber si kterýkoliv z projektů, které Boffin nabízí a zkus nakreslit podle tohoto projektu elektrické schéma obvodu.
Paralelní a sériové zapojení
V elektrických obvodech, pokud jsou sestaveny z více součástek, můžeme vysledovat dvě základní varianty zapojení součástek. Tyto dvě varianty mohou pouze tím, jak jsou zapojeny ovlivnit výkon a vlastnosti celé soustavy. Můžeme si to ukázat na způsobu, jakým zapojíme třeba dvě skupiny baterií.
Sériové zapojení – zapojení součástek v obvodu v řadě za sebou – v sérii
Paralelní zapojení – zapojení součástek vedle sebe – paralelně
Součástky nemusí být zapojeny čistě pouze v sérii, nebo paralelně. Mnohem častěji se zapojení součástek kombinuje a vznikají různé sério-paralelní kombinované obvody. Jak to ale funguje, pokud zapojíme sériově, nebo paralelně třeba bateriové zdroje?
Baterie paralelně, nebo v sérii?
Zkusíme si sestavit první zkušební obvod ze stavebnice Boffin:
Tento obvod je jednoduchý. Spínačem můžeme otevřít tok elektronů mezi póly baterie (dva monočlánky). Jestli se vám zapojení bude chovat stejně jako mě, tak se motorku moc do otáčení chtít nebude (když mu trošku pomůžete rukou, tak se možná začne otáčet, ale nesnese velkou zátěž). Pouštíme totiž do obvodu napětí 3V a velmi slabý proud z baterek.
Zkusme si, co se změní, pokud do obvodu přidáme paralelně další zdroj z baterií:
Obvod jsem rozšířil o jednu baterii, kterou jsem připojil paralelně. Když si přeměřím napětí, které z baterií vychází, zjistím, že výsledek činí 3V (což je z hlediska motorku poměrně malé napětí na vybuzení. Motorek je proto stejně líný, jako při předchozím zapojení a to i když se proud paralelně zapojených baterií sčítá.
Zbývá nám ale ještě třetí boffo-pokus se zapojením baterií do série:
Po aktivaci spínače zjistíme, že se motorek vesele rozbíhá a nemusíme mu nijak pomáhat. Zapojení do série je tedy to pravé. Zapojíme-li baterie do série za sebou, tak jak vidíme na obrázku, jejich výsledné napětí je součtem napětí obou baterií. Výsledné napětí je po součtu 3V + 3V = 6V, což vinutí motorku dokáže optimálně vybudit.
Vlastnosti součástek zapojených paralelně, nebo v sérii
I další vlastnost součástek zapojených v obvodu pro nás může být zajímavá, například to jestli, pokud jí vyjmeme z obvodu, budou zbylé součástky v obvodu nějak pracovat, nebo ne. Myslím, že by mohl pomoci praktický pokus, zkuste si zapojit dva následující obvody a zkuste, jestli bude zbytek obvodu funkční, pokud z něj vyjmete nějakou součástku.
Úkol: Zapojte obvod se sériovým zapojením součástek a nakreslete jeho schéma
Úkol: Zapojte obvod s paralelním zapojením součástek a nakreslete jeho schéma
Výukové karty ke stažení
Grafika z článku ke stažení – upravená pro tisk výukových karet určených k zatavení do plastu.