Rezistor

V předešlé lekci jsme si řekli, co je to elektrický měrný odpor a nyní bychom potřebovali s touto veličinou pracovat v elektrickém obvodu. Součástkou, která nám toto umožní je rezistor – lidově také nazývaný odpor.

Různé typy rezistorů

Rezistor je součástkou díky které můžeme v obvodu nastavit přesnou hodnotu odporu, někdy dokonce můžeme uživateli umožnit, aby mohl plynule regulovat velikost odporu (například, když zvyšuje, nebo snižuje hlasitost zvuku z reproduktoru). Součástka, která umožňuje regulaci odporu v obvodu se říká různými způsoby – reostat, potenciometr, nebo třeba trimr.

Rentgen rezistoru

Co se týče konstrukce rezistoru, tak dva hlavní typy jsou drátový a vrstvový. V podstatě je vždy základním principem postavit do cesty elektrickému proudu nějaký materiál, kde jsme schopní pomocí konstrukce, nebo přímo volbou materiálu na malém prostoru generovat přesně daný měrný elektrický odpor.

  • vrstvový rezistor – na keramickém jádru je nanesena vrstva buď vrstva uhlíku, nebo napařeného kovu (ve kterém ještě mohu být vyfrézovány drážky). Tato vrstva má přesně daný odpor a jsou s ní vodivě spojeny vývody rezistoru
  • drátový rezistor – na jádro se namotá spirála z odporového drátu. Výhodou je, že délkou drátu můžeme poměrně přesně určit hodnotu elektrického odporu rezistoru. Na oba konce odporového drátu jsou připojeny vývody rezistoru.

Boffin a rezistory

V Boffinu naleznete celkem pět rezistorů (žluté součástky R1 – R5) a jeden potenciometr (zelená součástka RV).

Boffin – rezistory

Na pouzdře je kromě hodnoty odporu ještě schematická značka rezistoru (to je taková ta podivná červená kresba).

Pro zajímavost je dobré zmínit fakt, že schematická značka odporu je jiná v Evropě a jiná v USA. Takže ta podivná kresba na pouzdru se součáskou je vlastně americká verze této schematické značky.

Schematická značka rezistoru

Pokud si pozorně prohlédnete pouzdro naleznete na něm, kromě schematické značky, i nadepsanou hodnotu rezistoru. Základní jednotka elektrického odporu se nazývá 1 ohm a značí se velkým písmenem z řecké abecedy – omega (Ω). Podle definice je jeden ohm hodnotou odporu, kterou získá předmět, kterým protéká elektrický proud o velikosti jedné ampéry při napětí jednoho voltu.

Aby bylo jednodušší zapisování hodnot odporu a aby nebylo třeba zapisovat hrozně dlouhá čísla (která by se třeba ani nevešla na pouzdro rezistoru) používají se pro zápis zkratky (viz následující tabulka).

PředponaZnačkaNásobekZápisPříklad
teraT1 000 000 000 000TΩ – teraohm6 800 000 000 000 Ω = 6.8 TΩ
gigaG1 000 000 000GΩ – gigaohm3 300 000 000 Ω = 3.3 GΩ
megaM1 000 000MΩ – megaohm15 000 000 Ω = 15 MΩ
kilok1 000kΩ – kiloohm47 000 Ω = 47 kΩ
1Ω – ohm100 Ω
milim0,001mΩ – miliohm0,027 Ω = 27 mΩ
mikroµ0,000 001µΩ – mikroohm0,000 082 Ω = 82 µΩ
nanon0,000 000 001nΩ – nanoohm0,000 000 056 Ω = 56 nΩ
tabulka zápisu hodnoty odporu

Úkol: Zjistěte podle popisku na pouzdrech součástek, jak velké odpory jsou v sadě Boffinu (R1-R5) a zkuste si to číslo napsat na papír se všemi nulami.

Když si dobře prohlédnete obrázek s rezistory v úvodu článku zjistíte, že na pouzdrech součástek je přímo vypsaná hodnota odporu. Co mají ale výrobci dělat, když je pouzdro rezistoru tak malé, že by se hodnota na něm vypsaná dala přečíst pouze pod mikroskopem? I pro tento případ máme nějakou tu chytrou vymoženost a tou vymožeností je systém barevných proužků, které jsou na rezistorech natištěny.

Značení rezistorů pomocí barevných proužků

Úkol: Prohlédněte si různé proužky na rezistorech a zkuste určit, jakou má podle těchto proužků hodnotu. Svůj odhad si zkontrolujte přeměřením hodnoty odporu součástky.

Rezistory v projektech z Boffinu

Když jsem chtěl využít nějaké projekty z projektové databáze Boffinu, abych dětem demonstroval funkcionalitu rezistoru v praxi, rychle jsem zjistil, že nic takového v projektových knihách není. Ne že by Boffini odpory ve svých obvodech nepoužívali, to ne. Pouze nebyly k dispozici obvody, které by demonstrovaly, jak rezistory v zapojeních fungují. Nezbylo, než si takové zapojení sestavit sám, takže zde jsou.

Demonstrace zeslabení elektrického proudu na rezistorech různých hodnot

Následující zapojení nám na intenzitě svitu LED diody demonstruje jak se projevují rezistory různých hodnot v obvodu.

Projekt Boffin – zeslabování toku elektrického proudu v závislosti na různých hodnotách rezistoru

Na tomto zapojení lze dětem krásně demonstrovat, jak může velikost odporu pomocí různých hodnot rezistoru ovlivnit sílu elektrického proudu. Kablík, který je připojen k LED diodě je sondou, kterou je možné se dotýkat vývodů čtyř rezistorů (R2 – R5). Tyto rezistory jsou seřazeny podle velikosti (1000Ω>5100Ω>10000Ω>100000Ω). U každého odporu svítí LED dioda jinou intenzitou a lze tak názorně poukázat na snížení elektrického proudu po průtoku daného rezistoru.

Demonstrace chování rezistorů v sérii

Důležitou znalostí je znalost chování rezistorů (co se stane s hodnotou odporu) pokud je zapojíme sériově, nebo paralelně. V Boffinu lze pomocí zapojení rezistorů sestavovat různé hádanky. Hádanka u tohoto zapojení zní: která LED dioda bude svítit, stiskneme-li tlačítko.

Projekt Boffin – hodnota odporu v sériovém zapojení

V sériovém zapojení se hodnota rezistorů, které jsou zapojeny v sérii za sebou prostě jen sčítá, tudíž sečteme-li hodnotu rezistorů, bránících průtoku proudu na LED diody zjistíme že LED na součásti D1 je předřazen odpor 16,1 kΩ (16100Ω) a LED na součásti D2 je předřazen odpor 100kΩ (100000). Děti často zachytí pouze větší počet rezistorů v sérii a domnívají se, že odpor musí díky tomu být vyšší. V takto vyrobeném obvodu se rozsvítí LED na D1.

Výpočet hodnoty odporu podle zapojení rezistoru v obvodu

Demonstrace chování rezistorů v paralelním zapojení

Jak z obrázku nad tímto odstavcem vyplývá hodnoty odporů, pokud jsou zapojeny paralelně se nesčítají přímo, ale pomocí výrazu. Což je problém, protože děti 1 – 3 třída, pro které je tento typ výuky koncipován samozřejmě ještě tento typ výpočtu nejsou schopny zvládnout, protože jim chybí znalosti početních operací se zlomky.

Projekt Boffin – hodnota odporu v paralelním zapojení

Přesto si myslím, že na jakési “pocitové” rovině jsou schopny pochopit, že při jiném typu zapojení se obvod chová jinak. Obvykle jim vše prezentuji analogií na různě širokých potrubích s různým průtokem, které se v určitém místě rozpojují – potůčky vody se rozdělují a protékají (tu větším proudem, tu menším podle průřezu trubky) a pak se zase v nějakém uzlu spojují. Takže čím širší průřez trubky je v celé takové sestavě zapojený, tím větší průtok vody nakonec.

Na obvodu sestaveném z Boffina lze toto tvrzení dokázat postupným odebíráním rezistorů s nižšími hodnotami (analogicky odebíráním trubek s větším průřezem/průtokem vody). Obvod reaguje postupným pohasínáním LED na modulku D1 = průtok elektrického proudu se vlivem vyššího odporu zbylých rezistorů snižuje. S rezistorem 100kΩ většinou ani nestačí na rozsvícení LED.

Tip: Tyto typy obvodů lze vhodně kombinovat s prací s multimetrem a naučit děti zároveň měřit odpor.

Projekt – výroba rezistoru

Rezistor so můžete podomácku s dětmi vyrobit i pomocí tužky (č.1) a kousku papíru. Ale my na to půjdeme přeci jenom trošku sofistikovaněji a zároveň zkusíme dětem podsunout i trochu té užitečné matematiky.

Drátové rezistory a špulky odporového drátu

Jedním z typů rezistorů jsou druhy, které souhrnně nazýváme drátové. V podstatě se vždy jedná o odporový drát namotaný na nějakém nosiči. Tato “špulka” drátu má přesný odpor, díky kterému s takovýmto rezistorem můžeme dál pracovat přímo v obvodu. Odporový drát, který je k tomuto projektu potřebný, je běžně k sehnání (cívka drátu za pár stovek). Já při svém projektu použil odporový drát z Kanthalu D. Má průměr 0.3 mm (jsou samozřejmě k sehnání i další průměry, ale tento se dobře se ohýbá a má vyšší odpor na metr). Metr tohoto drátu má odpor 19,1Ω. Lze tedy snadno spočítat kolik drátu budeme potřebovat na odpor o hodnotě třeba 50Ω, drát uštípnout a namotat na nějakou konstrukci.

Projekt rezistor – rezistor o odporu 50Ω

Výpočet je celkem jednoduchý – Délka potřebného drátu [m] = požadovaný odpor [Ω] / výrobcem deklarovaný odpor na metr. V mém případě tedy 50/19,1 z čehož mi vyšla výsledná délka 2,617m kanthalového drátu. Drát je poněkud tužší a trošku pruží, improvizovaně jsem jej namotal na kontaktní pole a oba konce odporového drátu vsunul do zdířky pole (snadněji se pak měřila výsledná hodnota). Ideální je, když se závity nedotýkají. Na koncích jsem naměřil kolísající hodnotu (zřejmě vliv přechodového odporu elektrody a drátu) cca 47 -55Ω, což jsem zprůměroval a prohlásil projekt za úspěšný :-).

Tip č. 1: Zkuste navrhnout vlastní nosnou konstrukci pro váš vlastní drátový rezistor.

Tip č.2: Pokud necháte děti navíjet vlastní rezistory nezadávejte jim zbytečně vysoké hodnoty požadovaného rezistoru. Jednak spotřebují zbytečně hodně odporového drátu a za druhé se jim s více než metrem drátu bude obtížně manipulovat (drát se velmi rád smyčkuje a cuchá :-)).

Výukové karty ke stažení

Grafika z článku ke stažení – upravená pro tisk výukových karet určených k zatavení do plastu.

Prezentační karty se schematy zapojení pro Boffin

Prezentační karty s grafikou z lekce

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *