Aktív és passzív áramköri elemek

A fejezet tartalma:

• Aktív alapelemek
  • 
    
  • A feszültséggenerátor
  • Az áramgenerátor
• Passzív elemek
  • Az ellenállás
  • A kondenzátor
  • Az induktivitás
  • Az ideális vezeték
  • Az ideális szakadás
  • Kapcsolók és nyomógombok
  • Az áramkör

Az elektromos jelenségek legáltalánosabb törvényszerűségeit a fizika egyik ága, a villamosságtan vizsgálja. Az elektromos energia előállításával, továbbításával és különböző technikai eszközökben történő hasznosításával az elektrotechnika és az abból kifejlődött különböző villamos szaktudományok (pl. teljesítményelektronika, digitális technika, híradástechnika, mikroelektronika, stb.) foglalkoznak.

Az elektrotechnika két fő részterületből áll:

• gyengeáramú technika, amely az elektromos áram jeltovábbító képességével foglalkozik (pl. távközléstechnika).
• erősáramú technika, amely az elektromos áram energiájával (pl. elektromotorok, transzformátorok, erősáramú kapcsolók stb. alkalmazása)

Az elektronika a „gyengeáramú technika” azon része, amely nem az energia előállításával, illetve felhasználásával, hanem az információt tartalmazó jelek előállításával foglalkozik. Ide tartozik a rádió, a televízió, a telefonok, a mikrofonok és hangszórók, erősítők, vezérlő és szabályzó áramkörök, a logikai áramkörök, mikrovezérlők stb. Természetesen az egyes területek nem határolódnak el egymástól élesen.

Az elektrotechnikában a villamos hálózatok alapelemeit két csoportra oszthatjuk, aktív és passzív alapelemekre.

Az elektronikban azonban bonyolultabb a rendszerezés, mert abban megjelennek a speciális karakterisztikával rendelkező elemek (pl. diódák), az erősítésre alkalmas eszközök (pl. tranzisztorok), a valamilyen fizikai jelet elektronikus jellé alakító szenzorok, valamint a különféle analóg, illetve digitális integrált áramkörök.

Az alábbiakban csak a villamos hálózatok alapelemeit vesszük sorra, az elektronikában használt speciális elemekkel a későbbi fejezetek során foglalkozunk majd.

Aktív alapelemek

Az aktív alapelemeket generátoroknak nevezzük (a generál szó jelentése: létrehoz, támaszt, előidéz, gerjeszt, termel, fejleszt, előállít). A generátorok a felhasznált vagy valamilyen módon befektetett energiát villamos energiává alakítják át úgy, hogy közben töltésszétválasztást végeznek. Egyszerű töltésszétválasztó eszköz például a kémiai elven működő szárazelem vagy az akkumulátor, a fizikai elven működő hőelem vagy a fényelem.

A feszültséggenerátor

A feszültséggenerátor rajzjele az 1. ábrán látható. A feszültséggenerátor kapcsain mindig U_g feszültség esik.
Némi elhanyagolással feszültséggenerátornak tekinthető a kísérleteinkhez használt 9 V-os elem, az (előzőleg feltöltöttÍ) akkumulátorok, a számítógép USB csatlakozóját tápláló 5 V-os tápegység, vagy a stabilizált kimenetű hálózati adapterek (dugasztáp). Az elhanyagolás alatt itt azt értjük, hogy eltekintünk az áramforrásaink belső ellenállásától (melynek hatására például a terhelés hatására a 9 V-os elem kapcsain mérhető feszültség lecsökken), illetve korlátaitól (például az USB csatlakozóból nem vehetünk ki 0.5 A-nél nagyobb áramot).

Az áramgenerátor

Az áramgenerátor rajzjele a 2. ábrán látható. Az áramgenerátoron mindig I_g áram folyik.
Áramgenerátorokkal áramstabilizáló szabályozó áramkörök formájában találkozunk. Egyszerűbb esetekben áramgenerátor helyett egy feszültséggenerátort és a fogyasztóval sorbakötött áramkorlátozó ellenállásokat használunk, amivel az átfolyó áram értékét az előírt határérték alatt tarthatjuk.

Megjegyzés: Ügyeljünk a szóhasználatra! Az áram "folyik", a feszültség "esik"...

Passzív elemek

A villamos hálózatok passzív elemei között egyenáramú hálózatokban csak az ellenállás fordul elő általános elemként. Impulzusüzemű elektronikai áramköröknél és a be-, illetve kikapcsolási tranziensek tárgyalásáná azonban nem hagyható figyelmen kívül a kondenzátorok és az induktivitások (tekercsek) szerepe sem. Emellett meg kell említenünk két különleges elemet, az ideális vezetéket és az ideális szigetelést.

Az ellenállás

Az ellenállás rajzjelét a 3. ábrán láthatjuk. Az ellenállás R betűjele a résistance (francia), resistor (angol) elnevezések kezdőbetűjéből származik, amelyek közös gyökere a latin resistere (ellenállni) ige.





A feszültséget és az áramot ellenálláson azonos irányításúra szokás felvenni. Az ellenálláson eső feszültség és a rajta átfolyó áram kapcsolatát Ohm törvénye írja le, melyet a következő fejezetben tárgyalunk.

Az ellenállás jele: R

Az ellenállás mértékegysége: ohm, mértékegységének jele: Ω. Azt mondjuk, hogy egy huzal (vagy bármely kétpólus) ellenállása 1 Ω, ha a rajta átfolyó 1 A nagyságú áram hatására 1 V feszültség esik rajta.

Az ellenállás színkódok
A rétegellenállások értékének jelölésére a nemzetközileg egyszéges színkódos jelölést vezették be, amely lehet 4-, 5- vagy 6-sávos. A leolvasás megkönníytésére az alábbi táblázatot is használhatjuk, de Android okostelefonokra az ElectroDroid ingyenes alakalmazást is letölthetjük, amely a színkódok "megfejtésén" kívül számos egyéb hasznos információval segíti a munkánkat.

A leolvasás menete

• 4-sávos jelölésnél: Az első két sáv színének megfelelő számjegyeket összeolvassuk, majd megszorozzuk a harmadik sáv színánek megfelelő szorzóval. A negyedik sáv a tűréshatárt adja meg.
• 5-sávos jelölésnél: Az első három sáv színének megfelelő számjegyeket összeolvassuk, majd megszorozzuk a negyedik sáv színánek megfelelő szorzóval. Az ötödik sáv a tűréshatárt adja meg.
• 6-sávos jelölésnél: Az első három sáv színének megfelelő számjegyeket összeolvassuk, majd megszorozzuk a negyedik sáv színánek megfelelő szorzóval. Az ötödik sáv a tűréshatárt, a hatodik sáv pedig az ellenállás hőfoktényezőjét adja meg. A hőfoktényező jelentése: hány milliomodrésszel változik meg az ellenállás értéke 1 ºC hőmérséklet növekedés esetén.

A kondenzátor

A kondenzátor jellemzője a kapacitás vagy töltéstároló-képesség. Két, egymástól elszigetelt vezető anyagból készült elektródából áll (szokás ezeket fegyverzetnek is nevezni). A leydeni palack volt az első, ember által készített kondenzátor, melyet elektrosztatikus kísérletekhez használtak a XVIII. század közelén. Kezdetleges formájában ez egy vízzel töltött palack volt, melyet a parafadugóján keresztülszúrt és a vízve leérő fém kivezetés segítségével lehetett elektromosan feltölteni. A kondenzátor másik elektródáját a kísérletezés közben a palackot kívülről fogó kéz alkotta. Hamar rájöttek, hogy ennél jobb megoldás, ha a palack külső felületét egy fém fóliával fedik be.  Később a víz helyett a palack belső felületét egy vezető fóliával vonták be.


A kapacitás jele: C (a latin capacitas szó kezdőbetűje)

A kapacitás mértékegysége: farad, mértékegységének jele: F. Azt mondjuk, hogy a kondenzátor kapacitása  1 F, ha fegyverzetein 1 Coulomb töltést felhalmozva 1 V feszültség mérhető. A gyakorlati életben inkább a farad kisebb egységeivel találkozunk: µF (mikrofarad = 10^-6 F), nF (nanofarad = 10^-9 F), pF (pikofarad = 10^-12 F).

A leydeni palack nagy mérete ellenére viszonylag kis kapacitást képviselt: ~ 1 nF. Az elektronikában ma használt  kondenzátorok jóval kisebbek és fajlagosan jóval nagyobb kapacitásúak (tipikusan 100 nF - 1000 uF köötti kapcitású kondenzátorokat használunk, bár speciális alkalmazásokhoz lézetnek jóval kisebb (pl. 0,5 pF) és jóval nagyobb (akár 500 F) kapacitású kondenzátorok. A nagyobb fajlagos kapacitást a megnövelt felőletű fegyverzetek és az üvegpalacknál nagyságrendekkel vékonyabb szigetelőréteg biztosítja. A vékonyabb szigetelőréteg természetesen kisebb átütési feszültségű, ezért a kondenzátoroknál mindig figyeljünk a maximális feszültségbetartására.

Megjegyzés: Kivitelük szerint meg kell különböztetnünk a polarizált és a nem polarizált kondenzátorokat. A polarizált kondenzátorok esetében nem mindegy, hogy milyen előjelű töltéshordozókat vezetünk az elektródákra, azaz ügyelni kell a rákapcsolt feszültség polaritására. Ellenkező esetben a kondenzátor tönkremegy és zárlatot ookzhat, illetve fel is robbanhat! Éppen ezért a polarizált kondenzátorok tokozásán + vagy "-" jelzés mutatja a helyes polaritást, ami egyúttal azt is jelenti, hogy polarizált kondenzátorról van szó.

Az induktivitás

Az induktivitásokkal többnyire tekercsek (csavarmenet-szerűen feltekert vezeték) formájában találkozunk. Ha az induktivitáson (tekercsen) áram folyik keresztül, akkor az átfolyó áram a tekercs körül mágneses teret kelt (ennek egyik gyakorlati felhasználása az elektromágnes, illetve az elektromágneses jelfogó). Ha a váltakozó irányú, vagy időben változó árammal keltett mágneses térbe egy másik tekercset elhelyezünk, abban feszültséget indukálunk (transzformátor).


Indukciós jelenségeket azonban az első tekercsben is megfigyelhetünk (önindukció), amelynek lényege röviden az, hogy a tekercsben  az átfolyó áram hatására kialakuló mágneses tér  olyan áramlökéseket indukál, amely az őt létrehozó hatást (a befolyó áram ki- és bekapcsolását) gátolni igyekszik. Ennek egyik következménye az, hogy a tekercs energiatárolásra alkalmas (LC oszcillátorok, tápegységeknben az egyenirányító után a lüktető egyenáram szűrése). A másik következmény az, hogy gyorsan változó áramok esetében az önindukció jelensége az átfolyó áramot gátolni igyekszik.

Az induktivitás tehát egy olyan alkatrész, ami egyenáram esetében egyszerű átvezetésként működik, időben változó áram esetén azonban frekvenciafüggő ellenállásként viselkedik (minél gyorsabb az időbeli változás, annál jobban gátolni igyekszik az átfolyó áramot).

Az induktivitás jele: L

Az induktivitás mértékegysége: henri, mértékegységének jele: H. Azt mondjuk (durván leegyszerűsítve a dolgokat), hogy az induktivitás értéke 1 H, ha a tekercsre kapcsolt 1 V feszültségugrás 1 A/s áramnövekedési sebességet hoz létre (a nagyobb induktivitású tekercsben lassabban növekszik az áram). A pontosabb összefüggés csak differenciálegyenlettel írható fel: U(t) = L * dI/dt, ahol dI/dt az időben változó I(t) áram idő szerinti differenciálhányadosa.

Az ideális vezeték

Az ideális vezeték akadálytalanul vezeti az áramot - ebben az értelmezéseben 0 Ω-os ellenállásnak is tekinthető. Definíció szerint az ideális vezeték a kezdő és végpont között rövidzárat jelent - ebben az esetben U_g = 0 V feszültséggenerátornak is tekinthető. Rajzjele a 6.a ábrán látható: folytonos vonal.

Az elektromos, illetve elektronikus kapcsolási rajzokon ideális vezetékkel jelöljük az  alkatrészek kivezetéseinek összekötését. A gyakorlatban a vezetékek mindig nullától különböző ellenállással rendelkeznek, ezt a vezetékek áramterhelésénél, illetve a rajtuk történő feszültségesések nemkívánatos hatásai kapcsán figyelembe kell venni - különösen a sűrű vezetékezésű nyomtatott áramörök  tervezésénél (nem használhatunk tetszőlegesen vékony vezetékeket).

Az ideális szakadás

A szigetelést vagy más néven szakadást kereszttel megszakított folytonos vonallal jelöljük. Az ideális szakadáson nem folyik áram, I = 0. Rajzjele a 7.b ábrán látható. A szakadást tekinthetjük végtelen nagyságú ellenállásnak is.

Kapcsolók és nyomógombok

Egy olyan áramköri elemet is meg kell említeni, ami szorosan véve nem tartozik az egyenáramú hálózatok tárgykörébe: a kapcsolót. Az ideális kapcsoló olyan elem, amely nyitott állapotban szakadásként, zárt állapotban pedig ideális vezetőként viselkedik (vezeti, vagy megszakítja a töltéshordozók áramát). Nyomógombnak az olyan kapcsolót nevezzük (angolul: momentary switch), amely elengedés után visszaugrik az alaphelyzetbe. Az alábbi ábrán a legegyszerűbb egyáramkörös kapcsoló és nyomógomb rajzjele látható. Léteznek azonban többáramkörös kapcsolók (mechanikailag együtt mozgatott kontaktusok), illetve többálású kapcsolók is (pl. rádiók vagy régi TV-k hullámsáv-váltó kapcsolója, vagy a multiméterek üzemmód- és méréshatár váltója).

Az áramkör

Az aktív elemet (generátort), a hozzá kapcsolt passzív elemeket (fogyasztókat)  és az ezeket összekötő vezetékeket együttesen áramkörnek nevezzük.

Felhasznált anyagok:

• Elektrotechnika - Wikipedia
• Elektronika - Wikipedia
• Leydeni palack - Wikipedia
• Torda Béla: Bevezetés az elektrotechnikába 1.
• Torda Béla: Bevezetés az elektrotechnikába 2.