[kazik]

Witam
Zadam głupie pytanie. Dlaczego gdy podłączymy bezpośrednio do płytki arduino silniczek który potrzebuje dużego prądu (albo każdy inny odbiornik) płytka ulegnie uszkodzeniu. Pin na arduino ma 20mA? Silniczek potrzebuje znacznie więcej. Ale dlaczego tak się dzieje? Wiem że prawo Ohma itd ale czy mógłby ktoś to wytłumaczyć jak dla idioty? Dokładnie z przedstawieniem prawa Ohma lub też innych obliczeń. Prawo Kirchoffa? Analogia wody mnie nie interesuje gdyż już dużo o tym czytałem i dalej mój mózg nie potrafi tego przyswoić ? jak to działa? Jak podłączymy do latowarki 900mA odbiornik potrzebujący 2A to ładowarka się nie spali. Spali? Wszystko mi się miesza i potrzebuje pomocy.

[kaczakat]

Nie jest tak, że jak podłączysz każdy silniczek czy przekaźnik to od razu spalisz płytkę, tak się może stać i często się dzieje.
Ładowarek nie palisz bo w ładowarce jest sterownik, który nie pozwala pobrać więcej prądu niż jest przewidziane. W odbiorniku też jest sterownik ładowania i jak widzi spadek napięcia, co oznacza przekroczenie wydajności zasilacza to ogranicza pobierany prąd. Zabezpieczenie z obu stron, przynajmniej telefon i jego ładowarka, ale wiele urządzeń ma podobnie.
Tak się dzisiaj projektuje elektronikę by była idiotoodporna. Upalenie kiedyś zasilacza składającego się z trafo, diody i kondensatorów nie było wcale dużym wyzwaniem.
Uc Atmega nie jest do końca produktem konsumenckim, nie jest idiotoodpornym, już samo to że są gołe styki i pęsetą można zrobić zwarcie i popsuć o tym świadczy, choć pewnie krzywdy nie zrobi. Ale w sumie nawet z baterii AA można zrobić pożar.
Jak się przekroczy prąd na pinie to można przepalić złącza krzemowe w uC i prąd narośnie lawinowo aż do wydajności zasilacza lub zabezpieczenia, po prostu się usmaży. Ale tak trudniej zepsuć, nie każde przeciążenie pinu kończy się dymem.
Łatwiej przez odwrotne podłączenie VCC i GND, albo przez przekroczenie napięcia. Ale też nie zawsze oznacza to zepsucie, czasem coś może się zepsuć, jakiś pin może nie działać, albo czasem uC będzie wariował, już chyba lepiej jak całkiem pójdzie z dymem niż będzie tylko udawał sprawny.
Tu właśnie wchodzi silnik, jak go napędzasz to w uzwojeniu magazynuje się energia, gdy odłączasz zasilanie ta energia jest oddawana do źródła zasilania, z 5V robi się na ułamek sekundy 7V i z krzemu leci dym. Jak się silnik zatrzyma łagodnie to pewnie nic się nie stanie, jak się go zahamuje szybciej to efekty będą bardziej widowiskowe.

[kazik]

No ale jak to jest z tymi odbiornikami z zapotrzebowaniem na duży prąd? Pytam o teorie. Dlaczego podłączając do arduino odbiornik o dużym zapotrzebowaniu na prąd "przepuszczę" przez pin właśnie ten duzy prąd?

[kaczakat]

Właśnie chodzi o to, że podłączając odbiornik o zbyt dużej mocy nie popłynie tak duży prąd ile potrzebuje urządzenie, bo zanim na tyle wzrośnie, nawet jeśli przykładowo do Arduino podłączysz zasilacz o wymaganej wydajności, to ten pin odparuje. Jest to oczywiście powiązane z prawem Ohma, ale nie chodzi o zbyt małą rezystancję, tylko o straty zamieniane na ciepło. Jest wyliczone, że max dla pinu to 40mA (nie 20mA, 20mA jest zalecane nie przekraczać) i 200mA dla całej płytki. Czyli przy takim przepływie prądu wydziela się tyle ciepła że to niszczy uC. Ile to jest ciepła nie wiem, ale przy 0 rezystancji byłoby 0 strat napięcia i brak ciepła, jeśli jest rezystancja 1 om to przy 1A następuje spadek napięcia o 1V, na wyjściu dostajesz z 5 już tylko 4V i prąd 1A, ze straconego 1V masz moc zamienianą na ciepło 1V*1A=1W. Dla równych jednostek łatwiej się liczy, dla 200mA to byłoby 200mW, a jak spadek jest 0.1V bo rezystancja wynosi 0.1om to i tracona moc jest /10 czyli 20mW. Prosty odbiornik, który pobrał by 1A przy 5V też wcale nie pobierze 1A gdy ma tylko 4V, więc wszystko trzeba przeliczyć od nowa dla tych danych. Jak zasilisz silniczek z 4V zamiast z 5V to będzie miał mniejsza moc i tyle, czasami nie ruszy w ogóle bo moc będzie za mała. Ale jak podłączysz jakąś przetwornicę, która ma pobierać 1A 5V i na wyjściu dawać 1A 5V (pomijam straty) to ona będzie pobierać więcej amperów z 4V niż z 5V, jeśli tylko niższe napięcie będzie dalej w zakresie jej działania.
Wszystko tańczy wokół wzoru I=U/R.
Ja sobie to liczę na szybko na palcach na swoje amatorskie potrzeby i nie przejmuję się takimi szczegółami, że jak chcę zasilić led 20mA, to dla 5V dobieram rezystor 250om, 5/250 to 20mA i świeci, choć wiem, że wcale nie płynie taki prąd, bo led ma swój spadek napięcia np. 2V, zależy jeszcze jaki kolor, a w ogóle to powinno być źródło prądowe, ale przy 2V dla led to już na sam rezystor jest 3V/250 i prąd 12mA, bez znaczenia bo widać że led świeci już przy 3mA i przy 20mA, a potem jeszcze zaglądam do pudła i nie widzę takiego rezystora, a na wierzchu leży 750 to biorę 750, ale jak potrzeba to się liczy pewnie do x miejsc po przecinku. No i jeszcze trzeba sprawdzić, czy ten spadek 3V przy 12mA nie przekroczy mocy rezystora, ale widać, że 3*12 to jest 36mW, a zwykły wytrzymuje 250mW czy 500mW, więc nie odparuje.
A tak w ogóle to jestem hyraulikiem, nie elektronikiem i faktycznie łatwiej to wytłumaczyć w oparciu o analogie z wodą, bo sobie możesz włączyć filmik na youtube i zobaczyć jak mały strumyczek pod ogromnym ciśnieniem wycina sobie coraz większa powierzchnię przepływu, a przepływ narasta lawinowo. Żeby to zobaczyć w strukturze krzemu to już byłby potrzebny sprzęt za parę baniek $.
Albo jak fala powodziowa pędzi korytem rzeki i nic nie niszczy, bo nie napotyka na żaden opór, jak trafi na mosteczek to się spiętrza i go zmiata, trafi na przewężenie czy zakręt to go rzeźbi. Jak jednak trafi na duży opór, dużą przeszkodzę w dalszym przepływie jak zbiornik retencyjny to tylko ponosi potencjał zwiększając jego napełnienie i nic destrukcyjnego się nie dzieje, aż przekroczy wytrzymałość tamy i znowu pędzi dalej.

[MadMrQ]

Prąd elektryczny to strumień elektronów - w przewodniku po przyłożeniu napięcia elektrony zaczynają podróż. W metalach elektrony uderzają w sieć krystaliczną pobudzając ją do drgań, a drgania to energia/ciepło. W półprzewodnikach zasada przewodzenia prądu jest trochę inna, ale prąd elektryczny zawsze będzie strumieniem elektronów i zawsze mechanizmem niszczącym będą zderzenia cząstek na poziomie kwantowym.

Zbyt duży prąd przepływający przez przewodnik powoduje nagrzewanie. Nagrzewanie powoduje degradację ścieżki, co dodatkowo powoduje nagrzewanie. Ta samonapędzająca się spirala kończy się w momencie kiedy dojdzie do przepalenia jednego z elementów (na takiej zasadzie działają bezpieczniki w instalacjach).

Dlaczego urządzenie o "dużym poborze prądu" powoduje przepuszczenie dużego prądu?
Wyobraźmy sobie, że mamy wentylator 5V/0,75W podłączyć do Arduino. Jeżeli pin jest ustawiony jako OUTPUT jest w stanie niskiej impedancji - nie stawia elektronom większego oporu, w żaden sposób nie ogranicza szaleńczej watahy ujemnie naładowanych cząstek. Urządzenie po przyłożeniu do niego napięcia (podłączeniu do pinu i GND) będzie chciało pracować z mocą nominalną, a przy takich warunkach pobiera 150mA.

[kazik]

Właśnie chodzi o to, że podłączając odbiornik o zbyt dużej mocy nie popłynie tak duży prąd ile potrzebuje urządzenie, bo zanim na tyle wzrośnie, nawet jeśli przykładowo do Arduino podłączysz zasilacz o wymaganej wydajności, to ten pin odparuje. Jest to oczywiście powiązane z prawem Ohma, ale nie chodzi o zbyt małą rezystancję, tylko o straty zamieniane na ciepło. Jest wyliczone, że max dla pinu to 40mA (nie 20mA, 20mA jest zalecane nie przekraczać) i 200mA dla całej płytki. Czyli przy takim przepływie prądu wydziela się tyle ciepła że to niszczy uC. Ile to jest ciepła nie wiem, ale przy 0 rezystancji byłoby 0 strat napięcia i brak ciepła, jeśli jest rezystancja 1 om to przy 1A następuje spadek napięcia o 1V, na wyjściu dostajesz z 5 już tylko 4V i prąd 1A, ze straconego 1V masz moc zamienianą na ciepło 1V*1A=1W. Dla równych jednostek łatwiej się liczy, dla 200mA to byłoby 200mW, a jak spadek jest 0.1V bo rezystancja wynosi 0.1om to i tracona moc jest /10 czyli 20mW. Prosty odbiornik, który pobrał by 1A przy 5V też wcale nie pobierze 1A gdy ma tylko 4V, więc wszystko trzeba przeliczyć od nowa dla tych danych. Jak zasilisz silniczek z 4V zamiast z 5V to będzie miał mniejsza moc i tyle, czasami nie ruszy w ogóle bo moc będzie za mała. Ale jak podłączysz  jakąś przetwornicę, która ma pobierać 1A 5V i na wyjściu dawać 1A 5V (pomijam straty) to ona będzie pobierać więcej amperów z 4V niż z 5V, jeśli tylko niższe napięcie będzie dalej w zakresie jej działania.
Wszystko tańczy wokół wzoru I=U/R.
Ja sobie to liczę na szybko na palcach na swoje amatorskie potrzeby i nie przejmuję się takimi szczegółami, że jak chcę zasilić led 20mA, to dla 5V dobieram rezystor 250om, 5/250 to 20mA i świeci, choć wiem, że wcale nie płynie taki prąd, bo led ma swój spadek napięcia np. 2V, zależy jeszcze jaki kolor, a w ogóle to powinno być źródło prądowe, ale przy 2V dla led to już na sam rezystor jest 3V/250 i prąd 12mA, bez znaczenia bo widać że led świeci już przy 3mA i przy 20mA, a potem jeszcze zaglądam do pudła i nie widzę takiego rezystora, a na wierzchu leży 750 to biorę 750, ale jak potrzeba to się liczy pewnie do x miejsc po przecinku. No i jeszcze trzeba sprawdzić, czy ten spadek 3V przy 12mA nie przekroczy mocy rezystora, ale widać, że 3*12 to jest 36mW, a zwykły wytrzymuje 250mW czy 500mW, więc nie odparuje.
A tak w ogóle to jestem hyraulikiem, nie elektronikiem  i faktycznie łatwiej to wytłumaczyć w oparciu o analogie z wodą, bo sobie możesz włączyć filmik na youtube i zobaczyć jak mały strumyczek pod ogromnym ciśnieniem wycina sobie coraz większa powierzchnię przepływu, a przepływ narasta lawinowo. Żeby to zobaczyć w strukturze krzemu to już byłby potrzebny sprzęt za parę baniek $.
Albo jak fala powodziowa pędzi korytem rzeki i nic nie niszczy, bo nie napotyka na żaden opór, jak trafi na mosteczek to się spiętrza i go zmiata, trafi na przewężenie czy zakręt to go rzeźbi. Jak jednak trafi na duży opór,  dużą przeszkodzę w dalszym przepływie jak zbiornik retencyjny to tylko ponosi potencjał zwiększając jego napełnienie i nic destrukcyjnego się nie dzieje, aż przekroczy wytrzymałość tamy i znowu pędzi dalej.

Mam arduino i na pinie podaje prąd 20mA. Podłączam odbiornik który potrzebuje 200mA. Co się dzieje? Jakie są obliczenia dla tej sytuacji? Jak to wytłumaczyć dla zielonki?

[Jarewa0606]

Prawo Ohma z tego możesz policzyć.

A co do przykładu to prosty przykład bezpieczniki topikowe, skoro producent określił bezpiecznik na natężenie 1A to co się stanie jak go przekroczysz? Logicznie ze się spali. To samo jest z mosfetami/ tranzystorami czy tam przekaznikami wszystko ma swoją projektowa wytrzymałość..

[kazik]

Prawo Ohma z tego możesz policzyć.

A co do przykładu to prosty przykład bezpieczniki topikowe,  skoro producent określił bezpiecznik na natężenie 1A to co się stanie jak go przekroczysz? Logicznie ze się spali. To samo jest z mosfetami/ tranzystorami czy tam przekaznikami  wszystko ma swoją projektowa wytrzymałość..

Ok prawo Ohma. Ale które wartości podstawiać do wzoru? Jak udowodnić ze odbiornik który pobiera 100mA spali mi pin który podaje 40mA?

[MadMrQ]

Wystarczy, że napiszesz, że prąd znamionowy odbiornika jest większy od prądu dopuszczalnego dla pinu.

In > Idop => koniec Arduino

Nie bardzo rozumiem, co chcesz osiągnąć i jeżeli masz do zrobienia zadanie to je po prostu tu zamieść. Dlaczego coś "bierze" 20mA, a coś innego 40mA wynika z konstrukcji urządzenia. Jeżeli tor prądowy odbiornika ma rezystancję zastępczą 1 Ohm to przy 1V zasilania popłynie przez niego 1A prądu. Jeżeli ktoś wykonał tor prądowy dwa razy dłuższy i ma 2 Ohm to przy 1V będziesz miał 0,5A prądu.

[kaczakat]

Wg mnie niestety nie ma takiego prostego wzoru na upalenie. Nawet podany przykład powyżej z bezpiecznikiem topikowym przez @Jarewa0606  może być na to właśnie dowodem odwrotnym. Dla chipa Atmega nie podanych danych czasowych (ja nie kojarzę, może są), jest tylko że 40mA dla pinu to absolute max i tyle.
W czasie zwarcia przez bezpiecznik płynie prąd zwarciowy, który nawet w domowej instalacji może wynosić tysiące amperów i nie ma wątpliwości, że on bezpiecznik 10A upali w ciągu ułamka sekundy, ale jeśli prąd zostanie przekroczony o parę % to bezpiecznik nie zadziała od razu.
   
Tu mamy wykres dla poważnego urządzenia spełniającego normy ochrony budynków, a wykres to jakieś obszary prawdopodobieństwa zadziałania dla wkładek z rozrzutem produkcyjnym, to nie są żadne wyraźne granice. Ale na pewno widać, że dla prądu 1.5x nominalny, ten wydrukowany na bezpieczniku, on nie zadziała właściwie nigdy, blaszka nie ulegnie spaleniu, a im większy prąd tym nastąpi to szybciej, w szczególności zwarciowy tysiące amper niemal natychmiast. I dzięki temu też nie spowoduje odparowania kabla w ścianach 2.5mm2 z miedzi, bo to będzie jakiś tak mały czas, że on się nawet nie zdąży nagrzać do 100oC.
Nie będę tego sprawdzał, ale mam przeczucie graniczące z pewnością, że po podaniu na pin 50mA, przez czas rzędu 10ms nic się nie stanie i można wysłać parę takich błysków ledem o prądzie nominalnym 20mA, choć w teorii obie strony takiego układu powinny się usmażyć. A im bardziej będziemy się zbliżać z takim PWM o wypełnieniu od 1 do 100% tym będzie większe prawdopodobieństwo upalenia. Ale nie umiałbym powiedzieć, czy pierwszy upali się led, czy pin, czy led przerwie obwód czy bardziej go zewrze. Jakby ktoś umiał zrobić bardzo szybki bezpiecznik elektroniczny na te 50mA to powinien upalić led 20mA zanim upali się pin 40mA. Bez niego uszkodzeniu pewnie ulegnie wszystko jedno po drugim.
Wszystko w teorii oczywiście.
Kiedyś w samochodzie rodziny był taki przypadek, że żarówka zamiast normalnie odparować, to się jakoś tak utopiła jednym drucikiem, że się wygiął i połączył z przeciwnym biegunem, na tyle wolno, że bezpiecznik nie zadziałał od razu, tylko prąd płynął przez całą instalację, na tyle duży by stopić ścieżki w kierownicy, na tyle mały by nie zrobić pożaru, ot taki włoski samochodzik i tania żarówka od chińczyka. Urządzenia powinny też  umieć niszczyć się z klasą, by nie stwarzać zagrożenia dla otoczenia - bezpieczniki, bezpieczne szyby, itp.