Kratki spoj

Što je kratki spoj, zašto je opasan, kako nastaje na breadboardu i Arduinu te kako ga prepoznati, pronaći i spriječiti.

Što je kratki spoj?

Kratki spoj može nastati i preko jedne komponente: ako se njezine dvije nožice dodiruju, struja ide mimo nje. Tada kažemo da je komponenta kratko spojena.

Zašto struja postane tako velika?

Struju u strujnom krugu ograničava otpor. To nam govori Ohmov zakon:

• LED-ica s otpornikom od 220 Ω: na LED-ici ostane oko 2 V, a na otporniku 3 V. Struja je 3 V / 220 Ω ≈ 14 mA.
• Žica od plusa do minusa: žica ima otpor od oko 0,05 Ω. Struja bi bila 5 V / 0,05 Ω = 100 A, oko sedam tisuća puta više.

U stvarnosti struja ne naraste do 100 A, jer i sam izvor ima malo unutarnjeg otpora, a USB napajanje ima zaštitu. Ali i obična baterija AA u kratkom spoju daje nekoliko ampera, stotinjak puta više od LED-ice. Sva ta energija pretvara se u toplinu, pa se žica i baterija brzo zagriju.

Zašto je kratki spoj opasan?

• Žice, baterija i komponente se jako zagriju. Možeš se opeći, a izolacija se može rastopiti ili zapaliti.
• Baterija se brzo isprazni i može se oštetiti.
• Komponente pregore: LED-ica, otpornik, pin Arduina, pa i cijela pločica.
• Punjive baterije (Li-ion i LiPo, kakve su u mobitelima i dronovima) u kratkom spoju daju jako veliku struju, mogu se napuhati i zapaliti. Zato ih nikada ne kratko spajamo. Pravila za LiPo baterije su na stranici projekta Dron.

Kako prepoznati kratki spoj?

• Arduino ili micro:bit se ugasi, a računalo može javiti grešku USB uređaja.
• Žica, baterija ili komponenta postane topla ili vruća.
• Modul za napajanje se grije ili se sam isključuje.
• Osjeti se miris paljevine ili se vidi dim.
• Sklop koji je radio odjednom prestane raditi.

Kako se uređaji štite?

Uređaji se od kratkog spoja štite dijelovima koji prekidaju struju kad postane prevelika:

• Osigurač ima tanku žicu koja se rastali kad struja postane prevelika. Takav osigurač ima, na primjer, multimetar na mjerenju struje. Pregorjeli osigurač treba zamijeniti novim.
• Automatski osigurač u kućnoj instalaciji isključi struju. Kad kažemo da je iskočio osigurač, to je bio on. Nakon popravka ga ponovno uključimo.
• Samoresetirajući osigurač prekine struju dok je kratki spoj tu, a kad ga uklonimo, sam se vrati. Takav ima većina pločica Arduino Uno na USB napajanju.
• Zaštitni sklopovi u punjačima, USB priključcima računala i baterijama mobitela prate struju i isključe napajanje.

Zaštita čuva izvor napajanja i žice, ali ne i sve komponente. LED-ica ili pin Arduina mogu pregorjeti prije nego što zaštita proradi.

Kratki spojevi na našoj radionici

Ovo su kratki spojevi koji se na radionici najčešće dogode:

• Žica izravno spaja plus i minus. Na breadboardu je dovoljna jedna krivo utaknuta žica između linija napajanja. Pogledaj greške 8 i 9 na stranici Breadboard.
• Dvije nožice iste komponente u istom retku breadboarda. Redak ih kratko spoji, pa struja ide kroz metalnu traku, a ne kroz komponentu. Pogledaj Kako postaviti komponente.
• Preduge nožice koje se dodiruju. Prije ili kasnije se dotaknu, a ako su spojene na plus i minus, to je kratki spoj.
• Potenciometar okrenut do kraja. Njegov otpor padne na približno 0 Ω, pa tipkalo u istom krugu može spojiti 5 V izravno s GND. Taj primjer je u lekciji Arduino - korak po korak.
• Multimetar na mjerenju struje spojen preko baterije. Na mjerenju struje multimetar ima vrlo mali otpor, pa je to kratki spoj. Pregori osigurač u instrumentu. Pogledaj lekciju Ponavljanje osnova elektronike i mjerenja.
• 5 V na breadboardu kad ga ne trebamo. Ako na ploči nema 5 V, ne može nastati ni kratki spoj između 5 V i GND. Zato ga u lekciji Semafor za automobile i pješake ne spajamo.
• Dva izlazna pina spojena jedan na drugi. Kad jedan pin daje HIGH, a drugi LOW, struja teče izravno iz jednog pina u drugi (vidi Arduino pinovi).
• Baterija od 9 V u džepu ili torbi s ključevima i kovanicama. Oba pola su joj s iste strane, pa ih komad metala lako spoji. Baterije nosimo u kutiji ili držaču, a na 9 V bateriju stavljamo zaštitnu kapicu ili konektor.

Arduino pinovi

Pinovi mikrokontrolera nemaju osigurač, a program ne može spriječiti preveliku struju. Preporučena najveća struja jednog pina Arduino Una je oko 20 mA, a apsolutni maksimum 40 mA.

Je li spoj pina opasan, ovisi o tome je li pin ulaz ili izlaz:

• Ulaz (INPUT ili INPUT_PULLUP) smije biti spojen izravno na GND ili 5 V. Tako spajamo tipkala: tipkalo spoji pin s GND, a kroz pin teče vrlo mala struja.
• Izlaz (OUTPUT) ne smije biti spojen izravno na GND ili 5 V. Izlaz u stanju HIGH spojen na GND (ili LOW spojen na 5 V) pokušava dati mnogo više struje od dopuštene i može trajno pregorjeti. Isto vrijedi ako program greškom postavi pin s tipkalom kao izlaz.

Zaštitni otpornik u seriji s pinom ograničava struju i kad nešto pođe krivo. U lekciji Dva semafora na križanju pinove dvaju Arduina spajamo preko dva otpornika od 470 Ω. Ako oba Arduina greškom šalju poruku, struja je najviše 5 V / 940 Ω ≈ 5 mA, a to pinovima ne škodi.

Otpornik uz LED-icu (220–330 Ω na 5 V) ima drugi posao: ograničava struju kroz LED-icu da ne pregori ona ni pin. Vrijednost možeš izračunati kalkulatorom otpornika za LED. Od kratkog spoja ga ne štiti: ako žica spoji pin izravno s GND mimo otpornika, otpornik ne pomaže.

USB napajanje: ako dok je Arduino na USB-u kratko spojiš 5 V i GND, proradi zaštita. Arduino se ugasi, a računalo može javiti grešku USB uređaja. Na većini pločica Uno to radi samoresetirajući osigurač, koji se sam vrati kad ukloniš kratki spoj. Ta zaštita čuva USB priključak računala, a ne pinove mikrokontrolera.

Što napraviti kad se dogodi kratki spoj?

1. Odmah isključi napajanje: izvadi USB kabel, isključi modul za napajanje ili izvadi bateriju.
2. Ne diraj vruće dijelove. Pričekaj da se ohlade.
3. Pozovi voditelja. Ako vidiš dim ili plamen ili se baterija napuhala, odmakni se i odmah reci voditelju.
4. Pronađi uzrok prije nego što ponovno uključiš napajanje (pogledaj sljedeći odjeljak). Ako sklop samo ponovno uključiš, kratki spoj je i dalje tu.

Kako pronaći kratki spoj?

Najprije pogledaj sklop: žice između linija napajanja, nožice koje se dodiruju i komponente s obje nožice u istom retku. Više savjeta je u odjeljku Kad sklop ne radi.

Ako imaš multimetar, kratki spoj možeš pronaći mjerenjem kontinuiteta (način rada s oznakom zvučnika ili diode, pogledaj lekciju Ponavljanje osnova elektronike i mjerenja):

1. Isključi napajanje. Kontinuitet se uvijek mjeri bez napajanja.
2. Jednu sondu stavi na plus liniju napajanja, a drugu na minus liniju.
3. Ako multimetar stalno pišti, između plusa i minusa postoji kratki spoj. Ako pisne samo kratko i utihne, to se puni kondenzator, i to je u redu.
4. Vadi jednu po jednu žicu ili komponentu, počevši od one koju si zadnju dodao, i svaki put ponovno izmjeri.
5. Kad pištanje prestane, kratki spoj je bio u dijelu koji si zadnji izvadio ili u njegovu spoju. Popravi ga i vrati ostale dijelove.

Što smo naučili?

• Kratki spoj nastaje kada struja pronađe put s vrlo malim otporom, najčešće žicu između plusa i minusa. Struja tada postane vrlo velika, a žice, baterije i komponente se griju i mogu pregorjeti.
• Kad primijetimo kratki spoj, odmah isključimo napajanje, pozovemo voditelja i pronađemo uzrok prije ponovnog uključivanja.
• Izlazni pin Arduina ne smije biti spojen izravno na GND ili 5 V. Zaštitni otpornik ograničava struju kad nešto pođe krivo.
• Kratki spoj najlakše pronađemo multimetrom na mjerenju kontinuiteta, bez napajanja.

Mali kviz

Razgovaraj na Discord-u. (pridruži se)