Sähköpiirien peruslait keskittyvät piirin perusparametreihin, kuten jännite, virta, teho ja vastus. Nämä lait säätelevät, kuinka kukin piiriparametri liittyy toisiinsa. Nämä lait löysivät Georg Ohm ja Gustav Kirchhoff, ja ne tunnetaan Ohmin laina ja Kirchhoffin laeina.
Ohmin laki
Ohmin laki on jännitteen, virran ja vastuksen välinen suhde piirissä. Se on yleisin (ja yksinkertaisin) elektroniikassa käytetty kaava. Ohmin laki voidaan kirjoittaa useilla tavoilla, joita kaikkia käytetään yleisesti.
- Vastuksen läpi kulkeva virta on yhtä suuri kuin vastuksen yli kulkeva jännite jaettuna resistanssilla (I=V/R).
- Jännite on yhtä suuri kuin vastuksen läpi kulkeva virta kertaa sen vastus (V=IR).
- Resistanssi on yhtä suuri kuin vastuksen yli kulkeva jännite jaettuna sen läpi kulkevalla virralla (R=V/I).
Ohmin laki on hyödyllinen myös määritettäessä piirin käyttämää virran määrää, koska piirin tehonkulutus on yhtä suuri kuin sen läpi kulkeva virta kerrottuna jännitteellä (P=IV). Ohmin laki määrittää piirin virrankulutuksen, kunhan piirille tunnetaan kaksi Ohmin lain muuttujaa. Ohmin lain ja tehosuhteen perussovellus on määrittää, kuinka paljon virtaa hajoaa lämpönä komponentissa. Nämä tiedot auttavat sinua valitsemaan oikean komponentin koon oikealla teholla tiettyyn sovellukseen. Jos esimerkiksi valitset 50 ohmin pinta-asennusvastuksen, joka näkee 5 volttia normaalin toiminnan aikana, sen pitäisi haihtua puoli wattia, kun se nousee 5 volttiin. Kaava progressiivisine substituutioineen on:
- P=I×V → P=(V÷R)×V → P=(5 volttia)² ÷ 50 ohmia → 0,5 wattia
Tarvitset siis vastuksen, jonka teho on yli 0,5 wattia. Järjestelmän komponenttien virrankulutuksen tunteminen kertoo, tarvitaanko muita lämpö- tai jäähdytysongelmia. Se määrittää myös järjestelmän virtalähteen koon.
Kirchhoffin piirilakit
Kirchhoffin piirilait yhdistävät Ohmin lain täydelliseksi järjestelmäksi. Kirchhoffin nykyinen laki noudattaa energiansäästöperiaatetta. Siinä todetaan, että piirin solmuun (tai pisteeseen) virtaavan virran summa on yhtä suuri kuin solmusta ulos virtaavan virran summa. Yksinkertainen esimerkki Kirchhoffin nykyisestä laista on virtalähde ja vastuspiiri, jossa on useita vastuksia rinnakkain. Yksi piirin solmuista on, jossa kaikki vastukset on kytketty virtalähteeseen. Tässä solmussa virtalähde tuottaa virran solmussa ja virta jakautuu vastusten yli ja virtaa ulos solmusta vastuksiin. Kirchhoffin jännitelaki noudattaa myös energian säilymisen periaatetta. Siinä todetaan, että piirin täyden silmukan kaikkien jännitteiden summan on oltava nolla. Laajennamme edellistä esimerkkiä virtalähteestä, jossa on useita vastuksia rinnakkain virtalähteen ja maan välillä, jokainen virtalähteen silmukka, vastus ja maa näkee saman jännitteen vastuksen yli, koska vastuselementtejä on vain yksi. Jos silmukassa on sarja vastuksia sarjassa, kunkin vastuksen jännite jakautuu Ohmin lain mukaan.