Выпуск 1. Основы Arduino для начинающих. Основные понятия электроники и схемотехники | Школа INTEGER

Привет интересующимся Arduino и микроконтроллерами!)

Это выпуск под номером один из серии Arduino для начинающих и сегодня, прежде чем знакомиться с платформой Arduino, мы поговорим об основных понятиях электротехники, которые обязательно пригодятся вам при дальнейшей разработке своих устройств.

Для тех, кто имеет возможность смотреть видеозаписи, рекомендую видео версию статьи — там все более наглядно и красиво, ну а для остальных под видеозаписью есть текстовый вариант :)

Для начала давайте посмотрим вокруг себя. В современном мире нас окружает огромное количество всевозможных электронных устройств, которые делают нашу жизнь проще и удобней. Что же их всех объединяет?

Конечно же, это то, что все они работают от электрической энергии, которая вырабатывается различными генераторами, берется из аккумуляторных батарей и так далее. Но что представляет собой электрическая энергия или электричество? Тут все не так просто, но чтобы не лезть в дебри электроники и не затягивать пост, вы должны для себя понять, что основной частицей, благодаря которой и создается электрическая энергия, является электрон (e-).

Они повсюду, в любой вещи, которую вы видите — даже в маленькой капле воды их миллиарды и миллионы. Но, кроме электронов, которые, кстати, носят отрицательный заряд и очень подвижны, есть частицы, которые, наоборот, имеют положительный заряд и практически не двигаются — они называются протонами (p+). Подобно магнитам, разноименные заряды электронов и протонов притягиваются друг к другу, а одноименные заряды, наоборот, отталкиваются.

Благодаря взаимодействию электронов и протонов друг с другом, то есть перемещению электронов к протонам, мы с вами и получаем электрическую энергию. А перемещаются электроны по так называемым проводникам. Все вы видели провод от вашего зарядного устройства или линию электропередач, а может, кто то даже видел медные дорожки на платах -все это электрические проводники, по которым могут свободно перемещаться электроны.

Кстати, если мы говорим что существуют проводники, то можно сделать вывод о том, что должны быть материалы, которые, наоборот, препятствуют перемещению электронов, и такие материалы есть — они называются диэлектриками или изоляторами. Если возвращаться к нашему проводу от зарядного устройства, то та оболочка, что его покрывает, и есть диэлектрик. Она защищает проводники от соприкосновения друг с другом, а так же самих нас от поражения электрическим током.

Стоит заметить, что кроме проводников и диэлектриков существуют и другие материалы, такие как полупроводники, сверхпроводники, магнетики и так далее, но пока мы их рассматривать не будем.

Итак, мы сказали, что у нас есть отрицательные электроны, которые передвигаются по проводникам в сторону положительно заряженных протонов, но не сказали — что заставляет их это делать.

А здесь работает так называемая электродвижущая сила или, если пока не вдаваться в подробности, напряжение, которое наверняка вам знакомо. Напряжение представляет собой разность потенциалов между отрицательными и положительными зарядами, обозначается буквой U и выражается в вольтах (В).

Именно напряжение и создает электрический ток в нашем проводнике, а сам электрический ток есть не что иное, как направленное движение тех самых заряженных частиц, о которых мы говорили раньше. Единицами измерения силы тока являются амперы (А) и чем больше эта сила, тем больше зарядов проходит по поперечному сечению проводника за единицу времени. Обозначается ток английской буквой I.

Но кроме напряжения и тока не стоит забывать про еще одну важную величину, которая называется сопротивлением. Эта величина служит мерой способности электронов перемещаться по какому-либо материалу и измеряется в Омах. Например, если вернуться к изоляторам, которые защищают нас от поражения электрическим током, то, можно сказать, что они, как правило, имеют очень большое сопротивление – то есть сопротивляются протеканию по ним потока электронов и тем самым выполняют роль защиты. А, например, медный провод имеет наоборот небольшое сопротивление, и электроны свободно протекают по нему. Кстати, чем больше диаметр провода, тем меньше будет его сопротивление и тем больший поток электронов он сможет пропустить за единицу времени. Именно поэтому все высоковольтные провода имеют такое большое сечение.

Ну что же, это были очень краткие и сжатые теоретические сведения, касаемые электрической энергии, которые я советую вам самостоятельно изучить в более подробном виде. Ну а теперь я предлагаю перейти от теории к практике :)

А начнем мы с самого простого – со светодиода, полное название которого звучит как светоизлучающий диод. Это один из самых первых элементов, с которым знакомятся начинающие любители электроники. Помните, мы говорили, что существуют как проводники, которые проводят ток, так и диэлектрики, которые, наоборот, препятствуют его протеканию. Так вот, светодиод — это такой элемент, который может быть как проводником, так и диэлектриком, отсюда его и приравнивают к такому классу элементов как полупроводники, из-за того что он может как проводить, так и не проводить электрический ток сквозь себя, и здесь всё дело в направлении тока, протекающего сквозь него.

У светодиода есть два вывода, один из которых положительный – анод, а другой отрицательный – катод. Если приложить к светодиоду прямую полярность, то есть плюс источника питания соединить с плюсом светодиода, а минус — с минусом, то светодиод начнет пропускать сквозь себя поток электронов и при этом станет излучать свет. Если же подключить светодиод наоборот, то проявится его свойство сопротивляться протекающему по нему электрическому току и никакой свет при этом излучать он не будет.

Стоит отметить очень важную вещь, что у любого компонента в электронике есть набор определенных параметров, указанных в спецификации к этому компоненту (datasheet), которые нужно обязательно соблюдать. Например, для светодиода основными параметрами являются максимальное напряжение и ток, которые можно подавать на компонент не боясь, что он выйдет из строя. Но, зачастую, источник питания в схеме может значительно превышать значение, необходимое по спецификации, и это грозит либо полным выходом компонента из строя, либо его неправильной работе.

Давайте возьмем такой пример: у нас есть источник питания с напряжением 5В и силой тока в 1А, а так же светодиод, рассчитанный на напряжение 2В и максимальный ток в 25мА. Если подключить наш светодиод к источнику питания напрямую, то он непременно сгорит, поскольку постарается принять на себя такой поток электронов, который только сможет.

Этот поток ничем не ограничен (кроме мощности источника питания) и попросту убьет наш светодиод, превысив его максимально допустимый ток в 25мА. Что бы этого избежать, нам и пригодится сопротивление, речь о котором шла раньше. А специальными элементами, которые помогут нам подобрать необходимую величину сопротивления, являются токоограничивающие резисторы.

Они имеют номиналы от единиц до миллионов Ом и бывают как постоянные, то есть с фиксированным значением сопротивления, так и переменные, подстраивая которые можно добиться необходимого значения сопротивления в каждом конкретном случае.

Но, что бы определиться, какого именно номинала резистор нам нужен, необходимо воспользоваться вот такой несложной формулой:

R = (Uпит — Uпр) / I

где, R – это то самое значение сопротивления, которое мы ищем,

Uпитания – напряжение питания схемы, в нашем случае это 5В,

Uпрямое – это прямое падение напряжения на светодиоде, которое обычно составляет от 1,5В до 2,3В у стандартных светодиодов, и до 3,5В у сверхярких. В нашем случае это 2В.

И, наконец, I прямое – это прямой ток через светодиод, который планируется получить, в нашем случае он составляет 25мА.

Кстати, наверняка многие из вас слышали о законе Ома. Так вот, сейчас мы как раз и пользуемся его формулами. Правда, изначально закон Ома звучит так: напряжение равняется произведению тока на сопротивление, и записывается вот в таком виде: U = I*R

А уже дальше, путем не хитрых преобразований, что бы найти сопротивление мы просто берем и делим напряжение на силу тока. Это фундаментальный закон в электронике, и вы обязаны его не только знать, но и, самое главное – понимать. Поэтому я советую вам более подробно почитать о нем в интернете.

Итак, вернемся к нашей формуле, подставив все значения в нее, мы получим, что необходимое сопротивление для нашей схемы и светодиода составляет 120 Ом. Давайте проверим это в симуляторе.

Как видите, теперь светодиод потребляет необходимый ему ток в 25мА и потому работает в штатном режиме и не перегорает.

Итак, сделаем из всего этого выводы. При добавлении светодиода, да и вообще любых компонентов в схему, необходимо удостовериться как минимум в трех вещах:

Первое, проверьте правильность полярности подключения компонента к источнику питания

Второе, по возможности ознакомьтесь со спецификацией на этот компонент и узнайте его максимально допустимые параметры

И, наконец, третье — всегда включайте в цепь со светодиодом токоограничивающий резистор, это защитит светодиод от возможного выхода из строя и обезопасит вашу схему от возможных последствий такой неприятной ситуации.

Рассматривая пример со светодиодом, я приводил для вас схему его включения в цепь. Стоит отметить, что такие схемы называются принципиальными, и представляют собой чертеж, на котором показано, как соединены между собой компоненты. Для каждого компонента существует свое обозначение, прописанное в специальных стандартах, поскольку, создавая то или иное устройство, разработчики должны пользоваться одинаковым набором обозначений и символов, что бы понимать друг друга. Это своего рода алфавит, благодаря которому любой желающий может взглянуть на внутренности того или иного устройства и понять из каких деталей оно состоит и как они соединены между собой.

Есть даже такое понятие как чтение электрических схем, и вы должны обязательно научиться этому навыку, который будет все лучше и лучше получаться у вас со временем. Для начала вам необходимо держать у себя в голове следующие общепринятые обозначения на схемах:

Выводы питания. Обычно они обозначаются как небольшие перечеркнутые кружочки или стрелки, с обязательно подписанным значением напряжения, а так же могут обозначаться буквенно, например, VCC, VDD, V+, Vs+ и так далее — всё это означает наибольшее положительное напряжение.

Земля и общий провод. Для начала разберемся, что это такое. Помните, мы говорили, что напряжение есть разность потенциалов, то есть разница между нулевым и каким-то отличным от нуля значением. Так вот, нулевой потенциал в схеме, относительно которого происходят расчеты и замеры, принято называть общим проводом или землей, и обозначать вот такой вертикальной полосой упирающейся в одну, либо в три горизонтальные линии.

Так же земля может иметь буквенное обозначение, состоящее из сокращения английского слова Ground, то есть GND. Вообще на тему земли и общего провода есть отдельные большие статьи, с большим количеством нюансов и прочего, но, чтобы не перегружать вас информацией, пока остановимся на этих общих понятиях.

Итак, с обозначением питания и земли мы разобрались, и теперь давайте посмотрим, как же обозначаются и производятся различные соединения на схеме. Например, в ситуации с одним светодиодом мы не использовали никаких дополнительных подключений, но, что если нам нужно подключить не один, а несколько светодиодов или компонентов? Здесь есть три варианта их подключения относительно друг друга:

Первый вариант это последовательное соединение компонентов. Представим себе ситуацию, что при расчете необходимого сопротивления для нормальной работы вашего светодиода, вы получили значение 120 Ом, но в вашей скромной коллекции не нашлось подходящего резистора с таким сопротивлением. Вот здесь вам на помощь и придет последовательное соединение нескольких резисторов в одну цепь, которые в сумме дадут искомое значение. Например, у вас нашлись резисторы на 100 и 22 Ома и, подключив их последовательно, вы получите 122 Ома, что практически идеально подходит для вашего расчета.

Но в таком подключении есть и свои минусы: давайте представим, что вы собираете новогоднюю гирлянду из 100 лампочек и подключаете их последовательно друг за другом. В таком случае у протекающего через лампочки тока есть только один путь, который лежит через все 100 лампочек вашей гирлянды, и если хоть одна из них перегорит, то в цепи получится разрыв, и, следовательно, вся ваша гирлянда погаснет.

Чтобы избежать такой неприятной ситуации вам поможет параллельное подключение лампочек между собой. Это когда все положительные выводы лампочек подключаются к одной, положительной точке, а все отрицательные, соответственно, к другой. Более наглядно это можно увидеть на картинке.

Кстати, места соединения нескольких проводников в один узел обозначаются жирными точками, а отсутствие электрического соединения проводников — простым скрещиванием линий без точек.

Итак, при таком, параллельном подключении, ток будет так же протекать через каждую из лампочек, но, при этом, если из строя выйдет любая из них, цепь не оборвется, и остальные лампочки продолжат гореть, как ни в чем не бывало. Правда и такое подключение становится опасным, если сгорит большое количество лампочек, поскольку мощность, выдаваемая вашим источником питания, теперь будет распределяться на меньшее количество компонентов и существует риск выхода за пределы значений, указанных в спецификации к вашим компонентам.

И, наконец, третий способ подключения, это параллельно-последовательное соединение компонентов. В данном случае происходит комбинирование подключаемых деталей, которые могут быть соединены, например, последовательно между собой и входить в ветвь, подключаемую параллельно к источнику питания вместе с другими ветвями.

Стоит отметить, что у последовательного и параллельного вида подключений есть свои особенности расчета, и, для тех, кто хочет узнать о них более подробно, можно заглянуть, например, сюда: http://hightolow.ru/resistor3.php

Так же оставляю ссылку (http://cxem.net/beginner/beginner9.php) на более подробные обозначения других элементов на принципиальных схемах, а вы, в качестве домашнего задания, попробуйте самостоятельно найти и прочесть небольшие схемы — отыщите на них питание и землю, точки соединения, последовательное и параллельное включение элементов и так далее.

Ну что же, сегодня мы познакомились с тем, что представляет собой электричество, поговорили о его основных характеристиках, узнали об особенностях подключения компонентов и чтении принципиальных схем. Прошу заметить, что в университетах данный курс электротехники читается на протяжении нескольких семестров и уместить весь материал в одну статью или выпуск, как ни старайся, конечно же, не получится, поэтому я остановился на некоторых, основных моментах и надеюсь, что вы обязательно продолжите самостоятельно изучать принципы и нюансы этой непростой, но очень интересной области.

На этом, пожалуй, все, я надеюсь, что данный материал был полезным, а, главное, понятным для вас и прощаюсь с вами до следующего выпуска, в котором мы, наконец, впервые взглянем на платформу Arduino.

Всем добра и спасибо за внимание! :)

Выпуск 1. Основы Arduino для начинающих. Основные понятия электроники и схемотехники

Добавить комментарий