ВВОДНАЯ ТЕМА: Электрический ток. Сборка простых электрических цепей

Базовый курс "Программирование микроконтроллеров"

Что такое Ардуино?

Ардуино (англ. Arduino) – это популярная и всемирно известная платформа для быстрого создания прототипов различных устройств. По сути — это очень маленький компьютер, или в более строгой формулировке, это отладочная плата с 8-битным контроллером, для которого можно составлять программы, и управлять с помощью них различными устройствами, начиная от простого светодиода и заканчивая сложным роботом или их системой.

Зачем изучать Ардуино?

Кроме образовательных целей, Ардуино подходит для создания электронных проектов разной сложности, от простых устройств, собранных на скорую руку, до прототипов промышленных и научных станций. Это могут быть элементы умного дома, автоматика квестов в реальности, роботы для соревнований, а также разные полезные в хозяйстве устройства.

Вот лишь некоторые примеры Ардуино-проектов:

ЧПУ станки для создания чертежей, гравировки и 3D-объектов

квадрокоптеры и боты

метеостанции, часы, пульты управления

Таких разнообразных примеров проектов можно привести очень и очень много, фантазия безгранична, дерзайте! 😉
Для вдохновения Вы можете воспользоваться следующими ресурсами:
1. https://robotclass.ru/ в разделе «Проекты» и «Уроки»
2. https://instructables.com
3. https://create.arduino.cc/projecthub
4. http://arduino-projects.ru/
5. https://alexgyver.ru/projects/

Почему именно Ардуино?

Дело в том, что движение Ардуино исторически и идеологически сложилось как самое большое сообщество для начинающих в области серьезной робототехники. Разберемся в преимуществах данной платформы, используя сравнительную таблицу ниже. Изучение актуальных предложений на рынке МК, вникание в особенности разных модельных рядов и пр.

Этап разработки	Промышленная разработка	Домашняя лаборатория
*Выбор оборудования согласно поставленной цели*	Изучение актуальных предложений на рынке МК, вникание в особенности разных модельных рядов и пр.	Подобран многофункциональный популярный контроллер, которого с лихвой хватит для колоссального количества задач.
*Сборка прототипа устройства*	Проектирование и изготовление печатной платы с использованием сложных систем.	Сборка макета устройства без пайки, с использованием специальной макетной платы.
*Написание программы*	Изучение большого объема технической документации, терминологии, освоение низкоуровневого программирования.	Использование огромного количества готовых решений: библиотек, статей и пр.
*Тестирование и модернизация прототипа*	Внесение необходимых правок на определенном уровне проектирования и изготовление новой партии.	Изменения можно внести на месте, так как большинство модулей собраны по технологии Plug and Play.

Обратите внимание - данное сравнение не является строгим и не претендует на истинную структуру этапов создания проекта.

Электрический ток

Что такое электрический ток?

Поскольку нам предстоит собирать различные электрические цепи, хорошо бы получить представление о том, что же это такое.

По определению, электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, как правило этими частицами являются электроны. Наверняка вы слышали фразу: ”В электрической цепи течет ток”, тут есть одна хитрость, исторически и теоретически, электрический ток принято сравнивать с потоком воды, так как их поведения очень похожи.

Почему и куда течет электрический ток?

Для того, чтобы разобраться в этом, прибегнем к небольшому мысленному эксперименту.

Представим, что у нас в голове зародилась прекрасная идея: «А возьму-ка я насос, и с помощью него накачаю огромное количество воды высоко-высоко на гору!”. Сказано — сделано! И вот мы, совершая работу, нагнали на гору целое озеро, да так сильно постарались, что вода из озера начала стекать вниз по горе, образуя горную реку, и вот эта река, не встречая препятствий на своём пути, возвращается к подножью горы, сметая всё на своём пути, даже нас.

Печальный исход, правда? Всё дело в том, что вода стекая с огромной высоты имеет колоссальное количество энергии, и логично было бы потратить эту энергию на пользу. Что же можно построить на пути горной реки? Конечно же гидроэлектростанцию! ГЭС поглощает энергию сильного потока воды, превращая её в полезную энергию для небольшого горного городка.

Причём же тут электрический ток?

Дело в том, что насос, который качает воду на гору играет роль батарейки, питающей электрическую цепь. Насос, качает воду на гору, тем самым создает энергетический потенциал для потока воды, а батарейка, в результате химической реакции, заставляет электроны “разгоняться” внутри нее, причем, чем больше высота горы, тем больше энергии можно получить из воды, у батарейки этим параметром является напряжение, чем оно выше, тем больше энергии у электронов в проводах.

В качестве труб и каналов для электрического тока выступают провода, а в качестве полезной нагрузки на месте ГЭС может выступать любое устройство, которое мы хотим заставить работать, например электромотор.

Сборка электрической цепи

Беспаечная макетная плата

Очень часто, люди не знакомые с современными технологиями, при слове «электроника» представляют человека с паяльником. И это неспроста – действительно, почти все, кто занимаются электроникой и работотехникой умеют пользоваться этим волшебным инструментом. Но значит ли это, что для сборки электронного устройства необходим навык пайки? Ответ — нет!

На этом уроке мы познакомимся с так называемыми беспаечными макетными платами, на которых можно собирать очень сложные схемы, не прибегая к помощи паяльника. Существует несколько размеров макетных плат, на которых с помощью проводов-перемычек собираются схемы.

Плата представляет с собой пластиковую доску, усеянную отверстиями. В эти отверстия можно вставлять провода — перемычки, микросхемы, резисторы, светодиоды, кнопки и прочие элементы с тонкими острыми металлическими выводами.

Расстояние между отверстиями — 2.54 мм. Это стандартное расстояние, так что многие электронные компоненты отлично помещаются в эту плату.

Обратите внимание:

макетные платы бывают разных размеров и маркировок, но в целом это нам никак не мешает, чем больше макетная плата, тем больше места для сборки схемы;
макетная плата не имеет внутри себя батарейки или аккумулятора — это значит, что для питания наших схем необходимо отдельно подключать какой-либо источник питания. Как правило таким источником может служить батарейка типа “крона”, любой блок питания с напряжением от 5 до 12 Вольт или выходы “5V” и “GND” платы Ардуино;
для удобства использования, рекомендуем подключать положительный контакт питания (обозначается “+”, красный провод, ”5V” и т.д.) в красную строчку шины питания, а отрицательный контакт питания (обозначается “-”, черный провод, ”GND” и т.д.) в синюю строчку шины питания, так вы уже с самого начала приучите себя к порядку в сборке и уменьшите шанс случайного короткого замыкания в цепи.

Самое важное правило при сборке электрических цепей на макетной плате звучит так:

”Каждый компонент на макетной плате должен располагаться таким образом, чтобы его “ножки” входили в РАЗНЫЕ контактные площадки, “столбики”.

Иными словами, компонент электрической схемы, должен служить “мостом” между двумя вертикальными “столбиками” макетной платы”.

Подключение элемента питания

Для начала, определимся с питанием для наших схем. Как мы обсуждали выше, в качестве источника питания подойдут:

Аккумуляторные и батарейные блоки с напряжением от 5 до 12 Вольт

Выходы питания платы Ардуино

Обратите внимание: в качестве питания для нашей макетной платы можно использовать ЛЮБОЙ источник питания, работающий в диапазоне от 5 до 12 Вольт, на сборку и работоспособность наших схем это почти не влияет, но для УДОБСТВА, рекомендуем использовать выходы питания платы Ардуино, так как:

уровень питания в 5 Вольт является стандартным для нас, и именно с ним мы будем работать в дальнейшем;
скорее всего на первых порах Вам будет тяжело найти удобные в использовании с макетной платой блоки питания или батарейные сборки.

Подключение нагрузки. Светодиод

В качестве первой схемы для сборки мы выберем самую простую – включим светодиод!

Светодиод — это устройство, которое представляет собой полупроводниковый прибор, способный излучать свет при пропускании через него электрического тока в прямом направлении (от анода к катоду).

Возьмите в руку светодиод, внимательно на него посмотрите и сравните с рисунком, попробуйте определить на своём светодиоде анод и катод.

Для того чтобы правильно включить светодиод в электрическую цепь, необходимо отличать катод от анода.

Сделать это можно по двум признакам:
Анод (плюс) светодиода имеет более длинную контактную ножку.
Катод (минус) обладает короткой контактной ножкой, а также со стороны минуса корпус светодиода немного срезан.

Обратите внимание: так как светодиод обладает ПОЛЯРНОСТЬЮ, подключать его нужно “правильной” стороной - “плюс” светодиода должен быть подключён к стороне “плюса” питания, а “минус” светодиода к “минусу” питания, в противном случае светодиод не пропустит через себя электрический ток и банально не загорится.

Собираем схему по рисунку:

Плата Ардуино, как и макетная плата, не умеет генерировать электричество из воздуха, поэтому после того, как схема готова, подключите плату через USB разъем к компьютеру. На плате должны загореться индикационные светодиоды, это означает что на плату подано питание.

Обратите внимание на то, чтобы обе контактные ножки светодиода не находились на одной контактной площадке макетной платы!

После включения, скорее всего Вы заметили, что светодиод:

Дело в том, что мы сожгли свой первый светодиод! Поздравляем Вас!😁

Подключение сопротивления. Резистор

Как бы весело это не было, но сжигать компоненты это достаточно расточительно, так как в наборе их не бесконечное количество и в нужный момент нам может как раз не хватить одного светодиода для проекта, а это уже будет грустно.

Почему так произошло?

Дело в том, что мы используем напряжение питания 5 Вольт, и это напряжение, как оползень сошедший с горы сметающий всё на своём пути, может сжечь светодиод!

Для того что бы обезопасить светодиод от слишком большого напряжения мы должны разместить на пути электрического тока специальный компонент, резистор.

Резистор помогает решить две задачи:

ограничение потока тока: при подключении к источнику питания, светодиод старается бесконтрольно пропустить через себя как можно больше тока. Это может привести к самосожжению самого светодиода и к повреждению контроллера! Обычному светодиоду нужно всего 20 мА тока.
снижение напряжения с 5 Вольт до 2 Вольт, что для многих стандартных светодиодов является рабочим напряжением.

Обратите внимание: резистор является тем элементом, который “забирает” на себя определенную часть напряжения. Чтобы понять, какое напряжение сможет “взять” на себя резистор, мы внимательно рассмотрим набор резисторов и увидим, что все они имеют разноцветные полоски, расположенные в определенном порядке - это называется МАРКИРОВКОЙ резистора.

Прочесть маркировку транзистора поможет специальная табличка или калькулятор:

Как же рассчитать, резистор с каким номиналом нам нужно взять?

Учитывая особенности работы светодиода, которые были сформулированные выше, мы можем рассчитать номинал нашего токозадающего резистора. Для этого ознакомимся с принципиальной схемой нашей сборки:

Общее напряжение – это напряжение между крайними точками всей цепи, в нашем случае оно всегда равно 5 Вольтам.Это напряжение должно поделиться между резистором и светодиодом:

${{U}_{общ}}={{U}_{резистор}}+{{U}_{светодиод}}$

${{U}_{общ}} = 5 Вольт$

Как понять, кому и сколько напряжения мы должны обеспечить?

Если мы обратимся к технической документации для светодиода то увидим, что для большинства светодиодов адекватным считается уровень напряжения в 2 Вольта.

${{U}_{светодиод}} = 2 Вольта$

Таким образом получим, что падение напряжения на резисторе должно составлять:

${{U}_{резистор}}={{U}_{общ}}-{{U}_{светодиод}}$

Подставим известные значения:

${{U}_{резистор}}={5-2} = 3 Вольта$

Далее воспользуемся, без преувеличения, самым важным законом в электротехнике, законом Ома!

$R=\frac{{{U}_{резистор}}}{{{I}_{резистор}}}$

В этой формуле, R – это электрическое сопротивление резистора, эта величина показывает насколько сильно элемент сопротивляется проходящему через него электрическому току, а I – это сила тока, эта величина показывает как много электронов “кушает” наш компонент в единицу времени.

Для вычисления сопротивления нам осталось узнать силу тока I, которую будет потреблять светодиод. В технической документации мы найдем, что эта величина равна 20 мА или 0,02 Ампера.

${{I}_{резистор}}=20мА=0.02 А$

Наконец, мы сможем вычислить необходимое значение сопротивления!

$R=\frac{{{U}_{резистор}}}{{{I}_{резистор}}}=\frac{{3}}{{0.02}}=150 Ом$

По схеме цветовой маркировки найдем нужный резистор и поставим его в нашу схему:

Если мы всё сделали правильно, наш светодиод должен загореться!🌞

Обратите внимание, если что то не работает:

проверьте, подали ли Вы напряжение на плату, подключили ли Вы Ардуино к компьютеру и горит ли на ней индикационный светодиод;
проверьте, плотно ли посажены компоненты ножками в макетную плату. Часто бывает такое, что тонкие ножки компонента загибаются, или наоборот, толстые ножки плохо проходят в отверстия макетной платы, что приводит к слабому контакту с проводником внутри макетной платы;
проверьте полярность подключения светодиода. Если Вы еще неуверенно определяете где у светодиода анод, а где катод то просто переподключите его на плату, перевернув;
убедитесь, что все провода, перемычки и компоненты составляют единый контур цепи - не промахнулись ли Вы случайно, воткнув ножку в соседний столбик от нужного, такое легко может произойти учитывая размеры макетной платы.

Поскольку светодиодная индикация – это очень важный для нас инструмент, то всё, что мы сейчас узнали и проделали – крайне полезно.

Как минимум для светодиода, мы всегда будем брать резистор номиналом от 150 Ом, так что можно это запомнить.

Выполним ещё несколько упражнений на работу с макетной платой. Пока что, мы не будем рассматривать как работают те или иные компоненты, самое главное это понять принцип сборки электрических цепей на беспаечной макетной плате.