Понятие электричества

Протекание электрических процессов проще всего будет понять, проведя аналогию с гидравлической системой.

Гидравлическая система
Под действием давления насоса, Паскаль
по трубам и клапанам разного сечения, 1/см2
из области высокого давления
в область низкого давления
переносится объем жидкости, м3
формируя поток определенной силы, м3/сек
который совершает полезную работу, Джоуль
передавая энергию турбине с некой скоростью. Ватт
Простая схема
Под действием напряжения источника питания, V (Вольт)
по проводникам и компонентам разного сопротивления, R (Ом)
от высокого потенциала, + (плюс)
к низкому потенциалу - (минус)
переносится заряд Q (Кулон)
формируя электрический ток определенной силы, I (Ампер)
который совершает полезную работу, W (Джоуль)
превращаясь в другую энергию с некой скоростью. P (Ватт)
Под действием давления насоса, Паскаль Под действием напряжения источника питания, V (Вольт)
по трубам и клапанам разного сечения, 1/см2 по проводникам и компонентам разного сопротивления, R (Ом)
из области высокого давления от высокого потенциала, + (плюс)
в область низкого давления к низкому потенциалу - (минус)
переносится объем жидкости, м3 переносится заряд Q (Кулон)
формируя поток определенной силы, м3/сек формируя электрический ток определенной силы, I (Ампер)
который совершает полезную работу, Джоуль который совершает полезную работу, W (Джоуль)
передавая энергию турбине с некой скоростью. Ватт превращаясь в другую энергию с некой скоростью. P (Ватт)

Принципиальные схемы

Чтобы изобразить на бумаге как должна выглядеть та или иная электрическая цепь используют схемы. Схемы бывают разных видов со своими преимуществами и недостатками.

Ниже приведена одна и та же электрическая схема, изображённая по-разному, в четырёх вариациях.

1
Рисованная схема
Рисованная схема
Красиво, но громоздко и непрактично.
2
Принципиальная схема
Принципиальная схема
  • Компактно и наглядно.
  • То, что соединено линией, в реальности должно быть соединено проводником.
  • То, что не соединено линией, в реальности должно быть электрически изолировано.
3
Принципиальная схема без явного источника питания
Принципиальная схема без явного источника питания
Источник питания зачастую не рисуют в явном виде, а используют отдельные символы для плюса и минуса. Такая схема ещё более компактна.
4
Принципиальная схема с отдельными контурами
Принципиальная схема с отдельными контурами
Часто для удобства одну цепь на схемах разбивают на отдельные части. В сложных проектах так добиваются наглядности и делят зоны ответственности между несколькими инженерами-разработчиками.

Основные законы электричества

Давайте рассмотрим основные законы, понятия и принципы электричества.

1
Закон Ома — главный закон электричества
Закон Ома
2
Мощность

Мощность — мера скорости трансформации электрической энергии в другую форму

Мощность

Зная закон Ома, можно заметить, что мощность можно рассчитать иначе:

Мощность
3
Нагрев

Мир не идеален и часть электроэнергии непременно трансформируется в тепло. Из-за этого и греются компьютеры, телефоны, телевизоры и другая электроника.

Нагрев
4
Короткое замыкание

Соединение плюса с минусом напрямую, по закону Ома, приводит к очень большому току, следовательно к очень большой мощности нагрева, что в итоге приводит к возгоранию.

Это называется коротким замыканием или в просторечии просто «козой». Никогда не допускайте его, ни при каких обстоятельствах!

Короткое замыкание

Виды соединений элементов электрической цепи

Элементы в электрической цепи можно соединить двумя способами.

1
Последовательное соединение

При последовательном подключении сила тока в каждом потребителе — одна и та же, различается напряжение: в каждом компоненте падает его часть.

Последовательное подключение
2
Параллельное соединение

При параллельном подключении напряжение вокруг каждого потребителя — одно и то же, различается сила тока: каждый потребляет ток в соответствии с собственным сопротивлением.

Параллельное подключение

Управление электричеством

Если постоянно и монотонно трансформировать электроэнергию в другую форму, область применения электричества будет сильно ограничена. Огромный мир разнообразных полезных устройств открывается, если научиться контролировать и взаимодействовать с электричеством. Для этого существует несколько способов.

1
Управление вручную
Переключение цепи вручную Измерение вольтметром
2
Автоматическое управление

Замыкать и размыкать цепь, измерять напряжение также можно, не вручную, а автоматически, по заданному алгоритму при помощи запрограммированного микроконтроллера.

Существуют «сырые» микроконтроллеры, выполненные в виде одной микросхемы. Они дёшевы при массовом производстве, но их программирование и правильное подключение — нетривиальная задача для новичка.

Чтобы решить эту проблему, существуют готовые платы или, как ещё говорят, вычислительные платформы. Они делают процесс взаимодействия с микроконтроллером очень простым. Типичным представителем этого семейства являются платы Arduino.

Быстрая сборка схем

Для надёжной сборки устройств создаются индивидуальные печатные платы. Если делать их самостоятельно, это займёт много времени и заставит повозиться с химикатами и паяльником. Индивидуальные платы с промышленным монтажом на заказ крайне дороги при малом тираже.

Для быстрой сборки электрических схем без пайки и без проблем существуют макетные платы. Их также называют макетными досками, макетками или breadboard’ами.

Принцип работы макетной платы

Под слоем пластика скрываются медные пластины-рельсы, выложенные по незамысловатому принципу:

Печатная плата

Пример использования макетной платы

Одну и ту же схему на макетной доске можно собрать множеством способов. Пример одной из конфигураций разберём для такой схемы:

1
Принципиальная схема
Принципиальная схема
2
Физическое воплощение на макетной плате
Пример схемы на макетной плате

На что стоит обратить внимание:

  • Цвета проводов, конечно же, значения не имеют. Однако хорошим тоном является использование красных проводов для линии питания и чёрных или синих для линии земли
  • Мы подключили источник питания к длинным боковым рельсам. Это позволяет не тянуть к нему самому большое количество проводов с разных участков схемы, а задача по его замене или перемещению сильно упрощается
  • Положение всей схемы на макетной доске не так важно. Важно взаимное положение компонентов друг относительно друга
  • Схема по горизонтали побита на отдельные участки, которые легко воспринимать и изменять по отдельности

Резистор

Резистор — искусственное «препятствие» для тока. Сопротивление в чистом виде. Резистор ограничивает силу тока, переводя часть электроэнергии в тепло.

Резистор

Основные характеристики

Сопротивление (номинал) R Ом
Точность (допуск) ± %
Мощность P Ватт

Цветовая кодировка резисторов

Наносить номинал резистора на корпус числами — дорого и непрактично: они получаются очень мелкими. Поэтому номинал и допуск кодируют цветными полосками.

Цветовая кодировка резисторов

На что стоит обратить внимание:

  • Разные серии резисторов содержат разное количество полос, но принцип расшифровки одинаков.
  • Цвет корпуса резистора может быть бежевым, голубым, белым. Это не играет роли.
  • Если не уверены в том, что правильно прочитали полосы, можете проверить себя с помощью мультиметра.

Типовые номиналы для экспериментов

Типовые номиналы для экспериментов

Делитель напряжения

Последовательно подключённые резисторы делят поступающее на них напряжение в определённой пропорции.

Делитель напряжения

Расчёт пропорции

Сила тока, протекающая через резисторы одинакова, т.к. они соединены последовательно, и по закону Ома может быть рассчитана как:

Расчёт пропорции

По тому же закону Ома можно вычислить напряжение Vout, которое падает на резисторе R2:

Расчёт пропорции 2

Из полученной формулы видно, что чем больше R2 относительно R1, тем большее напряжение падает на нём.

Считывание резистивных сенсоров

Если вместо R2 использовать не постоянный резистор, а датчик, который меняет своё сопротивление, Vout будет зависеть от измеряемого значения.

Считывание резистивных сенсоров

Примеры резистивных датчиков

Термистор

Термистор изменяет своё сопротивление в зависимости от собственной температуры

Фоторезистор

Фоторезистор (англ. Light Dependent Resistor или сокращённо LDR) изменяет своё сопротивление в зависимости от силы света, попадающего на его керамическую «змейку»

Потенциометр

Потенциометр ещё называют переменным резистором, триммером. Это делитель из двух резисторов в одном корпусе. Поэтому у него 3 ноги: питание, выход, земля.

Соотношение R1 и R2 меняется поворотом ручки. От 100% в пользу R1 до 100% в пользу R2.

Диод

Диод — это электрический «ниппель». У него есть 2 полюса: анод и катод. Ток пропускается только от анода к катоду.

Диод

Основные характеристики

Падение прямого напряжения VF Вольт
Максимальное сдерживаемое обратное напряжение VDC Вольт
Максимальный прямой ток IF Ампер
1
Напряжение в прямом направлении

После того, как напряжение в прямом направлении превысит небольшой порог VF диод открывается и начинает практически беспрепятственно пропускать ток, который создаётся оставшимся напряжением.

2
Напряжение в обратном направлении

Если напряжение подаётся в обратном направлении, диод сдерживает ток вплоть до некоторго большого напряжения VDC после чего пробивается и работает также, как в прямом направлении.

Виды диодов

Выпрямительный диод

Выпрямительный диод

Также известен как защитный, кремниевый

  • VF = 0,7 В
  • VDC — сотни или тысячи вольт
  • Открывается медлено
  • Восстанавливается после пробоя обратным током

Диод Шоттки

Диод Шоттки

Шоттки — фамилия его изобретателя. Также известен как сигнальный, германиевый.

  • VF = 0,3 В

  • VDC — десятки вольт

  • Открывается быстро

  • Сгорает после пробоя обратным током

Диод Зеннера

Диод Зеннера

Зеннер — фамилия его изобретателя. Также известен как стабилитрон

  • VF = 1 В
  • VDC — фиксированное значение на выбор
  • Умышленно используется в обратном направлении как источник фиксированного напряжения

Светодиод

Светодиод (англ. Light Emitting Diode или просто LED) — энергоэффективная, надёжная, долговечная «лампочка».

Светодиод — вид диода, который светится, когда через него проходит ток от анода (+) к катоду (−).

Типовая схема включения

На что стоит обратить внимание:

  • Собственное сопротивление светодиода после насыщения очень мало, и без резистора, ограничивающего ток через светодиод, он перегорит
  • Порядок: «резистор до» или «резистор после» — не важен

Основные характеристики

Падение напряжения VF Вольт
Номинальный ток I Ампер
Интенсивность (яркость) IV Кандела
Длина волны (цвет) λ Нанометр

Восприятие световых волн человеком

Восприятие световых волн

Поиск подходящего резистора

Рассчитаем какой резистор R в приведённой схеме нам нужно взять, чтобы получить оптимальный результат.

Дано

Формула нахождения сопротивления для светодиода 1

Найдём оптимальное сопротивление R и минимально допустимую мощность резистора PR.

Сначала поймём какое напряжение должен взять на себя резистор:

Формула нахождения сопротивления для светодиода 2

По закону Ома найдём значение сопротивления, которое обеспечит такое падение:

Формула нахождения сопротивления для светодиода 3

Таким образом

  • При сопротивлении более 135 Ом яркость будет ниже заявленной.
  • При сопротивлении менее 135 Ом срок жизни светодиода будет меньше.

Теперь найдём мощность, которую при этом резистору придётся рассеивать:

Расчет рассеивающейся мощности резистора

Это означает, что при мощности резистора менее 54 мВт резистор перегорит.

Простое правило

Чтобы не заниматься расчётами резистора каждый раз во время проведения экспериментов, можно просто запомнить правило для самого типичного сценария.

Для питания 1 светодиода на 20 мА от 5 В используйте резистор от 150 до 360 Ом.

Семисегментный индикатор

Семисегментный индикатор — это восемь светодиодов в одном корпусе: 7 сегментов + точка. Анод у каждого светодиода отдельный, а катод у всех общий, на ноге 3 или 8.

Семисегментный индикатор
Семисегментный индикатор схема

Токоограничивающие резисторы

Используйте отдельный резистор для каждого светодиода, иначе при разном количестве включенных сегментов их яркость будет «скакать».

Даже в случае, когда все светодиоды включаются и выключаются синхронно, лучше придерживаться этого правила. Светодиоды могут чуть отличаться своей вольт-амперной характеристикой друг от друга. Первый открывшийся пропустит через себя ток, предназначенный для всех. Из-за чего он может выйти из строя и «эстафета» перейдёт к следующему.

Тактовая кнопка

Тактовая кнопка — простой механизм, замыкающий цепь пока есть давление на толкатель.

Тактовая кнопка

Кнопки с 4 контактами стоит рассматривать, как 2 пары рельс, которые соединяются при нажатии.

Эффект дребезга

Эффект дребезга

При замыкании и размыкании между пластинами кнопки возникают микроискры, провоцирующие до десятка переключений за несколько миллисекунд. Явление называется дребезгом (англ. bounce). Это нужно учитывать, если необходимо фиксировать «клики».

Схема подключения

Напрашивается подключение напрямую. Но это неверный способ!

Схема подключения

Пока кнопка нажата, выходное напряжение Vout = VCC, но пока она отпущена, Vout ≠ 0. Кнопка и провода в этом случае работают как антенна, и Vout будет «шуметь», принимая случайные значения «из воздуха».

Пока соединения нет, необходимо дать резервный, слабый путь, делающий напряжение определённым. Для этого используют один из двух вариантов.

Схема со стягивающим резистором

Схема со стягивающим резистором

  • Есть нажатие: Vout = VCC
  • Нет нажатия: Vout = 0

Схема с подтягивающим резистором

Схема с подтягивающим резистором
  • Есть нажатие: Vout = 0
  • Нет нажатия: Vout = VCC

Биполярный транзистор

Транзистор — это электронная кнопка. На кнопку нажимают пальцем, а на биполярный транзистор — током.

Транзисторы используют для управления мощными нагрузками при помощи слабых сигналов с микроконтроллера.

  • Нога, выполняющая роль «кнопки» называется база (англ. base)
  • Пока через базу течёт небольшой ток, транзистор открыт:
    • Большой ток может втекать в коллектор (англ. collector)
    • и вытекать из эмиттера (англ. emitter)

Основные характеристики

Макс. напряжение коллектор-эмиттер VCE Вольт
Максимальный ток через коллектор IC Ампер
Коэффициент усиления hfe

Типовая схема подключения

Транзистор усиливает максимально допустимый ток в hfe раз:

Пример расчёта

Если управляющий сигнал на базе транзистора с hfe и резистором номиналом 1 кОм составляет 5 вольт:

  • Какой максимальный ток сможет пропустить через себя транзистор?
  • Каким по величине будет управляющий ток?

Дано

Найти

Решение

Вывод

Если на базу подаётся 5 В через резистор в 1 кОм, транзистор откроется настолько, что будет способен пропустить до 250 мА. При этом управляющий ток составит всего 5 мА

Полевой транзистор

Полевой MOSFET-транзистор — ключ для управления большими токами при помощи небольшого напряжения.

  • «Кнопка» называется затвором (англ. gate)
  • Пока на затворе есть небольшое напряжение, транзистор открыт:
    • Большой ток может втекать в сток (англ. drain)
    • и вытекать из истока (англ. source)

В отличие от биполярного транзистора полевой контролируется именно напряжением, а не током. Т.е. в открытом состоянии ток через затвор не идёт.

Используйте MOSFET для управления большими токами, от сотен миллиампер, когда дешёвого биполярного транзистора уже не достаточно.

Основные характеристики

Максимальное напряжение сток-исток VDS Вольт
Максимальный ток через сток ID Ампер
Сопротивление сток-исток RDSon Ом
Рассеиваемая мощность PD Ватт

Типовая схема подключения

Рассеивание тепла

Транзистор не идеален и часть пропускаемой мощности превращается в тепло.

Если PH превысит PD, без помощи дополнительного охлаждения транзистор сгорит.

Широтно-импульсная модуляция

Микроконтроллеры обычно не могут выдавать произвольное напряжение. Они могут выдать либо напряжение питания (например, 5 В), либо землю (т.е. 0 В)

Но уровнем напряжения управляется многое: например, яркость светодиода или скорость вращения мотора. Для симуляции неполного напряжения используется ШИМ (Широтно-Импульсная Модуляция, англ. Pulse Width Modulation или просто PWM)

Применение

Выход микроконтроллера переключается между землёй и Vcc тысячи раз в секунду. Или, как ещё говорят, имеет частоту в тысячи герц. Глаз не замечает мерцания более 50 Гц, поэтому нам кажется, что светодиод не мерцает, а горит в полсилы.

Аналогично, разогнанный мотор не может остановить вал за миллисекунды, поэтому ШИМ-сигнал заставит вращаться его в неполную силу.

Скважность

Отношение полного периода к времени включения называют скважностью (англ. duty cycle). Рассмотрим несколько сценариев при напряжении питания Vcc равным 5 вольтам.

50% — эквивалент 2,5 В

10% — эквивалент 0,5 В

90% — эквивалент 4,5 В

Конденсатор

Конденсатор -крошечный аккумулятор, который очень быстро заряжается и очень быстро разряжается.

Конденсатор

Поведение

  • Если подаваемое напряжение больше внутреннего накопленного, конденсатор будет заряжаться.
  • Если внешнее напряжение меньше внутреннего, конденсатор будет отдавать заряд.
Время заряда и разряда конденсатора

Время заряда и разряда

Для связывания уровня заряда конденсатора с временем используют понятие «постоянной времени τ»: τ = R x C

  • За τ секунд конденсатор заряжается или разряжается на 63%
  • За 5×τ секунд конденсатор заряжается или разряжается на 99%
  • Если резистора в схеме нет, его роль исполняет паразитное сопротивление проводов, разъёмов, дорожек, составляющее доли Ома.

Основные характеристики

Ёмкость (номинал) C Фарад
Точность (допуск) ± %
Максимальное напряжение V Вольт

Кодирование номинала

Номинал конденсатора

Номинал в пФ записан на корпусе. Первые 2 цифры — основание, 3-я — множитель. Например:

  • 220 = 22 × 100 пФ = 22 пФ
  • 471 = 47 × 101 пФ = 470 пФ
  • 103 = 10 × 103 пФ = 10 000 пФ = 10 нФ
  • 104 = 10 × 104 пФ = 100 000 пФ = 100 нФ

Пьезодинамик

Пьезоизлучатель звука (англ. buzzer) переводит переменное напряжение в колебание мембраны, которая в свою очередь создаёт звуковую волну.

Иначе говоря, пьезодинамик — это конденсатор, который звучит при зарядке и разрядке.

Основные характеристики

Рекомендуемое (номинальное) напряжение V Вольт
Громкость (на заданном расстоянии) P Децибелл
Пиковая частота fP Герц
Ёмкость C Фарад

Амплитудно-частотная характеристика

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) определяет громкость звука в зависимости от частоты управляющего сигнала, который и определяет высоту звучащей ноты.

Идеальная АЧХ — это прямая, т.е. одинаковая громкость вне зависимости от частоты. Но мир не идеален и разные виды излучателей имеют разные отклонения от идеала.

Подключение напрямую

Пьезодинамик потребляет всего пару мА, поэтому можно смело подключать его прямо к микроконтроллеру

Для звучания нужно подавать на динамик квадратную волну. Какой частоты будет волна, такой частоты будет и звук

Подключение с регулировкой громкости

Начало работы с Ардуино

Скачайте Arduino IDE

  1. Если у вас Windows и Arduino IDE из zip-файла, установите драйверы из папки drivers
  2. Подключите Arduino к компьютеру через USB
  3. Запустите Arduino IDE
  4. В «Tools → Board» выберите модель вашей платы
  5. В «Tools → Serial Port» выберите порт, куда она подключена
  6. Пишите программу или загружайте готовый пример из «File → Examples»
  7. Жмите «Upload» на панели инструментов для прошивки платы!

Перепрошивать плату можно сколько угодно раз. Программа сохраняется после обесточивания платы.

Внешний вид Arduino IDE

Если прошивка не удалась, проверьте, что:

  • Плата получает питание, горит светодиод «ON»
  • Драйверы под Windows установились корректно, и в диспетчере устройств вы видите устройство «Arduino Uno»
  • Вы выбрали правильную модель платы и правильный порт (пункты 5 и 6)
  • USB-кабель исправен