Теория электричества и Arduino

Мощность — мера скорости трансформации электрической энергии в другую форму

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

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

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!

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

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

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.

Основные характеристики

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

Как прочитать номинал любого резистора

Расчёт пропорции

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

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

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

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.

Основные характеристики

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

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

Выпрямительный диод

Также известен как защитный, кремниевый

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

Диод Шоттки

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

• V_F = 0,3 В

• V_DC — десятки вольт

• Открывается быстро

• Сгорает после пробоя обратным током
  
  

Диод Зеннера

Зеннер — фамилия его изобретателя. Также известен как стабилитрон

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

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

Восприятие световых волн человеком

Дано

Найдём оптимальное сопротивление R и минимально допустимую мощность резистора PR.

Сначала поймём какое напряжение должен взять на себя резистор:

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

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:

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.

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

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 со стягивающим резистором

• Есть нажатие: V_out = V_CC
• Нет нажатия: V_out = 0

Схема с подтягивающим резистором

• Есть нажатие: V_out = 0
• Нет нажатия: V_out = V_CC

• 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

Типовая схема подключения

Транзистор усиливает максимально допустимый ток в h_fe раз:

Пример расчёта

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

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

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

• «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

50% — эквивалент 2,5 В

10% — эквивалент 0,5 В

90% — эквивалент 4,5 В

Поведение

• Если подаваемое напряжение больше внутреннего накопленного, конденсатор будет заряжаться.
• Если внешнее напряжение меньше внутреннего, конденсатор будет отдавать заряд.

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

Кодирование номинала

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

Основные характеристики

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