Zanim zaczniemy zabawę na dobre z montowaniem i programowaniem jakichś wielce skomplikowanych maszyn, musimy poznać pewne podstawy. Dzięki temu maszyny te nie staną w płomieniach i nie rozpadną się zaraz po uruchomieniu.

Pierwszym programem jaki napiszemy jest migająca dioda. Częstotliwość migania będzie sterowana przez mikrokontroler. Jest to najczęściej stosowany przykład na początek nauki programowania mikrokontrolerów.

Zanim zabierzemy się za temat musimy wiedzieć:

• Czym jest napięcie i natężenie oraz jak uzyskać odpowiednie aby dioda świeciła ale się nie paliła
• Jak działa dioda i jak ją podpiąć
• W związku z powyższym co to jest rezystor i jak za jego pomocą regulować zasilanie diody
• Pewne ogólne informacje projektowaniu układów elektronicznych

Wiedza to pozwoli nam nie tylko zaświecić diodę ale także da pewne podstawy byśmy mogli ruszyć dalej.

Napięcie i natężenie

Zagadnienia w tym cyklu w wielu miejscach będą opierać się na fizyce. Już na samym początku musimy wiedzieć jak odpowiednio podpiąć zasilanie by cokolwiek ruszyło i się nie spaliło. A jeśli chcemy do tematu podejść na poważnie bez podstawowej wiedzy na temat napięcia i natężenia ani rusz.

A tak na marginesie, czy wiesz że nazwy dziedzin Elektronika i Elektryka opierają się o elektrony, dzięki którym to że czytasz ten artykuł jest w ogóle możliwe?

To właśnie elektrony, ich magazynowanie i ruch sprawiają że coś może się poruszać, świecić lub w jakiś inny sposób pożytkować energię. Dowolny akumulator/baterię można porównać do takiego pojemnika na elektrony i neutrony z dwoma przegrodami. Coś jak balon we wiadrze, w którym jest powietrze (lub jakaś inna substancja) pod ciśnieniem i pusta przestrzeń. Przewód zaś można porównać do rurki, przez którą ta substancja płynie.

Napięcie

Napięcie to wartość, którą zawsze mierzymy między dwoma punktami. Jakby to próbować zobrazować poprzez powyższą analogię to czym większy balon i twardsza guma tym bardziej elektrony będą napierały a więc napięcie będzie wyższe. Napięcie będzie się tak długo utrzymywać, jak długo nie uwolnimy elektronów.

Bardziej fachowo napięcie to różnica potencjałów między dwoma punktami, czym większa jest ta różnica tym większe jest napięcie. Zapamiętaj że we wzorach napięcie oznaczamy literą U a jednostką napięcia jest 1 wolt (V).

Jest to najważniejsza miara, którą znajdziemy między innymi na bateriach lub akumulatorach.

Warto wiedzieć że napięcie może być stałe takie jak mamy w bateriach oraz zmienne jak jest w gniazdku w ścianie. Temat napięcia zmiennego oraz więcej wzorów i skąd ono się bierze rozwiniemy później, na razie wystarczy nam wiedza że w bateriach i akumulatorach a także gnieździe USB jest napięcie stałe i na razie nim się będziemy posługiwać.

Natężenie (Prąd)

Natężenie to ilość prądu jaka przepływa przez dany punkt przewodu. Czym więcej energii będzie pobierał nasz odbiornik tym większe będzie natężenie. Łatwo wywnioskować że z większym natężeniem będziemy mieli do czynienia zasilając jakiś silnik napędzający pojazd czy podnośnik niż w przypadku małej świecącej diody.

Jednostką natężenia jest 1 Amper oznaczony literą [A], przy czym warto wiedzieć że jeden Amper to bardzo dużo. Do zasilenia diody zazwyczaj wystarczy około 0,002A czyli dwie tysięczne. Zazwyczaj w tym kursie będziemy tworzyć układy wykorzystujące miliampery aniżeli ampery. Więcej prądu pobierają silniki elektryczne i tutaj będzie np 2 Ampery.

Rezystancja (opór)

Każdy komponent stawia opór przepływowi elektronów. Niektóre tak jak przewód stawiają opór znikomy. Są specjalne elementy, którymi możemy regulować napięcie w układzie. Są to rezystory. Każdy rezystor ma swoją rezystancję, którą mierzymy w omach, oznaczony znakiem Ω

Jako że tego znaku nie ma na klawiaturze to przeważnie jest on zastąpiony literą R lub całkiem pominięty, tak więc często na schemacie można spotkać przy rezystorze wartość bez oznaczenia np 100 co będzie oznaczało 100 omów.

Pierwszy schemat

Skoro poznaliśmy już pierwsze trzy podstawowe parametry spróbujmy zacząć projektować układy. Kolejnym krokiem będzie zapoznanie z oznaczeniami elementów na układach. W tej części zajmujemy się świecącą diodą, więc będziemy potrzebowali oprócz oznaczenia i parametrów diody jeszcze jakieś źródło zasilania i ewentualnie jakiś rezystor do obniżenia napięcia.

Dioda

Zacznijmy od diody. W tym momencie interesuje nas dioda czerwona 5mm, chyba najbardziej podstawowa. Kosztuje grosze i doskonale sprawdzi się w początkowych projektach.

Pracę z dowolnym elementem elektronicznym zaczynamy od poznania jego parametrów. W tym przypadku najważniejsze będzie napięcie i natężenie z jakim pracuje dioda. Jest też kilka innych parametrów jak jasność, kąt świecenia i inne. Takie parametry można znaleźć na przykład w sklepach internetowych gdzie takie elementy można kupić lub w notach katalogowych. Poniżej zrzut ekranu ze sklepu bootland.com.pl gdzie można kupić takie diody.

Jak wynika z powyższego dioda pobiera prąd 0,02 Ampera czyli 20mA o napięciu 2 – 2,3 V. Najprostszym rozwiązaniem wydawałoby się wykorzystanie do zasilenia takiej diody dwóch baterii paluszków po 1,5V oraz obniżenie napięcia o jakieś 0,8V za pomocą rezystorów.

Tutaj do rozwiązania są dwie kwestie:

• Jak połączyć dwie baterie po 1,5V aby otrzymać 3V.
• Jak z 3V zrobić 2V za pomocą rezystorów.

Łączenie szeregowe i równoległe

Dwie baterie (podobnie jest z rezystorami) możemy połączyć szeregowo lub równolegle. Oznacza to że w przypadku połączenia szeregowego łączymy baterie „w szeregu” czyli łączymy baterie z plusa jednej do minusa drugiej. Wówczas napięcie tych baterii się sumuje.

Drugą możliwością jest łączenie baterii równolegle, w tym przypadku łączymy baterie plus do plusa a minus do minusa. W ten sposób zwiększamy pojemność źródła zasilana. Oznacza to że nasz układ będzie działał. Temat pojemności rozwiniemy w kolejnych artykułach.

Jak obliczyć rezystancję aby nie spalić diody? – Prawo Ohma

Kluczem do tego żeby układy działały jest prawo Ohma głoszące proporcjonalność natężenia w przewodniku do napięcia. Wzór na tę zależność jest następujący:

U = I x R

Gdzie:

U – napięcie w woltach [V]

I – natężenie prądu w amperach [A]

R – rezystancjaw omach [Ω]

Wzór można przekształcić najprostszym sposobem z matematyki. Aby otrzymać natężenie należy obie strony podzielić przez rezystancję wtedy otrzymamy U/R = I.

Analogicznie można otrzymać wzór na rezystancję U/I = R

Spróbujmy się teraz odnieść do naszych wcześniejszych założeń. W jaki sposób możemy wykorzystać ten wzór. Wiemy że mamy 3V napięcia w naszym źródle energii oraz chcemy aby do diody zostało dostarczone 2V. Wiemy też że natężenie prądu to 0,02A. Potrzebujemy więc obniżyć napięcie o 1V (czyli 3V – 2V). Wystarczy teraz podstawić do wzoru na rezystancję jakiej potrzebujemy.

1V / 0,02A = 50R

Z powyższych wyliczeń wynika że w naszym układzie potrzebujemy dodatkowo umieścić rezystor 50Ω om. Aby upewnić się że tworzymy dobry układ, przed podłączeniem diody warto dokonać pewnych pomiarów w układzie oraz stworzyć symulację. Jest całkiem sporo programów komputerowych, dzięki którym możemy zbudować i zasymulować układy elektroniczne. Jednym z takich programów jest tinkercad.com

Symulacja w programie tinkercad.com

Tinkercad to oprogramowanie, w którym możemy nie tylko tworzyć układy ale także symulować ich działanie i wiele więcej. Jak już założysz nowe konto spróbuj stworzyć omówiony wyżej układ składający się z: diody led świecącej na czerwono, dwóch baterii paluszków 1,5V oraz rezystora 50R. Przygotowany układ powinien wyglądać jak na obrazku poniżej.

Mamy już gotowy układ teraz warto by jeszcze sprawdzić czy na pewno otrzymamy parametry takie jak trzeba czyli ok 2V na diodzie oraz prąd około 0,02A. Aby to zrobić należy użyć miernik uniwersalny lub multimetr. W naszym symulatorze także jest takie urządzenie.

Pomiar napięcia i natężenia

To co dodatkowo warto wiedzieć to to że w rzeczywistości pomiary będą bardzo rzadko idealnie pasować do naszych obliczeń. Wynika to ze stosunkowo wielu czynników. Na przykład bateria z oznaczeniem 1,5V rzadko będzie wskazywać dokładnie tę wartość na multimetrze, i będzie to zależało od stopnia zużycia baterii. Czym bardziej zużyta bateria tym słabszą wartość będzie pokazywać. Zapewne zauważyłeś że zanim bateria w latarce całkiem się rozładuje to ta latarka słabiej świeciła (przynajmniej tak było w tych starszych latarkach). W każdym razie z rezystorami jest podobnie, zazwyczaj wartość odbiega do 5% czyli na przykład rezystor 100K może stawiać opór 95K i w większości przypadków będzie to do przyjęcia. Tutaj odchylenia będą zależały od jakości rezystorów, droższe elementy będą dokładniejsze. Oprócz tego trzeba jeszcze wiedzieć że bateria i przewody także mają jakieś parametry, które nie mają jakiegoś wielkiego wpływu ale jednak jakiś jest.

Aby zmierzyć napięcie na danym elemencie wpinamy miernik równolegle, tak jak na obrazku poniżej. warto tutaj wiedzieć że w programie aby obrócić element należy go zaznaczyć, a następnie nacisnąć klawisz R.

Natężenie (Prąd) mierzymy w konkretnym miejscu obwodu i podpinamy miernik w taki sposób że prąd przez niego przepływał. Należy pamiętać o odpowiednim nastawieniu miernika aby mierzył ampery a nie Volty.

Opór (rezystancję) mierzymy łącząc plus i minus elementu z naszym miernikiem. Najlepiej zobrazuje to poniższy obrazek. Tutaj także ważne jest aby pamiętać o zmianie pomiaru.

Pierwszy realny obwód

Najważniejsze zagadnienia pozwalające zaprojektować prosty obwód mamy już omówione, więc to jest nie najgorszy moment, aby w końcu zrobić coś realnie działającego.

Na początek potrzebujemy komponentów. Diodę świecącą na czerwono już z grubsza omówiliśmy, można kupić je w pakiecie np 10 w sklepie internetowym. Podobnie w przypadku baterii paluszków, można je nabyć praktycznie w każdym sklepie. Baterie trochę ciężko się łączy więc najlepiej zaopatrzyć się w koszyczek na baterie. Jako że będziemy się później bawić mikrokontrolerami zasilanymi napięciem ok 5V najlepszą opcją będzie wyposażenie się w koszyczek na 4 baterie paluszki. Do tego będzie potrzebny rezystor. Za chwilę przeliczymy potrzebny opór do obwodu na cztery paluszki (4 x 1,5 = 6V). Do nauki budowania małych prostych obwodów elektronicznych jak ten dobrze jest wyposażyć się w płytkę stykową widoczną na zdjęciu poniżej. Dzięki płytce stykowej można wygodnie łączyć i rozłączać elementy bez potrzeby lutowania i będzie się to trzymać w całości. Jak już prototyp będzie gotowy to wtedy dopiero lutujemy.

Obliczmy teraz potrzebną rezystancję dla 6V według wcześniejszego przykładu. Różnica napięcia jaką potrzebujemy uzyskać to 6V – 2V = 4V. Podstawiamy do wzoru 4V = 0.02A x R. Dalej przekształcenie 4V/0,02A = 200R. Czyli będziemy potrzebować rezystora 200 omów.

A tak to mogłoby wyglądać w rzeczywistości. Moje baterie trochę się rozładowały ale jeszcze dadzą radę. Akurat miałem pod ręką rezystory po 100 omów, więc aby otrzymać opór 200 omów połączyłem je szeregowo (wtedy rezystancję się dodaje). No i najważniejsze, jak mamy diodę to krótszy drucik należy podpiąć do minusa a dłuższy do plusa.