Версия текста 1.2, (с) 2018

Введение

Современный мир наполнен интеллектуальной электроникой. Еще 50 лет назад единственными устройствами в доме были утюг и телевизор, сейчас, чтобы перечислить всё, не хватит пальцев на обеих руках. Маршрутизатор WiFi “раздает” интернет, “умные” розетки подключены к беспроводной сети и передают текущее потребление электроэнергии, датчик за окном передает температуру на висящую на стене метеостанцию, которая не только показывает погоду, но и синхронизирует и показывает точное время по радиосигналу из Германии. Напольные весы не только позволяют узнать вес, но и отправляют его на смартфон, наручные часы не только показывают время, но и считают число пройденных шагов.

Что объединяет все эти устройства? То, что внутри каждого из них есть микроконтроллер - небольшой компьютер, способный выполнять программу, без которой устройство не будет работать. И чтобы понимать современную технику, надо понимать не только электронику, но и программирование. Тем более, что это занимательно и вполне интересно.

В данной книге описаны основы электроники, от простого к сложному - от светодиода до микропроцессора, от мультиметра до осциллографа. К сожалению, не везде есть радиокружки и не у каждого есть “знающие” знакомые. Эта книга позволит хоть сколько-то восполнить данный пробел. Как подключить светодиод, как воспользоваться мультиметром, книга даст ответы и на такие вопросы. Основной акцент книги - на цифровой электронике, поэтому “аналоговые” понятия рассказаны лишь поверхностно. Желающие узнать подробнее, например, о режимах работы транзистора, могут найти это в специальной литературе.

Книга рассчитана на начинающих свой путь в освоении электроники, и на школьников от 10-12 лет. Поэтому теория дается в минимальном объеме, а основной акцент делается на практических занятиях.

Если кто-либо благодаря этой книге заинтересуется электроникой или программированием, значит она написана не зря.

Книга распространяется бесплатно в электронном виде, последнюю версию можно скачать на странице https://cloud.mail.ru/public/F6Vf/nY6iSxXcd.

Приятного чтения.

Часть 1. Основы электроники

Биты и байты в компьютере - для пользователя зачастую лишь данные, которые можно посмотреть на экране. Однако на физическом уровне, это все равно остается в виде изменения токов и напряжений, тех самых с которыми экспериментировали еще Гальвани и Тесла более 100 лет назад. Поэтому при создании цифровых схем, нужно хотя бы на базовом уровне понимать, как это работает. Это не требуется для пользователя обычного персонального компьютера, но если мы делаем какое-то устройство, способное “общаться” с внешним миром, без этого никак не обойтись. К примеру, можно подключить мотор напрямую к выводу микроконтроллера - и испортить контроллер, т.к. он в состоянии выдавать лишь небольшой ток. Можно подключить датчик, рассчитанный на 3.3В, к 5-вольтовому выводу Arduino, результат будет аналогичный. Понимание таких моментов позволит делать эффективные и надежные схемы.

Поэтому мы начнем с основ электричества - с тока и напряжения, с измерений в электрической цепи.

1.1 Детали и инструменты

Электроника - это в первую очередь практическая наука. Чтобы проведенное с книгой время было полезным и интересным, желательно заранее приобрести соответствующие компоненты. Если в наличии нет ничего, то стоит приобрести сразу готовый набор, это выйдет немного дешевле.

Следующий вопрос - что и где купить. Весьма рекомендуется научиться приобретать товары на www.ebay.com - все комплектующие сейчас производятся в Китае, и заказывать их напрямую у китайских продавцов в 3-5 раз выгоднее, чем взять тот же товар в российском магазине. Для покупки на eBay достаточно зарегистрировать аккаунт Paypal, он позволяет оплачивать товары банковской картой, не передавая данные платежной карты непосредственно продавцу. Имея аккаунт Paypal, можно делать покупки и на ebay. Адрес и ФИО получателя стоит указать латинскими буквами, т.к. разные почтовые программы могут иметь разную кодировку, и не факт что в китайском магазине корректно отобразится русский шрифт. Ebay также имеет программу защиты покупателей - если товар имеет дефект, то продавец обязан вернуть деньги или выслать замену.

Для сравнения порядка цен, плата Arduino Nano 3.0 стоит в популярном магазине “Чип и дип” 440 рублей, точно такая же плата на eBay стоит 3.5$ с бесплатной почтовой доставкой, т.е. порядка 200р. 3-4 таких покупки в сумме дадут вполне приличную экономию, но заплатить за это придется 3-4 недельным ожиданием посылки.

Названия наборов для сборки приводятся на английском, чтобы их было легче найти в поиске.

Electronics Starter Kit with Breadboard

Неплохой набор из макетной платы, проводов, светодиодов, “пищалки”, конденсаторов и пр. Цена вопроса порядка 20$.

UNO R3 Starter Kit for Arduino

Набор из платы Arduino и различных сенсоров. Пригодится ко второй части книги.

Примеры в книге даны как раз для платы Arduino Uno, так что ее имеет смысл взять для повторения описанных опытов. Цена вопроса порядка 35$.

37 in 1 Sensor Module Kit

Если у кого-то уже есть Arduino, отдельно можно докупить блок сенсоров на все случаи жизни - от цветного светодиода до датчика Холла или лазера.

Возможности всех этих сенсоров выходят за рамки данной книги, но некоторые из них точно пригодятся, остальные можно будет использовать в дальнейшем.

Разумеется, все эти компоненты можно приобрести и отдельно, по цене 2-3$ за штуку, но учитывая сроки ожидания посылок на почте, может быть целесообразнее взять сразу побольше.

Кстати, целесообразно купить и макетную плату (breadboard). Она позволяет соединять элементы без пайки, просто вставляя их плату. К такой плате сразу можно приобрести и набор соединительных проводов.

ESP32 Development Board

Эта плата имеет встроенный WiFi и может “общаться” с внешним миром, используя интернет. Она будет рассматриваться в третьей части книги.

Raspberry Pi 3

Это полноценный компьютер с Linux, на котором можно запустить практически все что угодно, даже собственный веб-сервер. Он будет рассматриваться в 4й части книги.

Имеет смысл купить Raspberry Pi и блок питания, корпус при желании также можно докупить отдельно. А вот карту памяти лучше взять в местном компьютерном магазине, по личному опыту, все китайские карты памяти оказались некачественными.

Raspberry Pi Zero W

Это более компактная версия Raspberry Pi, имеющая примерно те же возможности.

BBC Micro:bit

Это микрокомпьютер для самых маленьких, и рассмотрен он будет в 5й части. Плата имеет светодиодную панель, микроконтроллер, гироскоп и акселерометр, а программируется она через простой визуальный интерфейс.

На этом мы закончим с покупками, и перейдем собственно, к электронике. Начнем с азов, и с самого начала. Кто это уже знает, может сразу перейти ко второй части книги.

1.2 Электрическая цепь, ток и напряжение

На столе есть 3 детали - лампочка, батарейка и выключатель. Что нужно сделать, чтобы схема заработала? Нужно соединить устройства проводами в так называемую электрическую цепь. Это будет выглядеть примерно так:

Что важно в этой схеме? Во-первых, все элементы должны быть соединены между собой. Электрический ток - это поток электронов, “бегущий” по проводам. Можно упрощенно представить как такой поток “вытекает” из одного полюса батарейки, доходит до лампочки, проходит через вольфрамовую нить, нагревая ее, затем “втекает” обратно в другой полюс батарейки. Если хоть где-то цепь будет разомкнута, ток не пойдет, и лампочка гореть не будет.

Важно: показанная схема работает только с лампочкой накаливания. Светодиод нельзя подключать напрямую к батарейке, о его подключении будет рассказано в отдельной главе.

Что нам еще нужно знать о схеме?

Батарейка (источник питания). Каждый источник питания имеет свое напряжение (оно обозначается буквой V и измеряется в вольтах). Самым популярным является напряжение в 1.5В, такие батарейки используются в большом числе устройств.

Чем больше батарея, тем больше энергии она может хранить, и ее хватит на большее время работы. Поэтому без специальной нужды не стоит запитывать схему от самых маленьких батареек, они израсходуются слишком быстро.

Разные схемы имеют разное напряжение питания, и схема, рассчитанная на 9 или 12В, не заработает от напряжения 5В. Еще хуже превышение напряжения - если детали в схеме рассчитаны на 5В, а на нее подать 12В, компоненты могут просто испортиться.

Второй важный момент - полярность питания: нельзя путать “+” и “-” батареи, т.к. от этого зависит направление потока электронов в схеме. Для лампочки это безразлично, а многие другие детали могут испортиться. На каждой схеме, и на каждом электронном устройстве должно быть указано где подсоединять “+” и где “-”, это нужно строго соблюдать.

Что касается цифровых схем, то в большинстве случаев описанных в книге, они питаются от USB, напряжением 5В. Уже готовую схему можно подключить к отдельному блоку питания, например от мобильного телефона.

Лампа накаливания в данной схеме - это потребитель энергии. Лампа тоже имеет свое номинальное напряжение: если подать слишком малое напряжение, лампа будет гореть слабо, если подать слишком большое напряжение, лампочка будет гореть чересчур ярко, но очень быстро перегорит. Лампа горит потому, что через нее протекает электрический ток, силу этого тока обозначают буквой I и она измеряется в амперах. Каждая батарейка может отдать только некий максимальный ток, именно поэтому к одной батарейке нельзя подключить 10 лампочек - тока на всех не хватит, и они будут гореть слишком слабо.

Кстати. Ток и напряжение - это основные параметры электрической цепи. Произведение тока на напряжение называется мощностью, этот параметр измеряется в ваттах. Если на домашнем электрочайнике указана мощность 2200Вт, это значит что чайник потребляет ток 10А при напряжении 220В.

Слишком большой ток может даже испортить электрическую цепь, именно поэтому в каждой квартире стоят предохранители - они отключают цепь, если ток слишком большой. То же самое и с батарейкой - если случайно замкнуть ее выводы накоротко, ток будет слишком большим, и батарейка может испортиться. Поэтому при создании любой схемы важно следить, чтобы провода от батареи случайно не замкнулись между собой. Это называется короткое замыкание, и является аварийным режимом для схемы - она может испортиться, или даже загореться.

Ни ток, ни напряжение нельзя увидеть глазами. Для того чтобы увидеть и ток и напряжение, нам понадобится мультиметр. Его мы рассмотрим в следующей главе.

1.3 Измерения

Одним из самых важных для начинающего радиолюбителя приборов, является мультиметр. Выглядит он примерно так:

Мультиметр имеет несколько режимов работы, которые нам пригодятся. Режим изменяется поворотом переключателя настроек в одно из положений. Рассмотрим разные режимы подробнее.

Измерение постоянного напряжения

Значок на корпусе мультиметра ”V” (Вольты):

Именно постоянное напряжение мы и получаем от батарейки, этот режим нам пригодится чаще всего. Как можно видеть на мультиметре, диапазон измеряемых напряжений довольно-таки велик: 200мВ (0.2В), 2000мВ (2000мВ=2В, приставка “милли” обозначает одну тысячную), 20В, 200В и 500В.

Сначала нужно выбрать тот диапазон, в котором находится измеряемое напряжение. Например, для батарейки в 1.5В можно выбрать 2000мВ или 20В. Для измерения, щупы мультиметра надо подключить прямо к батарее:

(фото с сайта https://www.dlsweb.rmit.edu.au)

Измерение переменного напряжения

Значок на корпусе мультиметра:

Такое напряжение присутствует в электросети, в наших опытах оно не пригодится. На корпусе мультиметра мы видим максимальные значения 200 и 500В.

Измерение тока

На мультиметре ему соответствует значок “А” (Амперы). В наших опытах ток измерять скорее всего, не придется. Но важно знать, что в отличие от напряжения, ток измеряется при включении мультиметра в разрыв цепи:

Это важно потому, что в режиме “А” сопротивление мультиметра очень мало. И если перепутать, и включить мультиметр в режиме “А” для измерения напряжения, получится короткое замыкание - и батарея и мультиметр могут выйти из строя.

Измерение сопротивления

Значок на корпусе мультиметра:

Для измерения достаточно подключить резистор к выводам мультиметра:

О сопротивлении и резисторах мы поговорим позже.

“Прозвонка” цепи

Значок на корпусе мультиметра:

Это важный для радиолюбителя режим - им можно проверить, есть ли контакт между двумя точками схемы. Если коснуться щупами двух концов провода, то мультиметр запищит: это значит, что провод исправен. Если внутри контакта нет, например провод оборван, то звука не будет. Как говорилось раньше, если электрическая цепь где-то разорвана, ток через нее не пойдет, и схема работать не будет. Этот режим позволяет проверить правильность соединений.

В конце измерений мультиметр надо выключить - он тоже работает от батарейки, и если оставить прибор включенным, она разрядится. Старые механические вольтметры и амперметры работали без батареек, современные приборы, увы, так не могут.

Важно: батарейки и аккумуляторы содержат едкие химические вещества. Поэтому их лучше не выкидывать вместе с обычным мусором - эти вещества попадают в воду и почву, отравляют растения и могут вредить людям и животным. Использованные батарейки стоит сдать в специальные пункты приема, обычно они расположены в крупных магазинах электроники.

1.3 Обозначения на схемах

Электрическую схему можно изобразить вот так:

Это конечно, красиво, но рисовать такую схему долго и неудобно, да и при большом количестве элементов читать схему будет сложно. Поэтому инженеры придумали стандартные обозначения элементов, чтобы при взгляде на схему сразу было понятно, какие элементы в ней используются.

Рассмотрим обозначения, которые пригодятся нам в дальнейшем.

Батарея

Это обозначение мы уже видели в предыдущей главе:

Рядом с батареей обычно указывается напряжение, например 9В.

Лампа накаливания

Лампа содержит внутри вольфрамовую нить, которая светится при прохождении тока.

Светодиод

В отличие от лампы накаливания, светодиод содержит внутри кристалл, светящийся определенным цветом. Второе важное отличие от лампы - при подключении светодиода важно соблюдать полярность. Диод может пропускать ток только в одном направлении, если включить его наоборот, он гореть не будет.

Подробнее про светодиод будет рассказано в следующей главе.

Резистор

Резистор - это элемент, обладающий определенным электрическим сопротивлением, оно измеряется в Омах или Килоомах. Рядом с резистором на схеме должно быть написано его значение.

На самом резисторе значение кодируется цветом полосок:

Их цвета можно посмотреть в интернете, но часто бывает проще измерить сопротивление мультиметром.

Резистор также может быть переменным: он может менять свое сопротивление, обычно вращением небольшой рукоятки.

Такие резисторы используются, например, в радиоприемнике для регулировки громкости.

В англоязычных статьях или компьютерных программах может использоваться другое обозначение резистора:

Конденсатор

Конденсатор - это элемент, способный накапливать электрическую энергию. Его емкость измеряется в нано, микро или пикофарадах, и обозначается нФ, пФ или мкФ (на схемах может применяться также обозначение u, например 10u = 10мкФ).

Конденсаторы небольшой емкости обозначаются специальными кодами, например “150” или “152”. Первые две или три цифры обозначают значение емкости в пикофарадах (пФ), а последняя цифра — количество нулей. Легко подсчитать, что “151” обозначает емкость “15 0” = 150 пикофарад, а “152” - “15 00”, т.е. 1500 пикофарад. Эти коды можно найти в Интернет, набрав в поиске “маркировка конденсаторов”. Бывают также конденсаторы переменной емкости, но в наших опытах они не пригодятся. Обычно они используются в радиоприемниках для перестройки частоты.

Наибольшую емкость имеют электролитические конденсаторы. В отличие от обычных, для их подключения важна полярность, и на схеме такие конденсаторы отмечают значком “+”.

На самом конденсаторе белой полоской отмечен “-”, как показано на рисунке.

Второй важный параметр для электролитического конденсатора - максимальное напряжение, оно указано на корпусе конденсатора. Если его превысить, конденсатор может выйти из строя или даже взорваться, но при нормальном использовании он совершенно безопасен. Поэтому, если на схеме написано 100мкФx15В, то можно использовать конденсатор с большим напряжением (например 100мкФх50В), а вот с меньшим (например 100мкФх6В) уже нельзя.

Транзистор

Транзистор - ключевой элемент современной электроники, причем как в переносном, так и в прямом смысле. С помощью транзистора можно усилить слабый сигнал, или управлять включением и выключением лампы большой мощности. К примеру, нельзя подключить напрямую мощный светодиод к выводу микроконтроллера, он не загорится. На помощь придет транзистор, способный управлять мощным током с помощью слабого сигнала.

Транзисторы бывают биполярные и полевые, о разных видах мы поговорим отдельно. А пока закончим с теорией, и приступим к практике.

1.4 Подключаем светодиод

Одним из наиболее популярных элементов для начинающих радиолюбителей является светодиод. Светодиодным освещением можно украсить колесо велосипеда, новогоднюю елку, корпус компьютера, есть даже женские украшения на основе светодиодов:

Схема подключения светодиода, и сам светодиод, выглядят так:

При подключении важно запомнить, что: ...