RADIOHATA.RU
RadioHata.RU
Портал радиолюбителя, начинающему радиолюбителю, Arduino, Raspberry Pi, книги по радиотехнике и электронике, простые схемы, схемы, радиотехнические журналы, видео, программы для радиолюбителя.
Download magazines: AudioXpress, Circuit Cellar, CQ Amateur Radio, Electronics For You, Elektronika dla Wszystkich, Elektorlabs, Elektor Magazine DVD, Elektronika Praktyczna, Elettronica In, ELV Journal, Funkamateur, Hi-Fi World, Klang+Ton, Nuts and Volts, Prakticka Elektronika A Radio, Practical Electronics, Practical Wireless, QST, Servo Magazine, Silicon Chip, Swiat Radio, The MagPi.
Скачать: Журнал Радио, Журнал Радиомир, Журнал Радиоаматор, Журнал Радиолоцман, Журнал Радиоконструктор, Журнал Радиосхема, Журнал Радиохобби, Журнал Ремонт и сервис, Журнал Компоненты и технологии, Журнал Электронная техника.
Скачать книги: Начинающему радиолюбителю, Телевидение и Радио, Источники питания, Для дома и быта, Прием-передача, Автолюбителю, Аудиотехника, Справочники, Учебники, Микроконтроллеры, Arduino, Raspberry Pi, Электроника, Электрика
Скачать: Программы для радиолюбителя, Видеокурсы.
Практическая электроника Практическая электроника ИЛЛЮСТРИРОВАННОЕ РУКОВОДСТВО ДЛЯ РАДИОЛЮБИТЕЛЕЙ Саймон Монк С. Монк
Практическая электроника Иллюстрированное руководство для радиолюбителей
Hacking Electronics An Illustrated DIY Guide for Makers and Hobbyists Simon Monk McGraw-Hill Irwin
Практическая электроника Иллюстрированное руководство для радиолюбителей Саймон Монк Москва ♦ Санкт-Петербург ♦ Киев 2016
ББК 32.85 М77 УДК 621.38 Издательский дом “Вильямс” Главный редактор С.Н. Тригуб Зав. редакцией В. Р. Гинзбург Перевод с английского и редакция И.В. Василенко По общим вопросам обращайтесь в Издательский дом “Вильямс” по адресу: info@williamspublishing.com, http://www.williamspublishing.com Монк, Саймон. М77 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для ра¬ диолюбителей. : Пер. с англ. — М. : ООО “И.Д. Вильямс”, 2016. —352 с. : ил. — Парал. тит. англ. ISBN 978-5-8459-2039-3 (рус.) ББК 32.85 Все названия программных продуктов являются зарегистрированными торговыми марка¬ ми соответствующих фирм. Никакая часть настоящего издания ни в каких целях не может быть воспроизведена в ка¬ кой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, будь то электронные или меха¬ нические, включая фотокопирование и запись на магнитный носитель, если на это нет пись¬ менного разрешения издательства McGraw-Hill. Authorized Russian translation of the English edition of Hacking electronics: An Illustrated DIY Guide for Makers and Hobbyists (ISBN 978-0-07-180236-9) © 2013 by The McGraw-Hill Companies This translation is published and sold by permission of McGraw-Hill, which owns or controls all rights to publish and sell the same. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording, or by any information storage or retrieval system, without the prior written permission of the copyright owner and the Publisher. Книга отпечата согласно договору с ООО “Дальрегионсервис”. Научно-популярное издание Саймон Монк Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Литературный редактор ИЛ. Попова Верстка МЛ. Удалое Художественный редактор В. Г. Павлютпин Корректор Л.А. Гордиенко Подписано в печать 29.01.2016. Формат 70x100/16 Гарнитура Times. Уел. печ. л. 28,38. Уч.-изд. л. 19,7 Тираж 500 экз. Заказ № 667. Отпечатано способом ролевой струйной печати в АО «Первая Образцовая типография» Филиал «Чеховский Печатный Двор» 142300, Московская область, г. Чехов, ул. Полиграфистов, д. 1 ООО “И. Д. Вильямс”, 127055, г. Москва, ул. Лесная, д. 43, стр. 1 ISBN 978-5-8459-2039-3 (рус.) ISBN 978-0-07-180236-9 (англ.) © 2016 Издательский дом “Вильямс” © 2013 The McGraw-Hill Companies
Введение 14 Глава 1. В самом начале 19 Глава 2. Теория и практика 41 Глава 3. Принципы функционирования 61 Глава 4. Светодиоды 91 Глава 5. Источники питания 129 Глава 6. Основы работы с Arduino 159 Глава 7. Подключаемое оборудование 211 Глава 8. Сенсоры правят миром 263 Глава 9. Звуковое оборудование 289 Глава 10. Демонтаж и разборка старых электронных устройств 317 Глава 11. Инструменты 329 Приложение. Оборудование 343 Предметный указатель 349 Оглавление
Введение 14 Необходимое оборудование 15 Структура книги 16 Глава 1. В самом начале 19 Приобретение оборудования 19 Покупка компонентов 20 Поставщики электроники 21 Начальный набор 22 Зачистка провода 24 Необходимое оборудование 25 Скручивание проводов 27 Необходимое оборудование 28 Пайка проводов 29 Техника безопасности 29 Необходимое оборудование 30 Облуживание проводов 30 Пайка 32 Проверка соединения 33 Необходимое оборудование 33 Отвод дыма компьютерным вентилятором 33 Необходимое оборудование 35 Построение цепи 35 Резюме 40 Глава 2. Теория и практика 41 Начальный набор компонентов 41 Необходимое оборудование 41 Визуальное определение электронных компонентов 42 Резисторы 42 Конденсаторы 45 Диоды 46 Светодиоды 47 Транзисторы 49 Интегральные микросхемы 49 Другие компоненты 50 Компоненты для поверхностного монтажа (SMD-компоненты) 50 Электрический ток, сопротивление и напряжение 51 Электрический ток 51 Сопротивление 52 Напряжение 53 Закон Ома 54 Мощность электрического тока 55 Обозначения на электрических схемах 57 Первое соглашение схемотехники. Шина положительного питания располагается вверху 57 Второе соглашение схемотехники. Ток течет слева направо 57 Названия и обозначения 58 Условные графические обозначения компонентов 59 Резюме 60 Содержание
Содержание 7 Глава 3. Принципы функционирования 61 Нагрев резистора 61 Необходимое оборудование 61 Эксперимент 62 Резисторы и деление напряжения 63 Необходимое оборудование 64 Пересчет сопротивления в напряжение (создание фотометра) 67 Необходимое оборудование 67 Автоматическое включение освещения 69 Необходимое оборудование 70 Макетная плата 72 Сборка устройства 74 Трудности выбора биполярного транзистора 78 Технические характеристики 79 МОП-транзисторы 80 PNP- и N-канальные транзисторы 81 Основные типы транзисторов 82 Управление электродвигателем с помощью МОП-транзистора большой мощности 83 Необходимое оборудование 83 Макетная плата 84 Кнопки, выключатели и переключатели 86 Кнопки 87 Микропереключатели 88 Рычажные переключатели (тумблеры) 88 Резюме 90 Глава 4. Светодиоды 91 Предотвращение повреждения светодиода 91 Необходимое оборудование 91 Диоды 92 Светодиоды 93 Проверка схемы 95 Выбор правильного светодиода 96 Необходимое оборудование 96 Яркость и область освещения 97 Многоцветность 97 Инфракрасные и ультрафиолетовые светодиоды 99 Светодиодные модули высокой мощности 100 Формирователи тока на базе микросхемы LM317 101 Необходимое оборудование 101 Схема подключения 101 Макетная плата 103 Сборка устройства 104 Измерение прямого напряжения на светодиоде 105 Необходимое оборудование 107 Подача питания на большое количество светодиодов 108 Мигание светодиодов 110 Необходимое оборудование 110 Макетная плата 110
8 Содержание Монтаж устройства мигания светодиодов на макетной плате под пайку компонентов 112 Создание монтажной схемы для платы под пайку компонентов 113 Необходимое оборудование 116 Монтаж 116 Устранение неполадок 120 Лазерные диодные модули 121 Модернизация игрушечного гоночного автомобиля 123 Необходимое оборудование 123 Сохранение заряда в конденсаторе 124 Электрическая схема 125 Улучшение модели гоночного автомобиля 126 Тестирование 127 Резюме 128 Глава 5. Источники питания 129 Выбор электрической батареи 129 Емкость батареи 129 Максимальная скорость разряда батареи 130 Батарейки одноразового использования 130 Перезаряжаемые (аккумуляторные) батареи 134 Зарядка батарей (общие положения) 136 Единица измерения С 136 Перезарядка 136 Глубокая разрядка 137 Срок жизни батареи 137 Зарядка аккумуляторов типа NiMH 137 Обычная зарядка 138 Быстрая зарядка 139 Зарядка электролитных (свинцово-кислотных) аккумуляторных батарей 139 Зарядка от сети переменного тока 140 Зарядка литий-полимерных аккумуляторов 141 Особенности использования аккумуляторной батареи мобильного устройства 142 Стабилизатор напряжения 144 Необходимое оборудование 146 Макетная плата 146 Увеличение напряжения 147 Вычисление времени разряда аккумуляторной батареи 148 Организация аварийного электропитания с помощью аккумулятора 149 Диоды 150 Непрерывная зарядка 152 Солнечная панель 153 Тестирование солнечной панели 155 Непрерывная зарядка от солнечной панели 156 Минимизация потребления электроэнергии 157 Резюме 158 Глава 6. Основы работы с Arduino 159 Проверка работоспособности Arduino (мигание светодиода) 160 Необходимое оборудование 160
Содержание 9 Настройка Arduino 161 Изменение программы мигания светодиода 164 Управление реле из Arduino 167 Реле 167 Выводы Arduino 167 Необходимое оборудование 169 Монтаж устройства 170 Программное управление 171 Управление детской игрушкой 172 Необходимое оборудование 173 Монтаж устройства 174 Монитор последовательного порта 176 Программное решение 176 Измерение напряжения 177 Необходимое оборудование 177 Монтаж устройства 178 Программное решение 179 Управление светодиодом 181 Необходимое оборудование 181 Монтаж устройства 182 Программное решение (мигание) 183 Программное решение (изменение яркости) 184 Воспроизведение звука 185 Необходимое оборудование 185 Монтаж устройства 186 Программное решение 187 Платы расширения 188 Управление реле на веб-странице 189 Необходимое оборудование 190 Монтаж устройства 191 Сетевые настройки 192 Тестирование устройства 193 Программное решение 193 Подключение к Arduino алфавитно-цифрового дисплея 197 Необходимое оборудование 198 Монтаж устройства 198 Программное решение 198 Управление сервоприводом 200 Необходимое оборудование 201 Монтаж устройства 201 Программное решение 202 Подключение массива светодиодов к Arduino 203 Необходимое оборудование 204 Монтаж оборудования 205 Программное решение 206 Автоматический ввод паролей 208 Необходимое оборудование 208 Монтаж устройства 208 Программное решение 209 Резюме 210
10 Содержание Глава 7. Подключаемое оборудование 211 Пассивный инфракрасный датчик движения 211 Необходимое оборудование (без контроллера) 212 Макетная плата 212 Необходимое оборудование (подключение к Arduino) 213 Монтаж устройства 214 Программное решение 215 Ультразвуковой датчик расстояния 217 Необходимое оборудование 218 Датчик расстояния HC-SR04 218 Датчик MaxBotix LV-EZ1 221 Модуль дистанционного управления 223 Необходимое оборудование 225 Макетная плата 225 Управление модулем дистанционного управления из Arduino 227 Необходимое оборудование 227 Программное решение 228 Управление электродвигателем с помощью МОП-транзистора 229 Необходимое оборудование 229 Макетная плата 230 Программное решение 231 Управление электродвигателем постоянного тока с помощью мостовой схемы 232 Необходимое оборудование 236 Макетная плата 237 Управляющие выводы 238 Управление шаговым электродвигателем с помощью мостовой схемы 239 Необходимое оборудование 242 Монтаж устройства 242 Программное решение 242 Самодвижущаяся тележка 245 Необходимое оборудование 245 Монтаж устройства 247 Тестирование 250 Программное решение 250 Семисегментный светодиодный индикатор 252 Необходимое оборудование 254 Монтаж устройства 254 Программное решение 255 Устройство отсчета реального времени 257 Необходимое оборудование 258 Монтаж оборудования 259 Программное решение 259 Резюме 261 Глава 8. Сенсоры правят миром 263 Выявление токсичных газов 263 Необходимое оборудование 264 Компаратор LM311 264 Макетная плата 266
Содержание 11 Газовый анализатор на базе Arduino 266 Анализатор цвета 269 Необходимое оборудование 270 Монтаж оборудования 270 Программное решение 271 Датчик вибрации 274 Необходимое оборудование 274 Монтаж устройства 275 Программное решение 276 Измерение температуры 277 Необходимое оборудование 277 Монтаж устройства 278 Программное решение 278 Акселерометр 279 Необходимое оборудование 281 Монтаж устройства 282 Программное решение 283 Магнитное поле 285 Необходимое оборудование 285 Монтаж устройства 285 Программное решение 286 Резюме 287 Глава 9. Звуковое оборудование 289 Кабели в звуковом оборудовании 289 Устройство кабеля 290 Пайка контактов в штекерах 290 Преобразование стереосигнала в монофонический 293 Микрофон 295 Радиопередатчик 298 Необходимое оборудование 298 Монтаж устройства 299 Тестирование 301 Выбор динамиков 301 Одноваттный усилитель мощности 303 Необходимое оборудование 305 Монтаж устройства 305 Тестирование 306 Звуковой генератор 306 Необходимое оборудование 309 Монтаж устройства 309 Музыкальный синтезатор 309 Необходимое оборудование 310 Монтаж устройства 311 Программное решение 311 Программный измеритель уровня громкости 312 Необходимое оборудование 314 Монтаж устройства 314 Программное решение 314 Резюме 315
12 Содержание Глава 10. Демонтаж и разборка старых электронных устройств 317 Как избежать удара электрическим током 317 Извлечение и монтаж компонентов на плате 319 Проверка предохранителей 319 Тестирование батарей 321 Электронагреватели 322 Поиск и замена неисправностей 323 Тестирование радиодеталей 323 Выпаивание радиодеталей 323 Замена радиодеталей 325 Вторая жизнь старых радиодеталей 325 Зарядное устройство как универсальный блок питания 325 Резюме 328 Глава 11. Инструменты 329 Мультиметр 329 Разрыв цепи и пробитый диод 330 Сопротивление 330 Емкость 330 Температура 331 Переменное напряжение 332 Постоянное напряжение 333 Постоянный ток 333 Переменный ток 334 Частота 335 Проверка мультиметром транзистора 335 Универсальный источник питания 335 Осциллограф 338 Программные средства 339 Конструктор электрических схем 339 Разработка монтажных плат 339 Конструктор печатных плат 341 Онлайн-калькуляторы 341 Резюме 342 Приложение. Оборудование 343 Инструменты 343 Электронные компоненты 344 Начальный набор 344 Резисторы 344 Конденсаторы 345 Полупроводники 345 Монтажное и другое оборудование 346 Модули и микросхемы 347 Предметный указатель 349
06 авторе Саймон Монк имеет ученые степени в области компьютерных наук и разработки программного обеспечения. Нескольких лет занимался научной и преподавательской деятельностью, после чего вернулся в компьютерную индустрию, став одним из основателей компании Momote Ltd., выпускаю¬ щей программное обеспечение для мобильных платформ. Электротехникой и конструированием радиоэлектронных устройств Саймон увлекся еще со школьной скамьи. Спустя годы это хобби дало толчок новому увлече¬ нию — написанию книг по конструированию современных электронных устройств, включающих последние технологические разработки. В его ак¬ тиве большое количество популярных книг по электронике, описывающих принципы создания устройств с открытой архитектурой на базе таких из¬ вестных микроконтроллерных платформ, как Arduino и Raspberry Pi. Вы сможете найти Саймона в Твиттере под ником @simonmonk2.
Введение В этой книге речь пойдет исключительно о практической стороне воп¬ роса конструирования и модернизации любительских электронных устройств. Здесь вы не найдете детального описания технологий, лежащих в основе функционирования электронного оборудования. Прочитав кни¬ гу, вы получите полезные практические навыки, которые пригодятся вам при разработке и создании устройств с требуемой функциональной насы¬ щенностью. Вне всяких сомнений, благодаря инструкциям, приведенным в книге, вы сможете безошибочно объединять в единое целое отдельные ра¬ диотехнические компоненты и адаптировать уже имеющиеся устройства к решению новых, казалось бы, нехарактерных для них задач. Вы узнаете, как правильно воплотить имеющиеся идеи в успешно рабо¬ тающие прототипы, которые впоследствии могут стать успешными ком¬ мерческими проектами. Вы на практике познакомитесь с принципами функционирования электронных устройств, а также научитесь определять область применения создаваемых гаджетов, обладающих продуманными рабочими характеристиками. Все рассматриваемые нами устройства соби¬ раются либо на беспаечных макетных платах, либо на макетных платах под пайку, потребующих от вас несколько иных навыков. Кроме всего прочего, вы познакомитесь с архитектурой и областью при¬ менения микроконтроллерной платформы Arduino, которая на сегодняш¬ ний день де-факто считается стандартным инструментом в наборе раз¬ работчика популярных электронных устройств. В книге вы найдете более двадцати примеров эффективного использования платы Arduino в люби¬ тельских проектах. Электронное оборудование постоянно совершенствуется, но в этой кни¬ ге меньше всего уделяется внимания теоретическим вопросам функциони¬ рования электронных устройств. Следуя приведенным в ней советам, вы сконцентрируетесь на конструировании полностью работоспособных ре¬ шений, собираемых исключительно из имеющихся под рукой комплектую¬ щих. В конце концов, зачем изобретать велосипед, если на рабочем столе уже лежит его чертеж? Ниже перечислен ряд тем, рассматриваемых в книге. ■ Использование обычных и высокомощных светодиодов типа Lumiled. ■ Запитывание электрических цепей от литий-полимерных аккумуля¬ торов и источников бесперебойного питания со встроенными стаби¬ лизаторами напряжения. ■ Измерение температуры, ускорения, цветового оттенка, интенсивно¬ сти освещения, степени вибрации и интенсивности звука.
Введение 15 ■ Управление устройствами с помощью микроконтроллерной платфор¬ мы Arduino, в частности, подключение к ней специальных плат рас¬ ширения (“шилдов”), снабжающих ее дополнительными средствами и функциями, например Ethernet-интерфейсом или ЖК-дисплеем. ■ Управление сервоприводами и шаговыми двигателями. В рамках книги мы реализуем следующие учебные проекты: ■ анализатор токсичных газов; ■ электронная игрушка, управляемая через Интернет; ■ устройство распознавания цвета; ■ ультразвуковой измеритель расстояния; ■ самодвижущийся аппарат на дистанционном управлении; ■ контроллер детской игры, в которой нужно первому донести яйцо в ложке; ■ одноваттный звуковой усилитель; ■ подслушивающее устройство, созданное на основе автомобильного FM-передатчика; ■ головное освещение и стоп-сигналы работающей модели автомобиля. Необходимое оборудование Книга претендует на звание настольного пособия начинающего разра¬ ботчика электронных устройств. Но чтобы добиться успехов при реализа¬ ции описанных в ней проектов, вам понадобятся специальные инструмен¬ ты и кое-какое дополнительное оборудование. Чем глубже вы продвинетесь в своих изысканиях, тем сильнее будете ис¬ пытывать потребность в специальных средствах, посерьезнее стандартно¬ го мультиметра и паяльника. Приступив к изучению электронных устройств, работающих под управ¬ лением микроконтроллера, вы придете к выводу, что, как минимум, без Arduino Uno вам не обойтись. Поэтому лучше заблаговременно раскоше¬ литься и приобрести эту плату и только затем приступать к освоению реше¬ ний, требующих программного управления. Все компоненты, которые используются в проектах, рассмотренных в книге, а также их производители перечислены в приложении. Большая часть необходимого оборудования входит в состав начального набора ком¬ пании SparkFun, хотя начальные наборы других производителей уком¬ плектованы не хуже. Во многих разделах, посвященных детальному описанию способов реа¬ лизации поставленной задачи, вы найдете подразделы "Необходимое обо¬ рудование”, в которых перечисляются все требующиеся для конкретного проекта аппаратные средства (их производители указаны в приложении).
16 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Структура книги Каждая глава книги посвящена отдельной теме и состоит из нескольких разделов, большая часть которых содержит пошаговые инструкции и де¬ тальное описание способов достижения поставленной электротехнической задачи. Глава Название Описание Глава 1 В самом начале В этой главе вы узнаете о производителях радиоэлектронных комплектую¬ щих и о том, где эти комплектующие можно купить. Вы также познакоми¬ тесь с основами работы с паяльником и соберете на базе обычного компью¬ терного вентилятора простейшее устройство отвода токсичных испарений, которые неизбежно образуются в процессе электротехнических работ Глава 2 Теория и практика В этой главе описаны основные электронные компоненты, с которыми вам придется работать в рамках проектов, рассматриваемых в книге. Вы узнаете об их назначении, научитесь правильно идентифицировать их и определять рабочие характеристики. Кроме того, здесь описаны базовые принципы вы¬ бора электронных компонентов, которые предопределяются поставленными задачами и функциональными особенностями проекта Глава 3 Принципы функциониро¬ вания В этой главе вы вспомните школьный курс физики и проверите свои знания принципов функционирования электрических схем, в которых имеются базовые электронные компоненты, например транзисторы. Кроме того, вы создадите незамысловатые устройства автоматического освещения и управ¬ ления электродвигателем с помощью мощных полевых транзисторов Глава 4 Светодиоды В дополнение к описанию рабочих характеристик, области применения и способов управления светодиодами в этой главе будет представлена инфор¬ мация о способах обеспечения стабилизированного питания, подаваемого на большой массив светодиодов и лазерных диодов Глава 5 Источники питания В данной главе вы познакомитесь с различными типами батарей, как ак¬ кумуляторных, так и одноразового использования, научитесь правильно заряжать аккумуляторные батареи, включая литий-полимерные источники питания. Также в этой главе подробно рассматриваются такие темы, как устройство автоматического аварийного электропитания, стабилизация напряжения и зарядка аккумуляторных батарей от солнечных элементов питания Глава 6 Основы рабо¬ ты с Arduino Плата Arduino представляет собой микроконтроллерную платформу, с появ¬ лением которой современная радиоэлектроника перестала считаться уделом избранных. Эта общедоступная плата, снабженная микроконтроллером, позволяет предельно просто реализовать немыслимо сложные на первый взгляд проекты. Вы познакомитесь как с самой Arduino, так и со способами управления с ее помощью некоторыми простыми устройствами: реле, звуко¬ вым оборудованием и сервоприводами. Кроме того, в этой главе вы найдете описание популярных плат расширения для Arduino
Введение 17 Глава Название Описание Глава 7 Подключаемое оборудование Как только вы решитесь на создание работающих прототипов, вы непремен¬ но обратите внимание на функциональные устройства, представленные от¬ дельными модулями. Модульность присуща самому разному оборудованию, начиная с устройств дистанционного управления и кончая электродвигателя¬ ми всех известных типов Глава 8 Сенсоры пра¬ вят миром Датчики, смонтированные в виде отдельных плат, умеют распознавать в окружающем мире очень много интересного и полезного: свет, цвет, уско¬ рение, расстояние, газы и многое другое. В этой главе описана область их применения и рассмотрены особенности управления ими с помощью платы Arduino Глава 9 Звуковое обо¬ рудование Эта глава содержит детальные инструкции по обработке звуковых сигналов. Вы узнаете о способах замены разъемов на концах кабелей, подключаемых к звуковому оборудованию, а также об устройстве звуковых усилителей и принципах работы микрофонов Глава 10 Демонтаж и разборка ста¬ рых электрон¬ ных устройств Порой разборка старого неработающего устройства и извлечение из него' необходимых электронных компонентов сопряжена с определенными труд¬ ностями, а то и риском для здоровья. В этой главе рассказывается о том, как безопасно демонтировать "халявные” запчасти и, самое главное, установить их обратно на свои места в случае необходимости Глава 11 Инструменты Последняя глава книги больше похожа на справочник по инструментам и материалам, которые помогут вам успешно решить все задачи, рассмо¬ тренные в предыдущих главах. Их не так уж и мало, хотя без мультиметра и надежного источника питания вам точно не обойтись
Глава 1 В самом начале В этой главе вы познакомитесь с основными инструментами, которые понадобятся в процессе изучения фундаментальных принципов раз¬ работки и конструирования электротехнических устройств. Начнем мы с изучения методики пайки проводов, которой воспользуемся в первом про¬ екте книги, заключающемся в создании простого устройства отвода ток¬ сичных испарений от рабочего стола. Это устройство базируется на обыч¬ ном компьютерном вентиляторе. По названию книги легко понять, что основная ее цель — научить вас создавать полезные в быту электронные устройства. Слово “практическая" настолько многогранно, что дать исчерпывающее его определение очень сложно. Мы будем трактовать это понятие в самом простом понимании — как призыв к действию. Вам не нужно быть дипломированным инженером, чтобы немедленно приступить к воплощению своих идей в практическом виде. Самый простой способ обучения, проверенный временем, — это прак¬ тические занятия. Хотя учиться лучше всего на чужих ошибках, собствен¬ ный опыт всегда ценнее и информативнее. Начав с конструирования самых простых вещей, вы невольно будете ин¬ тересоваться принципами функционирования компонентов, задействован¬ ных в устройствах. Традиционные справочники по электронике сложны для понимания, поскольку насыщены техническими подробностями, тре¬ бующими глубоких знаний математики и физики. В данной книге материал излагается в несколько иной манере: каждый проект сначала рассматрива¬ ется с точки зрения его практической реализации, а теоретическое обосно¬ вание приводится далее. Чтобы начать, вам потребуются некоторые инструменты и оборудова¬ ние, а также устойчивые навыки владения ими. Но вначале следует знать, где их можно достать. Приобретение оборудования Не спешите сломя голову бежать в ближайший магазин электроники и тратиться на аккуратно выписанные в отдельный список инструменты и рабочие компоненты реализуемого проекта. Существует почти бесплатный способ получения необходимых комплектующих и вспомогательного обору¬ дования, хотя он требует определенной смекалки и аккуратности. Как вы могли догадаться, речь идет об извлечении всего необходимого из старых и просто сломанных приборов.
20 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Покупка компонентов Но все же без покупки компонентов, особенно в интернет-магазинах, вам не обойтись. Если вы проживаете в большом городе, то вам могут встре¬ титься и сетевые магазины электроники, в которых продаются всевозмож¬ ные комплектующие любого уровня сложности. Но учтите, что в традици¬ онных магазинах (даже при заполненных до упора торговых площадях) ко¬ личество продаваемого товара несколько меньше, а цены выше, чем в ин¬ тернет-магазинах. И это не потому, что владельцы хотят получить большую прибыль. Арендная плата и затраты на обслуживание помещения не позво¬ ляют опускать цены на товар до уровня, предлагаемого в Интернете. Но у таких магазинов тоже есть свои покупатели, и вы точно станете одним из них. Вы наверняка не станете заказывать несколько внезапно перегорев¬ ших светодиодов в интернет-магазине, когда значительно проще и быстрее сходить в магазин “за утлом” и через полчаса продолжить работу, чем сутки дожидаться необходимых комплектующих. К тому же доставка гарантиро¬ ванно обойдется дороже, чем стоимость самих радиодеталей. В случае приобретения сложных комплектующих, не говоря уже о специ¬ альном оборудовании, вам нужно собственноручно убедиться в правильно¬ сти сделанного выбора, что невозможно сделать по одним только картин¬ кам и скромному описанию товара в интернет-магазине. По мере получения опыта вы выработаете устойчивую привычку перед началом каждого следующего проекта составлять список всех необходи¬ мых инструментов и комплектующих, в котором указываются источники их приобретения. Радиодетали и простые электронные компоненты от¬ носительно дешевые, поэтому я никогда не заказываю их в единственном экземпляре. Если нужная деталь заведомо дешевая, то я приобретаю ее в количестве от трех до пяти штук. Это позволяет в следующих проектах не беспокоиться о мелочах, а акцентировать внимание на более сложных ком¬ понентах. Следуя такому принципу, вы вскоре накопите целый арсенал всевозможных деталей, благодаря которому сможете решать сложные элек¬ тротехнические задачи, не выходя из дома. Тем самым вы сэкономите мно¬ го времени и сможете сконцентрироваться исключительно на конструктор¬ ских задачах, а не на проблемах поставки недостающего оборудования. Доступность всех производимых на сегодняшний момент комплектую¬ щих сильно зависит от места вашего проживания. Например, в США име¬ ются такие крупные торговые площадки, как Mouser и DigiKey, которые входят в десятку лидеров на рынке электронного оборудования и комплек¬ тующих. Они присутствуют во многих других странах, постоянно расши¬ ряя свои торговые сети. Также обратите внимание на компанию Fkmell, которая поставляет весь спектр радиоэлектронных и электротехнических устройств в любые уголки земного шара. Поставками на мировой рынок плат расширения и отдельных модулей, имеющих широкие функциональные возможности, занимаются такие компании, как SparkFun, Seeed Studio, Adafruit и ITbad Studio. С перечнем предлагаемой ими продукции вы детально познакомитесь, посетив соот¬
ГЛАВА 1. В самом начале 21 ветствующие веб-сайты. Каждый из упомянутых производителей предла¬ гает широкий ассортимент товаров, удовлетворяющий самые изысканные запросы. Заказать их продукцию можно не только по каталогам на сайтах производителей, но и через локальные интернет-магазины, оперативно выполняющие поставку комплектующих в собственных регионах. Почти все, что вам понадобится при реализации проектов, описанных в книге, легко идентифицировать по уникальным каталожным кодам, при¬ своенным их производителями. Существуют редкие исключения, к которым относятся нестандартные модули, приобретаемые исключительно через аукционы, например eBay, которые производятся сторонними, малоизвест¬ ными компаниями. Справедливости ради стоит упомянуть об интернет-аукционах, столь популярных в последние десять лет. Как правило, на них торговля ведется подержанным оборудованием и преимущественно в пределах одной стра¬ ны. А вот цены и ассортимент на этих торговых площадках приятно уди¬ вят всех без исключения. Здесь вы найдете огромное количество дешевых и необычных вещей, которые не встретите ни в каких других местах. Так, например, новые лазерные модули и мощные светодиоды стоят очень доро¬ го даже при покупке оптовыми партиями, не говоря о розничной торговле, а бывшее в употреблении оборудование дешевеет в несколько десятков раз. Продажи оптовых партий товаров на аукционах не очень популярны, но не¬ вероятно выгодны. Иногда состояние товара вызывает сомнения, а порой предлагаемые устройства вовсе сломаны, поэтому внимательно читайте описания и не стесняйтесь дополнительно расспросить о состоянии товара у продавца. Покупая с руте, будьте готовы к определенным рискам и не рас¬ страивайтесь, если встретитесь с недобросовестным продавцом, ориенти¬ рующимся преимущественно на доверчивых покупателей. Поставщики электроники Первым делом осмотритесь кругом и поговорите с друзьями. Вы не пове¬ рите, но в любом домашнем хозяйстве всегда найдется один-два сломанных электроприбора, а у особо запасливых граждан ими забиты целые кладовые и даже гаражи. Если вы в хороших отношениях с такими “старьевщиками”, то вам не составит большого труда добыть несколько сломанных устройств, которые будут выступать “донорами” для ваших проектов. Чрезмерно не ув¬ лекайтесь демонтажом оборудования, ведь ваша цель не разрушать, а сози¬ дать, к тому же некоторые старые вещи все еще можно “оживить” и продать как раритет на тех же аукционах. Еще один источник полезных запчастей — это комиссионные магазины (да-да, они все еще встречаются). Внимательно изучите полки с электрон¬ ными комплектующими для старых устройств: вспышки, вентиляторы, иг¬ рушки и калькуляторы с питанием от солнечных батарей, старые ноутбуки со сломанными экранами и т.п. Поразительно, как мало стоят старые вещи и сколько ценного из них может извлечь опытный радиолюбитель. Чаще всего в старых устройствах вам будут попадаться работающие электродви¬
22 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей гатели всех типов и размеров, а также массивы светодиодов, которые стоят в магазинах электроники немалых денег. Супермаркеты — это то место, где не только легко потеряться, но и при¬ смотреть дешевые “доноры” электронного оборудования для своих про¬ ектов. В качестве примеров можно привести наушники, компьютерные мыши, зарядные устройства, радиоприемники и фонарики на светодиодах неизвестного производства. Начальный набор Даже и не надейтесь, что вам в своих творческих изысканиях никогда не доведется заниматься пайкой проводов и радиодеталей. Конечно, для этого вам понадобится специальное оборудование. Не стоит сразу приобретать самые дорогие инструменты. Как и в любом другом начинании, всегда лег¬ че стартовать с использования простого оборудования, а дорогое, более со¬ вершенное, приобретать исключительно по мере необходимости и накопле¬ ния опыта и навыков. Таким образом, вы избежите лишних трат на ненуж¬ ные инструменты, в которых еще мало разбираетесь. В конце концов, даже в самой именитой музыкальной школе не проводят обучение на скрипках, изготовленных Страдивари. К тому же, на что вы будете обращать внима¬ ние в дальнейшем, если сразу приобретете все самое лучшее? На рынке лю¬ бительской электроники представлено огромное количество наборов для начинающих. Вы вполне обойдетесь комплектом инструментов, включаю¬ щим паяльник с подставкой, припой, пассатижи, кусачки и несколько от¬ верток под разные типы винтов. У компании SparkFun такой набор обозна¬ чен каталожным номером SKU TOL-09465; другие производители поставля¬ ют подобные наборы под другими артикулами. Кроме всего прочего, вам понадобится мультиметр (рис. 1.1). Для ваших целей достаточно дешевого цифрового измерительного устройства (даже не смотрите в сторону мультиметров стоимостью больше 20 долларов). В про¬ ектах данной книги вы будете проводить простые измерения в стандарт¬ ных рабочих диапазонах, поэтому приобретать мультиметр даже среднего уровня не только расточительно, но и бессмысленно. Дорогие модели обла¬ дают не только более широкими функциональными возможностями, а так¬ же высокой точностью измерения, но и поддерживают проведение однов¬ ременно нескольких замеров. От вас потребуется отдельно измерять только напряжение, ток и сопротивление, и делать это вы будете в течение продол¬ жительного времени, ограниченного только вашей усидчивостью. В рамках материала книги у вас вряд ли возникнет необходимость проведения слож¬ ных измерений, поэтому обратите внимание на простой мультиметр компа¬ нии SparkFun (модель SKU TOL-09141), который показан на рис. 1.1. Беспаечная макетная плата (плата для прототипирования, или просто макетная плата), показанная на рис. 1.2, применяется для создания пер¬ вичных прототипов устройств, которые только в случае успешного функ¬ ционирования будут пересобраны с использованием паяльника. Работая с ней, вам достаточно вставить зачищенный провод в гнездо с обжимными
ГЛАВА 1. В самом начале 23 контактами, чтобы подключить необходимый вывод к определенной шине. Стоимость таких плат (см. оборудование с кодом Т5 в таблице инструмен¬ тов, указанных в приложении) невелика, особенно с учетом удобства, кото¬ рые они обеспечивают на этапе первичной сборки прототипов. Рис. 1.1. Цифровой мультиметр Еще вам понадобятся одножильные провода разных цветов (код Тб в приложении), которые будут применяться в качестве навесных проволоч¬ ных перемычек на макетной плате. Исключительно удобства ради вы мо¬ жете приобрести набор специальных проволочных перемычек, на концах которых наштампованы штекеры необходимого диаметра. Хотя и без них можно вполне обойтись, подобрав провода с сечением, соответствующим диаметру отверстий на макетной плате. Макетные платы бывают самых разных форм и размеров, но не стоит мелочиться — покупайте самую большую, какую сможете найти. В приме¬ рах, рассмотренных в книге, я использую модель платы, указанную в спи¬ ске инструментов приложения под кодом Т5. Область макетирования на ней представлена двумя столбцами контактов по 63 отверстия в каждом с двумя дополнительными шинами питания и заземления с каждой из бо¬ ковых сторон (рис. 1.2, а). Корпус платы изготовлен из алюминия, а к ниж¬ ней ее части прикреплены резиновые упоры, надежно предотвращающие скольжение всей конструкции по рабочему столу. Такая плата считается стандартной, а потому представлена в каталогах всех основных производи¬ телей такого рода изделий. На рис. 1.2, б, показано, как устроено проводящее пространство под внешней пластиковой поверхностью платы. Контакты (отверстия), распо¬ ложенные в пределах серых полос, объединены в отдельные шины. Наборы
24 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей контактов, группами расположенные по боковым краям макетной платы, предназначены для подключения к внешним шинам питания. Для одноз¬ начного обозначения шин питания используется цветовая маркировка: красным цветом обозначается шина +, а синим — шина Рис. 1.2. Беспаечная макетная плата Зачистка провода Давайте перейдем от слов к делу. Пришло время получить самый базовый навык, без которого сложно представить себе успешное завершение даже простейшего электротехнического проекта. Речь идет о зачистке провода.
ГЛАВА 1. В самом начале 25 Необходимое оборудование Количество Оборудование Код в приложении Зачищаемый провод T9 или его часть 1 Плоскогубцы Т1 1 Кусачки (клещи для снятия проводов) Т1 Собирая воедино любой электронный прибор, вы порой будете распуты¬ вать целые ворохи проводов, поэтому важно довести свои навыки работы с ними до автоматизма. На рис. 1.3 показано несколько стандартных типов проводов. Для большей наглядности рядом с ними сфотографирована спич¬ ка, позволяющая лучше оценить сечение каждого провода. Рис. 1.3. Часто встречающиеся типы проводов Слева, сразу возле спички, вы видите три коротких отрезка одножильно¬ го провода с разными цветами изоляции. Такие куски проводов еще назы¬ вают монтажными и навесными. Они чаще всего используются при прото¬ типировании электронных устройств, поскольку состоят из твердой жилы в пластиковой изоляции, а потому лучше держат исходную форму и легче засовываются в отверстия макетной платы по сравнению с многожильны¬ ми проводами. К недостаткам провода такого типа можно отнести низкую прочность — согнув такой провод в одном месте всего несколько раз, вы га¬ рантированного его переломаете. При сборке устройств на макетной плате вы можете пользоваться как самодельными навесными проводами или проволочными перемычками (коды Т7, Т8, T9 в приложении), так и промышленными наборами таких проводов, маркированными разными цветами (код Тб в приложении). Не стоит увлекаться большим количеством оттенков: проводов красного, жел¬ того и черного цветов вполне достаточно для решения любых задач, выпол¬ няемых на макетной плате. Чтобы проще ориентироваться в макете прото¬ типа, красные провода всегда подключайте к положительной шине пита¬ ния, черные — к отрицательной шине, а желтыми проводами соединяйте отдельные компоненты устройства между собой.
26 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Справа вверху на рис. 1.3 показан отрезок многожильного провода, а под ним — отрезок кабеля, состоящего из двух многожильных проводов. Многожильные провода чаще всего применяются для соединения отдель¬ ных модулей одного устройства. Вы могли заметить, что провода от усили¬ теля к динамикам всегда двойные и многожильные. Вы легко найдете такие провода повсеместно в быту. Они имеются в любых приборах, и при неболь¬ шом сечении жилы относительно недорогие (кодыТЮ иТ11 в приложении). Справа внизу на рис. 1.3 показан экранированный провод. Этот тип про¬ вода, а вернее, кабеля, применяется при подключении к звуковой аппара¬ туре наушников и микрофонов. Он состоит из внутренней жилы, внутрен¬ ней изоляции и покрывающей ее многожильной оплетки, экранирующей внутренний проводник от внешнего воздействия. Этот тип проводов ис¬ пользуется везде, где необходимо избежать искажения (наложения шумов) передаваемого по проводу электрического сигнала вследствие воздействия на него электромагнитных полей, которые окружают проложенные рядом кабели переменного тока (в бытовые электрические сети подается перемен¬ ный ток с частотой 50 ГЦ и напряжением 220 В). Внешняя медная оплетка успешно справляется с экранированием внутреннего провода, предотвра¬ щая искажение и зашумление сигнала в нем. Существуют и другие виды такого кабеля, например, внутри внешней оплетки может располагаться сразу несколько проводов. Такие кабели встречаются в звуковой стереоап¬ паратуре. Полностью изолированный, как и совсем оголенный, провод малопри¬ годен для использования в качестве перемычек на макетной плате, поэ¬ тому перед применением на обоих его концах нужно снять изоляционное покрытие. Эта операция называется зачисткой провода. Чтобы аккуратно выполнить ее, лучше приобрести специальный инструмент — клещи для снятия изоляции, позволяющие зачищать провода самых разных сечений. Конечно, перед тем, как использовать такой инструмент, вам нужно в точ¬ ности знать сечение провода. Приобретая провод в магазине, вы точно не запутаетесь в его маркировке (работники магазина вряд ли продадут вам не то, что вы заказывали). В случае применения проводов, извлеченных из старых приборов, ошибиться очень просто. Не расстраивайтесь: спустя ка- кое-то время вы научитесь безошибочно угадывать сечение провода прове¬ ренным дедовским способом — “на глаз”. К тому времени вы в совершенст¬ ве овладеете искусством зачистки проводов с помощью одних только пло¬ скогубцев или кусачек. (А как насчет обойтись одним только перочинным ножом?) Какой бы из инструментов вы ни выбрали, вы вскоре овладеете им в со¬ вершенстве. Такие инструменты относительно недорогие (не более двух долларов каждый), хотя и быстро изнашиваются (например, на рабочих по¬ верхностях кусачек со временем появляются выемки, что порядком раздра¬ жает), поэтому не ленитесь почаще заменять их новыми. На рис. 1.4, а и б, показано, как правильно снимать изоляцию с проводов с помощью плоскогубцев и кусачек. Плоскогубцами удобно удерживать от¬
ГЛАВА 1. В самом начале 27 резок провода, а кусачками — срезать изолирующую оболочку с металличе¬ ской жилы. Обхватывайте провод плоскогубцами на расстоянии около трех санти¬ метров от зачищаемого конца (рис. 1.4, а). Разведите кусачки, просуньте конец провода между их режущими кромками на глубину, на которую не¬ обходимо зачистить провод, и слегка сожмите ручки, чтобы прорезать изо¬ ляцию. Не разжимая кусачек, проверните провод с помощью плоскогубцев на 180 градусов (или же, удерживая провод неподвижно, прокрутите вокруг него кусачки), а затем снимите срезанный кусок изоляции с конца провода, как показано на рис. 1.4, б). Если вам требуется срезать изоляцию с конца провода большей длины, то, чтобы не прибегать к помощи плоскогубцев, несколько раз обмотайте провод вокруг пальца для надежного удержания его рукой. Практикуйтесь до тех пор, пока не научитесь зачищать провода с закры¬ тыми глазами. Новички не умеют контролировать силу сжатия кусачек, по¬ этому либо перекусывают весь провод, либо не прорезают полностью изо¬ ляцию, что не позволяет стащить ее с конца провода. Перед тем как перей¬ ти к дальнейшему обучению, убедитесь, что с зачисткой проводов у вас не возникает особых трудностей. Скручивание проводов Самый простой способ соединения двух проводов, не требующий пай¬ ки, — это их скручивание. Стоит заметить, что скручивание не обеспечи¬ вает долговечность соединения, но иногда все же составляет прекрасную конкуренцию пайке. Для надежного соединения проводов без пайки скрутите их зачищен¬ ные концы между собой на достаточную длину (несколько сантиметров). Многожильные провода скручиваются проще и обеспечивают лучший элек¬ трический контакт, чем одножильные, но при должном старании скрутка одножильных проводов не менее долговечна. Рис. 1.4. Зачистка провода
28 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Необходимое оборудование Для овладения мастерством скрутки проводов (поначалу это не так просто, как может показаться) вам понадобятся следующие инструменты. Количество Оборудование Код в приложении 2 Соединяемые провода Т10 1 Моток изоленты тз Если вы собираетесь скручивать провода, покрытые изоляцией, то вам придется сначала зачистить их концы (см. раздел “Зачистка провода”). На рис. 1.5, а-г, показана последовательность действий, которые нужно выполнить, чтобы правильно соединить два провода методом скрутки. Сначала по часовой стрелке скрутите между собой жилы на конце обоих многожильных проводов (рис. 1.5, а). Тем самым вы соберете их в аккурат¬ ные пучки. Теперь пальцами скрутите эти многожильные пучки между со¬ бой (рис. 1.5, б), чтобы получилась симметричная скрутка. Следите за тем, чтобы один из пучков не оборачивался вокруг другого, — оба пучка должны оборачиваться один вокруг другого в равной степени, иначе соединение бу¬ дет ненадежным и вскоре ослабнет. В случае неправильной скрутки, даже несильно потянув за один из проводов, вы легко нарушите соединение. Рис. 1.5. Скручивание проводов
ГЛАВА 1. В самом начале 29 Продолжайте скручивать провода, свернув их в плотную косичку, как пока¬ зано на рис. 1.5, в. Скорее всего, голыми руками вам это сделать не удастся, особенно в случае скручивания проводов большого сечения, поэтому вос¬ пользуйтесь плоскогубцами. Убедившись в надежности соединения, заизо- лируйте его, обмотав несколькими слоями изоленты (рис. 1.5, г). Пайка проводов Пайка проводов — вот в чем сила настоящего электротехника! Техника безопасности Не хочется пугать вас с самого начала, но... расплавленный припой, тем¬ пература которого — несколько сотен градусов Цельсия, при попадании на кожу оставляет болезненные ожоги. К тому же испарения, которые не¬ избежно возникают в процессе пайки, весьма токсичны. Законы природы, таковы, что нельзя научиться ездить на велосипеде, не упав с него, равно как нельзя научиться паять и не обжечь пальцы. Поэтому будьте предельно внимательны и следуйте приведенным ниже правилам безопасности. ■ Всегда, завершив работу с паяльником, кладите его на подставку. На¬ чинающие радиолюбители часто забывают водружать паяльник на исходное место, оставив свисать его жало за кромкой стола. Рано или поздно такой паяльник скатывается со стола и падает на пол. Вро¬ жденные рефлексы требуют от вас поймать ценную вещь до того, как она издаст победный стук о паркет, а законы теплотехники и биологии не позволяют незащищенной руке остаться без ожогов при успешном завершении спасательной миссии. Учитывая, что вы совершенно не ожидаете от неодушевленного предмета самостоятельных действий, существует риск пораниться не только паяльником, но и другими не менее опасными предметами, которые вас пренепременно окружают (расплавленный припой, кусачки, острый нож и т.п.). ■ Одевайте защитные очки. Брызги расплавленного припоя часто не просто капают на пол, но и разлетаются подобно осколкам взорвав¬ шейся гранаты, что особенно часто происходит при спаивании на¬ пряженных или натянутых проводов. Вы ведь не планируете инкру¬ стировать глаза блесками из припоя? Если вы носите очки по причи¬ не плохого зрения, то сильно не обнадеживайтесь — определенную за¬ щиту они предоставляют, но не такую полную, как профессиональные защитные средства для глаз. ■ Получив незначительный ожог (вы ведь не со сваркой работаете), по¬ держите обожженное место в течение нескольких минут под холодной проточной водой. Если ожог большой и очень болезненный, то лучше незамедлительно обратиться в ближайшее медицинское учреждение. ■ Занимайтесь пайкой только в хорошо проветриваемом помещении; не поленитесь установить над рабочим столом небольшой вентилятор,
30 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей который будет отводить к открытому окну или вентиляционной шахте токсичные испарения, исходящие от нагретого паяльника. В качестве “разминочного” проекта давайте самостоятельно сконструируем уст¬ ройство отвода от рабочего стола вредных испарений, основанное на обычном компьютерном вентиляторе (см. раздел “Отвод дыма компьютерным вентилятором”). Необходимое оборудование Чтобы всласть попрактиковаться в пайке проводов, вам потребуется следующее оборудование. Количество Оборудование Код в приложении 2 Провода для пайки Т10 1 Моток изоленты тз 1 Набор для пайки T1 1 Устройство “свободные руки” (не обязательно) T4 1 Чашка с кофе (крайне необходима) Третья рука вам не помешала бы, но если вы родились такими, как все, то воспользуйтесь устройством “свободные руки”. Отнеситесь к данному со¬ вету предельно серьезно: в процессе пайки вам нужно надежно удерживать не только паяльник и соединяемые провода, но и припой, а тут двумя рука¬ ми ну никак не обойтись. Как правило, третьей руки не хватает для удержи¬ вания припоя, поэтому в ее качестве можно использовать все, что может об¬ ездвижить оловянную проволоку: канцелярские скрепки, скобы, зажимы, всевозможные подставки, грузики с отверстиями и даже тиски. Идеально было бы закрепить держатель для припоя на выдвижном кронштейне от старой настольной лампы, чтобы иметь возможность размещать его над любым местом рабочего стола. Вот за что многие любят провода (и я не исключение), так это за гибкость и сохранение полученной однажды формы. Это их свойство активно ис¬ пользуется при обустройстве рабочего стола. Вот куда, по-вашему, можно повесить пустую чашку для кофе, если не на петлю из проволоки? (Вариант с гвоздем не рассматривается, мы ведь не в столярной мастерской.) А еще из мотка проволоки легко соорудить надежную подставку под что угодно, да под ту же... кофейную чашку, но уже полную. Облуживание проводов Перед тем как соединить два провода в монолитную конструкцию, не¬ плохо вспомнить основы работы с паяльником и припоем. Если вам ранее не доводилось паять, то взгляните на рис. 1.6, а-e, чтобы познакомиться с основными этапами процесса.
ГЛАВА 1. В самом начале 31 1. Убедитесь в том, что паяльник нагрелся до рабочей температуры. 2. Очистите кончик жала паяльника от остатков припоя, потерев им по мягкой губке (но не на мочалке для мытья посуды). 3. Прикоснитесь жалом паяльника к припою, чтобы покрыть его припоем (или облудить), как показано на рис. 1.6, а. Как только припой расте¬ чется по жалу, оно приобретет ярко выраженный металлический блеск. Если припой не плавится при прикосновении жала, то это означает, что паяльник еще не разогрелся до нужной температуры. Если капля припоя не растекается по жалу, то это значит, что паяльник грязный и его нужно еще раз почистить о губку или мягкую ткань. 4. Прикоснитесь жалом паяльника к зачищенному концу провода и удер¬ живайте его в этом месте в течение нескольких секунд (рис. 1.6, б). 5. Прикоснитесь проволокой из припоя к нагретому паяльником проводу недалеко от жала. Припой растечется по всей длине зачищенного конца провода (рис. 1.6, в). Рис. 1.6. Облуживание провода Облуживание и пайка проводов — это искусство, как бы вы к этому ни относились. Оно дается далеко не каждому, поэтому не расстраивайтесь, если у вас не получается сразу достичь нужного результата. Вы обязатель¬ но научитесь все делать правильно. Самое главное помнить, что для плав¬ ки припоя он должен набрать определенную температуру и что припой ни¬ когда не будет растекаться по холодной поверхности. Поэтому обязатель¬ но прогревайте провода перед облуживанием, а припой подносите только
32 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей к тому месту, к которому прижимается паяльник, — оно точно будет иметь самую высокую температуру. В следующем разделе вы продолжите совершенствовать навыки пай¬ ки; второй этап, не менее ответственный, — это соединение двух проводов в монолитную конструкцию. Пайка Для спаивания двух проводов выполняют такие же действия, как и опи¬ санные в разделе “Скручивание проводов”, за тем лишь исключением, что пространство между проводами заполняется припоем. Альтернативный способ, не столь аккуратный, проиллюстрирован на рис. 1.7, а-г. 1. Первый этап — это скручивание в пучок концов обоих многожильных проводов. Концы многожильных проводов обязательно нужно покрыть припоем (облудить), как показано на рис. 1.7,0. 2. Совместите концы проводов и нагрейте их одновременно с помощью па¬ яльника (рис. 1.7, б). Обратите внимание на способ удерживания двух проводов вместе — одной из рук одновременно удерживается и припой, и один из проводов. 3. Припой, провода и паяльник должны встретиться в одной точке и обра¬ зовать прочный союз, свободным из которого выходит только паяльник, а провода после остывания образуют единую структуру, надежно соеди¬ ненную припоем (рис. 1.7, в). 4. Обмотайте место соединения проводов тремя-четырьмя слоями изолен¬ ты на пару сантиметров в каждую сторону (рис. 1.7, г). Рис. 1.7. Спаивание двух проводов
ГЛАВА 1. В самом начале 33 Проверка соединения Соединение проводов пайкой, описанное в предыдущем разделе, в боль¬ шинстве случаев обеспечивает долговечный контакт. Но в отдельных слу¬ чаях, особенно при соединении одножильных проводов, вы столкнетесь с ситуацией, когда под внешней изоляцией оказывается сломанный провод. Если вы играете на гитаре, то описанная ситуация не будет для вас откры¬ тием, так как порванные струны — привычное дело для любого музыканта. Необходимое оборудование Количество Оборудование Код в приложении 1 Мультиметр Т2 1 Тестируемое соединение Большая часть мультиметров поддерживает режим прозвонки цепей. В этом режиме мультиметр будет издавать характерный звук, если сопро¬ тивление измеряемой цепи стремится к нулевому значению (цепь закоро¬ чена). Эксперимента ради переведите мультиметр в режим прозвонки (его ча¬ сто обозначают символом диода) и дотроньтесь его щупами друг к другу. Слышите звук? Теперь возьмите кусок провода и прикоснитесь щупами к разным его концам (рис. 1.8). Если провод не сломанный, то мультиметр издаст уже известный вам звук. Такой же подход применятся и для проверки целостности электрических схем. Взяв в руки старую плату, напичканную радиодеталями, попробуйте “прозвонить” некоторые из ее дорожек (рис. 1.9). Если звуковой сигнал не слышен, то дорожка разорвана (такое часто случается при случайном или намеренном сгибании платы) или радиодетали на плате не пропаяны долж¬ ным образом. Дефект пайки деталей на печатной плате исправляется очень легко: ка¬ пля припоя решает проблему всерьез и надолго. Для исправления нарушен¬ ной дорожки вам придется потрудиться основательней. Сначала удалите с самой дорожки защитный лак, покрывающий не только ее, но и всю пла¬ ту, а затем аккуратно спаяйте края разрыва в цельную дорожку. Отвод дыма компьютерным вентилятором Испарения, сопровождающие процесс пайки, не только отвратно пахнут, но и весьма вредны для человека. Летом, когда окно в комнате широко от¬ крыто и помещение интенсивно проветривается, беспокоиться о дополни¬ тельной вентиляции не нужно. В остальное время, работая в плохо прове¬ триваемых помещениях, соорудите специальное устройство отвода токсич¬ ных газов от рабочего места (рис. 1.10). Тем самым вы не только сохраните свое здоровье, но и получите определенные электротехнические навыки.
Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 1.9. Проверка цепи на плате Рис. 1.8. Проверка мультиметром целостности (неразрывности) цепи
ГЛАВА 1. В самом начале 35 Даже не пытайтесь оценивать мои дизайнерские способности. В теку¬ щем проекте удобство и эффективность использования играют первосте¬ пенную роль (прибор должен находиться как можно ближе к месту пайки). Рис. 1.10. Отвод едкого дыма от рабочего места Необходимое оборудование Количество Оборудование Код в приложении 1 Все необходимое для пайки Т1 1 Вентилятор из старого системного блока (двухвыводной) 1 Источник питания, 12 В М1 1 Однополюсный выключатель К1 Построение цепи На рис. 1.11 показана принципиальная электрическая схема для нашего мини-проекта. Начинающие любители электроники обычно скептически относятся к электрическим схемам, предпочитая видеть на них привычные изобра¬ жения радиодеталей, а не малопонятные значки. Если бы схемы рисовали обыватели, то они, скорее всего, выглядели подобно тому, как показано на рис. 1.12. К счастью, рисование электрических схем — это целая наука, в которой все строго регламентировано и подчинено определенным прави¬ лам. Понимать же такие схемы несложно, хотя они и требуют определен¬ ных знаний, которые с лихвой окупятся в будущем. Но не стоит думать, что каждая электрическая схема уникальна. Зачастую для одного и того же
36 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей устройства в Интернете можно найти несколько вполне рабочих электри¬ ческих схем, что указывает на творческий подход к сугубо техническому процессу. Это как воспроизводить одну и ту же мелодию на слух. Каждый музыкант сделает это по-своему, и нельзя сказать, что хотя бы один из них неправ. При изучении музыкальной композиции, записанной с помощью нот, вы получите хотя и исходный, но всего лишь вариант уже обыгранной кем-то мелодии. Рис. 1.12. Блок-схема подключаемого оборудования Вернемся к нашей схеме. В левой ее части вы видите две красноречивые надписи: +12 В и Общий. Первая надпись указывает на место подачи в цепь напряжения питания +12 В. Общий вывод на схемах обычно соответст¬ вует месту подключения цепи к отрицательному контакту источника пита¬ ния. В нашем случае общий провод обозначает шину с напряжением О В. Напряжение — это всегда относительная величина, поэтому подача пита¬ ния 12 В указывает на падение такого напряжения на выводах источника питания. Поскольку на отрицательном выводе источника питания поддер¬ живается напряжение О В, то на положительный вывод должны подаваться все 12 В. Подробно с такой электрической характеристикой, как напряже¬ ние, вы познакомитесь в следующей главе. Первое устройство в цепи, показанное на схеме справа от источника пи¬ тания, — это выключатель. Он обозначен как S1. Если на схеме имеется несколько выключателей, то они нумеруются последовательно: S2, S3 и т.д. Буквенные обозначения на элементах схемы обычно значащие —они со¬ держат первые буквы названий компонентов, которые они представляют. Рис. 1.11. Принципиальная схема устройства для отвода дыма от рабочего места
ГЛАВА 1. В самом начале 37 Назначение выключателя предельно простое. При включении он замыкает свои контакты, пуская электрический ток по цепи, а при выключении раз¬ мыкает контакты и прерывает подачу тока в цепь. Проще не бывает! Как правило, с помощью выключателя управляют подачей питания на многие устройства, например электродвигатели (М), которыми в обязатель¬ ном порядке оснащаются компьютерные вентиляторы. Этап 1. Зачистка проводов, идущих от источника питания В самом простом случае компьютерные источники питания снабжаются выводами со специальными разъемами на концах, к которым подключает¬ ся всевозможное оборудование. Для реализации электрической схемы нам нужно избавиться от разъема на одном из выводов блока питания и зачи¬ стить оба провода (см. раздел “Зачистка провода”). Перед срезанием разъ¬ ема с вывода убедитесь, что блок питания отключен от сети 220 В. В про¬ тивном случае при разрезании кусачками одновременно обоих проводов вы обязательно закоротите их, что, скорее всего, приведет к выходу источника питания из строя. Этап 2. Определение полярности источника питания Срезав с вывода источника питания разъем, вам нужно определить, на какой из двух проводов подается положительное напряжение. Проще все¬ го для выполнения этой задачи воспользоваться мультиметром. Установите на мультиметре предел измерений, равный 20 В (режим постоянного тока DC). Почти все мультиметры имеют два основных режима измерений: пере¬ менного тока (АС) и постоянного тока (DC). Вам нужен последний; он часто обозначается символом сплошной линии, расположенной над пунктирной линией. Режим переменного тока обычно представлен как АС или обозна¬ чается символом “тильда” (маленькая волнистая линия). Если вы ошибоч¬ но выберете режим переменного, а не постоянного тока, то не сломаете из¬ мерительный прибор, но и не получите правдивые показания. (Детально мультиметры и методы работы с ними рассматриваются в главе 11.) Предварительно убедившись, что концы зачищенных проводов, идущих от источника питания, не соприкасаются между собой, подключите источ¬ ник питания к электрической сети и включите его. Прикоснитесь щупами мультиметра к разным выводам источника пита¬ ния, как показано на рис. 1.13. Если на экране мультиметра отображает¬ ся положительное числовое значение, значит, красный щуп подсоединен к положительному выводу источника питания. Пометьте положительный вы¬ вод источника питания соответствующим образом (наклейте на него кусок яркой изоленты или обвяжите тонкой проволочкой в цветной изоляции). Если мультиметр показывает отрицательное значение, то вы не угадали по¬ лярность выводов источника питания; таким образом, на положительный вывод источника питания будет указывать черный щуп мультиметра.
38 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 1.13. Определение полярности источника питания с помощью мультиметра Этап 3. Подсоединение провода к отрицательному выводу Отключите блок питания от электрической сети. Никогда и ни при каких обстоятельствах не занимайтесь пайкой электрических схем, на которые подается питание. Срежьте разъем на конце кабеля, которым оснащен компьютерный вен¬ тилятор. Зачистите оба провода, обратив внимание на их цветовую марки¬ ровку: черный провод нужно подключить к отрицательному, а желтый — к положительному выводу блока питания. Вентилятор, снабженный тремя выводами, нам не подходит, — у него несколько иная схема подключения к источнику питания. Подключение вентилятора к источнику питания с противоположной полярностью вполне допустимо; будьте только готовы, что он начнет вращаться в противоположном направлении. Нам осталось подключить провод к отрицательному (не помеченному) выводу источника питания (рис. 1.14). Этап 4. Подсоединение переключателя к положительному выводу Припаяйте положительный вывод источника питания к одному из вы¬ водов переключателя (тут полярность совершенно не учитывается), как по¬ казано на рис. 1.15. Не забудьте предварительно снять изоляцию с концов провода и облудить их.
ГЛАВА 1. В самом начале 39 Рис. 1.14. Подсоединение провода к отрицательному выводу блока питания Рис. 1.15. Подсоединение выключателя к положительному выводу Наконец, соедините второй вывод вентилятора с центральным выводом переключателя (рис. 1.16). Этап 5. Проверка работоспособности Обмотайте все полученные соединения несколькими слоями изоленты, подключите блок питания к электрической сети и щелкните переключате¬
40 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей лем. Какая неожиданность, таки заработало! Примите поздравления, вы только что начали новую карьеру. Резюме Теперь вы знаете, с чем вам придется столкнуться на рабочем месте, и вас не испугать разноцветными проводами и включенным паяльником. Смело переходите к изучению главы 2, в которой мы поговорим об основ¬ ных электронных компонентах, с которыми вам придется иметь дело, а так¬ же о физических законах, определяющих их функциональные особенности. Рис. 1.16. Подключение к выключателю компьютерного вентилятора
Глава 2 Теория и практика Прежде чем приступить к практическим занятиям по электронике, вам нужно познакомиться с некоторыми фундаментальными принципа¬ ми ее функционирования. Мне меньше всего хотелось “нагружать” вас те¬ оретической электродинамикой, поэтому я постарался свести в одну главу все важные физические законы, которые описывают процессы, происходя¬ щие в электрических цепях. Но вначале, перед изучением законов физики, рассмотрим основные радиодетали, встречающиеся в большинстве элект¬ рических схем. Начальный набор компонентов В предыдущей главе вы узнали об основных инструментах, без которых невозможно представить работу с электронным оборудованием, а также научились зачищать и паять провода. В качестве практического задания вы реализовали мини-проект устройства отвода токсичных газов от рабо¬ чего стола. Это устройство состояло из блока питания, вентилятора и пере¬ ключателя. Все компоненты рассмотренного в конце главы 1 мини-проекта будут встречаться вам во многих других, порой даже очень сложных проектах. Чтобы сэкономить время и не тратить полдня на покупку наиболее распро¬ страненных радиодеталей по отдельности, приобретите начальный набор одного из ведущих поставщиков электронного оборудования, представлен¬ ных на вашем рынке. Компания SparkFun предлагает такие наборы по уме¬ ренной цене (код К1 в приложении), но в него по неизвестной причине не включен ни один резистор, поэтому вам понадобится приобрести еще один дополнительный набор (код К2 в приложении). Имея на руках оба указан¬ ных набора, вы на 80% обеспечите себя всем необходимым расходным ма¬ териалом. Начальные наборы предлагают почти все уважающие себя производите¬ ли электронных компонентов, но ни один из них нельзя считать достаточ¬ ным, поскольку они не в полной мере удовлетворяют запросы, возникаю¬ щие в процессе изучения дальнейших проектов. Необходимое оборудование Начальный набор (Starter Kit) компании SparkFun содержит компонен¬ ты, перечисленные в приведенной ниже таблице. Радиодетали, обозна¬ ченные в таблице звездочкой (*), в обязательном порядке используются в проектах, рассматриваемых в книге. Если вы предпочитаете продукцию
42 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей других производителей, то убедитесь, что в выбранном вами наборе имеет¬ ся большая часть радиодеталей, приведенных в таблице. Детально все ин¬ струменты и оборудование, которые понадобятся вам при изучении книги, описаны в приложении. Количество Компонент Количество Компонент 10 Конденсатор 0,1 мкФ* 3 20-контактная штыревая колодка* 5 Конденсатор 100 мкФ* 3 Переключатель* 5 Конденсатор 10 мкФ* 2 Кнопка* 5 Конденсатор 1 мкФ 1 Потенциометр, 10 кОм* 5 Конденсатор 10 нФ 2 Операционный усилитель LM358 5 Конденсатор 1 нФ 2 Регулятор напряжения, 3,3 В 5 Конденсатор 100 пФ 2 Регулятор напряжения, 5 В* 5 Конденсатор 10 пФ 1 Таймер серии 555* 5 Диод 1 N4148 1 Зеленый светодиод* 5 Диод 1 N4001* 1 Желтый светодиод* 5 PNP-транзистор 2N3906 1 Красный светодиод* 5 NPN-транзистор 2N3904* 1 7-сегментный красный светодиодный инди¬ катор* 3 20-контактная разъемная колодка 1 Фотоэлемент* Отдельно приобретаемый набор резисторов SparkFun (код К2 в прило¬ жении) содержит сопротивления следующих номиналов: 0 Ом, 1,5 Ом, 4,7 Ом, 10 Ом, 47 Ом, 110 Ом, 220 Ом, 330 Ом, 470 Ом, 680 Ом, 1 кОм, 2,2 кОм, 3,3 кОм, 4,7 кОм, 10 кОм, 22 кОм, 47 кОм, 100 кОм, 330 кОм, 1 МОм Визуальное определение электронных компонентов Так что же мы получили в удобной коробочке под привлекательной упа¬ ковкой? Давайте подробно остановимся на каждом типе устройств, вклю¬ ченных в начальный набор производства SparkFun, и узнаем их назначе¬ ние в электрических схемах. Традиционно начнем с самых простых элемен¬ тов — резисторов. Резисторы На рис. 2.1 показаны резисторы нескольких наиболее распространен¬ ных типов. Резисторы бывают разных форм и размеров, а потому рассеива¬ ют разную мощность. Высокомощные резисторы имеют больший размер и обычно выдерживают нагрев до больших температур. Как правило, нагрева¬
ГЛАВА 2. Теория и практика 43 ние электронных компонентов не сулит ничего хорошего для электрической схемы, и его стараются всячески избежать. Поэтому в наших проектах мы постараемся ограничиваться 0,25-ваттными резисторами из специального набора компании SparkFun, предназначенными для общего использования. Рис. 2.1. Резисторы бывают разные Кроме максимально допустимого уровня рассеиваемой мощности, ре¬ зисторы обладают еще одной характеристикой — сопротивлением. Как и предполагает название, сопротивление препятствует протеканию электри¬ ческого тока. Поэтому резисторы с высоким сопротивлением сильнее огра¬ ничивают ток в цепи, чем резисторы с низким сопротивлением. Резисторы встречаются в электронных устройствах чаще всего. Так как в наших проектах они будут применяться в изрядном количестве, детально их назначение и характеристики мы рассмотрим в разделе “Электрический ток, сопротивление и напряжение”. Номинал резистора очень просто определить по маркировке в виде цве¬ товых полос, нанесенных на его корпус. Научившись правильно определять сопротивление резисторов (см. таблицу ниже), лучше всего сразу отсорти¬ ровать их все и разложить согласно номиналам по отдельным коробочкам или ячейкам отдельного хранилища. Если вы сомневаетесь в правильности определения сопротивления, то воспользуйтесь мультиметром для вынесе¬ ния окончательного вердикта. Вне всякого сомнения, умение безошибочно определять номинал рези¬ стора исключительно по его внешнему виду и цветовой маркировке — это удел опытных радиолюбителей. Каждая цветовая полоса на корпусе рези¬ стора представляет определенную цифру в числовом значении сопротив¬ ления: Цвет Значение Черный 0 Коричневый 1
44 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Цвет Значение Красный 2 Оранжевый 3 Желтый 4 Зеленый 5 Синий 6 Фиолетовый 7 Серый 8 Белый 9 Золотой 1/10 Серебряный 1/100 Золотая и серебряная полоски определяют дробные значения (1/10 и 1/100 соответственно). Кроме того, они же используются и для указа¬ ния допуска: золотая полоска соответствует погрешности ±5%, серебря¬ ная— ±10%. Как правило, у одного из краев резистора имеется не менее трех цвето¬ вых полосок. После небольшого интервала, у противоположного края ре¬ зистора, наносится еще одна цветовая полоска. Отдельно стоящая полоска указывает допуск по сопротивлению резистора. Поскольку в проектах кни¬ ги высокая точность расчетов не требуется, то акцентировать ваше внима¬ ние на этой характеристике мы не будем. На рис. 2.2 показано, как по цветовым полосам можно узнать сопротив¬ ление резистора. Для указания точного числового значения на корпусе ре¬ зистора наносятся три полоски. Первая полоса определяет первую цифру числа, вторая полоска — вторую цифру, а третья — множитель, указываю¬ щий количество нулей, добавляемых к числовому значению после первых двух цифр. Рис. 2.2. Маркировка резисторов разноцветными полосками Таким образом, резистор с сопротивлением 270 Ом будет маркирован сначала красной (цифра 2), далее фиолетовой (цифра 7) и, наконец, корич¬ невой (множитель 1) полосками. Подобным образом резистор на 10 кОм бу¬ дет маркироваться коричневой, черной и оранжевой полосками (1,0, 000). В дополнение к резисторам с постоянным сопротивлением существуют резисторы с переменным сопротивлением (так называемые переменные Первая цифра Множитель Допуск Вторая цифра
ГЛАВА 2. Теория и практика 45 резисторы, или потенциометры). Они находят применение в качестве регу¬ ляторов уровня громкости: при повороте ручки вы изменяете сопротивле¬ ние в цепи усиления сигнала, а потому устанавливаете интенсивность вос¬ производимого громкоговорителями звука. Конденсаторы Занимаясь разработкой и созданием новых электронных устройств, вам не обойтись без конденсаторов. Конденсатор относится к основным радио¬ электронным компонентам и имеет очень простой принцип работы. Чаще всего конденсаторы применяются для устранения нежелательных помех и сглаживания напряжения в электрической схеме. Для обозначения функ¬ ции конденсатора к его названию добавляют красноречивое прилагатель¬ ное, однозначно указывающее на его назначение, например “развязываю¬ щий конденсатор” или “сглаживающий конденсатор”. Существует строго ограниченный набор правил, регламентирующий использование конденса¬ торов в электрических схемах. О них мы обязательно вспомним в следую¬ щих разделах. Если вкратце, то конденсаторы, как и аккумуляторные батареи, умеют накапливать электрический заряд, но в относительно небольших количест¬ вах, а время зарядки и разрядки конденсаторов весьма небольшое. Внешний вид некоторых типов конденсаторов показан на рис. 2.3. Если вы присмотритесь ко второму слева конденсатору, то увидите на нем надпись 103. Это числовое значение указывает емкость конденсатора в пикофарадах. Стандартизированные единицы измерения емкости — это фарады, несмотря на то, что одна фарада соответствует накоплению очень большого заряда. Именно поэтому емкость большинства конденсаторов из¬ меряется в нанофорадах (нФ =1/1 ООО ООО ООО Ф) и микрофарадах (мкФ = 1/1 ООО ООО Ф). Вам даже могут встретиться конденсаторы, емкость кото¬ рых измеряется в пикофарадах (пФ =1/1 ООО ООО ООО ООО Ф). Вы легко заметите кратность указанных выше единиц измерения зна¬ чению 103. Как известно, 103 соответствует числу 1000 (три нуля после единицы). Таким образом, 10 000 пФ и 10 нФ — это одинаковые значения. Конденсаторы большей емкости, подобные показанным на рис. 2.3, спра¬ ва, называются электролитическими. Чаще всего их номинал выражается в микрофарадах (мкФ), а числовое значение указывается на боковой по¬ верхности корпуса. Кроме того, выводы таких конденсаторов обозначаются знаками + и -, что предполагает их подключение в электрическую схему со¬ гласно указанной полярности. На рис. 2.4 показан большой электролитический конденсатор емкостью 1000 мкФ; в нижней части рисунка четко виден знак -, обозначающийся вывод, подключаемый к отрицательному контакту шины питания. Если выводы у конденсатора разной длины, то длинный контакт подключается к положительной шине питания. На корпусе конденсатора, показанного на рис. 2.4, кроме всего прочего, указывается еще одна характеристика: рабочее напряжение (200 В). Она
46 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей обозначает максимальное напряжение, которое допустимо подавать на вы¬ воды конденсатора. Если между выводами такого конденсатора окажет¬ ся напряжение больше 200 В, то он почти сразу выйдет из строя. Большие электролитические конденсаторы, подобные показанным на рис. 2.4, име¬ ют репутацию взрывоопасных; они выходят из строя не чаще других, но де¬ лают это максимально эффектно. Рис. 2.3. Разнообразие конденсаторов Рис. 2.4. Электролитический конденсатор Диоды Время от времени вам понадобятся такие незаменимые устройства, как диоды. Они сродни клапанам в гидротехнике: позволяют току протекать только в одном направлении, препятствуя его распространению в противо¬ положном направлении. Очевидно, что основная их задача — защищать от случайного повреждения и даже выхода из строя других, чувствительных к обратному току, компонентов сети.
ГЛАВА 2. Теория и практика 47 Диоды (рис. 2.5) маркируются у одного из краев характерной полоской. Вывод, расположенный ближе к помеченному полоской краю, называется катодом; противоположный вывод диода называется анодом. Детально о работе диодов мы еще поговорим далее. Как и в случае с резисторами, чем больше сам диод, тем больше энергии он может рассеять перед тем, как перегреется и разрушится. В большин¬ стве проектов, в которых востребованы диоды, вы будете довольствоваться теми из них, что показаны на рис. 2.5, слева. Рис. 2.5. Диоды чаще всего выглядят так Светодиоды Светодиоды светятся ярким цветами и одним только этим приносят ра¬ дость! Светодиоды самых разных оттенков показаны на рис. 2.6. Энергопотребление светодиодов небольшое, поэтому их нельзя напря¬ мую подключать даже к низковольтной батарее. Чтобы ограничить ток, про¬ текающий через светодиод, обычно используются резисторы. Если не огра¬ ничить ток через светодиод, то он моментально выйдет из строя (перегорит). Как вы понимаете, работоспособность светодиодов всецело зависит от правильного выбора резистора, включенного в электрическую схему. Как и обычные диоды, светодиоды имеют два вывода разной полярно¬ сти: катод и анод. Анод всегда длиннее катода. На корпусе светодиода со стороны катода также легко обнаружить плоскую площадку (срез). Наряду с отдельными светодиодами вам точно будут встречаться гото¬ вые матрицы светодиодов, упакованные в виде законченных устройств. На рис. 2.7 показаны распространенные типы светодиодных устройств.
48 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 2.6. Простые светодиоды разных цветов Рис. 2.7. Светодиоды бывают разные Слева направо на этом рисунке показаны: ультрафиолетовый светодиод, двухцветный (красно-зеленый) светодиод, заключенный в общий корпус, мощный RGB-светодиод (красно-зелено-синий), светящийся произволь¬ ным оттенком видимого светового диапазона, семисегментный светодиод¬ ный индикатор и гистограммный светодиодный индикатор. Выше перечислена только небольшая часть светодиодных устройств. Мы об этом даже не задумываемся, но светодиоды окружают нас повсюду. Далее вы познакомитесь с некоторыми из упомянутых выше светодиодных устройств.
ГЛАВА 2. Теория и практика 49 Транзисторы Несмотря на то что транзисторы выполняют в электрических схемах огромное количество функций, вам на начальном этапе изучения электро¬ ники достаточно воспринимать их как переключатели. Но в отличие от ме¬ ханических переключателей, в которых контакт замыкается толкателем, в транзисторе размыкание и замыкание электрической цепи осуществляется подачей на один из выводов относительно небольшого управляющего тока. Физический размер транзистора чаще всего предопределяет его рабо¬ чие характеристики и функциональные особенности (рис. 2.8). Чем боль¬ ше транзистор, тем сильнее токи он может “запирать” и делать это в тече¬ ние большего промежутка времени. Среди транзисторов, показанных на рис. 2.8, два крайних правых — это узкоспециализированные устройства, рассчитанные на высокие мощности. Рис. 2.8. Формы и размеры транзисторов определяются их функциональ¬ ными возможностями Распознать транзистор в куче радиодеталей немудрено. В первом при¬ ближении самый уродливо выглядящий компонент с тремя “ногами” — это и есть транзистор. Интегральные микросхемы Интегральные микросхемы (Integrated Circuit — 1C), или просто микрос¬ хемы, представляют собой большое количество транзисторов и других по¬ лупроводниковых компонентов, организованных в электрические схемы и упакованных в едином корпусе. Назначение микросхем бывает самым разным. В виде интегральных микросхем выпускаются микроконтроллеры (мини-компьютеры), звуковые усилители, модули памяти и многие другие сложные устройства с расширенной функциональностью. Микросхемы сильно упрощают нашу с вами участь, поскольку могут совмещать в одном модуле огромное количество специальных устройств.
50 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Правда в том, что как только вам понадобится собрать некое устройство, сразу окажется, что уже давно выпущена микросхема, обладающая боль¬ шей частью необходимых функций. По меньшей мере, всегда найдется ми¬ кросхема общего назначения, предназначенная для решения как минимум половины запланированных вами задач. Рядовому обывателю микросхема представляется как диковинная элек¬ тронная многоножка (рис. 2.9). Рис. 2.9. Интегральные микросхемы имеют большое количество выводов Другие компоненты Не думайте, что мир электроники обходится только описанными выше компонентами. Он огромен в своем разнообразии, и многое из него вам очень хорошо знакомо, например аккумуляторы и переключатели. О неко¬ торых из них вы только слышали, держали в руках, но не обращали на них особого внимания (например, потенциометры, выполняющие функции ре¬ гуляторов громкости). Названия остальных радиодеталей могут вам пока¬ заться совершенно незнакомыми, хотя все они часто используются во мно¬ гих бытовых приборах: фототранзисторы, операционные усилители, фото¬ резисторы и др. Подробнее с ними вы познакомитесь в следующих главах. Компоненты для поверхностного монтажа (SMD-компоненты) Хотелось бы отдельно сказать о специальном классе электронных уст¬ ройств — компонентах поверхностного монтажа (Surface Mount Devices — SMD). Это уже известные вам резисторы, транзисторы, конденсаторы, ин¬ тегральные микросхемы и т.п., но значительно меньше привычного нам размера. Они предназначены для сборки электронных устройств на специ¬ альных производственных линиях. Компоненты поверхностного монтажа показаны на рис. 2.10.
ГЛАВА 2. Теория и практика 51 Размер самих компонентов легко оценить, если сравнить их со спичкой, расположенной рядом. Если вы думаете, что вручную смонтировать такие мелкие детали на печатной плате невозможно, то сильно ошибаетесь. Все, что для этого понадобится, — наметанный глаз, твердая рука и качествен¬ ный паяльник. (Не забудьте о терпении, куда же без него!) Для поверхност¬ ного монтажа используются совершенно иные печатные платы, отличные от привычных для начинающих радиолюбителей. Макетные платы и дру¬ гие средства прототипирования малоприменимы для сборки устройств с помощью компонентов поверхностного монтажа, хотя в критической ситу¬ ации сгодятся и они. В книге мы будем работать преимущественно с “традиционными” ком¬ понентами сквозного монтажа. По мере усовершенствования навыков вы можете попробовать собирать электронные устройства, воспользовавшись исключительно SMD-компонентами, — ничего запредельного в этом нет. Рис. 2.10. SDM-компоненты имеют крошечный размер Электрический ток, сопротивление и напряжение Напряжение, ток и сопротивление — это три основные характеристи¬ ки, оперируя которыми вы сможете объяснить все, что происходит в мире электроники. Все они взаимосвязаны друг с другом; и, зная законы, опи¬ сывающие эту взаимосвязь, вы получите неограниченные возможности по разработке и реализации любых электротехнических проектов. Наберитесь терпения и попробуйте понять все изложенные ниже теоре¬ тические основы электротехники. Как только вы это сделаете, кажущееся ранее непостижимым станет очевидным. Электрический ток Самая большая трудность в изучении электрического тока состоит в невидимости электронов. Известно, что электрический ток — это направ¬ ленное движение электронов. До определенного времени электроны оста¬ вались невидимыми даже для лабораторной аппаратуры, но это не мешало
52 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей нам использовать электрический ток в бытовых приборах. Электроны на¬ столько маленькие, что знание принципов их поведения важнее того, как они выглядят. Мне проще всего представлять электроны в виде крохотных шариков, катящихся по трубам. Все без исключения дипломированные фи¬ зики при чтении этих слов схватятся за головы и порвут книгу в клочья. Я сильно не расстроюсь, так как наша книга не из раздела теоретической физики, да и читать ее людям с высшим техническим образованием будет несколько скучновато. Выбранная мною модель помогает лучше понять суть происходящих в мире электроники процессов, и это главное. Каждый электрон является носителем постоянного заряда, который не изменяется с течением времени. Чем больше электронов скопится в одном месте, тем больше заряд будет в этой области. По мере перемещения элек¬ тронов из одной области в другую заряд в первой области будет уменьшать¬ ся или падать. Электрический ток (рис. 2.11), подобно потоку воды в трубе, измеряется как количество заряда, протекающего через проводник в единицу времени (секунду). Ток = количество частиц, проходящих через сечение в единицу времени Поток Рис. 2.11. Электрический ток Сопротивление Задача резистора заключается в ограничении тока, проходящего через него. Если снова провести аналогию с потоком воды в трубе, то сопротивле¬ ние можно представить как сужение, показанное на рис. 2.12. Резистор уменьшает количество заряда, протекающего через опреде¬ ленный участок проводника. При этом совершенно не важно, в какой точ¬ ке измеряется электрический ток: А, Б или В. Электрический ток в любой точке после резистора будет таким же, как и на выходе из резистора, что определяется величиной сопротивления. Электрический ток перед рези¬ стором тоже ограничивается расположенным впереди сопротивлением.
ГЛАВА 2. Теория и практика 53 Напряжение Напряжение — это еще одна ключевая характеристика, фигурирующая в уравнении, описывающем величину электрического тока в проводнике, с которым вы познакомитесь в следующем разделе. Продолжая аналогию с потоком воды в трубе, напряжение можно представить как перепад высот или уклон, под которым закреплена труба вдоль стены (рис. 2.13). Как вам, скорее всего, известно, чем с большей высоты стекает вода по трубе, тем сильнее ее поток. Именно поэтому сливные трубы с небольшим уклоном очень плохо отводят воду. Приведенная аналогия очень хорошо согласуется с концепцией отно¬ сительности приложенного напряжения. Ведь водяной поток зависит не столько от высоты расположения трубы над уровнем моря, сколько от пе¬ репада высот между точками крепления ее концов. Таким образом, поток воды, проходящий по трубе с начальной высоты 100 м до уровня 50 м, будет равняться потоку воды в такой же трубе, закрепленной одним концом на уровне 50 м, а другим — на уровне 0 м. Таким образом, резистор представляет собой сопротивление, “тормозящее” ток перед собой (А) и не позволяющее проходить дополнительному заряду, необходимому для увеличения тока на выходе (В). Аналогия с потоком воды в трубе в полной мере не отражает поведение электронов в проводнике, хотя и позволяет на простейшем уровне понять, как ведет себя электрический ток в цепи. В качестве разминки на будущее попробуйте представить, что произой¬ дет, если резистор ограничит большую часть тока, проходящего через све¬ тодиод. Сопротивление Ток Рис. 2.12. Сопротивление
54 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 2.13. Напряжение Закон Ома Перед выполнением математических вычислений попробуем самостоя¬ тельно определить связь между напряжением, током и сопротивлением. Если рассуждать логически и принять аналогию с потоком воды в трубе справедливой, то, чтобы прийти к правильным заключениям, достаточно ответить на несколько вопросов. 1. При увеличении напряжения электрический ток увеличивается (а) или уменьшается (б)? 2. Если сопротивление увеличивается, то ток увеличивается (а) или умень¬ шается (б)? Правильные ответы вполне очевидны: (а) на первый вопрос и (б) на второй. Ток
ГЛАВА 2. Теория и практика 55 Если записать ответы на поставленные выше вопросы в виде математи¬ ческих равенств, то легко получить закон Ома: 1= U/R, где I— электрический ток через проводник; U— напряжение на концах про¬ водника; R — сопротивление проводника. Исходя из закона Ома, электрический ток через резистор или любой дру¬ гой проводник, имеющий сопротивление, равняется напряжению, приложен¬ ному к его концам, деленному на сопротивление резистора (проводника). В качестве единиц измерения сопротивления выбраны омы (Ом), сила электрического тока выражается в амперах (А), а напряжение измеряется в вольтах (В). Давайте вычислим ток через резистор с сопротивлением 100 Ом, если к нему от источника питания приложено напряжение 10 В: 10 В/100 Ом = 0,1 А Для удобства небольшие токи представляются в миллиамперах (мА). Один миллиампер равен тысячной доле ампера (1 мА = 1/1000 А). Таким образом, 0,1 А можно представить как 100 мА. Вот и все о законе Ома в этом разделе. Кроме математической зависи¬ мости, вам пока достаточно знать, что он является основополагающим для мира электричества. В следующем разделе нам предстоит изучить еще одну важную и не менее показательную характеристику электрического тока: его мощность. Мощность электрического тока Мощность определяется как энергия, выделяемая в единицу времени. В определенном смысле она рассчитывается подобно электрическому току. Но в отличие от тока, при определении мощности учитывается не заряд, а энергия, преобразующаяся в тепло при прохождении тока через резистор или другое устройство, имеющее сопротивление. Аналогия с потоком воды в трубе тут не подходит. Выделение тепла при прохождении тока через сопротивление происходит в результате нагрева¬ ния резистора, ограничивающего ток в цепи. Количество тепла вычисляет¬ ся как напряжение, падающее на резисторе, умноженное на силу тока, про¬ текающего через него. Мощность измеряется в ваттах (Вт). Математически зависимость мощности от тока и напряжение представляется такой фор¬ мулой: P = I*U В предыдущем примере на резистор с сопротивлением 100 Ом подается напряжение 10 В, поэтому сила электрического тока через него будет со¬ ставлять 100 мА. Согласно последней формуле, этот резистор будет рассей-
56 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей вать 0,1 Ах 10 В = 1 ватт мощности. Если свериться с технической докумен¬ тацией к резисторам из начального набора SparkFun, то легко заметить, что они рассчитаны на рассеивание не более 250 мВт (0,25 Вт). Это озна¬ чает, что при использовании таких резисторов в схеме из описанного выше примера они попросту выйдут из строя. Если вам известно напряжение, падающее на резисторе, и вы точно зна¬ ете его номинал, но не знаете силу тока в цепи, то можете определить рассе¬ иваемую мощность по такой формуле: Р = U2/R Она ни в коем случае не противоречит приведенной ранее формуле, по¬ скольку сила тока равняется напряжению, деленному на сопротивление (закон Ома). Подставив в эту формулу числовые значения из предыдущего примера, вы получите в точности такой же результат: Р= 10x10/100=1 Вт Для очень многих радиодеталей максимальная рассеиваемая мощ¬ ность — одна из ключевых характеристик. Поэтому при выборе резисторов, диодов, транзисторов и многих других полупроводниковых компонентов обязательно вычисляйте мощность, которую они будут рассеивать в соби¬ раемых вами электрических схемах. Для этого достаточно напряжение, па¬ дающее на компоненте, умножить на ток, который, как вы ожидаете, будет проходить через него. Подбирайте только те компоненты, которые рассеи¬ вают заведомо большую мощность, чем вычисленное вами значение. Мощность — это хороший индикатор потребляемого электричества, по¬ скольку она определяется как количество энергии, потребляемой электри¬ ческой цепью за одну секунду. В отличие от тока, потребляемую мощность очень просто определять для одних и тех же компонентов при подаче на них разного напряжения. Всегда неплохо еще на этапе проектирования оце¬ нить, сколько энергии будет потреблять собираемое вами устройство в еди¬ ницу времени. В табл. 2.1 указана потребляемая мощность для некоторых бытовых приборов. ТАБЛИЦА 2.1. Потребление электроэнергии разными бытовыми приборами Устройство Потребляемая мощность, Вт Переносной FM-радиоприемник (низкий уровень звука) 0,02 Переносной FM-радиоприемник (максимальный уровень звука) 0,5 Микроконтроллерная плата Arduino Uno (источник питания 9 В) 0,2 Маршрутизатор Wi-Fi 10 Лампа дневного освещения (люминесцентная) 15 Обычная лампочка (лампа накаливания) 60 Жидкокристаллический телевизор с диагональю 40 дюймов 200 Электрическая печь (духовка) 3000 (3 кВт)
ГЛАВА 2. Теория и практика 57 Теперь вы знаете, почему далеко не все домашние электронные уст¬ ройства можно запитать от батареек! Обозначения на электрических схемах Работа с электроникой невозможна без посещения Интернета и получе¬ ния консультаций у всемирного сообщества по интересующему вас вопро¬ су. В процессе общения вы неизбежно столкнетесь с изображениями элек¬ трических схем, на которых показан способ и порядок подключения компо¬ нентов собираемого устройства. Вам крайне необходимо научиться пони¬ мать все, что показано на таких схемах, иначе в дальнейшем вы не сможете практически воплотить свои идеи в виде готовых электронных устройств. При первом знакомстве электрические схемы выглядят пугающе и со¬ вершенно непонятно, хотя все, что на них изображено, четко структуриро¬ вано и подчинено единому набору правил. Нет ничего удивительного в том, что для понимания схем вам достаточно выучить всего несколько осново¬ полагающих принципов. Для большей наглядности при изучении принципов построения электри¬ ческих схем обратитесь к рис. 2.14. Всего один раз взглянув на рис. 2.14, вы сразу поймете, почему все, что изображено на схемах, называют элек¬ трическими цепями. Действительно, все компоненты схемы соединены в единую цепь. В начале этой цепи располагается батарея, далее находится переключатель (для образования неразрывной цепи переключатель нужно включить), затем — светодиод (Di), а в конце цепь снова замыкается на ба¬ тарею. Линии на электрической схеме представляют собой идеальные про¬ водники, не имеющие сопротивления. Первое соглашение схемотехники. Шина положительного питания располагается вверху Соглашение, которому следуют большинство разработчиков принципи¬ альных электрических схем, гласит, что положительная шина питания ото¬ бражается вверху, что полностью подтверждается рис. 2.14. Как видите, на нашей схеме выводы источника питания (батареи) с напряжением 9 В рас¬ положены так, что внизу располагается шина О В, или общий провод, а по верхней шине в цепь подается напряжение 9 В. Обратите внимание на то, что резистор R1 расположен над светодиодом D1. Таким образом, часть напряжения питания сначала падает на резисто¬ ре, и только после этого оставшаяся часть напряжения подается на свето¬ диод. После светодиода цепь ожидаемо замыкается на батарею. Второе соглашение схемотехники. Ток тенет слева направо Исторически электричество на промышленный уровень вывела запад¬ ноевропейская цивилизация, культурные традиции которой предполага¬ ют представление информации на бумаге в направлении слева направо.
58 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Самый очевидный пример — это письменность (в европейских языках тексты пишут слева направо). Электрические схемы не являются исклю¬ чением из исторически устоявшихся традиций, поэтому на них источник питания — батарея или сетевое устройство — обычно указывается в левой части. Соответственно движение электрического тока в схеме также проис¬ ходит слева направо. Именно по этой причине сразу после батареи нарисован переключатель, который отвечает за подачу тока в электрическую цепь, и только после него изображены резистор и светодиод. Названия и обозначения Вполне ожидаемо каждый элемент схемы имеет не только определенное название, но и обозначение. Как видите, источник питания обозначен как BJ, переключатель — S1, резистор — R1, а светодиод — D1. Это делается для того, чтобы вы не запутались при сборке электрической цепи, показан¬ ной на схеме, на макетной или монтажной плате. Только однозначная мар¬ кировка всех элементов схемы позволяет избежать ненужной путаницы и правильно собрать даже самое сложное электронное устройство. Хорошим тоном считается указывать на схеме рабочие параметры эле¬ ментов электрической цепи. Это не обязательно, но в некоторых ситуациях помогает быстрее разобраться в назначении электронных компонентов со¬ бираемого устройства. На нашей схеме указывается номинал только рези¬ стора — 270 Ом. Остальные элементы схемы не требуют дополнительных пояснений. Рис. 2.14. Простая электрическая схема
ГЛАВА 2. Теория и практика 59 Условные графические обозначения компонентов В табл. 2.2 приведен список элементов, наиболее часто отображаемых на электрических схемах. Список далеко не полный, поэтому далее вы встре¬ тите описание элементов, не вошедших в него. Существуют две основные системы представления принципиальных электрических схем: американская и европейская. К счастью, различия в них незначительные, поэтому вы точно не запутаетесь. В данной книге все электрические схемы отображаются согласно стан¬ дартам США. Транзистор (бипо¬ лярный, NPN) Управление сильны¬ ми токами с помо¬ щью слабых токов N-канальный по¬ левой транзистор с изолированным затвором Управление токами высокой мощности с помощью очень сла¬ бых токов Диод Предотвращение про¬ текания тока в ненуж¬ ном направлении Светодиод Резистор Конденсатор Конденсатор (поляр¬ ный) Сопротивление Временное накопле¬ ние заряда Индикация и осве¬ щение Обозначение (стандарты США) Обозначение(евро¬ пейские стандарты) Фотография Элемент Применение ТАБЛИЦА 2.2. Обозначение основных компонентов на электрических схемах
60 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Окончание табл. 2.2 Резюме В следующей главе мы перейдем непосредственно к практическим заня¬ тиям. Вы получите важные навыки сборки электронных устройств, без ко¬ торых невозможно выполнить все проекты, описанные в книге. Вы узнаете, как правильно использовать платы для сборки работоспособных устройств, а также усовершенствуете свои познания в области пайки основных компо¬ нентов электрических схем. Вы также изучите правила конструирования устройств на беспаечных макетных платах, позволяющие быстро собирать и модернизировать про¬ тотипы будущих приборов. Обозначение (стандарты США) Обозначение (евро¬ пейские стандарты) Фотография Батарея Элемент Применение Источник питания Переключатель Подача и прекраще¬ ние подачи питания; управление другими элементами
Глава 3 Принципы функционирования В этой главе мы поговорим о практическом применении основных элек¬ тронных компонентов. В процессе ознакомления с описанными ме¬ тодиками вы изучите несколько полезных способов монтажа электронных устройств. Данная глава содержит сведения, которые пригодятся вам при реализации проектов, описанных в следующих главах, поэтому вы будете неоднократно обращаться к ней в любых затруднительных ситуациях. Нагрев резистора Собирая электрические схемы разного уровня сложности, вы заметите, что отдельные их компоненты сильно нагреваются. Если такой нагрев про¬ гнозируемый, то это вполне допустимо. Чтобы избежать ситуаций, когда вы не знаете причин нагрева электронных компонентов, немного поэкспери¬ ментируем и научимся контролировать процесс повышения их темпера¬ туры. Необходимое оборудование Количество Оборудование Код в приложении 1 Резистор, 100 Ом, 0,25 Вт К2 1 Держатель для батареек, 4хАА Н1 1 Батарейки, 4хАА (лучше использовать аккумуляторы) На рис. 3.1 показана принципиальная схема, которая применяется для нагрева резистора. Рис. 3.1. Электрическая схема для нагрева резистора
62 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Эксперимент Все, что нам предстоит сделать, — это подключить к выводам батарейно¬ го блока резистор с сопротивлением 100 Ом и понаблюдать за повышением его температуры. Предупреждение Будьте предельно осторожны — температура резистора может повыситься до 50°С. При этом выводы резистора должны оставаться холодными. В нашем эксперименте используется источник питания, представлен¬ ный блоком из четырех батареек АА, каждая из которых обеспечивает на¬ пряжение 1,5 В. Батарейки в блоке соединены последовательно, поэтому напряжение на его выходе составляет 6 В. На рис. 3.2 схематически пока¬ зано, как все четыре батарейки объединены в единый источник питания. При таком варианте включения в электрическую схему напряжение всех элементов питания суммируется. Рис. 3.2. Схематическое обозначение батарейного блока На рис. 3.3 вы можете видеть готовое “устройство”, предназначенное для нагревания резистора. Убедитесь в том, что резистор теплый, прикоснувшись к нему пальцем. Хорошо это или плохо? Выйдет ли резистор из строя при длительном нагре¬ ве? Не беспокойтесь, все резисторы рассчитаны на нагрев до определенной температуры, поскольку их основная задача состоит в рассеивании энер¬ гии. Если быть предельно точным, то резистор рассеивает мощность, опре¬ деляемую как напряжение, подаваемое на него, в квадрате, разделенное на сопротивление, которым он обладает: (6x6)7100 = 0,36 Вт
ГЛАВА 3. Принципы функционирования 63 Рис. 3.3. Устройство нагрева резистора Как вы помните, мы использовали резистор, рассчитанный на мощ¬ ность рассеивания всего 0,25 Вт. Вычисленное значение несколько больше, поэтому использовать такой резистор в устройствах, обеспечивающих та¬ кую степень нагрева, нельзя. Конечно, каждый электронный компонент имеет определенный запас прочности, поэтому кратковременное включе¬ ние выбранного нами резистора в электрическую цепь с источником пита¬ ния на 6 В вполне допустимо. Резисторы и деление напряжения В некоторых ситуациях напряжение в электрической цепи становится чрезмерно большим. Например, выходной сигнал FM-радиоприемника перед воспроизведением сначала усиливается до максимума, а затем с по¬ мощью специального регулятора громкость понижается до комфортного уровня. Ситуация, в которой часто требуется понизить напряжение, возникает при подключении датчиков к плате контроллера, например Arduino. Мно¬ гие датчики выводят сигнал в диапазоне от 0 до 10 В, в то время как Ar¬ duino обеспечивает поддержку входных сигналов с напряжением 0-5 В. В качестве простейшего делителя напряжения в электрических цепях используют пару резисторов (или один переменный резистор).
64 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Необходимое оборудование Количество Оборудование Код в приложении 1 Переменный резистор (потенциометр), 10 кОм К1, R1 1 Беспаечная макетная плата Т5 Проволочные перемычки Тб 1 Держатель для батареек, 4хАА Н1 1 Батарейки, 4хАА 1 Колодка батарейного блока Н2 1 Мультиметр Т2 На рис. 3.4 показана электрическая схема нашего проекта. Вы видите на ней несколько обозначений, не встречавшихся ранее. Один из них представ¬ ляет переменный (подстроечный) резистор или потенциометр. Он выглядит подобно символу обычного резистора за тем лишь исключением, что содер¬ жит стрелку, указывающую на середину резистора. Эта стрелка обозначает ползунок, использовавшийся в ранних моделях переменного резистора. Еще один новый символ представлен кругом с латинской буквой V в центре. Этим символом на схемах обычно обозначают вольтметр, работаю¬ щий в режиме измерения постоянного напряжения (DC). Переменный резистор снабжен тремя выводами. Два из них соединены с обоими концами токопроводящей дорожки, а третий, средний, вывод под¬ ключен к своего рода ползунку, перемещающемуся от одного края прово¬ дящей дорожки к другому. Общее сопротивление всей токопроводящей до¬ рожки составляет 10 кОм. Полное напряжение батарейного блока рассчитывается как сумма всех составляющих его элементов, поэтому равняется 6 В. Для измерения на¬ пряжения как на выходе батарейного блока, так и после делителя напряже¬ ния воспользуемся уже знакомым нам мультиметром. Как вы знаете из предыдущей главы, все контакты макетной платы, попадающие в одну серую область, соединены между собой. Не поленитесь после монтажа потратить дополнительное время на проверку правильности сборки устройства согласно электрической схеме, показанной на рис. 3.4. Рис. 3.4. Принципиальная схема делителя напряжения
ГЛАВА 3. Принципы функционирования 65 Первым разместите на макетной плате потенциометр, а затем подклю¬ чите к нему батарейный блок: красный провод соедините с выводом +, а черный — с выводом Если колодка батарейного блока снабжена много¬ жильными проводами, то для удобства подключения к макетной плате на¬ несите на их концы немного припоя. Потенциометр нужно подключить так, чтобы его верхний вывод соеди¬ нялся с положительным выводом источника питания, а отрицательный вывод батарейного блока подключите к нижнему выводу переменного рези¬ стора. Последним разместите в нашем устройстве мультиметр. Если выво¬ ды мультиметра заканчиваются не щупами, а зажимами, то вам придется подключать их к предварительно воткнутым в нужные места макетной пла¬ ты (рис. 3.5) отрезкам проводов. По окончании макетная плата с прототи¬ пом устройства должна выглядеть так, как показано на рис. 3.6, а и б. Рис. 3.5. Схема делителя напряжения, собранного на макетной плате Поверните регулятор потенциометра по часовой стрелке до упора. На дисплее мультиметра должно появиться значение О В (рис. 3.6, а). При по¬ вороте ручки регулятора до упора влево мультиметр будет показывать на¬ пряжение 6 В (см. рис. 3.6, б), что соответствует максимальному напряже¬ нию на выходе батарейного блока. Расположив регулятор потенциометра в среднем положении, вы получите значение напряжения, близкое к 3 В (см. рис. 3.6, в).
66 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 3.6. Делитель напряжения, смонтированный на макетной плате Переменный резистор в статическом положении легко представить в виде двух обычных резисторов R1 и R2 (рис. 3.7). Формула вычисления выходного напряжения UBblx при известных вход¬ ном напряжении Ubx и сопротивлениях обоих резисторов, R1 и R2, имеет следующий вид: Рис. 3.7. Делитель напряжения с постоянными резисторами
ГЛАВА 3. Принципы функционирования 67 и = и xR2/(RJ+R2) вых вх v 7 Таким образом, если резисторы R1 и R2 имеют одинаковое сопротивле¬ ние 5 кОм, а входное напряжение UBX равно 6 В, то выходное напряжение составит 3 В: t/bix = 6 Вх5 кОм/(5 кОм+5кОм) = 30/10 = 3 В Такой расчет полностью согласуется с показаниями мультиметра при установке регулятора ручки потенциометра в среднее положение, которое соответствует сопротивлению 5 кОм каждого из его “плечей". Как вы могли заметить, людям свойственно стремиться к улучшению не только бытовых условий, но и рабочего пространства. Исключение не со¬ ставляют и рабочие инструменты инженера-электротехника. Если ввести в браузере поисковый запрос “калькулятор делителя напряжения”, то легко получить несколько десятков ссылок на страницы, содержащие средства, которые позволяют проводить вычисления самых разных параметров элек¬ трических схем любого уровня сложности. Во всех подобных калькуляторах значения сопротивления обычно округляются до ближайшего известного программе номинала. Пересчет сопротивления в напряжение (создание фотометра) Фоторезистор, или LDR (Light-Dependent Resistor — светочувствитель¬ ный резистор), изменяет свое сопротивление в зависимости от количества света, поглощенного его поверхностью. В следующем проекте мы с помо¬ щью фоторезистора продемонстрируем взаимосвязь напряжения и сопро¬ тивления, включив светочувствительный элемент в одно “плечо” делителя напряжения. Необходимое оборудование Количество Оборудование Код в приложении 1 Фоторезистор K1.R2 1 Беспаечная макетная плата Т5 Проволочные перемычки Тб 1 Держатель для батареек, 4хАА Н1 1 Батарейки, 4хАА 1 Колодка батарейного блока Н2 1 Мультиметр Т2 Перед непосредственной сборкой устройства на беспаечной макетной плате немного изучим свойства фоторезистора. На рис. 3.8 показан све-
68 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей точувствительный резистор с сопротивлением 20 кОм, напрямую подклю¬ ченный к мультиметру. Как видите, текущее сопротивление фоторезистора составляет 1,07 кОм. Закрыв фоторезистор от света рукой, вы добьетесь увеличения его сопротивления до уровня нескольких десятков килоом. Таким образом, чем больше света поглощается фоторезистором, тем ниже его сопротивление. Рис. 3.8. Измерение сопротивления фоторезистора Микроконтроллеры, такие как Arduino, умеют определять напряжение на выходе подключаемых к ним устройств, чего не скажешь об их сопротив¬ лении. Поэтому для преобразования сопротивления фоторезистора в более привычное для микроконтроллера напряжение, мы включим светочувст¬ вительный резистор в делитель напряжения (рис. 3.9). Обратите внимание на то, что на схеме фоторезистор обозначается так же, как и обычный резистор, но в его символ добавлено несколько косых стрелок, указывающих на чувствительность к падающему свету. Соберите электрическую цепь, показанную на схеме, установите на мультиметре режим измерения постоянного напряжения с пороговым зна¬ чением 20 В (рис. 3.10 и 3.11) и понаблюдайте за его показаниями при раз¬ ных уровнях освещения фоторезистора (повторите трюк с рукой).
ГЛАВА 3. Принципы функционирования 69 Рис. 3.10. Схема цепи измерения освещенности на макетной плате Рис. 3.9. Определение интенсивности освещенности с по¬ мощью фоторезистора и делителя напряжения Автоматическое включение освещения Автономная подсветка — это одно из изобретений человечества, которое трудно переоценить. Освещение, работающее от аккумуляторных батарей, вы найдете во многих темных местах большинства рабочих и жилых поме¬ щений, начиная со встроенных шкафов и заканчивая устройствами про¬ верки денежных знаков в обменных пунктах.
70 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 3.11. Измеритель освещенности в действии Вы, скорее всего, не удивитесь, когда узнаете, что для автоматического включения и выключения подсветки часто применяются фоторезисторы. Но мы пойдем дальше и воспользуемся транзистором для управления осве¬ щением. Вначале соберем прототип устройства на макетной плате, убедимся в его работоспособности и только после этого приступим к сборке конечно¬ го устройства. Вместо лампы подсветки на этапе тестирования устройства мы будем использовать светодиод. Необходимое оборудование Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 R1 Фоторезистор К1, R2 1 Т1 Транзистор 2N3904 K1.S1 1 R2 Резистор, 10 кОм К2 1 * R3 Резистор, 220 Ом К2 1 * D1 Красный светодиод или светодиод повышенной яркости К1 или S2 * Проволочные перемычки Тб 1 Светильник с плафоном * Компоненты, востребованные только на этапе сборки прототипа устройства на макетной плате.
ГЛАВА 3. Принципы функционирования 71 Идея состоит в управлении светодиодом через фоторезистор, поэтому схема первичной электрической цепи будет выглядеть так, как показано на рис. 3.12. Подобная электрическая схема не лишена недостатков. Внимательно изучив ее, вы узнаете, что по мере увеличения светового потока на фото¬ резистор его сопротивление неизбежно уменьшается, что увеличивает ток через светодиод, а потому и яркость последнего. Нам же нужно добиться совершенно противоположного эффекта — светодиод должен гореть только при полном отсутствии внешнего освещения. Чтобы выйти из этой ситуации, нужно применить транзистор. Схематически принцип работы транзистора показан на рис. 3.13. На рынке представлено большое количество транзисторов самых разных ти¬ пов, но в нашем проекте мы воспользуемся самым распространенным из них — биполярным NPN-транзистором. База Коллектор Ток через коллектор (1с) База Ток через базу %) Коллектор Рис. 3.13. Биполярный транзистор Эмиттер
72 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей У транзистора всего три вывода: эмиттер, коллектор и база. Принцип ра¬ боты этого полупроводникового устройства прост: при подаче на базу не¬ большого напряжения (тока) переход между эмиттером и коллектором от¬ пирается, и между ними протекает ток. Сила тока, протекающая от эмиттера к коллектору, зависит от транзис¬ тора, — обычно она на два порядка выше тока, подаваемого на базу. Макетная плата На рис. 3.14 вы можете ознакомиться с электрической схемой прототи¬ па, собираемого на макетной плате. Чтобы понять, как работает представ¬ ленное на ней электронное устройство, рассмотрим два режима работы. Рис. 3.14. Принципиальная схема автоматического включения освещения, в которой задействован транзистор Этап 1. В темноте В случае отсутствия внешнего освещения фоторезистор R1 имеет на¬ столько большое сопротивление, что ток через него почти не проходит. Весь электрический ток пойдет через резистор R2, а также базу и эмиттер тран¬ зистора. В результате транзистор отпирается, и с его эмиттера на коллектор (через резистор R3) пойдет ток, намного больший, чем ток, приходящий на
ГЛАВА 3. Принципы функционирования 73 базу. Если на базу не подать ток нужной величины, то транзистор останется закрытым, и на его коллектор с эмиттера не поступит ни одного электрона. Ток, проходящий на базу транзистора, рассчитывается согласно закону Ома. В нашей электрической схеме на базу транзистора подается напряже¬ ние величиной около половины вольта, что составляет незначительную часть общего напряжения, подаваемого источником питания в цепь, а все благодаря включению в нее резистора R2 с сопротивлением 10 кОм. Поскольку / = U/R, то ток на базу транзистора равняется (6/10 ООО) А, или 0,6 мА. Этап 2. На свету При освещении фоторезистора R1 с его сопротивлением приходится считаться. Чем ярче внешнее освещение, тем меньше сопротивление ре¬ зистора R1 и больше ток, проходящий через него, а потому меньше ток, который подается на базу транзистора. В определенный момент ток базы уменьшится настолько, что ток с эмиттера на коллектор транзистора пере¬ станет течь вообще. Разобравшись с процессами, происходящими в электрической схеме на¬ шего устройства, смело приступайте к созданию его прототипа на макет¬ ной плате. На рис. 3.15 показана схема монтажа светильника на макетной плате, а на рис. 3.16, а и б, представлен прототип в сборе. Рис. 3.15. Монтажная схема устройства автоматического включения освещения, собираемого на макетной плате
74 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Помещая светодиод на макетную плату, обращайте особое внимание на его полярность. Длинный вывод светодиода всегда подключается к положи¬ тельной шине питания — в нашей схеме он соединяется с источником пи¬ тания через резистор R3 (рис. 3.16, а). Если у вас получилось с первого раза правильно подключить все компо¬ ненты схемы, то, закрывая фоторезистор рукой, вы включите светодиод (рис. 3.16, б). Рис. 3.16. Собранный на макетной плате прототип устройства для автоматического включения освещения Сборка устройства Теперь, когда электрическая схема работает так, как и планировалось, можете приступать к сборке осветительного прибора. На рис. 3.17 изобра¬ жен прибор автоматического освещения, созданный мною. Вам вряд ли Рис. 3.17. Готовое устройство автоматического освещения
76 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей вать электрическую схему устройства не составит труда даже без использо¬ вания измерительного прибора (рис. 3.19). Рис. 3.19. Исходная электрическая схема автоматического светильника В моем случае светильник был снабжен неэкономной лампой накалива¬ ния. Лучше заменить ее более совершенным осветительным элементом, на¬ пример светодиодом. Вам подойдет любой светодиод, имеющийся в нали¬ чии. DiaBHoe, чтобы его яркость не была чрезмерно большой. На рис. 3.20 показано, что я заменил лампу накаливания светодиодом и дополнительным резистором с сопротивлением 220 Ом. Обратите внима¬ ние на то, что длинный (положительный) вывод светодиода через указан¬ ный резистор подключается к положительному выводу источника питания. Рис. 3.20. Замена лампочки светодиодом
ГЛАВА 3. Принципы функционирования 75 удастся в точности скопировать мой вариант. Это не обязательно, ведь именно на этом этапе нужно проявить творческий подход. Внимательно из¬ учите дальнейшие инструкции, чтобы не допустить досадных ошибок, вы¬ зывающих нарушения в работе устройства. Чтобы упростить себе задачу, найдите осветительный прибор, работающий от напряжения 6 В (четыре батарейки формата АА или ААА). Корпус плафона легко снимается, если открутить на задней крышке не¬ сколько саморезов. Аккуратно отложите плафон в безопасное место, чтобы по неосторожности не разбить его. “Внутренности” автономных светильни¬ ков выглядят приблизительно одинаково (рис. 3.18). Основные места соеди¬ нения компонентов светильника подписаны, поэтому вам вряд ли удастся запутаться в показанной конструкции. Если конструкция приобретенного вами светильника иная, то все ключевые его элементы вы легко определи¬ те, воспользовавшись мультиметром. Рис. 3.18. Электроника, скрытая под корпусом (плафоном) светильника Шины питания определяются при “прозвонке” мультиметром соедине¬ ний в режиме постоянного тока с пределом 20 В. Во многих случаях нарисо- Желтый провод идет к лампе Проволочной перемычкой батареи объединены в единый блок Вывод батареи + Переключатель Вывод батареи -
ГЛАВА 3. Принципы функционирования 77 Воспользуйтесь переключателем, чтобы убедиться в работоспособности светодиода в исходной электрической схеме. Теперь все готово для монтажа электрической схемы, совмещающей мо¬ дернизированный светильник с устройством управления освещением, ос¬ нованном на транзисторе и фоторезисторе (рис. 3.21). Рис. 3.21. Конечный вариант электрической схемы осве¬ тительного устройства Большая половина схемы в имеющемся у нас светильнике уже реализо¬ вана, поскольку резистором R3 и светодиодом D1 мы заменили старомод¬ ную лампу накаливания. Переключателем светильник снабжался исходно, осталось только включить в схему устройство автоматического управления светодиодом, реагирующее на изменение внешнего освещения, которое включает транзистор, фоторезистор и резистор R2. На рис. 3.22 схемати¬ чески показан способ подключения всех компонентов автоматически вклю¬ чающегося и выключающегося осветительного прибора, созданного мною. На рис. 3.23 приведены все основные этапы добавления в наш светиль¬ ник функции автоматического управления освещением. 1. Начните с отпайки вывода переключателя, который не подключен к от¬ рицательному выводу батарейного блока (рис. 3.23, а). 2. Припаяйте резистор R2, имеющий сопротивление 10 кОм, между сред¬ ним выводом (базой) транзистора и положительным выводом батарей¬ ного блока.
78 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей T1 (вид снизу) Рис. 3.22. Схема подключения компонентов устройства для автоматического освещения 3. Разметив транзистор “ножками” вверх, как показано на рис 3,23, б, при¬ паяйте его правый вывод к ранее отпаяному выводу переключателя. 4. Впаяйте между правым и средним выводами транзистора фоторезистор. Старайтесь не нарушить ранее образованное соединение между правой “ножкой” транзистора и выводом переключателя (см. рис. 3.23, в). 5. Аккуратно соберите светильник в исходном корпусе, стараясь не нару¬ шить места пайки при упаковке проводов под плафоном (см. рис. 3.23, г). Вот и все! Вы улучшили прибор, добавив в него новые функциональные возможности. Трудности выбора биполярного транзистора Транзистор, используемый в описанном выше проекте “Автоматическое включение освещения”, относится к устройствам общего назначения. По¬ скольку транзисторы используются в большинстве электронных устройств, их функции бывают самыми разными. Чтобы не запутаться в огромном ко¬ личестве полупроводниковых компонентов, транзисторы тщательно клас¬ сифицируют в соответствии с их назначением. В этом разделе мы погово¬
ГЛАВА 3. Принципы функционирования 79 рим о том, как правильно подобрать транзистор для проекта и не сжечь его при этом. Рис. 3.23. Сборка компонентов схемы Технические характеристики Все транзисторы имеют вполне строгие рабочие параметры (все они приводятся в соответствующей технической документации). Рабочие ха¬ рактеристики устройства определяются его производителем. В них ука¬ зываются все параметры транзистора, определяющие область его приме¬ нения в электронных устройствах, начиная с геометрических размеров и кончая допустимыми нагрузками. В большинстве проектов книги используется несколько типов транзи¬ сторов, поэтому вам не придется часто сверяться с их техническими харак¬ теристиками, — вы выучите их после первого практического знакомства. Если вы не надеетесь на свою память, то лучше держать техническую до¬ кументацию поблизости, чтобы в случае необходимости быстро сверить¬ ся с ней. Если с памятью у вас все хорошо, то смело пропускайте текущий подраздел; в нем приведено описание параметров некоторых популярных типов транзисторов — никакой экзотики, только самые распространенные варианты. В табл. 3.1 приведены допустимые рабочие параметры транзистора 2N3904, указанные в предлагающейся к нему технической документации.
ГЛАВА 3. Принципы функционирования 81 незначительных по силе токов, подаваемых на базу, вы можете управлять относительно большими токами, проходящими через коллектор. Но часто возникают ситуации, когда коэффициента усилению по току, характерно¬ го для биполярных транзисторов, недостаточно для реализации текущего проекта. Чтобы обойти ограничение по усилению тока, характерное для биполяр¬ ных транзисторов, используются МОП-транзисторы (полевой транзистор на основе структуры “метал-оксид-полупроводник”). В рамках книги мы не будем детально останавливаться на описании структуры таких транзисто¬ ров; вам достаточно знать, что они управляются не током, а напряжением, так как обладают высоким входным сопротивлением. МОП-транзисторы не имеют эмиттера, базы и коллектора; они состоят из истока, стока и затвора. Отпирание затвора происходит при подаче на него нкпряжения, выше определенного порогового значения, обычно рав¬ ного 2 В. Снова-таки, не вдаваясь в технические подробности процесса, запомните, что при отпирании затвора между стоком и истоком в полевом транзисторе может течь довольно большой ток, как и между коллектором и эмиттером в биполярном транзисторе. Но поскольку затвор в МОП- транзисторе изолирован от остальной части полупроводниковой структу¬ ры, через сам затвор ток не проходит. Ток стока определяется исключитель¬ но напряжением на затворе. С работой МОП-транзисторов мы еще познакомимся в текущей главе (см. раздел “Управление двигателем с помощью МОП-транзистора большой мощности”), а также в главе 7 при реализации проекта управления элек¬ тродвигателем . PNP- и N-канальные транзисторы В устройстве автоматического управления освещением, рассмотренном в предыдущем разделе, в качестве общего провода была выбрана отрица¬ тельная шина питания. Если вы взглянете на электрическую схему этого устройства (см. рис. 3.21), то легко обнаружите, что резистор и светодиод, отвечающие за освещение, подключаются к общему проводу не напрямую, а через транзистор. Если по какой-то причине вам нужно в качестве общего провода выбрать положительную шину питания (что происходит не так уж и редко), то вместо транзистора 2N3904 с NPN-переходом воспользуйтесь равнозначным PNP-транзистором, например 2N3906. Аббревиатура NPN расшифровывается как Negative-Positive-Negative, где Negative соответствует отрицательной или электронной проводимости, a Positive — положитель¬ ной или дырочной проводимости. Соответственно PNP-структура по срав¬ нению с NPN обладает полностью противоположным типом проводимости. Все полупроводниковые компоненты состоят из нескольких разнотипных слоев, каждый из которых имеет один из двух оговоренных типов проводи¬ мости: N или Р. В биполярной NPN-структуре (наиболее распространенный тип) для открытия основного перехода на базу транзистора нужно подать напряжение, несколько большее, чем на эмиттер (приблизительно на пол¬
82 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей вольта). В PNP-транзисторах, наоборот, основной переход открывается при подаче на базу напряжения, меньшего, чем напряжение на эмиттере (на все те же полвольта). Как уже упоминалось, PNP-транзистор позволяет выбрать для устройст¬ ва автоматического управления освещением (см. рис. 3.21) в качестве об¬ щего провода положительную шину питания, что проиллюстрировано на рис. 3.24. В МОП-технологии также есть свой вариант PNP-структуры, характер¬ ной для биполярных транзисторов. Она известна как Р-канальная струк¬ тура, в то время как более распространенными считаются N-канальные МОП-транзисторы. Рис. 3.24. Пример использования PNP-транзистора в устройст¬ ве автоматического включения освещения Основные типы транзисторов Транзисторы, представленные в табл. 3.3, относятся к наиболее рас¬ пространенным типам полупроводниковых приборов, применяемых в лю¬ бительской электронике. Вы должны знать, что в радиоэлектронике тран¬ зисторы используются в самых разных целях, а их разнообразие просто невероятно. В проектах книги используются только те транзисторы, кото¬ рые перечислены в таблице. Их основное назначение — коммутация тока в электрической цепи.
ГЛАВА 3. Принципы функционирования 83 ТАБЛИЦА 3.3. Транзисторы, рассматриваемые в данной книге Название Код в при¬ ложении Тип Максимальный Примечание рабочий ток, А Маломощные транзисторы 2N3904 S1 Биполяр¬ ный, NPN 0,2 Коэффициент усиления по току около 100 2N3906 Биполяр¬ ный, PNP 0,2 Коэффициент усиления по току около 100 2N7000 N-каналь- ный, МОП 0,2 Пороговое напряжение на затворе 2,1 В; пере¬ ход открывается при напряжении выше поро¬ гового Мощные транзисторы FQP30N06 S6 N-каналь¬ ный, МОП 30 Пороговое напряжение на затворе 2,0 В; пере¬ ход открывается при напряжении выше поро¬ гового Управление электродвигателем с помощью МОП-транзистора большой мощности На рис. 3.25 показано условное обозначение N-канального МОП-тран- зистора (FQP30N06) на электрических схемах. Транзисторы, основанные на МОП-технологии, рассчитаны на значи¬ тельные нагрузки и могут коммутировать ток силой до 30 А. В своих проек¬ тах мы и близко не подойдем к созданию электрических схем с такими ра¬ бочими характеристиками. В создаваемых нами прототипах самое мощное устройство, которое вам придется использовать, — это электродвигатель с пиковой нагрузкой от 1 до 2 А. Как вы понимаете, прохождение таких то¬ ков через биполярный транзистор недопустимо, поэтому обратимся за по¬ мощью к МОП-технологии. С — сток И — исток 3 — затвор Рис. 3.25. N-канальный транзистор FQP30N06 Необходимое оборудование Для проверки работоспособности МОП-транзистора вам понадобится сле¬ дующее оборудование.
84 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Количество Оборудование Код в приложении 1 Беспаечная макетная плата Т5 Проволочные перемычки Тб 1 Держатель для батареек, 4хАА Н1 1 Батарейки, 4хАА 1 Колодка батарейного блока Н2 1 Мультиметр T2 1 Потенциометр, 10 кОм К1 1 МОП-транзистор, FQP30N06 S6 1 Коллекторный или редукторный электродвигатель, работающий от Н6 постоянного напряжения 6 В Нам подойдет любой небольшой электродвигатель, запитываемый от источника с напряжением 6 В. Обратите внимание на то, что электродви¬ гатель, поддерживающий максимальное напряжение питания 12 В, будет работать также при подаче на него напряжения 6 В. Чтобы удостовериться в работоспособности электродвигателя, подключите его напрямую к бата¬ рейному блоку с напряжением 6 В. Макетная плата Принципиальная электрическая схема собираемого нами устройства показана на рис. 3.26. Переменный резистор необходим для изменения напряжения, подавае¬ мого на затвор МОП-транзистора. Как только напряжение на затворе МОП- транзистора превысит пороговое значение, со стока на исток потечет ток, а вал электродвигателя начнет вращаться. Рис. 3.26. Принципиальная схема управления электро¬ двигателем с помощью МОП-транзистора
ГЛАВА 3. Принципы функционирования 85 Прототип, собранный на макетной плате, а также фотография работаю¬ щего устройства показаны на рис. 3.27 и 3.28. Рис. 3.27. Схема подключения устройства управления, собираемого на макетной плате, к электродвигателю Чтобы подключить электродвигатель к цепи, собираемой на макетной плате, вам может понадобиться припаять к нему два вывода. Полярность подключения электродвигателя не имеет значения; единственное, что она определяет, — направление вращения вала устройства. Поэтому не волнуй¬ тесь, если вал двигателя вращается в направлении, противоположном за¬ планированному. Чтобы исправить ситуацию, достаточно поменять на ма¬ кетной плате местами выводы, идущие от электродвигателя. Поверните регулятор потенциометра. Легко заметить, что изменение напряжения на затворе приводит лишь к незначительному изменению ско¬ рости вращения вала электродвигателя. По мере приближения к порогово¬ му значению влияние напряжения на затворе на скорость вращения элек¬ тродвигателя будет возрастать. Но все же МОП-транзисторы чаще всего ис¬ пользуются в электрических схемах как переключатели. Используемый нами МОП-транзистор применим для построения цепей транзисторной логики, поскольку рабочие напряжения на его затворе по¬ зволяют подключать его непосредственно к выводам микроконтроллера.
86 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Но далеко не каждый МОП-транзистор относится к такому типу устройств. У многих из них пороговые значения превышают 6 В. Рис. 3.28. Готовое устройство управления двигателем В главе 7 рассказывается о том, как правильно использовать МОП-тран¬ зистор для плавной регулировки скорости вращения вала электродвигателя. Кнопки, выключатели и переключатели Для замыкания электрической цепи часто достаточно скрутить между собой два провода. Но гораздо надежнее и удобнее воспользоваться пере¬ ключателем. Его конструкция позволяет механически замыкать контакты, что приводит к быстрой подаче тока в электрическую цепь. Зачастую боль¬ шего вам и не нужно, но в отдельных случаях требуется выполнить более сложную операцию, например, одновременно разомкнуть две цепи. Существуют переключатели, замыкание контакта в которых происходит только при удержании кнопки нажатой. Вы также встретите устройства, которые изменяют свое состояние на противоположное при каждом после¬ дующем нажатии. В одну категорию с переключателями попадают кнопки, выключатели и тумблеры. Как видите, выбор широкий, поэтому следует ра¬ зобраться с назначением наиболее распространенных переключателей. На рис. 3.29 показаны переключатели нескольких стандартных типов.
80 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей ТАБЛИЦА 3.1. Допустимые нагрузки транзистора 2N3904 Обозначение Параметр Значение Единицы измерения vCE0 Напряжение коллектор-эмиттер 40 В ^сво Напряжение коллектор-база 60 В VEBo Напряжение эмиттер-база 6,0 В «с Допустимый ток коллектора 200 мА Указанные максимально допустимые напряжения коллектор-эмиттер и коллектор-база, определенные как 40 В и 60 В, позволяют не волноваться о возможном превышении рабочих характеристик в устройствах, питание на которые подается от батарейного блока. Единственное, о чем стоит бес¬ покоиться, так это о чрезмерном увеличении напряжения в цепи эдшттер- база. Максимально допустимый ток коллектора величиной в 200 мА нам впол¬ не подходит. Таким током, например, можно запитать около десятка свето¬ диодов, каждый из которых потребляет 20 мА. Если превысить это значе¬ ние, то транзистор перегреется и, скорее всего, выйдет из строя. Еще одна характеристика, на которую вам нужно обратить пристальное внимание при работе с транзисторами, — это коэффициент усиления по току hFE, как он обозначен в технической документации (детально описан в разделе технических характеристик устройства). Если вы знакомы с электроникой, то вам известно, что коэффициент усиления по току указывает, во сколько раз ток коллектора больше тока, протекающего через базу. Внимательно изучите табл. 3.2. Как видите, при токе коллектора, равном 10 мА, и напряжении коллектор-эмиттер, состав¬ ляющем 1,0 В (вполне стандартные рабочие параметры), коэффициент уси¬ ления по току составит около 100 единиц. Это означает, что для прохожде¬ ния через коллектор тока силой в 10 мА необходимо пустить на базу ток, равный 100 мкА. ТАБЛИЦА 3.2. Рабочие характеристики транзистора 2N3904 Обозначение Описание Рабочие параметры Min Мах Ьре Коэффициент усиления по току |к = 0,1 мА, VK3 = 1,0 В 40 1к = 1,0 мА, VK3 = 1,0 В 70 1к = 10 мА, VK3 = 1,0 В 100 300 1к = 50 мА, VK3 = 1,0 В 60 1к = 100 мА, VK3 = 1,0 В 30 МОП-транзисторы Транзистор 2N3904 относится к биполярному типу полупроводниковых приборов, и его основное предназначение — усиление тока. С помощью
ГЛАВА 3. Принципы функционирования 87 Рис. 3.29. Переключатели разных типов Кнопки В мире микроконтроллерной электроники для переключения электриче¬ ских цепей чаще всего применяются кнопки (рис. 3.30). Этот тип устройств рассчитан на непосредственный монтаж на печат¬ ных платах. К счастью, выводы кнопок устроены так, что их также удобно использовать при сборке прототипов на макетных платах. Может показаться странным, но вместо двух выводов кнопки снабжают¬ ся целыми четырьмя контактами. На рис. 3.30 показано, что выводы Б и В соединены между собой, равно как и кнопки А и Г. При нажатии кнопки (включении) замыкаются сразу все ее контакты. Рис. 3.30. Кнопка Это означает, что вам в процессе монтажа нужно предельно вниматель¬ но следить за правильностью расположения кнопок на макетных и печат¬ ных платах. При возникновении малейших сомнений в правильности уста¬ новки кнопки в электрической схеме воспользуйтесь мультиметром, пере¬ веденном в режим прозвонки, чтобы удостовериться в работоспособности сборки. Сначала определите сопротивление на выводах при отжатой кноп¬ ке, затем — после ее нажатия.
88 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Микропереключатели Микропереключатели во многом подобны кнопкам, хотя они и выделены в отдельный тип переключателей. На самом деле они редко используются как кнопки (пальцами их обычно не нажимают). Вы найдете их во многих бытовых приборах, например, в микроволновых печах, где с их помощью регистрируется событие закрытия дверцы, и сигнализациях, где они вы¬ ступают в качестве датчиков вскрытия, которые срабатывают при предна¬ меренном взломе окон или дверей. На рис. 3.31 показан микропереключатель, снабженный тремя вывода¬ ми. Такая трехвыводная конструкция известна как двухпереходной или двухходовый переключатель. Другими словами, в микропереключателе имеется один общий вывод (В) и два отдельных. Общий вывод всегда за¬ мкнут на один из двух других контактов, но никогда с обоими сразу. Нор¬ мально разомкнутый контакт (HP) замыкается только при нажатии кнопки; нормально замкнутый (НЗ) контакт исходно замкнут и размыкается только при отпускании кнопки. Имея на руках микропереключатель, обязательно протестируйте его муль¬ тиметром. Подсоедините один из щупов к общему выводу микропереключа¬ теля, а вторым щупом протестируйте два оставшихся контакта. Звуковой сигнал вы услышите при подсоединении второго щупа к нормально за¬ мкнутому контакту — как только вы нажмете кнопку, сигнал прекратится. Рис. 3.31. Микропереключатель Рычажные переключатели (тумблеры) Просматривая каталоги электронных компонентов и оборудования (вскоре вы будете это делать регулярно), вы найдете приводящий в замеша-
ГЛАВА 3. Принципы функционирования 89 тельство раздел, посвященный рычажным переключателям. В каталоге они обозначаются малопонятными аббревиатурами DPDT, SPDT, SPST и SPST. Давайте приобщимся к когорте знатоков и разберемся в хитросплетени¬ ях аббревиатур. ■ D (Double) — двух-; ■ S (Single) — одно-; ■ Р (Pole) — полюс; ■ Т (Throw) — позиция. Таким образом, аббревиатура DPDT обозначает двухполюсной двухпози¬ ционный переключатель. В данном случае полюсом называется контакт пе¬ реключателя, механически замыкаемый одним рычажком. В двухполюсном переключателе осуществляется одновременно две операции: замыкание и размыкание независимых контактов. Однопозиционные переключатели уме¬ ют одновременно только размыкать или только замыкать контакт (или кон¬ такты в двухполюсных устройствах). А вот в двухпозиционных переключате¬ лях возможно одновременное выполнение обеих операций. Обратите внима¬ ние на то, что к двухпозиционным устройствам относится микропереключа¬ тель, оснащенный одним общим контактом, который одновременно замыка¬ ется на один из двух оставшихся контактов и размыкается со вторым. На рис. 3.32 проиллюстрирован итог приведенных выше определений. Рис. 3.32. Типы рычажных переключателей SPST SPDT DPDT
90 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Заметьте, что на рис. 3.32 двухполюсной переключатель схематически представлен двумя отдельными переключателями [Sian SI б); связанность механизмов переключения обозначена пунктирной линией. Ситуация сильно усложняется, если количество полюсов переключателя больше трех, особенно в двухпозиционном переключателе с подпружинен¬ ными контактами, которые могут не фиксироваться в одном из двух поло¬ жений. Очень часто такие переключатели снабжаются режимом нейтраль¬ ного положения (Center-off), в котором разомкнуты все без исключения кон¬ такты. В каталоге компонентов переключатели часто сопровождаются описа¬ нием, подобным “DPDT, On-Off-Mom”. С аббревиатурой DPDT мы уже ра¬ зобрались, и у вас не должно возникнуть затруднений с идентификацией типа переключателя. Данный переключатель шестивыводной. А вот суф¬ фикс “On-Off-Mom” указывает на существование у переключателя среднего положения, в котором все его контакты разомкнуты. Переключение в одно из положений вызывает замыкание определенной группы контактов и фик¬ сации установленного положения. Переключение в противоположном на¬ правлении приводит к возврату в исходное положение, обеспечивая мгно¬ венность замыкания цепи. Приведенная выше терминология справедлива для многих других типов переключателей, а не только рычажных. Резюме В этой главе вы узнали о том, что такое электрический ток, напряжение, сопротивление и мощность. В следующей главе вы научитесь, используя полученный выше багаж знаний, управлять светодиодами.
Глава 4 Светодиоды Светодиодами (светоизлучающими диодами) называют электронные приборы, излучающие свет при прохождении через них электрическо¬ го тока. Вне всяких сомнений, светодиоды в будущем полностью заменят технологически устаревшие лампы накаливания, хотя исходно они приме¬ нялись в электронных приборах только как индикаторы и датчики. С раз¬ работкой светодиодных устройств высокой яркости стало возможным ис¬ пользование их в полноценных системах освещения. Коэффициент полезного действия (КПД) светодиодов намного больше КПД обычных ламп накаливания, поскольку на единицу потребленной мощности производят много больше света (потери на нагрев у них мини¬ мальные). Тем не менее, чтобы правильно использовать светодиоды в электриче¬ ских схемах, нужно обладать определенными навыками. Обратите внима¬ ние на то, что светодиоды относятся к полярным устройствам, а электриче¬ ский ток, проходящий через них, почти всегда нужно ограничивать, чтобы избежать выхода их из строя. Предотвращение повреждения светодиода Светодиоды — это относительно хрупкие устройства, которые по незна¬ нию можно легко вывести из строя. Проще всего “сжечь" светодиод, под¬ ключив его к батарее напрямую, без включения в цепь питания ограничи¬ вающего ток резистора. Чтобы в полной мере понять описанные выше замечания, создадим на макетной плате электрическую цепь, в которую включены светодиоды трех разных цветов (рис. 4.1). Необходимое оборудование Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Беспаечная макетная плата Т5 1 D1 Красный светодиод К1 1 D2 Желтый светодиод К1 1 D3 Зеленый светодиод К1 1 R1 Резистор, 330 Ом К2 2 R2, R3 Резистор, 220 Ом К2 Проволочные перемычки Тб
92 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Держатель для батареек, 4хАА Н1 1 Колодка батарейного блока Н2 4 Батарейки, АА Рис. 4.1. Светодиоды, расположенные на макетной плате Диоды Чтобы научиться правильно использо¬ вать светодиоды в электронных устрой¬ ствах, вам нужно ознакомиться с ними более детально. Светодиод (Light-Emitting Diode — LED) ведет свою “родословную” от обычных полупроводниковых диодов (рис. 4.2), поэтому вначале разберемся с рабочими характеристиками последнего. Задача обычного диода заключается в ограничении прохождения тока в цепи только в одном направлении. Он имеет всего два вывода: анод и катод. Если на анод подается напряжение, большее (не менее половины вольта), чем на катод, то диод считается “открытым”, и через Анод D1 Катод Рис. 4.2. Диод
ГЛАВА 4. Светодиоды 93 него проходит электрический ток. Если на диоде между анодом и катодом напряжение составляет меньше половины вольта, то диод “запирается” и электрический ток через него не проходит. Светодиоды Светодиоды во многом подобны обычным диодам, за тем лишь исклю¬ чением, что в открытом состоянии (при прохождении тока) они излучают свет. Второе отличие состоит в том, что для “отпирания” светодиода напря¬ жение между анодом и катодом должно составлять не менее 2 В. На рис. 4.3 показана принципиальная схема подачи питания на свето¬ диод. Ключевой элемент показанной на рис. 4.3 электрической схемы — это резистор, ограничивающий электрический ток, проходящий через све¬ тодиод. Стандартный красный светодиод начинает светиться при прохо¬ ждении через него тока не менее 5 мА, хотя номинальные рабочие токи для него составляют 10-20 мА (этот электрический ток еще называют “прямым током” через светодиод, JF). Давайте попробуем добиться прохождения че¬ рез светодиод среднего тока, 15 мА, не забывая о том, что для обеспечения проводимости нужно подать на его выводы напряжения не менее 2 В (такое напряжение известно как “прямое”, UF). Соответственно в нашей электри¬ ческой схеме на резистор должно подаваться напряжение 6-2=4 В. Исходя из приведенных выше заключений, легко рассчитать сопротив¬ ление резистора, на который подается напряжение 4 В и через который проходит ток (такой же, как и через светодиод) 15 мА. Согласно закону Ома, вычисления осуществляются по следующей формуле: R = UII = 4 В/0,015 А = 267 Ом Рис. 4.3. Ограничение тока через светодиод
94 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей ТАБЛИЦА 4.1. Технические характеристики светодиодов Параметр Красный Зеленый Желтый Оранжевый Синий Единицы измерения Максимальный прямой ток (lF) 25 25 25 25 30 мА Номинальное прямое напряжение (UF) 1,7 2,1 2,1 2,1 3,6 В Максимальное прямое напряжение 2 3 3 3 4 В Максимальное обратное напряжение 3 5 5 5 5 В Резисторы производятся с сопротивлениями строго оговоренных номи¬ налов; в нашем случае самый близкий к расчетному значению будет номи¬ нал 330 Ом. Как уже упоминалось выше, красный светодиод имеет максимальную яркость при прохождении через него тока 10-20 мА. Однако большинству светодиодов не нужны токи, попадающие в указанный диапазон. Вполне достаточно обеспечить ток, не превышающий максимально допустимую величину (для маломощных красных светодиодов максимальный ток со¬ ставляет около 25 мА). В табл. 4.1 приведены некоторые основные характеристики светодио¬ дов разных цветов. Обратите внимание на то, что значения параметра UF для светодиодов разных цветов заметно отличаются. Это означает, что в каждом конкретном случае вам может понадобиться включать в цепь рези¬ стор другого номинала. В нашем случае при использовании в схеме источ¬ ника питания с напряжением 6 В изменение в напряжении на светодиоде [UF) будет мало сказываться на номинале ограничивающего ток резистора. Еще один важный параметр, на который вам следует обратить внима¬ ние, — это максимальное обратное напряжение. Если вы включите свето¬ диод в цепь неправильно (не обращая внимание на его полярность) и пода¬ дите на него напряжение, выше указанного этой характеристикой, то га¬ рантированно выведете его из строя. В Интернете вы найдете огромное количество калькуляторов, производя¬ щих расчет добавочных резисторов для цепей питания массива светодиодов с заданным напряжением UF и током /р. Один из них доступен по такому адресу: http://h-t-f.ru/calk/online-calculator-for-resistor-leds В табл. 4.2 указываются номиналы резисторов, чаще всего включающи¬ еся в цепь питания светодиодов при прямом токе 15 мА. ТАБЛИЦА 4.2. Резисторы, включаемые в цепь со светодиодами Напряжение источ¬ Сопротивление резистора, 0м ника питания, В Красный светодиод Зеленый, желтый и оранжевый светодиоды Синий светодиод 3 91 60 — 5 220 180 91
ГЛАВА 4. Светодиоды 95 Окончание табл. 4.2 Напряжение источ¬ Сопротивление резистора, Ом ника питания, В Красный светодиод Зеленый, желтый и оранжевый светодиоды Синий светодиод 6 270-330 220 180 9 470 470 360 12 680 660 560 Проверка схемы Попробуйте самостоятельно собрать на макетной плате цепь подачи пи¬ тания на массив светодиодов. В качестве пособия воспользуйтесь рис. 4.4 и 4.5. Не забывайте о том, что длинный вывод светодиода обычно соответ¬ ствуют аноду (положительный вывод). В нашем случае светодиоды на ма¬ кетной плате ориентированы анодами влево. Как видите, каждый светодиод подключается к шине питания через свой, последовательно подключаемый резистор. Не поддавайтесь иску¬ шению подключить светодиоды параллельно через один общий резистор меньшего номинала — такой вариант заведомо приведет к выходу светоди¬ одов из строя. В подобном случае максимальный ток сначала пойдет через светодиод с наименьшим значением UF, и он гарантированно выйдет из строя. После этого максимальный ток пойдет через светодиод со следую¬ щим наименьшим UF (из оставшихся), что приведет к тому же результату. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока из строя не выйдут все без исключения светодиоды. Рис. 4.4. Принципиальная схема подачи питания на светодиоды от батарейного блока
96 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 4.5. Монтажная схема прототипа устройства для подачи питания на светодиоды от батарейного блока, собранная на макетной плате Выбор правильного светодиода Светодиоды бывают разных цветов, форм и размеров. Если вам нужен всего лишь индикатор, то вполне сгодится самый простой зеленый или красный светодиод. Но существует огромное количество других устройств, состоящих из большого числа светодиодов, которые применяются в том чи¬ сле и для устройства освещения помещений. Необходимое оборудование Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Беспаечная макетная плата Т5 1 D1 RGB-светодиод с общим катодом 3 R1-R3 Потенциометр, 500 Ом R3 1 R1 Резистор, 330 Ом К2 2 R2, R3 Резистор, 220 Ом К2 Проволочные перемычки Тб
ГЛАВА 4. Светодиоды 97 Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Держатель для батареек, 4хАА Н1 1 Колодка батарейного блока Н2 4 Батарейки, АА Яркость и область освещения При выборе светодиодов в каталогах вы будете часто встречать такие ха¬ рактеристики, как “яркий", “повышенной яркости” и “ультраяркий”. Этими определениями легко ввести в заблуждение доверчивых покупателей. Вам же в первую очередь нужно знать световой поток, указывающий на коли¬ чество света, испускаемое светодиодом. Еще один важный рабочий пара¬ метр — это угол свечения, определяющий направления распространения светового потока. В частности, в качестве вспышки для фотоаппарата лучше использовать светодиодные изделия, имеющие большой световой поток и небольшой угол свечения. А светодиодные индикаторы, указывающие на подключение электронного устройства к сети, наоборот, должны обладать низким свето¬ вым потоком и большим утлом свечения. Яркость светодиода измеряется в милликанделах (MCD); стандартный 5-миллиметровый светодиод индикаторного типа имеет яркость от 10 до 100 MCD, а угол его светимости составляет 50 градусов. Светодиоды повы¬ шенной яркости обладают яркостью 2000-3000 MCD, а “ультраяркие” мо¬ дели достигают яркости 20 000 MCD. Минимальный угол светимости таких светодиодов составляет около 20 градусов. Многоцветность Выше мы с вами рассмотрели характеристики большинства одноцвет¬ ных светодиодов, хотя на рынке вы найдете большое количество сборок, со¬ стоящих из нескольких светодиодов разных цветов, и даже многоцветных светодиодных устройств, собранных в едином корпусе. К самым распро¬ страненным многоцветным решениям относятся красно-зеленый и пол¬ ноцветный (Red Green Blue — RGB) светодиоды. Изменяя светимость каж¬ дого основного цвета, вы сможете заставить такой светодиод воспроизво¬ дить любой цветовой оттенок. На рис. 4.6 показана схема подачи питания на полноцветный RGB-све¬ тодиод, позволяющая поэкспериментировать с получением освещения про¬ извольного оттенка. Все три компонентных светодиода (красный, зеленый и синий) подключены к источнику питания через переменные резисторы. Резисторы с постоянным сопротивлением (R4, R5 и R6) ограничивают ток через светодиоды в случае установки ползунков переменных резисторов в минимальное положение, когда на светодиоды подается полное напряже¬ ние источника питания (6 В).
98 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей На рис. 4.7 показан вид макетной платы после монтажа на ней электри¬ ческой схемы, показанной на рис. 4.6. Общий вывод (катод) полноцветного RGB-светодиод с общим катодом Рис. 4.6. Электрическая схема тестирования RGB-светодиода Рис. 4.7. Монтажная схема тестирования RGB-светодиода, собранная на макетной плате Красный Зеленый Синий
ГЛАВА 4. Светодиоды 99 светодиода представлен самой длинной “ножкой", остальные три вывода представляют аноды отдельных цветовых компонентов. Разместив все компоненты проекта на макетной плате и подав в цепь пи¬ тание от батарейного блока, вы получите возможность смешивать в разных пропорциях основные цвета, для чего достаточно поэкспериментировать с положением ползунков каждого из трех потенциометров. На рис. 4.8 пока¬ зан работающий прототип устройства. Рис. 4.8. Готовое устройство тестирования RGB-светодиода Инфракрасные и ультрафиолетовые светодиоды Наряду с привычными светодиодами видимого спектра существуют све¬ тодиоды, излучающие в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Они не столь бесполезны, как может показаться на первый взгляд. Ин¬ фракрасные светодиоды активно применяются в пультах дистанционного управления к телевизорам, а ультрафиолетовые модели устанавливаются в специальные системы контроля качества, в том числе приборы проверки банкнот в обменных пунктах. Рабочие характеристики и способ подключения светодиодов “невидимо¬ го" спектра такие же, как и у стандартных устройств. Они характеризуют¬ ся такими рабочими параметрами, как прямой ток и прямое напряжение, с которыми вы уже познакомились выше. Конечно, проверка их работоспо¬ собности весьма затруднительна в домашних условиях, хотя цифровые
100 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей фотоаппараты в определенной степени чувствительны к инфракрасному излучению; по крайней мере, вы сможете наблюдать свечение, вызванное им, на экране. Светодиодные модули высокой мощности Светодиоды находят широкое применение в системах освещения поме¬ щений. Еще до недавнего времени эффективность светодиодного освеще¬ ния вызывала определенные сомнения и была предметом жарких споров. Совершенствование технологий позволило наладить эффективное произ¬ водство светодиодных сборок, яркость которых сравнима с яркостью ламп накаливания, все еще применяемых во многих жилых помещениях. На рис. 4.9 показан один из типов ярких светодиодов, используемых в совре¬ менных системах освещения. В таком исполнении производятся светоди¬ одные модули трех уровней мощности: одно-, трех- и пятиваттные. Рис. 4.9. Светодиодный модуль высокой мощности Шестилепестковая алюминиевая подложка, на которой смонтирован светодиод, выполняет роль радиатора охлаждения. Работая на полной мощ¬ ности, такие модули сильно нагреваются, и алюминиевый радиатор как раз и служит для эффективного отвода тепла от светодиода и рассеивания его в воздухе. При включении таких светодиодов в электрическую схему ток через них тоже нужно ограничивать, хотя даже быстрый расчет показывает, что вам понадобятся резисторы высокой мощности, поэтому лучшим решением бу¬ дет подключать мощные светодиоды к специальным источникам питания, обеспечивающим на выходе постоянный ток. Такие источники постоянно¬ го тока называются токовыми формирователями и детально рассматрива¬ ются в следующем разделе.
ГЛАВА 4. Светодиоды 101 Формирователи тока на базе микросхемы LM317 Резисторы для ограничения тока можно эффективно использовать толь¬ ко при подключении к источнику питания маломощных светодиодов. Тем не менее подобное решение невозможно применить для обеспечения пита¬ нием всех без исключения типов светодиодов. При подключении к источ¬ нику питания маломощных светодиодов, потребляющих небольшой ток, резисторы прекрасно справляются с возложенными на них задачами. Для запитывания высокомощных светодиодов вам придется воспользоваться добавочными резисторами большой мощности, хотя лучше всего включить в электрическую схему формирователь тока. Как предполагает название, источник (формирователь) постоянного то¬ ка обеспечивает на выходе постоянный ток, независимо от выходного на¬ пряжения. Тем самым он поддерживает ток через светодиод на постоянном уровне, независимо от прямого напряжения на нем. Установив ток на выхо¬ де формирователя, вы будете уверены, что именно такой ток будет прохо¬ дить через подключенный к нему мощный светодиод. Для создания токового формирователя очень часто применяется интег¬ ральная схема LM317. Исходно эта микросхема разрабатывалась как ре¬ гулятор напряжения, но на ее основе очень просто создать источник пита¬ ния, обеспечивающий на выходе ток постоянной величины. Давайте исходно реализуем текущий проект в виде прототипа, собран¬ ного на макетной плате. Затем срежем верхнюю часть колодки батарейно¬ го блока и припаяем к ней микросхему LM317, а также резистор, которые обеспечат работу одноваттного светодиода в штатном режиме. Необходимое оборудование Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Беспаечная макетная плата Т5 1 D1 Одноваттный белый светодиод Lumiled S3 3 R1 Резистор, 4,7 Ом К2 1 Колодка батарейного блока (под обрезку) Н2 1 Батарейка РРЗ (“крона”), 9 В Проволочные перемычки Тб Схема подключения На рис. 4.10 показана электрическая схема устройства, которое обес¬ печивает подачу на высокомощный светодиод, подобный показанному на рис. 4.9, тока необходимой величины. Микросхему LM317 очень просто задействовать для обеспечения на выхо¬ де тока постоянной величины. Исходно она поддерживает выходное напря¬ жение на уровне 1,25 В, независимо от напряжения, подаваемого на вход.
102 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей В нашей электрической схеме используется белый светодиод мощно¬ стью в один ватт. Прямой ток через него (JF) составляет 300 мА, а приклады¬ ваемое прямое напряжение — UF = 3,4 В. Формула вычисления сопротивления резистора RL необходимого для подключения к микросхеме LM317, имеет следующий вид: r = uf/if В рассматриваемом нами случае R = 1,25 В/0,3 А = 4,2 Ом. При использовании резистора с номинальным сопротивлением 4,7 Ом через светодиод протекает следующий ток: 1= 1,25 В/4,7 Ом = 266 мА Для определения мощности используемого резистора достаточно пом¬ нить, что стабилизатор LM317 всегда поддерживает между контактами вых и per неизменное напряжение 1,25 В. P=UxI= 1,25 Вх266 мА= 0,33 Вт LM317 per вых вх Рис. 4.10. Использование микросхемы LM317 для подачи в цепь тока постоянной величины Таким образом, мы вполне можем обойтись полуваттным резистором. Для обеспечения разницы напряжения между выводами вых и per, рав¬ ной 1,25 В, на вход микросхемы LM317 нужно подать напряжение на 3 В выше, чем выходное. Это означает, что батареи питания с напряжением 6 В вполне достаточно, поскольку прямое напряжение на светодиоде состав¬ ляет 3,4 В. Тем не менее мы можем беспрепятственно использовать бата¬ LM317
ГЛАВА 4. Светодиоды 103 рею с напряжением 9 и даже 12 В, поскольку ток через светодиод всегда ог¬ раничивается значением 260 мА. Даже оценочное вычисление мощности, рассеиваемой микросхемой LM317, показывает, что оно не превышает максимально допустимое ра¬ бочее значение. При подключении в цепь батареи с выходным напряжением 9 В между выводами вх и вых установится напряжение 9-( 1,25+3,4) = 4,35 В. Так как сила тока в цепи равна 260 мА, мощность, рассеиваемая микросхемой, вы¬ числяется следующим образом: 4,35x0,26 = 1,13 Вт. Согласно технической документации к микросхеме, максимально допу¬ стимая рабочая мощность для LM317 составляет 20 Вт при максимальном токе 2,2 А и напряжении питания 15 В. Как видите, в нашей электрической схеме параметры не выходят за допустимые рабочие характеристики. Макетная плата На рис. 4.11 представлена монтажная схема, показывающая располо¬ жение компонентов цепи управления светодиодом на макетной плате. На рис. 4.12 показан конечный вид готового устройства, собранного на бес- паечной макетной плате. Яркость светодиода очень большая, поэтому ста¬ райтесь не смотреть на него подолгу. Самое простое решение — прикрыть работающий светодиод листом бумаги. Таким образом вы увидите, когда светодиод загорается, но не будете ослеплены при его включении! Рис. 4.11. Монтажная схема, обеспечивающая ток постоянной величины и собираемая на макетной плате Вам потребуется припаять к выводам светодиода короткие отрезки од¬ ножильного провода, чтобы иметь возможность подключить его к макетной
104 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей плате. Не спешите снимать с проводов всю изоляцию, чтобы предотвратить возможное их соприкасание с радиатором микросхемы. Рис. 4.12. Готовое устройство, обеспечивающее постоянный ток через светодиод Сборка устройства Давайте воспользуемся приведенной выше схемой для создания ком¬ пактного устройства аварийного освещения, используемого в случае сбо¬ ев в электросети вашего дома. Лучше всего смонтировать все компоненты устройства на колодке от батарейки типа “крона”, сделав его максимально компактным и удобным для использования (рис. 4.13). На рис. 4.14, а-г показаны основные этапы изготовления устройства аварийного освещения. Сначала разрежьте ножом пластиковый корпус в верхней части колод¬ ки, оголив его выводы. Отпаяйте выводы от разъемов и демонтируйте их (рис. 4.14, а).
ГЛАВА 4. Светодиоды 105 Рис. 4.13. Компактное устройство аварийного ос¬ вещения помещения На следующем этапе (рис. 4.14, б) припаяйте вывод вх микросхемы LM317 к разъему положительного вывода батареи. Не забывайте о том, что разъем для положительного вывода батареи находится с противоположной стороны положительного вывода самой батареи, поэтому он представлен гнездовым контактом. Для удобства монтажа вам придется слегка изогнуть ножку микросхемы LM317. Согласно электрической схеме, припаяйте к полученной конструк¬ ции светодиод, приняв во внимание, что катод светодиода нужно соеди¬ нить с разъемом отрицательного вывода батареи (рис. 4.14, в). Наконец, впаяйте между двумя верхними выводами микросхемы LM317 резистор (рис. 4.14, г). Измерение прямого напряжения на светодиоде Если вам необходимо “запитать” сразу целый массив светодиодов, то всегда неплохо сначала отдельно протестировать несколько светодиодов, чтобы определить прямое напряжение на каждом из них при известном
106 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей прямом токе, и только после этого приступать к монтажу. На рис. 4.15 пока¬ зано, как правильно решить такую задачу. Рис. 4.14. Пошаговая инструкция по созданию устройства аварийного освещения Схема, показанная на рис. 4.15, а, представляет электрическую цепь уст¬ ройства тестирования светодиодов. Ток, протекающий через светодиод, устанавливается с помощью переменного резистора. Как только вы полу¬ чите ток необходимой величины, посмотрите на показания вольтметра, чтобы узнать напряжение, падающее на светодиоде. Ток и напряжение в схеме не обязательно измерять одновременно, по¬ этому поставленную задачу можно решить с помощью всего одного муль¬ тиметра. Но имея в наличии два мультиметра, вы значительно упростите свою задачу. Установите регулятор переменного резистора в среднее положение и со¬ берите электрическую схему, как показано на рис. 4.15, б. Вам может по¬ надобиться изменить режим (предел) измерения тока на мультиметре; за исходное положение выберите режим 200 мА (постоянный ток, DC). Из¬ меняйте положение регулятора на потенциометре до тех пор, пока не добье¬ тесь протекания в схеме тока 20 мА. Теперь перейдем к измерению напряжения на светодиоде. Сначала от¬ ключите мультиметр от электрической цепи, а затем измените режим из¬
ГЛАВА 4. Светодиоды 107 мерения, установив предел измерения 20 В (постоянное напряжение, DC). Подключите мультиметр к схеме, как показано на рис. 4.15, в, и определите напряжение. В нашем случае получено значение 1,98 В. Рис. 4.15. Измерение напряжения, падающего на светодиоде Необходимое оборудование Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Беспаечная макетная плата Т5 1 D1 Светодиод К1 3 R1 Потенциометр, 500 Ом R3 Проволочные перемычки Тб 1 Держатель для батареек, 4хАА Н1 1 Колодка батарейного блока Н2 4 Батарейки, АА
108 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Подача питания на большое количество светодиодов В случае применения источника питания с напряжением 12 В и больше вы можете подключить к нему сразу несколько светодиодов. На самом деле, если вы знаете прямое напряжение на каждом из светодиодов, а выходные характеристики источника питания плавно регулируются, то вы вообще сможете обойтись без ограничивающего резистора. Так, в случае использования стандартных светодиодов, рассчитанных на прямое напряжение 2 В, вам достаточно соединить последовательно всего шесть светодиодов. Тем не менее вычислить ток, протекающий через массив светодиодов, не всегда так же просто, как в случае использования~ одного светодиода. Самый оптимальный вариант заключается в парал¬ лельном подключении к источнику питания нескольких наборов светоди¬ одов, каждый из которых снабжается своим ограничивающим ток резисто¬ ром (рис. 4.16). Рис. 4.16. Принципиальная схема подачи питания на массив светодиодов Расчет рабочих параметров в таком случае не очень сложный, хотя и требует аккуратности и определенных математических навыков. Чтобы не тратить понапрасну время на проведение рутинных вычислений, восполь¬
ГЛАВА 4. Светодиоды 109 зуйтесь одним из онлайн-калькуляторов (рис. 4.17), которые доступны, на¬ пример, по такому адресу: http://схеш.net/calc/ledcalc.php Рис. 4.17. Калькулятор, облегчающий расчет рабочих параметров элек¬ трической схемы, которая включает произвольное количество светодиодов
110 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей В этом калькуляторе от вас требуется указать общее напряжение блока питания, прямое напряжение на отдельном светодиоде, рабочий ток через светодиод, а также общее количество светодиодов, подключаемых к источ¬ нику питания. Встроенный в калькулятор программный мастер не только рассчитает рабочие параметры сети, но и предложит несколько вариантов подключения указанного вами массива светодиодов к заданному блоку пи¬ тания. Примите к сведению, что в случае выхода из строя одного из светоди¬ одов, последовательно подключенных к блоку питания, ни один из остав¬ шихся светодиодов работать не будет. Мигание светодиодов Интегральная микросхема серии 555 представляет собой электронный таймер, применяемый для решения широкого спектра задач. Среди всего прочего ее удобно использовать для сборки электрических схем, обеспечи¬ вающих мигание светодиодов и даже генерацию звуковых сигналов (под¬ робнее об этом — в главе 9). Вначале соберем прототип устройства, обеспечивающего мигание све¬ тодиодов, на беспаечной макетной плате, а затем смонтируем его на более надежной плате, рассчитанной на пайку компонентов. Необходимое оборудование Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Беспаечная макетная плата Т5 1 D1 Красный светодиод К1 1 D1 Зеленый светодиод К1 1 R1 Резистор, 1 кОм К2 1 R2 Резистор 470 кОм К2 2 R3, R4 Резистор, 220 Ом К2 1 С1 Конденсатор, 1 мкФ К2 1 IC1 Таймер, серия 555 К2 Проволочные перемычки Тб 1 Держатель для батареек, 4хАА Н1 1 Колодка батарейного блока Н2 4 Батарейки, АА Макетная плата Электрическая схема устройства мигания светодиодами показана на рис. 4.18.
ГЛАВА 4. Светодиоды 111 Монтажная схема, используемая при подключении компонентов устрой¬ ства, показана на рис. 4.19. Убедитесь в правильности расположения ми¬ кросхемы перед монтажом ее на макетной плате. В верхней части микрос¬ хемы (между выводами 1 и 8) вы найдете зазубрину, по которой легко ори¬ ентировать ее на плате. При монтаже остальных компонентов обращайте внимание на полярность конденсатора и светодиодов. На рис. 4.20 показано, как выглядит прототип устройства на макетной плате. Легко заметить, что светодиоды мигают поочередно, загораясь всего на секунду. Теперь, когда вы удостоверились в работоспособности устройства, заме¬ ним резистор R2 сопротивлением 100 кОм и посмотрим, как при этом изме¬ нится эффект мигания. Таймер серии 555 — это очень гибкое электронное устройство; в нашем случае он определяет мигание светодиодов с частотой, вычисляемой по следующей формуле: частота мигания = ],44/([Rl+2xR2]xCl), где сопротивления R1 и R2 выражаются в омах, а емкость С1 — в фарадах. Подставив в указанную формулу числовые значения для нашей электриче¬ ской схемы, мы получим такой результат: частота мигания = 1,44/([1000+2x470000]х0,000001) = 1,53 Гц Рис. 4.18. Принципиальная схема устройства мигания светодиодами
112 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Один герц (Щ) соответствует одному миганию в секунду. Впоследствии (в главе 9) при использовании таймера серии 555 для генерации звукового сигнала частота мигания будет составлять несколько сотен герц. Рис. 4.19. Монтажная схема устройства мигания светодиодами, собираемая на макет¬ ной плате Как и в случае любых других вычислений, рабочие характеристики тай¬ мера серии 555 быстро рассчитываются с помощью многочисленных он¬ лайн-калькуляторов. Монтаж устройства мигания светодиодов на макетной плате под пайку компонентов Беспаечную макетную плату удобно применять для создания прототи¬ пов, но она малоприменима для монтажа постоянно работающих устройств бытового использования. Основная проблема беспаечного монтажа заклю¬ чается в постоянном выпадении из гнезд проволочных перемычек и “но¬ жек” электронных компонентов, что порядком раздражает и отвлекает от более серьезных задач.
ГЛАВА 4. Светодиоды 113 Рис. 4.20. Устройство мигания светодиодов, собранное на макетной плате Макетная плата под пайку радиодеталей, показанная на рис. 4.21, во мно¬ гом подобна печатным платам общего назначения. Она представляет собой перфорированную плату, состоящую из набора проводящих дорожек, рас¬ положенных, в отличие от беспаечной макетной платы, в нижней ее части. Такая плата обрезается до необходимого размера, а все монтируемые на ней компоненты надежно припаиваются. Рис. 4.21. Проводящие дорожки на макетной плате, рассчитанной на пайку компонентов Создание монтажной схемы для платы под пайку компонентов На рис. 4.22 показан конечный вид устройства мигания светодиодов, которое мы рассмотрели в предыдущем разделе и которое собрано на плате под пайку радиодеталей. Детально рассмотрев электрическую, а также монтажную схемы устройства для такой платы, вы найдете представленное решение простым и эффективным. Добиться конечного вида мне помог
114 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей старый добрый метод проб и ошибок, вам же для получения правильных решений достаточно следовать нескольким простым правилам. Рис. 4.22. Монтажная схема устройства мигания светодиодом для платы под пайку компонентов Первое из них требует проработки макета платы с помощью виртуаль¬ ных графических инструментов. Пользователи Мае могут воспользовать¬ ся программой OmniGraffle, доступной для загрузки с сайта книги (www. hackingelectronics. com). Кроме того, в качестве шаблона, на котором вруч¬ ную рисуются все располагаемые компоненты устройства, вы можете вос¬ пользоваться заранее распечатанным файлом изображения платы. Символы X на изображении микросхемы указывают на разрывы доро¬ жек, которые высверливаются на плате под самой микросхемой. Учтите, что один из главных признаков правильного монтажа на макетной пла¬ те — это минимальное количество разрывов дорожек. В некоторых случаях без разрывов дорожек никак не обойтись. Размещение на макетной плате микросхемы — как раз такой случай. Если не разрывать дорожки под ми¬ кросхемой, то вывод 1 будет напрямую соединен с выводом 8, а вывод 2 со¬ единится с выводом 7 и т.д. О правильной работе электрической схемы при этом говорить не приходится. Проволочные соединения на монтажной схеме для платы графически представлены прямыми отрезками. В частности, из схемы устройства, кото¬ рая показана на рис. 4.18, видно, что выводы 4 и 8 микросхемы напрямую подключаются к положительному выводу источника питания. На нашем ша¬ блоне такое соединение представлено тремя отрезками (столбцы 1, 6 и 11). Подобным образом соединены между собой выводы 2 и 6 (столбцы 5 и 12). Несмотря на то что структурно монтажная схема для платы под пайку компонентов мало чем отличается от электрической схемы, компоненты на ней располагаются в несколько иных местах. Светодиоды на монтажной
ГЛАВА 4. Светодиоды 115 схеме указаны слева, а на электрической схеме — справа. Подобное позици¬ онирование компонентов не является правилом; очень часто расположение элементов в обоих вариантах совпадает. В нашем случае отличия заключа¬ ются в расположении компонентов, подсоединяемых к выводу 3 микросхе¬ мы, которые на электрической схеме (DI, D2, RL R3 и С1) находятся справа от микросхемы. Попробуйте самостоятельно создать монтажную схему для платы на ос¬ нове имеющейся электрической схемы, и вы в полной мере осознаете отли¬ чия обоих вариантов и причины их существования. В процессе проектирования монтажной схемы устройства, реализуемого на макетной плате под пайку радиодеталей, выполните следующие действия. 1. Расположите микросхему приблизительно посредине платы так, чтобы над ней находилось больше дорожек, чем под ней. При этом микросхема ориентируется выводом 1 вверх (общепринятое соглашение). 2. Резисторы R3 и R4 располагайте так, чтобы между выводами каждого из них находилось не менее трех дорожек. При этом один из выводов каж¬ дого резистора подсоединяется к дорожке, к которой подключен вывод 3 микросхемы. 3. Верхняя дорожка макетной платы представляет собой шину питания, поэтому подключается к положительному выводу источника питания, и к ней подсоединяется анод одного из светодиодов. 4. Пятая дорожка соответствует общей шине. Такой выбор вполне оправ¬ дан, поскольку позволяет подсоединить к указанной шине вывод 1 ми¬ кросхемы без необходимости применения дополнительных перемычек. 5. Добавьте проволочную перемычку между дорожками 5 и 9, чтобы обес¬ печить подачу отрицательного напряжения на светодиод D2. 6. Соедините отдельной перемычкой вывод 4 микросхемы и дорожку 1 ма¬ кетной платы (шину питания). Теперь можно перейти к компонентам в правой части макетной платы. 1. Добавьте перемычку между выводом 8 микросхемы и первой дорожкой макетной платы (шиной питания). 2. Один из выводов каждого из резисторов R1 и R2, расположенных рядом, подключите к выводу 7 микросхемы, а дальний вывод резистора R1 сое¬ дините с дорожкой 1 (шина питания). 3. Второй вывод резистора R2 нужно подключить к выводу 6 микросхемы, но дорожки 6 и 7 располагаются настолько близко друг к другу, что ре¬ зистор не поместится между ними ни при каких обстоятельствах. Чтобы устранить возникшую проблему, я подсоединил второй вывод резистора R2 к дорожке 2, а потом соединил эту дорожку с выводом 6 микросхемы с помощью проволочной перемычки. 4. Конденсатор С1 установите между выводом 6 микросхемы (исходно вы¬ водом 2, но к выводу 6 подключать проще) и общей шиной (дорожка 9).
116 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Самый простой способ проверки монтажной схемы собираемого устрой¬ ства — распечатать ее на бумаге и сопоставить все соединения согласно спроектированной ранее электрической схеме. В первый раз такой подход кажется запутанным и малоприменимым, но все же попробуйте его повторить. Вы непременно удостоверитесь, что на бумаге он выглядит намного сложнее, чем реализуется на практике. Необходимое оборудование Для выполнения текущего проекта, кроме компонентов, перечисленных в разделе “Мигание светодиодов”, вам понадобится следующее оборудование. Количество Оборудование Код в приложении 1 Макетная плата под пайку компонентов с 10 дорожками, состоящими НЗ из 17 отверстий 1 Набор для пайки Т1 1 Сверло с держателем (диаметром 5 мм) Перед началом сборки устройства определитесь, какой тип светодиодов вы будете использовать в текущем проекте. Остановите свой выбор на све¬ тодиодах высокой мощности или же воспользуйтесь стандартными низко¬ вольтными светодиодами. В первом случае пересчитайте значения сопро¬ тивлений для резисторов R3 и R4 и предварительно протестируйте полу¬ ченный прототип на беспаечной макетной плате. Таймер серии 555 требует входного напряжения, устанавливаемого в диапазоне от 4,5 до 16 В, обес¬ печивая на выходе ток до 200 мА. Монтаж Этап 1. Обрезка макетной платы до необходимого размера Для монтажа простого устройства, состоящего всего из нескольких ком¬ понентов, понадобится макетная плата небольшого размера. Поэтому пер¬ вое, что вы должны сделать, — это обрезать стандартную плату под пайку компонентов до меньшего размера. В рассматриваемом проекте вполне достаточно 10 дорожек, в каждой из которых проделано не более 17 отвер¬ стий. Стоит заметить, что материал платы достаточно прочный, поэто¬ му проще всего его резать дисковыми инструментами. Соблюдайте меры предосторожности и обязательно используйте специальные очки и маску, чтобы защитить глаза и легкие от попадания крошек и пылинок, разлета¬ ющихся в разные стороны от абразивного крута. Я при любой возможности отказываюсь от применения дисковых инструментов и разрезаю макетную плату с помощью острого ножа и железной линейки. Для этого я сначала прорезаю плату на максимально возможную глубину с обеих сторон вдоль намеченной линии, а затем ломаю ее по линии надреза, зафиксировав у края стола.
ГЛАВА 4. Светодиоды 117 Делайте разрез по отверстиям, а не между ними. Отрезанная плата со стороны медной подложки выглядит так, как показано на рис. 4.23. Рис. 4.23. Обрезанная до правильного размера плата под пайку компонентов Этап 2. Разрыв дорожек Первым делом пометьте левый верхний угол макетной платы маркером, чтобы в дальнейшем не путаться с ее ориентацией. В противном случае, по¬ вернув плату на рабочем столе, вы можете ошибочно припаять компоненты проекта в неправильном месте. Чтобы образовать разрыв в дорожке, вычислите его расположение, от¬ считав необходимое количество дорожек и отверстий от левого верхне¬ го края платы, а затем просуньте в требуемое отверстие кусок провода, чтобы правильно определить место разрыва с обратной стороны платы (рис. 4.24, а). Надсверлите дорожку так, чтобы “пройти” только через мед¬ ную дорожку, но не сквозь всю плату, для чего удерживайте сверло между большим и указательным пальцами и сделайте им всего несколько оборо¬ тов (рис. 4.24, б и в). После разрыва всех четырех дорожек нижняя часть макетной платы бу¬ дет выглядеть так, как показано на рис. 4.25. Обязательно убедитесь в том, что медная стружка, разлетающаяся при сверлении, не забилась в про¬ странство между дорожками и не “замкнула” их. Тут вам поможет фотоап¬ парат с хорошим оптическим увеличением. Сфотографировав макетную плату и внимательно рассмотрев ее в большом масштабе, вы убедитесь, что между дорожками нет мусора и проводящих электрический ток частиц. Этап 3. Пайка радиодеталей Главное правило монтажа компонентов на печатных платах, включая макетные платы, требующие пайки радиодеталей, гласит: начинать нужно с компонентов, располагающихся на самом нижнем уровне. Таким образом,
118 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 4.24. Высверливание проводящего слоя дорожек Рис. 4.25. Макетная плата с разрезанными дорожками
ГЛАВА 4. Светодиоды 119 при перевороте платы и пайке последующих радиодеталей все припаянные ранее элементы останутся на своих местах, даже если удерживать за них рукой всю плату. Итак, первыми на плату припаиваются проволочные перемычки. Нарежьте требуемое количество перемычек длиной, несколько большей, чем расстояние между соответствующими отверстиями. Очистите концы перемычек от изоляции и загните их края под прямым утлом, чтобы полу¬ чить U-образную форму. Просуньте загнутые края перемычек в соответст¬ вующие отверстия, сверяясь с шаблоном, чтобы не допустить ошибок, как показано на рис. 4.26, а. Немного попрактиковавшись, вы научитесь точно загибать края перемычек на заданную длину, используя одни только пас¬ сатижи. Мне показалось намного проще загибать края перемычек не сразу под прямым углом, а оставлять их плавно изогнутыми, чтобы избежать затруднений при монтаже вследствие неточного определения их длины. Я считаю такое решение максимально эффективным, поскольку с перво¬ го раза загнуть края перемычки на нужную длину удается далеко не всегда. Переверните плату проводящими дорожками к себе и удостоверьтесь, что концы перемычек полностью продеты в отверстия. Припаяйте пере¬ мычки, нанося припой на концы проводов в местах их выхода из отвер¬ стий. Удерживайте паяльник у гнезда в течение нескольких секунд, чтобы добиться равномерного растекания припоя по отверстию и концу провода (рис. 4.26, б и в). Повторите описанную выше процедуру для всех смонтированных на плате перемычек (рис. 4.26, гид). Завершив монтаж всех перемычек текущего проекта, вы получите ма¬ кетную плату, подобную показанной на рис. 4.27. Этап 4. Резисторы Резисторы напаиваются на макетную плату сразу после перемычек, а сама процедура мало чем отличается от описанной выше. Смонтировав все резисторы проекта, вы получите макетную плату, подобную показанный на рис. 4.28. Этап 5. Другие компоненты Нам осталось припаять светодиоды, конденсатор (загнутый на бок, как показано на рис. 4.29), а также выводы колодки батарейного блока. Вот и все. Наступил момент истины! Перед подключением готового уст¬ ройства к источнику питания внимательно осмотрите места пайки всех смонтированных ранее компонентов, перевернув плату медными дорожка¬ ми к себе. Если все сделано верно, то вставьте батарейки в блок.
120 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 4.26. Пайка перемычек на макетной плате Устранение неполадок Если только что собранное устройство не работает, то немедленно отклю¬ чите его от источника питания и еще раз проверьте правильность подклю¬ чения всех радиодеталей, а также качество пайки компонентов. Обратите особое внимание на правильность монтажа светодиодов, микросхемы и конденсатора. Не забудьте удостовериться в работоспособности батареек.
ГЛАВА 4. Светодиоды 121 Рис. 4.27. Монтажная плата с напаянными перемычками Рис. 4.28. Резисторы, впаянные согласно монтажной схеме Лазерные диодные модули Лазеры для любительских проектов лучше всего приобретать в виде го¬ товых модулей. Разница между лазерными модулями и лазерными диода¬ ми заключается в том, что первый включает в себя второй и дополнительно комплектуется оптической системой, предназначенной для фокусировки лазерного пучка, а также управляющей схемой, регулирующей мощность лазерного диода. При покупке одного только лазерного диода вам нужно будет собрать ла¬ зерный модуль самостоятельно. Как правило, лазерные модули, подобные показанному на рис. 4.30 мил- ливаттному устройству, снабжаются технической документацией, в кото¬ рой указаны их основные рабочие характеристики. В нашем случае лазер¬
122 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей ный модуль требует источника питания с напряжением 3 В. Все, что вам необходимо, — это найти батарею с выходным напряжением 3 В и подклю¬ чить ее к выводами лазерного модуля. Рис. 4.29. Готовое устройство, собранное на макетной плате под пайку компонентов Рис. 4.30. Лазерный модуль
ГЛАВА 4. Светодиоды 123 Модернизация игрушечного гоночного автомобиля Качественно исполненные игрушечные гоночные автомобили порадуют не только детей, но и взрослых. Чтобы сделать маленький гоночный авто¬ мобиль больше похожим на настоящий, давайте оснастим его головным светом и работающими стоп-сигналами (рис. 4.31). При подборе светодиодов обращайте особое внимание на их размер: они должны помещаться под “капот” выбранной модели. * Рис. 4.31. Модернизированный игрушечный гоночный автомобиль Необходимое оборудование Чтобы добавить в миниатюрный гоночный автомобиль освещение, нам понадобится следующее оборудование. Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Модель гоночного автомобиля 1 D1 Диод, 1 N4001 S5, К1 2 D2, D3 Белый светодиод высокой яркости LED, 5 мм S2 2 D4, D5 Красный светодиод, 5 мм S11 4 R1 —4 Резистор, 1 кОм К2 1 С1 Конденсатор емкостью 1000 мкФ, 16 В С1
124 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Количество Обозначение Оборудование Код в приложении Монтажные провода красного, черного и желтого цветов Т7, Т8, T9 1 Соединительный штекер и разъем к нему* *Я использовал штекер и разъем одного типа для удобства объединения двух половинок мо¬ дели игрушечного автомобиля в готовую конструкцию. Вам их использовать совсем не обяза¬ тельно. Выбранная мною модель игрушечного автомобиля взята из игрового набора кольцевых трековых гонок; внутри ее достаточно свободного про¬ странства для размещения всех необходимых электронных компонентов. При правильном подходе в ней поместится намного больше элементов, чем требует текущий проект. Сохранение заряда в конденсаторе Чтобы заставить стоп-сигналы светиться в течение некоторого времени после остановки автомобиля, вам понадобится конденсатор, удерживаю¬ щий заряд. Если следовать аналогии электрического тока с водяным потоком в тру¬ бопроводе, то конденсатор легко представить в виде резервуара с водой. На рис. 4.32 показано, как в подобной аналогии конденсатор применяется для накопления электрического заряда. Как видно на рис. 4.32, си вода, поступая из водопровода (А), сначала за¬ полняет резервуар (С 1). Как только емкость заполнится, вода начинает пе¬ реливаться через край резервуара и через сливной трубопровод подается на водяное колесо, заставляя его вращаться. В случае электрической цепи на месте водяного колеса устанавливается электрическая лампочка или светодиод, преобразующая электрическую энергию в световую. Если в пер¬ вой схеме на месте источника питания установить водяной насос, то легко представить, что вся вылитая вниз вода подается обратно в верхний трубо¬ провод, образуя замкнутый цикл. Если по какой-то причине вода из трубо¬ провода А престанет поступать на вход системы, то вода из резервуара С1 некоторое время будет продолжать крутить колесо. Движение колеса пре¬ кратится только после полного опустошения резервуара С1. На рис. 4.32, б показан электрический эквивалент гидротехнической си¬ стемы, представленной на рис. 4.32, а. До тех пор, пока напряжение в точ¬ ке А больше нуля (выше уровня общей шины), конденсатор С1 будет заря¬ жаться, а лампочка гореть. Как только подача напряжения на вывод А прекратится, конденсатор начнет постепенно отдавать накопленный ранее заряд, а лампа будет про¬ должать гореть. По мере падения напряжения на выводах конденсатора (уменьшения накопленного заряда) лампа будет постепенно затухать — до полного угасания. Таким образом, конденсатор можно представить как своего рода аккуму¬ ляторную батарею. Оба устройства накапливают электрическую энергию, хотя и имеют важные отличия, о которых не стоит забывать.
ГЛАВА 4. Светодиоды 125 Рис. 4.32. Конденсатор — это емкость для заряда ■ Конденсаторы накапливают намного меньше электрического заряда, чем аккумуляторы идентичного размера. ■ В аккумуляторных батареях при высвобождении электрического за¬ ряда происходят химические преобразования вещества. Это позволя¬ ет поддерживать напряжение на выходе на относительно постоянном уровне, независимо от уровня разрядки. В конденсаторах, наоборот, по мере уменьшения электрического заряда напряжение на выходах понижается, подобно тому, как падает давление воды по мере вытека¬ ния из резервуара. Электрическая схема На рис. 4.33 показана электрическая схема улучшенного игрушечного автомобиля. ГЬловные ходовые огни (передние фары), представленные светодиодами D2 и D3, подключены к шине питания параллельно электродвигателю, поэ¬ тому они всегда включены при движении автомобиля. Стоп-сигналы, включающиеся при торможении, ведут себя совсем по- другому. Как следует из названия, они загораются при остановке автомоби¬ ля, а гаснут автоматически только спустя несколько секунд. Такое поведе¬ ние светодиодов стоп-сигналов обеспечивает конденсатор С1. При подаче питания на конденсатор через диод D1 течет электрический ток, и последний заряжается. Конденсатор заряжается, но стоп-сигналы, представленные светодиодами D4 и D5, не горят, поскольку напряжение на входе цепи выше, чем на конденсаторе (обратите внимание на подключе¬ ние светодиодов, они будут светиться только при обратном направлении протекания электрического тока — от конденсатора к шине питания). Общий Водяное колесо Общий
126 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей от +3 В до+16 В Общий Рис. 4.33. Электрическая схема усовершенствования игрушечного гоночного автомобиля Как только вы сбросите “газ” с помощью игрового контроллера, подача напряжения на шину питания будет прекращена. В этом случае напряже¬ ние на конденсаторе будет превышать входное (О В), поэтому конденсатор начнет разряжаться, а светодиоды D4 и D5 загорятся и будут продолжать светиться до полной разрядки конденсатора. Улучшение модели гоночного автомобиля На рис. 4.34 показаны компоненты проекта, смонтированные мною в обеих половинках корпуса гоночного автомобиля. В вашем случае компоновка элементов проекта может отличаться из-за другого объема свободного пространства в корпусе выбранной модели. Мне пришлось дополнительно просверлить в корпусе отверстия под све¬ тодиоды диаметром 5 мм. Светодиоды настолько плотно вошли в отвер¬ стия, что для их закрепления не пришлось использовать клей или герметик. На рис. 4.35 показана монтажная схема конечного устройства, сверяясь с которой проще понять, как работают и правильно ли подключаются все ее компоненты. Чтобы определить, на какую из двух клемм подается положительное на¬ пряжение питания, воспользуйтесь мультиметром, установленным в ре¬ жим измерения постоянного напряжения (DC) с пределом 20 В. Соответст¬
ГЛАВА 4. Светодиоды 127 вующий контакт соедините с проводом, обозначенным на монтажной схе¬ ме знаком +. Рис. 4.34. Все компоненты компактно размещаются в корпу¬ се модели гоночного автомобиля Длинные “ножки” светодиодов представляют положительные выводы (аноды), а отрицательный вывод конденсатора обозначен знаком “минус”. Разъем и штекер добавлены в схему, чтобы обеспечить независимый монтаж обеих частей гоночного автомобиля. Вы можете смело отказаться от их использования. Тестирование Тестирование заключается в запуске гоночного автомобиля на треке. Если головные огни (передние фары), представленные светодиодами, не за¬ гораются при нажатии на “газ” контроллером, то проверьте все соединения, особенно полярность подключения светодиодов.
128 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Передние фары Рис. 4.35. Схема подключения оборудования в модели гоночного автомобиля Резюме В этой главе вы научились использовать светодиоды, а также ознакоми¬ лись с некоторыми важными приемами монтажа электрических схем на макетных платах, которые безусловно пригодятся вам при создании посто¬ янно действующих прототипов устройств. В следующей главе мы поговорим об источниках электроэнергии, к ко¬ торым относятся батарейки, аккумуляторные батареи, блоки питания и солнечные панели (фотоэлементы). Вы узнаете, как правильно подбирать источник питания для проекта, повторно использовать старые аккумулято¬ ры и задействовать их в своих устройствах.
Глава 5 Источники питания Любые создаваемые или модернизируемые электронные устройства ра¬ ботают только при подключении к источнику питания. В его качестве могут выступать стационарные блоки питания, подключаемые к централь¬ ной электрической сети, солнечные панели, перезаряжаемые аккумулятор¬ ные батареи самых разных типов и даже стандартные батарейки форма¬ та АА. В этой главе мы познакомимся с наиболее распространенными типами источников питания и их рабочими характеристиками. Начнем, пожалуй, с изучения возможностей обычных батареек. Батарея, не батарейка Под батареей я понимаю не только электрическую батарейку, но и аккумуляторы, выполненные в форм-факторе обычной батарейки. Строго говоря, батарея — это набор последовательно подключенных элементов электрического питания, обеспе¬ чивающий на выходе необходимое напряжение. Выбор электрической батареи В продаже имеется огромное количество самых разнообразных батаре¬ ек. Чтобы упростить вам задачу выбора правильного источника питания для автономных устройств, в этой главе приведен краткий обзор всех часто используемых типов батареек. Все упомянутые в ней батарейки вы найде¬ те в любом магазине электроники, поэтому можете смело использовать их в проектах, описанных в книге. Емкость батареи Как перезаряжаемые аккумуляторы, так и батарейки одноразового ис¬ пользования характеризуются емкостью или способностью накапливать определенный заряд. Производители батареек одноразового использова¬ ния обычно не указывают точную емкость своих изделий на корпусе эле¬ мента питания. Покупая батарейки в супермаркете, вы чаще всего увидите на корпусе обозначение Heavy duty (высокой емкости) или Light duty (низкой емкости). Такая характеристика малоинформативна и равнозначна тому, как если бы бутылки с молоком маркировались “большая упаковка” или “ма¬ ленькая упаковка”, без указания точного объема жидкости, помещающейся в них. Такой маркетинговый ход используется исключительно для спекуля¬ ции покупательскими ожиданиями. Единственная отговорка, по которой производители не указывают точной емкости батареек на их корпусе, — это
130 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей якобы недостаточный уровень образования покупателей, чтобы правиль¬ но понять, о чем идет речь. Определенная доля правды в этом утверждении все же есть, поскольку мало кто знает, что чем дольше батарейка пылится на полке магазина, тем меньшей становится ее емкость. К тому же емкость батареи сильно зависит от мощности прибора, подключаемого к ней. В любом случае, если производитель все же снизойдет до точного указа¬ ния емкости батареи, то на корпусе изделия будет нанесено числовое зна¬ чение и единицы измерения — Ахч (ампер-час) или мАхч (миллиампер-час). Исходя из этого элемент питания емкостью 3000 мАхч (стандартная щелоч¬ ная батарейка одноразового использования формата АА) обеспечивает силу тока 3000 мА, или 3 ампера в час. Но в амперах емкость батареек никогда не указывается. Если ваше электронное устройство потребляет ток 30 мА, то вы можете ожидать, что на одной такой батарейке оно проработает 100 часов (3000/30). На самом деле разряд элемента питания нелинейный, поэ¬ тому чем больше мощность, потребляемая от батарейки, тем быстрее пада¬ ет ее емкость. Тем не менее числовое значение емкости батарейки служит хорошим ориентиром при оценке ожидаемой длительности ее службы. Максимальная скорость разряда батареи Вам вряд ли удастся использовать крохотную батарейку CR2032 емко¬ стью всего 200 мАхч в качестве источника питания для электродвигателя с током потребления 20 А в течение 1/10 часа (6 минут). И на то есть две ос¬ новные причины. Во-первых, все элементы питания имеют внутреннее со¬ противление, которое в работающих электрических схемах рассматривает¬ ся как резистор, подключенный к одному из выводов батарейки. Величина внутреннего сопротивления зависит от тока, отбираемого от элемента пи¬ тания, и в некоторых случаях может достигать нескольких десятков ом. Во-вторых, при слишком быстрой разрядке батарейки при высоких рабо¬ чих токах элемент питания нагревается, иногда до таких температур, что можно легко обжечься. Такой нагрев приводит к гарантированному выходу батарейки из строя. Все батарейки имеют строго заданную скорость разряда, определяющую максимальный выходной ток, превышение которого приводит к нарушению работоспособности источника питания и его скорой поломке. Батарейки одноразового использования В собственных проектах вы можете использовать элементы питания од¬ норазового применения, которые невозможно перезарядить повторно. Вы¬ бор в пользу таких источников питания делают по следующим причинам: ■ целевое устройство потребляет минимальное количество электроэ¬ нергии и работает в течение длительного времени; ■ устройство установлено в месте, которое делает невозможной повтор¬ ную перезарядку источника питания.
ГЛАВА 5. Источники питания 131 В табл. 5.1 показаны основные типы повсеместно распространенных ба¬ тареек одноразового использования. Приведенные в таблице изображения и рабочие характеристики типичны для указанных типов элементов пита¬ ния, хотя могут незначительно отличаться в зависимости от производите¬ ля и модели. Одним из важнейших параметров является максимальный ток разряда батареи; старайтесь не превышать его ни при каких обстоятельствах, что¬ бы избежать выхода элемента питания из строя в результате непрерывного перегрева. Нагревание источника питания при прохождении больших то¬ ков — это проблема, которая возникает в том числе и вследствие помеще¬ ния их в герметичные блоки, лишенные вентиляционных отверстий. Приняв окончательное решение стать экспертом в любительской элек¬ тронике, будьте готовы тратить на тестирование готового устройства боль¬ ше времени, чем на подготовку и реализацию проекта. В конце концов, мы занимаемся разработкой электронных приборов в свое удовольствие, а не запускаем производственную линию с коммерческим продуктом. Итак, вы уже полюбопытствовали, насколько сильно нагревается батарейка и как долго это длится до выхода ее из строя? ТАБЛИЦА 5.1. Основные типы батареек одноразового использования Номи¬ нальная емкость, мАхч Напря¬ жение, В Макси¬ мальный ток разря¬ да, мА Особенности Область применения 200 3 4; им- пульсно до 12 Широкий диапазон рабочих температур (от-30 °С до 80 °С); Приборы с низким потреблением элек¬ троэнергии; инфра¬ красные пульты дистанционного управления;свето¬ диодная подсветка брелоков и т.п. 500 9 800 Низкая стоимость; широкая распростра¬ ненность Небольшие порта¬ тивные электрон¬ ные устройства; дымовые сигнали¬ зации; педали эф¬ фектов для гитар 1200 9 400; им- пульсно до 800 Высокая стоимость; большой срок служ¬ бы; высокая емкость Радиоприемники 800 1,5 1500, не¬ прерывно Низкая стоимость; широкая распростра¬ ненность Небольшие меха¬ нические игрушки; пульты дистанцион¬ ного управления Тип Вид Литиевая часовая батарейка (CR2032) Щелочная батарейка РРЗ (“кро¬ на”) Литиевая батарейка РРЗ (“кро- на”) Батарейка ААА
132 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Окончание табл. 5.1 Номи¬ нальная емкость, мАхч Напря¬ жение, В Макси¬ мальный ток разря¬ да, мА Особенности Область применения 3000 1,5 2000, не¬ прерывно Низкая стоимость; широкая распростра¬ ненность Механические иг¬ рушки 6000 1,5 Вплоть до 4000 Большая емкость Механические игрушки; мощные вспышки 15 000 1,5 Вплоть до 6000 Большая емкость Механические игрушки; мощные вспышки Это не скрытая реклама На изображениях, приведенных в таблице, легко различаются названия торговых марок их производителей. Их не стоит рассматривать как скрытую рекламу тех или иных компаний. Они предназначены лишь для того, чтобы познакомить вас с имею¬ щимися на рынке типами элементов питания. Создание батарейного блока Одна-единственная батарейка с выходным напряжением 1,5 В малопри¬ менима в конечных устройствах. Только объединив несколько батареек в один блок (последовательно соединив их клеммы друг с другом), вы получи¬ те источник питания более высокого напряжения, пригодный для практи¬ ческого использования. При последовательном соединении батареек вы увеличиваете выход¬ ное напряжение конечного источника питания, но никак не его емкость. Например, если в блок последовательно объединяются четыре батарейки емкостью 2000 мхАч, каждая из которых обеспечивает выходное напряже¬ ние 1,5 В, то общая емкость полученного источника питания будет равна все тем же 2000 мхАч, а вот напряжение на выходе составит 6 В. Объединение нескольких батареек в единый источник питания выпол¬ няется с помощью простого устройства типа батарейного блока или дер¬ жателя для батареек (рис. 5.1). Внимательно изучив конструкцию бата¬ рейного блока, вы заметите, что положительные выводы последовательно расположенных батареек соединены с отрицательными выводами сосед¬ них батареек. Приведенный на рис. 5.1 батарейный блок рассчитан на объединение в один источник питания шести батареек формата АА, а потому он обеспе¬ чивает выходное напряжение 9 В. Как правило, батарейные блоки рассчи¬ таны на объединение в единый блок двух, четырех, шести, восьми и даже десяти батареек формата АА и ААА. Вид Тип Батарейка АА Батарейка С Батарейка D
ГЛАВА 5. Источники питания 133 Рис. 5.1. Держатель для батареек К преимуществам батарейного блока относят возможность фиксации в нем не только батареек однократного использования, но и перезаряжаемых аккумуляторных батарей соответствующего формата. Тем не менее пере¬ заряжаемые аккумуляторные батареи обеспечивают на выходе несколь¬ ко меньшее напряжение, чем батарейки одноразового использования, что приходится учитывать еще на стадии разработки электрической схемы прототипа устройства. Подбор батареек Правильно подобрать тип батареек одноразового использования для сво¬ его проекта вам поможет табл. 5.2. Учтите, что не существует единственно верного ответа на вопрос о том, какая батарейка лучше. Как видно из та¬ блицы, область применимости каждого типа батареек весьма ограничена. Вам придется провести нехитрые математические вычисления, чтобы узнать, как часто нужно менять батарейки в блоке, чтобы обеспечить их длительную работоспособность. ТАБЛИЦА 5.2. Подбор батареек одноразового использования Напряжение Ток ЗВ 6В 9 В 12В Менее 12 мА (кратковре¬ Литиевая часо¬ Две литиевые РРЗ (“крона”) Маловероятно менно) или непрерывно вая батарейка часовые бата¬ 4 мА (CR2032) рейки (CR2032) Менее 3 А (кратковремен- Батарейный блок Батарейный блок Батарейный блок Батарейный блок но) или 1,5 А непрерывно 2хААА 4хААА бхААА 8хААА
134 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Окончание табл. 5.2 Напряжение Ток ЗВ 6В 9 В 12 В Менее 5 А (кратковремен¬ но) или 2 А непрерывно Батарейный блок Батарейный блок Батарейный блок 2хАА 4хАА бхАА Батарейный блок 8хАА Большие нагрузки Батарейный блок Батарейный блок Батарейный блок 2хС или 2xD 4хС или 4xD 6хС или 6xD Батарейный блок 8хС или 8xD Перезаряжаемые (аккумуляторные) батареи Перезаряжаемые аккумуляторные батареи обычно стоят намного до¬ роже батареек такого же формата, но наносят меньше вреда природе при производстве и утилизации. Нет ничего удивительного в том, что они про¬ изводятся самых разных типов и форматов. Некоторые из них, например, аккумуляторы формата АА или ААА, исходно конструировались как замена одноразовым батарейкам, поэтому их легко извлекать из держателя и пере¬ заряжать в специальных зарядных устройствах. Другие типы аккумулятор¬ ных батарей встраиваются непосредственно в конечное устройство, поэто¬ му к нему необходимо предусмотреть возможность подключения зарядного блока, который позволит заряжать батарейки источника питания без их извлечения из прибора. Изобретение дешевых в производстве, компактных литий-полимерных (LiPo) аккумуляторов высокой емкости позволило реа¬ лизовать описанную выше концепцию в любительской электронике. В табл. 5.3 описаны характеристики некоторых аккумуляторных бата¬ рей, наиболее часто используемых в электронных устройствах. Несмотря на широкий спектр выпускаемых аккумуляторных батарей, вам придется работать всего с несколькими его типами. Каждый тип ак¬ кумуляторов имеет свое назначение и способ зарядки. С наиболее часто встречающимися типами перезаряжаемых элементов питания мы деталь¬ но познакомимся далее. ТАБЛИЦА 5.3. Перезаряжаемые аккумуляторные батареи Номиналь- Напря- Особенности ная ем- жение, кость, мАхч В Область применения 80 2,4 Небольшой размер или 3,6 Резервный источник питания 750 1,25 Низкая стоимость Замена батарейки од¬ норазового использо¬ вания формата ААА Тип Вид Блок никель-металл- гидридных (Ni-MH) аккумуляторов Никель-металл-гид- ридный (Ni-MH) ак¬ кумулятор формата ААА
ГЛАВА 5. Источники питания 135 Окончание табл. 5.3 Номиналь- Напря- Особенности Область применения ная ем- жение, кость, мАхч В 2000 1,25 Низкая стоимость Замена батарейки од¬ норазового использо¬ вания формата АА 4000 1,25 Высокая емкость Замена батарейки одноразового исполь¬ зования формата С 50 3,7 Низкая стоимость; Миниатюрные верто- высокая емкость для леты своего размера и веса 2200 3,7 Низкая стоимость; Мощные вспышки; высокая емкость для автомобили Tesla своего размера и веса, (да, уже выпущено несколько большая, несколько десятков чем для формата АА тысяч) 900 7,4 Низкая стоимость; Мобильные телефо- высокая емкость для ны, смартфоны и пле- своего размера и веса еры (iPod) 12000 6/12 Простая в использова- Охранная сигнали- нии и обслуживании; зация; небольшие тяжелая электромобили и кре¬ сла-каталки В табл. 5.4 приведены сравнительные характеристики следующих тех¬ нологий производства аккумуляторных батарей: никель-металл-гидрид- ная, литий-полимерная и свинцово-кислотная (электролитная). ТАБЛИЦА 5.4. Характеристики разных типов технологий аккумуляторных батарей Никель-металл-гидридная (NI-MH) Литий-полимерная (LiPo) Свинцово-кислотная (электролитная) Стоимость 1 мАхч Средняя Средняя Низкая Вес в расчете на 1 мАхч Средняя Низкая Высокая Саморазряд Высокий (полный за 2-3 месяца) Низкий (6% в месяц) Низкий (4% в месяц) Работоспособность при полной разрядке/зарядке Хорошая Хорошая Хорошая Работоспособность при частичной разрядке/ зарядке Средняя (регулярная полная разрядка аккумулятора про¬ длевает срок его службы) Средняя (нехорошо переносит непрерыв¬ ную подзарядку) Хорошая Таким образом, если в проекте требуется использовать несъемный акку¬ мулятор, то обратитесь к литий-полимерной или свинцово-кислотной тех- Тип Вид Никель-металл-гид- ридный (Ni-MH) акку- мулятор формата АА Никель-металл- гидридный (Ni-MH) аккумулятор фор- мата С Небольшой литий- полимерный аккуму- лятор Литий-полимерный аккумулятор LC18650 Литий-полимерная акумуляторная ба- тарея Герметичная свинцо¬ во-кислотная (элек¬ тролитная) аккумуля¬ торная батарея
136 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей нологиям. Если же предусматривается извлечение элементов питания и их замена/перезарядка, то оптимальным выбором (по критериям размер-ем¬ кость) будут батарейки или аккумуляторы формата АА. В стационарных устройствах, потребляющих много электроэнергии и не требующих мобильности, несмотря на кажущуюся древность изобретения, вам будет сложно обойтись без свинцово-кислотных аккумуляторов. Но все их преимущества сводятся на нет, как только вы затеете переезд в другое помещение! Простота зарядки, легкость обслуживания, высокая эффектив¬ ность и надежность (низкая вероятность взрыва или воспламенения) дела¬ ют эту технологию востребованной во многих современных решениях. Зарядка батарей (общие положения) Определенные эксплуатационные характеристики одинаковы для всех аккумуляторных батарей, независимо от их типа. Обязательно ознакомь¬ тесь с материалом настоящего раздела перед выбором источников питания для своих проектов. Единица измерения С Емкость аккумуляторной батареи часто обозначают единицами измере¬ ния С, представляющим альтернативу ампер-часам или миллиампер-ча- сам. Когда говорят о процесе зарядки аккумулятора, то чаще оперируют та¬ кими единицами измерения, как, например, 0,1C, или С/10. В частности, значение 0,1C указывает на то, что аккумуляторная батарея должна заря¬ жаться со скоростью 1/10 от максимальной емкости в час. Другими слова¬ ми, при общей емкости 2000 мАхч зарядка 0,1C означает, что аккумулятор нужно заряжать постоянным током силой 200 мА. Перезарядка Большинство аккумуляторных батарей не приемлет слишком интенсив¬ ную зарядку. Подав на перезаряжаемый источник питания недопустимо большой зарядный ток, вы, скорее всего, повредите его. Неправильная за¬ рядка проявляется в заметном нагревании элемента питания. В случае ли¬ тий-полимерного аккумулятора нагревание настолько сильно, что, дотро¬ нувшись до него рукой, вы легко обожжетесь. Именно по упомянутой выше причине зарядные устройства обычно обеспечивают небольшие выходные токи. Известный как непрерывная за¬ рядка малым током, такой режим позволяет избежать поломки аккумулято¬ ров и продлевает срок их службы. Естественно, время зарядки при умень¬ шении тока, подаваемого на аккумуляторы, увеличивается. Большинство зарядных устройств часто оснащаются таймерами или другими средст¬ вами, прекращающими зарядку аккумуляторов через определенное вре¬ мя или при их полной зарядке. Более того, существуют модели зарядных устройств, которые впоследствии переходят в режим непрерывной подза¬
ГЛАВА 5. Источники питания 137 рядки малым током, чтобы поддерживать аккумулятор максимально заря¬ женным до момента его использования. При зарядке отдельных моделей аккумуляторных батарей, чаще всего литий-полимерных, а в некоторых случаях свинцово-кислотных, с поддер¬ жанием на выходе зарядного устройства постоянного напряжения ток за¬ рядки вследствие увеличения накопленного заряда, а потому и разницы по¬ тенциалов на выводах, самопроизвольно увеличивается. Чтобы предотвратить самопроизвольное увеличение тока зарядки, мно¬ гие современные литий-полимерные аккумуляторы снабжаются встроен¬ ными контроллерами. Для предупреждения быстрого выхода из строя ли¬ тий-полимерных аккумуляторов всегда используйте модели, снабженные только такого рода электронной защитой. Глубокая разрядка Исходя из вышесказанного, вы можете сделать вполне логичный вывод, что перезаряжаемые источники питания — очень капризные устройства. С этим утверждением сложно спорить, поскольку большая часть аккумуля¬ торных батарей быстро выходит из строя, если подолгу оставлять их под¬ ключенными к зарядному устройству или разряжать “в нуль”, не дав пред¬ варительно зарядиться до максимального уровня. Срок жизни батареи Любой владелец ноутбука знает, что приблизительно через год его экс¬ плуатации емкость аккумуляторной батареи заметно падает. Спустя не¬ сколько лет после приобретения ноутбук вообще перестает удерживать заряд и сохраняет работоспособность только при подключении к электри¬ ческой розетке. Начиная с этого момента можно смело утверждать, что ак¬ кумуляторы ноутбука вышли из строя и вообще перестали накапливать за¬ ряд. Перезаряжаемые источники питания, независимо от типа используе¬ мых при их производстве технологий, рассчитаны всего на несколько сотен (условно 500) циклов заряда-разряда, после чего требуют плановой замены. Многие производители современной коммерческой электроники на¬ столько уверены в надежности своих продуктов, что оснащают свои устройства несъемными аккумуляторными батареями. Предполагается, что срок службы аккумуляторных батарей значительно больше, чем вре¬ мя, в течение которого электронное устройство будет интересно целевому потребителю. Зарядка аккумуляторов типа NiMH Если вы планируете использовать в собственных проектах извлекаемые аккумуляторы, заряжаемые отдельно в специальных зарядных устройст¬ вах, то этот раздел не покажется вам сложным. В самой операции нет ни¬ чего сложного. Извлеките элементы питания из батарейного блока и поме¬
138 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей стите в специальное зарядное устройство для никель-металл-гидридных (Ni-MH) аккумуляторов, которое автоматически отключится после их пол¬ ной зарядки. Извлеките элементы питания из зарядного устройства и по¬ местите их обратно в держатель для батареек. Ничего сложного! Если вы планируете заряжать никель-металл-гидридные аккумулятор¬ ные батареи на месте, не извлекая их из собираемого электронного устрой¬ ства, то вам понадобятся дополнительные знания и некоторые практиче¬ ские навыки. Обычная зарядка Самый простой способ восстановить заряд никель-металл-гидридных аккумуляторов — это непрерывная зарядка малым током, ограниченным специальным резистором. На рис. 5.2 показана электрическая схема за¬ рядного устройства для четырех никель-металл-гидридных (NiMH) аккуму¬ ляторов, в котором используется блок питания с постоянным выходным на¬ пряжением 12 В, подобный применяемому в устройстве отвода от рабочего места дыма, которое мы детально рассматривали в главе 1. Рис. 5.2. Принципиальная схема устройства не¬ прерывной подзарядки батареи Для вычисления сопротивления резистора R1 нам нужно сначала опре¬ делить, каким током будет вестись зарядка аккумуляторных батарей. В об¬ щем случае никель-металл-гидридные батареи безопасно заряжаются не¬ прерывным постоянным током, меньшим 0,1C. В случае батареек формата АА, каждая из которых имеет емкость С, равную 2000 мАхч, ток заряда не должен превышать 200 мА. Поскольку предполагается, что аккумуляторы будут большую часть времени находиться под непрерывной зарядкой (они применяются только как резервный источник питания), давайте повысим требования и вдвое уменьшим ток заряда до 0,05С (или С/20), что состав¬ ляет 100 мА. 12В (постоянный ток) Батарейный блок 4х AA(NiMH)
ГЛАВА 5. Источники питания 139 Как правило, время заряда никель-металл-гидридных аккумуляторов составляет ЗС времени от тока зарядки — в нашем случае 100 мА. Стоит ожидать, что полное время заряда будет равняться 3x2000 мАхч/100 мА = 60 часов. Теперь перейдем к вычислению величины сопротивления резистора R1. При разряженных батареях на каждую из них подается напряжение 1,0 В, поэтому на резисторе будет наблюдаться падение напряжения 12В-4В = 8В. Зная ток через резистор и воспользовавшись законом Ома, легко вычи¬ слить необходимое сопротивление: R = U/I = 8 В/0,1 А = 80 Ом Немного перестраховавшись, остановим свой выбор на резисторе с сопротивлением 100 Ом. Обратно подставив его сопротивление в закон Ома, мы получим реальный ток зарядки: /= U/R = 8 В/100 Ом = 80 мА После полной зарядки аккумуляторов напряжение на них возрастает до 1,3 В, поэтому ток в цепи уменьшится до следующего значения: /= U/R = (12 В-1,3 Вх4)/100 Ом = 68 мА Приведенные выше вычисления показывают, что выбор резистора с со¬ противлением 100 Ом вполне оправданный. Осталось определиться только с мощностью подбираемого резистора. При известных номинале резистора R1 и токе через него вычислить рассеиваемую мощность не составит боль¬ шого труда: P = IxU= 0,08 Ах8 В = 0,64 Вт = 640 мВт Таким образом, одноваттного резистора вполне достаточно. Быстрая зарядка Если вам требуется зарядить аккумуляторные батареи быстрее, чем рас¬ считано выше, то проще всего приобрести специальное зарядное устрой¬ ство, контролирующее процесс и предотвращающее перегрузку элементов питания при полной зарядке обслуживаемых элементов питания. Зарядка электролитных (свинцово-кислотных) аккумуляторных батарей Электролитные аккумуляторы наименее требовательны к условиям за¬ рядки из всех типов перезаряжаемых источников питания, поэтому их можно смело заряжать с помощью такой же методики, как и никель-ме- талл-гидридные батареи.
140 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Зарядка от сети переменного тока В определенных ситуациях аккумулятор требуется зарядить быстрее, чем обычно. Лучший способ быстрой зарядки заключается в подаче посто¬ янного напряжения с последовательным включением в цепь зарядки ог¬ раничивающего ток резистора. Для аккумуляторной батареи на 12 В (для батареи на 6 В напряжение зарядки нужно разделить на два) напряжение зарядки не должно превышать 14,4 В без ограничения силы тока — его величина определяется исключительно рабочими характеристиками ис¬ пользуемого зарядного устройства. Только по достижении максимального напряжения зарядки вам нужно уменьшать ток зарядки, чтобы избежать перегрева элемента питания. При первой зарядке аккумуляторной батареи ограничивать ток зарядки нужно всегда. И не только для того, чтобы избежать перегрева электролита, что случается очень редко, но и для того, чтобы не допустить нагрева под¬ водящих проводов, что, независимо от используемого зарядного устройст¬ ва, вызывает существенное уменьшение тока зарядки. На рис. 5.3 показано зарядное устройство для электролитных аккуму¬ ляторных батарей. Как только вы примите решение заняться конструи¬ рованием электронных устройств, рассмотрите возможность приобрете¬ ния этого незаменимого прибора. Его всегда можно использовать вместо самих батарей, если подключаемое к нему устройство стационарное и не требует перемещения в процессе эксплуатации. К тому же с его помощью можно заряжать огромное количество аккумуляторных батарей самых разных типов. Блок питания с регулируемыми настройками в точности указывает ре¬ жим зарядки, в первую очередь определяемый выходным напряжением и максимальным током зарядки. Вначале зарядное устройство будет поддер¬ живать указанное напряжение до достижения ограничения по току заряд¬ ки. При последующем увеличении тока зарядки источник питания автома¬ тически уменьшит напряжение, чтобы снизить ток зарядки до безопасного уровня (ниже максимального). На рис. 5.3, сц показаны параметры заряда электролитной аккумулятор¬ ной батареи с рабочим напряжением 12 В и емкостью 1,3 Ахч. В самом на¬ чале напряжение зарядки составляет 14,4 В, аток зарядки установлен в ми¬ нимум, чтобы избежать любых неприятных неожиданностей. Напряжение зарядки почти сразу падает до 11,4 В (см. рис. 5.3, б), поэтому ток зарядки нужно плавно увеличить почти до максимального значения. На самом деле, даже если не ограничивать ток зарядки (повернуть регулятор в максималь¬ ное положение), то на выходе источника питания будут поддерживаться максимально возможные параметры: 14,4 В и 580 мА (см. рис. 5.3, в). По истечении двух часов ток зарядки уменьшится приблизительно до 200 мА, что указывает на почти полную зарядку аккумуляторной батареи. Наконец, спустя четыре часа с момента начала ток зарядки упадет до 50 мА — зна¬ чит, батарея заряжена до полной емкости (см. рис. 5.3, г).
ГЛАВА 5. Источники питания 141 Рис. 5.3. Зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторов, запитываемое от сети переменного тока Зарядка литий-полимерных аккумуляторов Описанная выше процедура зарядки электролитных аккумуляторов с помощью регулируемого источника питания вполне применима и для ли¬ тий-полимерных элементов питания, хотя и с несколько иными рабочими параметрами. Литий-полимерные элементы питания заряжаются при подаче на них исходного напряжения 4,2 В и тока, ограниченного значением 0,5 А для на¬ именьших по размеру батарей, и величиной С для батарей, используемых в радиоуправляемых игрушечных автомобилях. Но, в отличие от свинцово-кислотных и никель-металл-гидридных бата¬ рей, вы не сможете соединить последовательно несколько литий-полимер¬ ных аккумуляторов и заряжать их вместе. Вам придется обслуживать их по отдельности или же приобрести “компенсирующее” зарядное устройство, которое проверяет и устанавливает параметры заряда отдельно для каждо¬ го подключенного последовательно элемента питания. Самый надежный и безопасный способ зарядки литий-полимерных ак¬ кумуляторов предполагает использование интегральных решений, пред¬ назначенных исключительно для этих целей. Такие модули стоят недоро¬ го, но производятся преимущественно в виде компонентов поверхностного монтажа. Тем не менее вы можете встретить в продаже широкий спектр интегральных модулей, основанных на таких микросхемах, например МСР73831. На рис. 5.4 показаны два таких модуля: один производства ком¬ пании SparkFun (код в приложении Ml6), а второй, подешевле, стороннего производителя, приобретенный на eBay всего за несколько долларов.
142 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 5.4. Интегральные модули от SparkFun и неизвестного китайского производителя, предназначенные для зарядки литий-полимерных аккумуляторов Функционально оба модуля идентичны. Они предназначаются для за¬ рядки одного литий-полимерного аккумулятора (3,7 В), получая питание от USB-порта с выходным напряжением 5 В. В устройстве компании SparkFun отведено место для монтажа еще двух дополнительных разъемов. К одному из них подключается аккумуляторная батарея, а второй дублирует выводы батареи — к нему подключается электронное оборудование, получающее питание от заряжаемой батареи. Чаще всего на модуль монтируются разъ¬ емы под самые обычные винтовые выводы или же разъемы JST, штекерами под которые снабжаются выводы большинства литий-полимерных аккуму¬ ляторов. Модули SparkFun поддерживают ручную регулировку тока заряд¬ ки, для чего применяется специальная контактная площадка. Оригинальный модуль обеспечивает ток зарядки не более 500 мА и снаб¬ жен только одной парой выводов для единственной батареи. Непрерывная зарядка литий-полимерного источника питания малым током — не очень хорошая идея. Если вам нужно поддерживать аккуму¬ лятор в максимально заряженном состоянии для организации надежного источника резервного питания, то просто оставьте его постоянно подклю¬ ченным к зарядному устройству. Особенности использования аккумуляторной батареи мобильного устройства Все мы пользуемся мобильными устройствами, подолгу “висящими” на кабелях блоков питания до полной зарядки. Одним из немногих компонен¬ тов, которые отсоединяются в мобильном телефоне, является аккумулятор (чаще всего вместе с задней крышкой, представляющей едва ли не полови¬ ну корпуса). Зарядное устройство идет в комплекте с телефоном, поэтому специально о его приобретении вам беспокоиться не нужно.
ГЛАВА 5. Источники питания 143 На рис. 5.5, а, показана аккумуляторная батарея старого мобильного те¬ лефона. Напряжение питания такого аккумулятора составляет 3,7 В (одной батареи), а емкость равна 1600 мАхч (достаточно посредственно по совре¬ менным меркам). Аккумуляторы к мобильным телефонам снабжаются несколькими выво¬ дами, что больше, чем в стандартных съемных (заменяемых) батарейках, поэтому первой вашей задачей будет идентификация положительного и от¬ рицательного выводов и определение их назначения. Чтобы найти положительный и отрицательный выводы аккумулятора мобильного телефона, переведите мультиметр в режим измерения посто¬ янного напряжения (DC) с пределом 20 В и определите напряжение между всеми возможными парами контактов. В зависимости от степени заряжен- ности аккумулятора на его выводах питания должно наблюдаться напря¬ жение не меньшее 3,5 В (см. рис. 5.5, б). Как правило, контакты аккумуляторных батарей для мобильных телефо¬ нов позолоченные, что сильно упрощает процедуру пайки проводов к ним. Снабдив контакты батареи длинными проволочными выводами, вы сможе¬ те воспользоваться зарядным устройством, подобным описанному в преды¬ дущем разделе. На рис 5.5, в, показано, как выполняется зарядка аккуму¬ ляторной батареи мобильного телефона с помощью модуля производства компании SparkFun. Рис. 5.5. Тестирование и зарядка батареи мобильного телефона
144 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Перезарядка телефона Работая с литий-полимерным аккумулятором, помните, что при чрезмерно силь¬ ной его разрядке (до напряжения 3 В на каждую ячейку) вы можете полностью вывести его из строя. К счастью, подавляющее большинство современных литий- полимерных аккумуляторов оснащается встроенной системой автоматического от¬ ключения, предотвращающей переразрядку, хотя полностью полагаться на нее все же не стоит. Стабилизатор напряжения Основная функциональная особенность аккумуляторов и батареек, не¬ зависимо от обеспечиваемого ими выходного напряжения (1,5, 3,7 или 9 В), — это значительное его понижение в процессе разрядки. Например, щелочная батарейка на 1,5 В формата АА исходно обеспечи¬ вает выходное напряжение 1,5 В, но под нагрузкой оно падает до 1,3 В, хотя приемлемый ток она обеспечивает вплоть до напряжения 1 В. Как нетрудно подсчитать, блок из четырех батареек формата АА сохраняет нормальную работоспособность при выходном напряжении в диапазоне 6-4 В. Подобное падение выходного напряжения при нагрузке характерно для большей ча¬ сти батарей как одноразового использования, так и перезаряжаемых, неза¬ висимо от их типа. Время, в течение которого происходит падение рабочих характеристик батареи, зависит от отбираемой мощности. Проявляется оно также по-раз¬ ному. Если батарея используется в качестве источника питания для элек¬ тродвигателя, то падение напряжения будет вызывать снижение скорости вращения вала. Если же к батарее подключен мощный светодиод, то при понижении ее рабочих характеристик яркость светодиода заметно умень¬ шится. Но отдельные устройства очень требовательны к подаваемому на них питанию. Некоторые интегральные микросхемы имеют очень строгие допуски по рабочему напряжению и току. Например, если рабочее напря¬ жение для них равно 3,3 В, то максимальное рабочее напряжение не долж¬ но превышать 3,6 В. Подобным образом, если рабочее напряжение сильно уменьшится, то устройство просто перестанет функционировать. На самом деле многие цифровые устройства, такие как микроконтролле¬ ры, рассчитаны на работу с сигналами строго заданного уровня напряже¬ ния: 3,3 или 5 В. Для обеспечения постоянного напряжения на выходе источника пита¬ ния необходимо прибегнуть к услугам стабилизатора напряжения. Как и многие другие устройства, стабилизаторы напряжения выпускаются в виде недорогих, простых в использовании микросхем, снабженных тремя выво¬ дами. На самом деле их легко спутать с транзисторами; при первом знаком¬ стве можно смело утверждать только то, что чем больше микросхема, тем на большую мощность (силу тока) она рассчитана.
ГЛАВА 5. Источники питания 145 На рис. 5.6 показано, как выглядит большинство повсеместно распро¬ страненных стабилизаторов напряжения, основанных на интегральной микросхеме 7805. С помощью всего одного интегрального стабилизатора напряжения и двух конденсаторов можно создать электрическую схему, в которой любое входное напряжение из диапазона 7-25 В преобразуется в выходное напря¬ жение 5 В. Конденсаторы применяются для накопления заряда и выравни¬ вания скачков напряжения, что значительно упрощает задачу стабилиза¬ тора напряжения. В следующем эксперименте для стабилизации напряжения мы исполь¬ зуем одну только микросхему 7805 без упомянутых выше конденсаторов, поскольку в качестве входного источника питания применяется батарея с постоянным выходным напряжением 9 В, а нагрузка представляется обыч¬ ным резистором (рис. 5.7). Рис. 5.7. Тестирование микросхемы 7805 как стабилизатора напряжения Рис. 5.6. Принципиальная схема стабилизатора напряжения Вход I Выход Земля от 7 В до 25 В IC1 7806
146 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Без конденсаторов никак не обойтись при изменении нагрузки на выхо¬ де микросхемы (другими словами, силы тока, протекающей через подклю¬ ченную к выходу стабилизатора напряжения цепь), что, как несложно дога¬ даться, характерно для большинства устройств. Необходимое оборудование Количество Обозначение Оборудование Код в приложении Беспаечная макетная плата Т5 IC1 Стабилизатор напряжения 7805 K1.S4 Батарейный блок Н2 Батарейка РРЗ (“крона"), 9 В Соберите электрическую цепь согласно монтажной схеме, показанной на рис. 5.8. Рис. 5.8. Размещение микросхемы 7805 на макетной плате Макетная плата При подключенной батарее мультиметр должен показывать на выходе схемы напряжение около 5 В. Несмотря на то что напряжение питания 5 В считается стандартным для многих устройств, включая используемую нами в главе 4 микросхе¬ му LM317, которая применялась для поддержания на выходе постоянного тока, стабилизаторы напряжения применяются и для многих других целей.
ГЛАВА 5. Источники питания 147 В табл. 5.5 описаны интегральные стабилизаторы напряжения, которые обеспечивают на выходе несколько отличное от 5 В постоянное напряже¬ ние при том же рабочем токе. ТАБЛИЦА. 5.5. Стабилизаторы напряжения Выходное напряжение, В 100 мА 1-2 А 3,3 78L33 LF33CV 5 78L05 7805 (код в приложении S4); на входе 7-25 В 9 78L09 7809 12 78L12 7812 Увеличение напряжения Стабилизаторы напряжения, реализованные в виде интегральных ми¬ кросхем, хороши только в случае, если входное напряжение больше выход¬ ного. Разница не очень большая, всего несколько вольт, но достаточная, чтобы выделить описанные выше микросхемы в отдельный тип устройств. Однако существуют более дорогие решения, называемые LDO (Low Drop Out — низкое падение напряжения), стабилизированное напряжение на выходе у которых всего на полвольта меньше входного напряжения. Иногда возникают ситуации, когда требуется увеличить выходное на¬ пряжение по отношению к входному. Ничего невозможного в этой задаче нет, и литий-полимерный аккумулятор мобильного телефона с напряжени¬ ем всего 3,7 В прекрасно подходит для обеспечения питанием устройств, рассчитанных на рабочее напряжение 5 В. Справиться с подобной задачей нам поможет специальный прибор, из¬ вестный как комбинированный преобразователь. Он представляет собой специальную микросхему, к которой подключена небольшая катушка ин¬ дуктивности. Функционально такое устройство работает подобно транс¬ форматору, который увеличивает подаваемое на вход напряжение за счет индукции, возникающей в катушке. Конечно, электрическая схема такого устройства несколько сложнее, но принципиально отличается мало. Комбинированные преобразователи производятся в виде отдельных мо¬ дулей и часто продаются на всевозможных онлайн-аукционах. Вам не со¬ ставит большого труда найти преобразователь, рассчитанный на рабочий ток до 1 А и позволяющий получать на выходе напряжение от 5 до 25 В при подключении на вход стандартного аккумулятора от мобильного устройст¬ ва с напряжением 3,7 В. Стоимость его не более нескольких долларов, хотя основные производители электронного оборудования продают подобные решения более чем за 5 долларов. В каталоге компании SparkFun вы найдете очень полезный прибор (в приложении обозначен кодом Ml7), совмещающий функции зарядного устройства к литий-полимерному аккумулятору и комбинированного пре¬ образователя, что позволяет не только заряжать стандартный аккумулятор
148 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей 3,7 В от источника питания с напряжением 5 В (через порт USB), но и обес¬ печивать выходное напряжение батареи, равное все тем же 5 В (рис. 5.9). Рис. 5.9. Совмещение преобразователя напряжения и зарядного устройства литий-поли¬ мерных аккумуляторов в одном модуле Этот простой прибор значительно прощает задачу по зарядке литий-по¬ лимерного аккумулятора в “полевых” условиях, когда вы находитесь вда¬ ли от розетки, к которой можно подключить стандартный зарядный блок. Ваш ноутбук со свободным USB-портом или любой другой источник пита¬ ния, напряжение на выходе которого составляет 5 В, станет настоящим по¬ дарком и неоднократно выручит вас вдали от цивилизации. Вычисление времени разряда аккумуляторной батареи При покупке мобильного устройства мы все по вполне понятным причи¬ нам обеспокоены емкостью его аккумулятора, выражаемой в виде количе¬ ства мАхч. Конечно, само числовое значение нам не интересно; мы просто хотим быть уверены, что емкости аккумулятора хватит на поддержание ра¬ ботоспособности устройства на протяжении как можно большего периода времени. Это, скорее, вопрос личных предпочтений, но всегда можно определить, какой срок разряда аккумуляторной батареи вас точно не устроит. К тому же вам нужно учесть, что разные устройства потребляют разную мощность. Например, мне недавно довелось заняться изготовлением автоматиче¬ ски открывающейся двери в... курятник. Предполагалось, что она будет за¬ крываться при наступлении темноты. Механизм закрывания двери требует
ГЛАВА 5. Источники питания 149 использования электродвигателя, а он потребляет много энергии, поэтому вопрос выбора аккумуляторных батарей был как никогда актуален. Первое, что мне пришло в голову, — это воспользоваться большими щелочными батарейками формата D. Но, все аккуратно рассчитав, я пришел к выводу, что их использование малоэффективно и неоправданно дорого. Несмотря на то что электродвигатель потребляет в рабочем режиме ток 1 А, включается он всего дважды в день и то на несколько секунд (если быть предельно точным, то на три). Я тестировал прототип устройства при пос¬ тоянно “запитываемом” контроллере, потребляющем ток 1 мА, замеряя вре¬ мя, в течение которого электрическая цепь, состоящая из электродвигателя и контроллера, будет работать до останова при использовании источников питания самых разных типов. Чтобы подтвердить практически полученные результаты, проведем стро¬ гие математические вычисления, начав с определения количества потре¬ бленной двумя электродвигателями энергии за единицу времени: 1 АхЗ сх2 = 6 Ахс = 6/3600 Ахч = 0,0016 Ахч = 1,6 мАхч С другой стороны, используемый для управления электродвигателями контроллер потребляет небольшой ток, 1 мА, но делает это круглосуточно, т.е. в течение 24 часов: 1 мАх24 ч = 24 мАхч Проведенные вычисления показывают, что при выборе источника пита¬ ния для устройства можно смело пренебрегать потреблением электроэнер¬ гии двигателями, поскольку оно более чем на порядок меньше потребления электроэнергии контроллером. Для простоты дальнейших расчетов усло¬ вимся, что наше устройство суммарно потребляет 25 мАхч. Батарейка формата АА имеет максимальную емкость 3000 мАхч, поэто¬ му при использовании ее в качестве источника питания можно ожидать ра¬ ботоспособности устройства в течение не более 3000 мАхч/25 мАхч =120 (дней). Полученный результат говорит сам за себя. Не стоит искать лучшее ре¬ шение, поскольку батарейки АА вполне достаточно для подачи питания на систему автоматического открывания и закрывания двери. В качестве дальнейшего улучшения системы я модернизировал источник питания, за¬ менив его солнечными элементами, детальное описание которых вы найде¬ те в конце главы. Организация аварийного электропитания с помощью аккумулятора Замена батареек не представляется сложной задачей, но постоянная покупка батарей ведет к неоправданным затратам, ведь регулярно подза¬ ряжать аккумуляторы от электрической сети намного дешевле. Как бы там
150 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей ни было, полагаясь на зарядное устройство или внешний блок питания, вы также получите определенные неудобства. ■ Устройство всегда или периодически нужно подключать к кабелю, длина которого ограничена. ■ Если подача электроэнергии в домашней сети прекратится, то устрой¬ ство не сможет долго сохранять работоспособность. Для уравновешивания обоих способов подачи электрического тока ум¬ ные люди придумали систему автоматического питания, которой снабжа¬ ются все устройства, подключаемые к домашней электрической сети, пред¬ ставленной розеткой на стене. Как легко догадаться, в таком комбиниро¬ ванном источнике питания используются и батареи, и блок питания, вот только питание от батарей производится исключительно в случаях отсут¬ ствия напряжения в общей электрической сети. Диоды Меньше всего нам нужно, чтобы электрический ток подавался на наше устройство одновременно от двух источников — батареек и блока питания, подключаемого к розетке. В частности, если выходное напряжение на бло¬ ке питания будет превышать напряжение, подаваемое от батарей, то по¬ следние будут заряжаться. Но без дополнительной нагрузки (ограничения тока зарядки) это приведет к быстрому выходу из строя батарей, даже если они аккумуляторного типа. На рис. 5.10 показана простая электрическая схема комбинированно¬ го источника питания. На выходе блока питания должно устанавливаться большее напряжение, чем на выходе батареи, поэтому в нашем случае блок Рис. 5.10. Электрическая схема устройства аварийного электропитания от батареи
ГЛАВА 5. Источники питания 151 питания имеет выходное напряжение 12 В, а батарея — только 9 В. В дан¬ ном устройстве также предусмотрено, что индикаторная лампочка будет гореть всегда. Диоды в электрических схемах выполняют те же функции, что и клапа¬ ны в трубопроводных системах. Они позволяют электрическому току течь только в одном направлении, предотвращая прохождение обратных токов. Вернувшись к нашей схеме, рассмотрим три возможных варианта пода¬ чи питания в представленную электрическую схему. Все просто: только от блока питания, только от батарей или от батарей и от блока питания однов¬ ременно (рис. 5.11). а) только от батарей б) только от блока питания в) от батарей и от блока питания Рис. 5.11. Диоды в устройстве аварийного электропитания позволяют избежать выхода из строя батарей Питание только от батареи Питание только от батарей осуществляется при полностью отключенном от электрической сети блоке питания (или прекращении подачи напряже¬ ния в домовую электрическую сеть), как показано на рис. 5.11, си При этом на анод диода D2 подается полное напряжение батареи (9 В), а катод диода D2 заземляется через индикаторную лампу. В таком случае через диод D2 проходит прямой ток и индикаторная лампа зажигается. При прямом токе через диод на нем падает напряжение около 0,5 В, поэтому на электриче¬ ской лампе будет наблюдаться падение напряжения около 8,5 В. С другой стороны, на катоде (расположен справа на схеме) диода D1 на¬ блюдается более высокое напряжение (8,5 В), чем на его аноде (О В), поэто¬ му через диод D1 электрический ток не протекает. Питание только от электрической сети При подключении к цепи только блока питания, подключенного к элек¬ трической сети (см. рис. 5.11, б), поведение диодов изменяется на противо¬ положное — теперь электрический ток поступает на индикаторную лампу через диод D1. Источник питания 12В Источник питания 12В г Батарея Источник питания 12 В JБатарея Батарея 9 В
152 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Питание от обоих источников одновременно На рис. 5.11, в, представлен комбинированный вариант — подача пита¬ ния и от блока питания, и от батареи. Напряжение 12 В на выходе блока пи¬ тания определяет напряжение на катоде D2, равное около 11,5 В. Поскольку анод диода D2 находится под напряжением 9V (от батареи), то он будет за¬ перт, и электрический ток через него не пойдет. Непрерывная зарядка Для своих предыдущих экспериментов вы уже приобрели и батарею, и блок питания, и теперь у вас есть все необходимое для непрерывной за¬ рядки аккумуляторов. Давайте объединим шесть аккумуляторных батарей формата АА в единый блок таким образом, чтобы обеспечить зарядку их то¬ ком С/20 (предполагая, что полная емкость одного аккумулятора составля¬ ет С = 2000 мАхч) или 100 мА, подаваемым от внешнего блока питания. При таком подходе аккумуляторные батареи всегда будут заряженными и готовыми к аварийному включению в цепь электропитания при возник¬ новении сбоев в общей электрической сети. На рис. 5.12 показана электри¬ ческая схема описанного выше устройства. Рис. 5.12. Схема устройства аварийного электропитания и зарядки его аккумуляторов Вы вряд ли ожидали увидеть в схеме дополнительный диод D3. На самом деле он включен в нашу схему для перестраховки. Нам не известны рабочие характеристики блока питания, подключаемого к домовой электрической сети, и мы не можем быть уверены в том, что произойдет, когда к его выво¬ дам подключить аккумулятор (через резистор R1). Существует вероятность
ГЛАВА 5. Источники питания 153 того* что аккумулятор начнет разряжаться и наш блок питания быстро выйдет из строя. Диод D3 всего лишь защищает блок питания от протека¬ ния через него обратного тока, возникающего при разрядке батареи. Нам нужно получить ток зарядки, протекающий через резистор, рав¬ ный 100 мА. Известно, что при подключении и блока питания, и аккумуля¬ торной батареи напряжение на резисторе R1 рассчитывается следующим образом: 12 В-0,5 В-9 В = 2,5 В, поэтому, согласно закону Ома, сопротивление резистора рассчитывается так: Я= Ш = 2,5 В/0,1 А = 25 Ом Номинал резистора с ближайшим к расчетному сопротивлению состав¬ ляет 27 Ом. Его расчетная мощность равна Р= LP/R = 2,52 / 27 Ом = 0,23 Вт. Таким образом, полуваттного или даже четвертьваттного резистора для наших целей вполне достаточно. Солнечная панель При первом знакомстве солнечные панели (фотоэлементы) кажутся от¬ личным источником питания. Они позволяют преобразовывать свет в электричество и теоретически не требуют использования (замены) аккуму¬ ляторных батарей, а также подключения к домашней электросети! Но практика порой сильно отличается от теории. Небольшие солнечные панели вырабатывают электроэнергию в малых количествах, а потому при¬ меняются как источники питания только в устройствах с низким потре¬ блением энергии. Только солнечные панели больших размеров, которые большую часть времени располагаются под прямыми солнечными лучами, можно считать более-менее эффективным источником питания, подходя¬ щим для бытового использовании. Если вы планируете использовать фотоэлементы в помещении, за исключением случаев размещения их за окном с южной стороны здания, то даже не надейтесь получить от них сколь-нибудь вразумительный электри¬ ческий ток. Фотоэлементы вырабатывают электричество только при попа¬ дании на них прямых солнечных лучей, поэтому даже при размещении на крыше или других незатененных конструкциях требуют преимущественно безоблачного неба. Мне удалось довести до конечного вида два проекта с питанием от сол¬ нечных панелей: радиоприемник на фотоэлементах (солнечная панель та¬ кого же размера, как радиоприемник), работающий только на солнце, и ав¬ томатически открываемая/закрываемая дверь в курятник. Если вы прожи¬ ваете в южных регионах, то для вас солнечная энергия несомненно станет
154 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей эффективным источником электроэнергии, расширяющим возможности конструирования полностью автономных электронных устройств. На рис. 5.13 показана стандартная солнечная панель, извлеченная из сломанной системы освещения охранной сигнализации. Она имеет размер приблизительно 15х 10 см и оснащена шарнирным креплением, которое по¬ зволяет поворачивать ее вслед за Солнцем. Такую солнечную панель я ис¬ пользовал в устройстве открывания/закрывания дверей курятника. Рис. 5.13. Солнечная панель Во всех проектах, в которых питание электронных приборов осуществ¬ ляется преимущественно от солнечных панелей, используют перезаряжа¬ емые аккумуляторные батареи. Исходно электроэнергия, вырабатываемая фотоэлементами, накапливается в аккумуляторах, и питание электронного оборудования ведется от батарей, а не напрямую от солнечных панелей. Небольшие солнечные панели вырабатывают напряжение не более од¬ ного вольта, поэтому их чаще всего комбинируют в матрицы, выходной мощности которых достаточно для зарядки аккумуляторной батареи впол¬ не пристойной емкости. Напряжение, вырабатываемое солнечной панелью, соответствует на¬ пряжению зарядки аккумуляторной батареи, к которой она подключена. Поэтому вам лучше всего обратить внимание на солнечные панели с выход¬ ным напряжением 6 или 12 В. Находясь под прямыми солнечными луча¬ ми, солнечная панель с номинальным выходным напряжением 12 В может краткосрочно обеспечивать на выходе напряжение до 20 В. Но как только к солнечной батарее подключить нагрузку, выходное напряжение резко снизится.
ГЛАВА 5. Источники питания 155 Тестирование солнечной панели Солнечные панели характеризуются выходной мощностью и номиналь¬ ным рабочим напряжением. Рабочие характеристики указываются про¬ изводителем преимущественно для идеальных погодных условий, поэтому при выборе солнечной панели я обычно тестирую их функциональные воз¬ можности. Без понимания того, сколько реально мощности можно “снять” с солнечной панели в своем регионе проживания, вы не сможете правиль¬ но подобрать аккумуляторные батареи к ней и определить безопасный ток зарядки. При тестировании солнечной панели включайте в цепь ограничиваю¬ щий резистор “с запасом”, чтобы гарантированно избежать поломки обо¬ рудования. Испытайте ее при разных уровнях освещенности и в разных местах использования, измеряя напряжение, которое падает на резисторе. Исходя из полученного значения, вы легко определите силу тока, подавае¬ мого на выход панели. На рис. 5.14 показано, как выглядит источник питания для моего про¬ екта автоматически открывающихся/закрывающихся дверей в курятник. Мультиметр показывает напряжение 0,18 В при сопротивлении ограничи¬ вающего резистора 100 Ом. Нехитрый расчет указывает на протекание че¬ рез него тока 1,8 мА. Рис. 5.14. Проверка работоспособности солнечной панели Воспользовавшись процессором электронных таблиц, удобно регистри¬ ровать изменение рабочих характеристик солнечной панели в зависимости от режима эксплуатации. На рис. 5.15 представлена выборка характери¬ стик для массива рабочих данных, сопровождаемая диаграммой, позволя¬ ющей нагляднее ознакомиться с функциональными особенностями солнеч¬ ной панели. Сохранив полученные зависимости в виде отдельного файла, вы в дальнейшем всегда будете иметь под рукой сведения о рабочих воз¬ можностях источника питания и его выходных параметрах.
156 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Электронная таблица, созданная мною, доступна на сайте www. hackingelectronics.com. В приведенных в ней вычислениях нет ничего сложного, поэтому вы легко повторите их самостоятельно. Рис. 5.15. Рабочие характеристики солнечной панели Как вы легко заметите, солнечная панель вырабатывает ток от одного до двух миллиампер даже в ясную летнюю погоду. Несмотря на то что резуль¬ таты, полученные в тени в безоблачную погоду, относительно неплохие, ток по-настоящему высокой мощности вырабатывается панелью только при прямом попадании солнечного света на ее поверхность. Непрерывная зарядка от солнечной панели Несмотря на то что фотоэлементы вырабатывают более-менее приемле¬ мый ток только при прямом попадании на них солнечных лучей, их очень удобно использовать для непрерывной зарядки аккумуляторных батарей. Обратите внимание на то, что в цепь зарядки нужно обязательно включить диод, чтобы избежать образования обратных токов, возникающих, когда напряжение на аккумуляторной батарее превышает напряжение на выходе солнечной панели (в пасмурную погоду или ночью). Обратный ток с бата¬ рей на солнечную панель гарантированно повредит дорогостоящее обору¬ дование. Стандартная схема непрерывного зарядного устройства на базе солнеч¬ ной панели показана на рис. 5.16. Чаще всего от солнечных панелей заряжаются электролитные (свинцо¬ во-кислотные) батареи. И все потому, что они достаточно устойчивы к пе¬ резаряду и имеют относительно небольшую скорость саморазряда, намно¬ го меньшую, чем, например, NiMH-батареи.
ГЛАВА 5. Источники питания 157 Электролитный аккумулятор 12В Рис. 5.16. Электрическая схема использования солнечной панели для обустройства непрерывной зарядки аккумуляторной батареи Минимизация потребления электроэнергии Планируя использовать солнечные панели в собственных проектах, вы должны быть уверены, что вырабатываемой ими электроэнергии будет достаточно для обеспечения питанием всего задействованного в проекте электронного оборудования. Проживая в Южной Калифорнии, использовать солнечные панели впол¬ не естественно. Световой год здесь длится почти круглый год, поэтому не¬ достатка в солнечной энергии быть не должно. А вот в северных широтах, в регионах с умеренным климатом, для которого пасмурная погода чаще за¬ кономерность, чем приятная неожиданность, вас не ожидает ничего, кроме разочарования. В зимний период в средних широтах дни предельно корот¬ кие, поэтому изначально не рассчитывайте на то, что оборудование сможет работать круглогодично без дополнительного источника электропитания. Чтобы создать полностью автономную систему, вам придется сильно по¬ тратиться: либо на дополнительные солнечные панели, либо на более ем¬ кие аккумуляторы — а скорее всего, и на то и на другое вместе взятое. Не бойтесь возникновения нерешаемых задач при работе с солнечны¬ ми панелями. Их просто не существует — достаточно разобраться с сутью происходящих процессов. Ток определенной величины (измеряемый в мил¬ лиамперах) с солнечной панели подается на аккумуляторную батарею, от¬ куда он весь или его часть отбирается в качестве питания, подаваемого на включенное в электрическую цепь оборудование. В зависимости от конеч¬ ного проекта оборудование может работать круглые сутки, а солнечная па¬ нель вырабатывает ток меньше, чем за полдня (в зависимости от региона).
158 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Чтобы не попасть впросак, последите за погодой в течение нескольких не¬ дель подряд и рассматривайте наихудшие условия освещения как базовые. Согласно им и подбирайте конфигурацию оборудования для источника пи¬ тания. Но чаще всего для повышения эффективности проекта намного проще добиться минимизации энергопотребления конечным устройством, чем увеличивать количество солнечный панелей и емкость аккумуляторной ба¬ тареи. Резюме В этой главе вы узнали об источниках питания и требованиях, выдвига¬ емых к ним перед началом эксплуатации. В следующей главе вы научитесь управлять одной из самый популярных микроконтроллерных платформ — Arduino.
Глава 6 Основы работы с Arduino По своей сути микроконтроллеры — компьютеры малой производи¬ тельности, собранные в виде отдельной микросхемы. Они снабжены портами ввода-вывода, позволяющими подключать к ним внешние элект¬ ронные устройства, в первую очередь предназначенные для управления самым разным оборудованием. Практическое использование микрокон¬ троллера представляется не совсем простой задачей, поскольку сопряжено с целым рядом трудностей, в основном связанных с необходимостью про¬ граммирования выполняемых им операций. Это требует знания либо язы¬ ков программирования низкого уровня, либо языка С. Вам придется при¬ обрести достаточно навыков перед тем, как приступить к практическому применению микроконтроллеров в собственных проектах. Именно поэтому они редко используются в спонтанных любительских проектах, не требую¬ щих предварительной разработки и планирования. И вот появилась Arduino (рис. 6.1), недорогая и простая в использовании плата, позволяющая с минимальными усилиями воспользоваться в элек¬ тронных устройствах полным спектром функциональных возможностей, предоставляемых микроконтроллерной платформой. Платформа Arduino представлена несколькими вариантами плат, ка¬ ждая из которых снабжена несколько отличной функциональностью, а по¬ тому рассчитана на разные сферы применения. Популярной Arduino стала благодаря многим факторам, среди которых стоит выделить следующие: ■ низкая стоимость; ■ общедоступная платформа; ■ понятная интегрированная среда разработки (IDE), позволяющая со¬ здавать простые программы для управления микроконтроллером; ■ большое количество плат расширения, увеличивающих функцио¬ нальные возможности базовой платформы (к ним относятся, напри¬ мер, индикаторы и схемы управления двигателями, монтируемые не¬ посредственно поверх платы Arduino). Все программы, выполняемые в Arduino, которые мы с вами рассмотрим в этой и следующих главах, доступны для загрузки с сайта книги по адресу www.hackingelectronics.com1. Примеры аппаратных и программных решений, рассмотренные в книге, рассчитаны на использование Arduino Uno и Arduino Leonardo. Тем не ме¬ 1 Файлы примеров доступны также на сайте издательства по адресу http:// www. williamspublishing. com/Books/978-5-8459-2039-3 .html. — Примеч. ред.
160 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей нее два проекта, с которыми вы ознакомитесь в главе 9, реализуются только с помощью Arduino Leonardo. Плата Arduino Leonardo выпущена намного позже Arduino Uno, поэто¬ му вы можете столкнуться с определенными проблемами совместимости, проявляющимися в невозможности подключения к ней отдельных плат расширения. К ним, в частности, относится плата расширения Ethernet, выпущенная до появления на рынке платы R3 Ethernet. Поэтому если вы приобрели плату расширения Ethernet, то она прекрасно будет работать с Arduino Uno, но не с Arduino Leonardo, которая полностью совместима толь¬ ко с платой R3 Ethernet. Рис. 6.1. Плата Arduino Uno Проверка работоспособности Arduino (мигание светодиода) Чтобы иметь возможность выполнять в Arduino собственные програм¬ мы, сначала нам нужно установить в компьютере интегрированную среду разработки (Integrated Development Environment — IDE). Среда разработки для Arduino устанавливается в Windows, Mac и Linux. Необходимое оборудование Количество Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno/Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 161 Настройка Arduino Начните с загрузки пакета программного обеспечения, устанавли¬ ваемого в системе, к которой будет подключаться плата Arduino, посе¬ тив официальный сайт Arduino по адресу http://arduino.cc/en/Main/ Software. Детальные инструкции (на английском языке) по установке сре¬ ды разработки в каждой из платформ приведены на веб-странице http: / / arduino.cc/en/Guide/HomePage. Для начала работы с платой Arduino вам понадобятся она сама, компьютер и USB-кабель, чтобы соединить их вме¬ сте. Питание на Arduino будет подаваться через USB-порт, так что вам не придется специально беспокоиться о его обустройстве. На рис. 6.2 показа¬ на плата Arduino Uno (наиболее распространенная среди любителей элек¬ троники), подключенная к ноутбуку, на котором запущена только что уста¬ новленная среда разработки Arduino. Рис. 6.2. Arduino, ноутбук и курица
162 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Чтобы проверить работоспособность Arduino, нам нужна программа, ко¬ торую она может выполнить. Давайте воспользуемся одной из встроенных в среду разработки программ, а именно Blink, заставляющую мигать сиг¬ нальный светодиод, смонтированный непосредственно на плате Arduino и обозначенный большой буквой L. Запустите среду разработки Arduino в системе. В появившемся окне в меню File (Файл) выберите команду Examples^OlBasics^Blink (Образцы^ 01 .Basics^Blink), как показано на рис. 6.3. ©© sketch_sep04a | Arduino 1.0.1 File I Edit Sketch Tools Help Рис. 6.3. Загрузка программы мигания светодиодом Для упрощения процесса знакомства начинающих пользователей с основами программирования программы, выполняемые в Arduino, часто называют “скетчами”, что подразумевает простоту их создания на лету. Перед отправкой программы Blink в Arduino нужно указать среде разра¬ ботки тип используемой платы. Чаще всего применяется вариант Arduino Uno, поэтому в нашем случае мы остановимся на нем. Выполните команду Tools^Board^Arduino Uno (Инструменты^Плата1^ Arduino Uno), как показано на рис. 6.4. Равно как и тип платы, вам нужно указать порт, через который она под¬ ключается к компьютерной системе. В Windows это сделать проще всего, по¬ скольку она всегда имеет свободный порт COM3 или COM4 (рис. 6.5). А вот в Мае и Linux имеется больше устройств с последовательным интерфейсом. Тем не менее в среде разработки Arduino первым в списке всегда указыва¬ ется устройство, подключенное к системе последним, поэтому ваша плата будет представлена в верхней части списка. Загрузка программы из среды разработки в Arduino выполняется после щелчка на кнопке Upload (Вгрузить) панели инструментов. Она занимает
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 163 вторую позицию слева и представлена стрелкой, указывающей вправо (рис. 6.6). Рис. 6.4. Выбор платы Arduino Рис. 6.5. Выбор последовательного порта После щелчка на кнопке Upload среда разработки выполнит несколько важных операций. Во-первых, она скомпилирует программу, т.е. преобра¬ зует ее в понятный для Arduino формат (вы сможете увидеть это по соот¬ ветствующей диаграмме). Во-вторых, она загрузит программу в Arduino, о чем засвидетельствуют индикаторные светодиоды RX и ТХ — они начнут мигать. Наконец, встроенный в плату светодиод, обозначенный буквой L, начнет мигать с одинаковой частотой. В окне среды разработки Arduino появит¬ ся приблизительно такое сообщение: Binary sketch size: 1, 084 bytes (of a 32,256 byte maximum). Оно информирует о том, что выполненная программа занимает 1 Кбайт флеш-памяти из 32 Кбайт, доступных для загрузки в Arduino.
164 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 6.6. Загрузка “скетча” в Arduino Обратите внимание на то, что в Arduino Leonardo вам может понадобить¬ ся предварительно щелкнуть на кнопке Reset (Сброс), чтобы начать загруз¬ ку “скетча” в Arduino. Изменение программы мигания светодиода Вы должны быть готовы к тому, что при первом подключении Arduino к компьютеру встроенный в плату светодиод начнет мигать еще до вашего вмешательства. Это происходит потому, что Arduino поставляется с уже за¬ груженной в память программой Blink. Если вы столкнулись именно с такой ситуацией, то, чтобы принять хоть какое-то участие в процессе, попробуйте изменить настройки программы (например, установить другую частоту мигания). Давайте изучим програм¬ му Blink и попробуем подкорректировать ее так, чтобы заставить светодиод мигать быстрее. Начинается “скетч” с комментария, который указывает на его назначе¬ ние и выполняемые операции. Он не относится к исполняемому коду, поэ¬ тому выделяется специальным образом, чтобы его можно было легко рас¬
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 165 познать при просмотре содержимого программы. Любой текст, заключен¬ ный в операторы / * и * / , попросту игнорируется интерпретатором. /* Программа Blink включает встроенный светодиод на одну секунду, а затем выключает его тоже на одну секунду, после чего процесс повторяется. Исходный код доступен для общего использования. */ В приведенных ниже строках кода содержатся комментарии другого типа, начинающиеся с оператора / /. Подобно блочному комментарию, опи¬ санному выше, построчные комментарии содержат вспомогательную ин¬ формацию о выполняемых операциях. В нашем случае в построчных ком¬ ментариях указывается, что питание подается на вывод с номером 13. Этот вывод выбран потому, что именно к нему подсоединен встроенный в плату Arduino Uno светодиод, обозначенный символом L. // Контакт 13 соединен со встроенным светодиодом в большинстве // плат Arduino. Давайте дадим ему имя. int led = 13; В следующей части программы осуществляется настройка начальных параметров “скетча”. Каждая программа, выполняемая в Arduino, содержит специальную функцию setup (), которая отвечает за начальную настройку среды. Она выполняется только единожды, при подаче на плату питания (как указано в комментарии, либо при нажатии кнопки сброса, либо вклю¬ чении платы Arduino). // функция setup выполняется единожды при сбросе питания void setup(){ // перевод цифрового вывода в режим выхода pinMode(led, OUTPUT); } Если вы новичок в программировании, то структура приведенного ис¬ ходного кода покажется вам необычной. Функция представляет собой от¬ дельную часть программного кода, снабженную специальным именем (в приведенном примере функция называется setup). На текущий момент вам достаточно знать, что строка void setup () { представляет начало функ¬ ции настройки программы. Каждая следующая строка кода, заканчиваю¬ щаяся оператором ;, содержит отдельную команду. Конец функции обозна¬ чается специальным символом }. Как видите, в нашем случае функция setup () содержит всего одну ко¬ манду, pinMode (led, OUTPUT), которая указывает перевести вывод платы Arduino в режим выхода. Настало время познакомиться с самой интересной, основной частью программы — функцией loop (). Как и в случае функции setup (), каждая программа Arduino в обязатель¬ ном порядке содержит функцию loop (). Но, в отличие от первой, которая запускается только однократно при подаче на плату питания, функция loop () выполняется непрерывно. Реализовано это очень просто: как только
166 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей все операторы функции будут выполнены, она начинает выполняться еще раз с самого начала — и так до прекращения подачи питания на плату. В основной функции программы первой приведена команда включе¬ ния светодиода, digitalWrite (led, HIGH). Далее с помощью команды delay(1000) устанавливается временная пауза заданной длительности. Значение 1000 указывается в миллисекундах, поэтому оно определяет за¬ держку выполнения программы в 1000 мс, или одну секунду. Далее свето¬ диод выключается, и снова устанавливается задержка такой же длительно¬ сти, как в и первом случае. Впоследствии вся процедура повторяется. // основная функция выполняется последовательно и непрерывно void loop(){ digitalWrite(led, HIGH); // включение светодиода, // HIGH соответствует высокому уровню сигнала delay(1000); // ожидание в течение секунды digitalWrite(led, LOW); // выключение светодиода подачей // сигнала низкого уровня, LOW delay(1000); // ожидание в течение секунды } Чтобы заставить светодиод мигать чаще, вам нужно слегка изменить представленный выше программный код. Для этого достаточно задержку в 1000 миллисекунд изменить на 200 миллисекунд. Эта операция выполня¬ ется дважды, и оба раза в функции loop (), после чего она примет следую¬ щий вид. void loop(){ digitalWrite(led, HIGH); // включение светодиода, // HIGH соответствует высокому уровню сигнала delay(200); // ожидание в течение пятой части секунды digitalWrite(led, LOW); // выключение светодиода подачей // сигнала низкого уровня, LOW delay(200); // ожидание в течение пятой части секунды } Если вы попробуете сохранить изменения в программе перед загрузкой в Arduino, то увидите на экране извещение о том, что текущий “скетч” яв¬ ляется примером, встроенным в среду разработки, и вы не можете его из¬ менить, а можете только сохранить модифицированную версию в виде от¬ дельной копии под произвольным именем. Конечно, вам это делать не обязательно. Всегда можно загрузить про¬ грамму, не сохраняя изменения в исходном коде. Если вы все же сохраните модифицированную программу или любую другую, то она немедленно до¬ бавится в список рабочих “скетчей”, который отображается в среде разра¬ ботки при выполнении команды File^Sketchbook (Файл^Пагжа со скетчами). Как бы там ни было, щелкните на кнопке Upload. После завершения за¬ грузки программы в Arduino микроконтроллер выполнит команду “сброс” и запустит полученный исходный код: встроенный светодиод начнет мигать заметно чаще.
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 167 Управление реле из Arduino Порт USB в Arduino применяется не только для загрузки исполняемой программы. С его помощью вы можете управлять из компьютера оборудо¬ ванием, подключенным к микроконтроллеру. Например, при подключении к Arduino реле вы можете включать или выключать его, отправляя с ком¬ пьютера команды через последовательное соединение. Реле Реле, показанное на рис. 6.7, представляет собой электромеханический переключатель. Оно изобретено очень давно, поэтому основано на старых технологиях, хотя в данном случае это скорее преимущество, чем недоста¬ ток. Такие реле очень дешевы в производстве и просты в использовании. В электромеханических реле для замыкания контактов используется эф¬ фект электромагнитной индукции. Изолированность катушки, возбужда¬ ющей магнитное поле, от контактов позволяет эффективно использовать такие реле в качестве выключателей, управляемых из Arduino, в самых раз¬ ных бытовых устройствах. Так как на саму катушку электромеханического реле подается относи¬ тельно небольшое напряжение (от 5 до 12В), его можно приспособить для управления электрическими цепями с сильными токами, находящимися под высоким напряжением. Например, реле, показанное на рис. 6.7, рас¬ считано на использование в электрических цепях с силой тока до 7 А и на¬ ходящихся под переменным напряжением 220 В. В случае применения их в электрических цепях постоянного тока они выдерживают максимальный ток 10 А при постоянном напряжении 24 В. Рис. 6.7. Реле Выводы Arduino Выводы на плате Arduino, отвечающие за ввод и вывод данных, часто называют контактами. Если внимательно изучить плату Arduino, то легко заметить, что многие контакты объединены в разъемы, поскольку исполь- Электрическая схема Монтажная схема Реле
168 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей зуются для решения общих задач, хотя к ним можно обратиться и по-от- дельности. Названия выводов, приведенные на плате Arduino, указывают на их назначение, которое часто определяется поведением системы. Каждый вывод поддерживает два рабочих состояния: входа и выхода сигнала. Перед тем как приступить к управлению выводами, в обязатель¬ ном порядке нужно указать их рабочее состояние. В режиме выхода на вы¬ воды подаются сигналы с силой тока до 40 мА. Этого более чем достаточно для зажигания светодиода, но крайне мало для управления реле, которое рассчитано на управляющие токи силой в 100 мА. С подобной задачей мы уже встречались. Если нужно малыми токами управлять электрической цепью, через которую проходит сильный ток, то эффективнее всего воспользоваться транзистором. На рис. 6.8 показана схема электрической цепи, работающей на описан¬ ных выше принципах. Транзистор используется так же, как и в устройстве управления свето¬ диодом. Разница проявляется только в наличии диода, включенного парал¬ лельно катушке реле. Он играет немаловажную роль, предотвращая повре¬ ждение транзистора вследствие скачка напряжения, возникающего при прекращении подачи напряжения на катушку и последующем исчезнове¬ нии магнитного поля. Возникающие при этом скачки обратного напряже¬ ния настолько велики, что без использования диода могут легко вывести из строя и другие компоненты схемы. Рис. 6.8. Схема управления реле из Arduino
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 169 Идея состоит в том, чтобы припаять все компоненты проекта к выво¬ дам реле, а затем присоединить эти выводы к штекерной колодке Arduino (рис. 6.9). Штекерная колодка насчитывает 15 контактов и подключается на всю длину к разъему платы Arduino, расположенному вдоль той ее сторо¬ ны, которая ближе к микросхеме микроконтроллера. Разъем Arduino состо¬ ит из двух частей, между которыми имеется небольшое пустое пространст¬ во, и один штырек колодки попадет как раз в эту пустоту. Рис. 6.9. Подключение реле к плате Arduino Необходимое оборудование Коли- Обозна- Оборудование Код в при¬ чество чение ложении 1 Arduino Uno/ Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno, и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo 1 Транзистор 2N3904 K1.S1
170 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Коли- Обозна- чество чение Оборудование Код в при¬ ложении 1 R1 Резистор 1 кОм, 0,25 Вт К2 1 D1 Диод 1 N4001 K1.S5 1 Relay Реле, 5 В Н16 1 Штекерная колодка на 15 контактов* К1.Н4 1 Двухсторонний винтовой клеммный винтовой зажим Н5 * Штекерные колодки бывают самой разной длины, поскольку рассчитаны на обрезание до необхо¬ димого размера. Монтаж устройства На рис. 6.10 показан готовый прототип, содержащий все компоненты про¬ екта. Диод припаян к тем контактам реле, которые соединены с выводами катушки. Чтобы найти необходимые контакты, поверните реле тыльной сто¬ роной к себе; найдите боковую грань, вдоль которой расположены три кон¬ такта (крайние из них и будут точками крепления выводов диода). Обратите внимание на то, что диод припаивается к контактам так, чтобы вывод, обо¬ значенный полоской, располагался справа, как показано на рис. 6.10. Успешно припаяв диод к выводам катушки, согните “ножки” транзисто¬ ра так, как показано на рис. 6.10, разместив его плоской стороной к корпу¬ су реле. Укоротив средний вывод (вывод базы) транзистора, а также соот¬ ветствующий вывод резистора, соедините их между собой. Рис. 6.10. Подключение реле к штекерной колодке
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 171 Теперь в соответствии с электрической схемой вам требуется припаять оставшиеся выводы к штекерной колодке. Второй вывод резистора присое¬ диняется к 6-му штекеру, “ножка” эмиттера транзистора соединяется с 9-м штекером, а оставшийся вывод диода — с 11-м штекером, если отсчиты¬ вать их слева. Перед тем как припаять штекерную колодку к конструкции, собранной на выводах реле, протестируйте его с помощью мультиметра, переведенного в режим прозвонки цепи. Но вначале вставьте штекерную колодку в разъем платы Arduino (см. рис. 6.9). Прикоснитесь одним из щу¬ пов мультиметра (в режиме прозвонки) к среднему выводу реле, располо¬ женному между контактами, к которому припаяны выводы диода. Второй щуп мультиметра необходимо поочередно прикладывать к оставшимся двум свободных выводам реле. В одном из случаев мультиметр должен вы¬ давать предупредительный звуковой сигнал, а во втором — нет. Вывод, для которого предупреждающий сигнал не прозвучал, соответствует нормаль¬ но разомкнутому контакту — оставьте щуп мультиметра присоединенным к нему. Откройте программу relay test в интегрированной среде разработки Arduino и загрузите ее в микроконтроллер. При перезагрузке Arduino про¬ грамма начнет выполняться, и вы заметите, что каждые две секунды реле изменяет свое состояние с открытого на закрытое, и наоборот. Программное управление Программа управления реле сильно напоминает “скетч” Blink, встроен¬ ный в среду разработки Arduino. // relay_test int relayPin = АО; void setup() { pinMode(relayPin, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(relayPin, HIGH); delay(2000); digitalWrite(relayPin, LOW); delay(2000); } Единственное существенное отличие заключается в программном уп¬ равлении контактом АО, а не 13. В Arduino поддерживается возможность использования аналоговых входов А0-А5 в качестве цифровых портов вво- да-вывода. Если вы хотите использовать аналоговые входы в цифровом ре¬ жиме, то при обращении к ним в программе добавляйте перед их номером букву А. Как только вы определитесь с контактами реле, которые замыкаются и размыкаются при управлении ими из платы Arduino, припаяйте к ним
172 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей пару проводов и снабдите двухсторонним винтовым клеммным зажимом (рис. 6.11). Рис. 6.11. Оснащение выводов реле винтовым клеммным зажимом Реле применяется в огромном количестве систем управления самых разных устройств. Очень часто с помощью реле подается и прекращается подача электроэнергии из центральной сети с напряжением 240 В на са¬ мые разные бытовые приборы. Если вам необходимо использовать реле в качестве силового переключателя, то будьте предельно внимательны и убе¬ дитесь в том, что точно знаете, что делаете. Решившись на выполнение столь ответственного проекта, аккуратно заизолируйте все выводы, а само устройство заключите в пластиковый короб. В противном случае вы ри¬ скуете получить удар электрическим током — подобным образом ежегодно гибнет огромное количество людей. В следующем разделе мы усовершенствуем детскую электронную иг¬ рушку, добавив в нее функцию включения и выключения, реализованную с помощью платы Arduino, для чего к ней будет подключаться только что созданный модуль реле. Управление детской игрушкой Основное преимущество реле заключается в его функциональном подо¬ бии переключателю. Для нас это означает возможность применения его для включения и выключения любых электронных устройств, подключенных к Arduino, которые нужно снабдить такой возможностью. Для этого достаточ¬ но в самом устройстве вместо встроенного переключателя впаять модуль реле, созданный в предыдущем разделе. Впоследствии подача электропи¬
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 173 тания на такое устройство производится программным образом в результа¬ те выполнения программы в Arduino. Дублировать функцию реле исходным переключателем нет никакой необходимости, поэтому от него можно смело избавиться. В качестве “подопытного” устройства мною выбран небольшой, но очень симпатичный электронный жук (рис. 6.12). Рис. 6.12. Электромеханический “жукопчел” ждет указаний Необходимое оборудование Как и в случае модуля реле, рассмотренного в предыдущем разделе, в данном проекте вам понадобится некоторое специальное оборудование. Коли¬ чество Оборудование Код в прило¬ жении 1 Arduino Uno/Arduino Leonardo М2/21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo 1 Электронная игрушка (с питанием от батареек), оснащенная переключателем 1 Двухпроводный многожильный кабель т
174 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Монтаж устройства Разобрав электронную игрушку, вы оголите концы проводов, подсоеди¬ ненных к переключателю (рис. 6.13, а). Выпаяйте переключатель, а затем припаяйте освободившиеся провода к выводам нашего модуля реле, ко¬ торое будет отвечать за включение и выключение игрушки (рис. 6.13, б). Всегда покрывайте места соединения проводов несколькими слоями изо¬ ленты, чтобы предотвратить случайное закорачивание оголенных контак¬ тов и мест пайки (рис. 6.13, в). Рис. 6.13. Электронные “внутренности” игрушки
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 175 В дальнейшем провода, идущие к реле, пропускаются сквозь щель в кор¬ пусе и выводятся наружу (рис. 6.13, г). Если в вашем случае в корпусе иг¬ рушки нет щели достаточного размера, то вам придется просверлить под провода специальное отверстие. После завершения всех описанных выше приготовлений подключите модуль реле к Arduino и соедините провода, идущие от игрушки, с модулем, воспользовавшись винтовым клеммным зажимом (рис. 6.13, д). Если про¬ грамма управления модулем реле в Arduino все еще загружена, то ее выпол¬ нение будет вызывать периодическое включение и выключение игрушки через равные промежутки времени (несколько секунд). Все прекрасно работает, но какая польза от такого поведения детской иг¬ рушки? Давайте при том же устройстве, подключенном к Arduino, запустим совсем другую программу, позволяющую управлять реле удаленно, из ва¬ шего компьютера. Эта программа красноречиво называется relay remote. Загрузите указанную программу в Arduino. Отобразите окно монитора последовательного порта, щелкнув на одноименной кнопке, расположен¬ ной в правой части окна интегрированной среды разработки Arduino (обве¬ дена на рис. 6.14). Рис. 6.14. Отображение монитора порта
176 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Монитор последовательного порта Монитор последовательного порта является неотъемлемой частью среды разработки Arduino, поскольку позволяет выводить данные, передаваемые компьютером в микроконтроллер платы Arduino, и наоборот (рис. 6.15). Рис. 6.15. Монитор последовательного порта В верхней части окна монитора порта содержится поле ввода команд. Введите необходимую команду и щелкните на кнопке Send (Отправить), что¬ бы отправить данные в микроконтроллер Arduino. Все данные, передавае¬ мые платой Arduino в компьютер, отображаются в основной области окна, расположенной ниже. Протестируйте эту функциональную возможность, введя число 1 и щелк¬ нув на кнопке Send (Отправить). Тем самым вы включите детскую игрушку. Отправка в Arduino значения 0 приводит к выключению устройства. Программное решение А теперь изучим программу управления реле, подключенного к Arduino. // relay_remote int relayPin = АО; void setup() { Serial.begin(9600); Serial.printIn("l=On, 0=0ff"); pinMode(relayPin, OUTPUT); } void loop() { if (Serial.available()) { char ch = Serial.read(); if (ch == '1') { digitalWrite(relayPin, HIGH); } else if (ch == 10')
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 177 digitalWrite(relayPin, LOW); } } } Обратите внимание на то, что функция setup () содержит две новые ко¬ манды. Serial.begin(9600); Serial.println("l=On, 0=0ff"); Первая команда открывает последовательное соединение на скорости передачи данных 9600 бод, а вторая выводит информационное сообщение, в котором определяются обозначения, выводимые в мониторе последова¬ тельного порта. В самом начале функции loop () проводится проверка (функцией Serial. available ()) наличия последовательного соединения с компьютером. Если соединение уже установлено, то выполняется считывание введенного поль¬ зователем символа и сохранение его в отдельной переменной. Далее следуют два условных оператора if. В первом проводится провер¬ ка на равенство введенного символа значению 1. Если это так, то игрушка включается. Если утверждение ошибочно, то проводится проверка на ра¬ венство введенного символа значению 0. Если последнее утверждение так¬ же справедливо, то игрушка выключается. Прошло не так много времени с момента выполнения простейшей про¬ граммы мигания светодиодом, а вы уже познакомились с несколькими важными программными конструкциями, используемыми повсеместно в любых “скетчах”, выполняемых в Arduino. Если темп изучения принципов программирования кажется вам слишком быстрым, то обратитесь к специ¬ альным книгам по программированию в Arduino. Измерение напряжения Выводы, обозначенные на плате Arduino надписями А0-А5, используют¬ ся как аналоговые входы. Именно поэтому вы можете с их помощью изме¬ рять напряжение на выходе устройства, подключенного к ним. Чтобы про¬ демонстрировать эту возможность, воспользуемся переменным резистором (потенциометром), представляющим собой делитель напряжения, который подключается к выводу АЗ (рис. 6.16). Если вы не изучали главу 3 и не знаете о делителях напряжения, то зна¬ комиться с приведенным ниже материалом вам будет несколько затрудни¬ тельно, поэтому по возможности наверстайте упущенное. Необходимое оборудование В примере этого раздела вам понадобится следующее немногочисленное оборудование.
178 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 6.16. Переменный резистор, подключенный к Arduino Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno/ Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъе¬ мом Micro-USB для Arduino Leonardo 1 R1 Переменный резистор, 10 кОм K1.R1 Монтаж устройства Конструкция устройства весьма проста. Здесь вам не придется зани- маться пайкой радиодеталей, достаточно подключить все три вывода пере¬ менного резистора в гнезда А2, АЗ и А4 платы Arduino. На рис. 6.17 показа¬ на электрическая схема такой цепи. Рис. 6.17. Электрическая схема устрой¬ ства измерения напряжения с помощью Arduino
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 179 Вас может интересовать, будет ли такая электрическая схема работать, ведь обычно верхний вывод потенциометра подключается к шине питания с напряжением 5 В, а нижний — к общему проводу (вывод GND). Разберемся детальнее: поскольку через резистор с сопротивлением 10 кОм при подаче на него напряжения 5 В будет протекать ток всего 0,5 мА, то мы можем ис¬ пользовать выводы А2 и А4 в цифровом режиме, подав на них соответствен¬ но 0 В и 5 В. Смонтируйте переменный резистор на плате Arduino таким образом, чтобы средний вывод, связанный с поворотным регулятором, соединялся с выводом АЗ, а боковые выводы потенциометра подключались к выводам А2 и А4. Программное решение Загрузите программу измерения напряжения с информативным назва¬ нием voltmeter в интегрированную среду разработки Arduino, передайте ее в микроконтроллер и запустите. Отобразите на экране окно монитора по¬ следовательного порта; вы должны увидеть нечто подобное показанному на рис. 6.18. Рис. 6.18. Отображение величины напряжения, пода¬ ваемого на вывод АЗ, в окне монитора по¬ следовательного порта Теперь поворачивайте регулятор от одного крайнего положения к друго¬ му, полностью пройдя весь диапазон возможных значений. Вы можете ви¬ деть в окне монитора последовательного порта, что напряжение на среднем выводе потенциометра плавно изменяется в диапазоне 0-5 В. // Вольтметр int voltsInPin = 3; int gndPin = A2; int plusPin = A4; void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT);
180 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); Serial.begin(9600) ; Serial.println("Voltmeter"); } void loop() { int rawReading = analogRead(voltsInPin); float volts = rawReading / 204.8; Serial.println(volts); delay(200); } Управление выводами осуществляется так же, как и в предыдущих про¬ ектах. Обратите внимание на то, что при обращении к аналоговому выхо¬ ду (например, voltsInPin) для считывания нецифровых данных необходи¬ мо определять только номер контакта, без указания перед ним символа А. Таким образом, вывод АЗ в программе именуется просто как 3. Поскольку выводы А2 и А4 используются в качестве цифровых выходов, необходимо указывать для них символ А. Режимы работы выводов устанавливаются в функции setup (). В ней также определяются высокий (high) и низкий (low) уровни напряжения для выводов, представленных переменными plusPin и gndPin соответственно. Только после этого устанавливается последовательное соединение и выво¬ дится приветственное сообщение. Измеряемое в диапазоне от О до 5 В напряжение определяется в основ¬ ной части программы (функции loop ()), для чего применяется функция analogRead (), которая возвращает необработанное значение, полученное для целевого вывода. Чтобы преобразовать необработанное значение в на¬ пряжение, выраженное в вольтах, вам нужно разделить его на коэффици¬ ент 204,8 (или 1023/5). Результат деления необработанного значения, пред¬ ставленного целым числом, на десятичное значение 204,8 (еще известное как значение с плавающей запятой) будет также представляться десятич¬ ным числом. Именно поэтому переменная volts имеет тип данных float. После проведения всех необходимых вычислений полученный результат выводится на экран. Далее программа ожидает в течение 200 мс и считы¬ вает напряжение с целевого вывода еще раз. На самом деле совсем не обя¬ зательно добавлять задержку перед считыванием следующих данных; этот прием предназначен для того, чтобы вы успели ознакомиться с текущими данными до того, как на экране отобразятся новые значения. В следующем разделе мы воспользуемся текущим проектом, слегка улуч¬ шив его, добавив внешний светодиод, а также выполним несколько другую программу, позволяющую управлять скоростью его мигания.
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 181 Управление светодиодом В этом разделе вы получите три важных навыка. Во-первых, научитесь управлять из платы Arduino внешним светодиодом. Во-вторых, узнаете, как можно изменить скорость мигания светодиода с помощью переменного резистора. И наконец, познакомитесь с методикой изменения тока, проте¬ кающего через светодиод, а потому и его яркости с помощью средств платы Arduino (рис. 6.19). Рис. 6.19. Плата Arduino, переменный резистор и светодиод Необходимое оборудование Чтобы выполнить задания текущего проекта, вам понадобятся такие компоненты. Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno/ Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъе¬ мом Micro-USB для Arduino Leonardo
182 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 R1 Потенциометр, 10 кОм K1.R1 1 R2 Резистор, 220 Ом К2 1 D1 Светодиод К1 Монтаж устройства Как уже описывалось в главе 4, вместе со светодиодами нужно исполь¬ зовать специальные резисторы, ограничивающие протекающий через них ток. Это означает, что нельзя подключать светодиод к выводам Arduino на¬ прямую, не повредив его. Нам сначала нужно укоротить по одной “ножке” у резистора и светодиода, затем спаять их между собой и только после этого подключить полученную конструкцию к выводам Arduino. На рис. 6.20 по¬ казаны основные этапы этого процесса. Рис. 6.20. Подключение резистора к светодиоду Чтобы избежать возможной путаницы, присоединяйте резистор к ано¬ ду (положительному, более длинному выводу) светодиода. В таком случае длинный вывод светодиода так и останется длинным, как и положено ано¬ ду, даже если к нему припаян дополнительный резистор. Принципиальная схема устройства для нашего проекта показана на рис. 6.21. Питание на светодиод мы подадим через цифровой выход номер 9. Второй вывод светодиода (к которому присоединен резистор) необходимо подключить к общему выводу GND. После окончания эксперимента не распаивайте светодиод с резистором на отдельные компоненты. В виде единой конструкции они вам еще пона¬ добятся во многих проектах, основанных на Arduino. б)
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 183 Рис. 6.21. Электрическая схема устройства, состоящего из платы Arduino, резистора и светодиода Программное решение (мигание) Для управления полученным электронным устройством, подключенным к плате Arduino, мы выполним две разные программы. В первой с помощью пе¬ ременного резистора мы будем изменять скорость мигания светодиодом, а во второй с помощью все того же потенциометра — изменять яркость свечения. Подключите к Arduino светодиод с резистором так, как описано в преды¬ дущем разделе и показано на рис. 6.19, а затем загрузите “скетч” variable_ led f lash. При повороте регулятора потенциометра должно наблюдаться изменение скорости мигания светодиода. // variable_led_flash int voltsInPin = 3; int gndPin = A2; int plusPin = A4; int ledPin = 9; void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); pinMode(ledPin, OUTPUT); } void loop() { int rawReading = analogRead(voltsInPin); int period = map(rawReading, 0, 1023, 100, 500); digitalWrite(ledPin, HIGH); delay(period); digitalWrite(ledPin, LOW); delay(period); }
184 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Приведенная выше программа подобна рассмотренной в предыдущем разделе за тем лишь исключением, что в ней не вызывается монитор после¬ довательного порта (соответствующий исходный код удален). Для управ¬ ления светодиодом нам не придется переопределять значение переменной ledPin. В теле функции loop () с аналогового входа АЗ по-прежнему считывается необработанное значение напряжения, но преобразование его в реальное число, выраженное в вольтах, выполняется с помощью специальной функ¬ ции масштабирования. В результате переменная rawReading, принимаю¬ щая значение из диапазона 0-1023, сопоставляется с одним из значений диапазона 100-500 В. Стандартная функция масштабирования, встроенная в язык програм¬ мирования Arduino, принимает в качестве первого параметра значение, которое нужно преобразовать. Второй и третий параметры этой функции определяют диапазон, из которого взято преобразуемое значение, а четвер¬ тый и пятый параметры указывают границы диапазона, к которому мас¬ штабируется целевое значение. Частота мигания светодиода настраивается в результате изменения за¬ держки перед каждой последующей подачей и выключением питания, ко¬ торая представлена числовым значением из диапазона 100-500. Как легко заметить, светодиод мигает тем чаще, чем ближе напряжение, подаваемое на вывод АЗ, к значению О В. Программное решение (изменение яркости) Управление яркостью свечения светодиода не требует подключения к имеющемуся устройству дополнительного оборудования. Модуль, исходно созданный для изменения частоты мигания светодиода, вполне подойдет и для текущего эксперимента, позволив корректно выполнить приведен¬ ную ниже программу. Для изменения напряжения, подаваемого на опре¬ деленный контакт платы Arduino, используется специальная функция analogWrite (). Она поддерживается только по отношению к выводам, обо¬ значенным на плате специальным знаком - (тильда). К счастью, в преды¬ дущем проекте для подключения светодиода мы воспользовались именно таким выводом. Для имитации подачи на вывод произвольного напряжения используется техника, известная под названием широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В нашем случае на вывод подается периодичный сигнал, состоящий из 500 импульсов секунду. Импульсы могут быть как короткими, что равнозначно подаче низкого напряжения, так и длинными (почти равными по длительно¬ сти периоду импульса), что соответствует большому напряжению. При подключении к выводу, на который подается ШИМ-сигнал, стоит ожидать мигания светодиода, но этого не наблюдается. Мигание светодио¬ да происходит настолько часто, что наш глаз не в состоянии его различить. Вместо этого мы воспринимаем частые мигания как определенный уровень
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 185 яркости. Таким образом, управляя длительностью импульса, мы имитиру¬ ем изменение уровня яркости светодиода. Загрузите программу variable led brightness в микроконтроллер пла¬ ты Arduino. Как видите, переменный резистор изменяет яркость светодио¬ да, а не частоту его мигания (как это было в предыдущем примере). Большая часть приведенной ниже программы повторяет “скетч" преды¬ дущего раздела; разница наблюдается только в теле функции loop (). void loop() { int rawReading = analogRead(voltsInPin); int brightness = rawReading / 4; analogWrite(ledPin, brightness); } Функция analogWrite () принимает значение из диапазона от О до 255, поэтому нам необходимо полученное через аналоговый вход необработан¬ ное значение (из диапазона 0-1023) разделить на 4, чтобы масштабировать до требуемого уровня. Воспроизведение звука В первом “скетче" этой главы, выполненном в Arduino, мы управляли встроенным в плату светодиодом. Если подавать и прекращать подачу на¬ пряжения на цифровом выводе, к которому подключен зуммер, с высокой частотой, то можно добиться воспроизведения звука определенного тона. На рис. 6.22 показан простой звуковой генератор, воспроизводящий один или два тона при нажатии кнопок на макетной плате. Необходимое оборудование Чтобы проверить, сможет ли плата Arduino применяться для воспроиз¬ ведения звука, вам понадобятся такие компоненты. Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno/ Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъе¬ мом Micro-USB для Arduino Leonardo 2 S1.S2 Микропереключатели К1 1 Sounder Пьезозуммер М3 1 Беспаечная макетная плата Т5 Проволочные перемычки или обычные одножильные провода Тб
186 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 6.22. Простейший генератор однотонных звуковых сигналов Монтаж устройства На рис. 6.23 представлена электрическая схема генератора сигналов, а на рис. 6.24 показано смонтированное согласно ей устройство, собранное на макетной плате. Рис. 6.23. Электрическая схема генератора сигналов Обязательно убедитесь в правильности расположения на макетной пла¬ те переключателей. Они помещаются на макетную плату так, чтобы их вы¬ воды размещались вдоль левой и правой, а не верхней и нижней сторон. Один из выводов зуммера обозначается как положительный. Он должен располагаться в верхней части макетной платы.
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 187 Рис. 6.24. Схема подключения компонентов генератора однотонных звуковых сигналов Убедившись в правильности компоновки всех радиодеталей устройства, подключите его с помощью проволочных перемычек к Arduino. Программное решение Программа управления зуммером не содержит сложных конструкций, и ваших знаний более чем достаточно для понимания выполняемых в ней операций. // arduino_sounds int swlpin = 6; int sw2pin = 7; int soundPin = 8; void setup() { pinMode(swlpin, INPUT_PULLUP); pinMode(sw2pin, INPUT_PULLUP); pinMode(soundPin, OUTPUT); } void loop() { if (! digitalRead(swlpin)) { tone (soundPin, 220); } else if (! digitalRead(sw2pin)) { tone(soundPin, 300);
188 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей } else { noTone(soundPin); } } В самом начале каждому из рабочих выводов назначаются переменные. Переключатели подключаются к выводам swlpin и sw2pin, представляю¬ щим собой цифровые входы платы Arduino. А вот в качестве цифрового вы¬ хода используется вывод soundPin. Обратите внимание на то, как в функции setup () по отношению к выво¬ дам переключателя задействуется функция pinMode, принимающая пара¬ метр INPUT PULLUP. Эта функция переводит контакты в режим ввода дан¬ ных и подключает подтягивающий (pullup) резистор, встроенный в плату Arduino. Подтягивающий резистор обеспечивает на входе состояние высо¬ кого уровня (HIGH) до тех пор, пока на него в результате нажатия кнопки не будет подано напряжение низкого уровня (LOW). Поскольку в исходном состоянии на контакты, находящиеся в режиме входа, подается сигнал высокого уровня, в функции loop () при проверке условия нажатия кнопки используется оператор ! (логическое отрицание). Другими словами, следующая конструкция указывает воспроизводить звук только в случае перевода цифрового входа swlpin в состояние LOW. if (! digitalRead(swlpin)) { tone(soundPin, 220); } В Arduino встроена очень удобная функция tone (), отвечающая за гене¬ рацию звукового сигнала и вывод его через указанный выход. Второй пара¬ метр этой функции определяет частоту воспроизводимого звука, заданную в герцах (ГЦ) или количествах колебаний в секунду. Если ни один из переключателей не нажимался, то вызывается функция noTone (), прекращающая проигрывание воспроизводимого звука. Платы расширения Немаловажная роль в популяризации Arduino отведена платам расши¬ рения, которые эффективно дополняют базовые функциональные возмож¬ ности Arduino. Любая плата расширения, также известная как “шилд”, сконструирована таким образом, чтобы ее можно было подключить к разъ¬ емным колодкам непосредственно поверх основной платы Arduino. Более того, подавляющее большинство плат расширения снабжаются сквозными контактными колодками, позволяющими монтировать поверх них другие платы расширения (вторым уровнем и т.д.). Исключение составляют только платы расширения, снабженные дисплеями, поскольку расположенные по¬ верх них другие платы будут закрывать выводимую на экране информацию.
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 189 Кроме того, при наслоении плат расширения вам стоит ожидать проблем с совместимостью, часто возникающих при управлении через один контакт платы Arduino сразу двумя выводами нескольких плат расширения. Чтобы обойти указанные трудности, в некоторых платах имеются специальные перемычки, изменяющие назначение выводов. На сайте http://shieldlist.org вы найдете исчерпывающий перечень плат расширения с указанием выводов платы Arduino, к которым они под¬ ключаются. Вы найдете в продаже платы расширения, позволяющие Arduino выпол¬ нять самые невероятные задачи. Они позволяют эффективно управлять самым разным электронным оборудованием, начиная с ЖК-дисплеев и за¬ канчивая проигрывателями звуковых файлов. Большинство плат расширения разрабатывались с оглядкой на базовую платформу Arduino, хотя вам будут встречаться решения и для более совер¬ шенных плат Arduino Mega и Arduino Leonardo. Если вы уже успели посетить сайт http: //shieldlist. огд, то знаете, что на нем можно получить исчерпывающую информацию о технических харак¬ теристиках плат расширения и используемых для их подключения выводах. Мои любимые платы расширения перечислены в табл. 6.1. ТАБЛИЦА 6.1. Популярные платы расширения Плата рас¬ ширения Описание Сайт поддержки SparkFun Ardumoto Плата расширения Ardumoto. Представляет собой двух¬ канальную двунаправленную мостовую систему управ¬ ления электродвигателями с выходным током до 2 А www.sparkfun.сот/ products/9815 Ethernet Shield Обеспечивает подключение платы Arduino к сети Ethernet и поддержку карт формата SD http://arduino.сс/en/Main/ ArduinoEthernetShield Relay Shield V2 Предназначена для управления сразу четырьмя реле. Реле подключаются к выводам, снабженным винтовы¬ ми клеммными зажимами www.robotshop.com/ seeedstudio-arduino- relay-shield.html LCD & Keypad Shield Плата расширения с алфавитно-цифровым (16x2) ди¬ сплеем и управлением джойстиком www.freetronics.com/ products/led-keypad- shield Управление реле на веб-странице Воспользовавшись платой расширения Ethernet Shield, вы сможете под¬ ключить плату Arduino к Интернету и создать на ее основе простой веб-сер¬ вер. Поскольку остальные функциональные возможности Arduino при этом сохраняются, то вы, как и прежде, сможете подключать к ней внешнее обо¬ рудование. Таким образом, объединив в одном аппаратном решении модер¬ низированную детскую игрушку из раздела “Управление детской игруш¬ кой” и веб-сервер на базе Arduino, вы сможете управлять первой из локаль¬
190 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей ной сети или, в случае предоставления такой возможности брандмауэром, даже через Интернет! На рис. 6.25 показана детская игрушка, подключенная к плате Arduino с платой расширения и снабженная программным интерфейсом, необходи¬ мым для управления ею через сеть. Веб-интерфейс прекрасно отображает¬ ся как на компьютере (рис. 6.25, б), так и в смартфоне (рис. 6.25, в). Рис. 6.25. Детская игрушка, управляемая через веб-интерфейс Необходимое оборудование Чтобы реализовать проект управляемой через Интернет игрушки, вам нужно сначала создать устройство, описанное в разделе “Управление детс¬ кой игрушкой”. В дополнение вам также понадобятся следующие компоненты. Количество Оборудование Код в приложении 1 Ethernet Shield для платы Arduino М4 1 Ethernet-кабвль Тб 1 Блок питания, 9 В или 12 В, 500 мА М1 Учтите, что рассматриваемый ниже проект будет выполняться в Arduino Leonardo только при использовании платы расширения Ethernet Shield последней версии R3. Если вы попробуете применить плату расширения Ethernet Shield старой версии, то у вас ничего не получится. Воспользуйтесь лучше последней моделью или же обратитесь к Arduino Uno.
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 191 Монтаж устройства В текущем проекте питание на плату Arduino подается от внешнего источника, а не через USB-порт компьютера. На то есть две причины. Первая заключается в недостаточной мощности, подаваемой через USB- порт, для обеспечения питанием сразу двух плат: Arduino и Ethernet Shield. К тому же в постоянном подключении платы Arduino к компьютеру нет осо¬ бой необходимости; как только в нее будет загружена программа, она начи¬ нает функционировать самостоятельно, поэтому отдельный блок питания использовать предпочтительнее. Структурная схема создаваемого в текущем проекте устройства показа¬ на на рис. 6.26. Рис. 6.26. Принципиальная схема устройства удаленного управления реле Модем/маршрутизатор Браузер компьютера Браузер смартфона Компьютер для загрузки программы Arduino Плата расширения Ethernet USB-кабель Интерфейс Arduino Управляемая игрушка Источник питания, 9-12 В Ethernet-кабвль Wi-Fi
192 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Соедините согласно показанной на рис. 6.26 схеме все компоненты про¬ екта в единое устройство, а затем загрузите в среду разработки Arduino программу web relay. Но пока не спешите загружать ее в Arduino — нам нужно выполнить предварительную настройку среды. Сетевые настройки В верхней части исходного кода программы изучите такие строки: byte mac[] = { OxDE, OxAD, OxBE, OxEF, OxFE, OxED }; byte ip[] = { 192, 168, 1, 30 }; В первой из них указывается МАС-адрес платы, уникальный для каж¬ дого подключаемого к сети устройства. В некоторых последних моделях устройств Ethernet Shield МАС-адрес нанесен непосредственно на плату. Если вы счастливый обладатель такой платы расширения, то просто вве¬ дите представленное на ее поверхности значение. Во второй строке пока¬ занного выше кода указывается IP-адрес платы. Большинству устройств, подключаемых к сети, IP-адрес назначается автоматически с помощью спе¬ циальной службы, называемой DHCP. Такой порядок адресации прекрасно подходит для ситуаций, когда IP-адрес не нужно задавать вручную, напри¬ мер, когда подключение, реализуемое с помощью платы расширения, ис¬ пользуется только для просмотра сайтов. В случае предоставления досту¬ па к собственному сайту, как в нашем проекте, связка Arduino и Ethernet Shield выступает в роли веб-сервера, поэтому нам нужно вручную устано¬ вить его IP-адрес, чтобы иметь возможность обращаться к нему из браузера (вводится в адресной строке). Определяемый вручную IP-адрес состоит из четырех чисел. Они не про¬ извольные, как может показаться вначале, поскольку идентифицируют компьютер в локальной сети абсолютно уникальным образом. Указанный таким способом IP-адрес должен попадать в диапазон адресов, предостав¬ ляемый вашим домашним маршрутизатором. Как правило, первые три числа стандартные: 10.0.1 .х или 192.168.1 .х, где х— это некое число в ди¬ апазоне от О до 255. Отдельные IP-адреса уже могут быть заняты другими сетевыми устройствами. Чтобы определить неиспользуемый, но действи¬ тельный IP-адрес, запустите программу настройки маршрутизатора и на вкладке администрирования найдите раздел, посвященный параметрам DHCP. В нем отображается список устройств, подключенных к маршрути¬ затору, с указанием назначенных им IP-адресов, подобно показанному на рис. 6.27. Выберите для платы Arduino уникальный IP-адрес, точно боль¬ ший всех приведенных в списке, но попадающий в поддерживаемый мар¬ шрутизатором диапазон. В показанном на рис. 6.27 случае прекрасно по¬ дойдет значение 192.168.1.30. Укажите назначенный выше IP-адрес в исходном коде и загрузите всю программу в плату Arduino.
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 193 Рис. 6.27. Выбор рабочего IP-адреса Тестирование устройства Запустите браузер в своем компьютере, планшете или смартфоне и пе¬ рейдите по IP-адресу, назначенному устройству, управляемому с помощью программы, которая загружена в Arduino. Если вы указали в программе та¬ кой же адрес, что и я, то введите в адресной строке следующее: http://192.168.1.30. На экране должна отобразиться веб-страница, подобная показанной на рис. 6.25, 6-8. Щелкните на кнопке On (Вкл.), и вы услышите щелчок, извещающий о срабатывании реле, подключенного к игрушке. Страница в окне браузера автоматически обновится. Щелкните на кнопке Off (Выкл.), чтобы разо¬ мкнуть контакты реле и выключить игрушку. Программное решение Приведенный ниже “скетч” — определенно один из самых сложных в книге. При этом он прекрасно подходит для использования при решении других задач. Воспользовавшись им как шаблоном, вы сможете настроить веб-сервер на базе Arduino в любых других проектах.
194 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Давайте условно разделим программу на несколько логических частей и рассмотрим их поочередно. // web_relay tinclude <SPI.h> tinclude <Ethernet.h> // МАС-адрес, уникальный для платы byte mac[] = { OxDE, OxAD, OxBE, OxEF, OxFE, OxED }; // IP-адрес указывается согласно настройкам локальной сети byte ip[] = { 192, 168, 1, 30 }; EthernetServer server(80); int relayPin = AO; char linel[100]; Управление платой расширения Ethernet Shield осуществляется с по¬ мощью двух библиотек: SPI и Ethernet. Эти библиотеки обеспечивают поддержку в исходном коде специальных функций управления платой расширения. Они сильно упрощают структуру программы, позволяя избе¬ жать ручного программирования операций, выполняемых библиотечными функциями. Библиотека SPI снабжает нас средствами, необходимыми для установки последовательного соединения между Arduino и Ethernet Shield, без которо¬ го невозможно их взаимодействие. Библиотека Ethernet включает несколь¬ ко очень полезных функций управления оборудованием, находящимся на плате Ethernet Shield. После кода, в котором устанавливаются MAC- и IP-адрес, находятся опе¬ раторы создания нового объекта EthernetServer, который используется каждый раз при передаче данных через сеть. Далее в коде объявляется пе¬ ременная relayPin и создается линейный буфер из 100 символов, который в дальнейшем будет использоваться для считывания заголовка, передава¬ емого браузером при навигации к поддерживаемой Arduino веб-странице. void setup() { pinMode(relayPin, OUTPUT); Ethernet.begin(mac, ip); server.begin(); } В функции setup () инициализируется соединение Ethernet, для чего в соответствующий объект передаются адреса MAC и IP, установленные ра¬ нее. Здесь также устанавливается режим выхода (OUTPUT) для контакта relayPin. void loop () { EthernetClient client = server.available(); if (client) { while (client.connected())
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 195 { readHeader(client); if (! pageNamels("/")) { client.stop(); return; } digitalWrite(relayPin, valueOfParam( ' a ') ) ; client.println("HTTP/1.1 200 OK"); client.println("Content-Type: text/html"); client.println(); client .println ( "<htmlxbody>") ; client.println("<hl>Relay Remote</hl>"); client .println ( "<h2xa href='?a=l' />On</a></h2>") ; client .println ( "<h2><a href=' ?a=0 ' />Of f</ax/h2>") ; client .println ( "</bodyx/html>") ; client.stop(); } } } Функция loop () отвечает за обработку веб-сервером запросов, поступа¬ ющих от браузера. При подаче запроса и ожидании ответа на него методом server, available () возвращается объект client. Если объект client со¬ здан (что проверяется в первой условной конструкции if), то для проверки соединения с веб-сервером вызывается метод client. connected (). Функцию readHeader () мы рассмотрим несколько позже. Она, а также функция pageNamels () применяются для подтверждения запроса на ото¬ бражение страницы с интерфейсом управления реле. Это очень важная операция, поскольку браузеры обычно отправляют на веб-сервер два за¬ проса: на поиск и отображение значка веб-сервера и вывод содержимого самой страницы. В приведенном выше коде запрос на отображение значка веб-сайта не подается. Далее в коде устанавливается сигнал, подаваемый на контакт реле, для чего применяется функция digitalWrite (). Подаваемой на выходе сигнал зависит от параметра а, указываемого в запросе. Возможен один из двух ва¬ риантов: 1 или 0. Следующие три строки кода применяются для вывода возвращаемого заголовка страницы. В заголовке определяется тип содержимого, которое отображаться в браузере. В нашем случае — только HTML-код. После создания заголовка нам нужно сгенерировать содержимое стра¬ ницы, представленное в формате HTML, — оно и будет отображаться в окне браузера. HTML-код содержит такие стандартные теги, как <html>, <body>, теги заголовков разных уровней, <hl>, <h2>, а также гиперссылки на теку¬ щую страницу, в которых устанавливается значение параметра а запроса, принимающее либо значение 0, либо 1.
196 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Наконец, конструкция client.stop указывает на конец сообщения и дает добро на отображение всей страницы в браузере. void readHeader(EthernetClient client) { char ch; int i = 0; while (ch != 1n1) { if (client.available()) { ch = client.read(); linel[i] = ch; i ++; } } linel[i] = 1 0 '; Serial.println(linel); } В конец программы добавлены три функции общего назначения, кото¬ рые применяются во всех моих проектах, в которых плата Arduino исполь¬ зуется в качестве веб-сервера. Первая из них, readHeader (), считывает заголовок запроса, поступа¬ ющего с браузера, и сохраняет его в виде строки в буфере. В дальнейшем представленный таким образом заголовок обрабатывается следующими двумя функциями. boolean pageNamels(char* name) { int i = 4; char ch = linel[i]; while (ch !=**&& ch != 'nf && ch != '?') { if (name[i-4] != linel[i]) { return false; } i++; ch = linel[i]; } return true; } Функция pageNamels () возвращает true, если часть заголовка, представ¬ ляющая имя страницы, совпадает с заданным аргументом. Эта особен¬ ность функции применяется в основной программе (функции loop ()) для игнорирования запроса на передачу значка веб-сайта. int valueOfParam(char param) { for (int i = 0; i < strlen(linel); i++)
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 197 { if (1ine1[i] == param && linel[i+l] == ' = ’) { return (linel[i+2] - 101); } } return 0; Функция valueOfParam () считывает значение запрашиваемого параме¬ тра, подставляемого в качестве аргумента. При этом требования к формату вводимого параметра более строгие, чем выдвигаются в других средах веб¬ разработки. Во-первых, запрашиваемый параметр должен представлять¬ ся одним символом, а во-вторых, значение должно выражаться цифрой из диапазона от 0 до 9. Функция возвращает значение параметра или 0, если указанный параметр отсутствует. Рассмотренный выше проект при необходимости быстро адаптируется под другие задачи и среды. Подключение к Arduino алфавитно-цифрового дисплея Подключение к Arduino жидкокристаллического дисплея — это еще одна часто выполняемая задача, возлагаемая на платы расширения (рис. 6.28). Рис. 6.28. Модуль с жидкокристаллическим алфавитно-цифровым дисплеем Вы найдете в продаже большое количество всевозможных плат расши¬ рения, оснащенных жидкокристаллическими дисплеями, хотя почти все они основаны на контроллере HD44780. В рассматриваемом нами случае используется плата расширения LCD & Keypad Shield производства ком¬
198 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей пании Freetronics (www.freetronics.com). Другими платами расширения, добавляющими к Arduino ЖК-дисплей, также можно управлять представ¬ ленной ниже программой, но в них вам придется переназначить рабочие выводы (см. ниже). В текущем проекте вы научитесь выводить на ЖК-дисплей короткие со¬ общения (сам дисплей поддерживает одновременный вывод на экран толь¬ ко двух строк по 16 символов в каждой), вводимые в окне монитора последо¬ вательного порта (рис. 6.29). Рис. 6.29. Отправка сообщения через монитор последо¬ вательного порта Необходимое оборудование Для вывода сообщений на внешний ЖК-дисплей вам понадобится следу- ющее оборудование. Количество Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno М2 1 USB-кабель типа А или В (обычно используется для подключения принтера к компьютеру) 1 Плата расширения с ЖК-дисплеем М18 Монтаж устройства Вам не придется прилагать много усилий для сборки этого устройства. Достаточно надеть плату расширения с ЖК-дисплеем на плату Arduino, а затем подключить последнюю к USB-порту компьютера. Программное решение Исходный код проекта также не вызывает трудностей. Как и ранее, боль¬ шая часть функциональных возможностей программы скрыта в библиотеках.
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 199 // LCD_messageboard tinclude <LiquidCrystal.h> // Дисплей LiquidCrystal подключается к таким выводам: // rs к выводу 8 // rw к выводу 11 // включение через вывод 9 // d4-7 к выводам 4-7 LiquidCrystal led(8, 11, 9, 4, 5, б, 7); void setup() { Serial.begin(9600); led.begin(2, 16); led.clear(); led.setCursor(0,0); led.print("Hacking"); led.setCursor(0,1); led.print("Electronics"); } void loop() { if (Serial.available()) { char ch = Serial.read(); if (ch == '#') { led.clear(); } else if (ch == ' /') { led.setCursor(0,1); } else { led.write(ch); } } } В случае использования платы расширения с ЖК-дисплеем другой моде¬ ли или производителя сверьтесь с документацией, чтобы узнать, какие в точ¬ ности выводы используются для подключения ее к плате Arduino. В отдель¬ ных случаях вам может понадобиться изменить следующую строку кода: LiquidCrystal lcd(8, 11, 9, 4, 5, б, 7); В качестве параметров, указанных в скобках, используются номера вы¬ водов (RS, RW, Е, D4, D5, D6, D7), которыми плата расширения подключается к плате Arduino. Обратите внимание, что далеко не во всех платах расши¬ рения имеется вывод RW. Если ваш ЖК-дисплей смонтирован именно на
200 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей такой плате, то указывайте номер вывода, не используемый ни для каких других целей. В основной программе считывается текст, введенный в окне монитора последовательного порта. Если введен символ диез (#), то содержимое ди¬ сплея очищается. Символ косой черты (/) определяет место перехода на вторую строку. В любых других случаях на дисплее отображаются в точно¬ сти те символы, что введены в окне монитора последовательного порта. Например, для вывода на дисплее текста, показанного на рис. 6.28, в ок¬ не монитора порта вам нужно ввести следующее: #Hacking/Electronics Обратите внимание, что для указания положения, с которого начнет¬ ся вывод текста на ЖК-дисплей, используется функция led. setCursor (). Непосредственный вывод текста осуществляется функцией led. write (). Управление сервоприводом Сервопривод представляет собой устройство, состоящее из электрод¬ вигателя, редуктора и датчика обратной связи. Чаще всего сервоприводы применяются в системах рулевого управления летательных аппаратов и моделей автомобилей, снабжаемых дистанционным управлением. Они от¬ личаются от обычных электродвигателей тем, что их вал не вращается не¬ прерывно. За исключением устройств специального типа, вал стандартных сервоприводов поворачивается только на угол 180 градусов, но делает это с определенной шаговостью. Угол поворота сервопривода регулируется дли¬ тельностью подаваемых на его вход импульсов. На рис. 6.30 вы можете ви¬ деть, как угол поворота вала сервопривода зависит от длительности управ¬ ляющего импульса. Как легко заметить, сервопривод снабжен всего тремя выводами: общий (GND), питание (от 5 до 6 В) и управляющий или сигналь¬ ный вывод. Вывод GND обычно оснащается коричневым или черным про¬ водом, питание подается по красному проводу, а управляющий сигнал — по оранжевому или желтому. 1,00 мс 1,25 мс 1,50 мс 1,50 мс 1,75 мс 2,00 мс Рис. 6.30. Управление сервоприводом осуществляется импульсными сигналами
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 201 Управляющие импульсы имеют небольшую силу тока. Сервопривод ожи¬ дает получения управляющих импульсов примерно каждые 20 мс. Крайнее правое положение вала сервопривода наблюдается при импульсах длитель¬ ностью более 2,0 мс. При подаче импульсов длительностью 1,5 мс вал сер¬ вопривода находится в среднем положении. При более коротких импульсах вал сервопривода удерживается в крайнем левом положении. Необходимое оборудование Тестирование сервопривода, подключенного к Arduino, предполагает на- личие такого оборудования. Количество Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno/Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo 1 Сервопривод, 9g НЮ 1 Переменный резистор, 10 кОм K1.R1 Проволочные перемычки или одножильные провода Тб Монтаж устройства Как видно на рис. 6.31, сервопривод подключается к плате Arduino с по¬ мощью проволочных перемычек. Перед тем как подключать сервопривод к шине питания 5 В платы Arduino, удостоверьтесь, что она обеспечивает ток требуемой силы. Микро- Рис. 6.31. Подключение сервопривода к плате Arduino
202 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей контроллер прекрасно справляется с подачей питания на небольшие серво¬ приводы, такие как 9g, показанный на рис. 6.31. В конечное устройство включен небольшой потенциометр, который ис¬ пользуется для точной подстройки сервопривода. Его средний (управляю¬ щий) вывод подключен к контакту А1 платы, а подача напряжения питания (5 В) и заземление переменного резистора реализованы через выводы АО и А2 соответственно. Программное решение Интегрированная среда разработки Arduino поддерживает специальную библиотеку, предназначенную для генерации управляющих импульсов для сервоприводов. С помощью этой библиотеки в рассмотренной ниже про¬ грамме угол поворота вала сервопривода устанавливается в результате по¬ ворота регулятора потенциометра. // servo #include <Servo.h> int gndPin = AO; int plusPin = A2; int potPin = 1; int servoControlPin = 2; После определения выводов, которые задействованы в создаваемом нами устройстве управления, в программе необходимо объявить об исполь¬ зовании библиотеки servo и создании соответствующего объекта. Servo servo; В функции setup () традиционно настраиваются выводы, с помощью ко¬ торых реализуется управление сервоприводом. Управление объектом servo происходит через вывод servoControlPin. void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); servo.attach(servoControlPin); } В функции loop () сначала определяется напряжение на выводе А1, зави¬ сящее от положения регулятора потенциометра (представляется числовым значением от 0 до 1023). Чтобы преобразовать полученное значение в угол (в диапазоне от 0 до 170 градусов), его необходимо разделить на 6. Именно на такой угол повернется вал сервопривода при заданном положении регу¬ лятора переменного резистора. void loop() { int potPosition = analogRead(potPin); // 0 -- 1023
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 203 int angle = potPosition / 6; // 0 — 170 servo.write(angle); Подключение массива светодиодов к Arduino Как легко заметить, плата Arduino снабжена большим количеством пор¬ тов ввода-вывода. Если перед вами стоит задача управления огромным ко¬ личеством светодиодов, то их можно легко подключать сразу к нескольким выводам, предварительно объединив в своего рода массив. Эта техника весьма распространена и получила название чарлиплексинг, по имени ее разработчика, Чарли Аллена, сотрудника компании Maxim. В предложен¬ ной им методике активно используется способность микроконтроллеров, в том числе и находящегося на плате Arduino, программным образом изме¬ нять режим работы выводов ввода-вывода на противоположный. На рис. 6.32 показана схема подключения шести светодиодов сразу к трем выводам платы Arduino. Рис. 6.32. Схема подключения массива светодиодов к выводам платы Arduino Уровни цифровых сигналов, которые нужно подать на выводы платы Arduino, чтобы зажечь те или иные светодиоды, представлены в табл. 6.2. Светодиод Вывод 1 Вывод 2 Вывод 3 А Высокий Низкий Вход Б Низкий Высокий Вход В Вход Высокий Низкий Г Вход Низкий Высокий Д Высокий input Низкий Е Низкий Input Высокий
204 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Количество светодиодов, которыми микроконтроллер может управлять при таком типе подключения, рассчитывается по следующей формуле: N = п2 - п, где N— количество светодиодов; ап— количество выводов, к которым под¬ ключается массив светодиодов. Таким образом, при подключении массива светодиодов сразу к четы¬ рем выводам платы Arduino он должен состоять из 4x4-4 =12 светодиодов. Если вы рассчитываете задействовать для этих целей все 10 выводов платы микроконтроллера, то матрица будет состоять из 90 светодиодов, правда, разобраться в таком нагромождении соединений будет весьма непросто. Нет ничего удивительного в том, что при увеличении количества све¬ тодиодов, подключаемых к плате Arduino согласно представленной схеме, сложность последней сильно возрастает. И не только потому, что требует тщательного согласования последовательности включения отдельных све¬ тодиодов в заданном порядке. Вам придется максимально ответственно по¬ дойти к обеспечению питанием всей цепочки светодиодов в каждом рабо¬ чем цикле. При этом нужно также учесть, что из-за небольшой длительно¬ сти каждого рабочего цикла светодиоды не будут успевать набирать макси¬ мальную яркость, что визуально будет проявляться в их затухании. Чтобы компенсировать недостаточную светимость, вам придется увеличить ток, проходящий через них, выше расчетного уровня, что неизбежно вызовет увеличение пикового энергопотребления в течение коротких промежутков времени. Это часто приводит к уменьшению срока службы оборудования, поскольку если микроконтроллер по какой-либо причине замедлит ход вы¬ полнения операций, то чрезмерный ток в течение длительного периода времени приведет к гарантированному выходу светодиодов из строя. Необходимое оборудование Чтобы построить электрическую схему управления шестью светодиода¬ ми согласно описанной выше методике, вам понадобится следующее обору¬ дование. Количество Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno/ Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo 6 Светодиод S11 3 Резистор, 220 Ом К2 Проволочные перемычки или одножильные провода Тб
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 205 Монтаж оборудования Чтобы реализовать описанный выше способ подключения светодиодов к плате микроконтроллера, вам однозначно понадобится макетная плата (рис. 6.33). Рис. 6.33. Монтаж подключенных к Arduino светодиодов на макетной плате Схематически компоненты предложенной конструкции располагаются на макетной плате так, как показано на рис. 6.34. Собирая прототип уст¬ ройства, предельно внимательно относитесь к расположению светодиодов на беспаечной макетной плате; не забывайте, что это полярные устройства. Резисторы соединяют макетную плату с выводами D12, D11 hD10 платы Arduino. Выводы резисторов лучше удерживаются в гнездах платы Arduino, если их концы перед установкой согнуть зигзагообразно с помощью плоско¬ губцев. Компоненты на макетной плате располагаются очень близко друг к другу, поэтому лучше приобрести 3-миллиметровые светодиоды.
206 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 6.34. Схема монтажа массива светодиодов, управляемых из платы Arduino Программное решение Загрузите программу charlieplexing в микроконтроллер платы Arduino и запустите ее. Вы должны наблюдать поочередное свечение светодиодов в порядке от А до Е (согласно показанной на рис. 6.32 электрической схеме). В начале исходного кода назначаются выводы платы Arduino, к которым подключается вся электрическая цепь и которые применяются для управ¬ ления массивом светодиодов. // чарлиплексинг int pinl = 12; int pin2 = 11; int pin3 = 10;
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 207 Состояния выводов, которые применяются для управления светодиода¬ ми согласно табл. 6.2, хранятся в массиве pinStates. Каждый элемент это¬ го массива также представляет собой массив из трех элементов, указыва¬ ющих одномоментное состояние каждого из трех управляющих выводов. Значение 1 соответствует подаче на управляющий вывод напряжения вы¬ сокого уровня (HIGH), значение 0 указывает на подачу на вывод напряжения низкого уровня (low), а значение -1 переводит управляющий вывод в режим входа (input). int pinStates[][3] = { {1, 0, -1}, // А {0, 1, -1}, // Б {-1, 1, 0}, // В {-1, 0, 1}, // Г {1, -1, 0}, // Д {0, -1, 1} // Е }; Поскольку состояния управляющих выводов изменяются в процессе вы¬ полнения основного кода программы, в функции setup () никакие предва¬ рительные настройки не проводятся. Тем не менее сама функция должна присутствовать в исходном коде даже в случае ее ненадобности. void setup() { } В основной части программы циклически перебираются все светодиоды и с помощью функции set Pins управляющим выводам платы последова¬ тельно назначаются рабочие состояния, соответствующее положению све¬ тодиодов в исходном массиве. void loop() { for (int i = 0; i < 6; i++) { setPins(pinStates[i][0], pinStates[i][1], pinStates[i][2]); delay(1000); } } Функция setPins () очень простая; ее задача сводится к установке состо¬ яний каждого управляющего вывода, переданного ей в качестве параме¬ тров. Большая часть значимых операций этой функции все же выполняет¬ ся вызываемой внутри нее функцией setPin (). void setPins(int pi, int p2, int p3) { setPin(pinl, pi); setPin(pin2, p2); setPin(pin3, p3);
208 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Несложно догадаться, что функция setPin () устанавливает состояние (второй аргумент) вывода, передаваемого ей в качестве первого аргумента. Если для вывода указано значение -1, то он переводится в состояние входа (INPUT). В противном случае, что соответствует значению 1 или 0 второго аргумента, вывод переводится в состояние выхода (OUTPUT). На самом вы¬ воде устанавливается уровень напряжения, определенный вторым аргу¬ ментом функции setPin (), для чего применяется стандартная функция digitalWrite (). void setPin(int pin, int value) { if (value == -1) { pinMode(pin, INPUT); } else { pinMode(pin, OUTPUT); digitalWrite(pin, value); } } Автоматический ввод паролей Клавиатуры, подключаемые через USB-порт, невозможно использовать в Arduino Uno, поэтому в текущем проекте нам понадобится другой тип микроконтроллерной платы: Arduino Leonardo. На рис. 6.35 показано устройство, которое мы планируем собрать. После нажатия большой кнопки программа, загруженная в Arduino Leo¬ nardo, введет определенный в ней пароль, независимо от места текущего расположения курсора. Необходимое оборудование В текущем проекте нам потребуется совсем немного компонентов. Количество Оборудование Код в приложении 1 Arduino Leonardo М21 1 USB-кабель для подключения Arduino Leonardo 1 Кнопка большого размера Н15 Соединительные провода 17 Монтаж устройства Припаяйте проволочные выводы к кнопке или переключателю, а их про¬ тивоположные концы скрутите так, чтобы можно было воткнуть в гнезда
ГЛАВА 6. Основы работы с Arduino 209 платы Arduino. Один из выводов переключателя соедините с цифровым вы¬ водом 2, а второй — с общим проводом (GND). Рис. 6.35. Устройство автоматического ввода пароля на базе Arduino Leonardo Загрузите и выполните в Arduino Leonardo программу password. Учтите, что при программировании Arduino Leonardo вам может понадобиться не¬ сколько раз нажать кнопку сброса платы до появления в интегрированной среде разработки сообщения uploading. Чтобы успешно выполнить проект, установите указатель мыши в поле ввода пароля и нажмите кнопку. Учтите, что текущий проект просто демон¬ стрирует возможности платы Arduino Leonardo; в готовых решениях он не применяется, так как не имеет особого смысла. Злоумышленник сможет легко узнать ваш пароль, запустив текстовый редактор и нажав на кнопку. Поскольку сам пароль мы не вводим, процедура его подтверждения, реали¬ зованная в программе, с точки зрения безопасности подобна приклеива¬ нию на монитор стикера, на котором пароль указан в явном виде! Загружаемая в Arduino Leonardo программа очень простая. В самом на¬ чале в ней объявляется переменная для хранения пароля. При необходимо¬ сти вы можете изменить указанный пароль на любой другой, в чем, опять- таки, мало смысла. Далее в коде определяется вывод, к которому подключа¬ ется кнопка. // Пароль. // Только для Arduino Leonardo. Программное решение
210 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей char* password = "mysecretpassword"; const int buttonPin = 2; В Arduino Leonardo обеспечивается поддержка клавиатур и других ука¬ зательных устройств, что невозможно в других типах плат Arduino. Именно поэтому в функции setup () можно смело вызывать метод Keyboard. begin () объекта Keyboard. void setup() { pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP); Keyboard.begin(); } В основной части программы сначала считывается состояние кнопки, для чего применяется функция digitalRead (). Если кнопка распознается как нажатая, то в Arduino Leonardo вызывается метод Keyboard.print (), который отвечает за ввод пароля. Сразу после отправки пароля в програм¬ ме устанавливается задержка, предотвращающая его повторный ввод. void loop () { if (! digitalRead(buttonPin)) { Keyboard.print(password); delay(2000); } } Резюме В этой главе вы начали знакомство с микроконтроллерной платформой Arduino и ее функциональными возможностями. Перед вами раскрывают¬ ся необычайно широкие возможности по конструированию электронных устройств самого высокого уровня сложности. Формат настоящей книги, к сожалению, позволяет познакомить вас только с самыми простыми функ¬ циями платы. Без знаний языка программирования, на котором создаются “скетчи” для Arduino, невозможно чувствовать себя свободно при использовании микроконтроллеров в электронных проектах. Детально о программирова¬ нии в среде Arduino вы сможете узнать из других книг и специальных ин¬ тернет-ресурсов. Официальный сайт Arduino, www.arduino.сс, содержит массу полезной информации по использованию этой платы в любительских проектах. На нем вы найдете техническую документацию к Arduino, а также описание поддерживаемых ею команд и библиотек.
Глава 7 Подключаемое оборудование В собственных проектах вы можете использовать огромное количество современных электронных устройств самого разного уровня сложно¬ сти, функциональные возможности которых поражают воображение. Чаще всего они выполнены на отдельной печатной плате небольшого размера, снабженной удобными разъемами для подключения к другому оборудова¬ нию. Обычно на них размещаются микросхемы и элементы поверхност¬ ного монтажа, которые невозможно подключить к управляющим устрой¬ ствам без использования специальных монтажных плат. Многие из таких устройств оснащаются собственными микроконтроллерами, подобными тому, который находится на плате Arduino. В этой главе вы познакомитесь с некоторыми устройствами, подклю¬ чаемыми к микроконтроллерной плате, реализованными в виде внешних модулей. Основными поставщиками подобного оборудования для Arduino традиционно выступают SparkFun и Adafruit; подавляющее большинство их устройств имеют открытую аппаратную архитектуру. Вы легко добудете принципиальные электрические схемы всех используемых в наших проек¬ тах устройств, что позволит вам создавать собственные решения с заранее определенными характеристиками и функциональными возможностями. При использовании внешних модулей в устройствах, управляемых ми¬ кроконтроллерами, вам не обойтись без их электрических схем и докумен¬ тации с подробным описанием технических характеристик. При выборе таких устройств для собственных проектов обращайте пристальное внима¬ ние на следующие моменты. ■ Какое напряжение питания необходимо внешнему модулю для обес¬ печения нормальной работы? ■ Какой ток потребляет устройство? ■ Какие сигналы подаются на его выходы? Пассивный инфракрасный датчик движения Пассивные инфракрасные датчики (Passive Infrared — PIR) движения ча¬ сто применяются в сигнализаторах проникновения и автоматических сис¬ темах безопасности. Они определяют движение по изменению уровня ин¬ фракрасного излучения, которое распознают в рабочей области перед со¬ бой. Они дешевы в производстве и просты в использовании. В текущем проекте мы применим пассивный инфракрасный (ИК) датчик движения как переключатель цепи питания светодиода. Вы узнаете, как
212 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей его правильно подключить к плате Arduino и как выводить предупреждаю¬ щее сообщение на монитор последовательного порта. Необходимое оборудование (без контроллера) Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Модуль пассивного ИК-датчика, 5-9 В М5 1 D1 Светодиод К1 1 R1 Резистор, 470 Ом К2 1 Беспаечная макетная плата Т5 Проволочные перемычки или обычные одножильные провода T6 1 Держатель для батареек, 4хАА Н1 1 Батарейки, 4хАА 1 Колодка батарейного блока Н2 Макетная плата На рис. 7.1 показана электрическая схема проекта. В технической документации к нашему датчику сказано, что он поддер¬ живает напряжение питания от 5 до 7 В, поэтому нам понадобится блок из четырех батареек формата АА. Рис. 7.1. Электрическая схема устройства, совмещающего пас¬ сивный инфракрасный датчик движения и светодиод Модуль датчика предельно прост в подключении. Вам нужно подать на него указанное выше напряжение питания и следить за сигналом на выхо¬ де. Как только датчик распознает движение в рабочей области, на его выхо¬
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 213 де будет наблюдаться напряжение высокого уровня. Спустя несколько се¬ кунд напряжение на выходе понизится до низкого уровня. В документации к датчику также указано, что ток на выходе может со¬ ставлять до 10 мА. Не очень много, но достаточно, чтобы заставить зажечь¬ ся светодиод. Для ограничения тока через светодиод используется резистор с сопротивлением 470 Ом. I = U/R = (6 В-2 В)/470 Ом = 4/470 = 8,5 мА На рис. 7.2 показана схема монтажа устройства на макетной плате, а на рис. 7.3 — фотография работающего прототипа. Рис. 7.2. Монтажная схема устройства, совмещающего пассивный ИК-датчик и светодиод Модуль пассивного ИК-датчика оснащен тремя выводами, которые обо¬ значены как +5V (питание), GND (общий) и OUT (выход). В комплект его поставки входят соединительные провода красного, черного и желтого (или белого) цветов. Красным проводом нужно соединить вывод питания Arduino с выводом +5V датчика, черным проводом модуль подключается к общему проводу, а желтый (белый) используется как сигнальный вывод. При подаче на прототип устройства питания светодиод будет кратков¬ ременно загораться каждый раз при распознавании датчиком движения. Зная, как работает пассивный ИК-датчик движения, вы можете подклю¬ чить его к плате Arduino. Необходимое оборудование (подключение к Arduino) Для подключения пассивного ИК-датчика движения к Arduino вам не по¬ надобится специальное оборудование.
214 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 7.3. Устройство, извещающее о срабатывании пассивного инфракрасного датчика свечением светодиода Количество Оборудование Код в приложении 1 Пассивный инфракрасный датчик движения, 5-9 В М5 1 Arduino Uno/Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo Монтаж устройства На рис. 7.4 показана электрическая схема создаваемого устройства, а на рис. 7.5 — фотография ИК-датчика, подключенного к плате Arduino. Чтобы провода, идущие от модуля датчика, не вываливались из гнезд пла¬ ты Arduino, согните их концы в виде зигзага несколько раз, создав своего рода утолщение. Перед тем как перейти к следующему этапу, на котором будет выполняться управляющая программа, временно отключите про¬ вод, идущий на плату Arduino от сигнального вывода модуля пассивного ИК-датчика. Причина очень проста: вы не знаете, какая программа уже загружена в микроконтроллер. Вполне возможно, что в ней вывод номер 7 платы Arduino переведен в состояние выхода. Если предварительно не от¬
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 215 ключить его от пассивного ИК-датчика, то автоматически выполняемая программа может вызвать поломку электронного оборудования модуля. Рис. 7.4. Электрическая схема подключения пас¬ сивного ИК-датчика к Arduino Рис. 7.5. Пассивный ИК-датчик, подключенный к Arduino Программное решение Загрузите программу pir warning сначала в среду разработки, а затем в Arduino и только после этого соедините вывод OUT датчика с выводом но¬ мер 7 платы Arduino.
216 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей В окне монитора последовательного порта (рис. 7.6) каждый случай рас¬ познавания движения регистрируется с указанием точного времени собы¬ тия. Для особо озабоченных безопасностью — оставьте устройство вклю¬ ченным на время отсутствия за рабочим столом, и вы будете точно знать время и количество актов проникновения в ваши пенаты посторонними! Рис. 7.6. Монитор последовательного порта выводит извещения при обнаружении движения Программа управления модулем пассивного ИК-датчика не особо замы¬ словатая. // pir_warning int pirPin = 7; void setup() { pinMode(pirPin, INPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { if (digitalRead(pirPin)) { int totalSeconds = millisO / 1000; int seconds = totalSeconds % 60; int mins = totalSeconds / 60; Serial.print(mins); Serial.print(":"); if (seconds < 10) Serial.print("0"); Serial.print(seconds); Serial.println("tMOVEMENT DETECTED"); delay(10000); } Единственная неизвестная вам по предыдущим проектам Arduino мето¬ дика программирования, используемая в приведенном выше “скетче”, за¬
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 217 ключается в определении временных интервалов, которые вычисляются с момента возникновения определенных событий. В этом “скетче” используется встроенная в среду разработки Arduino функция mi 11 is (), возвращающая время в миллисекундах, которое прошло с момента последнего перезапуска микроконтроллера. Оно переводится в минуты и секунды, которые и отображаются в окне последовательного пор¬ та при выводе сообщения об обнаружении движения. Последнее действие выполняется с помощью оператора println, заставляющего отображать любой последующий текст с новой строки. Специальный параметр t оператора println представляет символ табу¬ ляции, который применяется для выравнивания текстовых строк. Ультразвуковой датчик расстояния В ультразвуковых дальномерах для определения расстояния до объекта используется эффект отражения ультразвуковых волн (звуковых колеба¬ ний очень высокой частоты, которые невозможно услышать человеческим ухом) от удаленных преград. Вычислив время, за которое сигнал прохо¬ дит до объекта и возвращается обратно, вы легко вычислите проходимое им расстояние. На рис. 7.7 схематически показаны разные типы эхоло¬ каторов. Слева показан дешевый (стоимостью меньше 5 долларов) модуль УЗ-датчика расстояния, оснащенный раздельными передатчиком и прием¬ ником эхо-сигнала. Справа вы видите модуль подороже (его стоимость до¬ стигает 25 долларов), производства компании MaxBotix Inc., имеющий на¬ много более широкие функциональные возможности. Рис. 7.7. Ультразвуковые датчики расстояния Протестируем работоспособность каждой из моделей, поочередно под¬ ключив их к Arduino. Ультразвуковые дальномеры работают так же, как эхолокаторы, уста¬ навливаемые на морских кораблях, и гидролокаторы, которыми оснащают¬ ся подводные лодки. Передатчик излучает ультразвуковые волны, которые по достижении объекта отражаются от него, и замеряет время, за которое
218 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей отраженный эхо-сигнал вернется в приемник устройства. Так как скорость звука в среде, в которой он распространяется (в данном случае воздух), хо¬ рошо известна, то вычислить расстояние, которое прошла звуковая волна за время, через которое приемник зарегистрирует возвращение сигнала, не вызывает особых трудностей (рис. 7.8). В наших датчиках звуковые волны имеют очень высокую частоту, поэ¬ тому и называются ультразвуковыми. Чаще всего рабочая частота таких датчиков составляет 40 кГЦ. Чтобы оценить ее значение, достаточно знать, что только немногие из людей способны расслышать звуковые колебания частотой 20 кПд. Рис. 7.8. Принцип работы ультразвукового датчика расстояния Необходимое оборудование Чтобы опробовать модули с обоими УЗ-датчиками расстояния, вам по¬ надобится специальное оборудование. Количество Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno/ Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo 1 Датчик расстояния MaxBotix LV-EZ1 Мб 1 Датчик расстояния HC-SR04 М 7 1 Беспаечная макетная плата Т5 Проволочные перемычки или просто одножильные провода Тб Датчик расстояния HC-SR04 При использовании этого датчика вместе с Arduino вам придется выпол¬ нить значительно больше действий, чем в случае применения более дорогого
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 219 модуля от компании MaxBotix. Тем не менее у него есть свои преимущест¬ ва — он монтируется непосредственно на разъемную колодку Arduino, а об¬ работка отправляемого и принимаемого сигналов ведется через отдельные выводы, а не один совмещенный, как в случае модуля компании MaxBotix (рис. 7.9). Рис. 7.9. Датчик HC-SR04, подключенный к Arduino Загрузите программу range finder budget в плату Arduino, а затем под¬ ключите к ней дальномер HC-SR04, как показано на рис. 7.9. Отобразив на экране окно монитора последовательного порта, вы увиди¬ те постоянно удлиняющийся список расстояний, выраженных в дюймах, подобный показанному на рис. 7.10. Поверните УЗ-датчик расстояния в другом направлении так, чтобы ближайшие к нему объекты располагались дальше, чем в исходном положении. Убедитесь, что выводимые на экран числовые значения соответствуют реальным расстояниям (легко проверят¬ ся измерительной рулеткой). Все основные действия программы, загруженной в Arduino, выполняют¬ ся в функции takeSounding cm (). Сначала в ней дается указание отправить сигнал длительностью 10 мс на управляющий вывод модуля ультразвуко¬ вого датчика, а затем с помощью встроенной в среду разработки Arduino функции pulse In () рассчитывается время, через которое дальномером ре¬ гистрируется эхо-сигнал (на соответствующем выводе возникает сигнал высокого уровня).
220 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 7.10. Расстояния до объекта перед датчи¬ ком, выводимые в окне монитора по¬ следовательного порта // range_finder_budget int trigPin = 9; int echoPin = 10; int gndPin = 11; int plusPin = 8; int lastDistance = 0; void setup() { Serial.begin(9600) ; pinMode(trigPin, OUTPUT); pinMode(echoPin, INPUT); pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); } void loop() { Serial.println(takeSounding_in()); delay(500); } int takeSounding_cm() { digitalWrite(trigPin, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trigPin, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trigPin, LOW);
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 221 delayMicroseconds(2); int duration = pulseln(echoPin, HIGH); int distance = duration / 29 / 2; if (distance > 500) { return lastDistance; } else { lastDistance = distance; return distance; } } int takeSounding_in() { return takeSounding_cm() *2/5; } Для получения конечного результата нам необходимо преобразовать время, представленное в миллисекундах, в расстояние, выражаемое в сан¬ тиметрах. Если отраженный сигнал так и не был зарегистрирован (перед датчиком на рабочем расстоянии объекты не располагаются, или отражен¬ ный сигнал проходит мимо приемника), то время получения сигнала счи¬ тается очень большим, а потому расстояние определяется как чрезмерно большое. Чтобы игнорировать измерения, которые приводят к результату, боль¬ шему 5 м, в случае обнаружения излишне удаленных объектов выводится последнее допустимое расстояние. Скорость звука в сухом воздухе при температуре 20 градусов Цельсия равна приблизительно 343 м/с, или 34 300 см/с. Ее также можно представить как 34 300/1 000 000 см/мкс = 0,0343 см/мкс. Или как обратную величину, 1 /0,0343 мкс/см = 29,15 мкс/см. Таким образом, за время 29,15 микросекунды звук в воздухе с указанны¬ ми выше характеристиками пройдет расстояние 10 см. В функции takeSounding_cm() мы оперируем округленным значением, 29 мс, а также делим полученный результат на 2, поскольку измеренное нами расстояние складывается из двух — от датчика к объекту и от объекта к датчику. Как вам, скорее всего, известно, на скорость звука в воздухе влияет ог¬ ромное количество факторов, поэтому рассмотренный нами случай част¬ ный и не претендует на абсолютную точность. В нем даже не учитываются два основных погодных фактора, влияющих на скорость звука в воздухе: влажность и температура. Датчик MaxBotix LV-EZ1 Модуль дальномера HC-SR04 снабжен несколько иным интерфейсом, в котором за обработку отправляемого и возвращающегося сигнала отвечает
222 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей всего один вывод. Вначале нам нужно подать на управляющий вывод сиг¬ нал на генерацию ультразвуковой волны, а затем считать с него же сигнал, генерируемый датчиком при возвращении звукового эхо-сигнала. В отличие от предыдущего случая, дальномер компании MaxBotix вы¬ полняет большую часть работы автоматически. Полученное им расстояние выводится не менее чем тремя способами: ■ как последовательно передаваемые данные; ■ уровнями выходного напряжения (Ц,с/512)/дюйм; ■ длительностью импульсов (147 мкс/дюйм). В нашей программе реализован второй метод считывания показаний датчика расстояния — по величине выходного напряжения (аналоговый способ). Выражение (7сс/512 на дюйм указывает на количество распозна¬ ваемых уровней напряжения и точность проводимых устройством измере¬ ний. Таким образом, если объект находится на расстоянии 10 дюймов (око¬ ло 25 см) от датчика, то аналоговое напряжение на его выходе будет равно следующему: 10 дюймов х 5 В/512 = 0,098 В Модуль компании MaxBotix снабжен слишком большим количеством вы¬ водов, чтобы монтироваться непосредственно на плату Arduino, поэтому нам понадобятся беспаечная макетная плата и навесные провода. Конечный вид прототипа устройства показан на рис. 7.11, а на рис. 7.12 представлена монтажная схема подключения датчика расстояния к Ar¬ duino с использованием макетной платы. Загрузите программу range f inder maxsonar в плату Arduino и только после этого подключите модуль дальномера так, как показано на рис. 7.11. Данный “скетч” намного проще предыдущего, поскольку для определе¬ ния расстояния достаточно получить аналоговое значение, считываемое с датчика (в диапазоне от 0 до 1023), и разделить его на два. // range_finder_maxsonar int readingPin = 0; int lastDistance = 0; void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() { Serial.println(takeSounding_in()); delay(500); } int takeSounding_in() { int rawReading = analogRead(readingPin);
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 223 return rawReading / 2; } int takeSounding_cm() { return takeSounding_cm() *5/2; } Рис. 7.11. Датчик LV-EZ1 компании MaxBotix, подключенный к Arduino При отображении результата в окне монитора последовательного пор¬ та вы получите такой же поток числовых значений, как и в предыдущем случае. Обратите внимание: для большего удобства в обеих программах поддер¬ живается вывод числовых значений как в метрической, так и в британской системе исчисления. Модуль дистанционного управления Наверняка не стоит самому изобретать устройства дистанционного уп¬ равления, поскольку уже давно производятся готовые аппаратные реше¬ ния стоимостью в несколько долларов (рис. 7.13), которые обладают опти¬ мальным набором функциональных возможностей.
224 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 7.12. Схема подключения датчика LV-EZ1 компании MaxBotix к плате Arduino Выбранный нами модуль легко приобрести на аукционах. Плата, под¬ ключаемая к микроконтроллеру, дополняется удобным брелоком, который снабжается четырьмя кнопками, обеспечивающими обратную связь с базо¬ вым устройством. С помощью этих кнопок вы можете переключать состо¬ яние четырех цифровых выводов приемника, управляемого через Arduino. Будьте готовы к тому, что модули дистанционного управления осна¬ щаются не цифровыми выводами, а реле. В отдельных случаях это сильно упрощает рабочую схему электронных устройств, оснащаемых пультами или брелоками. В нашем первом проекте мы воспользуемся модулем дистанционного управления для включения светодиода, что реализуется без участия ми¬ кроконтроллера. Проект следующего раздела несколько сложнее, посколь¬ ку требует для управления модулем дистанционного управления запуска в Arduino специальной программы.
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 225 Рис. 7.13. Модуль дистанционного управления, смонтированный на макетной плате Необходимое оборудование Для тестирования модуля дистанционного управления без использова¬ ния Arduino вам понадобится следующее оборудование. Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Беспаечная макетная плата Т5 Проволочные перемычки Тб 1 Набор компонентов дистанционного управления М8 1 D1 Светодиод К1 1 R1 Резистор, 470 Ом К2 1 Держатель для батареек, 4хАА Н1 1 Колодка батарейного блока Н2 4 Батарейки формата АА Макетная плата Схема подключения оборудования текущего проекта показана на рис. 7.14. При необходимости вы можете добавить в нее еще три светодио¬ да, оснастив ими каждый из доступных каналов.
226 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 7.14. Схема устройства тестирования модуля дистанционного управления В технической документации к модулю дистанционного управления приведено описание назначений выводов (табл. 7.1). ТАБЛИЦА 7.1. Выводы приемника модуля дистанционного управления Номер Обозначение Назначение 1 V, Питание, от 4,5 до 7 В 2 VT Переключатель напряжения (не требует установки соединения) 3 GND Общий 4 D3 Цифровой вывод 3 5 D2 Цифровой вывод 2 6 D1 Цифровой вывод 1 7 DO Цифровой вывод 0 Модуль приемника располагается на макетной плате первым выводом вверх; навесные соединения показаны на монтажной схеме рис. 7.14. Вот и все! Просто, не правда ли? Поочередное нажатие кнопки А долж¬ но приводить к включению и выключению светодиода. При необходимости можете добавить в устройство тестирования дистанционного управления дополнительные светодиоды, по одному на каждый канал, или протести¬
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 227 ровать имеющимся светодиодом все четыре канала, последовательно пере¬ подключая его к каждому выводу. Управление модулем дистанционного управления из Arduino Если вы готовы пожертвовать одним из четырех каналов модуля дистан¬ ционного управления, представленного в предыдущем разделе, то смонти¬ руйте его приемник непосредственно на разъемную колодку (выводы А0-А5) платы Arduino (рис. 7.15). Рис. 7.15. Модуль дистанционного управления, подключенный к плате Arduino Необходимое оборудование Тестирование модуля дистанционного управления с помощью Arduino требует использования следующего оборудования. Количество Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno/ Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo 1 Набор компонентов дистанционного управления М8 Перед подключением приемника модуля дистанционного управления к Arduino загрузите в микроконтроллер программу гf remote.
228 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Программное решение После загрузки в Arduino “скетча”, подключения к ней приемника и ото¬ бражения на экране монитора последовательного порта вы увидите набор числовых значений, подобных показанным на рис. 7,16. Рис. 7.16. Сообщения в окне монитора последо¬ вательного порта Программа работает таким образом, что информация о состоянии каж¬ дого канала представляется значением 1 или О. Каналом кнопки А мы по¬ жертвовали в угоду удобства монтажа (канал деактивирован). Нажатие остальных кнопок идентифицируется по выводимому числовому значению и расположению цифр в нем. // rf_remote int gndPin = АЗ; int plusPin = A5; int bPin = A2; int cPin = Al; int dPin = AO; void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); pinMode(bPin, INPUT); pinMode(cPin, INPUT); pinMode(dPin, INPUT); Serial.begin(9600); }
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 229 void loop () { Serial.print(digitalRead(bPin)); Serial.print(digitalRead(cPin)); Serial.println(digitalRead(dPin)); delay(500); } Приемник модуля дистанционного управления потребляет слабые токи, поэтому питания с цифрового выхода платы Arduino ему вполне хватит для поддержания работоспособности. В таком способе подключения есть еще одно преимущество, которое заключается в возможности быстрого выклю¬ чения устройства ради экономии энергии путем подачи на вывод питания модуля (обозначен знаком “+”) напряжения низкого уровня. Управление электродвигателем с помощью МОП-транзистора Настоящий раздел несколько выбивается из общей тематики текущей главы, поскольку МОП-транзисторы относятся к компонентам, а не элек¬ тронным модулям. Но, если учитывать, что они используются в контролле¬ рах, предназначенных для управления электродвигателями, то становится понятным, почему мы рассматриваем их в том числе и в этой главе. Вы впервые познакомились с МОП-транзисторами в главе 3. Их выде¬ ляют в отдельный тип транзисторов, поскольку они позволяют эффектив¬ но управлять электрическими цепями, в которых протекают сильные токи. Под эффективностью подразумевается быстрое и безотказное срабатыва¬ ние в качестве электронных переключателей. У них очень низкое внутрен¬ нее сопротивление во “включенном” состоянии и очень высокое — в “вы¬ ключенном”. Возвращаясь к главе 6, давайте вспомним, что такое широтно-импульс¬ ная модуляция (ШИМ) и как она использовалась для управления яркостью светодиода. ШИМ позволяет имитировать подачу на светодиод аналогового сигнала, для чего у высокочастотного цифрового сигнала изменяется дли¬ тельность импульсов. Такая технология нашла широкое применение и для управления электродвигателями. Но, в отличие от светодиодов, электродви¬ гателям для обеспечения нормальной работоспособности необходимы токи намного большей величины, заведомо недостижимой для выводов платы Arduino уровня. При создании эффективной схемы управления с помощью Arduino высокомощных устройств, к которым относятся и электродвигате¬ ли, без МОП-транзисторов нам будет очень сложно обойтись. Необходимое оборудование Чтобы создать устройство управления электродвигателем на базе МОП- транзистора, нам понадобятся следующие компоненты.
230 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Беспаечная макетная плата Т5 Одножильные провода Тб 1 Держатель для батареек (4хАА) Н1 1 Батарейки, 4хАА 1 Колодка батарейного блока Н2 1 R1 Переменный резистор, 10 кОм К1 1 R2 Резистор, 1 кОм К2 1 Т1 МОП-транзистор FQP30N06 S6 1 Электродвигатель постоянно тока, 6 В, или редукторный электродвигатель* Н6 1 Arduino Uno/ Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъе¬ мом Micro-USB для Arduino Leonardo * Подойдет любой небольшой электродвигатель, рассчитанный на питание от источника с напряжением 6 В. Макетная плата На рис. 7.17 показана электрическая схема устройства управления элек¬ тродвигателем. Рис. 7.17. Электрическая схема устройства управления электродвигателем на базе платы Arduino и МОП-транзистора
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 231 Обратите внимание на то, что в текущем проекте задействованы два источника питания. С одной стороны, плата Arduino получает электроэнер¬ гию от USB-порта компьютера, к которому она подключена. С другой сто¬ роны, питание электродвигателя, подача которого контролируется МОП- транзистором, осуществляется от отдельной батареи. Это вполне оправда¬ но, поскольку мощности, подаваемой на плату Arduino, недостаточно для обеспечения током электродвигателей, которые относятся к более высоко¬ мощным устройствам. К тому же непосредственное включение в электри¬ ческую цепь платы Arduino электродвигателей неизбежно вызовет обра¬ зование существенных токов нагрузки, способных повредить слабо защи¬ щенное от перегрузок электронное оборудование платы. Нельзя также назвать беспроблемным вариант подключения платы Ar¬ duino и электродвигателя к одному, но мощному источнику питания, хотя в отдельных случаях он вполне работоспособный. Например, батарея с на¬ пряжением 9 В вполне способна снабдить электроэнергией как плату Ar¬ duino, так и небольшой электродвигатель. Между выводом Arduino и МОП-транзистором включен резистор R2, на что есть своя причина. Эта схема будет прекрасно работать, если подклю¬ чить затвор полевого транзистора напрямую к выводу D5 платы Arduino. Однако в таком случае затвор будет выступать в качестве конденсато¬ ра и при слишком высокой частоте переключения будет потреблять ощу¬ тимый ток от цифрового выхода. При относительно небольших частотах ШИМ-сигналов, генерируемых Arduino, протекаемый через затвор ток мал. Несмотря на это считается хорошим тоном в любых подобных случаях ис¬ пользовать резистор, даже если необходимость в нем минимальная. На рис. 7.19 показана монтажная схема устройства, а на рис. 7.18 пока¬ зан его прототип, собранный мною на макетной плате. Программное решение Загрузите программу mosfet motor speed в Arduino и подключите уст¬ ройство к батарейному блоку. Вы можете заметить, что, поворачивая регу¬ лятор переменного резистора, вы будете более плавно изменять скорость вращения вала электродвигателя, чем это было в устройстве, предложен¬ ном в главе 3, где он применялся для изменения напряжения на затворе МОП-транзистора напрямую. Приведенный ниже “скетч” подобен программе управления яркостью све¬ тодиода, рассмотренной нами в главе 6. // mosfet_motor_speed int voltsInPin = 0; int motorPin = 5; void setup() { pinMode(motorPin, OUTPUT); } void loop()
232 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей { int rawReading = analogRead(voltsInPin); int power = rawReading / 4; analogWrite(motorPin, power); } Рис. 7.18. Прототип устройства управления скоростью вращения вала электродвигателя В функции loop () сначала определяется аналоговое напряжение на среднем выводе потенциометра, представляемое необработанным значе¬ нием в диапазоне от О до 1023. В дальнейшем это число делится на 4 для масштабирования к диапазону 0-255 и передается в качестве аргумента функции analogWrite (), которая устанавливает скорость вращения вала электродвигателя. Управление электродвигателем постоянного тока с помощью мостовой схемы В разделе “Управление электродвигателем с помощью МОП-транзистора” вы узнали, как правильно использовать МОП-транзистор для управления электродвигателем. Рассмотренная в нем схема прекрасно работает до тех пор, пока не возникает необходимость изменить направление вращения вала двигателя. Чтобы изменить направление вращения, вам нужно при
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 233 управлении электродвигателем применить технологию, известную под на¬ званием мостовой схемы управления. Рис. 7.19. Схема подключения компонентов устройства управления электродвига¬ телем на монтажной плате
234 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Изменение направления вращения вала электродвигателя происходит при протекании через него тока в обратном направлении. Чтобы реализо¬ вать электронное устройство, обеспечивающее такую возможность, нам понадобятся четыре переключателя или транзистора. На рис. 7.20 проил¬ люстрирован принцип работы мостовой схемы, основанной на использова¬ нии переключателей. Всего лишь взглянув на нее, вы поймете, почему та¬ кая схема называется мостовой (H-Bridge). На рис. 7.20 показано, что переключатели S1 и S4 замкнуты, а переклю¬ чатели S2 и S3 разомкнуты. Таким образом, ток протекает через электрод¬ вигатель с вывода А (положительный) на вывод Б (отрицательный). Если состояние переключателей изменить на полностью противоположное, т.е. S2 и S3 замкнуть, a S1 и S4 разомкнуть, то на вывод Б будет подаваться по¬ ложительное, а на выводА—отрицательное напряжение, поэтому вал элек¬ тродвигателя начнет вращаться в противоположном направлении. Рис. 7.20. Мостовая схема на переключателях В этой схеме, как легко заметить, есть слабое место. Если по какой-то причине переключатели S1 и S2 окажутся замкнутыми одновременно, то произойдет короткое замыкание (положительный вывод источника пи¬ тания напрямую соединится с его отрицательным выводом). Это же ут¬ верждение справедливо для переключателей S3 и S4 — одновременное их включение неизбежно приведет к короткому замыканию. Вы всегда можете реализовать мостовую схему на транзисторах, как по¬ казано на рис. 7.21. Слегка запутано, но работает! В последней мостовой схеме используется шесть транзисторов и несколь¬ ко вспомогательных компонентов. Чтобы создать мостовую схему управле¬ ния сразу двумя электродвигателями, вам понадобится двенадцать транзи¬ сторов, что сильно усложняет и без того непростое базовое устройство. К счастью, мостовые схемы производятся в виде отдельных микросхем, при этом на одной микросхеме чаще всего реализовано больше двух мосто¬ вых схем, что позволяет легко управлять в электронных устройствах сразу несколькими электродвигателями. Мостовые схемы производятся в виде го¬ товых модулей компанией SparkFun (рис. 7.22). Вы также найдете модули
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 235 управления электродвигателями, которые часто называют драйверами мо¬ торов, основанные на мостовых схемах, и у других известных поставщиков электронного оборудования. Как видно по обратной стороне (рис. 7.22), выбранное нами устройство поддерживает управление сразу двумя электродвигателями. Плата драй¬ вера мотора не оснащается разъемами с выводами. Чтобы упростить ее монтаж на макетной плате и подключение к плате Arduino, драйвер мотора вместо разъемов потребуется снабдить штекерной колодкой. Рис. 7.22. Интегральный модуль драйвера мотора компании SpankFun
236 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей В табл. 7.2 перечислены все выводы модуля управления электродвигате¬ лем, а также приведено описание каждого из них. Как указывалось выше, модуль рассчитан на управление сразу двумя двигателями, поэтому снаб¬ жен двумя каналам, А и В, которые обеспечивают рабочий ток силой до 1,2 А с пиковой нагрузкой вдвое выше. ТАБЛИЦА 7.2. Выводы платы драйвера моторов TB6612PNG компании SparkFun Обозна¬ чение Назначение Назначение Обозначение PWMA Вход для ШИМ-сигнала первого канала Напряжение питания элек¬ тродвигателя от Vcc до 15 В VM AIN2 Вход второго управляющего сигнала для пер¬ вого электродвигателя: высокий уровень соот¬ ветствует вращению против часовой стрелки Питание схемы управления (от 2,7 В до 5,5 В); достаточно тока 2 мА Vcc AIN1 Вход первого управляющего сигнала для пер¬ вого электродвигателя: высокий уровень соот¬ ветствует вращению по часовой стрелке Общий GND STBY Для перевода в режим ожидания подключает¬ ся к общему проводу Первый вывод подключения первого электродвигателя А01 BIN1 Вход первого управляющего сигнала для вто¬ рого электродвигателя; высокий уровень соот¬ ветствует вращению по часовой стрелке Второй вывод подключения первого электродвигателя А02 BIN2 Вход второго управляющего сигнала для вто¬ рого электродвигателя: высокий уровень соот¬ ветствует вращению против часовой стрелки Второй вывод подключения второго электродвигателя В02 PWMB Вход для ШИМ-сигнала второго канала Первый вывод подключения второго электродвигателя В01 GND Общий Общий GND А теперь протестируем рабочие возможности драйвера мотора, нагрузив только один из каналов мостовой схемы (рис. 7.23). Необходимое оборудование Для построения прототипа устройства управления электродвигателем вам понадобятся следующие компоненты. Количество Оборудование Код в приложении 1 Беспаечная макетная плата Т5 Проволочные перемычки или просто одножильные провода Тб 1 Держатель для батареек (4хАА) Н1 1 Батарейки, 4хАА 1 Колодка батарейного блока Н2 1 Светодиод К1 1 Драйвер мотора ТВ6612FNG производства SparkFun М9
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 237 Количество Оборудование Код в приложении 1 Электродвигатель постоянного тока (6 В) или редукторный двигатель* Н6 1 Штекерная колодка К1.Н4 * Выбирайте электродвигатель постоянного тока, рассчитанный на напряжение питания око¬ ло 6 В. Рис. 7.23. Изучение возможностей модуля TB6612FNG компании SpankFun с помощью прототипа, собранного на макетной плате Макетная плата Перед подключением платы драйвера мотора к макетной плате припа¬ яйте к выводам первой штекерную колодку, как показано на рис. 7.22. Мы не будем использовать два нижних вывода GND (Общий), поэтому можете не включать их в колодку. Достаточно оснастить штекерами семь выводов с каждой стороны платы. Электрическая схема нашего устройства показана на рис. 7.24, а на рис. 7.25 показана его монтажная схема, реализованная на беспаечной ма¬ кетной плате.
238 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей VCC ©■ VCC STBY А01 Батарея 6В AIN2 AIN1 о- о* pwma Драйвер мотора SparkFan TB6612FNG Общий А02 Рис. 7.24. Электрическая схема тестирования мостового устройства управле¬ ния электродвигателем Батарейный блок, обеспечивающий напряжение 6 В, строго говоря, не подходит для подачи питания на драйверы мотора, поскольку в техниче¬ ских характеристиках последнего указано, что на выход VCC можно подать максимальное напряжение 5,5 В. Превышение составляет всего полвольта, но мы компенсируем его несколько большим падением напряжения (около 2 В) на последовательно подключенном в цепь светодиоде. В таком случае вместо максимальных 5,5 В мы получим на входе VCC напряжение 4 В, га¬ рантированно попадающее в допустимый рабочий диапазон. Это привычная методика понижения напряжения в электрической цепи, но она справедлива только для малых токов. Если ток в цепи превышает мак¬ симально допустимый прямой ток через светодиод, последний выходит из строя и устройство вообще перестает функционировать. В нашем случае ток на выходе VCC настолько мал, что едва ли в состоянии зажечь светодиод. Вывод PWMA мы соединим с выводом VCC, чтобы сымитировать подачу широтно-импульсного сигнала максимального уровня, другими словами, подачу на электродвигатель максимального тока питания. Соберите прототип устройства на макетной плате согласно схеме, пока¬ занной на рис. 7.25. Как вы могли заметить, три вывода, идущих от макетной платы, ни к чему не подключены. Для управления электродвигателем вам нужно кон¬ цом красного провода, идущего от вывода VCC, коснуться вывода AIN1 пла¬ ты драйвера мотора. Если впоследствии коснуться им вывода AIN2, то вал электродвигателя начнет вращаться в противоположном направлении. Обратите внимание, как изменяется направление вращения при повтор¬ ной подаче сигнала с вывода VCC на выводы AIN1-AIN2. Управляющие выводы
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 239 Рис. 7.25. Схема прототипа тестирования мостовой схемы управления электродвига¬ телем, собранная на макетной плате Вы можете справедливо недоумевать: зачем модуль оснащен двумя управляющими выводами, а также двумя выводами PWM (подачи ШИМ- сигнала) для каждого из каналов? Теоретически вполне хватило бы по од¬ ному выводу в каждом из указанных случаев. Таким образом, при подаче на вывод PWM нулевого сигнала электродвигатель должен вообще прекращать свою работу. Причина включения в драйвер мотора трех отдельных выводов для уп¬ равления каждым электродвигателем (PWM, IN1 и IN2) вместо двух заклю¬ чается в необходимости обеспечения его режимом торможения, который возникает при подаче сигнала высокого уровня сразу на два управляющих выхода — IN1 и IN2 (подключаются к выходу VCC). Нельзя сказать, что это часто используемая функциональная возможность, хотя она сильно выру¬ чает, если в собираемом вами устройстве необходимо предусмотреть функ¬ цию быстрой остановки привода. Управление шаговым электродвигателем с помощью мостовой схемы Обычные электродвигатели постоянного тока широко распространены и просты в использовании. Чтобы заставить их работать, достаточно подать
240 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей питание всего на два вывода. Если поменять полярность питания, то вал электродвигателя начнет вращаться в обратном направлении; если вер¬ нуть исходную полярность, то вал электродвигателя станет послушно вра¬ щаться в исходном направлении. К недостаткам таких двигателей относит¬ ся невозможность точного указания угла или количества оборотов, которые должен сделать их вал до остановки. Чтобы обеспечить такую возможность, их нужно оснащать датчиками специального типа. И тут вам на помощь придет шаговый двигатель. Это отдельный тип электродвигателей, снабжаемых целыми четырьмя выводами. Устройство шагового двигателя схематически показано на рис. 7.26. Если быть пре¬ дельно точным, то на этом рисунке показан биполярный шаговый двига¬ тель, который мы и будем изучать. Шаговый электродвигатель снабжен зубчатым ротором, изготовленным из магнитного материала, при этом его зубья имеют чередующуюся поляр¬ ность (северный и южный полюсы). Если на четыре катушки, выступающие в роли электромагнитов, подать питание в строго заданной последовательности, то ротор провернется на один шаг (зубец). Электромагниты объединены в пары так, что если один из них притягивает зубец ротора, то соседний — отталкивает. Большинство шаговых электродвигателей (в отличие от схематически показанного на рис. 7.26) оснащаются роторами с большим, чем восемь, количеством зубцов; иногда их количество превышает несколько сотен. Это позволяет более плавно и точно изменять скорость вращения вала двига¬ теля. К тому же, в отличие от обычных коллекторных электродвигателей, здесь вы сможете точно контролировать угол поворота вала. Это делает ша¬ говые электродвигатели незаменимыми в струйных и ЗЭ-принтерах. Угол поворота вала шагового двигателя определяется управляющими импульсами, подаваемыми на соответствующие выводы, а при изменении направления тока на обмотках катушек изменяется и направление враще¬ Рис. 7.26. Схема, иллюстрирующая принцип действия би¬ полярного шагового электродвигателя
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 241 ния ротора. Подключив такой двигатель к плате Arduino, мы сможем сге¬ нерировать управляющие сигналы, а направление тока через электромаг¬ ниты задавать с помощью изученной выше мостовой схемы управления (рис. 7.27). Рис. 7.27. Устройство тестирования шагового электродвигателя на базе платы Arduino и мостовой схемы управления На рис. 7.28 показана электрическая схема описанного выше устройства. Чтобы определить назначение каждого из выводов шагового двигате¬ ля, вам придется воспользоваться старым добрым методом проб и ошибок. Воспользовавшись мультиметром, измерьте сопротивление между всевоз¬ можными парами выводов и определите, какие из них принадлежат к каж¬ дой из обмоток двигателя. Еще один способ нахождения пары выводов, соответствующих одной обмотке, — это поочередно замыкать отдельные пары выводов и находить те из них, для которых проворачивать ротор двигателя сложнее, чем для остальных. Несколько необычно, зато работает! При подаче напряжения на шаговый двигатель его вал не начинает сра¬ зу вращаться. Для этого на один из его управляющих выводов нужно подать соответствующий сигнал. Цвета выводов, указанные на электрической схе¬ ме рис. 7.28, приведены для шагового электродвигателя производства ком¬ пании Adafruit. Несмотря на то что шаговые электродвигатели обычно требуют рабочего напряжения 12 В, они сохраняют работоспособность и при подаче питания 6 В, что соответствует блоку из четырех батареек формата АА. Даже и не пы¬ тайтесь подать на них питание с вывода +5 V платы Arduino. Они требуют намного больший ток, чем обеспечивает на выходе плата микроконтроллера.
242 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 7.28. Электрическая схема устройства управления шаговым электродвигателем Необходимое оборудование Чтобы создать устройство управления шаговым электродвигателем, вам понадобится такое оборудование. Количество Оборудование Код в приложении 1 Беспаечная макетная плата Т5 Проволочные перемычки или просто одножильные провода Тб 1 Держатель для батареек, бхАА Н8 1 Батарейки, бхАА 1 Драйвер мотора ТВ6612FNG М9 1 Биполярный шаговый электродвигатель Н13 1 Arduino Uno/Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro- USB для Arduino Leonardo Монтаж устройства Монтажная схема устройства тестирования шагового электродвигателя показана на рис. 7.29. Программное решение В исходном коде программы stepper, рассмотренном ниже, вал элек¬ тродвигателя сначала поворачивается на 200 шагов в одном направлении, Arduino Драйвер мотора SparkFan TB6612FNG PWMA AIN1 AIN2 PWM В BIN1 BIN2 Общий А01 А02 ВОГ В02 [Зеленый ■^Красный Биполярный N шаговый 1 ч двигатель J ч . /
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 243 приостанавливает движение в течение одной секунды, а затем начинает вращаться в обратном направлении на все те же 200 шагов. В электродви¬ гателе с ротором в 200 зубцов такое вращение соответствует полному обо¬ роту (на 360°) вала. Рис. 7.29. Схема монтажа устройства управления шаговым электродвигателем, собранного на ма¬ кетной плате В самом начале “скетча” объявляются переменные для выводов драйве¬ ра мотора, а в функции setup () все выводы переводятся в режим выхода (OUTPUT). // stepper int PWMApin = 9; int AINlpin = 7; int AIN2pin = 8; int PWMBpin = 3; int BINlpin = 5; int BIN2pin = 4; void setup() { pinMode(PWMApin, OUTPUT);
244 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей pinMode(AINlpin, OUTPUT); pinMode(AIN2pin, OUTPUT); pinMode(PWMBpin, OUTPUT); pinMode(BINlpin, OUTPUT); pinMode(BIN2pin, OUTPUT); } Функция loop () содержит команды поворота вала двигателя в прямом направлении (по часовой стрелке) на 200 шагов, установки паузы в течение одной секунды и обратного вращения (против часовой стрелки) на такое же количество шагов, но с вдвое меньшей временной задержкой между шага¬ ми. После секундной задержки процедура повторяется снова и до бесконеч¬ ности (на самом деле до перезагрузки микроконтроллера), void loop() { forward(10, 200); delay(1000); back(5, 200); delay(1000); } Функции forward () и back () принимают всего по два параметра. Первый из них определяет задержку перед каждым шагом в миллисекундах, а вто¬ рой указывает общее количество выполняемых шагов. Как в функции forward!), так и в back() вызывается общая функция set St ер (), применяемая для указания правильного шаблона полярностей электромагнитов, например 1010, 0110, 0101 или 1001. void forward(int d, int steps) { for (int i = 0; i < steps / 4; i++) { setStep(1, 0, 1, 0); delay(d); setStep(0, 1, 1, 0); delay(d); setStep(0, 1, 0, 1); delay(d); setStep(1, 0, 0, 1); delay(d); } } Чтобы заставить вал двигателя поворачиваться в обратном направле¬ нии, шаблоны полярностей электромагнитов инвертируются. void back(int d, int steps) { for (int i = 0; i < steps / 4; i++) { setStep(1, 0, 0, 1);
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 245 delay(d); setStep(0, 1, 0, 1); delay(d); setStep(0, 1, 1, 0); delay(d); setStep(1, 0, 1, 0) ; delay(d); Необходимые сигналы для выводов драйвера мотора назначаются функ¬ цией setStep (). void setStep(int wl, int w2, int w3, int w4) { digitalWrite(AINlpin, wl); digitalWrite(AIN2pin, w2); digitalWrite(PWMApin, 1); digitalWrite(BINlpin, w3); digitalWrite(BIN2pin, w4); digitalWrite(PWMBpin, 1); Самодвижущаяся тележка В текущем проекте мы попробуем создать простой самодвижущийся ро¬ бот, шасси которого представлено небольшой тележкой из радиоэлектрон¬ ного конструктора. Чтобы реализовать столь амбициозное устройство в рамках материала книги, нам понадобятся: модуль дистанционного управ¬ ления, рассмотренный в разделе “Модуль дистанционного управления”, драйвер мотора на базе мостовой схемы, описанный в разделе “Управление электродвигателем постоянного тока с помощью мостовой схемы”, а также плата Arduino. В этом проекте вы узнаете, как можно использовать Arduino для управ¬ ления драйвером электродвигателя. Шасси самодвижущейся тележки, показанной на рис. 7.30, взято из де¬ шевого конструктора начинающего робототехника. Движение ему придают два редукторных электродвигателя. Электронное управление роботом смонтировано на беспаечной макет¬ ной плате небольшого размера, на которой размещаются плата драйвера мотора и приемник модуля дистанционного управления. Таким образом, за исключением присоединения штекерной колодки к плате драйвера мотора прототип самодвижущейся тележки собирается беспаечным способом. Необходимое оборудование Чтобы создать самодвижущееся устройство, вам понадобится достаточ¬ но много оборудования.
246 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 7.30. Прототип самодвижущегося робота Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 Небольшая беспаечная макетная плата Н12 Обычный одножильный провод Тб 1 Держатель для батареек, бхАА Н8 1 Батарейки, бхАА 1 Колодка батарейного блока с кабелем и штекером 2,1 мм на конце для подачи питания на плату Arduino* Н9 1 Светодиод К1 1 Драйвер мотора TB6612FNG компании SparkFun М9 1 Шасси самодвижущейся тележки Н7 1 Штекерная колодка К1.Н4 1 С1 Конденсатор (1000 мкФ, 16 В) С1 1 С2 Конденсатор (100 мкФ, 16 В) С2 1 Arduino Uno/Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъе¬ мом Micro-USB для Arduino Leonardo * При использовании батарейного блока производства Adafruit вам не нужно специально приобретать колодку со штекером 2,1 мм, поскольку он им снабжен по умолчанию.
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 247 Монтаж устройства Электрическая схема примитивного самодвижущегося робота показана на рис. 7.31. Применение драйвера мотора, работающего по мостовой схеме управле¬ ния, значительно упрощает конструкцию прототипа. Единственное, что в представленной схеме добавлено сверх базового уровня, — это конденсато¬ ры С1 и С2. Они применяются для предотвращения внезапного скачка на¬ пряжения, неизбежно возникающего при пуске электродвигателя, что мо¬ жет вызвать повреждение портов ввода-вывода Arduino. Этап 1. Выбор шасси Наш проект основан на использовании шасси Magician Chassis (рис. 7.32), входящего в состав популярного набора робототехники. Корпус шасси сое¬ диняется при помощи винтов и защелок. Разобрать его не так уж и сложно (особенно если следовать прилагаемым к набору инструкциям), достаточ¬ но не подключать сразу батарейный блок, включенный в набор, и не сни¬ мать плату с центрального штыря. В реализуемом проекте вам понадобится источник питания с напряжением, несколько большим, чем обеспечивает плата Arduino, поэтому блока из четырех батареек (5-6 В) будет явно недо¬ статочно. Таким образом, поставляемый в комплекте батарейный блок не¬ обходимо заменить источником питания, состоящим из шести батареек формата АА. Рис. 7.31. Электрическая схема самодвижущегося робота Модуль радиочастотной идентификации Arduino Драйвер мотора SparkFan TB6612FNG
248 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 7.32. Шасси Magician Chassis из комплекта робототехники SparkFun Этап 2. Программное решение для Arduino Присоединять к Arduino внешнее оборудование всегда лучше после за¬ грузки в нее программы. Таким образом, сначала загрузите программу rover в Arduino и только после этого переходите к третьему этапу. Этап 3. Закрепление платы Arduino на шасси Используйте небольшие отверстия в корпусе шасси, чтобы закрепить с помощью винтов и защелок плату Arduino. Для этих целей также подойдут пластиковые стяжки и канцелярские резинки. Многие монтажные платы снабжаются клейкой основой, которой удобно пользоваться для надежной фиксации беспаечной макетной платы к шасси тележки. Если такое кре¬ пление не вызывает у вас должного доверия, то дополнительно зафикси¬ руйте плату стяжкой или резинкой. Этап 4. Монтаж оборудования на макетной плате На рис. 7.33 показана схема монтажа устройства текущего проекта на макетной плате, включающая оборудование, внешне подключаемое к Arduino. Соединений в устройстве очень много, поэтому будьте предельно внима¬ тельны и перепроверяйте правильность подключения оборудования перед
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 249 Рис. 7.33. Схема монтажа оборудования самодвижущегося шасси на макетной плате началом использования полученного самодвижущегося агрегата. Создав копию монтажной схемы на отдельном листе, вам будет проще отслеживать правильность всех выполненных подключений и находить ошибки в ско¬ плении проводов. К тому же, в отличие от полноразмерных беспаечных макетных плат, на нашей плате под общий провод выделена вся внешняя шина, а внутренняя отведена под питание 5 В. Шаг 5. Подключение электродвигателей Каждый электродвигатель снабжен проволочными выводами красного и черного цветов. Найдите такие провода для левого электродвигателя и под¬ ключите их в гнезда макетной платы, соединенные с выводами А01 и А02 платы драйвера мотора. Такую же операцию выполните и для правого элек¬ тродвигателя, подключив его через макетную плату к выводам В01 и В02 драйвера мотора. Шаг 6. Подключение батарей Если блок питания состоит из двух рядов батарей, то установить его поверх шасси не составит большого труда. Немного покрутив его в руках, вы найдете грань, которая лучше всего подходит для крепления к шасси. Правый Левый дв и гател ь двигател ь
250 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Если все батареи в блоке размещаются в одном ряду, как и в предложенном Adafruit варианте, то его проще закрепить под шасси, опять-таки, восполь¬ зовавшись винтами и защелками. Тестирование После подключения всех компонентов проекта, включая батареи пита¬ ния, можете приступать к тестированию прототипа, для чего понажимай¬ те на кнопки брелока дистанционного управления. Кнопка С отвечает за движение робота вперед, кнопка В указывает ему поворачиваться на месте вправо, а за поворот на месте влево отвечает кнопка D. Нажатие кнопки А приводит к остановке самодвижущейся тележки. Программное решение Исходный код программы управления самодвижущейся тележки слиш¬ ком длинный, чтобы приводить его целиком на страницах книги. Мы рас¬ смотрим только основные операции, выполняемые в нем. Приемник модуля дистанционного управления изменяет состояние со¬ ответствующего вывода при нажатии одной из кнопок брелока. Нажав кнопку один раз, вы включите вывод; при повторном нажатии вывод от¬ ключается. Тем не менее в нашем проекте такое поведение модуля дистан¬ ционного управления — это не то, что нам нужно. Нам требуется знать, ког¬ да нажимается каждая из кнопок брелока. Чтобы выполнить эту задачу, сначала нужно запомнить исходное состо¬ яние каждой из кнопок и только в случае изменения любого из них выпол¬ нять необходимое действие. Для хранения сведений об исходном и последу¬ ющем состояниях выводов используются указанные ниже массивы. int remotePins[] = {10, 11, 12, 13}; int lastPinStates[] = {0, 0, 0, 0}; Функция, отвечающая за распознавание событий изменения состояний выводов, имеет следующий вид. int getKeyPress() { int result = -1; for (int i = 0; i < 4; i++) { int remotelnput = digitalRead(remotePins[i]); //Serial.print(remotelnput); if (remotelnput != lastPinStates[i]) { result = i; } lastPinStates[i] = remotelnput; } return result; }
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 251 Приведенная выше функция вызывается в основной части программы, где она применяется для определения нажатий кнопок и вызова функций, устанавливающих ответное действие. void loop() { int keyPressed = getKeyPress(); Serial.println(keyPressed); if (keyPressed ==: 3) { stopMotors(); } else if (keyPressed == 0) { turnLeft(); } else if (keyPressed == 2) { turnRight(); } else if (keyPressed == 1) { forward(); } delay(20); } Функции, выполняющие управление самодвижущейся тележкой, очень простые. Например, функция поворота робота влево выглядит следующим образом. void turnLeft() { digitalWrite(AINlpin, HIGH); digitalWrite(AIN2pin, LOW); analogWrite(PWMApin, slowPower); digitalWrite(BINlpin, LOW); digitalWrite(BIN2pin, HIGH); analogWrite(PWMBpin, slowPower); } Эта функция подает на выводы AIN и BIN драйвера мотора сигналы, ука¬ зывающие электродвигателям вращаться в противоположных направле¬ ниях. Длительности ШИМ-сигнала определяется функцией analogWrite (), после чего устанавливается один из двух заранее определенных уровней мощности, представляемых переменными fullPower и slowPower.
252 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Семисегментный светодиодный индикатор Семисегментный светодиодный индикатор разрабатывался как эффек¬ тивная имитация старых газоразрядных цифровых индикаторов. Такой индикатор представляет собой несколько светодиодов, объеди¬ ненных в один модуль, который оснащен отдельным блоком управления. Управление самим модулем обычно осуществляется микроконтроллером, но вам не придется подключать к выводам платы микроконтроллера каж¬ дый светодиод. Многосегментные индикаторы организованы согласно схе¬ ме с общим анодом (или общим катодом), в которой аноды (или катоды) всех светодиодов объединены в один вывод, поэтому на плате модуля им соот¬ ветствует всего один контакт. О том, как устроен семисегментный светоди¬ одный индикатор с общим катодом, вы узнаете, изучив принципиальную схему, показанную на рис. 7.34. DP Общий катод Рис. 7.34. Индикатор, состоящий из набора светодиодов с общим катодом В светодиодных индикаторах с общим катодом, подобных показанному на рис. 7.34, общий вывод подключается к общему проводу, а питание на каждый из светодиодов подается микроконтроллером раздельно через ог¬ раничительные резисторы. Вам может показаться интересным вариант включения в цепь управления всего одного резистора, подключенного к общему катоду. Но он вряд ли может рассматриваться серьезно, посколь¬ ку в подобном случае при выходе из строя одного из светодиодов яркость остальных сильно увеличится, что значительно сократит срок их службы. Несколько многосегментных индикаторов обычно объединяют в много¬ разрядные табло, как показано на рис. 7.35. На нем показано стандартное
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 253 трехразрядное табло, скомпонованное из семисегментных светодиодных индикаторов, которые всегда можно использовать по отдельности. В индикаторе с подобной структурой (рис. 7.35) каждый числовой раз¬ ряд представляется отдельным семисегментным индикатором с отдельным общим катодом. В дополнение к этому аноды одинаковых сегментов всех трех разрядов объединены в общие выводы, которые подключаются к оди¬ наковым контактам платы Arduino. Рис. 7.35. Трехразрядный семисегментный светодиодный индикатор Управление таким индикатором из Arduino осуществляется следующим образом. Сначала активизируется общий катод для нужного разряда, далее подается питание на необходимый сегмент этого же разряда, затем активи¬ зируется катод следующего разряда, подается напряжение на соответству¬ ющий его сегмент и т.д. Процедура повторяется для всех сегментов, которые нужно высветить. Поскольку скорость выполнения операции очень боль¬ шая, вы будете видеть на на разных сегментах индикатора разные светящи¬ еся цифры или символы. Эта операция называется мультиплексированием. Обратите внимание на то, что управление общими катодами всех трех разрядов выполняется с помощью транзисторов. Это позволяет управлять подачей питания одновременно на восемь сегментов, что не под силу боль¬ шинству микроконтроллеров при прямом подключении к ним светодиодов. К счастью, существует более простой способ управления многоразряд¬ ными семисегментными светодиодными индикаторами, чем предложен¬ ный выше. Речь идет об отдельных модулях, на которых такие индикаторы собраны в виде готовых устройств. На рис. 7.36 показан четырехразрядный семисегментный светодиодный индикатор, оснащенный всего четырьмя выводами, два из которых пред¬ назначены для подачи питания. Цифровые выходы Микроконтроллер Общий I
254 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 7.36. Четырехразрядный семисегментный индикатор, оснащенный интерфейсом 12С Необходимое оборудование Для управления четырехразрядным семисегментным светодиодным ин¬ дикатором нам понадобится следующее оборудование. Количество Оборудование Код в приложении 1 Беспаечная макетная плата Т5 Обычные одножильные провода Тб 1 Arduino Uno/ Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro- USB для Arduino Leonardo 1 Четырехразрядный семисегментный индикатор производства компа¬ нии Adafruit, оснащенный интерфейсом !2С М19 Монтаж устройства Модуль индикатора поставляется в виде набора компонентов, поэтому начните с изучения инструкций по его подключению к микроконтроллеру. Выбранный нами светодиодный модуль подключается к Arduino через последовательный интерфейс, известный как 12С (произносится как “ай-ту- си” или “и-два-си”). Для передачи данных в таком интерфейсе применяется всего два вывода, которые подключаются к выводам Arduino Uno, располо¬ женными на колодке над выводом AREF (они обозначены как SDA и SCL).
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 255 Такой способ подключения исключает монтаж модуля непосредственно на плату Arduino и требует использования макетной платы и проволочных перемычек. Монтажная схема, применяемая для подключения четырехразрядного семисегментного светодиодного индикатора с помощью макетной платы, показана на рис. 7.37. На рис. 7.38 показан готовый прототип устройства в процессе тестирования. Рис. 7.37. Схема управления из Arduino четырехразрядным семисег¬ ментным индикатором, смонтированным на макетной плате Программное решение Компанией Adafruit созданы специальные программные библиотеки, упрощающие управление контроллерами многосегментных индикаторов. Вам необходимо загрузить одну из них и поместить в каталог libraries,
256 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей вложенный в корневой каталог Arduino. Детальные инструкции по исполь¬ зованию программных библиотек приведены на сайте Adafruit: www.adafruit.com/products/880 Рис. 7.38. Проверка работоспособности четырехразрядного семи¬ сегментного индикатора Для управления модулем индикатора вам понадобится сразу три про¬ граммные библиотеки, подключаемые в исходном коде с помощью операто¬ ра #includes. // seven_seg_display #include <Wire.h> tinclude "Adafruit_LEDBackpack.h" #include "Adafruit_GFX.h" В следующей строке кода объект индикатора представляется перемен¬ ной, которая в дальнейшем используется в программе для указания того, что именно нужно отобразить на самом индикаторе: Adafruit_7segment disp = Adafruit_7segment(); В функции setup () устанавливается последовательное PC-соединение и выполняется инициализация индикатора. Адрес индикатора в протоколе 12С указывается шестнадцатеричным числовым значением 0x70. Это стан¬ дартный адрес, который тем не менее можно изменить, если замкнуть два специальных вывода на плате индикатора. Такая необходимость неизбеж¬ но возникнет, если в одном проекте нужно задействовать несколько инди¬ каторов. Чтобы избежать проблем с адресацией в программе, каждый из индикаторов должен обладать своим уникальным адресом.
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 257 void setup() { Wire.begin(); disp.begin(0x70); } В основной части программы (функция loop ()) содержатся команды по выводу на индикатор количества миллисекунд, которые прошли с момен¬ та перезагрузки платы Arduino, разделенного на 10. Таким образом, на ин¬ дикатор выводится время с момента запуска программы, представленное в сотых долях секунды. void loop() { disp.print(millis() / 10); disp.writeDisplay(); delay(10); } Устройство отсчета реального времени Вы можете легко создать программу для Arduino, которая будет отсле¬ живать текущее время, но как только вы перестанете подавать питание на плату, сведения о времени будут безвозвратно утеряны. Чтобы преодолеть подобный недостаток платы Arduino, обратитесь к специальному модулю, показанному на рис. 7.39. Рис. 7.39. Модуль часов реального времени Данный модуль реального времени (рис. 7.39) производится компанией Adafruit, но вы найдете подобные устройства у многих других производителей
258 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей электронных компонентов. Несмотря на одни и те же функциональные воз¬ можности, их платы различаются расположением и количеством выводов. Известные как RTC (Real-Time Clock — часы реального времени), они оснащаются литиевыми батарейками, которые имеют большой срок служ¬ бы (иногда несколько лет) и обеспечивают электроэнергией память устрой¬ ства при отключении платы от внешнего источника питания. Попробуем совместить в одном проекте модуль RTC и плату четырехраз¬ рядного семисегментного индикатора, рассмотренного в предыдущем раз¬ деле. Полученный прибор можно смело использовать в качестве цифровых часов (рис. 7.40). Рис. 7.40. Простые цифровые часы Необходимое оборудование Чтобы создать цифровые часы, управляемые из Arduino, нам понадобят¬ ся такие компоненты. Количество Оборудование Код в приложении 1 Беспаечная макетная плата Т5 Проволочные перемычки или обычные одножильные провода Тб 1 Arduino Uno/ Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 259 Количество Оборудование Код в приложении 1 Четырехразрядный семисегментный индикатор производства компа¬ нии Adafruit, оснащенный интерфейсом 12С М19 1 Модуль отсчета реального времени (RTC) Монтаж оборудования Как и многосегментные индикаторы, часы реального времени, собран¬ ные на отдельной плате, поставляются в виде наборов компонентов, поэтому начните с изучения инструкций по его подключению к микроконтроллеру. Подключение модуля RTC выполняется через уже известный вам 12С- интерфейс, но он имеет отличный от заданного для индикатора адрес, поэ¬ тому в специальном его изменении нет необходимости. Монтажная схема часов реального времени, собранная на базе Arduino, показана на рис. 7.41. Программное решение Загрузите программу clock в среду разработки, а оттуда — в Arduino. На индикаторе сразу же отобразится время, в точности соответствующее сис¬ темному времени вашего компьютера. Исходный код этой программы много в чем совпадает с кодом програм¬ мы управления семисегментным индикатором, рассмотренным в предыду¬ щем разделе. Конечно, для эффективного управления модулем RTC вам не¬ обходимо включить в программу специальную библиотеку. // clock #include <Wire.h> #include "Adafruit_LEDBackpack.h" #include "Adafruit_GFX.h" #include "RTClib.h" Инструкции по выполнению этой задачи вы найдете на странице модуля на сайте производителя: www.adafruit.com/products/264 В дополнение к объявлению объекта индикатора, нам нужно назначить переменную, которая будет представлять модуль RTC. Пусть эта перемен¬ ная так и называется, RTC. RTC_DS1307 RTC; Adafruit_7segment disp = Adafruit_7segment(); В функцию setup () добавляется еще одна команда, отвечающая за за¬ пуск часов реального времени и переводящая модуль RTC в режим приема команд. Условная конструкция if позволяет удостовериться, что часы активизированы. Такая проверка необходима, поскольку с завода модуль поставляется в выключенном состоянии. В последнем случае в модуле RTC
260 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей устанавливается системное время компьютера, к которому подключен ми¬ кроконтроллер . Рис. 7.41. Схема подключения оборудования в проекте цифровых часов Модуль отсчета реального времени
ГЛАВА 7. Подключаемое оборудование 261 void setup () { Wire.begin(); RTC.begin(); if (! RTC.isrunning()) { RTC.adjust(DateTime( DATE , TIME )); } disp.begin(0x7 0); } В основной части программы считывается значение, предоставляемое модулем RTC, и оно выводится на индикатор. Для вывода двоеточия меж¬ ду часами и минутами используется функция drawColon (), определенная в библиотеке индикатора. Двоеточие появляется и исчезает на индикаторе с интервалом в полсекунды. void loop() { disp.print(getDecimalTime()); disp.drawColon(true); disp.writeDisplay(); delay(500); disp.drawColon(false); disp.writeDisplay(); delay(500); } Функция getDecimalTime () считывает абсолютное количество часов и минут, предоставляемое часами реального времени, и преобразует их в де¬ сятичное число, которое и выводится на индикатор. Первые два разряда указывают часы, а два последних — минуты текущего времени. int getDecimalTime() { DateTime now = RTC.nowO; int decimalTime = now.hour() * 100 + now.minute (); return decimalTime; Резюме Кроме описанных в этой главе модулей вы можете использовать в собст¬ венных проектах огромное количество других готовых электронных реше¬ ний, производимых такими именитыми компаниями, как Adafruit и Spark¬ Fun. На их официальных сайтах поддержки вы найдете подробное описа¬ ние производимой продукции и ее технических характеристик. При поиске оборудования для собственных проектов в первую очередь выясните, каки¬ ми функциональными возможностями оно должно обладать и какие зада-
262 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей чи уметь решать. Затем внимательно изучите технические характеристики подобранных устройств, в которых часто содержатся рекомендации по пра¬ вильному их применению в самых распространенных проектах.
Глава 8 Сенсоры правят миром Главы 6-8 имеют схожую тематику, поскольку управление большей ча¬ сти датчиков осуществляется микроконтроллерами, а сами они смон¬ тированы на отдельных коммутационных платах, снабженных специаль¬ ными интерфейсами. Таким образом, нам чаще придется иметь дело с гото¬ выми модулями, оснащенными выводами питания и управления, чем с от¬ дельными устройствами. Настоящая глава целиком и полностью посвяще¬ на датчикам, чаще всего применяемым в электронике. В каждом отдельном случае нам придется искать оптимальный способ управления датчиком: с помощью Arduino, специальной электрической схемы или как-то еще. В этом разделе речь пойдет о том, как протестировать датчик газа, реги¬ стрирующий наличие поблизости природного газа (метана), показанный на рис. 8.1. Несмотря на солидный внешний вид, стоимость такого датчи¬ ка относительно невелика. Сам датчик состоит из небольшого нагревателя, питание на который подается через два вывода, обозначенные символа¬ ми Н, и каталитического чувствительного элемента, электрическое сопро¬ тивление которого изменяется в зависимости от концентрации метана, попадающего на него. Питание на датчик в данном случае подается от ба¬ тарей, которые очень быстро разряжаются, поскольку встроенный нагре¬ вательный элемент потребляет ток 150-200 мА. Способность определения в воздухе природного газа имеет огромное значение для науки и производ¬ ства, поэтому такие датчики встречаются очень часто и производятся в ог¬ ромных объемах. Мы же применим его в нетривиальных целях — для на¬ хождения в помещении любителей... испортить воздух. Выявление токсичных газов Рис. 8.1. Датчик метана
264 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Необходимое оборудование Для создания устройства регистрации в воздухе метана вам понадобится следующее оборудование. Коли- Обозна- чество чение Оборудование Код в приложении 1 D1 Светодиод К1 1 R1 Потенциометр, 10 кОм К1 1 R2 Резистор, 10 кОм К2 1 R3 Резистор, 470 Ом К2 1 IC1 Компаратор LM311 S7 1 Газовый анализатор MQ-4 М11 1 Пьезозуммер (с собственным генератором) М10 1 Беспаечная макетная плата Т5 Проволочные перемычки или обычные одножильные провода Тб 1 Держатель для батареек, 4хАА Н1 1 Батарейки, 4хАА 1 Колодка батарейного блока Н2 Arduino Uno/Arduino Leonardo* М2/М21 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo* * Необходимо только в случае подключения датчика к Arduino. Пьезозуммер должен иметь встроенный генератор и поддерживать на¬ пряжение питания 6 В. Компаратор LM311 На рис. 8.2 показана электрическая схема датчика газа. Основной ком¬ понент схемы — компаратор (LM311), выполненный в виде отдельной ми¬ кросхемы. Как следует из названия, компараторы отвечают за сравнение напряжений, которые подаются на его входы. Если напряжение на его выводе “+" больше напряжения, подаваемого на вывод то на выходе устройства появляется определенное напряжение. В нашем случае с его по¬ мощью зажигается светодиод и возбуждается пьезозвуковой генератор. Потенциометр обеспечивает подачу порогового значения напряжения на отрицательный вывод компаратора, что приводит к блокированию сиг¬ нала на его выходе. При подключении газового датчика регулятор перемен¬ ного резистора исходно устанавливается в такое положение, при котором светодиод перестает светиться. Как только датчик обнаруживает газ, на его выходе появляется напряжение, которое подается на вход “+” компаратора. Величина напряжения такова, что превышает пороговое значение напря¬ жения на отрицательном выводе. В результате на выходе компаратора воз¬ никает напряжение и светодиод загорается.
ГЛАВА 8. Сенсоры правят миром 265 Рис. 8.2. Электрическая схема газового анализатора Выводы датчика газа несколько необычны. Начнем с того, что их шесть, хотя некоторые из них продублированы (см. рис. 8.1), что становится оче¬ видным при изучении его электрической схемы. Выводы Н предназначены для подачи напряжения питания на нагревательный элемент, обеспечива¬ ющий повышение температуры слоя катализатора, расположенного между выводами А и В. Молекулы метана, попадая в нагретый катализатор, умень¬ шают сопротивление среды между выводами А и В. Резистор R2 служит де¬ лителем напряжения и подключается к выходу датчика. К большому пре¬ имуществу датчика относится его реверсивность — если подключить его выводы в электрическую схему в обратном порядке, то он все равно будет работать, независимо от того, в каком направлении ток протекает через на¬ греватель и катализатор. Выводы датчика толстые и расположены таким образом, что подклю¬ чить их непосредственно в гнезда макетной платы не получится. Вам необ¬ ходимо удлинить их, припаяв к ним одножильные проволочные перемычки (рис. 8.3). Не стоит наращивать все выводы датчика, достаточно припаять провода только к следующим контактам. ■ Один красный провод, ведущий к положительной клемме источника питания, припаяйте ко всем выводам, расположенным с одной сторо¬ ны датчика (к обоим контактам А и одному контакту Н). ■ Резистор R2 впаяйте между выводом В и общим выводом нагревателя Н. Пьезо- зуммер LM311 Датчик газа
266 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей ■ Общий черный провод припаяйте к выводу Н, противоположному тому, на который подается положительное питание. ■ Желтый провод соедините с выводом В (выход датчика). Рис. 8.3. Удлинение выводов датчика проводами Макетная плата На рис. 8.4 показана монтажная схема устройства газового анализатора, а на рис. 8.5 вы можете видеть, как выглядит его работающий прототип. Подключение компонентов устройства к макетной плате не вызывает трудностей, главное, правильно расположить микросхему компаратора. Завершив монтаж устройства, можете приступать к его тестированию. Как и где это делать, пожалуй, решайте сами, помните только о том, что он лучше всего реагирует на природный газ, — даже просто подышав на датчик газа, вы активизируете его. Газовый анализатор на базе Arduino Припаяв три проволочных вывода к датчику газа, вы подготовите его к подключению не только к макетной плате, но и к микроконтроллеру, в нашем случае смонтированному на плате Arduino (рис. 8.6).
Рис. 8.4. Схема монтажа газового анализатора на макетной плате Рис. 8.5. Газовый анализатор
268 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 8.6. Использование датчика газа совместно с платой Arduino Подключите положительный вывод датчика газа к выводу +5V платы Arduino, общий вывод — к ее выводу GND, а выход датчика соедините с вы¬ водом АЗ. Поскольку датчик потребляет ток до 200 мА, вам нужно подать на него питание именно с контактов +5V и GND платы Arduino, а не с ее цифровых выводов. При выполнении приведенного ниже “скетча” methane значения, пере¬ даваемые датчиком в микроконтроллер, выводятся на монитор последова¬ тельного порта. Обратите внимание, что, подышав на датчик, вы увеличи¬ те значения, выводимые в окне монитора последовательного порта. // methane int analogPin = 3; void setup() { Serial.begin(9600); Serial.println("Methane Detector"); } void loop() { Serial.println(analogRead(analogPin)) ; delay(500); }
ГЛАВА 8. Сенсоры правят миром 269 Анализатор цвета Микросхема TCS3200 представляет собой компактное устройство рас¬ познавания цвета. На рынке представлено несколько вариаций этого датчи¬ ка цветов, но все они имеют один и тот же принцип действия. Датчик состо¬ ит из матрицы фотодиодов, заключенных в прозрачный корпус, над которой установлены цветовые фильтры трех основных цветов (красного, зеленого и синего). Подключая их, датчик имеет возможность считывать насыщен¬ ность каждого основного цвета попадающего на него светового потока. Самый простой способ проанализировать цвет тестируемого объекта — это приобрести датчик цветов, собранный в виде готового модуля, подобно¬ го показанному на рис. 8.7. Рис. 8.7. Модуль распознавания цвета Показанный модуль имеет относительно небольшую стоимость (всего около 10 долларов) и оснащен четырьмя светодиодами белого цвета, кото¬ рые используются для дополнительной подсветки анализируемой поверх¬ ности. Кроме того, по обе стороны модуля располагаются две штекерные колодки с удобно расположенными выводами. В табл. 8.1 приведено описание всех выводов модуля распознавания цве¬ та, а также указано их назначение. За исключением контакта, на который подается питание к осветительным светодиодам, все выводы соединяются напрямую со смонтированной на плате микросхемой датчика. Поэтому у всех модулей, у которых установлена микросхема датчика TCS3200, будут присутствовать аналогичные выводы, хотя их порядок и может отличаться от приведенного. На выход модуля подается не аналоговый, а цифровой сигнал, в котором изменяется частота, а не длительность импульса. Каждому цветовому от¬ тенку соответствует своя частота выходного сигнала, которая зависит от выбранного режима (устанавливается сигналами на входах S2 и S3), а так¬
270 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей же коэффициента частотного диапазона (определяется сигналами на вхо¬ дах S0 и S1). ТАБЛИЦА 8.1. Выводы модуля распознавания цвета Вывод Описание Описание Вывод so На выводы S0 и S1 подаются управляющие сиг¬ налы; указывают диапазон частот на выходе. На оба подается цифровой сигнал высокого уровня Напряжение питания (от 2,5 В до 5,5 В) VCC S1 Общий GND S2 Указывают рабочий режим. Красный — на выво¬ дах S2 и S3 сигнал низкого уровня, Зеленый — на выводах S2 и S3 сигнал высокого уровня, Синий — на выводе S2 сигнал низкого уровня, а на выводе S3 сигнал высокого уровня, белый — на выводе S2 сигнал высокого уровня, а на выво¬ де S3 сигнал низкого уровня Включение выхода (Output Enable) — для включения датчика подается сигнал низкого уровня (LOW) ОЕ S3 Для включения светодиодной под¬ светки замыкается на вывод GND LED OUT Выход датчика Общий GND Необходимое оборудование Количество Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno/Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo 1 Модуль распознавания цвета М12 1 Проволочные переходники со штекерно-гнездовыми (Male-to-female) Т12 выводами Монтаж оборудования Монтаж — это слишком громко сказано по поводу подключения датчи¬ ка цвета к микроконтроллеру. Модуль просто-напросто вставляется своими штекерами в разъем платы Arduino, как показано на рис. 8.8. Рабочая сто¬ рона датчика при этом обращена наружу. При установке модуля использу¬ ются такие выводы: ■ вывод S0 подключается к выводу D3 платы Arduino; ■ вывод S1 подключается к выводу D4 платы Arduino; ■ вывод S2 подключается к выводу D5 платы Arduino; ■ вывод S3 подключается к выводу D6 платы Arduino; ■ вывод OUT подключается к выводу D7 платы Arduino.
ГЛАВА 8. Сенсоры правят миром 271 Рис. 8.8. Датчик распознания цветов, подключенный к плате Arduino Для завершения подключения модуля распознавания цвета к Arduino вам понадобятся три проволочных переходника, оснащенных штекерны¬ ми и гнездовыми разъемами на противоположных концах. Ими соединяют следующие выводы плат: ■ вывод VCC модуля и вывод 5V платы Arduino; ■ вывод GND модуля и вывод GND платы Arduino; ■ вывод ОЕ модуля и вывод GND платы Arduino. На рис. 8.9 показан конечный вид устройства определения цветов в про¬ цессе распознавания наклеек на гранях кубика Рубика. Программное решение Возможности модуля распознавания цвета призвана продемонстриро¬ вать программа color sensing.
272 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 8.9. Определение цветов на гранях кубика Рубика // color_sensing int pulsePin = 7; int prescaleOPin = 3; int prescalelPin = 4; int colorSelectOpin = 5; int colorSelectlpin = 6; Названия выводов отображаются в именах переменных, представляю¬ щих их в программе. В функции setup () определяются рабочие режимы, диапазоны выводи¬ мых частот, влияющие на пересчетные коэффициенты, а также устанавлива¬ ется последовательное соединение и выводится приветственное сообщение, void setup () { pinMode(prescaleOPin, OUTPUT); pinMode(prescalelPin, OUTPUT); digitalWrite(prescalelPin, HIGH); pinMode(colorSelectOpin, OUTPUT); pinMode(colorSelectlpin, OUTPUT); pinMode(pulsePin, INPUT); Serial.begin(9600); Serial.println("Анализатор цвета"); } В функции loop () считываются значения насыщенности трех основных цветов (детальней об этом рассказано ниже) и выводится сообщение, содер¬
ГЛАВА 8. Сенсоры правят миром 273 жащее название преобладающего цвета. Учтите, что чем меньше получен¬ ное значение, тем ярче выглядит цвет. void loop() { long red = readRedO; long green = readGreen(); long blue = readBlue(); if (red < green && red < blue) { Serial.println("Красный"); } if (green < red && green < blue) { Serial.println("Зеленый"); } if (blue < green && blue < red) { Serial.println("Синий"); } delay(500); } Каждая из функций — readRedO, readGreen (), readBlue () и read White () — вызывает функцию readColor (), в которую подставляются зна¬ чения, определяемые комбинацией сигналов на входах S2 и S3. long readRedO { return (readColor(LOW, LOW)); } В функции readColor () сначала определяются выводы, сигналы на кото¬ рых устанавливают цвет, после чего в переменной start сохраняется время начала выполнения программы. Далее в течение 1000 импульсов замеряет¬ ся время до получения необходимого цвета. На завершающем этапе опреде¬ ляется разница между текущим временем и началом отсчета. long readColor(int bitO, int bitl) { digitalWrite(colorSelectOpin, bitO); digitalWrite(colorSelectlpin, bitl); long start = millis(); for (int i=0; i< 1000; i++) { pulseln(pulsePin, HIGH); } return (millisO ~ start); } Хотя в приведенном выше коде это и не указывается, программа содер¬ жит функцию, которая выводит цветовое значение в окне монитора после¬ довательного порта.
274 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей void printRGB() { Serial.print(readRed()); Serial.print("t"); Serial.print(readGreen()); Serial.print("t"); Serial.print(readBlue()); Serial.print("t"); Serial.println(readWhite()); } Датчик вибрации Пьезоэлектрические датчики вибрации, подобные показанному на рис. 8.10 производства SparkFun, прекрасно подходят для подключения и управления из платы Arduino. Датчик представляет собой узкую полоску пьезоэлектрического матери¬ ала с наклепанным на конце грузиком в виде небольшой шайбы. При по¬ падании на датчик вибрационных колебаний грузик на его конце трясет¬ ся, что вызывает генерацию пьезоэлектриком импульсного сигнала. Если измерить сигнал на выходе датчика с помощью специального прибора, то легко заметить, что его пиковое напряжение составляет до 80 В. Но, по¬ скольку мы будем подключать датчик вибрации к аналоговому выходу пла¬ ты Arduino, его сопротивление значительно понизит напряжение на входе до вполне приемлемого уровня. Рис. 8.10. Пьезоэлектрический датчик вибрации Необходимое оборудование Для распознавания вибраций с помощью пьезоэлектрического датчика вам понадобятся следующие электронные компоненты.
ГЛАВА 8. Сенсоры правят миром 275 Количество Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno/Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo 1 Пьезоэлектрический датчик вибрации М13 1 Светодиод К1 1 Резистор, 220 Ом К2 Монтаж устройства Пьезоэлектрический датчик вибрации, как и многие другие простые датчики, прекрасно совместим с платой Arduino. Он подключается непо¬ средственно в разъемную колодку Arduino, для чего обычно применяются выводы АО и А1. Вывод АО переводится в режим выхода, и на него подается напряжение низкого уровня (LOW), что обеспечивает подключение датчика к общему проводу (рис. 8.11). Обратите внимание, что на модуле датчика один из его контактов помечен знаком “+", обозначая вывод, на который подается положительное напряжение питания. Этот вывод подключается к выводу А1 платы Arduino. Светодиод соединяется с ограничивающим ток резистором так, как было показано в главе 6. В дальнейшем полученная конструкция своими вывода¬ ми подключается к выводам 8 и GND платы Arduino, при этом с выводом 8 соединяется положительный вывод светодиода. Рис. 8.11. Детектор вибраций, управляемый Arduino
276 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Программное решение В приведенной ниже программе используется методика автоматической калибровки, определяющая в самом ее начале нулевой уровень вибрации, распознаваемый датчиком. В дальнейшем датчик будет срабатывать и пода¬ вать ток на светодиод только при распознавании вибраций, интенсивность которых выше этого уровня. Нажав кнопку Reset платы Arduino, вы сбросите результат и подготовите датчик к повторному распознаванию вибраций. // vibration_sensor int gndPin = АО; int sensePin = 1; int ledPin = 8; После определения в программе используемых выводов объявляются две внутренние переменные. Переменная normalReading применяется для со¬ хранения результата калибровки устройства, а переменная threshold ука¬ зывает уровень считываемых значений, который должен быть превышен относительно калибровочного уровня, normalReading, чтобы на светодиод подавалось питание. int normalReading = 0; int threshold = 10; В функции setup () устанавливаются рабочие режимы для всех исполь¬ зуемых выводов и вызывается функция calibrate, которая определяет для датчика уровень отсутствия вибраций. void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(ledPin, OUTPUT); normalReading = calibrate(); } Функция loop() производит считывание сигнала с выхода датчика и проверяет, превышает ли полученное значение пороговое (указанное в пе¬ ременной threshold с учетом откалиброванного нулевого уровня normal Reading). Если условие выполнено, то светодиод загорается. void loop() { int reading = analogRead(sensePin); if (reading > normalReading + threshold) { digitalWrite(ledPin, HIGH); } } Калибровка датчика проводится методом 100 замеров, выполненных с интервалом 1 мс, и усреднения полученных значений. Конечный результат используется в качестве нулевого уровня при проведении дальнейших из¬
ГЛАВА 8. Сенсоры правят миром 277 мерений. Переменная, хранящая сумму всех 100 замеров, имеет тип long, поскольку принимает значения, намного большие, чем поддерживается ти¬ пом данных int. int calibrate () { int n = 100; long total = 0; for (int i = 0; i < n; i + +) { total = total + analogRead(sensePin); delay(l); } return total / n; Измерение температуры Измерение температуры выполняется большим количеством интеграль¬ ных микросхем, но далеко не все они предназначены для определения од¬ ной только температуры. Самый простой температурный датчик выпуска¬ ется в виде отдельного решения — модуля ТМР36, показанного на рис. 8.12. Это очень простой датчик, с которым легко экспериментировать в собст¬ венных проектах. Вы можете использовать его только для вывода темпера¬ туры в окне монитора последовательного соединения, объединить в одном устройстве с реле, рассмотренными в главе 6, или придумать для него дру¬ гое, более достойное применение. Необходимое оборудование Чтобы воспользоваться модулем измерения температуры бится такое оборудование. , нам понадо- Количество Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno/ Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo 1 Температурный датчик TMP36 S8 Рис. 8.12. Температурный датчик ТМР36 + питания Выход Общий Вид снизу
278 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Монтаж устройства Модуль ТМР36 оснащен всего тремя выводами, два из которых нужны для подачи на датчик питания, а с третьего считываются выводимые датчиком показания (аналоговый выход). Датчик рассчитан на напряжение питания 2,7-5,5 В, что делает его идеальным инструментом измерения температуры и подключения к выводу +5V платы Arduino. На самом деле питание на этот датчик можно подать с любого цифрового вывода платы Arduino; но чаще всего его подключают к трем последовательно расположенным аналоговым выходам разъемной колодки, как показано на рис. 8.13. Рис. 8.13. Температурный датчик, подключенный к плате Arduino Программное решение Программа temperature sensor работает по уже отработанному ранее сценарию. Вначале в ней объявляются используемые выводы, далее в функ¬ ции setup () устанавливаются правильные рабочие режимы: на вывод GND датчика подается сигнал LOW, а на положительный вывод — сигнал HIGH. // temperature_sensor int gndPin = Al; int sensePin = 2; int plusPin = A3; void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT);
ГЛАВА 8. Сенсоры правят миром 279 digitalWrite(plusPin, HIGH); Serial.begin(9600); } В основной части программы (функция loop ()) считывается значение с аналогового входа платы Arduino, и на его основе вычисляется реальное значение температуры, измеренной датчиком. На первом этапе рассчитывается напряжение на аналоговом входе пла¬ ты микроконтроллера. Полученное необработанное значение (из диапазо¬ на от О до 1023) делится на 205, чтобы привести его к рабочему диапазону 0-5 В (1024/5 = 205). Напряжение на выходе датчика ТМР36 пересчитывается в температуру, выраженную в градусах Цельсия, по следующей формуле: температура (°С) = 100,0хнапряжение (В) - 50 Для любителей британской системы исчисления программа также пре¬ образует полученную температуру в значение, выраженное в градусах Фаренгейта, и выводит его на монитор последовательного порта. void loop() { int raw = analogRead(sensePin); float volts = raw / 205.0; float tempC = 100.0 * volts - 50; float tempF = tempC * 9.0 / 5.0 + 32.0; Serial.print(tempC); Serial.print(" С "); Serial.print(tempF); Serial.println(" F"); delay(1000); } Акселерометр Акселерометры (рис. 8.14) стали необычайно популярны в последнее время и не в последнюю очередь благодаря своей дешевизне. Две показан¬ ные на рисунке модели функционально очень похожи: они питаются напря¬ жением 5 В и снабжаются отдельными аналоговыми выходами для указа¬ ния ускорения вдоль всех осей трехмерного пространства. Слева показано изделие компании Freetronics (www.freetronics.com/am3x), а справа — уже известного вам производителя—Adafruit (www. adafruit. com/products/163). Акселерометры, изготовленные в виде отдельных модулей, измеряют ускорение в трех направлениях, определяя силу, приложенную к неболь¬ шой массе внутри них. Два направления, X и Y, располагаются вдоль пло¬ скости платы, на которой смонтирована микросхема. Третье направление (Z) перпендикулярно (90 градусов) поверхности платы. Благодаря сущест¬ вованию гравитации вдоль этой третьей оси к грузику внутри микросхемы
280 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей всегда прикладывается постоянная сила. Поэтому, если наклонить модуль, эффект гравитации будет усиливать ускорение в направлении наклона (рис. 8.15). Рис. 8.14. Акселерометры в виде отдельных модулей Выровнено по плоскости z = g Y= 0 х = 0 Наклонено относительно плоскости Z = g - наклон Y = 0 + наклон х = 0 Рис. 8.15. Акселерометр измеряет ускорение с учетом гравитации В качестве устройства тестирования рабочих возможностей акселероме¬ тра попробуем создать электронный вариант детской игры, заключающей-
ГЛАВА 8. Сенсоры правят миром 281 ся в переносе яиц в ложке на время. Идея устройства заключается в том, чтобы определить с помощью акселерометра степень наклона ложки и за¬ жечь светодиод при достижении критического значения (при котором вир¬ туальное яйцо рискует выпасть из не менее виртуальной ложки). Звуковой сигнал подается, когда степень наклона такова, что яйцо гарантировано вывалится из ложки (рис. 8.16). Рис. 8.16. Прототип электронной версии детской игры, собранной на базе Arduino Необходимое оборудование Чтобы приспособить плату Arduino под детскую игру переноса яиц на скорость, вам понадобится следующее оборудование. Количество Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno/ Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo 1 Акселерометр М15 1 Пьезозуммер М3 1 Светодиод К1 1 Резистор, 220 Ом К2 1 Колодка батарейного блока со штекером 2,1 мм Н9 1 Деревянная ложка 1 Батарея РРЗ (“крона”), 9 В
282 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Монтаж устройства При внимательном изучении становится очевидным, что оба модуля, показанных на рис. 8.14, рассчитаны на непосредственное подключение к разъемной колодке платы Arduino, равно как и зуммер со светодиодом. Перед подключением акселерометра к Arduino необходимо загрузить про¬ грамму управления им, поскольку в предыдущем проекте отдельные выво¬ ды колодки А0-А5 были переведены в режим выхода. На рис. 8.17 показана электрическая схема электронной игры “Донеси яйцо” под управлением Arduino. Акселерометр (Adafruit) VBX Общий Акселерометр (Freetronics) Общий Arduino АО X А2 Y АЗ Z А4 VBx А5 R1 220 0м Рис. 8.17. Электрическая схема игры “Донеси яйцо” на базе Arduino Как видно на рис. 8.18, все компоненты проекта прекрасно располага¬ ются на плате Arduino. Комбинация светодиод-резистор известна вам еще по главе 6. Ее положительный вывод подключается к цифровому выводу 8, а отрицательный — к выводу GND платы Arduino. Пьезозуммер соединяется с выводами D3 и D6 — через вывод D6 на зуммер подается положительное напряжение питания. Если расстояние между выводами зуммера в вашем случае такое, что не позволяет подключить его непосредственно к указан¬ ным выводам платы Arduino, то можете воспользоваться любыми другими выводами, главное, не забудьте изменить соответствующим образом значе¬ ния переменных gndPin2 и buzzerPin. Каждый из модулей акселерометра подключается к выводам А0-А5 пла¬ ты Arduino, как показано на рис. 8.18. Тем не менее назначение выводов в каждом случае несколько отличное. Arduino Общий
ГЛАВА 8. Сенсоры правят миром 283 Проект запитывается от батареи с напряжением 9 В через специальный переходник, а сама плата Arduino и батарея прикреплены канцелярскими резинками к длинной деревянной ложке. Рис. 8.18. Готовое игровое устройство, смонтированное на плате Arduino Программное решение Существуют две программы управления нашей электронной игрой: egg_ and_spoon_adafruit и egg_and_spoon_freetronics. Каждая из них рассчи¬ тана на использование модуля акселерометра одного из двух производи¬ телей. Убедитесь, что вы выбрали правильную программу, и загрузите ее в Arduino до подключения к ней соответствующего модуля. Программы отличаются только порядком и назначением выводов, ис¬ пользуемых на плате. Ниже приведена программа управления игрой, основанной на акселеро¬ метре Adafruit. В самом начале объявляются переменные выводов, задействованных в проекте. // egg_and_spoon_adafruit int gndPinl = A2; int gndPin2 = 3; int xPin = 5; int yPin = 4; int zPin = 3; int plusPin = AO;
284 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей int ledPin = 8; int buzzerPin = 6; Две переменные, levelX и levelY, применяются для хранения исходного ускорения вдоль осей X и Y, когда ложка находится в состоянии покоя. int levelX = 0;int levelY = 0; Переменные ledThreshold и buzzerThreshold необходимы для указания максимального угла, на который может наклоняться устройство, не вызы¬ вая включения светодиода и подачи звукового сигнала, извещающих о па¬ дении яйца. int ledThreshold = 10; int buzzerThreshold = 40; В функции setup () устанавливаются рабочие режимы всех используе¬ мых в устройстве выводов и вызывается функция calibrate (), устанавли¬ вающая значения для переменных levelX и levelY. void setup() { pinMode(gndPinl, OUTPUT); digitalWrite(gndPinl, LOW); pinMode(gndPin2, OUTPUT); digitalWrite(gndPin2, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); pinMode(ledPin, OUTPUT); pinMode(buzzerPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); calibrate(); } В основной части программы считывается ускорение вдоль осей X и Y, а затем определяется, насколько сильно оно отличается от установленных в переменных levelX и levelY значений. Функция abs () возвращает абсо¬ лютное значение числа (модуль). Если разница между полученным и исход¬ ным значениями отрицательная, то она преобразуется в положительное число, которое впоследствии сравнивается с заранее установленным поро¬ говым значением. void loop() { int х = analogRead(xPin); int у = analogRead(yPin); boolean shakey = (abs(x - levelX) > ledThreshold I I abs(y - ^levelY) > ledThreshold); digitalWrite(ledPin, shakey); boolean lost = (x > levelX + buzzerThreshold I I у > levelY + ^buzzerThreshold); if (lost)
ГЛАВА 8. Сенсоры правят миром 285 tone(buzzerPin, 400); } } Особенностью функции calibrate можно назвать задержку в 200 мс пе¬ ред считыванием показаний акселерометра. Она нужна, чтобы дать аксе¬ лерометру достаточно времени для получения стабильного значения. void calibrate() { delay(200); levelX = analogRead(xPin); levelY = analogRead(yPin); } Магнитное поле Измерение магнитного поля в бытовых условиях стало возможным бла¬ годаря появлению таких интегральных решений, как трехвыводной датчик А1302, основанный на эффекте Холла. Управление этим модулем во многом осуществляется так же, как и рассмотренным выше температурным датчи¬ ком ТМР36. Необходимое оборудование Чтобы провести измерение магнитного поля, вам понадобится следую¬ щее оборудование. Количество Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno/Arduino Leonardo М2/М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo 1 Датчик на эффекте Холла А1302 S12 Монтаж устройства Как и ТМР36, датчик А1302 снабжен тремя выводами, два из которых подключаются к источнику питания, а третий служит в качестве аналого¬ вого выхода. Модуль требует питания от источника с напряжением 4,5-6 В, что делает плату Arduino, оснащенную выводом 5V, удобным средством управления датчиком на эффекте Холла. На самом деле питание на этот датчик можно легко подать с любого циф¬ рового вывода платы Arduino; но чаще всего его подключают к трем после¬ довательно расположенным аналоговым выходам разъемной колодки пла¬ ты (рис. 8.19). Модуль при этом ориентирован лицевой стороной наружу. Как и прежде, загружайте в Arduino программу до того, как подключите к ней датчик, поскольку вывод А1 в ней переводится в режим входа.
286 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 8.19. Датчик магнитного поля А1302, подключенный к Arduino Программное решение Программа управления датчиком магнитного поля очень простая и по¬ добна “скетчу” измерения температуры. В самом начале объявляются переменные выводов, используемых для подключения датчика: питание подается через цифровые выводы 15 и 17 (АО и А2), а с вывода А1 снимаются показания датчика. // magnetic_sensor int gndPin = Al; int sensePin = 2; int plusPin = A3; void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); Serial.begin(9600); } В функции loop () считываются данные, передаваемые датчиком, кото¬ рые впоследствии передаются в монитор последовательного порта. Чувствительность нашего устройства далеко не самая лучшая, но если вы поднесете к нему магнит, то точно увидите резкое увеличение числовых значений, выводимых в окне монитора последовательного порта.
ГЛАВА 8. Сенсоры правят миром 287 void loop() { int raw = analogRead(sensePin); Serial.println(raw); delay(lOOO); } Резюме Существует огромное количество датчиков, которые можно подключить к плате Arduino и использовать в собственных проектах. Все они передают данные в своем формате, не обязательно в виде аналогового сигнала или импульсов разной длительности, поэтому требуют написания собственных программ управления. В следующей главе мы несколько изменим направление исследований и научимся работать со звуковым оборудованием.
Глава 9 Звуковое оборудование В этой главе вы узнаете о записывающем и воспроизводящем звуковом оборудовании, а также научитесь генерировать и усиливать звук, вос¬ производимый через обычный динамик. В одном из проектов текущей главы мы разберемся с устройством не¬ большого FM-передатчика, используемого для воспроизведения МРЗ-фай- лов в автомобиле, приспособив его для воспроизведения звука, считывае¬ мого микрофоном. Но начнем, пожалуй, с, казалось бы, незначительного вопроса — зна¬ комства с кабелями, передающими звуковые сигналы от одного устройства к другому. Для успешного выполнения проектов этой главы вам необходи¬ мо знать их конструкцию, рабочие характеристики и способ подключения к звуковому оборудованию. Кабели в звуковом оборудовании Кабели, используемые для соединения отдельных звуковых устройств, достаточно дешевые, если речь не идет о профессиональной аппаратуре. Как это часто бывает, в самый неподходящий момент вам может понадо¬ биться подключить звуковое устройство к усилителю, а времени идти в ма¬ газин, чтобы приобрести соответствующий кабель, у вас нет. Но ведь у каж¬ дого из нас в ящиках и кладовых наверняка скопилось огромное количест¬ во старых кабелей с самыми разными штекерами и разъемами на концах. Зная, какой кабель вам нужен, вы сможете создать его вручную, подобрав из “загашника” правильные штекеры и разъемы, а также провод требуемой длины. Большая часть любого нового электронного оборудования комплекту¬ ется всевозможными кабелями, которые понадобятся в процессе его ис¬ пользования, поэтому вам не доведется беспокоиться об их приобретении. Достаточно хранить все кабели от любого приобретаемого устройства в од¬ ном месте, чтобы в случае необходимости быстро выбрать нужный экзем¬ пляр, не прибегая к генеральной уборке в кладовой. На рис. 9.1 показаны разные типы штекеров, которыми оснащаются ка¬ бели, подключаемые к звуковому оборудованию. В некоторых из них про¬ вода припаиваются, а в остальных зажимаются с помощью специальных уплотнительных колец, что очень удобно, поскольку не требуется использо¬ вания паяльника. Очень часто штекеры на концах проводов неразборные, что делает невозможным их повторное использование. В подобном случае можно срезать штекер с провода, оставив возле него часть кабеля, к кото¬
290 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей рому впоследствии припаять другой кабель требуемой длины, оснащенный на втором конце соответствующим разъемом. Основное назначение кабелей — это передача звуковых сигналов. Очень часто они соединяют усилитель с самым разным звуковоспроизводящим оборудованием. Меньше всего вам хочется, чтобы по кабелям вместе с сиг¬ налом передавался шум, который сильно понижает качество воспроизво¬ димого звука. Именно поэтому большая часть звуковых кабелей экраниро¬ вана, как показано на рис. 9.2. Звуковой сигнал (или звуковые сигналы в случае стереозвука) передает¬ ся по изолированным многожильным проводам, заключенным в проводя¬ щую оболочку, которая обеспечивает экранирование кабеля и в обязатель¬ ном порядке заземляется. Единственное исключение составляют кабели, которыми к звуковому оборудованию подключаются динамики. В их экранировании нет особого смысла, поскольку через них передается настолько мощный сигнал, что любой возможный шум просто не сможет его исказить. Зачистка проводов в экранированном кабеле может показаться непро¬ стой задачей, поскольку сам кабель состоит из большого числа слоев изоля¬ ции. Не разобравшись как следует со всеми ими, очень легко срезать экра¬ нирующий слой и даже перерезать жилу провода. Поэтому в самом начале срежьте только внешнюю, самую верхнюю оболочку, а затем аккуратно ото¬ Рис. 9.1. Разные типы штекеров Устройство кабеля Пайка контактов в штекерах
ГЛАВА 9. Звуковое оборудование 291 гните экранирующий слой. Дальнейшая зачистка проводов кабеля не будет вызывать особых затруднений. Монозвук Внешняя изоляция Рис. 9.2. Конструкция штекера На рис. 9.3 показана последовательность присоединения к экранирован¬ ному кабелю штекера диаметром 6,3 мм, который чаще всего используется для подключения к звуковому усилителю различных музыкальных инстру¬ ментов, например электрогитары. На первом этапе вам нужно очистить конец провода от внешней изоля¬ ции — достаточно оголить около 20 мм кабеля. Оплетка, представляющая собой экранирующий слой, собирается в общий пучок сбоку от центрально¬ го провода и скручивается. Зачистите центральный кабель, удалив с него изоляцию на протяжении всего 5 мм (рис. 9.3, а), после чего разведите две полученные жилы кабеля в разные стороны (рис. 9.3, б). Штекер оснащен всего двумя выводами, провода к которым можно толь¬ ко припаять: один из них располагается ближе к центру и соединяется со средним контактом, а второй находится у внешнего края разборной голов¬ ки и соответствует боковому контакту. В обоих выводах проделаны отвер¬ стия. На рис. 9.3, в, показано, что собранная в пучок экранирующая оплет¬ ка просунута в отверстие бокового вывода и готова к пайке. После выпол¬ нения этой операции вам нужно припаять центральный провод кабеля к среднему выводу штекера (рис. 9.3, г). Провода в звуковых кабелях очень ломкие, поэтому при их зачистке всег¬ да оставляйте запас по длине, чтобы в случае обрыва одного из проводов его можно было зачистить еще раз, не выпаивая второй провод. Провод большей длины, чем необходимо, загните так, как показано на рис. 9.3, д. Обязательно оставьте изоляцию на загибаемом проводе, чтобы предотвра¬ тить его соприкасание с другим выводом и соседним контактом. Не забудь¬ те перед навинчиванием корпуса штекера надеть изолирующую накладку, устанавливаемую поверх вывода, который ведет к центральному контакту
292 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей штекера. Наконец, уложите провода возле выводов так, чтобы они не каса¬ лись друг друга, и завинтите цилиндрический корпус. Рис. 9.3. Присоединение кабеля к штекеру диаметром 6,3 мм
ГЛАВА 9. Звуковое оборудование 293 Корпус штекера Если на другом конце кабеля уже смонтирован штекер (разъем), то не забудьте перед пайкой второго штекера продеть через конец кабеля с зачищенными прово¬ дами пластиковый изолирующий колпачок и навинчивающийся корпус штекера. Вы не сможете это сделать после припаивания концов кабеля к выводам штекера — для этого придется снять штекер (разъем) с противоположного конца кабеля или снова отпаять провода от разъема. К счастью, дважды проделав одну и ту же рабо¬ ту, я больше не забываю о важности предварительной подготовки. Преобразование стереосигнала в монофонический В стереосигнале звук поступает сразу по двум каналам: для получения стереоэффекта, когда каждый канал воспроизводится отдельным динами¬ ком, сигналы должны несколько отличаться друг от друга. Но иногда возни¬ кают ситуации, когда стереосигнал нужно вывести через один канал. Такой канал называется монофоническим. Конечно, вы всегда можете воспроизвести только один из каналов (ска¬ жем, левый), но тогда вы безвозвратно утратите сигнал, передаваемый по второму (в нашем случае правому) каналу. Поэтому лучше всего преобра¬ зовать два звуковых канала в один монофонический канал, воспользовав¬ шись двумя вспомогательными резисторами, как показано на рис. 9.4. Взглянув на представленную электрическую схему, позволяющую объе¬ динить два стереоканала в один монофонический канал, вы будете недоу¬ мевать, насколько все просто. Если попробовать непосредственно объеди¬ нить два вывода в один, то в случае передачи по ним сильно отличающихся сигналов существует вероятность протекания тока с одного вывода на дру¬ гой, что чревато поломкой звукового оборудования. Рис. 9.4. Преобразование стереосигнала в монофонический Левый i канал Правый( канал Выходной ) монофонический сигнал
294 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей В качестве наглядного примера реализации такой схемы подсоединим к рассмотренному выше кабелю с напаянным штекером 6,3 мм другой ка¬ бель, исходно предназначенный для передачи стереозвука и оснащенный штекером 3,5 мм, для чего добавим в электрическую схему два показанных на схеме резистора. Таким образом, вы сможете, например, подключить МРЗ-плеер к усилителю электрогитары. На рис. 9.5 показаны основные этапы реализации поставленной выше задачи. Чтобы получить снимки, на которых видны все используемые ком¬ поненты, мне пришлось использовать очень короткие кабели. Вам, несом¬ ненно, потребуются кабели намного большей длины. На работоспособность устройства это никак не повлияет, так что можете рассчитывать на длину кабеля не менее нескольких метров. В моем случае штекер 3,5 мм монолитный, неразборной — он срезан с одного из неиспользуемых кабелей, входящих в комплект какого-то старого, давно ненужного звукового оборудования. Сначала нам нужно зачистить оба вывода на противоположном от штекера конце кабеля (рис. 9.5, а). Обратите внимание на то, что оба провода в данном двухжильном кабеле экранированы раздельно. Поэтому экранирующую оплетку на концах обо¬ их выводов необходимо соединить в одну многожильную косичку, которая впоследствии будет заземляться. Нанесите на все зачищенные выводы припой, а затем спаяйте между со¬ бой два резистора, но только с одной стороны (рис. 9.5, б). Теперь припаяйте к резисторам выводы от обоих кабелей (моно- и стере¬ офонического) так, как показано на рис. 9.5, в, после чего с помощью корот¬ кой перемычки соедините между собой экранирующие оплетки (косички) кабелей. Вы должны получить в точности такое же соединение, как пока¬ зано на рис. 9.5, г. Заизолируйте с помощью специальной ленты все места соединений, предотвратив закорачивание оголенных проводов (рис. 9.5, Э). Рис. 9.5. Соединение кабелей разных типов
ГЛАВА 9. Звуковое оборудование 295 Микрофон Микрофон используется для преобразования звуковых волн в электри¬ ческие сигналы. Так как звуковые волны представляют собой незначитель¬ ные по амплитуде колебания молекул воздуха, электрический сигнал на выходе микрофона обычно очень слабый. Чтобы иметь возможность в даль¬ нейшем воспроизводить его, вам сначала нужно усилить его до приемлемо¬ го уровня. Вместо того чтобы приобретать специальный усилитель для микрофона, с помощью которого вы собираетесь записывать звук, рассмотрите возмож¬ ность использования микрофона со встроенным усилителем, выпускаемым в виде отдельного модуля (рис. 9.6). Рис. 9.6. Микрофон, собранный в виде отдельного модуля Показанный на рис. 9.6 модуль микрофона требует напряжения пита¬ ния от 2,7 до 5,5 В. Таким образом, он рассчитан на непосредственное под¬ ключение к плате Arduino. В главе 11 вас ждет знакомство с таким многофункциональным изме¬ рительным прибором, как осциллограф. А в этой главе вы узнаете только о том, что отображается на экране осциллографа (рис. 9.7). При подключе¬ нии модуля микрофона к источнику питания с напряжением 5 В (сигнал с микрофона передается на осциллограф) и записи с его помощью однотон¬ ного звука вы увидите на экране осциллографа следующую картину. Осциллограф представляет звуковой сигнал в графическом виде. В пока¬ занном на рис. 9.7 случае на вход осциллографа подается однотонный сиг¬ нал с частотой 7,4 кПд. Вдоль горизонтальной оси показанной зависимости откладывается время — каждое большое деление соответствует 100 мкс. Вдоль вертикальной оси показана амплитуда колебаний — каждое большое деление соответствует 1 В. Вы видите, что амплитуда выходного сигнала у модуля микрофона изменяется в диапазоне от 1,8 до 3,5 В. Если провести горизонтальную линию посередине волны, то она будет располагаться на
296 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей уровне 2,5 В. Это среднее значение для низкого и высокого уровней напря¬ жения (О В и 5 В). Легко заметить, что данный уровень определяет отсут¬ ствие звука как такового. Чем выше громкость регистрируемого микрофо¬ ном звука, тем больше будет амплитуда волновых колебаний относительно уровня 2,5 В. Но она никогда не превысит уровень 5 В и не опустится ниже нулевого уровня. При дальнейшем усилении звука сигнал на экране осцил¬ лографа начнет усекаться и искажаться. Рис. 9.7. Сигнал на выходе микрофона Используемый в нашем случае модуль микрофона произведен компа¬ нией SparkFun (ВОВ-09964). Схема его подключения и техническая доку¬ ментация по использованию доступны на сайте производителя. На рис. 9.8 показана электрическая схема стандартного предусилителя микрофона. В центре схемы вы видите треугольный значок, подобный тому, который использовался в главе 8 для обозначения компаратора. Но в данном случае таким значком обозначается не компаратор, а интегральный усилитель, известный как “операционный”. В то время как компаратор подает на выход сигнал всегда, когда на вхо¬ де “+” сигнал выше, чем на входе операционный усилитель увеличи¬ вает сигнал, определенный как разница между сигналами, подаваемыми на входы “+” и Усиление очень большое — в несколько миллионов раз. Это означает, что самый незначительный шум будет преобразован в зна¬ чащий выходной сигнал, уровень которого изменяется в диапазоне 0-5 В. Чтобы понизить коэффициент усиления и предотвратить усиление шумов, используется схема включения операционного усилителя с отрицательной обратной связью. Суть метода заключается в передаче части выходного сигнала на вход операционного усилителя. Тем самым коэффициент усиления понижа¬ ется до уровня, определяемого отношением сопротивлений резисторов R1 и
ГЛАВА 9. Звуковое оборудование 297 R2(рис. 9.8). В нашем случае R1 равно 1 МОм, a R2— 10 кОм, поэтому коэф¬ фициент усиления составляет 1 ООО 000/10 ООО, или 100. Рис. 9.8. Электрическая схема модуля микрофона Таким образом, сигнал с микрофона будет усилен всего в сто раз. В этом случае усиливается даже самый слабый звук, но не воспроизводится шум и другие помехи. На вход операционного усилителя подается напряжение, среднее между общим проводом (О В) и напряжением питания (5 В), а именно 2,5 В, что реализовано с помощью делителя напряжения, который состоит из двух резисторов, R3 и R4. Конденсатор С1 обеспечивает связь с общим про¬ водом по переменному току. Пользуясь приведенной выше электрической схемой, вы можете собрать модуль микрофона на макетной плате самостоятельно. Операционный уси¬ литель, подобный задействованному в готовом модуле (собран с использо¬ ванием элементов поверхностного монтажа), также производится в виде восьмивыводной двухрядной микросхемы. Тем не менее готовый модуль, обладающий теми же характеристиками, намного компактнее, да и обой¬ дется он дешевле, чем приобретенные по отдельности комплектующие предусилителя. Конечно, мы только поверхностно рассмотрели возможности операци¬ онного усилителя. На самом деле область их применения невероятно боль¬ Звуковой выход Общий Микрофон
298 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей шая. Это очень полезное электронное устройство, детальное описание ко¬ торого, к сожалению, выходит за рамки книги. Подробно конструкция и назначение операционных усилителей описаны в Википедии, а также во многих специализированных книгах по электронике. Далее мы подключим модуль микрофона к FM-передатчику, часто ис¬ пользуемому для воспроизведения МРЗ-файлов музыкальной системой ав¬ томобиля, создав тем самым “подслушивающее” устройство. Радиопередатчик Нам нужно заставить FM-передатчик транслировать зарегистрирован¬ ный с помощью микрофона звук так, чтобы его можно было воспроизво¬ дить ближайшим FM-радиоприемником. Это не самая тривиальная задача, хотя особых трудностей с ее выполнением не предвидится. Не зная преград в своих творческих порывах, давайте присоединим к FM-передатчику рас¬ смотренный выше модуль микрофона. На рис. 9.9 показан конечный ре¬ зультат такой операции. Рис. 9.9. Модернизированный FM-передатчик Необходимое оборудование Чтобы создать FM-устройство, предназначенное для трансляции звука, воспринимаемого микрофоном, вам понадобится такое оборудование.
ГЛАВА 9. Звуковое оборудование 299 Количество Оборудование Код в приложении 1 Модуль микрофона М14 1 FM-передатчик для музыкальной системы автомобиля* 1 FM-радиоприемник * Чтобы найти подходящий FM-передатчик, просмотрите предложения на eBay, проведя по¬ иск по ключевым словам “fm transmitter mp3 саг”. Самая простая модель, достаточная для на¬ шего проекта, стоит около 5 долларов. Вам не потребуется пульт дистанционного управления и адаптер для карт памяти, поэтому не стоит переплачивать за более совершенные модели. Вполне подойдет устройство, оснащенное звуковым входом и получающее питание от двух батареек формата АА или ААА (3 В). Монтаж устройства С точки зрения монтажа это очень простое устройство. На рис. 9.10 по¬ казана его электрическая схема. Выход VCC Микрофон SparkFun FM-передатчик Общий Рис. 9.10. Электрическая схема подслушивающего устройства Источник с напряжением 3 В применяется для подачи питания не толь¬ ко на FM-передатчик, но и на микрофон, а монозвуковой выход микрофона подключается сразу к обоим стереовходам FM-передатчика. На рис. 9.11 показан законченный вид устройства, состоящего из FM-пе¬ редатчика с подключенным к нему модулем микрофона. Первое, что вам нужно сделать, — это снять крышку с корпуса передат¬ чика, предварительно выкрутив винты, скрепляющие обе половины корпу¬ са. Далее аккуратно срежьте с кабеля штекер, оставив большую часть кабе¬ ля нетронутой, поскольку он используется в передатчике в качестве антен¬ ны. Зачистите и нанесите припой на все три провода кабеля (рис. 9.11, а). Как вы уже заметили, кабель, показанный на рис. 9.11, а, состоит из трех проводов: красного, по которому передается звуковой сигнал правого канала, белого, передающего сигнал левого канала, и черного — общего. Подобная маркировка общепринята, но если вы сомневаетесь в правиль¬ ности обозначения проводки, то зачистите провода возле срезанного ранее штекера и с помощью мультиметра определите, какому из проводов соот¬ ветствует каждый вывод. Центральный и следующий за ним кольцевой
300 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей контакты должны соответствовать проводам, передающим звуковые сигна¬ лы обоих каналов, а крайний к кабелю кольцевой контакт — соединяться с общим проводом. Оставим нетронутыми общий провод и провод левого звукового канала, а красный провод подключим к положительному (3 В) выводу источника питания, как показано на рис. 9.11, б. В выбранном мною передатчике по¬ ложительный вывод батарейного блока припаян к соответствующему вы¬ воду с обратной стороны печатной платы, на которой собрано устройство. Рис. 9.11. Этапы модернизации FM-передатчика
ГЛАВА 9. Звуковое оборудование 301 Чтобы правильно определить расположение положительного вывода бло¬ ка питания, внимательно осмотрите место его монтажа. На рис. 9.11, в, вид¬ но, что металлическая планка в левой части блока соединяет отрицатель¬ ный вывод верхней батареи с положительным выводом нижней батареи. Поэтому общий положительный вывод (3 В) батарейного блока будет рас¬ полагаться в его верхней правой части. Отследив эту точку с обратной сто¬ роны печатной платы устройства, вы легко найдете требуемое место пайки. Если вывод батарейного блока присоединен к плате с помощью проволоч¬ ной перемычки, то при пайке красного провода постарайтесь не нарушить исходное соединение, иначе питание на микрофон подаваться не будет. Внимательно изучив электрическую схему, показанную на рис. 9.10, вы увидите, что нам осталось соединить между собой левый и правый кана¬ лы, для чего используется короткая проволочная перемычка (рис. 9.11, г). После завершения всех описанных выше операций вы должны получить FM-передатчик, оснащенный микрофоном (рис. 9.11, д). Тестирование Легко убедиться, что кнопка включения/выключения передатчика ни¬ как не влияет на подачу питания на модуль микрофона. Для полного обес¬ точивания устройства вам придется извлечь из него батарейки. Чтобы проверить работоспособность модернизированного FM-nepe- датчика, установите на нем частоту трансляции, не занятую ни одной из местных радиостанций, после чего настройте на нее имеющийся под ру¬ кой радиоприемник. В динамиках FM-приемника вы услышите характер¬ ное “подвывание”, причиной которого является обратная связь, возника¬ ющая вследствие близкого расположения передающего и принимающего устройств. Чтобы избавиться от назойливого звука, вынесите передатчик в другую комнату. При этом вы должны четко слышать все звуки, регистри¬ руемые микрофоном в соседнем помещении. Выбор динамиков Динамики мало изменились конструктивно с момента их изобретения. Устройство динамика, определяющее его функциональные возможности, показано на рис. 9.12. На узкую часть диффузора динамика, обычно изготовленного из бума¬ ги, намотана легкая катушка, которая располагается внутри постоянного магнита, закрепленного в корпусе динамика. При подаче на катушку элек¬ трического сигнала она начинает колебаться внутри магнита с частотой воспроизводимого звука. Вместе с катушкой двигается и диффузор, созда¬ вая в воздухе области разрежения и сжатия, тем самым генерируя звуковые волны. С электрической точки зрения динамик представляет собой обычную катушку, размещенную в магнитном поле. В рабочих характеристиках ди¬ намика обязательно указывается сопротивление, выраженное в омах. Для
302 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей большинства динамиков оно составляет 8 Ом, но вам могут встретиться ди¬ намики с несколько другим внутренним сопротивлением, например 4 или 60 Ом. Чтобы удостовериться в правильности сопротивления, указанного в технической документации к динамику, измерьте его для катушки, вос¬ пользовавшись обычным мультиметром. Рис. 9.12. Конструкция динамика Еще одна характеристика, на которую стоит обращать внимание при выборе динамика, — это мощность. Она определяет, насколько сильный сигнал можно подать на динамик, не вызвав перегрев его катушки, что не¬ отвратимо вызовет поломку устройства. Небольшие звуковые приборы, подобные компактным радиоприемникам, рассчитаны на мощность сиг¬ нала, выводимого через динамик, порядка 250 мА. По мере знакомства со звуковой аппаратурой, особенно класса Hi-Fi, вы будете сталкиваться с ди¬ намиками, рассчитанными на более высокие мощности воспроизведения, вплоть до нескольких сотен ватт. Создать динамик, воспроизводящий звук во всем слышимом чело¬ веческим ухом диапазоне частот (от 20 Пд до 20 кПд), невероятно сложно. Именно поэтому высококлассные звуковые колонки обычно состоят из не¬ скольких динамиков с разными размерами и рабочими характеристиками. Колонки среднего качества снабжены только двумя динамиками: низко- и Диффузор Неподвижный магнит Катушка Контакты Корпус
ГЛАВА 9. Звуковое оборудование 303 высокочастотным. Поскольку низкочастотные динамики не рассчитаны на воспроизведение высокочастотного сигнала и наоборот, исходный звуко¬ вой сигнал предварительно разделяется на две составляющие с помощью специального разделительного фильтра (также известного как “кроссовер”). В звуковой аппаратуре высокого класса разделение выводимого сигнала производится на три диапазона: басы, средние тона и высокие частоты. Человеческое ухо устроено так, что прекрасно распознает направление распространения только высокочастотных звуков. Услышав пение весен¬ ней птички, спрятавшейся на дереве, вы почти наверняка сможете рас¬ смотреть ее среди листвы, не потратив на это много времени. Это ни в коей мере не относится к низким частотам. Именно поэтому системы объемно¬ го звучания, состоящие из большого числа колонок, предназначенных для вывода средних и высоких частот, обычно оснащаются всего одним устрой¬ ством воспроизведения низких частот — сабвуфером. Это позволяет эко¬ номить не только денежные средства, но и место в помещении, поскольку сабвуферы имеют далеко не самые скромные размеры и в процессе работы выталкивают наружу и втягивают внутрь большие массы воздуха. Одноваттный усилитель мощности Чтобы упростить задачу создания компактного усилителя, через кото¬ рый звук будет подаваться на динамик, лучше воспользоваться готовыми интегральными решениями, например микросхемой TDA7052, содержа¬ щей все необходимые вам компоненты, и все это по цене меньше одного доллара. В этом разделе вы узнаете, как на беспаечной макетной плате со¬ брать простой звуковой усилитель (рис. 9.13). Альтернатива сборке собственного усилителя только одна — приобре¬ тение готового устройства. Вы найдете на рынке огромное количество Рис. 9.13. Простейший звуковой усилитель мощностью 1 Вт
304 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей предложений, рассчитанное на разные уровни мощности и количество зву¬ ковых каналов. Такие аукционы, как eBay, забиты такими стандартными предложениями, как ВОВ-11044 (производства SparkFun) и 987 (компа¬ нии Adafruit). Эти модули часто относят к специальному классу устройств (class-D), которые потребляют намного меньше электроэнергии, чем усили¬ тель, создаваемый вручную из обычных радиодеталей. На рис. 9.14 вы видите электрическую схему стандартного звукового усилителя, собранного на базе микросхемы TDA7052. Рис. 9.14. Электрическая схема звукового усилителя на базе TDA7052 В нашем случае резистор R1 отвечает за регулировку уровня громкости, понижая его перед усилением. Сигнал на вход усилителя передается через конденсатор CI, который позволяет избежать подачи на него постоянного напряжения, полученного вместе с сигналом от звукового устройства, генерирующего его. Именно по¬ этому такого рода конденсаторы часто называют разделительными. Конденсатор С2 применяется для накопления заряда, потребляемого звуковым усилителем при возникновении необходимости в очень быстром изменении мощности выходного сигнала, передаваемого на динамик. Этот конденсатор нужно расположить как можно ближе к микросхеме. TDA7052 Звуковой вход Батарея 6В
ГЛАВА 9. Звуковое оборудование 305 Необходимое оборудование Чтобы создать простой звуковой усилитель, вам понадобятся такие элек¬ тронные компоненты. Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 IC1 Микросхема TDA7052 S9 1 R1 Переменный резистор, 10 кОм K1.R1 1 С1 Конденсатор, 470 нФ СЗ 1 С2 Конденсатор, 100 мкФ К1.С2 1 Динамик, 8 0м Н14 1 Беспаечная макетная плата НЗ Монтаж устройства На рис. 9.15 показана монтажная схема устройства, собираемого на ма¬ кетной плате. Если вы раньше никогда не сталкивались с макетными пла¬ тами под пайку компонентов, то за детальными инструкциями по монтажу обратитесь к главе 4. Рис. 9.15. Размещение компонентов усилителя на макетной плате В процессе создания звукового усилителя следуйте поэтапным инструк¬ циям, приведенным на рис. 9.16. Сначала обрежьте макетную плату под пайку компонентов до необходи¬ мого размера. Затем высверлите три отверстия в дорожках, как показано на рис. 9.16, а. На следующем этапе снабдите макетную плату всеми необходимыми проволочными выводами и впаяйте в нее микросхему, оба конденсатора и резистор R1 (рис. 9.16, б). Проще сначала впаивать те компоненты, кото¬ рые имеют наименьшую высоту. Снабдите динамик проволочными выводами, как показано на рис. 9.16, в, после чего припаяйте к проводам колодку батарейного блока и звуковой Динамик Звуковой вход Батарея (6 В)
306 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей штекер 3,5 мм (рис. 9.16, г). Обратите внимание на то, что мы создаем ис¬ ключительно одноканальный звуковой усилитель, поэтому в штекере будет задействован только один контакт. Для усиления стереосигнала восполь¬ зуйтесь методикой объединения двух каналов в один, описанной в разделе “Преобразование стереосигнала в монофонический”. Рис. 9.16. Этапы сборки простого усилителя мощности Тестирование Для того чтобы протестировать только что созданный звуковой усили¬ тель, подключим его к МРЗ-плееру, Android-смартфону или iPhone, где запу¬ стим программный генератор сигналов, подобный показанному на рис. 9.17. Вы без труда сможете загрузить одно из таких приложений, например RadonSoft, для Android бесплатно. Воспользовавшись программным генератором, вы сможете подавать на выход звуковой тон любой частоты. Замечая, для каких частот громкость звука не усиливается, вы легко определите рабочий диапазон усилителя. Звуковой генератор Возвращаясь к главе 4, давайте вспомним, как мы с помощью микросхе¬ мы серии 555 управляли несколькими светодиодами сразу. В этом разделе мы попробуем использовать эту микросхему для генерации колебаний с ча¬ стотами, которые обеспечат воспроизведение звуков разных тонов.
ГЛАВА 9. Звуковое оборудование 307 Рис. 9.17. Программный звуковой генератор Высота звукового сигнала в нашем устройстве устанавливается фото¬ резистором, поэтому, проводя рукой перед ним, вы добьетесь получения звуковых эффектов, характерных для такого электромузыкального инстру¬ мента, кактерменвокс. На рис. 9.18 показано устройство звукового генератора, собранное на макетной плате. Электрическая схема звукового генератора показана на рис. 9.19. Конструкция звукового генератора напоминает устройство мигания светодиодов, собранное нами в главе 4. В данном случае вместо двух рези¬ сторов с постоянным сопротивлением и конденсатора установка частоты выходного сигнала осуществляется с помощью фоторезистора RL сопро¬ тивление которого изменяется в диапазоне от 1 до 4 кОм (в зависимости от интенсивности падающего на него света). Учтите, что нам нужно добиться намного больших частот выходного сигнала, чем в устройстве мигания све¬ тодиодов. На самом деле при минимальном уровне в 1 кГЦ частота сигнала будет в 1 ООО раз больше, чем в устройстве, описанном в главе 4. Частота на выходе таймера 555 определяется по следующей формуле: частота = 1,44/((7?/+2х/?2)хС7),
308 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 9.18. Звуковой генератор, собранный на макетной плате Рис. 9.19. Электрическая схема звукового генератора на базе ин¬ тегральной микросхемы серии 555
ГЛАВА 9. Звуковое оборудование 309 где сопротивление резисторов R1 и R2 выражено в омах, а емкость конден¬ сатора С1 — в фарадах. Таким образом, если емкость конденсатора С1 равна 100 нФ, сопротив¬ ление резистора R2 составляет 10 кОм, а минимальное сопротивление фо¬ торезистора R1 — 1 кОм, то частота выходного сигнала вычисляется так: 1,44/(( 1000+20000) х 0,0000001 )=686 Гц Если увеличить сопротивление фоторезистора R1 до 4 кОм, то частота выходного сигнала уменьшится до следующего значения: 1,44/((4000+20000) х 0,0000001 )=320 Гц При вычислении рабочей частоты и соответствующем подборе номи¬ налов для компонентов RL R2n Cl вы можете пользоваться удобными он¬ лайн-калькуляторами, подобным представленному по следующему адресу: http://cxem.net/calc/555_calc.php Все расчеты в нем выполняются автоматически, от вас потребуется только ввести входные параметры схемы. Необходимое оборудование Для создания звукового генератора вам понадобится следующее обору¬ дование. Количество Обозначение Оборудование Код в приложении 1 IC1 Таймер 555 K1.S10 1 R1 Фоторезистор K1.R2 1 R2 Резистор, ЮкОм К2 2 С1.СЗ Конденсатор, 100 нФ К1.С4 1 С2 Конденсатор, 10 мкФ К1.С5 1 Динамик, 8 0м Н14 Монтаж устройства Монтажная схема устройства, собранного на беспаечной макетной пла¬ те, показана на рис. 9.20. Монтаж звукового генератора на макетной плате не вызывает больших трудностей. В качестве отправной точки используйте инструкции из раз¬ дела, посвященного созданию устройства мигания светодиодами, главы 4. Музыкальный синтезатор Музыкальное программное обеспечение, подобное Ableton Live, поддержи¬ вает управление виртуальными музыкальными инструментами с помощью
310 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей микроконтроллеров и предназначена для создания музыкальных компози¬ ций через эмулирование функций клавиатуры. Рис. 9.20. Схема монтажа звукового генератора на макетной плате Эмуляция функций USB-клавиатуры обеспечивается в плате Arduino Leo¬ nardo с помощью внешне подключаемого акселерометра. Нажимаемая кла¬ виша (из диапазона 0-8) определяется степенью наклона платы: клавиша 4 соответствует горизонтальному расположению платы, 0 — наклону платы вправо почти до вертикального состояния, а 8 — наклону до почти верти¬ кального положения в противоположном направлении. Единственное дополнительное оборудование, которое вам потребуется подключить к плате Arduino Leonardo, — это акселерометр (рис. 9.21). Необходимое оборудование Для создания музыкального синтезатора вам понадобится такое обору¬ дование. Количество Оборудование Код в приложении 1 Arduino Leonardo М21 1 USB-кабель с разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo 1 Акселерометр М15 (производства Adafruit)
ГЛАВА 9. Звуковое оборудование 311 Рис. 9.21. Музыкальный синтезатор, подключаемый к USB-порту Монтаж устройства В этом проекте монтаж оборудования предельно прост. Монтажная схе¬ ма такая же, как и в главе 8, в которой рассматривались принципы управ¬ ления акселерометром. Для использования акселерометра производства компании Freetronics вам понадобится дополнительно изменить в про¬ граммном коде назначение выводов. Программное решение Программа управления музыкальным контроллером выполняет две ос¬ новные задачи: определяет угол наклона платы относительно оси X акселе¬ рометра и эмулирует операцию нажатия соответствующих клавиш. В самом начале в исходном коде назначаются переменные для выводов, используемых в устройстве. Как вы знаете из главы 8, питание на акселеро¬ метр удобно подавать через цифровые выходы платы Arduino. // music_controller int gndPin = A2; int xPin = 5; int yPin = 4; int zPin = 3; int plusPin = AO; Переменная levelX применяется при калибровке и хранит аналоговое значение горизонтального положения акселерометра. В переменной oldTilt хранится предыдущее значение наклона платы, представленное числом из диапазона 0-8, где значение 4 обозначает гори¬ зонтальный уровень. Предыдущее значение необходимо знать, поскольку нажатие клавиши обрабатывается только в случае регистрации изменения угла наклона платы.
312 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей int levelX = 0; int oldTilt = 4; В функции setup () настраивается подача питания на акселерометр, вы¬ зывается функция калибровки, а плата Arduino Leonardo переводится в ре¬ жим эмуляции клавиатуры. void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); calibrate(); Keyboard.begin(); } В основной части программы показания акселерометра переводятся в число из диапазона от О до 8. В случае его отличия от предыдущего значе¬ ния осуществляется нажатие соответствующей клавиши. void loop() { int х = analogRead(xPin); // levelX-70 levelX levelX + 70 int tilt = (x - levelX) / 14 + 4; if (tilt < 0) tilt = 0; if (tilt > 8) tilt = 8; // 0 - наклон влево, 4 - горизонтально, 8 - наклон вправо if (tilt != oldTilt) { Keyboard.print(tilt); oldTilt = tilt; } } Функция calibrate () производит первичное определение показаний ак¬ селерометра и определяет наклон относительно оси X, предварительно выждав 200 мс, чтобы дождаться выхода устройства на нормальный рабо¬ чий режим. void calibrate() { delay(200); levelX = analogRead(xPin); } Программный измеритель уровня громкости Модулем микрофона, изученным нами в разделе “Радиопередатчик”, так¬ же можно эффективно управлять с помощью микроконтроллера, напри¬
ГЛАВА 9. Звуковое оборудование 313 мер, находящегося на плате Arduino. На рис. 9.22 показано, как такой мо¬ дуль правильно подключать к аналоговым выводам платы Arduino. Рис. 9.22. Подключения модуля микрофона к Arduino Итак, воспользуемся модулем микрофона для измерения уровня громко¬ сти звука и вывода его в виде количества символов * в окне монитора после¬ довательного порта (рис. 9.23). Рис. 9.23. Уровень громкости выводится на монитор по¬ следовательного порта
314 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Необходимое оборудование Для создания простого измерителя уровня громкости вам понадобятся следующие компоненты. Количество Оборудование Код в приложении 1 Arduino Uno/Arduino Leonardo М2, М21 1 USB-кабель с разъемом типа В для Arduino Uno и разъемом Micro-USB для Arduino Leonardo 1 Модуль микрофона М14 1 Штекерная колодка (трехвыводная) Н4 Монтаж устройства Загрузите программу vu meter в плату Arduino перед тем, как подклю¬ чать к ней модуль микрофона. Припаяйте штекерную головку к модулю микрофона, чтобы иметь воз¬ можность подключить ее непосредственно к выводам А0-А2 платы Arduino, ориентировав микрофон наружу, как показано на рис. 9.22. Программное решение Модуль микрофона потребляет очень небольшой ток, поэтому питание на него можно легко подать через выводы АО и А1. Программа начинается с определения рабочих выводов, а также назна¬ чения им переменных и начальных состояний (в функции setup ()). После этого устанавливается последовательное соединение. // vujneter int gndPin = Al; int plusPin = AO; int soundPin = 2; void setup() { pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); pinMode(plusPin, OUTPUT); digitalWrite(plusPin, HIGH); Serial.begin(9600); } В самом начале функции loop () с аналогового входа А2 считывается нео¬ бработанное значение. В режиме отсутствия звука модуль микрофона под¬ ает на вывод сигнал с уровнем напряжения 2,5 В. При регистрации звука микрофоном выводится сигнал более высокого уровня, поэтому для опре¬ деления его интенсивности (громкости) нужно вычесть из необработанного значения число 511, которое соответствует напряжению 2,5 В. Выходной сигнал модуля микрофона принимает значения из диапазона от О до 1023.
ГЛАВА 9. Звуковое оборудование 315 Функция abs () преобразует любое отрицательное число в положитель¬ ное, после чего делит полученный результат на 10, масштабируя его до ди¬ апазона 0-51 и назначая в качестве значения переменной topLED. В нашем текущем проекте не используются светодиоды, но вы можете для простоты воспринимать каждый символ * как отдельный элемент гистограммного индикатора. В цикле for на монитор последовательного порта выводится количест¬ во символов *, равное уровню громкости, представленному переменной topLED. После вывода каждой новой строки устанавливается задержка дли¬ тельностью 1/10 секунды. void loop() { int value = analogRead(soundPin); int topLED = 1 + abs(value - 511) / 10; for (int i = 0; i < topLED; i++) { Serial.print("*"); } Serial.println(); delay(100); } Резюме Кроме описанного в этой главе, существует огромное количество друго¬ го модульного звукового оборудования, которое вы можете успешно приме¬ нять в собственных проектах. Лучше всего приобретать их на всевозмож¬ ных интернет-аукционах, ориентируясь на устройства, произведенные компаниями SparkFun и Adafruit. Также не забывайте о самом простом способе получения дешевых ком¬ плектующих — разборке и утилизации старых аудиоустройств.
Глава 10 Демонтаж и разборка старых электронных устройств В этой главе мы поговорим о том, как правильно извлекать электронные компоненты из старых устройств и использовать их в собственных проектах, а также применять старые модули в новых проектах. В современном обществе большая часть бытовой электроники при пер¬ вой же поломке или по окончании срока службы отправляется прямиком на свалку. С экономической точки зрения ее ремонт обходится дороже, чем приобретение новых приборов и устройств, поэтому о повторном использо¬ вании старых вещей почти никто не задумывается. Но это не значит, что такой подход правильный во всех без исключения случаях. Для нас с вами старая, давно выброшенная электроника станет серьезным подспорьем и неисчерпаемым источником деталей. Даже в случае безнадежной поломки любой электронный прибор содержит огромное количество рабочих компо¬ нентов, стоящих нашего внимания и повторного использования. Как избежать удара электрическим током Работая с электронными устройствами, которые запитываются от быто¬ вой электрической сети, никогда не разбирайте их до тех пор, пока не убе¬ дитесь, что они полностью обесточены. Я никогда не начинаю разбирать электронный прибор, пока не увижу на рабочем столе штепсельную вилку, с помощью которой он подключается к розетке на стене. Это простое прави¬ ло спасает меня от удара электрическим током и дает полную уверенность в безопасности дальнейших действий. Электрический ток, подаваемый че¬ рез бытовые электрические сети, каждый год убивает большое количество людей во всем мире, поэтому будьте предельно внимательны и относитесь к правилам техники безопасности максимально серьезно! Некоторые устройства, такие как импульсные источники питания, осна¬ щены конденсаторами большой емкости, которые удерживают накоплен¬ ный заряд в течение нескольких часов после отключения от электрической сети. Если начать разбирать такие устройства сразу после отключения, то можно легко получить удар током, всего лишь прикоснувшись к любому оголенному контакту внутри прибора. Ни в коем случае нельзя разряжать конденсатор непосредственным за¬ корачиванием его выводов; исключение составляют разве что конденсато¬ ры очень малой емкости. Большие конденсаторы накапливают значитель¬ ный заряд, который при закорачивании выводов мгновенно превращается
318 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей в сильный электрический ток, что приводит к выделению огромного коли¬ чества энергии. В самом простом случае это приводит к оплавлению выво¬ дов, а в худшем — к взрыву конденсатора со всеми вытекающим для вашего здоровья последствиями (повреждение глаз вплоть до слепоты происходит в большинстве случаев). На рис. 10.1 показан безопасный способ разрядки конденсаторов любой емкости. Рис. 10.1. Безопасная разрядка конденсатора Загните выводы резистора с сопротивлением 100 Ом так, чтобы ими было удобно зацеплять выводы конденсатора, а сам резистор удерживайте не рукой, а плоскогубцами. Замкните выводы конденсатора через резистор, удерживая контакт на протяжении нескольких секунд. Установив на муль¬ тиметре максимальный режим измерения постоянного напряжения, на¬ пример 50 В, вы сможете измерить пиковое напряжение на конденсаторе, возникающее в момент начала его разрядки. Чем мощнее выбранный вами резистор, тем лучше. Если выделяемая конденсатором мощность больше той, на которую рассчитан резистор, то последний просто выйдет из строя без настолько печальных последствий, как это происходит с самим конден¬ сатором. Некоторые устройства при демонтаже представляют повышенную опас¬ ность и часто вызывают производственные травмы. К ним, в частности, от¬ носятся: ■ старые телевизоры на электронно-лучевых трубках; ■ импульсные источники питания; ■ лампы-вспышки для фотоаппаратов и фотоаппараты со встроенными вспышками.
ГЛАВА 10. Демонтаж и разборка старых электронных устройств 319 Извлечение и монтаж компонентов на плате Поговорка “разобрать и дурак сможет, а ты попробуй обратно собери” в случае электронных приборов не работает по определению. Разбирать нуж¬ но с умом, строго придерживаясь техники безопасности. Следуя нескольким простым правилам, приведенным ниже, вы избежи¬ те многих проблем и трагических последствий. ■ Работайте на незагроможденной рабочей поверхности с достаточным количеством свободного места. ■ Выкручивая винты, всегда располагайте их в отдельном контейне¬ ре или в удаленном месте рабочего стола, чтобы не потерять их и не запутаться с их назначением при сборке устройства. Винты бывают разной длины и диаметра. Если вы храните их на поверхности рабо¬ чего стола, то для предотвращения скатывания на край и падения на пол укладывайте их на кусок поролона или ткани. ■ Выкрутив все винты и отщелкнув защелки, вы легко снимете корпус разбираемого прибора. Будьте предельно внимательны, поскольку из него могут высыпаться мелкие пластиковые детали, такие как ры¬ чажки переключателей и защитные крышечки индикаторных ламп и кнопок. Постарайтесь удерживать их на местах, чтобы не запутаться с назначением при дальнейшей сортировке изъятых деталей. ■ Если конструкция прибора кажется вам запутанной и однозначно не¬ понятной, зарисуйте ее на отдельном листе или сфотографируйте ого¬ ленные “внутренности” устройства. (Я часто фотографирую устрой¬ ства, оснащенные сложными механическими конструкциями, перед тем как приняться за их ремонт.) ■ Не применяйте силу при извлечении компонентов. Не поленитесь потратить время на поиск крепежных элементов — они обязательно найдутся. ■ Если все щадящие методы демонтажа исчерпаны, а нужную деталь извлечь так и не удалось, то перекусите винты или защелки, соединя¬ ющие корпус кусачками (я сам иногда так делал). Впоследствии, ко¬ нечно, вам придется склеить корпус или выбросить его. Проверка предохранителей Самая частая операция при починке электронных устройств — это заме¬ на предохранителей. Она очень простая, поскольку легко диагностируется и не требует специальных инструментов. Задача предохранителя заключа¬ ется в перегорании легкоплавкого провода при протекании через него тока, большего, чем допустимый для электрической цепи. Таким образом, пе¬ регорая, предохранитель не позволяет выйти из строя более дорогим ком¬ понентам прибора, а также предотвращает возгорание радиодеталей при чрезмерном перегреве.
320 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Многие предохранители умышленно делают прозрачными, чтобы мож¬ но было визуально узнать о выходе их из строя (перегорании). Характери¬ зуются предохранители максимальной силой тока, на которую они рассчи¬ таны, выраженной в амперах или миллиамперах. К отдельному классу от¬ носят быстродействующие предохранители. Как несложно догадаться, они отличаются скоростью срабатывания при прохождении через них токов, превышающих заданный предел. Предохранителями (рис. 10.2, б) оснащаются многие электрические при¬ боры, иногда они встречаются даже в настенных розетках, не говоря уже о печатных платах и бытовой электронике. На рис. 10.2, а, показан предо¬ хранитель внутри штекера на конце электрического кабеля, характерный для бытовых устройств, используемых в Великобритании. Зажатый в спе¬ циальном разъеме съемный предохранитель, размещенный под крышкой мультиметра, показан на рис. 10.2, в. Рис. 10.2. Предохранители
ГЛАВА 10. Демонтаж и разборка старых электронных устройств 321 Вы уже многократно использовали мультиметр в режиме прозвонки цепи, поэтому проверка предохранителя не будет для вас сложной задачей (рис. 10.3). Предохранитель никогда не перегорает просто так; это всегда вызвано определенной причиной. Случаются, правда, досадные неожиданности — скачки напряжения в сети, но они не столь часты, чтобы быть закономер¬ ностью. Поэтому в общем случае предохранитель выходит из строя только при возникновении проблем в самом приборе (в кабеле переломлен или ого¬ лен провод, на плате выгорело несколько радиодеталей и т.п.). Только устра¬ нив причину перегорания, заменяйте предохранитель на новый. Если предохранитель выходит из строя повторно сразу после замены, то не стоит его заменять еще раз. Лучше займитесь поиском другой причины, приведшей к его перегоранию. Рис. 10.3. Тестирование предохранителей Тестирование батарей Разряженные батарейки являются еще одной важной причиной нера¬ ботоспособности многих электронных устройств. Измерив напряжение на выводах батарейки, легко определить, разряжена она или нет. В процессе тестирования источников питания я заметил, что если на выводах обычной батарейки формата АА или ААА (1,5 В) имеется напря¬ жение меньшее 1,2 В, то ее нужно в ближайшее время заменить. Таким же образом батарея на 9 В требует замены, если напряжение на ее выводах па¬
322 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей дает до уровня, меньшего чем 8 В. Тем не менее измерение напряжения на выводах батареи, не подключенной к нагрузке, — малоинформативное за¬ нятие. Для того чтобы получить более достоверные показатели, “нагрузите” батарею, подключив к ней резистор с сопротивлением 100 Ом. На рис. 10.4 показано, как в таком случае выглядит процедура измерения напряжения на выводах батареи. Рис. 10.4. Проверка работоспособности батареи с помощью резистора и мультиметра Электронагреватели После извлечения нагревательного элемента из электропечи, фена для волос или другого бытового прибора, чтобы получить представление о его работоспособности, вам необходимо измерить его сопротивление. Как и в любом другом случае, извлечение и замеры проводите только после полного отключения прибора от домашней электрической сети. Всегда неплохо рассчитать сопротивление нагревательного элемента пе¬ ред тем, как измерить его мультиметром. В качестве примера рассмотрим прибор мощностью 2 кВт, рассчитанный на напряжение питания 220 В: Р = U2/R Поэтому R = U2/P = 220x220/2000 = 24 Ом Предварительные вычисления нужны, скорее, для подтверждения пра¬ вильности исходных предположений, чем для проверки ваших математи¬ ческих способностей. Если сначала измерить сопротивление, то легко убе¬ дить себя в правильности полученного значения без контрольного вычи¬ сления. В моей практике был случай, когда я принял сломанный нагрева¬
ГЛАВА 10. Демонтаж и разборка старых электронных устройств 323 тельный элемент за работающий только на основании того факта, что при измерении его сопротивление составило несколько сотен ом. Как оказалось позже, параллельно с этим элементом была подключена мощная электри¬ ческая лампочка, и я измерял именно ее сопротивление, а реальное рассчи¬ танное сопротивление нагревательного элемента сильно отличалось от по¬ казанного на дисплее мультиметра. Поиск и замена неисправностей Если устройство, собранное на печатной плате, перестало работать, то, скорее всего, один или несколько его компонентов вышли из строя. Визуальный осмотр платы и всех находящихся на ней компонентов часто позволяет очень точно определить причину поломки. В качестве слабого звена чаще всего выступают резисторы и транзисторы. Тестирование радиодеталей Резисторы очень просто проверять мультиметром: достаточно задать правильный рабочий диапазон сопротивлений. Хотя результат и может быть противоречивым, в некоторых ситуациях проверять резисторы мож¬ но, не демонтируя их с платы. В подавляющем большинстве случаев вам придется иметь дело с разорванными электрическими цепями (очень боль¬ шое сопротивление) или коротким замыканием (нулевое сопротивление). Если ваш мультиметр снабжен функцией измерения емкости, то вы мо¬ жете в соответствующем режиме тестировать конденсаторы. Остальные компоненты проверить не так просто, а некоторые из них даже сложно идентифицировать. Маркировка на корпусе компонента зача¬ стую наносится настолько мелким шрифтом, что разобрать надпись можно только с помощью лупы. Вы также можете сфотографировать компонент и увеличить его в графическом редакторе, чтобы распознать надписи на нем. Проведя поиск по названию или специальному обозначению в Интернете, вы легко определите, с чем имеете дело. С помощью мультиметра можно легко проверить работоспособность би¬ полярных транзисторов, о чем рассказывается в следующей главе. В случае возникновения сомнений вы всегда можете заменить транзистор таким же, но новым. Выпаивание радиодеталей Выпаивание радиодеталей с печатных плат — целое искусство. В пер¬ вый раз это кажется абсурдным, но, чтобы собрать припой с места пайки, вам нужно поднести к этому месту расплавленный припой. Я наловчился собирать лишний припой с платы, используя жало паяльника, на котором находится маленькая капелька расплавленного припоя. Регулярно проти¬ рая жало о губку, собирать излишки припоя очень просто. Сильно поможет в решении этой непростой задачи специальная медная косичка для сбора
324 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей припоя (код в приложении Т13). На рис. 10.5 показан поэтапный процесс сбора припоя вокруг только что выпаянного вывода. Косичка для сбора припоя (рис. 10.5, а) продается в виде лент разной ширины, намотанных на небольшие катушки. Она представляет собой сплетенные между собой тонкие медные волоски, покрытые специальным флюсом, который способствует налипанию расплавленного металла, соби¬ раемого с печатной платы. Для очистки места пайки одного вывода вам по¬ надобится совсем небольшой отрезок такой ленты. На рис. 10.5, б, показано соединение (обведено кружком), из которого нужно выпаять вывод и собрать оставшийся припой. Прижмите медную ко¬ сичку к месту пайки жалом паяльника, как показано на рис. 10.5, в. Вскоре вы увидите, как косичка погружается в припой и он начинает растекать¬ ся по медным волоскам. Уберите косичку с места соединения, пока она не остыла, и вы увидите, что вывод и место пайки теперь лишены нагромо¬ ждений припоя — он весь впитался медной косичкой (рис. 10.5, г). Рис. 10.5. Медная косичка поможет убрать лишний припой Срежьте с косички отрезок, пропитанный припоем, и выбросите его, по¬ скольку повторно использовать его для сбора припоя уже нельзя. Возможно, для полной очистки места пайки и выводов от припоя вам по¬ надобится повторить описанную выше процедуру несколько раз.
ГЛАВА 10. Демонтаж и разборка старых электронных устройств 325 Замена радиодеталей Пайка радиодеталей на печатной плате вместо только что выпаянных компонентов не вызывает больших затруднений даже у новичков — доста¬ точно следить за правильностью подобранного элемента. На этом этапе вам пригодится фотография или зарисовка исходного вида платы, сделан¬ ная заранее. Вторая жизнь старых радиодеталей Неработающие электрические приборы — это прекрасный источник электронных компонентов для будущих проектов. Но не стоит извлекать из них все радиодетали без разбору, поскольку многие компоненты настолько дешевы, что проще приобрести их в магазине, чем мучиться с извлечением с печатных плат. Например, резисторы стоят копейки, а времени на их де¬ монтаж уходит нерационально много. При разборке старого оборудования обращайте особое внимание на сле¬ дующие устройства и оборудование: ■ электродвигатели всех типов; ■ разъемы; ■ соединительные кабели; ■ многосегментные светодиодные индикаторы; ■ динамики; ■ переключатели; ■ мощные транзисторы и диоды; ■ крупные и необычной формы конденсаторы; ■ соединительные элементы, винты и гайки. На рис. 10.6 показано устройство старого кассетного видеомагнитофо¬ на, содержащего огромное количество деталей, которым можно легко дать вторую жизнь. Проще всего извлечь многие компоненты, особенно соединительные ка¬ бели, — это срезать их с места крепления кусачками. Это касается больших электролитических конденсаторов, а также других крупных радиодеталей, снабженных длинными выводами. Если выводы у компонентов короткие, то вам не останется ничего другого, как выпаять их. Зарядное устройство как универсальный блок питания Любой электронный проект требует источника питания. В отдельных случаях стандартных батареек вполне достаточно, но чаще всего для обес¬ печения устройства электрическим током достаточной мощности его тре¬ буется подключить к бытовой электрической сети.
326 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Кабель питания с уплотнительной втулкой Модулятор ТВ-сигнала^ в дециметровом диапазоне, ^Игры на телевизоре?^ Заманчиво выглядящий электродвигатель Электродвигатель постоянного тока^ Электролитические ^конденсаторы^ Замечательный индикатор с длинными ^ яниппямм ^ Сенсорная кнопка, карман не жмет! ИК-приемник Рис. 10.6. Старый видеомагнитофон — это кладезь полезных радиодеталей для опытного старьевщика Учитывая тот факт, что большинство из нас имеет на сегодняшний день по нескольку телефонов или даже смартфонов, вполне логично приспо¬ собить в качестве источника питания стандартное зарядное устройство. Зарядные устройства современных мобильных телефонов оснащены разъ¬ емами Mini-USB и Micro-USB. А вот старые модели телефонов комплекту¬ ются зарядными устройствами с уникальными разъемами на конце кабе¬ лей, характерными только для конкретного производителя. Но ведь никто не запрещает нам заменить разъем питания на конце ка¬ беля на другой, подходящий для решения задач текущего проекта, особен¬ но если учесть, что сам блок питания валяется без дела еще с незапамятных времен и вам вряд ли доведется использоваться его по прямому назначе¬ нию. Чтобы избежать пайки нового разъема, попробуйте поискать в прода¬ же адаптеры или переходники необходимого типа. Поэтапный процесс по присоединению к зарядному устройству другого типа разъема приведен на рис. 10.7. В данном случае к зарядному устрой¬ ству от старого мобильного телефона присоединяется круглый штекер диа¬ метром 2,1 мм. Показанное зарядное устройство приобретено мною в одном из супер¬ маркетов и рассчитано на подключение к электрической сети с перемен¬ ным напряжением 220 В. Разъем на конце его кабеля уже давно не исполь¬ зуется в современных устройствах (рис. 10.7, а). Надпись на блоке адаптера гласит, что на выходе обеспечивается питание с напряжением 5 В при токе 700 мА. Удостоверившись в том, что вам подходят рабочие характеристики зарядного устройства, срежьте (вы ведь не успели подключить его к сети?)
ГЛАВА 10. Демонтаж и разборка старых электронных устройств 327 заводской разъем с кабеля и зачистите оба провода. Один из проводов дол¬ жен иметь красную изоляцию, а второй — черную; красный провод соответ¬ ствует положительному выводу, а черный — отрицательному. В некоторых случаях, как и в нашем, один провод красный, а второй желтый. Какими бы цветами ни окрашивались провода, чтобы определить полярность выводов, проверьте напряжение на них с помощью мультиметра (рис. 10.7, б). Не забудьте продеть кабель через пластиковый корпус нового разъема перед тем, как приступить к пайке предварительно зачищенных проводов к его выводам! Рис. 10.7. Замена разъема на кабеле зарядного устройства
328 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Присоедините к кабелю новый штыревой разъем (коаксиальный разъем питания, обозначенный в приложении кодом Н11). Данный процесс мало чем отличается от описанной в предыдущей главе операции по оснащению штекером звукового кабеля. Подготовленный к пайке разъем показан на рис. 10.7, в, а конечный результат — на рис. 10.7, г. Резюме Данная глава посвящается старьевщикам всех времен и народов, кото¬ рые выступают против расточительства и ратуют за многократное исполь¬ зование всех имеющихся в наличии ресурсов. Как истинный приверженец такого подхода, вы не можете отказаться от того, что просто выбрасывают на свалку. Вторую жизнь любым дорогостоящим компонентам не только можно, но и нужно дать!
Глава 11 Инструменты Последняя глава книги будет использоваться вами в качестве справоч¬ ного пособия. Многие из описанных в ней методик вам уже знакомы — мы рассматривали их в процессе реализации различных проектов книги. Мультиметр На рис. 11.1 крупным планом показан переключатель рабочих режимов (диапазонов) моего мультиметра. Рис. 11.1. Выбор диапазона измеряемых величин Таким переключателем диапазонов снабжено большинство мультиме¬ тров среднего ценового диапазона (стоимостью до 20 долларов). В процес¬ се реализации проектов, описанных в книге, вы будете пользоваться всего четырьмя-пятью диапазонами, поэтому давайте детально остановимся на рассмотрении операций, наиболее часто выполняемых с помощью мульти¬ метра.
330 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Разрыв цепи и пробитый диод Повернув переключатель диапазонов строго на 6 часов, вы установите мультиметр в режим прозвонки цепи, обозначенный на шкале символом диода, а иногда и символом музыкальной ноты. Вы уже работали в этом ре¬ жиме огромное количество раз. В нем мультиметр выдает звуковой сигнал, если между его щупами (зажимами) регистрируется низкое сопротивление. Символ диода красноречиво указывает на то, что в этом режиме также можно прозванивать диоды. В некоторых мультиметрах такой режим при¬ меним также и для тестирования светодиодов. В частности, он использует¬ ся для измерения на них прямого сопротивления. Соедините анод (не помечен полоской в обычном диоде и помечается длинным выводом в светодиоде) с красным щупом мультиметра, а второй вывод (катод) подключите к черному щупу светодиода. На дисплее мульти¬ метра отобразится прямое сопротивление диода. Как правило, для обыч¬ ных диодов оно составляет 0,5 Ом, а для светодиодов — от 1,7 до 2,5 Ом. При тестировании может наблюдаться слабое свечение светодиода. Сопротивление Мультиметр, показанный на рис. 11.1, снабжен шестью диапазонами (пре¬ делами) измерения сопротивления, начиная с 200 МОм и заканчивая 200 Ом. Если вы выберете диапазон с предельным сопротивлением, меньшим, чем у тестируемого резистора, то мультиметр известит вас об этом, “моргнув” по¬ казанием и зафиксировав на дисплее число 1 без дополнительных разрядов. Тем самым прибор дает понять, что нужно установить больший измеритель¬ ный предел. Лучше всего начинать с максимально возможного диапазона измерения сопротивлений и поэтапно сужать его, чтобы добиться наиболее точного определения номинала резистора. Самый точный диапазон мульти¬ метра — это следующий за вышедшим за пределы измерения диапазон. При тестировании резисторов с большим сопротивлением (от 100 кОм и больше) не забывайте о том, что ваше тело имеет собственное сопротивле¬ ние. Поэтому если при замере удерживать оба вывода резистора с помощью пальцев или в руках (рис. 11.2), то мультиметр определит суммарное сопро¬ тивление: резистора и вашего тела. Чтобы корректно измерить сопротивление резистора большого номина¬ ла, снабдите выводы мультиметра не щупами, а зажимами. Вы также мо¬ жете прижать выводы резистора к рабочей поверхности щупами, идущими от мультиметра. Емкость В некоторые мультиметры добавлена функция измерения емкости, пред¬ ставленной специальным режимом на переключателе диапазонов. Этот ре¬ жим редко применяется для точного измерения емкости конденсаторов (ем¬ кость конденсатора почти всегда указывается на его корпусе), но пригодит¬ ся вам для оценки номинала конденсатора, заявленного производителем.
ГЛАВА 11. Инструменты 331 Рис. 11.2. Одновременное измерение сопротивления тела и сопротивления резистора Точность измерения емкости у большинства мультиметров оставляет желать лучшего, но порядок величины они определяют вполне сносно. Чаще всего примерного измерения емкости вполне достаточно, хотя в слу¬ чае электролитических конденсаторов определение емкости выполняется мультиметрами достаточно точно. Другими словами, если мультиметр показывает, что емкость конденсато¬ ра составляет 100 мкФ при заявленных 120 мкФ, то считайте это вполне точным результатом. Температура Если вы видите на шкале переключателя диапазонов деления, представ¬ ляющие пределы измерения температуры, то, скорее всего, в комплектацию мультиметра включен специальный щуп (рис. 11.3), позволяющий опреде¬ лять температуру поверхности объектов, к которым им прикасаются. Щуп для измерения температуры представляет собой не что иное, как термопару — соединенные на конце кабеля два крошечных кусочка метал¬ ла. Такой термометр нашел применение в большом количестве цифровых устройств благодаря простоте своей конструкции и достаточно широкому диапазону измерения температур. Вы можете свериться с технической до¬ кументацией к мультиметру, но, скорее всего, рабочий диапазон встроен¬ ного термометра составляет от -40° до 1000°С (от -40° до 1832°F). Таким образом, с помощью термометра, которым оснащается мульти¬ метр, вы всегда сможете измерить температуру припоя или же радиодета¬ ли, которая кажется вам слишком горячей, на печатной плате. Такое впол¬ не оправданное применение термометра не требует высокой точности из¬ мерений, и термопара подходит для подобных случаев как нельзя лучше.
332 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Рис. 11.3. Температура чаще всего измеряется термопарой Переменное напряжение Нам не приходилось в рамках проектов, рассматриваемых в книге, часто работать с переменным током и напряжением. Большинство бытовых при¬ боров по всему миру получает питание от центральной электрической сети с переменным напряжением 110 или 220 В, обозначаемым аббревиатурой АС. На рис. 11.4 изображена временная зависимость напряжения на выво¬ дах розетки в центральной электрической сети при подаче в нее перемен¬ ного тока (АС, 220 В). Как показано на рис. 11.4, в таком сигнале максимально возможное на¬ пряжение составляет 310 В, а минимальное определяется уровнем -310 В. Часто возникает недопонимание, откуда же тогда берется значение 220 В? Ответ простой: большую часть времени напряжение в розетке дале¬ ко не самого высокого уровня, а потому сила тока и мощность небольшая. Значение 220 В получено в результате усреднения напряжения по времени, но его нельзя в полной мере считать математическим средним, поскольку при правильном расчете оно составит (220-220)/2 = 0 В. А все потому, что ровно половину времени (периода сигнала) напряжение отрицательное, а вторую половину — положительное. Напряжение 220 В получено как среднеквадратическое значение. Для его вычисления максимальное напряжение необходимо разделить на ква¬ дратный корень числа 2(1,4). Вы можете воспринимать это значение как эк¬ вивалент постоянного напряжения для переменного тока. Справедливость этого утверждения легко проверить, если сравнить яркости свечения оди¬ наковых электрических ламп, подключенных к сетям 220 В переменного тока и 220 В постоянного тока, — они одинаковые.
ГЛАВА 11. Инструменты 333 Рис. 11.4. График изменения напряжения в сетях переменного тока Вам не придется часто измерять переменное напряжение, разве что в целях обеспечения безопасности или в самых чрезвычайных ситуациях. Как бы там ни было, теперь вы точно знаете, о чем идет речь, и сможете правильно определить рабочие характеристики электрической сети. Постоянное напряжение Измерение постоянного напряжения — это привычная практика в кон¬ струировании электронных устройств; чаще всего диапазон измерений со¬ ставляет 0-20 В. Вы уже неоднократно пользовались мультиметром для определения этой характеристики источников питания (и не только), и мне нечего добавить к уже имеющимся у вас навыкам. Единственное, на чем хотелось акцен¬ тировать ваше внимание, — это предел измерений, устанавливаемый на мультиметре. Как и в случае с сопротивлением, сначала выставляйте мак¬ симально возможный измерительный диапазон, постепенно “опускаясь” до предела, в котором определяемое значение отображается точнее всего. Постоянный ток При измерении тока вы заметите, что разным рабочим режимам соот¬ ветствуют разные разъемы подключения положительного щупа мультимет¬ ра. Как правило, один разъем соответствует малым токам, а второй — боль¬ шим. В моем случае верхний разъем используется при измерении токов
334 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей силой до 200 мА, а нижний обеспечивает определение максимальной силы тока в 20 А (рис. 11.5). Пользуясь амперметром, особое внимание обращайте на два момента. Во-первых, если вы превысите выбранный предел измерений, то мульти¬ метр не известит вас об этом, как это реализовано в случае с сопротивлени¬ ем, а просто перестанет работать — у него перегорит предохранитель. Во- вторых, подключая кабели со щупами в гнезда амперметра, вы устанавли¬ ваете между ними ничтожно малое сопротивление. Это делается для того, чтобы через них проходила как можно большая часть тока, протекающего через измеряемую электрическую цепь. Если в дальнейшем по неосторож¬ ности вы попробуете при таком подключении щупов измерить напряжение, то получите короткое замыкание в тестируемой цепи и выведете из строя предохранитель мультиметра. Исходя из вышесказанного, всегда после окончания измерения тока под¬ ключайте кабели со щупами обратно в гнезда вольтметра. Тем самым вы избежите неприятных неожиданностей в виде поломанного оборудования и испорченного настроения. Если же вы по невнимательности попробуете измерить вольтметром силу тока, то ничего не сожжете, а всего лишь добье¬ тесь вывода на дисплей мультиметра значения 0. Те же меры безопасности, которых следует придерживаться при измере¬ нии постоянного тока, характерны и для переменного тока. Старайтесь не превышать выбранный предел измерений и не пользоваться амперметром вместо вольтметра. Рис. 11.5. Измерение сильных токов Переменный ток
ГЛАВА 11. Инструменты 335 Частота Если ваш мультиметр оснащен функцией измерения частоты тока, то в определенных ситуациях это станет хорошим подспорьем. Например, в гла¬ ве 9 при описании проекта звукового генератора вы могли бы воспользо¬ ваться такой возможностью мультиметра для определения частоты воспро¬ изводимого тона. Чаще всего этим пользуются те, у кого нет доступа к ос¬ циллографу. Проверка мультиметром транзистора Некоторые мультиметры, кроме всего прочего, снабжены гнездом для тестирования транзисторов. Такие приборы не только показывают рабо¬ тоспособность транзистора, но и определяют его коэффициент усиления по току. Если ваш мультиметр не умеет тестировать транзисторы напрямую, то для их проверки воспользуйтесь режимом прозвонки цепи. По крайней мере, вы будете точно знать, рабочий транзистор или нет. На рис. 11.6 показаны основные этапы тестирования биполярного NPN- транзистора на примере стандартной модели 2N3906. Переведите мультиметр в режим прозвонки цепи и подключите его отри¬ цательный щуп к центральному выводу (базе) транзистора, а положитель¬ ный щуп присоедините к одному из двух оставшихся выводов. Не имеет особого значения, эмиттер это будет или коллектор (базу транзистора по его внешнему виду определить проще всего). Вы должны получить на дисплее значение, попадающее в диапазон 500-900 Ом. Вы определили прямое сопротивление между базой и коллектором или эмиттером (рис. 11.6, а). Присоедините положительный щуп мультиметра к противоположному вы¬ воду транзистора (см. рис. 11.6, б) — вы должны получить приблизитель¬ но такой же результат. Если на дисплее отображается нулевое значение, то либо транзистор неработающий, либо у вас в руках транзистор PNP-типа. Тестирование последнего выполняется подобным образом, за тем лишь исключением, что исходно к базе транзистора нужно подключить положи¬ тельный шуп мультиметра. Универсальный источник питания Давайте детально рассмотрим стационарный блок питания, упомяну¬ тый нами в главе 5. После приобретения мультиметра и оборудования для пайки следующее, о чем вам нужно серьезно задуматься, — это о покупке универсального источника питания. Область его применения невероятно большая, поэтому вы точно не пожалеете потраченных на него денег. Источник питания, показанный на рис. 11.7, конструктивно очень про¬ стой и не требует специальной подготовки для практического использова¬ ния. Как видите, с его помощью можно даже заряжать электролитные
336 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей аккумуляторы. Во многих проектах такие аккумуляторы выступают луч¬ шими источниками питания, чем какие-либо другие. Но будьте готовы вы¬ ложить за такой многофункциональный блок питания около ста долларов. Рис. 11.6. Проверка транзистора Рассматриваемый нами блок питания подключается к розетке централь¬ ной электрической сети и обеспечивает на выходе ток силой до 4 А при на¬ пряжении питания 20 В, чего более чем достаточно для большинства люби¬ тельских проектов. Выходное напряжение на дисплее блока питания ото¬ бражается в верхней строке, а выходной ток — в нижней.
ГЛАВА 11. Инструменты 337 т шяшшл Рис. 11.7. Источник питания с плавно регули¬ руемыми выходными параметрами Преимущества использования внешнего источника питания по срав¬ нению со сменными батареями или встроенными аккумуляторами вполне очевидны: ■ на дисплее отображается ток, потребляемый вашим устройством; ■ потребление тока можно регулировать в широком диапазоне; ■ при тестировании светодиодов можно поддерживать постоянный ток питания; ■ напряжение питания устанавливается согласно необходимости, а не имеющейся возможности. На панели управления блоком питания располагается переключатель Output (Выход), который включает и отключает подачу напряжения на вы¬
338 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей ход, а также два регулятора, применяющиеся для регулировки выходного тока и напряжения. При первом тестировании каждого следующего проекта придерживай¬ тесь следующих простых правил подачи питания на только что собранное устройство. 1. Настройте на выходе блока питания минимально возможный ток. 2. Установите требуемое напряжение питания. 3. Подайте питание на выход (переключатель Output), обратив внимание на резкое уменьшение выходного напряжения. 4. Увеличивайте выходной ток блока питания и следите за увеличени¬ ем выходного напряжения. Прекратите увеличивать выходной ток, как только он достигнет требуемого уровня. Осциллограф Каждая лаборатория радиолюбителя должна оснащаться осциллогра¬ фом (рис. 11.8), применяемым для тестирования огромного количества электронных устройств, в которых сигнал изменяется с течением времени. Осциллографы — далеко не самые дешевые приборы (около 200 долларов за модель среднего уровня), имеющие впечатляющий модельный ряд. Самые дешевые осциллографы не оснащены экраном, но легко подключаются к компьютеру через USB-порт. Если вы не боитесь, что брызги припоя повре¬ дят ваш ноутбук, и согласны ждать его загрузки, чтобы ознакомиться с по¬ казаниями осциллографа, то этот вариант подойдет как нельзя лучше. Инструкциям по эффективному использованию осциллографа посвяще¬ но огромное количество специальных книг. Учитывая, что разные модели осциллографов сильно отличаются друг от друга, мы остановимся на рас¬ смотрении только основных их возможностей. Как видно на рис. 11.8, график сигнала отображается в верхней части экрана осциллографа. Вдоль вертикальной оси откладываются целые и дробные доли вольт; в показанном на рисунке случае большому делению со¬ ответствует 2 В. Таким образом, максимальное напряжение прямоугольно¬ го сигнала составляет 2,5x2 В = 5 В. Вдоль горизонтальной оси откладывается время, выражаемое в целых и дробных частях секунды. В нашем случае каждое большое деление соот¬ ветствует 500 мкс (|-iS). Поэтому период прямоугольного сигнала составляет 1000 мкс = 1 мс, что соответствует частоте 1 кПд. Выводы осциллографа, с помощью которых снимаются замеры, обладают очень высоким импедансом, что говорит о малом влиянии самого измерительного прибора на характеристики сигнала.
ГЛАВА 11. Инструменты 339 Рис. 11.8. Недорогой цифровой осциллограф Программные средства Наряду с измерительным оборудованием при конструировании и модер¬ низации электронных устройств вам понадобятся специальные программ¬ ные инструменты. Конструктор электрических схем Если вам нравится сама идея виртуального тестирования электрических схем, то воспользуйтесь одним из многочисленных интернет-симуляторов, подобных CircuitLab (www. circuitlab. com). Этот программный конструктор (рис. 11.9) позволяет рисовать электрические схемы и тестировать их рабо¬ тоспособность без физического воссоздания на макетной плате. Много полезной информации о работе электрических схем вы почерпне¬ те в специальной литературе, но ни одна книга не снабдит вас средствами, предлагаемыми данной программой. Разработка монтажных плат Виртуальное средство Fritzing (www.fritzing.org) представляет собой программное решение с открытым кодом, предназначенное для разработки монтажных электрических схем. Исходно оно разрабатывалось с целью со¬ здания монтажных схем для электронных устройств, собираемых на беспа- ечных макетных платах, поэтому включает множество библиотек элемен-
340 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей тов и модулей, в том числе предназначенных для подключения к Arduino (рис. 11.10). Рис. 11.9. Симулятор электрических схем CircuitLab Рис. 11.10. Программа разработки монтажных плат
ГЛАВА 11. Инструменты 341 Конструктор печатных плат Если вы решили серьезно заняться созданием печатных плат для соби¬ раемых собственноручно электронных приборов, то вам на помощь придет один из популярнейших инструментов — EAGLE РСВ (рис. 11.11). Сначала от вас потребуется нарисовать электрическую схему устройства, которая автоматически будет преобразована в печатную плату, на которой указы¬ ваются все соединения, присутствующие на схеме, после чего полученный результат конвертируется в CAM-файл (файл для системы автоматизиро¬ ванного производства), отправляемый в цех по производству печатных плат. Создание печатных плат — это строго регламентированный процесс, подчиняющийся определенным правилам. Чтобы овладеть этим искусст¬ вом, вам нужно в обязательном порядке воспользоваться специальной ли¬ тературой. Рис. 11.11. Программа разработки печатных плат Онлайн-калькуляторы Специализированные калькуляторы, доступные в Интернет, сделают вашу жизнь намного проще, поскольку возьмут на себя выполнение слож¬ ных расчетов, без которых невозможно представить конструирование элек¬ трических схем. Ниже перечислены наиболее популярные среди пользова¬ телей радиоэлектронные онлайн-калькуляторы. ■ http://h-t-f.ru/calk/online-calculator-for-resistor-leds. Вычи¬ сление шунтирующих резисторов для светодиодов.
342 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей ■ http://cxem.net/calc/ledcalc.php. Расчет схем управления большим количеством светодиодов. ■ http://cxem.net/calc/555_calc.php. Расчет рабочих характеристик таймера 555. Резюме Это была последняя глава книги, и я надеюсь, что по завершении ее из¬ учения ваш интерес к электронике перейдет во вполне практическую пло¬ скость. Ведь самое большое удовольствие в жизни получаешь при создании чего-то собственными руками, особенно, если полученный результат пол¬ ностью оправдывает исходные ожидания. Обратная связь между производителем электронного оборудования и потребителем последние десятилетия становится все призрачнее, поэтому огромное количество людей во всем мире посвящают себя созданию элек¬ тронных устройств “под себя”, лишенных недостатков и излишеств, прису¬ щих дорогим фабричным изделиям. Вы найдете в Интернете огромное количество ресурсов, посвященных описанию компонентов и оборудованию, которые пригодятся вам в ваших начинаниях. Начните с приведенных ниже ресурсов. ■ www. arduino. сс. Все про Arduino. ■ www. spar kf un. com. Модули и компоненты. ■ www. adafruit. com. Огромное количество всего на свете. ■ www. dealextreme. com. Торговая площадка, уцененные товары. ■ www. ebay. com. Сетевой аукцион, где есть все, что душа пожелает! Также не забудьте посетить сайты производителей оборудования, ука¬ занных в приложении.
Приложение Оборудование Инструменты Цены на электронные компоненты сильно разнятся в зависимости от производителя и места их покупки, поэтому рассматривайте приведенную ниже информацию как список рекомендуемого, а не обязательного к прио¬ бретению оборудования. Многие из вас предпочитают делать покупки исключительно на аукцио¬ нах, подобных eBay. Я не столь категоричен. Конечно, в основном цены на интернет-аукционах очень низкие, но иногда у других поставщиков элек¬ тронных комплектующих все же встречаются более выгодные предложения. Для каждого вида оборудования или компонента в приложении указыва¬ ется специальный код, по которому вы сможете отследить его использова¬ ние в проектах книги, а также каталожные номера двух основных постав¬ щиков электронных комплектующих: SparkFun и Adafruit. Эти производи¬ тели выбраны из-за широкого распространения их продукции во всем мире и тщательно продуманной технической документации, которой они снаб¬ жают свои устройства. Они имеют представительства во многих странах, поэтому вам не придется покупать их продукцию непосредственно через третьи руки. Остальные компании не обладают настолько большими торговыми се¬ тями, как упомянутые выше. Правда, в приведенном ниже материале ука¬ заны и каталожные номера таких поставщиков оборудования, как Mouser и DigiKey, хотя они распространяют свою продукцию преимущественно на территории США, а вот британская компания Fkmell имеет торговые пред¬ ставительства по всему миру. Код в книге Описание SparkFun Adafruit Т1 Набор инструментов для начинающих (набор для пайки, плоско¬ губцы, кусачки) TOL-09465 Т2 Мультиметр TOL-O9141 ТЗ Полихлорвиниловая изолента PRT-10688 Т4 “Свободные руки” TOL-O9317 ID: 291 Т5 Беспаечная макетная плата PRT-00112 ID:239 Тб Набор одножильных монтажных проводов PRT-00124 ID:758 Т7 Красный монтажный провод (22 AWG*) PRT-08023 ID:288 18 Черный монтажный провод (22 AWG*) PRT-08022 ID:290 T9 Желтый монтажный провод (22 AWG*) PRT-08024 ID:289 Т10 Многожильный провод в красной изоляции (22 AWG*) PRT-08865
344 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Код в книге Описание SparkFun Adafruit T11 Многожильный провод в черной изоляции (22 AWG*) PRT-08867 T12 Набор штекерно-гнездовых перемычек PRT-09385 ID:825 Т13 Косичка для снятия припоя TQL-09327 ID: 149 * AWG (American Wire Gauge — американский калибр проводов) — система маркирования толщины проводов, использующаяся с 1857 года преимущественно в США. В этой системе меньшему числовому значению соответствует более толстый провод. Электронные компоненты Чтобы не утруждать себя ручным подбором всех необходимых радиоде¬ талей, я бы рекомендовал вам приобрести один из начальных наборов ком¬ понентов одного из упомянутых выше производителей. Учтите, что в та¬ ких наборах могут отсутствовать некоторые радиодетали, хотя в целом их компоновка вполне удачная. Так, например, в наборе компании SparkFun нет ни одного резистора, но за умеренную плату вы сможете приобрести их полный набор. Имея на руках эти два набора, вы будете располагать всеми необходимыми компонентами для реализации большинства проектов, рас¬ смотренных в книге. Начальный набор Начальные наборы компании SparkFun — Beginner Parts Kit и Resistor Kit — стешут надежной основой в ваших начинаниях. Код в книге Описание SparkFun К1 Набор компонентов для начинающих SparkFun KIT-10003 К2 Набор резисторов SparkFun COM-10969 Резисторы Код в книге Описание SparkFun Adafruit Другие поставщики R1 Потенциометр, 10 кОм, (вклю¬ чен в набор К1) СОМ-09806 ID:356 DigiKey: 3362P-103LF-ND Mouser: 652-3362P-1-103LF Farnell: 9354301 R2 Фоторезистор (включен в на¬ бор К1) SEN-09088 ID: 161 DigiKey: PDV-P8001-ND Farnell: 1652637 R3 Потенциометр, 500 Ом DigiKey: CT6EP501-ND Mouser: 652-3386P-1-501LF Farnell: 9355103
ПРИЛОЖЕНИЕ. Оборудование 345 Конденсаторы Код в книге Описание SparkFun Другие поставщики С1 Электролитический конденсатор, 1000 мкФ, 16 В DigiKey: P10373TB-ND Mouser: 667-ЕСА-1СМ102 Farnell: 2113031 С2 Электролитический конденсатор СОМ-00096 100 мкФ, 16 В (включен в набор К1) DigiKey: P5529-ND Mouser: 647-UST1C101MDD Farnell: 8126240 СЗ Конденсатор, 470 нФ DigiKey: 445-8413-ND Mouser: 810-FK28X5R1E474K Farnell: 1179637 С4 Конденсатор, 100 нФ (включен в набор К1) СОМ-08375 DigiKey: 445-5258-ND Mouser: 810-FK18X7R1E104K Farnell: 1216438 Adafruit: 753 С5 Конденсатор, 10 мкФ (включен в набор К1) СОМ-00523 DigiKey: P14482-ND Mouser: 667-EEA-GA1C100 Farnell: 8766894 Полупроводники Код в книге Описание SparkFun Adafruit Другие поставщики S1 Транзистор 2N3904 (включен в набор К1) СОМ-00521 756 DigiKey: 2N3904-APTB-ND Mouser: 610-2N3904 Farnell: 9846743 S2 Светодиод высокой яркости (5 мм) СОМ-00531 754 DigiKey: C513A-WSN-CV0Y0151-ND Mouser: 941-C503CWASCBADB152 Farnell: 1716696 S3 Светодиод Lumiled на радиаторе, 1 Вт ВОВ-09656 518 DigiKey: 160-1751-ND Mouser: 859-LOPL-EOHWA Farnell: 1106587 S4 Стабилизатор напряжения 7805 (включен в набор К1) СОМ-ООЮ7 DigiKey: 296-13996-5-ND Mouser: 512-KA7805ETU Farnell: 2142988 S5 Диод 1 N4001 (включен в набор К1) СОМ-08589 755 DigiKey: 1 N4001-E3/54GITR-ND Mouser: 512-1 N4001 Farnell: 1651089 S6 МОП-транзистор FQP30N06 СОМ-10213 355 DigiKey: FQP30N06L-ND Mouser: 512-FQP30N06 Farnell: 1695498 S7 Компаратор LM311 DigiKey: 497-1570-5-ND Mouser: 511-LM311N Farnell: 9755942
346 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Код в книге Описание SparkFun Adafruit Другие поставщики S8 Температурный датчик TMP36 SEN-10988 165 DigiKey: TMP36GT9Z-ND Farnell: 1438760 S9 Усилитель TDA7052 DigiKey: 568-1138-5-ND Mouser: 771-TDA7052AN Farnell: 526198 S10 Таймер NE555 (включен в набор К1) СОМ-09273 DigiKey: 497-1963-5-ND Mouser: 595-NE555P Farnell: 1467742 S11 Красный светодиод, 5 мм СОМ-09590 297 DigiKey: 751-1118-ND Mouser: 941-C503BRANCY0B0AA1 Farnell: 1249928 S12 Датчик на эффекте Холла DigiKey: 620-1022-ND Mouser: 785-SS496B Farnell: 1791388 Монтажное и другое оборудование Код в книге Описание SparkFun Adafruit Другие поставщики Н1 Держатель для батареек, 4хАА PRT-00550 830 DigiKey: 2476K-ND Mouser: 534-2476 Farnell: 4529923 Н2 Колодка батарейного блока DigiKey: BS61KIT-ND Mouser: 563-HH-3449 Farnell: 1183124 ИЗ Макетная плата под пайку eBay, ключевое слово “stripboard” Farnell: 1201473 Н4 Штекерная колодка PRT-00116 392 Н5 Двухсторонний клеммный винто¬ вой зажим, 2А eBay, ключевое слово “terminal block” Mouser: 538-39100-1002 Н6 Редукторный электродвигатель, 6В Включен в H7 eBay, ключевое слово “gear motor” или “gearmotor” Н 7 Шасси для самодвижущейся тележки ROB-10825 Н8 Держатель для батареек, бхАА 248 DigiKey: BH26AASF-ND Farnell: 3829571 Н9 Колодка батарейного блока с ко¬ аксиальным разъемом питания 2,1 мм 80 НЮ Сервопривод, 9д RQB-09065 169 Н11 Коаксиальный разъем питания 2,1 мм DigiKey: СРЗ-1000-ND Farnell: 1737256
ПРИЛОЖЕНИЕ. Оборудование 347 Код в книге Описание SparkFun Adafruit Другие поставщики Н12 Небольшая беспаечная макетная плата 64 Н13 Биполярный шаговый электрод¬ вигатель, 12 В 324 Н14 Динамик, 8 Ом Н15 Большая кнопка (переключатель) 559 Н16 Реле, 5 В Digikey: T7CV1D-05-ND Модули и микросхемы Код в книге Описание SparkFun Adafruit Другие поставщики М1 Блок питания, 12 В, 500 мА TOL-09442 798 Примечание: модель для элек¬ трических сетей США М2 Arduino Uno R3 DEV-11021 50 М3 Пьезозуммер СОМ-07950 160 М4 Плата расширения Arduino Ethernet DEV-09026 201 М5 Модуль пассивного инфракрасного датчика движения SEN-08630 189 Мб Ультразвуковой дальномер MaxBotix LV-EZ1 SEN-00639 172 М7 Ультразвуковой дальномер HC-SR04 eBay: ключевое слово “HC-SR04” М8 Набор компонентов дистанционного управления AK-R06A eBay: ключевая фраза “433MHZ 4 Channel RF Radio” М9 Драйвер мотора SparkFun TB6612FNG ROB-09457 М10 Пьезозуммер (со встроенным гене¬ ратором колебаний) eBay: ключевая фраза “Active Buzzer 5V” М11 Датчик газа (метана) MQ-4 SEN-09404 М12 Модуль распознавания цвета eBay: ключевая фраза “TCS3200D Arduino” М13 Датчик вибраций пьезоэлектриче¬ ский SEN-09199 М14 Модуль микрофона SparkFun BOB-09964 М15 Модуль акселерометра 163 Freetronics: AM3X М16 Зарядное USB-устройство для ли- тий-полимерных аккумуляторов PRT-10161 259 М17 Преобразователь напряжения/ зарядное устройство для литий- полимерных аккумуляторов PRT-11231
348 Практическая электроника: иллюстрированное руководство для радиолюбителей Код в книге Описание SparkFun Adafruit Другие поставщики М18 Дисплей (плата расширения) для Arduino Freetronics: LCD М19 Четырехразрядный семисегментный индикатор с интерфейсом 12С 880 М20 Модуль часов реального времени (RTC) 264 М21 Arduino Leonardo DEV-11286 849
Предметный указатель А Arduino 159 выводы 167 настройка 161 AWG 344 _Е Ethernet 160 F FM-передатчик 298 Н H-Bridge 234 J I2C 254 1C 49 IDE 160 IP-адрес 192 J. LDR 67 LED 92 M МАС-адрес 192 H NiMH 137 NPN 81 P PIR 211 PNP 81 R RTC 258 ^ SMD 50 Starter Kit 41 A Аварийное освеще¬ ние 104 Аварийное электропи¬ тание 149 Автоматический ввод пароля 208 Автоматическое осве¬ щение 69 Аккумуляторная бата¬ рея 134 время разряда 148 зарядка 136 мобильного телефона 142 перезарядка 136 Акселерометр 279,310 Алфавитно-цифровой дисплей 197 Амперметр 334 Анализатор цвета 269 Анод 47. 330 Б Батарейный блок 62, 132 Батарея 129 аккумуляторная 134 тестирование 321 типы 131 Беспаечная макетная плата 22 Биполярный транзи¬ стор 78 Блок питания 249, 325 универсальный 335 Быстрая зарядка 139 В Вибрация 274 Вольтметр 64 Воспроизведение зву¬ ка 185 Выводы Arduino 167 датчика газа 265 драйвера мотора 236 модуля распознавания цвета 270 Выпаивание радиоде¬ талей 323 Г Газовый анализа¬ тор 264 Гёнератор сигналов 186 Глубокая разрядка 137 Громкость 313 д Дальномер 217,221 Датчик вибрации 274, 347 газа 263, 347 движения 211 инфракрасный 211 на эффекте Холла 346 пьезоэлектрический 274 расстояния 217,218 температуры 277 ультразвуковой 217 цвета 269 Двигатель 229 Делитель напряжения 63, 177 Динамик 301 Диод 46, 92, 150, 330, 345 Дисплей 197 Дистанционное управ¬ ление 223 Драйвер мотора 234 Е Емкость 330 батареи 129
350 Предметный указатель Ж ЖК-дисплей 197 3 Загрузка програм¬ мы 162 Закон Ома 54 Заряд 124 Зарядка NiMH - аккумуляторов 137 батарей 136 литий-полимерных ак¬ кумуляторов 141 непрерывная 152 от сети переменного тока 140 электролитной бата¬ реи 139 Зарядное устройство 140, 141, 325 Зачистка провода 24 Звук 185 генератор 306 частота 307 Звуковой генера¬ тор 306 Звуковой сигнал 295 Звуковой усили¬ тель 303 И ИК-датчик 213 Индикатор 252 Интегральная микро¬ схема 49 Интегрированная среда разработки 159 Интенсивность освеще¬ ния 69 Интерфейс 190 I2C 254 Источник питания 37, 129 универсальный 335 К Кабель 289, 326 экранированный 291 Калибровка датчика 276 Калькулятор 341 Катод 47, 330 Кнопка 87 Колодка штекерная 235 Комбинированный пре¬ образователь 147 Комментарий 164 Компаратор 264 Компонент 20, 319, 344 поверхностного монта¬ жа 50 Конденсатор 45, 124, 317, 330, 345 Конструктор печатных плат 341 электрических схем 339 Контакт 23 Косичка для сбора при¬ поя 324 Коэффициент усиления потоку 80 Л Лазерный модуль 121 Литий-полимерный аккумулятор 141 м Магнитное поле 285 Макетная плата 23, 112 Массив светодиодов 108, 203 Микроконтроллер 159 Микропереключа¬ тель 88 Микросхема 49 Микрофон 295 Модуль 211 дальномера 221 датчика 212 дисплея 198 дистанционного управ¬ ления 223 драйвера мотора 235 заряда аккумуляторной батареи 142 измерения температуры 277 индикатора 254 микрофона 295,312 распознавания цвета 269 часов реального времени 257 Монитор последова¬ тельного порта 176, 198,216, 228 Монофонический сиг¬ нал 293 Монтажная плата 339 МОП-транзистор 80, 229, 345 Мостовая схема 232 Мощность 55 Музыкальный синтеза¬ тор 309 Мультиметр 22, 33, 321,323, 329 Н Нагреватель 322 Напряжение 53 переменное 332 постоянное 64, 333 прямое 105 увеличение 147 Настройка среды 165 Начальный набор ком¬ понентов 22,41, 344 Непрерывная зарядка 152, 156 о Облуживание 30
Предметный указатель 351 Однотонный сигнал 187,295 Операционный усили¬ тель 296 Освещение 69 Осциллограф 295, 338 П Пайка 29, 32, 115 контактов 290 радиодеталей 117 Пароль 208 Пассивный инфракрас¬ ный датчик 211 Паяльник 29 Перезарядка батареи 136 Перезаряжаемая бата¬ рея 134 Переключатель 86 рычажный 88 Переменное напряже¬ ние 332 Переменный резистор 179 Переменный ток 334 Перемычка 23 Печатная плата 341 Плата беспаечная макетная 22 под пайку 112, 305 расширения 188 Поверхностный мон¬ таж 50 Подслушивающее устройство 299 Подстроечный рези¬ стор 64 Порт ввода-вывода 171 Последовательный порт 162 Поставщик электрони¬ ки 21 Постоянное напряже¬ ние 64, 333 Постоянный ток 333 Потенциометр 64, 178, 264 Потребление электроэ¬ нергии 56 Предохранитель 319 Приемник дистанци¬ онного управления 226 Принципиальная схема 57 Провод 23 зачистка 24 облуживание 30 пайка 29 скручивание 27 типы 25 Программный интер¬ фейс 190 Прозвонка цепи 33, 321,330,335 Прямое напряжение 105 Пьезозуммер 347 Пьезоэлектрический датчик 274 JP Радиопередатчик 298 Разрыв дорожки 117 Разряд батареи 130 Разрядка конденсатора 318 Разъем 326 Распознавание цвета 269 Резистор 42, 52, 323, 330, 344 нагрев 61 ограничивающий ток 182 переменный 64 светочувствительный 68 цветовая маркировка 43 Реле 167, 189 Рычажный переключа¬ тель 88 С Светодиод 47,91, 181, 345 высокой мощности 100 инфракрасный 99 мигание 110,183 ультрафиолетовый 99 цветность 97 яркость 97, 184 Светодиодный индика¬ тор 252 Свинцово-кислотный аккумулятор 139 Сервопривод 200 Сетевые настройки 192 Сигнал 338 звуковой 295 Синтезатор 309 Скетч 162 Скорость звука 221 разряда батареи 130, 148 Скручивание проводов 27 Соединение 33 Солнечная панель 153 Сопротивление 52, 322, 330 Срок жизни аккумуля¬ торной батареи 137 Стабилизатор напря¬ жения 144, 345 Стереосигнал 293 Схема монтажная 339 электрическая принци¬ пиальная 57 т Таймер 110,346 Температура 331 Температурный датчик 277, 346 Термопара 331
352 Предметный указатель Тестирование транзи¬ стора 335 Техника безопасности 317 Тип батареи 131 Ток 51 переменный 334 постоянный 333 Транзистор 49, 229, 335, 345 NPN 81 PNP 81 биполярный 71, 78 МОП 80 типы 82 Тумблер 88 У Увеличение напряже¬ ния 147 Ультразвуковой дально¬ мер 347 Ультразвуковой датчик 217 Универсальный источ¬ ник питания 335 Управление через Ин¬ тернет 189 Управляющие выводы 238 Управляющий импульс 201 Уровень громкости 313 Усилитель микрофона 295 мощности 303 операционный 296 Ускорение 279 Ф Формирователь тока 101 Фоторезистор 67, 307 Фотоэлемент 153 Функция масштабиро¬ вания 184 ц Цветовой анализатор 269 Цифровые часы 260 ч Чарлиплексинг 203 Частота 335 мигания 184 Часы реального време¬ ни 257 ш Шаговый электродви¬ гатель 239 Шилд 188 Широтно-импульсная модуляция 184, 229 Штекер 289 Штекерная колодка 169, 235 3 Экранированный ка¬ бель 291 Электрическая схема 57 Электрический за¬ ряд 124 Электрический ток 51 Электродвигатель 83, 229, 232, 249 шаговый 239 Электролитный акку¬ мулятор 139 Электрон 52 Электропитание 149 Электроэнергия 56 Эффект Холла 285 Я Яркость светодиода 184
Начните конструировать электронные устройства! Это наглядное пособие поможет вам научиться решать задачи, возникающие при модернизации и ремонте самого разнообразного электронного оборудования. Здесь вы найдете доступные для понимания даже начинающим радиолюбителям рекомендации по монтажу, электрические схемы и фотографии собираемых устройств. Книга задумана так, что вы будете обучаться в процессе выполнения интересных заданий: каждая глава содержит описание нескольких занятных и легко реализуемых проектов. Вы ознакомитесь с самыми современными устройствами и методами управления ими: датчиками, акселерометрами, средствами дистанционного управления, дальномерами, сервоприводами, микрофонами и FM-передатчиками. В последней главе приведена информация о тестировании электронных устройств, а также описаны полезные программные инструменты, которые значительно облегчат жизнь радиолюбителям. Пайка радиодеталей, соединение проводов и подключение компонентов. Распознавание компонентов и чтение электрических схем. Расчет рабочих характеристик электрических схем. Работа с транзисторами, светодиодами и лазерными диодными модулями. Подбор источников питания для создаваемых приборов: блоки питания, аккумуляторы и солнечные панели. Управление электронными устройствами с помощью Arduino. Расширение функциональных возможностей контроллеров Arduino за счет дополнительных модулей. Анализ параметров окружающей среды с помощью различных датчиков. Создание звуковых усилителей, подключение микрофонов и применение радиопередатчиков. Ремонт оборудования и извлечение ценных компонентов из неработающих устройств. Издательский дом “ВИЛЬЯМС” www.williamspublishing.com mhprofessional.com ISBN: 978-5-8459-2039-3 5 1 1 9 785845 920393
Это наглядное пособие поможет вам научиться решать задачи, возникающие при модернизации и ремонте самого разнообразного электронного оборудования. Здесь вы найдете доступные для понимания даже начинающим радиолюбителям рекомендации по монтажу, электрические схемы и фотографии собираемых устройств. Книга задумана так, что вы будете обучаться в процессе выполнения интересных заданий: каждая глава содержит описание нескольких занятных и легко реализуемых проектов. Вы ознакомитесь с самыми современными устройствами и методами управления ими: датчиками, акселерометрами, средствами дистанционного управления, дальномерами, сервоприводами микрофонами и FM-передатчиками. В последней главе приведена информация о тестировании электронных устройств, а также описаны полезные программные инструменты, которые значительно облегчат жизнь радиолюбителям.Пайка радиодеталей, соединение проводов и подключение компонентов.Распознавание компонентов и чтение электрических схем.Расчет рабочих характеристик электрических схем.Работа с транзисторами, светодиодами и лазерными диодными модулями.Подбор источников питания для создаваемых приборов: блоки питания, аккумуляторы и солнечные панели.Управление электронными устройствами с помощью Arduino.Расширение функциональных возможностей контроллеров Arduino за счет дополнительных модулей.Анализ параметров окружающей среды с помощью различных датчиков.Создание звуковых усилителей, подключение микрофонов и применение радиопередатчиков.Ремонт оборудования и извлечение ценных компонентов из неработающих устройств.
В нашей электронной библиотеке вы можете скачать книгу
«Практическая электроника. Иллюстрированное руководство для радиолюбителей» автора Саймона Монка
в формате epub, fb2, rtf, mobi, pdf себе на телефон, андроид, айфон, айпад, а так же читать онлайн и без регистрации. Ниже вы можете оставить отзыв о прочитанной или интересующей вас книге.
О книге «Практическая электроника. Иллюстрированное руководство для радиолюбителей»
Это наглядное пособие поможет вам научиться решать задачи, возникающие при модернизации и ремонте самого разнообразного электронного оборудования. Здесь вы найдете доступные для понимания даже начинающим радиолюбителям рекомендации по монтажу, электрические схемы и фотографии собираемых устройств. Книга задумана так, что вы будете обучаться в процессе выполнения интересных заданий: каждая глава содержит описание нескольких занятных и легко реализуемых проектов. Вы ознакомитесь с самыми современными устройствами и методами управления ими: датчиками, акселерометрами, средствами дистанционного управления, дальномерами, сервоприводами микрофонами и FM-передатчиками. В последней главе приведена информация о тестировании электронных устройств, а также описаны полезные программные инструменты, которые значительно облегчат жизнь радиолюбителям. Пайка радиодеталей, соединение проводов и подключение компонентов. Распознавание компонентов и чтение электрических схем. Расчет рабочих характеристик электрических схем. Работа с транзисторами, светодиодами и лазерными диодными модулями. Подбор источников питания для создаваемых приборов: блоки питания, аккумуляторы и солнечные панели. Управление электронными устройствами с помощью Arduino. Расширение функциональных возможностей контроллеров Arduino за счет дополнительных модулей. Анализ параметров окружающей среды с помощью различных датчиков. Создание звуковых усилителей, подключение микрофонов и применение радиопередатчиков. Ремонт оборудования и извлечение ценных компонентов из неработающих устройств.
Произведение было опубликовано в 2013 году издательством Диалектика-Вильямс. На нашем сайте можно скачать книгу «Практическая электроника. Иллюстрированное руководство для радиолюбителей» в формате pdf или читать онлайн. Здесь так же можно перед прочтением обратиться к отзывам читателей, уже знакомых с книгой, и узнать их мнение. В интернет-магазине нашего партнера вы можете купить и прочитать книгу в бумажном варианте.
К сожалению, на данный момент у нас невозможно бесплатно скачать полный вариант книги.
Но вы можете попробовать скачать полный вариант, купив у наших партнеров электронную книгу здесь, если она у них есть наличии в данный момент.
Также можно купить бумажную версию книги здесь.
Практическая электроника, иллюстрированное руководство для радиолюбителей, Монк С, 2016.
Все названия программных продуктов являются зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм.
Пайка.
Для спаивания двух проводов выполняют такие же действия, как и описанные в разделе «Скручивание проводов», за тем лишь исключением, что пространство между проводами заполняется припоем. Альтернативный способ, не столь аккуратный. проиллюстрирован на рис. 1.7. о-в,
1. Первый этан — это скручивание в пучок концов обоих многожильных проводов. Концы многожильных проводов обязательно нужно покрыть припоем (облудить). как показано на рис. 1.7. а.
2. Совместите концы проводов и нагрейте их одновременно с помощью паяльника (рис. 1.7. б). Обратите внимание на способ удерживания двух проводов вместе — одной из рук одновременно удерживается Я припой. и один из проводов.
3. Припой, провода и паяльник должны встретиться в одной точке и образовать прочный союз, свободным из которого выходит только паяльник, а провода после остывания образуют единую структуру, надежно соединенную припоем (рис. 1.7. я).
4. Обмотайте место соединения проводов тремя-четырьмя слоями изоленты на пару сантиметров в каждую сторону (рис. 1.7. г).
Оглавление.
Введение
Глава 1. В самом начале
Глава 2. Теория и практика
Глава 3. Принципы функционирования
Глава 4. Светодиоды
Глава 5. Источники питания
Глава 6. Основы работы с Arduino
Глава 7. Подключаемое оборудование
Глава 8. Сенсоры правят миром
Глава 9. Звуковое оборудование
Глава 10. Демонтаж и разборка старых электронных устройств
Глава 11. Инструменты
Приложение. Оборудование
Предметный указатель
Купить
.
По кнопкам выше и ниже «Купить бумажную книгу» и по ссылке «Купить» можно купить эту книгу с доставкой по всей России и похожие книги по самой лучшей цене в бумажном виде на сайтах официальных интернет магазинов Лабиринт, Озон, Буквоед, Читай-город, Литрес, My-shop, Book24, Books.ru.
По кнопке «Купить и скачать электронную книгу» можно купить эту книгу в электронном виде в официальном интернет магазине «ЛитРес», и потом ее скачать на сайте Литреса.
По кнопке «Найти похожие материалы на других сайтах» можно найти похожие материалы на других сайтах.
On the buttons above and below you can buy the book in official online stores Labirint, Ozon and others. Also you can search related and similar materials on other sites.
Дата публикации: 04.02.2018 06:13 UTC
Теги:
Монк :: 2016 :: электроника
Следующие учебники и книги:
- Электроника интегральных схем, Лабораторные работы и упражнения, Петросянц К.О., 2017
- Электродинамика для пользователей САПР СВЧ, Банков С.Е., Курушин А.А., 2017
- Радиотехнические цепи и сигналы, Стеценко О.А., 2007
- Физические основы электроники, Толмачёв В.В., Скрипник Ф.В., 2011
Предыдущие статьи:
- Теория электрических цепей, Батура М.П., Кузнецов А.П., Курулёв А.П., 2015
- Микроконтроллеры АVR: от азов программирования до создания практических устройств, Белов А.В., 2016
- Компоненты приводов мехатронных устройств, Пономарев С.В., 2014
- Апланаты, Том 3, Апланатические телескопы и антенны, Галимов Г.К., 2011
|
|
|
|
Лучшее в категории — Книги / Справочник энциклопедия
 Большая советская энциклопедия (2002)Рейтинг: 10 из 10 |
 Стрелковое оружие (1992, А.Б. Жук)Рейтинг: 9,5 из 10 |
 Иллюстрированная энциклопедия для детей (2008)Рейтинг: 9,4 из 10 |
 Почтовые марки России и СССР (1857-1991 г.г.) Специализированный каталог Том 2 (2006, Соловьёв В.Ю.)Рейтинг: 9,4 из 10 |
 Серия книг «Что есть что» (комплект из 64 книг) (1996, ы книг — известные отечественные специалисты. Именно поэтому «Что есть что» — самая популярная энциклопедическая серия для юных читателей. ЛучшаяРейтинг: 9,4 из 10 |
 Деревья вокруг нас (1980, Яромир Покорны)Рейтинг: 9,4 из 10 |
 Иллюстрированный толковый словарь русского языка (2007, Даль В.И.)Рейтинг: 9,3 из 10 |
 История России с древнейших времен. Том 1-29 (2009)Рейтинг: 9,3 из 10 |
01
авг
2017
ISBN: 978-5-8459-2039-3
Формат: DjVu/PDF, Отсканированные страницы + слой распознанного текста
Автор: Монк Саймон
Год выпуска: 2016
Жанр: Пособие
Издательство: Издательский дом «Вильямс»
Язык: русский
Количество страниц: 352
Описание: Это наглядное пособие поможет вам научиться решать задачи, возникающие при модернизации и ремонте самого разнообразного электронного оборудования. Здесь вы найдете доступные для понимания даже начинающим радиолюбителям рекомендации по монтажу, электрические схемы и фотографии собираемых устройств. Книга задумана так, что вы будете обучаться в процессе выполнения интересных заданий: каждая глава содержит описание нескольких занятных и легко реализуемых проектов. Вы ознакомитесь с самыми современными устройствами и методами управления ими: датчиками, акселерометрами, средствами дистанционного управления, дальномерами, сервоприводами, микрофонами и FM-передатчиками. В последней главе приведена информация о тестировании электронных устройств, а также описаны полезные программные инструменты, которые значительно облегчат жизнь радиолюбителям.
— Пайка радиодеталей, соединение проводов и подключение компонентов.
— Распознавание компонентов и чтение электрических схем.
— Расчет рабочих характеристик электрических схем.
— Работа с транзисторами, светодиодами и лазерными диодными модулями.
— Подбор источников питания для создаваемых приборов: блоки питания, аккумуляторы и солнечные панели.
— Управление электронными устройствами с помощью Arduino.
— Расширение функциональных возможностей контроллеров Arduino за счет дополнительных модулей.
— Анализ параметров окружающей среды с помощью различных датчиков.
— Создание звуковых усилителей, подключение микрофонов и применение радиопередатчиков.
— Ремонт оборудования и извлечение ценных компонентов из неработающих устройств.
Саймон Монк имеет ученые степени в области компьютерных наук и разработки программного обеспечения.
Нескольких лет занимался научной и преподавательской деятельностью, после чего вернулся в компьютерную индустрию, став одним из основателей компании Momote Ltd., выпускающей программное обеспечение для мобильных платформ. Электротехникой и конструированием радиоэлектронных устройств Саймон увлекся еще со школьной скамьи. Спустя годы это хобби дало толчок новому увлечению — написанию книг по конструированию современных электронных устройств, включающих последние технологические разработки. В его активе большое количество популярных книг по электронике, описывающих принципы создания устройств с открытой архитектурой на базе таких известных микроконтроллерных платформ, как Arduino и Raspberry Pi.
01
дек
2014
Грибы. Иллюстрированное руководство по сбору, переработке, хранению (2014, ы: Анна Романова)
Эта книга — подробное руководство для начинающих и опытных грибников, которое содержит 350 подробных рисунков и фотографий, а также практические советы и рекомендации по поиску и сбору, хранению и переработке грибов. Вы научитесь уверенно определять съедобные виды и безошибочно отличать их от ядовитых двойников, получите проверенную много …
ISBN: 978-5-699-69314-6
Формат: PDF, EBook (изначально компьютерное)
Авторы: Анна Романова, Алла Булатова
Год выпуска: 2014
Жанр: Учебники, справочники, энциклопедии
Издательство: Эксмо
Язык: Русский
Количество страниц: 304
13
мая
2017
Настольный полицейский словарь. Руководство для чинов наружной полиции и урядников ) (1904, Добкевич Л.А.)
Любопытнейшая книга, излагающая в алфавитном порядке всё, что нужно знать городовому. Знать же городовому надо было много, так как любая форма человеческой активности, кроме тихой ходьбы по улице в одиночку (да и то со своими исключениями), была так или иначе воспрещена, и полиции следовало ее пресекать. Формы разных записок, протоколов и …
Формат: PDF, Отсканированные страницы + слой распознанного текста
Автор: Добкевич Л.А. (сост.)
Год выпуска: 1904
Жанр: правоохранительные органы
Издательство: Типо-литография Штаба Одесского Военного Округа
Язык: Русский (дореформенный)
Количество страниц: 362
24
фев
2009
Декор вашего дома. Практическая энциклопедия (2004, Дороти Вуд)
Полный справочник по изготовлению подушек, съемных чехлов на мебель, штор, портьер, занавесок, гардин, жалюзи, столового и постельного белья. Из отзывов: Очень хорошая книга. Все написано доступным языком. Открываешь и сразу хочется побыстрее сделать что-нибудь своими руками. Завораживает. Иллюстрации бесподобны. Советую преобрести и ощут …
ISBN: -, —
Формат: DjVu, Отсканированные страницы
Год выпуска: 2004
Автор: Дороти Вуд
Жанр: энциклопедия
Издательство: РОСМЭН
Количество страниц: 220
11
мая
2014
Электротехника и электроника. Наглядные пособия, таблицы, схемы (2011, Коллектив авторов)
В книге представлены наглядные пособия, таблицы и схемы по электротехнике и электронике в высоком разрешении. Может быть полезно как для учащихся, студентов, так и преподавателей для изучения основ электротехники, электроники, а также раздела электродинамики по физике.
Формат: PDF, DjVu, Отсканированные страницы
Автор: Коллектив авторов
Год выпуска: 2011
Жанр: Учебники, справочники, энциклопедии
Издательство: ЮУрГУ
Язык: Русский
Количество страниц: 109 с цв. илл.
25
ноя
2007
Цифровая фотография. Практическое руководство. (2003, Николай Надеждин)
В книге подробно рассказывается об устройстве, областях использова- ния и особенностях цифровой фотографической техники. Последовательно описываются светочувствительные матрицы, оптические схемы, затворы, контрольные ЖК-дисплеи, встроенные фотоосветители, электронная па- мять цифровых фотоаппаратов и аксессуары для них. Представлены устро …
Жанр: Хобби
Автор: Николай Надеждин
Издательство: Санкт-Петербург — «БХВ-Петербург»
Страна: Россия
Год выпуска: 2003
Количество страниц: 370
25
дек
2012
ABBYY FineReader 11. Руководство пользователя (2011)
Руководство пользователя на русском популярной программы ABBYY FineReader 11. ABBYY FineReader — это система оптического распознавания текстов (OCR — Optical Character Recognition). Она предназначена для конвертирования в редактируемые форматы отсканированных документов, PDF–документов и файлов изображений, включая цифровые фотографии.
Формат: PDF, EBook (изначально компьютерное)
Автор: ABBYY
Год выпуска: 2011
Жанр: Учебное пособие
Издательство: ABBYY
Язык: Русский
Количество страниц: 116
В этой книге речь пойдет исключительно о практической стороне вопроса конструирования и модернизации любительских электронных устройств. Здесь вы не найдете детального описания технологий, лежащих в основе функционирования электронного оборудования. Прочитав книгу, вы получите полезные практические навыки, которые пригодятся вам при разработке и создании устройств с требуемой функциональной насыщенностью.
Вне всяких сомнений, благодаря инструкциям, приведенным в книге, вы сможете безошибочно объединять в единое целое отдельные радиотехнические компоненты и адаптировать уже имеющиеся устройства к решению новых, казалось бы, нехарактерных для них задач.
Вы узнаете, как правильно воплотить имеющиеся идеи в успешно работающие прототипы, которые впоследствии могут стать успешными коммерческими проектами. Вы на практике познакомитесь с принципами функционирования электронных устройств, а также научитесь определять область применения создаваемых гаджетов, обладающих продуманными рабочими характеристиками. Все рассматриваемые нами устройства собираются либо на беспаечных макетных платах, либо на макетных платах под пайку, потребующих от вас несколько иных навыков.
Кроме всего прочего, вы познакомитесь с архитектурой и областью применения микроконтроллерной платформы Arduino, которая на сегодняшний день де-факто считается стандартным инструментом в наборе разработчика популярных электронных устройств. В книге вы найдете более двадцати примеров эффективного использования платы Arduino в любительских проектах.
Ниже перечислен ряд тем, рассматриваемых в книге:
— Использование обычных и высокомощных светодиодов типа Lumiled.
— Запитывание электрических цепей от литий-полимерных аккумуляторов и источников бесперебойного питания со встроенными стабилизаторами напряжения.
— Измерение температуры, ускорения, цветового оттенка, интенсивности освещения, степени вибрации и интенсивности звука.
— Управление устройствами с помощью микроконтроллерной платформы Arduino, в частности. подключение к ней специальных плат расширения («шилдов»), снабжающих ее дополнительными средствами и функциями. например Ethernet-интерфейсом или ЖК дисплеем.
— Управление сервоприводами и шаговыми двигателями.
Название: Практическая электроника. Иллюстрированное руководство для радиолюбителей
Автор: Саймон Монк
Год: 2020
Издательство: Диалектика
Язык: русский
Страниц: 352
Формат: pdf
Размер: 26,1 Мб
Скачать Саймон Монк. Практическая электроника. Иллюстрированное руководство для радиолюбителей
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.