vivaos

Также, хочу отметить, что проектов по использованию Arduino совместно с Raspberry очень много, поэтому, думаю, посты в сообществе будут интересны многим участникам.

Из-за ограничения на количество модераторов, условно за главного по Raspberry у нас будет @Kerbiter.

Надеюсь, что вы так же не против такого объединения, всем добра и успешных компиляций! :)

В прошлом выпуске мы говорили о том, какую плату для дальнейшего обучения лучше выбрать и остановились на использовании Arduino Uno третьей ревизии. Давайте же поближе познакомимся с компонентами этой платы и их предназначением, а также попробуем составить некоторую упрощенную структурную схему ее функционирования. Думаю, она позволит вам лучше понимать основной принцип взаимодействия отдельных узлов схемы и работу всей платы в целом.

Итак, слева я буду показывать китайский аналог Arduino Uno и его компоненты, а справа, шаг за шагом, мы будем строить функциональную схему.

С чего начинается любая схема? Конечно же, это различные компоненты, отвечающие за ее питание. Поэтому первым в нашей функциональной схеме мы выделим именно это. Вообще, у Arduino есть три пути получить энергию для работы: это питание по шине USB, от специального разъема питания на плате или входа Vin. Давайте разберем их все по отдельности.

Подключая плату к компьютеру посредством USB-интерфейса, вы подаете питание на Arduino благодаря четырехпроводной структуре шины USB, где 2 провода отвечают за передачу команд, а два других провода за непосредственное питание устройств. Именно по этим проводам Arduino и получает рабочее напряжение величиной 5В как это видно на принципиальной схеме. Так же, это напряжение поступает на вход стабилизатора напряжения, который понижает его до +3.3В, что необходимо для питания некоторых отдельных компонентов, подключаемых к Arduino, рассчитанных на это напряжение. Кстати, в качестве защиты от большого потребления тока вашей платой, на самом входе питающей линии разработчики установили небольшой предохранитель на 500мА, который, в случае различных обстоятельств, защитит USB-порт компьютера и плату Arduino от возможного выхода из строя.

все картинки кликабельны :)

Итак, следующим на очереди идет разъем питания для подключения, например, сетевого AC/DC-адаптера, аккумулятора или батареи. В отличие от USB-порта, где предполагается стабильное наличие напряжения 5В (или около того), в случае разъема питания ситуация складывается несколько иная, поскольку он рассчитан на подключение к нему источников питания различных напряжений. Диапазон этих значений колеблется в пределах от 6 до 20В и, при прямом подключении, это совсем не годится для компонентов нашей схемы. Поэтому разработчики поставили на входе питания стабилизаторы напряжения - один на 5В, другой на 3.3В. А так же парочку конденсаторов и диод, в качестве элементов борьбы с помехами и защиты от перепутывания полярности питания. Стоит отметить, что для стабилизатора напряжения всегда нужно напряжение, несколько выше того уровня, до которого он будет его понижать, и специфика стабилизатора такова, что уменьшение напряжения питания ниже 7В приводит к уменьшению напряжения на выводе 5V, что может стать причиной нестабильной работы устройства. Использование напряжения больше 12В может приводить к перегреву стабилизатора напряжения и выходу платы из строя. Именно поэтому, рекомендуется использовать источник питания с напряжением в диапазоне от 7 до 12В.

И, наконец, вывод Vin на плате Arduino. Если посмотреть на схему питания, то можно увидеть, что, при подключенном источнике питания к разъему, с этого вывода можно будет получить это же самое напряжение, правда, чуть меньшее из-за небольшого падения на диоде.

Ну а если теперь подключить источник питания к этому выводу, то напряжение так же попадет на стабилизатор 5В и плата будет запитана. Это удобно в случае использования различных батарей или аккумуляторов без специальных разъемов питания.

Стоит отметить, что Arduino сама выбирает источник питания с самым большим напряжением, и в этом ей помогает специальный элемент, называющийся компаратором. Если в двух словах, то компаратор, это такое устройство, которое сравнивает подаваемый на него сигнал с каким-либо опорным значением, и, если этот сигнал превышает опорное значение, то компаратор выдает на своем выходе логическую единицу (в нашем случае +5В).

Итак, с блоком питания разобрались, идем дальше.

На очереди у нас связующее звено между компьютером и программируемым нами микроконтроллером. Это еще один микроконтроллер ATmega8U2, либо, в более новых версиях ATmega16U2, который практически не заметен на плате.

Этот микроконтроллер представляет собой USART, что в переводе означает «Универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик». Именно он осуществляет передачу данных по самому распространенному на сегодняшний день протоколу RS-232, c помощью которого связывает COM-порт вашего компьютера и программируемый микроконтроллер.

Помните, мы говорили, что USB-кабель имеет 4 провода, два из которых питающие, а два других – сигнальные? Так вот, именно по сигнальным проводам и происходит передача данных от ПК к микроконтроллеру и обратно, а свидетельствуют о приеме, либо передаче, специальные светодиоды на плате, имеющие названия Rx и Tx, где R это сокращение слова Receive, то есть прием, а T – transmit – то есть отправление. Причем выводы Rx и Tx всегда подключаются разноименно, то есть Rx принимающего устройства соединяется с Tx передающего, и наоборот. Это видно из схемы подключения двух микроконтроллеров на плате Arduino. Для тех, кто желает знать о том, как передаются данные по USB при помощи UART, я рекомендую ознакомиться с этой ссылкой.

Ну вот, наконец, мы и подошли с вами к главному компоненту платы Arduino – микроконтроллеру Atmega328P, который, собственно, и является основным вычислительным центром этой платформы. Давайте разберемся, из каких основных частей он состоит.

В обобщенном виде, любой микроконтроллер можно разбить на три составляющие части:

1. Вычислительный блок, иначе именуемый как арифметико-логическое устройство или процессор. Также, наверняка многие из вас слышали или видели такую аббревиатуру как CPU (Central Processing Unit) что в переводе на русский значит "центральное процессорное устройство". Именно этот блок является самой главной частью системы и предназначен он для выполнения различных операций с числами. А вот уже последовательность этих операций называется программой. Каждая операция кодируется в виде числа и записывается в память микроконтроллера, но об этом, в другой раз..

2. Собственно, второй основной частью микроконтроллера и является модуль памяти. Это специализированное электронное устройство, которое представляет собой набор ячеек, в каждой из которых может храниться одно число. Именно здесь хранится написанная вами программа и другие команды микроконтроллера. Память делится на оперативную - ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) и постоянную – ПЗУ (постоянное запоминающее устройство. Принципиальная разница между этими видами памяти в том, что в случае с оперативной памятью, при выключении питания микроконтроллера, записанные значения не сохраняются и существуют только до тех пор, пока это питание присутствует. Например, такая память используется для хранения каких-либо промежуточных результатов вычислений. А вот данные, хранимые в постоянной памяти, наоборот, никак не зависят от наличия питания и могут быть использованы микроконтроллером сразу же после включения. В такую память, например, записывается вся разработанная вами программа, и она никуда не пропадет при повторной подаче напряжения на микроконтроллер.

3. Наконец, третьей составляющей частью микроконтроллера являются так называемые порты ввода-вывода. Если процессор и память находятся где-то в глубине корпуса микроконтроллера и мы их не видим, то порты ввода-вывода всегда на виду – вот они, в виде небольших металлических ножек.

Конечно же, не стоит забывать, что некоторые ножки отвечают за питание и прочие компоненты, подключаемые к микроконтроллеру, но большинство из них все-таки являются портами ввода-вывода, отвечающими за непосредственное управление микроконтроллером различными датчиками, модулями, светодиодами, транзисторами и так далее. Подавляющее большинство этих портов были выведены разработчиками Arduino по краям платы и, для удобства работы, подписаны.

Именно с этими портами нам и предстоит работать в дальнейшем, ведь суть любой микропроцессорной системы сводится к управлению чем-то извне, а иначе, зачем нам микроконтроллеры? :)

Как уже было сказано ранее, центральный процессор является основным мозгом микроконтроллера и именно он управляет модулем памяти и портами ввода-вывода. Более подробно о работе с портами ввода-вывода мы поговорим уже через один выпуск, когда будем работать со светодиодом и кнопкой, ну а сейчас я бы хотел заострить внимание на еще одном компоненте на плате, который мы не назвали – это генератор тактовых импульсов или кварцевый резонатор.

Не пугайтесь таких сложных названий, на самом деле, все просто – для работы любого микроконтроллера нужен некий генератор импульсов, благодаря которому он сможет осуществлять свою деятельность по последовательному выполнению команд. Например, мы написали с вами программу мигания светодиодом 10 раз в секунду. Но как микроконтроллер узнает, не имея никакого представления о длительности одной секунды, когда ему пора включить светодиод, а когда пора выключить? Именно благодаря кварцевому резонатору, который, в зависимости от его номинала, генерирует определенное число импульсов за одну секунду, это число имеет единицы измерения – герцы и называется частотой. Например, частота, равная 5Гц означает 5 импульсов в секунду, 10Гц - десять импульсов и так далее.

На плате Arduino Uno для двух микроконтроллеров установлены, соответственно, два кварцевых резонатора с частотой 16МГц, что означает работу резонатора с частотой 16 миллионов(!) импульсов в секунду - только представьте, какая это огромная скорость! Именно эти импульсы и считает наш микроконтроллер, а впоследствии, по их количеству, делает вывод о том, сколько времени прошло с запуска какой-либо процедуры. За весь этот счет отвечают различные счетчики и таймеры, о которых мы обязательно поговорим в следующих выпусках, но пока вам достаточно знать, отчего зависит скорость работы микроконтроллера и как он ориентируется во времени.

Так же на плате Arduino вы могли заметить небольшую кнопку – она называется кнопкой сброса или RESET, и при нажатии на нее переводит наш микроконтроллер в исходную позицию, с которой он начинал свою работу.

Итак, мы познакомились с вами с основными составляющими платы Arduino и совсем немного поговорили о микроконтроллере ATmega. Хочу заметить, что изучению структуры и принципам работы микроконтроллеров можно посвятить большой отдельный курс, поэтому я не стал углубляться в эту тему и рассчитываю на вашу дальнейшую любознательность и стремление изучить и понять как можно большее в этой интересной сфере. В качестве дальнейшего учебного пособия по изучению микроконтроллеров AVR, не сочтите за рекламу, я советую вам книгу Белова А.В., в которой, на мой взгляд, достаточно доступным языком описаны все нюансы работы с микроконтроллерами.

Ну а на этом обзорный пост платы Arduino подходит к концу и в следующем выпуске мы познакомимся со средой программирования Arduino IDE – то есть её установкой, настройкой и пользовательским интерфейсом. Надеюсь, что данный материал был полезным и интересным для вас, спасибо за внимание и до встречи в новом выпуске! :)

Arduino - что же это такое? Наверняка многие из вас уже имеют представление об этой платформе, которая разрабатывалась для прототипирования (то есть разработки) различных устройств. И со временем так получилось, что эта платформа стала одной из самых популярных в кругу начинающих любителей электроники. И тут все дело в простоте: подключили плату к компьютеру, установили программную среду и уже можно писать свои первые программы, причем, на упрощенном, высокоуровневом языке – обо всем этом мы обязательно поговорим в следующих выпусках.

В видеоролике на этом моменте я предлагаю посмотреть на примеры некоторых проектов на Arduino, ну а мы, минуя этот момент, продолжим.. :)

Из большого количества проектов на основе Arduino становится понятно, что платформа получилась очень гибкой и подходящей под огромное количество различных задач, что является еще одним плюсом в копилку причин её популярности.

Ну а история появления бренда Arduino берет своё начало ещё в далеком 1002 году, в Италии, где с 1002 по 1004г.г. правил король Ардуин, в честь которого и была названа эта платформа. А её создателем является Массимо Банци (Massimo Banzi), который в 2005 году, вместе со своей группой разработчиков выпустил скромный инструмент для студентов в Институте проектирования взаимодействий города Ивреа. Первый прототип платы выглядел достаточно просто, и тогда еще не имел никакого названия - чуть позднее Массимо назвал плату в честь бара Arduino, владельцем которого он тогда и являлся.

Банци и его сотрудники ставили себе целью создать устройство, представляющее собой простую, открытую и легкодоступную платформу для разработки, с ценой не более 30 долларов — приемлемой для студенческого кармана. Хотели они и выделить чем-то свое устройство на фоне прочих. Поэтому в противовес другим производителям, экономящим на количестве выводов печатной платы, они решили добавить их как можно больше, а также сделали свою плату синей, в отличие от обычных зеленых плат.

Продукт, который создала команда, состоял из дешевых и доступных компонентов и главная задача разработчиков состояла в том, чтобы гарантировать работу устройства по принципу "plug-and-play", — то есть, чтобы пользователь, достав плату из коробки и подключив к компьютеру, мог немедленно приступить к работе.

Так и появилась Arduino, которая очень быстро набрала популярность в интернете и в настоящий момент является одной из самых популярных платформ для создания устройств любителями и новичками в этой сфере. До сих пор настоящие, оригинальные платы Arduino производятся только в Италии в городе Торино и в США, в Нью-Йорке.

Стоит отметить, что сейчас, помимо изначально созданной Arduino Extreme, на свет вышло большое количество других плат, специально разработанных для определенных задач. Давайте поближе рассмотрим некоторые из них.

Для начала, пару слов о самой распространенной на сегодняшний день плате Arduino UNO, именно её все начинают представлять, когда речь заходит об Arduino. Более детально с внутренностями платы мы ознакомимся в следующем выпуске.

Arduino представляет собой плату, с размещенными на ней компонентами, главным из которых является микроконтроллер ATmega328P. Он является основной вычислительной системой этой платформы, поскольку именно для него и создается программное обеспечение, с помощью которого микроконтроллер взаимодействует с внешним миром посредством специальных портов ввода/вывода данных.

Для лучшего понимания можно привести очень яркий пример, которым мы с вами и являемся. У человека есть мозг, то есть некоторая вычислительная система снабженная памятью, и этот мозг, посредством нервных окончаний управляет различными органами, будь то глаза или руки. Тоже самое делает и микроконтроллер, а что и как ему делать, а так же какими устройствами управлять, решаете уже непосредственно вы, указывая все это в программном коде.

Таким образом, любая плата Arduino, это, прежде всего, микроконтроллер, выводы которого удобно разведены по краям платы и подписаны. У Arduino UNO таких выводов 20, 6 из которых аналоговые, а остальные 14 - цифровые.

Как уже говорилось раньше, Arduino UNO является самой популярной из всех плат и часто выбирается теми людьми, кто пока еще не знаком с какими-то нюансами своих будущих устройств и только учится программированию микроконтроллеров.

Так же у Uno есть младший аналог – это Arduino Nano, которая, если рассматривать китайские аналоги, отличается от UNO меньшими размерами применяемых компонентов и, отсюда, небольшими размерами самой платы. Здесь уже стоит отталкиваться от того, кому как удобнее.

Наоборот, старшим аналогом UNO является плата Arduino Mega с микроконтроллером ATmega1280, либо 2560 в зависимости от конфигурации. Такая плата подходит для уже более серьезных проектов, рассчитанных на большое количество подключаемых устройств и емкого программного кода, поэтому она содержит 54 цифровых выхода и 16 аналоговых, а так же объем памяти в ней по сравнению c Uno и Nano уже не 32Кб, а 128Кб - что, в 4 раза больше.

Следующей в списке идет Arduino Leonardo, совпадающая по размерам с UNO, но отличающаяся в применяемом микроконтроллере – на сей раз это Atmega32u4. Эту плату компьютер распознает как подключенную к нему клавиатуру или мышь, поэтому, она, помимо прочего, идеально подходит для создания на ее основе различных джойстиков и других устройств ввода.

Специально для реализации небольших устройств, разработчики Arduino создали плату под названием Arduino Mini, имеющую очень компактные размеры и построенную на базе микроконтроллера ATmega168. Так же существует версия Arduino Pro Mini, главным отличием которой является отсутствие ножек-выводов. Из-за такого сокращения компонентов плата не имеет собственного USB и программируется через специальные USB-преобразователи и адаптеры.

Ну что же, это были основные версии платформ Arduino, список которых, конечно же, на этом не заканчивается, и для тех, кто желает посмотреть на всю линейку Arduino, прошу перейти по этой ссылке.

Зачастую для ваших проектов будет не хватать одной лишь платы Arduino - например, в случае, если вы захотите взаимодействовать с интернетом, или управлять множеством сервоприводов. И здесь на помощь приходят так называемые шилды (от англ. Shield - щит), представляющие собой платы расширения, и подключаемые к Arduino по принципу бутерброда.

Их количество очень разнообразно и каждый шилд отвечает за выполнение каких-либо конкретных задач.

Кстати, не так давно @KeyAnyP радовал нас небольшой серией постов о шилдах здесь, здесь и здесь :)

Так же, помимо шилдов, активно используются специальные модули для Arduino, задача которых облегчить процесс подключения тех или иных компонентов к вашему проекту.

В качестве примера можно привести модуль реле, благодаря которому вам не придется самостоятельно собирать необходимую для работы реле схему, а лишь подключить при помощи проводов готовые выводы модуля с входами Arduino.

Вообще, при покупке готовых модулей всегда встает вопрос рациональности их приобретения, поскольку иногда схемы модулей оказываются очень простыми и гораздо дешевле будет купить необходимые детали отдельно и собрать подобный модуль самостоятельно – здесь уже все зависит от ваших умений и возможностей.

Ну а теперь настало время разобраться с тем, какие компоненты вам понадобятся для начала работы с Arduino.

Первым делом, конечно же, вам необходимо обзавестись самой платой Arduino. В качестве самой первой платы, на которой вы будете обучаться и строить свои проекты, я рекомендую приобрести Arduino Uno, из-за ее, на мой взгляд, удобных для макетирования размеров и наличия всех необходимых выводов. Здесь есть три варианта приобретения платформы - покупать дорогую оригинальную плату, купить плату от сторонних xDuino-производителей, либо китайский аналог Arduino.

Откуда вообще появилось такое деление на оригинальные и не оригинальные платы? А все дело в том, что Arduino изначально выложила в открытый доступ всю документацию и схемы по своим платам и, отсюда, любой желающий мог взять и повторить их разработку, либо привнести в неё что-то свое. Конечно же, самыми активными в этом плане оказались наши китайские друзья, и на сегодняшний день вы найдете просто огромное количество всевозможных вариантов плат Arduino.

Естественно, главное отличие оригинальной платы от не оригинальной, это её цена и используемые при сборке компоненты. Но, не спешите гнаться за высокой ценой и качеством оригинальной платы, поскольку, во-первых, плата Arduino не настолько сложна в изготовлении, что бы её могли производить только избранные заводы с высокоточным оборудованием, а, во-вторых, так как вы только начинающий пользователь Arduino, есть очень большой шанс сделать что-нибудь не так и испортить дорогостоящую вещь. Поэтому, лично я рекомендую вам к покупке аналоги китайского производителя, поскольку с нынешним развитием техники, действительно неплохую плату можно собрать на вполне рядовом заводе и никаких космических технологий при этом не потребуется, вопрос только в качестве применяемых компонентов. Но, право выбора остается за каждым из вас и это мое сугубо личное мнение. Сам я работал только с платами, заказанными из Китая, и могу сказать, что, по-прежнему, не вижу смысла переплачивать за более качественные оригиналы. 

Помните, я упомянул про три возможных варианта, и не назвал еще один. Так вот, средними по ценовому диапазону и качеству компонентов являются платы так называемых xDuino производителей. Где вместо x подставляются различные наименования разработчиков, например, Freeduino, Seeeduino, CraftDuino и так далее. Эти платы являются полностью Arduino-совместимыми и зачастую имеют всяческие штрихи и дополнения, в виде каких-то улучшений или доработок.

Версия платы Arduino под названием Craftduino

Итак, достаточно рассуждений, давайте, наконец, посмотрим, как выбрать нужную плату из огромного множества производителей и при этом остаться довольным покупкой. Раз уж мы договорились, что в дальнейшем будем работать с Arduino Uno, то выбирать мы будем именно её. Если начать искать плату на всем известных сайтах Aliexpress или Ebay, то в целом можно выделить два вида плат, один из которых немного дешевле второго, и вот почему.

Перед вами две фотографии этих плат, давайте посмотрим на их отличия.

Первым делом в глаза бросаются разные формы микроконтроллеров, используемых в платах - один маленький и впаянный в плату, другой бОльших размеров, и может из нее извлекаться. Как вы понимаете, удобство второй платы именно в этом и заключается - в случае выхода из строя или необходимости перемещения микроконтроллера на другую плату, его можно легко извлечь и вставить в разъем новый, без какой либо пайки и прочих трудностей, как в случае с первым вариантом.

Второй отличительной особенностью этих плат является устройство связи платы с USB вашего компьютера - на левой плате это устаревший FTDI USB микроконтроллер, на правой - микроконтроллер ATmega8U2, имеющий свои плюсы, о которых мы говорить пока не будем. В остальном же, платы практически идентичные, и, я думаю, каждый из вас уже сделал выбор в пользу более совершенного, правого варианта. Кстати, эта версия Arduino имеет полное название как Arduino Uno R3, где R3 обозначает третью ревизию.

Итак, самую главную часть для дальнейшей работы мы рассмотрели и теперь осталось определиться с тем, что еще понадобится вам при дальнейшем обучении по этому курсу:

1. Макетная плата, которой вы будете пользоваться практически постоянно. Она позволяет осуществлять быстрый монтаж различных соединений и компонентов без необходимости использовать паяльник и прочие вещи.

2. Набор из резисторов различных номиналов, о назначении которых мы говорили в прошлом выпуске

3. Небольшое количество светодиодов

4. Кнопки

5. Соединительные провода

В принципе, для самых первых шагов в программировании Arduino этого будет достаточно, но вся прелесть этой платформы заключается не только в мигании светодиодами и нажатии кнопок, но и в использовании различных датчиков и модулей. Отсюда, по возможности, советую вам обзавестись некоторыми компонентами, примеры работ с которыми я обязательно затрону в одном из выпусков.

Модуль реле - он позволит вам управлять различной нагрузкой в вашем доме.

Датчик движения – позволит регистрировать перемещение нагретых тел в зоне его видимости (пригодится при создании, например, автоматического включения света или сигнализации)

Фоторезистор – позволит наблюдать за степенью освещенности комнаты.

LCD дисплей – с его помощью можно выводить различные информационные сообщения от ваших устройств.

Сервопривод – мини-двигатель, при помощи которого возможно управление какими-либо механизмами, или даже конструирование подвижных частей роботов.

Ну и любые другие компоненты на ваш вкус. Что бы посмотреть, какие еще бывают датчики для Arduino, просто введите в поиске соответствующую фразу «датчики и модули для Arduino» и перед вами откроется множество вариантов.

Хочу сделать небольшое замечание – наверняка многие из вас в процессе покупки компонентов заметят уже готовые стартовые наборы для начинающих.Не советую вам их приобретать по той простой причине, что зачастую там бывает большое количество лишних компонентов, которые попросту могут не пригодиться вам при дальнейшей работе, и вы зря потратите на них свои деньги. Лучше, для начала, купить несколько датчиков на пробу, а потом уже сделать осознанный выбор для какого-либо проекта и докупить все необходимое.

Ну что же, на этом, пожалуй, всё, я надеюсь, что теперь вам будет гораздо проще выбрать нужную для себя Arduino и необходимые компоненты для работы с ней и прощаюсь с вами до следующего выпуска, в котором мы уделим внимание непосредственно внутренностям Arduino Uno и её микроконтроллеру ATmega328P.

Надеюсь, вам было интересно, спасибо за внимание и до встречи в новом выпуске! :)

P.S. Некоторые ссылки для заказа компонентов вы найдете здесь: http://progmk.ru/komponentyi/

Для начала давайте посмотрим вокруг себя. В современном мире нас окружает огромное количество всевозможных электронных устройств, которые делают нашу жизнь проще и удобней. Что же их всех объединяет?

Конечно же, это то, что все они работают от электрической энергии, которая вырабатывается различными генераторами, берется из аккумуляторных батарей и так далее. Но что представляет собой электрическая энергия или электричество? Тут все не так просто, но чтобы не лезть в дебри электроники и не затягивать пост, вы должны для себя понять, что основной частицей, благодаря которой и создается электрическая энергия, является электрон (e-).

Они повсюду, в любой вещи, которую вы видите - даже в маленькой капле воды их миллиарды и миллионы. Но, кроме электронов, которые, кстати, носят отрицательный заряд и очень подвижны, есть частицы, которые, наоборот, имеют положительный заряд и практически не двигаются - они называются протонами (p+). Подобно магнитам, разноименные заряды электронов и протонов притягиваются друг к другу, а одноименные заряды, наоборот, отталкиваются.

Благодаря взаимодействию электронов и протонов друг с другом, то есть перемещению электронов к протонам, мы с вами и получаем электрическую энергию. А перемещаются электроны по так называемым проводникам. Все вы видели провод от вашего зарядного устройства или линию электропередач, а может, кто то даже видел медные дорожки на платах -все это электрические проводники, по которым могут свободно перемещаться электроны.

Кстати, если мы говорим что существуют проводники, то можно сделать вывод о том, что должны быть материалы, которые, наоборот, препятствуют перемещению электронов, и такие материалы есть - они называются диэлектриками или изоляторами. Если возвращаться к нашему проводу от зарядного устройства, то та оболочка, что его покрывает, и есть диэлектрик. Она защищает проводники от соприкосновения друг с другом, а так же самих нас от поражения электрическим током.

Стоит заметить, что кроме проводников и диэлектриков существуют и другие материалы, такие как полупроводники, сверхпроводники, магнетики и так далее, но пока мы их рассматривать не будем.

Итак, мы сказали, что у нас есть отрицательные электроны, которые передвигаются по проводникам в сторону положительно заряженных протонов, но не сказали - что заставляет их это делать.

А здесь работает так называемая электродвижущая сила или, если пока не вдаваться в подробности, напряжение, которое наверняка вам знакомо. Напряжение представляет собой разность потенциалов между отрицательными и положительными зарядами, обозначается буквой U и выражается в вольтах (В).

Именно напряжение и создает электрический ток в нашем проводнике, а сам электрический ток есть не что иное, как направленное движение тех самых заряженных частиц, о которых мы говорили раньше. Единицами измерения силы тока являются амперы (А) и чем больше эта сила, тем больше зарядов проходит по поперечному сечению проводника за единицу времени. Обозначается ток английской буквой I.

Но кроме напряжения и тока не стоит забывать про еще одну важную величину, которая называется сопротивлением. Эта величина служит мерой способности электронов перемещаться по какому-либо материалу и измеряется в Омах. Например, если вернуться к изоляторам, которые защищают нас от поражения электрическим током, то, можно сказать, что они, как правило, имеют очень большое сопротивление – то есть сопротивляются протеканию по ним потока электронов и тем самым выполняют роль защиты. А, например, медный провод имеет наоборот небольшое сопротивление, и электроны свободно протекают по нему. Кстати, чем больше диаметр провода, тем меньше будет его сопротивление и тем больший поток электронов он сможет пропустить за единицу времени. Именно поэтому все высоковольтные провода имеют такое большое сечение.

Ну что же, это были очень краткие и сжатые теоретические сведения, касаемые электрической энергии, которые я советую вам самостоятельно изучить в более подробном виде. Ну а теперь я предлагаю перейти от теории к практике :)

А начнем мы с самого простого – со светодиода, полное название которого звучит как светоизлучающий диод. Это один из самых первых элементов, с которым знакомятся начинающие любители электроники. Помните, мы говорили, что существуют как проводники, которые проводят ток, так и диэлектрики, которые, наоборот, препятствуют его протеканию. Так вот, светодиод - это такой элемент, который может быть как проводником, так и диэлектриком, отсюда его и приравнивают к такому классу элементов как полупроводники, из-за того что он может как проводить, так и не проводить электрический ток сквозь себя, и здесь всё дело в направлении тока, протекающего сквозь него.

У светодиода есть два вывода, один из которых положительный – анод, а другой отрицательный – катод. Если приложить к светодиоду прямую полярность, то есть плюс источника питания соединить с плюсом светодиода, а минус - с минусом, то светодиод начнет пропускать сквозь себя поток электронов и при этом станет излучать свет. Если же подключить светодиод наоборот, то проявится его свойство сопротивляться протекающему по нему электрическому току и никакой свет при этом излучать он не будет.

Стоит отметить очень важную вещь, что у любого компонента в электронике есть набор определенных параметров, указанных в спецификации к этому компоненту (datasheet), которые нужно обязательно соблюдать. Например, для светодиода основными параметрами являются максимальное напряжение и ток, которые можно подавать на компонент не боясь, что он выйдет из строя. Но, зачастую, источник питания в схеме может значительно превышать значение, необходимое по спецификации, и это грозит либо полным выходом компонента из строя, либо его неправильной работе.

Давайте возьмем такой пример: у нас есть источник питания с напряжением 5В и силой тока в 1А, а так же светодиод, рассчитанный на напряжение 2В и максимальный ток в 25мА. Если подключить наш светодиод к источнику питания напрямую, то он непременно сгорит, поскольку постарается принять на себя такой поток электронов, который только сможет.

Этот поток ничем не ограничен (кроме мощности источника питания) и попросту убьет наш светодиод, превысив его максимально допустимый ток в 25мА. Что бы этого избежать, нам и пригодится сопротивление, речь о котором шла раньше. А специальными элементами, которые помогут нам подобрать необходимую величину сопротивления, являются токоограничивающие резисторы.

Они имеют номиналы от единиц до миллионов Ом и бывают как постоянные, то есть с фиксированным значением сопротивления, так и переменные, подстраивая которые можно добиться необходимого значения сопротивления в каждом конкретном случае.

Но, что бы определиться, какого именно номинала резистор нам нужен, необходимо воспользоваться вот такой несложной формулой:

R = (Uпит - Uпр) / I

где, R – это то самое значение сопротивления, которое мы ищем,

Uпитания – напряжение питания схемы, в нашем случае это 5В,

Uпрямое – это прямое падение напряжения на светодиоде, которое обычно составляет от 1,5В до 2,3В у стандартных светодиодов, и до 3,5В у сверхярких. В нашем случае это 2В.

И, наконец, I прямое – это прямой ток через светодиод, который планируется получить, в нашем случае он составляет 25мА.

Кстати, наверняка многие из вас слышали о законе Ома. Так вот, сейчас мы как раз и пользуемся его формулами. Правда, изначально закон Ома звучит так: напряжение равняется произведению тока на сопротивление, и записывается вот в таком виде: U = I*R

А уже дальше, путем не хитрых преобразований, что бы найти сопротивление мы просто берем и делим напряжение на силу тока. Это фундаментальный закон в электронике, и вы обязаны его не только знать, но и, самое главное – понимать. Поэтому я советую вам более подробно почитать о нем в интернете.

Итак, вернемся к нашей формуле, подставив все значения в нее, мы получим, что необходимое сопротивление для нашей схемы и светодиода составляет 120 Ом. Давайте проверим это в симуляторе.

Как видите, теперь светодиод потребляет необходимый ему ток в 25мА и потому работает в штатном режиме и не перегорает.

Итак, сделаем из всего этого выводы. При добавлении светодиода, да и вообще любых компонентов в схему, необходимо удостовериться как минимум в трех вещах:

Первое, проверьте правильность полярности подключения компонента к источнику питания

Второе, по возможности ознакомьтесь со спецификацией на этот компонент и узнайте его максимально допустимые параметры

И, наконец, третье - всегда включайте в цепь со светодиодом токоограничивающий резистор, это защитит светодиод от возможного выхода из строя и обезопасит вашу схему от возможных последствий такой неприятной ситуации.

Рассматривая пример со светодиодом, я приводил для вас схему его включения в цепь. Стоит отметить, что такие схемы называются принципиальными, и представляют собой чертеж, на котором показано, как соединены между собой компоненты. Для каждого компонента существует свое обозначение, прописанное в специальных стандартах, поскольку, создавая то или иное устройство, разработчики должны пользоваться одинаковым набором обозначений и символов, что бы понимать друг друга. Это своего рода алфавит, благодаря которому любой желающий может взглянуть на внутренности того или иного устройства и понять из каких деталей оно состоит и как они соединены между собой.

Есть даже такое понятие как чтение электрических схем, и вы должны обязательно научиться этому навыку, который будет все лучше и лучше получаться у вас со временем. Для начала вам необходимо держать у себя в голове следующие общепринятые обозначения на схемах:

Выводы питания. Обычно они обозначаются как небольшие перечеркнутые кружочки или стрелки, с обязательно подписанным значением напряжения, а так же могут обозначаться буквенно, например, VCC, VDD, V+, Vs+ и так далее - всё это означает наибольшее положительное напряжение.

Земля и общий провод. Для начала разберемся, что это такое. Помните, мы говорили, что напряжение есть разность потенциалов, то есть разница между нулевым и каким-то отличным от нуля значением. Так вот, нулевой потенциал в схеме, относительно которого происходят расчеты и замеры, принято называть общим проводом или землей, и обозначать вот такой вертикальной полосой упирающейся в одну, либо в три горизонтальные линии.

Так же земля может иметь буквенное обозначение, состоящее из сокращения английского слова Ground, то есть GND. Вообще на тему земли и общего провода есть отдельные большие статьи, с большим количеством нюансов и прочего, но, чтобы не перегружать вас информацией, пока остановимся на этих общих понятиях.

Итак, с обозначением питания и земли мы разобрались, и теперь давайте посмотрим, как же обозначаются и производятся различные соединения на схеме. Например, в ситуации с одним светодиодом мы не использовали никаких дополнительных подключений, но, что если нам нужно подключить не один, а несколько светодиодов или компонентов? Здесь есть три варианта их подключения относительно друг друга:

Первый вариант это последовательное соединение компонентов. Представим себе ситуацию, что при расчете необходимого сопротивления для нормальной работы вашего светодиода, вы получили значение 120 Ом, но в вашей скромной коллекции не нашлось подходящего резистора с таким сопротивлением. Вот здесь вам на помощь и придет последовательное соединение нескольких резисторов в одну цепь, которые в сумме дадут искомое значение. Например, у вас нашлись резисторы на 100 и 22 Ома и, подключив их последовательно, вы получите 122 Ома, что практически идеально подходит для вашего расчета.

Но в таком подключении есть и свои минусы: давайте представим, что вы собираете новогоднюю гирлянду из 100 лампочек и подключаете их последовательно друг за другом. В таком случае у протекающего через лампочки тока есть только один путь, который лежит через все 100 лампочек вашей гирлянды, и если хоть одна из них перегорит, то в цепи получится разрыв, и, следовательно, вся ваша гирлянда погаснет.

Чтобы избежать такой неприятной ситуации вам поможет параллельное подключение лампочек между собой. Это когда все положительные выводы лампочек подключаются к одной, положительной точке, а все отрицательные, соответственно, к другой. Более наглядно это можно увидеть на картинке.

Кстати, места соединения нескольких проводников в один узел обозначаются жирными точками, а отсутствие электрического соединения проводников - простым скрещиванием линий без точек.

Итак, при таком, параллельном подключении, ток будет так же протекать через каждую из лампочек, но, при этом, если из строя выйдет любая из них, цепь не оборвется, и остальные лампочки продолжат гореть, как ни в чем не бывало. Правда и такое подключение становится опасным, если сгорит большое количество лампочек, поскольку мощность, выдаваемая вашим источником питания, теперь будет распределяться на меньшее количество компонентов и существует риск выхода за пределы значений, указанных в спецификации к вашим компонентам.

И, наконец, третий способ подключения, это параллельно-последовательное соединение компонентов. В данном случае происходит комбинирование подключаемых деталей, которые могут быть соединены, например, последовательно между собой и входить в ветвь, подключаемую параллельно к источнику питания вместе с другими ветвями.

Стоит отметить, что у последовательного и параллельного вида подключений есть свои особенности расчета, и, для тех, кто хочет узнать о них более подробно, можно заглянуть, например, сюда: http://hightolow.ru/resistor3.php

Так же оставляю ссылку (http://cxem.net/beginner/beginner9.php) на более подробные обозначения других элементов на принципиальных схемах, а вы, в качестве домашнего задания, попробуйте самостоятельно найти и прочесть небольшие схемы - отыщите на них питание и землю, точки соединения, последовательное и параллельное включение элементов и так далее.

Ну что же, сегодня мы познакомились с тем, что представляет собой электричество, поговорили о его основных характеристиках, узнали об особенностях подключения компонентов и чтении принципиальных схем. Прошу заметить, что в университетах данный курс электротехники читается на протяжении нескольких семестров и уместить весь материал в одну статью или выпуск, как ни старайся, конечно же, не получится, поэтому я остановился на некоторых, основных моментах и надеюсь, что вы обязательно продолжите самостоятельно изучать принципы и нюансы этой непростой, но очень интересной области.

На этом, пожалуй, все, я надеюсь, что данный материал был полезным, а, главное, понятным для вас и прощаюсь с вами до следующего выпуска, в котором мы, наконец, впервые взглянем на платформу Arduino.

Всем добра и спасибо за внимание! :)