Цифровая электроника для начинающих

Версия текста 1.1, (с) 2018

Введение

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

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

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

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

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

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

Приятного чтения.

Часть 1. Основы электроники

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

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

1.1 Детали и инструменты

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

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

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

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

Electronics Starter Kit with Breadboard

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

UNO R3 Starter Kit for Arduino

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

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

37 in 1 Sensor Module Kit

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

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

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

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

ESP32 Development Board

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

Raspberry Pi 3

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

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

Raspberry Pi Zero W

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

BBC Micro:bit

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

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

1.2 Электрическая цепь, ток и напряжение

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

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

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

Что нам еще нужно знать о схеме?

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

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

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

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

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

Лампа накаливания в данной ...

Быстрая навигация назад: Ctrl+←, вперед Ctrl+→