Ви знайдете всі необхідні компоненти для створення власних інтерактивних пристроїв.
339 
У цій статті ми детально розглянемо, як зібрати просту схему з використанням світлодіода (LED), кнопок, резистора та макетної плати. Ви дізнаєтеся, що таке електричний струм, напруга та опір, а також на практиці вивчите основи роботи з паралельним і послідовним з’єднанням компонентів. Ми розберемо, як використовувати Arduino як джерело живлення, як працює закон Ома та чому без резисторів ваші світлодіоди швидко вийдуть з ладу. Покрокові інструкції та зрозумілі схеми допоможуть навіть новачкам опанувати базові принципи електроніки та створити свої перші інтерактивні пристрої.
Зробимо просту схему з деякими перемикачами, світлодіодом і резистором.
Електрика — це вид енергії, подібний до тепла, сили тяжіння або світла. Електрична енергія тече по провідниках, як по дроту. Ви можете перетворювати електричну енергію в інші види енергії, щоб зробити щось цікаве, наприклад увімкнути світло або створити звук із динаміка.
Компоненти, які ви можете використовувати для цього, наприклад динаміки чи лампочки, є електричними перетворювачами. Перетворювачі перетворюють інші види енергії на електричну і навпаки. Речі, які перетворюють інші форми енергії в електричну енергію, часто називають датчиками, а речі, які перетворюють електричну енергію в інші форми енергії, іноді називають приводами. Ви будете будувати схеми для переміщення електроенергії через різні компоненти. Ланцюги — це замкнуті дротяні петлі з джерелом живлення (наприклад, батареєю) і чимось корисним для використання енергії, що називається навантаженням.
У ланцюзі електрика тече від точки з вищою потенційною енергією (зазвичай її називають потужністю або +) до точки з нижчою потенційною енергією. Заземлення (часто позначене як – або GND) зазвичай є точкою найменшої потенційної енергії в ланцюзі. У колах, які ви будуєте, електрика тече лише в одному напрямку. Цей тип ланцюга називається постійним струмом або постійним струмом. У колах змінного струму (AC) електрика змінює свій напрямок 50 або 60 разів на секунду (залежно від того, де ви живете). Це тип електрики, який надходить від настінної розетки.
Є кілька термінів, з якими ви повинні ознайомитися під час роботи з електричними схемами. Сила струму (вимірюється в амперах або амперах; із символом A) — це кількість електричного заряду, що протікає через певну точку вашого кола. Напруга (вимірюється у вольтах; із символом V) — це різниця в енергії між однією точкою кола та іншою. І, нарешті, опір (вимірюється в Омах; із символом Ω) — це те, наскільки компонент чинить опір потоку електричної енергії.
Один із способів уявити це — подумати про кам’яний зсув, що спускається зі скелі, як показано на мал. 1. Чим вище скеля, тим більше енергії матиме каміння, коли воно торкнеться дна. Висота обриву схожа на напругу в ланцюзі: чим вища напруга на джерелі енергії, тим більше енергії потрібно використати.
Чим більше у вас каміння, тим більше енергії переноситься зі скелі. Кількість каменів схожа на силу струму в електричному ланцюзі. Скелі проходять крізь кущі на схилі скелі, втрачаючи при цьому деяку енергію; енергія витрачається на подрібнення кущів. Втулки схожі на резистори в ланцюзі, створюючи опір електричному потоку та перетворюючи його в інші форми енергії.
Для створення ланцюга потрібен повний шлях від джерела енергії (потужності) до точки найменшої енергії (землі). Якщо немає шляху для руху енергії, схема не працюватиме.
Вся електрична енергія витрачається в ланцюзі компонентами в ньому. Кожен компонент перетворює частину енергії в інший вид енергії. У будь-якому ланцюзі вся напруга перетворюється на інший вид енергії (світло, тепло, звук тощо).
Потік струму в конкретній точці ланцюга завжди буде однаковим, що входить і виходить.
Електричний струм шукатиме шлях найменшого опору землі. За наявності двох можливих шляхів більша частина електричного струму пройде по шляху з меншим опором. Якщо у вас є з’єднання, яке з’єднує джерело живлення та заземлення без опору, ви спричините коротке замикання, і струм спробує йти цим шляхом. Під час короткого замикання джерело живлення та дроти перетворюють електричну енергію на світло та тепло, зазвичай у вигляді іскор або вибуху. Якщо ви коли-небудь замикали акумулятор і бачили іскри, ви знаєте, наскільки небезпечним може бути коротке замикання.
Макетна плата є основним місцем, де ви будете будувати схеми. Той, що входить у ваш комплект, є безпаяним, названий так тому, що вам не потрібно нічого спаювати разом, на кшталт LEGO в електронній формі. Горизонтальні та вертикальні ряди макетної плати, як показано на мал. 3, несуть електрику через тонкі металеві з’єднувачі під пластиком з отворами.
У цих проектах ви побачите два види схем: один у вигляді макета (як на мал. 5), який виглядає як те, що є у вашому наборі. Інший – це схематичний вигляд (як на мал. 6), який є більш абстрактним способом відображення зв’язків між компонентами в схемі. На схемах не завжди показано, де компоненти розташовані відносно один одного, але вони показують, як вони з’єднані.
Світлодіод або світлодіод — це компонент, який перетворює електричну енергію на світлову. Світлодіоди є поляризованими компонентами, що означає, що вони пропускають електрику лише в одному напрямку. Довша ніжка світлодіода називається анодом, вона підключатиметься до живлення. Коротша ніжка є катодом і буде підключатися до землі. Коли до анода світлодіода подається напруга, а катод підключається до землі, світлодіод випромінює світло.
Резистор — це компонент, який протистоїть потоку електричної енергії (перегляньте список компонентів для пояснення на кольорових смугах збоку). Він перетворює частину електричної енергії в тепло. Якщо ви підключаєте резистор до такого компонента, як світлодіод, резистор споживатиме частину електричної енергії, і в результаті світлодіод отримуватиме менше енергії. Це дозволяє постачати компоненти необхідною кількістю енергії. Ви використовуєте резистор послідовно зі світлодіодом, щоб уникнути надлишкової напруги. Без резистора світлодіод був би яскравішим на кілька секунд, але швидко згорів.
Перемикач перериває потік електроенергії, розриваючи ланцюг, коли він розімкнений. Коли перемикач замкнутий, він замкне ланцюг. Існує багато видів вимикачів. Перемикачі у вашому наборі називаються миттєвими перемикачами або кнопками, оскільки вони замикаються лише під час натискання.
Ваша перша інтерактивна схема з використанням перемикача, резистора та світлодіода. Arduino є лише джерелом живлення для цієї схеми; у наступних проектах ви підключатимете його вхідні та вихідні контакти для керування складнішими схемами.
Ви збираєтеся використовувати Arduino в цьому проекті, але лише як джерело енергії. При підключенні до USB-порту або 9-вольтової батареї Arduino забезпечить 5 вольт між контактом 5 В і контактом заземлення, які ви можете використовувати. 5 В = 5 вольт, ви часто побачите, що це пишеться саме так.
Якщо ваш Arduino підключено до батареї або комп’ютера через USB, від’єднайте його перед побудовою схеми!
Підключіть червоний дріт до контакту 5 В на Arduino, а інший кінець вставте в одну з довгих ліній шини на макетній платі. Підключіть заземлення на Arduino до сусідньої лінії шини чорним дротом. Корисно підтримувати постійний колір дроту (червоний для живлення, чорний для заземлення) у всій схемі.
Тепер, коли у вас є живлення на дошці, розташуйте перемикач посередині дошки. Перемикач буде розташовано по центру в одному напрямку. Згин ніжок перемикача спрямований до центру дошки.
Використовуйте резистор на 220 Ом, щоб підключити живлення до однієї сторони вимикача. На ілюстраціях у цій книзі використано 4 смуги. Ваш набір може містити 4- та 5-смугові резистори. Скористайтеся ілюстрацією збоку, щоб перевірити, чи підійде для цього проекту. Подивіться на сторінку 41, щоб отримати детальне пояснення кольорових кодів для резисторів. З іншого боку вимикача підключіть анод (довгу ніжку) світлодіода. За допомогою дроту підключіть катод (коротку ніжку) світлодіода до землі. Коли ви будете готові, підключіть кабель USB до Arduino.
Коли все налаштовано, натисніть кнопку. Ви повинні побачити світлодіод. Вітаємо, ви щойно зробили коло! Коли ви втомилися натискати кнопку, щоб увімкнути світло, настав час змінити ситуацію, додавши другу кнопку.
Ви будете розміщувати компоненти на макетній платі послідовно та паралельно. Компоненти в рядах йдуть один за одним. Компоненти паралельно працюють поруч.
Компоненти в серіях йдуть один за одним
Вилучивши джерело живлення, додайте перемикач поруч із тим, що вже є на макетній платі. З’єднайте їх послідовно, як показано на мал. 10. Під’єднайте анод (довгу ніжку) до світлодіода до другого перемикача. Підключіть світлодіодний катод до землі. Знову увімкніть Arduino: тепер, щоб увімкнути світлодіод, потрібно натиснути обидва перемикачі. Оскільки вони з’єднані послідовно, вони обидва повинні бути замкнуті для завершення ланцюга.
Компоненти паралельно йдуть пліч-о-пліч
Тепер, коли ви оволоділи мистецтвом послідовного з’єднання, настав час з’єднати вимикачі паралельно. Залиште перемикачі та світлодіод там, де вони є, але зніміть з’єднання між двома перемикачами. Підключіть обидва перемикачі до резистора. Приєднайте інший кінець обох перемикачів до світлодіода, як показано на мал. 12. Тепер, коли ви натискаєте будь-яку кнопку, ланцюг завершується, і світло вмикається.
Струм, напруга та опір пов’язані між собою. Коли ви змінюєте один із них у ланцюзі, це впливає на інші. Зв’язок між ними відомий як закон Ома, названий на честь Георга Саймона Ома, який його відкрив.
НАПРУГА (В) = СИЛА СТРУМУ (I) * ОПІР (R) Під час вимірювання сили струму в колах, які ви будуватимете, значення будуть у діапазоні міліампер. Це тисячні частки одного ампера.
У схемі, показаній на мал. 5, ви подаєте 5 вольт. Резистор забезпечує опір 220 Ом. Щоб знайти силу струму, яку використовує світлодіод, замініть значення в рівнянні. У вас має бути 5=I*220. Розділивши обидві частини рівняння на 220, ви побачите, що I = 0,023. Це 23 тисячні ампера, або 23 міліампер (23 мА), які використовуються світлодіодом. Це значення майже максимально, яке можна безпечно використовувати з цими світлодіодами, тому ви використали резистор на 220 Ом.
Ви можете розширити цей проект кількома способами, або створивши власний вимикач (два шматки фольги з дротом добре працюють), або створивши комбінацію вимикачів і світлодіодів паралельно або послідовно. Що трапиться, якщо ви підключаєте три або чотири світлодіоди послідовно? Що відбувається, коли вони паралельні?
Чому він так поводиться? Мультиметр – це інструмент, який може перевірити величину опору, струму та напруги у вашому колі. Хоча для цих проектів не обов’язково використовувати його, він може бути корисною частиною інструментарію будь-якого інженера. Є хороший опис того, як використовувати один онлайн на arduino.cc/multimeter
Ви дізналися про електричні властивості напруги, струму та опору під час побудови схеми на макетній платі. Завдяки таким компонентам, як світлодіоди, резистори та перемикачі, ви створили найпростішу інтерактивну систему: користувач натискає кнопку, вмикається світло. Ці основи роботи з електронікою будуть згадуватися та розширюватися в майбутніх проектах.
339 
213 
219 
200 
227 
205 
201 
215 
210 
207 
215 
217 
238 
244