Koło informatyczne - technika cyfrowa, robotyka

Na kolejnych zajęciach koła informatycznego będziemy się zajmować techniką cyfrową i docelowo robotyką. Technika cyfrowa polega na konstruowaniu różnych urządzeń elektronicznych, w których wykorzystuje się układy cyfrowe. Na początek musisz skompletować minimalne wyposażenie swojego warsztatu oraz ściśle stosować się do naszych uwag. Pamiętaj – błędy w elektronice biją po kieszeni.

Co będziesz potrzebował?

Miernik

Miernik jest urządzeniem, które pozwoli ci mierzyć różne wielkości elektryczne w konstruowanych układach. Raczej trudno się bez niego obejść. Nie potrzebujesz skomplikowanego, profesjonalnego miernika. Zupełnie wystarczy najtańszy miernik cyfrowy za 15...25 zł, np. taki jak na poniższym obrazku.

obrazek

Miernik uniwersalny, tzw. multimetr pozwala mierzyć wiele różnych wielkości elektrycznych. Najczęściej będzie to napięcie elektryczne, prąd elektryczny oraz oporność elektryczna. Aby nie spalić miernika, należy stosować kilka podstawowych zasad.

Zawsze sprawdzaj dokładnie ustawienie miernika. Jeśli chcesz mierzyć napięcie elektryczne, to ustaw odpowiedni zakres przed pomiarami i zawsze schodź z wyższego zakresu na niższy, a nie na odwrót. W technice cyfrowej większość napięć nie przekracza 5V (jeśli nie wiesz, co to oznacza, to zacznij od podręcznika fizyki o elektryczności, bo inaczej nic dobrego z tego nie wyniknie).
Miernik posiada zwykle dwa kable pomiarowe. Czarny dołącza się do bieguna minus, a czerwony do bieguna plus mierzonego napięcia.
DC oznacza pomiar napięcia stałego (ang. direct current), a AC oznacza pomiar napięcia zmiennego (ang. alternating current). W technice cyfrowej w 99% przypadków korzystamy z napięć stałych.
Jeśli chcesz mierzyć prąd (a nie napięcie), to miernik należy włączyć w szeregowo w obwód elektryczny (jeśli nie wiesz, co to znaczy, spytaj nauczyciela lub poszukaj w Internecie)..
Dokładnie przeczytaj instrukcję obsługi miernika – zaoszczędzisz na kupnie nowego.

Zasilacz

Układy elektroniczne muszą być zasilane energią elektryczną. Najprostszym rozwiązaniem jest kupno gotowego zasilacza 5V.

obrazek

My skonstruowaliśmy dwa zasilacze 5V na zajęciach koła. Ponieważ dla początkującego elektronika mogą to być zbyt trudne układy na początek, na razie zrezygnowałem z opisu ich wykonania.

W ostateczności możesz użyć baterii 4,5V lub 3 paluszków połączonych szeregowo. Możesz również zastosować 4 akumulatorki paluszkowe (akumulatory dają niższe napięcie od bateryjki: 1,2V zamiast 1,5). Ta ostatnia opcja ma tę zaletę, że po rozładowaniu akumulatorków możesz je tanio znów naładować w ładowarce.

bateria 4,5V

3 paluszki 1,5V

4 akumulatorki 1,2V

Bateryjki i akumulatorki łączymy szeregowo. Możesz w tym celu wykorzystać jakąś rurkę, w której umieszczasz bateryjki/akumulatorki. Rurka może być zakręcana, a na nakrętkach zamocowane małe sprężynki z podłączonymi przewodami. Pozostawiam to twojej inwencji.

obrazek

Lutownica

Lutownica pozwala trwale połączyć ze sobą elementy elektroniczne za pomocą cyny. Na początek nie będzie ci potrzebna, ponieważ większość projektów zrealizujemy na płytce stykowej. Jednak poważny elektronik zawsze takie urządzenie posiada. Proponuję zakupić zwykłą, małą lutownicę oporową (40...60W), koniecznie z podstawką (droższe lutownice transformatorowe wymagają wprawy przy posługiwaniu się nimi). Taka lutownica kosztuje ok. 20 zł.

obrazek

Wraz z lutownicą powinieneś zakupić cynę oraz kalafonię.

obrazek obrazek obrazek

Składniki te posłużą do lutowania. Wiele poradników na temat lutowania znajdziesz w serwisie YouTube. Wystarczy wpisać hasło "lutowanie" lub "soldering tutorial", jeśli jesteś mocny z angielskiego. Ja swoim uczniom pokazuję to bezpośrednio na zajęciach koła. Kalafonia służy do rozpuszczania tlenków miedzi na lutowanych powierzchniach. Dlatego zwykle przed lutowaniem pokrywam takie powierzchnie cienką warstewką kalafonii rozpuszczonej w zwykłym denaturacie. Również przewody przed zlutowaniem zanurz najpierw w roztopionej lutownicą kalafonii, a dopiero później pokrywaj cyną. Po kilku razach zaczniesz rozróżniać ładny, błyszczący lut od lutu "suchego", który jest matowy, bo pokryty tlenkami. Zamiast kalafonii używa się też tzw. pasty lutowniczej.

Płytka stykowa

Do tworzenia prototypowych układów elektronicznych nadaje się idealnie tzw. płytka stykowa:

obrazek

Płytka stykowa powinna być wyposażona w komplet przewodów połączeniowych:

obrazek

Połączenia możesz również tworzyć na płytce stykowej za pomocą odpowiednio ukształtowanych kawałków drutu w izolacji (izolację należy usunąć na długości ok. 7mm i końcówki zagiąć pod kątem 90º):

obrazek

Możesz ją zakupić w sklepie internetowym za około 28 zł z przesyłką. Na początek wystarczy ci płytka z 850 stykami. Płytka stykowa posiada szereg otworów, w które będziemy wkładać wyprowadzenia elementów elektronicznych. Otwory te są połączone wewnętrznie blaszkami. Sposób połączenia jest najczęściej następujący:

obrazek

Do zewnętrznych otworów podłączamy napięcie zasilające (do czerwonych +, a do niebieskich –). Niektóre płytki posiadają przerwę linii zasilających na środku swojej długości. Musisz o tym pamiętać w czasie budowania prototypowych układów. Najlepiej sprawdź to swoim miernikiem (ustawiasz na pomiar oporności, w otworki możesz włożyć jakieś krótkie kawałki przewodów).

Naukę elektroniki rozpoczniemy od poznania zasad podłączania diod LED. Dioda LED jest przyrządem elektronicznym, który emituje światło o określonej barwie. Emisja światła nie odbywa się tak jak w żarówce. Tzn. w diodzie LED nic się nie żarzy. Światło powstaje bezpośrednio w strukturze półprzewodnikowej w wyniku pobudzania jej przez przepływające elektrony. Dzięki temu dioda LED pobiera bardzo mało energii elektrycznej (około 100 razy mniej od żarówki o porównywalnej jasności świecenia – w żarówce większość energii tracimy na podgrzewanie świecącego włókienka).

obrazek

Co należy wiedzieć o diodzie LED? Po pierwsze, dioda ta musi być odpowiednio podłączona do plusa i minusa napięcia zasilania. Jak każda dioda, przewodzi ona prąd tylko w jednym kierunku. Jeśli ją podłączysz odwrotnie, to nie będzie świecić.

obrazek

Katoda diody musi być podłączona do minusa zasilania, a anoda do plusa. Katodę łatwo rozpoznać. Jeśli twoja dioda LED wygląda tak, jak na powyższym rysunku, to katoda ma krótszą nóżkę, a cokół przy podstawie korpusu diody jest płaski od strony katody, co bez problemu wyczujesz dotykiem. W małych diodach nie występuje to ścięcie i kieruj się długością końcówek. Ostatecznie katodę możesz rozpoznać po wewnętrznej budowie diody, jeśli ta jest widoczna. Katoda posiada w środku grubszą elektrodę.

obrazek

Druga rzecz. Każda dioda w trakcie świecenia wymaga odpowiedniego napięcia zasilającego oraz prądu. Poniższa tabelka pozwoli ci się w tym zorientować:

Typ diody LED	Napięcie minimalne	Napięcie bezpieczne	Napięcie maksymalne	Prąd diody LED
czerwona	1,2V	1,8V	2,1V	15...20mA
zielona	2,1V	2,5V	3,0V	15...20mA
żółta	2,0V	2,4V	2,8V	15...20mA
pomarańczowa	2,1V	2,4V	2,5V	15...20mA
niebieska	3,5V	4V	5,0V	15...20mA
biała	3,0V	3,6V	4,0V	15...20mA

Jeśli nie jesteś pewien, to najlepiej zapytaj sprzedawcę o parametry diody LED.

Co z tego wynika? Jak przekonali się niektórzy z uczestników naszego koła, podłączenie diody LED bezpośrednio do zasilacza jest dla niej zabójcze. Dioda przepala się błyskawicznie, nawet nie zdąży błysnąć i już masz ją z głowy. Diodę zawsze musimy podłączać do źródła napięcie wraz z szeregowym opornikiem R, który ograniczy prąd płynący przez diodę do odpowiedniej wartości oraz ustali napięcie pracy diody.

obrazek

Na powyższym rysunku oznaczenia są następujące: +U_z – plus napięcia zasilającego, GND – masa, czyli minus napięcia zasilającego, R – opornik, LED – dioda.

Jak obliczyć wartość tego opornika? Bardzo prosto ze wzoru:

gdzie:

R – oporność w omach
U_Z– napięcie zasilające w woltach
U_LED – napięcie diody LED w woltach
I_LED – prąd diody LED w amperach

Załóżmy, że zakupisz czerwoną diodę LED (koszt około 30gr – kup od razu więcej sztuk, tak z 10...15) i chcesz ją podłączyć sobie do zasilacza 5V, aby cieszyć się jej czerwonym światełkiem. Obliczasz więc wartość opornika ograniczającego prąd:

U_Z= 5V
U_LED = 1,8V
I_LED = 0,015A (15mA)

obrazek

Oporniki sprzedawane w sklepach posiadają oporności wg pewnego ciągu wartości. Oznacza to, że nie znajdziesz opornika o dokładnie takiej wartości, jak sobie tutaj wyliczyliśmy. Musimy przyjąć najbliżej dostępną wartość. Typowy szereg E24 koduje opory z tolerancją 5%. Wartości są następujące:

E24	5%	10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91

Wartości te mnoży się przez odpowiednie potęgi liczby 10. W naszym przypadku najbliższy dostępny opornik w szeregu E24 posiada opór R = 22 x 10 = 220Ω.

Gdy masz już policzoną wartość oporu, to sprawdź jeszcze, jaka moc będzie się wydzielać na tym oporniku. Moc obliczamy ze wzoru:

R= 220Ω
I_LED = 0,015A

obrazek

Wystarczy zatem opornik o mocy 0,125W.

obrazek

Wartości oporników są kodowane paskami kolorów. Jest to rozwiązanie praktyczne, ponieważ przy tej wielkości trudno byłoby odczytać cyferki. Opornik 220Ω powinien posiadać następujące paski koloru: –( )–. Najlepiej dodatkowo zmierz jego oporność za pomocą swojego miernika. Wyjaśnienie kodu kolorów jest dosyć proste. Pierwsze dwa paski określają dwie cyfry w szeregu wartości E12. Czerwony - czerwony to 22. Kolejny, trzeci pasek określa mnożnik: brązowy = 10. Zatem 22 x 10 = 220Ω. Ostatni, złoty pasek określa tolerancję 5%. Oznacza to, że wartość opornika może się faktycznie różnić o 5% od 220Ω, czyli 220Ω ± 211Ω. Nie zdziw się zatem, jeśli twój miernik wskaże, że zakupiony opornik 220Ω ma oporność od 209Ω do 231Ω. Kodu paskowego kolorów dobrze się jest nauczyć na pamięć, ale teraz nie zaprzątaj nim sobie głowy.

Elementy potrzebne do ćwiczenia:

1 x zasilacz 5V (jeśli twoje napięcie zasilające jest nieco mniejsze, to i tak dioda powinna dobrze świecić z wyliczonym opornikiem).

1 x płytka stykowa z kompletem przewodów

1 x LED czerwona

1 x opornik 220Ω 0,125W –( )–

Pamiętaj, aby montować układy elektroniczne bez podłączonego napięcia. Tzn. zasilacz włączasz na końcu, gdy już sprawdziłeś wszystkie połączenia.

Przygotuj elementy
Elementy umieść w otworkach płytki stykowej.	Podłącz napięcie zasilające 5V.

Katoda diody LED jest podłączona do linii masy (niebieska). Następnie do anody diody jest podłączony opornik. Druga końcówka opornika jest połączona z linią zasilania +5V (czerwona). Tutaj pomylenie biegunów zasilania spowoduje tylko tyle, że dioda LED nie będzie świecić. Jednakże przy następnych obwodach, w których zastosujemy układy scalone, odwrócenie biegunów zasilania może być fatalne w skutkach – a na pewno kosztowne dla młodego elektronika. Lepiej zatem to sobie dokładnie sprawdzić.

Gratulacje – obliczyłeś i skonstruowałeś swój pierwszy układ elektroniczny. Ćwicz dalej: podłącz w podobny sposób diodę żółtą i zieloną. Oblicz dla nich wartości oporników (jeśli nie masz odpowiednich oporników, to możesz połączyć równolegle dwa oporniki 220Ω, co da opór 110Ω).

obrazek obrazek

Technika cyfrowa, robotyka - warsztat, diody LED i oporniki

Miernik

Zasilacz

Lutownica

Płytka stykowa

Pierwszy układ elektroniczny - podłączanie diody LED

Elementy potrzebne do ćwiczenia: