Цифровая электроника для начинающих

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 схеме - это потребитель энергии. Лампа тоже имеет свое номинальное напряжение: если подать слишком малое напряжение, лампа будет гореть слабо, если подать слишком большое напряжение, лампочка будет гореть чересчур ярко, но очень быстро перегорит. Лампа горит потому, что через нее протекает электрический ток, силу этого тока обозначают буквой I и она измеряется в амперах. Каждая батарейка может отдать только некий максимальный ток, именно поэтому к одной батарейке нельзя подключить 10 лампочек - тока на всех не хватит, и они будут гореть слишком слабо.

Кстати. Ток и напряжение - это основные параметры электрической цепи. Произведение тока на напряжение называется мощностью, этот параметр измеряется в ваттах. Если на домашнем электрочайнике указана мощность 2200Вт, это значит что чайник потребляет ток 10А при напряжении 220В.

Слишком большой ток может даже испортить электрическую цепь, именно поэтому в каждой квартире стоят предохранители - они отключают цепь, если ток слишком большой. То же самое и с батарейкой - если случайно замкнуть ее выводы накоротко, ток будет слишком большим, и батарейка может испортиться. Поэтому при создании любой схемы важно следить, чтобы провода от батареи случайно не замкнулись между собой. Это называется короткое замыкание, и является аварийным режимом для схемы - она может испортиться, или даже загореться.

Ни ток, ни напряжение нельзя увидеть глазами. Для того чтобы увидеть и ток и напряжение, нам понадобится мультиметр. Его мы рассмотрим в следующей главе.

1.3 Измерения

Одним из самых важных для начинающего радиолюбителя приборов, является мультиметр. Выглядит он примерно так:

Мультиметр имеет несколько режимов работы, которые нам пригодятся. Режим изменяется поворотом переключателя настроек в одно из положений. Рассмотрим разные режимы подробнее.

Измерение постоянного напряжения

Значок на корпусе мультиметра ”V” (Вольты):

Именно постоянное напряжение мы и получаем от батарейки, этот режим нам пригодится чаще всего. Как можно видеть на мультиметре, диапазон измеряемых напряжений довольно-таки велик: 200мВ (0.2В), 2000мВ (2000мВ=2В, приставка “милли” обозначает одну тысячную), 20В, 200В и 500В.

Сначала нужно выбрать тот диапазон, в котором находится измеряемое напряжение. Например, для батарейки в 1.5В можно выбрать 2000мВ или 20В. Для измерения, щупы мультиметра надо подключить прямо к батарее:

(фото с сайта https://www.dlsweb.rmit.edu.au)

Измерение переменного напряжения

Значок на корпусе мультиметра:

Такое напряжение присутствует в электросети, в наших опытах оно не пригодится. На корпусе мультиметра мы видим максимальные значения 200 и 500В.

Измерение тока

На мультиметре ему соответствует значок “А” (Амперы). В наших опытах ток измерять скорее всего, не придется.