Kurs podstaw elektroniki

Kurs podstaw elektroniki,

Dla kogo on jest? Dla wszystkich osób zainteresowanych tematem – zarówno takich, które nie miały styczności z lutownicą, jak i posiadających pewne doświadczenie.

Podczas kursu będę starał się wytłumaczyć wszystko jak najprościej, dlatego będzie sporo rysunków, fotografii i innych multimediów. Nie będziemy się zagłębiać w niepotrzebne na początku szczegóły, będzie tylko o rzeczach ważnych w praktyce.  Pod koniec każdej części będą znajdowały się ćwiczenia , które zawierają bardziej szczegółowe informacje na temat omawiany w danym odcinku.

Małe ostrzeżenie:

W urządzeniach elektrycznych występują napięcia elektryczne, które mogą być szkodliwe dla zdrowia, a nawet prowadzić do śmierci! Przyjmuje się, ze wartość maksymalnego napięcia bezwzględnie bezpiecznego to 24V. Wyższe napięcia, szczególnie napięcie sieci 230V stwarzają poważne zagrożenie i należy się z nimi obchodzić bardzo ostrożnie z zachowaniem wszystkich środków bezpieczeństwa.
Co jest niezbędne do lutowania?

Fot. 1 Niezbędnik każdego elektronika

Na fotografii 1 możesz zobaczyć narzędzia i preparaty praktycznie niezbędne podczas lutowania. Są to:

·         Lutownica – Znajduje się na samym dole fotografii. Na początek wystarczy zwykła lutownica kolbowa za 20-30zł Nie polecam ciężkich lutownic transformatorowych, nimi dobrze się lutuje np. grube kable, tutaj potrzeba czegoś delikatniejszego.

·         Odsysacz – Pomocna rzecz gdy zajdzie potrzeba wylutowania elementu.

·         Pęseta – Przydatna do zaginania końcówek i przytrzymywania elementów. Praca z elementami SMD, o których dowiesz się więcej w dalszej części tekstu jest bez niej praktycznie niemożliwa.

·         Ucinaczki – Służą do odcinania końcówek wlutowanych elementów oraz przycinania przewodów.

·         Cyna – Z jej pomocą wykonuje się połączenia elementów, zwykle najodpowiedniejsza jest o średnicy 1mm lub nieco mniejszej.

·         Kalafonia – Topnik lutowniczy pomocny w przypadku lutowania “trudnych” elementów. Powoduje lepsze chwytanie stopu lutowniczego do np. lekko zanieczyszczonej powierzchni miedzi lub metali nie pokrytych stopem lutowniczym.

Dobra rada jeśli jeszcze nie zakupiłeś tego niezbędnika – nie kupuj najtańszego badziewia! Dołóż kilka złotych i kup solidne narzędzia. Myślisz, że jeśli kupisz tanio to zaoszczędzisz? Jeśli tak, to pewnie jesteś w błędzie – byle jakie produkty zwykle nie nadają się  do niczego już po krótkim czasie używania i zachodzi potrzeba ponownego udania się do sklepu.
Prąd i napięcie

Napięcie elektryczne to różnica potencjałów miedzy dwoma punktami układu elektrycznego, czyli. np. między “+” i “-” baterii, czy wyprowadzeniami rezystora pracującego w układzie. Napięcie jest oznaczane literą U, a jednostka służąca do wyrażania napięcia to wolt oznaczany literą V.

Prąd elektryczny to uporządkowany ruch elektronów od potencjału wyższego do niższego. W rzeczywistości jest odwrotnie, ale tak przyjęto ze względów historycznych. Prąd oznaczamy literą I, a jego jednostkę – amper  literą A.

Rezystor

Fot. 2 - Rezystory

Rezystor to najpopularniejszy element elektroniczny. Jego podstawową cechą jest rezystancja R mierzona w omach (Ω). Rezystancja to zdolność do stawiania oporu przepływowi prądu elektrycznego. Inne istotne właściwości rezystora to tolerancja (dokładność i stałość oporu) i moc jaka może się w nim wydzielić bez obaw o uszkodzenie.

Kilka przykładowych rezystorów możesz zobaczyć na fotografii 2. Największy to rezystor o dużej mocy – kilku watów, dwa mniejsze to standardowe oporniki o mocy 0,25W, jeden z nich to zwykły opornik węglowy o tolerancji 5%, drugi to precyzyjny rezystor metalizowany o znacznie lepszej stałości parametrów. Te dwa małe, czarne sześcianiki to nie śmieci, które znalazły się na zdjęciu przypadkiem. To też rezystory – tyle, że SMD, czyli montowane na powierzchni płytki bez przewlekania wyprowadzeń na drugą jej stronę.

Elementy SMD stosowane są powszechnie w nowoczesnych urządzeniach wymagających miniaturyzacji, takich jak komputery czy telefony komórkowe. Ich zaletą jest łatwość montażu przez maszyny, czyli mniejszy koszt produkcji. Jednak człowiek to nie maszyna i może mieć trudności z lutowaniem tych maleństw. Jeśli myślisz, ze podczas swojej przygody z elektroniką nie będziesz musiał tego robić, to możesz być w błędzie. Niektóre układy scalone dostępne są tylko w takich obudowach, niekiedy urządzenie powinno być jak najmniejsze, co wręcz zachęca do stosowania elementów tego typu. Nie bój się ich, z czasem gdy przyjdzie wprawa w posługiwaniu lutownicą będziesz lutował jeszcze mniejsze!

Wartości rezystorów są przeważnie oznaczane kodem paskowym, którego wyjaśnienie znajdziesz na stronie Wikipedii. W sklepie razcej nie znajdziesz rezystorów o dowolnej rezystancji – wartości standaryzowane są w szeregach wartości. Im bardziej rezystor precyzyjny, tym więcej wartości szeregu. Dla popularnych rezystorów o tolerancji 5% dostępnych jest 24 wartości szeregu E24 + mnożniki (x0.1, x10,  x100…):

Symbol rezystora

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

Rezystor jest oznaczany na schematach spłaszczonym prostokątem lub zygzakami (oznaczenie amerykańskie) z dwoma wyprowadzeniami.

Prawo Ohma – rezystancja w akcji

Prawo Ohma to podstawowe prawo elektroniki – mówi ono o relacjach zachodzących między prądem, napięciem i rezystancją. Wzór opisujący to prawo ma postać:

I=U/R

Po przekształceniu otrzymujemy również:

U=I*R

R=U/I

I – prąd, U – napięcie, R – rezystancja

Dla przykładu przeanalizujmy jaki prąd będzie przepływał przez rezystory o wartości 10Ω i 4,7kΩ(4700Ω) jeśli napięcie przyłożone do nich to 5V.

I1=5V/10Ω=0,5A

I2=5V/4,7kΩ=0,0010A=1mA

Wniosek jest następujący – im mniejsza rezystancja, tym większy prąd przepływając przez nią. Inna zależność wynikająca z prawa to: im większe napięcie, tym większy prąd.  Więcej wiadomości o rezystorach (np. ich łączeniu) znajdziesz w następnej części kursu, teraz  poznasz inny element elektroniczny.

Fot. 3 - Diody LED

Na fotografii 3 znajdują się diody LED, czyli diody służące do wytwarzania światła. Nie będę się o nich zbytnio rozpisywał, więcej dowiesz się przy okazji omawiania diod w jednej z następnych części. Co musisz wiedzieć? Dioda jest elementem biegunowym, czyli aby świeciła musi być podłączona w odpowiednią stronę. Zwykle końcówka, która ma być dołączona do “+” zasilania jest dłuższa od drugiej. Dioda potrzebuje do świecenia odpowiedniego napięcia – dla czerwonej jest to ok. 1,6V. Standardowo maksymalnym ciągłym prądem zasilania jest 20mA (0,02A).

Diody LED nie należy podłączać bez rezystora ograniczającego prąd. Pominięcie go może spowodować uszkodzenie się diody lub znaczne zmniejszenie się jej czasu i jasności świecenia

Rys. 4 - Schemat

Schemat pokazany jest na rysunku 4, ale jak to wszystko zmontować? Kabelek od “+” baterii do rezystora. Jego druga nóżka do dłuższej nóżki diody. Krótsza nóżka diody do “-” baterii. Możesz to zobaczyć na fotografii 5. Rezystor może być z drugiej strony diody, czyli przy minusie baterii – nie robi to żadnej różnicy.

Fot. 5 - Montaż bez płytki, zwany też "na pająka"

Układ można zmontować na płytce - fotografia 6 - ale nie ma to większego sensu przy tak malej ilości elementów.

Fot. 6 - Montaż na kawałeczku płytki uniwersalnej

Fot. 7 - Montaż na płytce stykowej

Do eksperymentów szczególnie polecam płytkę stykową pokazaną na fotografii 7, którą można kupić w cenie od kilkunastu do kilkudziesięciu złotych, w zależności od wielkości. Jej główną zaletą jest to, że nie wymaga lutowania i elementy można szybko przepinać w odpowiednie miejsca.

Ćwiczenia:

1.      Co to jest napięcie i prąd? Jakimi jednostkami je mierzymy?

2.      Jaka jest podstawowa cecha rezystora i co ona oznacza?

3.      Oblicz wartość rezystora ograniczającego prąd do 10mA dla diody czerwonej zasilanej napięciem 5V. Jaka jest najbliższa wartość rezystora w szeregu E24?

Odpowiedzi:

1.      Napięcie to różnica między dwoma punktami układu elektrycznego. Mierzymy je w woltach (V). Prąd to uporządkowany ruch elektronów, jego wartość podajemy w amperach (A).

2.      Rezystancja – zdolność do stawiania oporu przepływowi prądu elektrycznego.

3.      Przebieg obliczeń:

R=(5V-1,6V)/0,01A
R=3,4/0,01A
R=340Ω
Najbliższa wartość w szeregu to 330Ω.

W poznaliśmy rezystory i diodę LED. Wiemy już co nieco o prawach rządzących światem elektroniki, oraz montowaniu układów. W tym odcinku poszerzymy wiedzę o inne elementy elektroniczne, nauczymy się czytać bardziej skomplikowane schematy oraz poznamy prawa Kirchhoffa i różnice między prądem stałym a zmiennym.
Elementy elektroniczne

Rys. 1 - podstawowe elementy elektroniczne

Na rysunku 1 pokazane są symbole dosyć często używanych elementów elektronicznych. W tle są widoczne obrazki przedstawiające te elementy. Praktycznie każdy symbol jest zbliżony wyglądem lub schematycznie przedstawioną funkcjonalnością do rzeczywistych właściwości elementów np. rezystory na schemacie i w rzeczywistości mają podobny kształt. W poniższym zestawieniu znajdziesz opisane najczęściej używane elementy elektroniczne i ich skrócone opisy:

·         Rezystor i potencjometr – rezystor już w części poznaliśmy. Stosuje się go do regulowania prądów i napięć w układzie. Potencjometr to też rezystor, tyle że o regulowanej wartości oporu. Służy np. do regulowania głośności w wzmacniaczach audio.

·         Kondensatory to elementy służące do gromadzenia ładunku elektrycznego. Znajdują wiele zastosowań – stosowane są np. w zasilaczach do filtrowania napięć i w generatorach tworzących różne sygnały.

·         Diody przewodzą prąd w jedna stronę, dlatego znajdują zastosowanie w prostownikach zamieniających prąd zmienny w stały. Specyficznym typem diody jest dioda LED służąca do wytwarzania światła.

·         Cewka to element gromadzący energię w polu magnetycznym. Wraz z kondensatorem tworzy obwód rezonansowy, który znajduje zastosowanie w radiotechnice i filtrach. Cewki stosowane są też w przetwornicach (zasilaczach impulsowych).

·         Tranzystory są elementami zdolnymi do wzmacniania sygnałów elektrycznych, dlatego znajdują zastosowanie w wzmacniaczach. Stosuje się je też jako klucze zał/wył. Z ich pomocą budowane są pamięci, procesory i układy scalone, mogące zawierać miliony tych elementów.

·         Tyrystor to element znajdujący zastosowanie w sterownikach i automatyce. Jego działanie jest podobne do diody – przewodzi prąd w jedną stronę, ale jego pracą można sterować.

·         Transformatory stosowane są do zmieniania poziomu napięć prądu zmiennego (np. z napięcia sieci 230V na napięcie 12V) oraz separacji obwodów – prąd jest przenoszony w polu magnetycznym, bez połączenia elektrycznego.

·         Złącza – najmniej elektroniczne elementy w tym zestawieniu. Służą głównie do doprowadzania zasilania i sygnałów do układu, oraz wyprowadzania ich z niego.

·         Układy scalone to zminiaturyzowane układy elektroniczne zawierające w swoim wnętrzu od kilku do kilkuset milionów podstawowych elementów elektronicznych takich jak rezystory, kondensatory i tranzystory. Spełniają bardzo różne funkcje – działają jako bramki logiczne, tworzą systemy mikroprocesorowe, pamięci i układy przeznaczone do pracy z sygnałem analogowym.

Tyle informacji wystarczy by orientować się w temacie. W następnych odcinkach kursu podane elementy zostaną dokładniej omówione.

Czytanie schematów

Podstawową umiejętnością jaką musi posiadać każdy elektronik jest czytanie schematów. Znasz już trochę elementów elektronicznych, teraz pora dowiedzieć się jak łączy się je na schematach i jak układ będzie wyglądał po zmontowaniu.

Rys. 2 - Przykładowy schemat z objaśnieniami

Na rysunku 2 jest pokazany pewien przykładowy, praktycznie bezużyteczny schemat elektroniczny. Oto podstawowe zasady, które panują przy rysowaniu schematów:

Linie oznaczają połączenia elektryczne elementów. Np. jedno z wyprowadzeń kondensatora C1 powinno łączyć się z drucikiem od rezystora R2. Dodatkowo połączone muszą być znaki zasilania. Na przykładowym schemacie są one przy złączu K1, oraz na dole i górze schematu. Zielone linie obrazują jak połączenie powinno być wykonane w rzeczywistym układzie.

Kolejna sprawa – kropki lub ich brak. Jeśli dwie linie na schemacie przecinają się, to kropka oznacza, że elementy są połączone elektrycznie np. końcówki R1, R2 i R3 są połączone z “+” zasilania – VCC. Z drugiej strony połączone są tylko rezystory R1 i R3.

Napisy na schematach to przeważnie oznaczenie elementu lub jego typ lub wartość. Oznaczenie składa się z litery oznaczającej typ (R dla rezystora, D dla diody, C dla kondensatora…) i liczby porządkowej. Wartości elementów (rezystancji dla rezystora, pojemności dla kondensatora, typu układu scalonego) podaje się na schemacie opcjonalnie – mogą być podane tylko w spisie elementów. Dobrze jest jednak to robić – ułatwia to czytanie schematu i zrozumienie działania urządzenia.

Prawa Kirchhoffa

Pierwsze prawo Kirchhoffa głosi, że suma prądów wpływających i wypływających jest równa 0. Inaczej mówiąc, prąd nie może się wziąć “z niczego”, ani zaginąć po drodze. Kilka przykładów:

·         Prąd, który wypłynie z “+” baterii do układu wróci do jej “-” w takiej samej ilości.

·         Prąd płynący przez rezystor jest taki sam na obu jego wyprowadzeniach. Dla przypomnienia, prąd ten jest regulowany przez opór rezystora – im większa rezystancja, tym mniejszy prąd. Wynika to z prawa Ohma.

Drugie prawo Kirchhoffa dotyczy napięć. Suma napięć źródłowych w obwodzie zamkniętym prądu stałego jest równa sumie napięć na odbiornikach. Pora na przykłady:

·         Jeśli bieguny baterii połączymy rezystorem, to wystąpi na nim napięcie identyczne jak na zaciskach baterii, tyle że o przeciwnym znaku (suma będzie równa 0).

·         Jeśli w tym samym układzie zastosujemy kilka rezystorów, to napięcie rozłoży się na nich zgodnie z ich rezystancją (prawo Ohma).

Łączenie rezystorów

Czasem, gdy brakuje pod ręką odpowiedniego rezystora, można połączyć kilka innych dla uzyskania odpowiedniej wartości oporu. Istnieją dwie możliwości – połączenie szeregowe i równoległe. Oba sposoby pokazuje rysunek 3.

Rys. 3 - sposoby łączenia rezystorów

Wypadkowa rezystancja połączonych szeregowo rezystorów jest równa sumie ich rezystancji:

Rw=R1+R2+…+Rn

Z połączeniem równoległym jest trochę więcej zabawy:

1/Rw=1/R1+1/R2+…+1/Rn

Istnieje jednak łatwiejszy do wykorzystania wzór dla połączenia dwóch rezystorów:

Rw=(R1*R2)/(R1+R2)

Dla przykładu obliczmy rezystancję wypadkową dla połączenia szeregowego (Rs) i równoległego (Rr) rezystorów R1=1kΩ i R2=560Ω:

Rs=R1+R2=1kΩ+560Ω=1560Ω

Rr=(R1*R2)/(R1+R2)=(1000Ω*560Ω)/(1000Ω+560Ω)=560000Ω/1560Ω=359Ω

Potencjometr

Aby precyzyjnie ustawić odpowiednią rezystancję można użyć potencjometru. Element ten posiada zwykle  trzy wyprowadzenia: dwa s...