При создании робота инженер сталкивается с 3мя задачами: созданием механики машины, проектированием электронных компонентов и программированием робота. Впрочем последнее может отсутствовать(это beam роботы).
В этой статьей я начитаю цикл публикаций, посвященных электронным компонентам роботов и проектировании электроники в целом. Но начну я с простого физического закона.
Закон Ома
Закон Ома это, пожалуй, главный закон в электронике, он описывает связь между ЭДС(или напряжением), силой тока и сопротивлением проводника.
Вот его формулировка:
I=U/R
Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи.
Приведу пример. Светодиод, подключенный напрямую к источнику питания пропускает через себя достаточно большой ток. Как мы помним, количество теплоты, получаемой при прохожнеии тока через проводник, прямо пропорциональна квадрату силы тока(закон Джоуля-Ленца). Светодиод при больших токах может перегореть. Кроме того, при больших напряжениях может произойти пробой светодиода, после которого он так же выходит из строя. Чтобы такого не произошло, светодиоды всегда подключают последовательно с резистором.
Внимание!
При коротком замыкании, ток в несколько раз выше, чем при нормальной работе схемы, не устройте пожар. Именно поэтому не стоит изменять, что-то в схеме робота, когда он включен. И последнее. Всегда следите за надежностью контакта, особенно контакта батарей. Я использовал силовые аккумуляторы для авиамоделей. Из-за недостаточно надежного соединения батареи со схемой, я устроил пробой и сжег драйвер двигателя. Запах горелой проводке и Будте осторожны.
Перейдем непосредственно к компонентам.
Диод
Я начну с самого простого компонента - диода. Он пропускает ток только в одну сторону. Его полезно ставить тогда, когда нужно из переменного тока сделать постоянный или когда обратный ток нежелателен.
Резистор
Этот компонент добавляет в цепь сопротивление.
Конденсатор
Элемент накапливающий электрический заряд. Используется в колебательных контурах, в качестве фильтра от помех(например подключается параллельно с коллекторным электродвигателем) и т.д.
Современная схемотехника отошла от использования отдельных транзисторов. Маленькие микросхемы, объединяющие в своем корпусе порой несколько тысяч полупроводниковых элементов уже давно вытеснили своих трехногих прародителей. Описывать тут устройство и работу транзистора я не стану, эту информацию всегда можно будет найти на просторах интернета.
Интегральная микросхема может обладать сколь угодно сложным функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера. Они подразделяются на цифровые, аналоговые и аналого-цифровые.
Каждый чип имеет несколько ног, две из которых заняты одна для земли, а другая для питания (обычно в интервале с +3V до +15V).
Земля в электронике — узел цепи которого условно принимается за ноль. Выбор земли произволен, однако на практике чаще всего за землю принимают один из выводов источника питания. Обычно землёй считают его отрицательный вывод, это связанно с тем, что при выборе положительного вывод образовывалась ржавчина. Иногда в англоязычной литературе на схемах обозначается GND. В схемах земля всегда одна даже для контуров с разным напряжением. Корпус автомобиля, например, является землей.
На ноги(pin’ы) микросхемы может подаваться напряжение(тогда мы будем говорить, что они в состоянии HIGH), иначе они “притягиваются” к земле(состояние LOW).
Рассмотрим в качестве примера микросхема чипа CD4026 или его советский аналог 176ИЕ4. Он используется для управления 7ми сегментным цифровым индикатором.
Рассмотрим как его подключать. Ножка 0V это земля, +3V до +15V это питание.
Контакты output a-g подключаются к ножкам индикатора.
Контакт enable display отвечает за включение индикатора, когда на этот контакт подается напряжение, сегменты светятся.
Контакт reset обнуляет счетчик при подаче напряжения, в остальных случаях он должен быть притянут к земле.
Контакт clock добавляет единицу при подаче и последующем снятии напряжения.
Контакт disable clock отключает контакт clock
Контакт «÷10» принимает 1(есть напряжение) для значений счетчика с 0 до 4 и 0(нет напряжения) для 5-9. Этот контакт полезен при подключении к контакту clock счетчика следующего разряда.
Контакт «not 2» выдает 0 только когда значение счетчика-2 иначе на нем есть напряжение.
Данная микросхема полезна тем, что освобождает ноги микропроцессора(для работы нужны только 2: clock и reset. А так же тем, что мы не должны заботиться о том, какие сегменты включать в индикаторе.
Существует еще много различных чипов. Некоторые реализую логику, некоторые служет драйверами двигателя(L293D например). К каждой существует документация, с помощью которой несложно понять схему подключения.
Важно помнить следующие термины и сокращения:
GND(Ground) - земля
VSS - подключение к отрицательной клемме питания в схемах, основанных на транзисторах
VCC(Common-Collector Voltage)- подключение к положительной клемме питания
AC - переменный ток
DC - постоянный ток