Вольный перевод с дополнениями статьи BASIC ELECTRONICS COMPONENTS TUTORIAL FOR ROBOTS, находящейся здесь
Электроника на первый взгляд может показаться чересчур трудной для понимания и изучения. Одного взгляда на плату с множеством мигающих светодиодов и разных микросхем и непонятных проводников может кого угодно заставить отказаться от изучения.
Но на самом деле электроника может быть намного проще чем вы думаете. Обучение электронике больше похоже на изучение иностранного алфавита. На первый взгляд это набор каракулей. Но на самом деле каждый символ имеет свое произношение и свои правила применения. И конечно же, комбинации символов в вопределенной последовательности формируют слово, которое что-то значит. А комбинации слов формируют предложения. Точно так же и с электронными схемами. Каждый крошечный компонент, такой как резистор или конденсатор или транзистор обладает своими свойствами, согласно которым можно его использовать. Комбинируя несколько элементов в цепи можно получить интересные результаты. Соединяя вместе сборки из различных компонентов можно получить робота. Таким образом первый шаг для создания робота - понять как работают его самые простые элементы. Потом гораздо проще разобраться как их комбинировать. Довольно похоже на изучение алфавита, правда?
Для начала несколько слов об электронике. Все электронные устройства созданы для управления потоком электронов. Электроны обладают массой и объемом, так что мы можем провести аналогию между электрическим током в цепи и потоком воды в трубе. Аналогия очень удобна для понимания. Для облегчения понимания будем считать, что чем больше электронов в одном месте, тем больше напряжение. Чем больше электронов двигается вместе, тем больше ток. Точно так же как и вода.
Мощность
Мощность это энергия, которая требуется для выполнения каких-то действий. Если вы перемещаете большое количество электронов через что-то, сопротивляющееся их прохождению, расходуется мощность. Мощность это произведение напряжения и тока. Мощность так же равняется квадрату напряжения, деленному на сопротивление
P = I * V
P = (V^2)/R
Земля и источник напряжения
Источник напряжения это положительный узел нашей цепи. "+" батареи нужно подключить именно сюда. Земля это отриательный узел. Когда вы создаете свою схему, представьте поток электронов, идущий от источника напряжения к земле. Небольшая заметка - на самом деле электроны движутся от земли к источнику, эта нестыковка имеет исторические причины. Я не хочу распространяться на эту тему в этой статье. Просто знайте, что происходит на самом деле и делайте вид, что электроны движутся от источника к земле.
Теперь посмотрим на это с точки зрения воды.
Вода течет по пути наименьшего сопротивления. Чем больше сопротивление потоку, тем меньше поток.
Сопротивления (Резисторы)
Они максимально соответствуют своему названию. Они сопротивляются потоку электронов. Они нужны для различных задач:
- контролировать количество тока, проходящее через каждый проводник
- контролировать потребление энергии
- контролировать напряжение (так как ток, сопротивление и напряжение взаимосвязаны)
Основополагающий закон - Закон Ома , U=I х R. Напряжение равно произведению тока на сопротивление. Например, возьмем сопротивление и подключим его напрямую к батарее. Мы знаем, что наприяжение батареи равно 9В и знаем сопротивление резистора 3 КОм, выведем значение силы тока по формуле, получаем значение протекающего тока I=U/R I=9/3000=0,003А или 3мА. Так где эта информация может нам пригодиться? Все знают, что если известно значение тока и напряжения, можно расчитать мощность по формуле P=I х V. Мы знаем, что увеличивая сопротивление мы уменьшаем ток. Если мы уменьшаем ток, мы снижаем потребление энергии. Если мы попробуем подключить резистор сопротивлением 1 Ом к батарейке, он из за потребления энергии нагреется настолько что может загореться! Подключим резистор 100КОм и энергия почти не будет потребляться, а резистор останется холодным.
Как же мы можем узнать величину сопротивления резистора? Все резисторы имеют на корпусе маркировку. На резисторе мы можем увидеть маркировку в виде цветных колец или цифр. Если цифры легко понять, то с цветами немного сложнее. Каждое кольцо обозначает определенное число. О соответствии цветов и значений многократно написано в интернете, сделайте запрос в гугл 'цветовая маркировка резисторов' Вот один из примеров картинка.
Конденсаторы
Теперь задумаемся над тем, как изменяется (или не меняется) ток в цепи в течение времени. Зачем это нужно? Радиосигналы создаются при очень быстром изменении тока. Двигатели робота вызывают помехи в силовой цепи когда мы пытаемся изменять ее параметры. Что нужно делать если аккумулятор не может обеспечить ток, изменяющийся с той же скоростью что и его потребление? Как предотвратить внезапные выбросы тока, которые могут сжечь цепь управления роботом? Решением этой проблемы являются конденсаторы
Конденсаторы в теории довольно сложны, но большинству будет достаточно основ, которые будут представлены здесь. Конденсаторы похожи на емкости для хранения электронов. Если напряжение в цепи ниже, они будут отдавать электроны в цепь. Если цепь перегружена (как если бы робот был отключен), они будут накапливать энергию. Проводя аналогию с водой, представим конденсатор как герметичную цистерну с водой, в которую постоянно наливается вода, а слив периодически открывается. Поскольку конденсаторам требуется время для заряда и разряда, они могут использоваться в таймерах. Таймеры могут использоваться для генерации сигналов, например ШИМ или использоваться для включения/выключения двигателях в BEAM роботах.
Замечание: Некоторые конденсаторы имеют полярность, это означает что ток может течь через них только в одном направлении. Если у нового конденсатора один из выводов длиннее, то этот вывод нужно всегда подключать к "+"
Как именно заряжается конденсатор? Этот график кривой заряда может помочь в ответе на вопрос. Процесс разряда будет представлен зеркальным графиком. Теоретически (в соответствии с графиком) конденсатор никогда не может быть полностью заряжен или разряжен, , но в действительности это не так. Так где-же мы можем использовать конденсаторы в роботе?
Управление выбросами и просадками в силовой цепи
Проблема в том, что системы робота потебляют большое колличество энергии, которое батарея иногда не может обеспечить. Двигатели и сервоприводы это отличный пример. Они могут создать просадку напряжения, которая перезагрузит микроконтроллер или вызовет его сбой. Примите к сведению, что использовать совместное питание для силовых и управляющих систем не нужно. Не делайте этого.
Или предположим, что двигатели нашего робота не обеспечивают максимальную мощность , поскольку аккумулятор не может обеспечить достаточный ток, конденсатор будет добавлять мощность. Решение проблемы - разместить большие электролитические конденсаторы между "плюсом" и "минусом" источника питания. Конденсатор должен иметь рабочее напряжение по меньшей мере в два раза больше чем напряжение питания. На каждый ампер протекающего тока нужно примерно 1-10мкФ емкости. Например, если наш двигатель расчитан на 12в, нужно использовать конденсаторы с рабочим напряжением не менее 25вольт. Точная емкость будет зависеть от того, как часто планируется изменять скорость и направление вращения, а также момент который нужно получить. Отметим, что если конденсатор будет слишком большим, может потребоваться время для зарядки при включении. Если слишком маленьким, могут быть просадки напряжения и будет нехватка мощности. Оставлять мощный конденсатор заряженным при выключении робота не стоит. При случайном коротком замыкании робот может загореться. Поэтому хорошо использовать светодиод, подключенный через сопротивление к конденсатору для его шунтирования при выключении робота. Если конденсатор расчитан на напряжение питания ниже чем на него подано, он может взорваться и задымиться. К счастью они не перегреваются при слишком больших значениях тока. Поэтому всегда нужно использовать конденсаторы с запасом по рабочему напряжению
Конденсаторы так же могут использоваться для подавления выборосов тока, которые могут выжечь всю цепь. Рядом с любым выключателем, который может резко изменять мощность нужно устанавливать конденсатор.
Конденсаторы могут убрать дребезг контактов. Когда механический контакт переключатеся, происходит несколько переключений длительностью несколько микросекунд.Обычно это не замечается, но нужно помнить, что микроконтроллер за микросекунду может несколько сотен раз считать значение. Таким образом если робот считает количество срабатываний выключателя, вместо одного срабатываения может быть насчитаны десятки а то и сотни. Как от этого избавиться? Используя маленький керамический конденсатор! Нужно просто поэкспериментировать с его емкостью.
Конденсаторы могут увеличить эффективность и срок службы коллекторных двигателей практически в 2 раза! Подключим маленький конденсатор примерно 10мкФ между выводами двигателя. Это отлично помогает при использовании недорогих моторов. На качественных двигателях такого эффекта не наблюдается. Эти конденсаторы также значительно снижают ЭМИ (Электро Магнитное Излучение) и шумы системы.
Диоды
Диоды используются что бы заставить ток течь только в одном направлении. Великолепная аналогия в воде - дамба. Вода никогда не течет вверх по дамбе. Аналогию можно провести и дальше . С диодами, на которых всегда падает напряжение, примерно 0,7В. Это значит, что если стоит диод после батареи с напряжением 7,2В получим 6,5В. Это падение аналогично падению воды в дамбе. Всегда ли ток течет только в одном направлении? Нет. Радиочастотные цепи, или цепи перменного тока или шумные цепи (например имеющие в своем составе электродвигатели), проводят токи, которые меняют свое направление. Так зачем нужно использовать диоды? Для этого есть много причин. Но для наинающих, одно из применений это защита цепи от шумов. Микроконтроллер может сгореть если ток потечет в обратную строну. Драйверы двигателей и MOSFETы так же могут сгореть. Диоды также полезны для снижения напряжения до более удобных значений.
График приведенный ниже представляет зависимость тока от напряжения -вольт-амперную характеристику (ВАХ) типового диода. Как видно на графике, зависимость изменения тока от напряжения не линейна.
Это другой тип диода, называемый стабилитроном. По аналогии с водой, стабилитрон это дамба, но с насосом внизу, перекачивающим воду обратно наверх. Стабилитроны позволяют пропускать ток как вперед так и назад. Падение напряжения в прямом направлении около 0,7В но есть и другое падение напряжения в обратном направлении, ~2.3В.
Это базовые компоненты в электронике, комбинируя которые можно получить раздичные результаты. Продолжение следует!
