Richard J. Smythe

Elektronika dla początkujących

Praktyczne wprowadzenie do schematów, obwodów i mikrokontrolerów

APN Promise, Warszawa 2022

Elektronika dla początkujących. Praktyczne wprowadzenie do schematów, obwodów i mikrokontrolerów

First published in English under the title Electronics for Beginners: A Practical Introduction to Schematics, Circuits, and Microcontrollers, by Jonathan Bartlett

Copyright © 2020 by Jonathan Bartlett

This edition has been translated and published under licence from APress Media, LLC, part of Springer Nature.

APress Media, LLC, part of Springer Nature takes no responsibility and shall not be made liable for the accuracy of the translation.

All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from publisher.

Polish language edition published by APN PROMISE S.A., Copyright © 2022

Autoryzowany przekład z wydania w języku angielskim, zatytułowanego: Electronics for Beginners: A Practical Introduction to Schematics, Circuits, and Microcontrollers, by Jonathan Bartlett, opublikowanego przez APress Media, LLC, oddział Springer Nature.

Wszystkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej książki nie może być powielana ani rozpowszechniana w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób (elektroniczny, mechaniczny), włącznie z fotokopiowaniem, nagrywaniem na taśmy lub przy użyciu innych systemów bez pisemnej zgody wydawcy.

APN PROMISE SA, ul. Domaniewska 44a, 02-672 Warszawa
tel. +48 22 35 51 600,
e-mail: wydawnictwo@promise.pl

Książka ta przedstawia poglądy i opinie autorów. Przykłady firm, produktów, osób i wydarzeń opisane w niniejszej książce są fikcyjne i nie odnoszą się do żadnych konkretnych firm, produktów, osób i wydarzeń, chyba że zostanie jednoznacznie stwierdzone, że jest inaczej. Ewentualne podobieństwo do jakiejkolwiek rzeczywistej firmy, organizacji, produktu, nazwy domeny, adresu poczty elektronicznej, logo, osoby, miejsca lub zdarzenia jest przypadkowe i niezamierzone.

Wszystkie znaki towarowe występujące w książce mogą być własnością ich odnośnych właścicieli.

APN PROMISE SA dołożyła wszelkich starań, aby zapewnić najwyższą jakość tej publikacji. Jednakże nikomu nie udziela się rękojmi ani gwarancji.
APN PROMISE SA nie jest w żadnym wypadku odpowiedzialna za jakiekolwiek szkody będące następstwem korzystania z informacji zawartych w niniejszej publikacji, nawet jeśli APN PROMISE została powiadomiona o możliwości wystąpienia szkód.

ISBN: 978-83-7541-472-1 (druk), 978-83-7541-473-8 (ebook)

Przekład: WITKOM – Mariusz Rogulski i Witold Sikorski
Redakcja: Marek Włodarz
Korekta: Ewa Swędrowska
Skład i łamanie: MAWart Marek Włodarz

Ta książka jest dedykowana Forrestowi M. Mimsowi III, którego serię książek Engineer’s Mini-Notebook czytałem bez końca w młodości i którego praca jako obywatelskiego naukowca była inspiracją dla mnie i wielu innych.

Spis treści

O autorze

O recenzencie technicznym

Podziękowania

Rozdział 1

Wprowadzenie

1.1 Praca z przykładami

1.2 Wstępne narzędzia i akcesoria

1.3 Zasady bezpieczeństwa

1.4 Wyładowania elektrostatyczne

1.5 Prawidłowe korzystanie z multimetru

Rozdział 2

Postępowanie z jednostkami

2.1 Jednostki układu SI

2.2 Skalowanie jednostek

2.3 Korzystanie ze skrótów

2.4 Cyfry znaczące

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Część I

Podstawowe koncepcje

Rozdział 3

Czym jest elektryczność?

3.1 Ładunek

3.2 Pomiar ładunku i natężenia

3.3 AC versus DC

3.4 W którą stronę płynie prąd?

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 4

Napięcie i rezystancja

4.1 Obrazowanie napięcia

4.2 Wolty są względne

4.3 Względność napięcia i potencjał ziemi

4.4 Rezystancja

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 5

Nasz pierwszy obwód

5.1 Wymagania dotyczące obwodu

5.2 Podstawowe komponenty

5.3 Tworzenie pierwszego obwodu

5.4 Dodawanie przewodów

5.5 Rysowanie obwodów

5.6 Rysowanie masy

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 6

Budowanie i testowanie obwodów

6.1 Płytka stykowa niewymagająca lutowania

6.2 Umieszczanie obwodu na płytce stykowej

6.3 Użycie mniejszej liczby przewodów

6.4 Badanie obwodów za pomocą multimetru

6.5 Korzystanie z multimetru z płytką stykową

6.6 Pomiar natężenia za pomocą multimetru

6.7 Użycie regulatora zasilania

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 7

Analizowanie obwodów szeregowych i równoległych

7.1 Obwody szeregowe

7.2 Obwody równoległe

7.2.1 Prądowe prawo Kirchhoffa

7.2.2 Napięciowe prawo Kirchhoffa

7.3 Rezystancja zastępcza w obwodzie równoległym

7.4 Przewody w obwodzie

7.5 Budowanie obwodów z połączeniami równoległymi na płytce stykowej

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 8

Diody i ich użycie

8.1 Podstawowe zachowanie diody

8.2 Obliczenia dla obwodów z diodami w połączeniu szeregowym

8.3 Obliczenia dla obwodów z diodami w połączeniu równoległym

8.4 Zwarcie z diodą

8.5 Nieprzewodzący układ diod

8.6 Zastosowanie diod

8.7 Inne rodzaje ochrony realizowane z użyciem diod

8.8 Diody Zenera

8.9 Dioda Schottky’ego

8.10 Zachowania innych komponentów podobne do diody

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 9

Podstawowe wzorce obwodów z rezystorami

9.1 Przełączniki i przyciski

9.2 Wzorce rezystorów ograniczające natężenie prądu

9.3 Wzorce dzielników napięcia

9.3.1 Obliczenie napięć

9.3.2 Znajdowanie stosunku rezystancji oporników

9.3.3 Znajdowanie wartości oporników

9.3.4 Uwagi ogólne

9.4 Rezystor podciągający

9.5 Rezystor ściągający

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 10

Zrozumieć moc

10.1 Ważne terminy związane z mocą

10.2 Moc w elektronice

10.3 Ograniczenia mocy komponentów

10.4 Rozpraszanie mocy za pomocą radiatorów

10.5 Przekształcanie mocy

10.6 Wzmacnianie sygnałów o małej mocy

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 11

Układy scalone i czujniki rezystancyjne

11.1 Części układu scalonego

11.2 Komparator napięcia LM393

11.3 Znaczenie i problemy związane z kartami katalogowymi

11.4 Prosty obwód z układem LM393

11.5 Czujniki rezystancyjne i napięcia

11.6 Wykrywanie i reagowanie na ciemność

Źródła i odbiorniki

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Część II

Elektronika cyfrowa i mikrokontrolery

Rozdział 12

Korzystanie z układów logicznych

12.1 Układy logiczne

12.2 Źródło napięcia 5V

12.3 Rezystory ściągające

12.4 Łączenie układów logicznych

12.5 Zrozumieć nazwy chipów

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 13

Wprowadzenie do mikrokontrolerów

13.1 Układ ATmega328 /P

13.2 Środowisko Arduino

13.3 Arduino Uno

13.4 Programowanie Arduino

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 14

Budowanie projektów z Arduino

14.1 Zasilanie płytki stykowej z Arduino Uno

14.2 Podłączanie wejść i wyjść do Arduino Uno

14.3 Prosty projekt z Arduino i diodami LED

14.4 Zmiana funkcjonalności bez zmiany połączeń

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 15

Wejścia i wyjścia analogowe w Arduino

15.1 Odczytywanie wejść analogowych

15.2 Wyjście analogowe z PWM

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Część III

Kondensatory i cewki indukcyjne

Rozdział 16

Kondensatory

16.1 Czym jest kondensator?

16.2 Jak działają kondensatory

16.3 Typy kondensatorów

16.4 Ładowanie i rozładowywanie kondensatora

16.5 Pojemności szeregowe i równoległe

16.6 Kondensatory oraz prąd stały i przemienny

16.7 Zastosowania kondensatorów w obwodach

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 17

Kondensatory jako timery

17.1 Stałe czasowe

17.2 Budowanie prostego obwodu timera

17.3 Resetowanie naszego timera

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 18

Wprowadzenie do układów oscylacyjnych

18.1 Podstawy oscylacji

18.2 Znaczenie obwodów oscylacyjnych

18.3 Budowanie oscylatora

18.4 Obliczanie czasów włączenia i wyłączenia z 555

18.5 Wybór kondensatora

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 19

Tworzenie dźwięku za pomocą oscylacji

19.1 Jak dźwięk jest wytwarzany przez głośniki

19.2 Graficzne przedstawianie elektryczności

19.3 Wysyłanie tonu do słuchawek

19.4 AC vs. DC

19.5 Użycie kondensatorów do oddzielania komponentów AC i DC

19.6 Moc głośnika

19.7 Regulacja dźwięku

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 20

Cewki indukcyjne

20.1 Cewki indukcyjne i strumień indukcji magnetycznej

20.1.1 Co to jest cewka indukcyjna?

20.1.2 Czym jest strumień indukcji magnetycznej?

20.1.3 Jaka jest różnica między polem elektrycznym a magnetycznym?

20.2 Indukowane napięcia

20.3 Opieranie się zmianom natężenia prądu

20.4 Analogia z mechaniki

20.5 Zastosowania cewek

20.6 Impuls indukcyjny

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 21

Cewki indukcyjne i kondensatory w obwodach

21.1 Układy RL i stałe czasowe

21.2 Cewki indukcyjne i kondensatory jako filtry

21.3 Równoległe i szeregowe łączenie kondensatorów i cewek

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 22

Reaktancja i impedancja

22.1 Reaktancja

22.2 Impedancja

22.3 Układy RLC

22.4 Prawo Ohma dla obwodów prądu przemiennego

22.5 Częstotliwości rezonansowe układów RLC

22.6 Filtry dolnoprzepustowe

22.7 Konwersja sygnału PWM na napięcie

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 23

Silniki prądu stałego

23.1 Zasada działania

23.2 Ważne fakty dotyczące silników

23.3 Użycie silnika w obwodzie

23.4 Zastosowania silników

23.5 Silniki dwukierunkowe

23.6 Serwosilniki

23.7 Silniki krokowe

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Część IV

Wzmacniacze

Rozdział 24

Wzmacnianie mocy za pomocą tranzystorów

24.1 Przypowieść o wzmocnieniu

24.2 Wzmacnianie z użyciem tranzystorów

24.3 Elementy tranzystora bipolarnego

24.4 Podstawy działania tranzystorów NPN

Zasada 1: Tranzystor jest domyślnie zamknięty (wyłączony)

Zasada 2: Aby otworzyć tranzystor, UUBE musi wynosić 0,6 V

Zasada 3: Gdy tranzystor jest otwarty, UUBE zawsze będzie wynosić dokładnie 0,6 V

Zasada 4: Kolektor powinien zawsze być bardziej dodatni niż emiter

Zasada 5: Gdy tranzystor jest otwarty, ICE jest liniowym wzmocnieniem IBE

Zasada 6: Tranzystor nie może wzmocnić więcej, niż może dostarczyć kolektor

Zasada 7: Jeśli napięcie bazy jest większe niż napięcie kolektora, tranzystor jest nasycony

24.5 Tranzystor jako przełącznik

24.6 Podłączanie tranzystora do wyjścia Arduino

24.7 Stabilizowanie współczynnika beta tranzystora za pomocą rezystora w sprzężeniu zwrotnym

24.8 Słowo przestrogi

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 25

Tranzystorowe wzmacniacze napięcia

25.1 Konwersja prądu na napięcie za pomocą prawa Ohma

25.2 Odczytywanie wzmocnionego sygnału

25.3 Wzmacnianie sygnału audio

25.4 Dodawanie drugiego stopnia

25.5 Użycie oscyloskopu

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 26

Badanie obwodów równoważnych

26.1 Potrzeba modelu

26.2 Obliczanie równoważnych wartości Thévenina

26.3 Inny sposób obliczania rezystancji Thévenina

26.4 Znajdowanie ekwiwalentu Thévenina dla obwodu prądu przemiennego z elementami reaktywnymi

26.5 Korzystanie z ekwiwalentnych opisów Thévenina

26.6 Eksperymentalne znajdowanie równoważnych obwodów Thévenina

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 27

Wykorzystanie tranzystorów polowych do zastosowań przełączających i logicznych

27.1 Działanie tranzystorów polowych

27.2 MOSFET z kanałem wzbogaconym typu N

27.3 Użycie tranzystorów MOSFET

27.4 Tranzystory MOSFET w układach logicznych

Przegląd

Zastosuj to, czego się nauczyłeś

Rozdział 28

Co dalej?

Dodatek A

Słowniczek

Dodatek B

Symbole elektroniczne

Dodatek C

Konwencje nazewnictwa układów scalonych

Dodatek D

Więcej matematyki, niż chciałeś poznać

D.1 Podstawowe wzory

D.2 Półprzewodniki

D.3 Obliczenia dla silników prądu stałego

D.4 Równanie częstotliwości oscylacyjnej timera 555

D.5 Obliczanie wzmocnienia wyjściowego w zastosowaniach tranzystorów ze wspólnymi emiterami

D.6 Równanie Thévenina

D.7 Elektronika i rachunek różniczkowy

Dodatek E

Uproszczone karty katalogowe dla popularnych komponentów

E.1 Baterie

E.2 Rezystory

E.3 Diody

E.4 Kondensatory

E.5 Cewki indukcyjne

E.6 Tranzystory bipolarne NPN

E.7 Płytka z modułem zasilania YwRobot

E.8 Timer 555

E.9 Komparatory napięcia LM393 oraz LM339

E.10 Poczwórne bramki AND CD4081 oraz 7408

E.11 Poczwórne bramki OR CD4071 oraz 7432

E.12 Poczwórne bramki NOR CD4001 oraz 7402

E.13 Poczwórne bramki NAND CD4011 oraz 7400

E.14 Poczwórne bramki XOR CD4070 oraz 7486

E.15 Regulator napięcia LM78xx

Polecamy także

O autorze

Jonathan Bartlett jest starszym specjalistą ds. badań i rozwoju oprogramowania w Specialized Bicycle Components, koncentrującym się na tworzeniu wstępnych prototypów dla różnych projektów IoT (Internet of Things). Jonathan od ponad dekady zajmuje się edukacją społeczności technologicznej. Jego pierwsza książka, Programming from the Ground Up, jest klasykiem Internetu i zyskała poparcie Joela Spolsky'ego, współzałożyciela Stack Exchange. Była to jedna z pierwszych książek typu open source, używana przez pokolenia programistów w celu zdobycia wiedzy, jak komputery działają od środka, używając asemblera jako punktu wyjścia. Autor niedawno opublikował Building Scalable PHP Web Applications Using the Cloud oraz podręcznik do rachunku różniczkowego Calculus from the Ground Up. Jonathan stworzył również mieszankę artykułów o tematyce technicznej i popularyzatorskiej dla wielu stron internetowych, w tym nowego bloga technologicznego MindMatters.ai. Inne jego artykuły można znaleźć na stronie DeveloperWorks IBM-a, Linux.com i Medium.com. Jest także szefem Tulsa Open Source Hardware, lokalnej grupy skupiającej się na projektach elektronicznych typu „zrób to sam”.

Jonathan uczestniczy też w różnych pracach naukowych. Jest współpracownikiem Walter Bradley Center for Natural and Artificial Intelligence. Prowadzi tam badania nad fundamentami matematyki oraz matematyką związaną ze sztuczną inteligencją. Zasiada również w radzie redakcyjnej czasopisma BIO-Complexity, skupiając się na recenzowaniu artykułów teoretyczno-informacyjnych dla czasopisma i asystując przy składaniu tekstu w LaTeX-u.

Jonathan, ponadto, napisał kilka książek o wzajemnym wpływie filozofii, matematyki i nauki, w tym Engineering and the Ultimate and Naturalism and Its Alternatives in Scientific Metodologies. Jonathan był redaktorem książki Controllability of Dynamic Systems: The Green’s Function Approach, która otrzymała Nagrodę Prezydenta Republiki Armenii w dziedzinie „Nauki techniczne i technologie informacyjne”.

Od dwudziestu lat, wraz ze swoją żoną Christą, Jonathan zasiada w zarządzie Homeschool Oklahoma. W różny sposób inspirują swoją społeczność, w tym poprzez pisanie materiałów edukacyjnych, tworzenie filmów edukacyjnych, wspieranie studentów w ramach programu Classical Conversations, czy dzieląc się z innymi historiami własnymi sukcesów i porażek.

O recenzencie technicznym

Mike McRoberts jest autorem Beginning Arduino wydanej przez Apress. Jest zwycięzcą Pi Wars 2018 i członkiem Medway Makers. Jest entuzjastą Arduino i Raspberry Pi.

Mike McRoberts ma doświadczenie w różnych językach i środowiskach programowania, w tym C /C++, Arduino, Python, Processing, JS, Node-RED, NodeJS oraz Lua.

Podziękowania

Chciałbym przede wszystkim podziękować mojej lokalnej, domowej grupie zajęciowej. Pierwotną bazą dla tej książki była seria zajęć, które prowadziłem w naszej lokalnej grupie, zaś moi uczniowie byli królikami doświadczalnymi dla tych treści. Z tej grupy otrzymałem wiele słów zachęty, a zarówno uczniowie, jak i rodzice byli zadowoleni z materiału. Pragnę podziękować mojej żonie, która miała dla mnie wiele cierpliwości, gdy pracowałem na swoim komputerze, próbując to wszystko poskładać. Chciałbym również podziękować społeczności Tulsa Open Source Hardware (jak również większej społeczności Tulsa WebDevs), która udzieliła mi wiele wsparcia podczas tworzenia tej książki i która też uczestniczyła w wielu prezentacjach opartych na tym materiale.

Rozdział 1

Wprowadzenie

Witamy w świecie elektroniki! We współczesnym świecie urządzenia elektroniczne są wszędzie, ale coraz mniej ludzi zdaje się rozumieć, jak one działają i jak je budować. Z drugiej strony, nigdy nie było to tak łatwe dla pojedynczych osób. Dostępność szkoleń, narzędzi, części, instrukcji, filmów i samouczków dla domowych eksperymentatorów ogromnie wzrosła, a koszty sprzętu spadły prawie do zera.

Jednak tym, czego brakowało, był dobry przewodnik, który przeniósłby uczniów od chęci poznania, jak działają obwody elektroniczne, do rzeczywistego ich zrozumienia i umiejętności budowania własnych. Dla hobbystów istnieje wiele przewodników pokazujących, jak wykonać konkretne projekty, ale często nie dostarczają wystarczającej ilości informacji, aby czytelnicy mogli tworzyć własne projekty. Książki do fizyki zawierają mnóstwo informacji o fizyce elektryczności, ale są one mało praktyczne. Jedynym wyjątkiem od tej reguły jest The Art of Electronics Horowitza i Hilla. Ta książka to wspaniały przewodnik praktycznego projektowania obwodów. Jednak jej docelowym odbiorcą są głównie inżynierowie elektrycy lub inni bardzo zaawansowani projektanci obwodów. Na dodatek sama książka jest zaporowo droga.

To, co było potrzebne od dawna, to książka, która przeniesie Czytelnika od nieznajomości elektroniki do umiejętności budowania prawdziwych, samodzielnie zaprojektowanych obwodów. Niniejsza publikacja łączy teorię, praktykę, projekty i wzorce projektowe, aby umożliwić budowanie od podstaw własnych obwodów. Dodatkowo została zbudowana w całości na wykorzystaniu bezpiecznego, niskoprądowego zasilania DC (prądu stałego). Będziemy się w niej trzymać z daleka od gniazdka w ścianie, aby mieć pewność, że korzystanie z elektroniki będzie przyjemne i w dużej mierze bezproblemowe.

Ta książka została napisana z myślą o dwóch grupach ludzi. Po pierwsze, może służyć jako przewodnik do samodzielnej nauki dla hobbystów (lub niedoszłych hobbystów). Zawiera wiele projektów, z którymi można pracować i eksperymentować. Po drugie, może być również używana na lekcjach elektroniki dla uczniów szkół średnich i studentów. Zawiera problemy, które warto rozwiązać, różnego rodzaju działania do wykonania oraz przeglądy na końcu każdego rozdziału.

Potrzeby tych grup nie różnią się tak bardzo od siebie. W rzeczywistości, nawet jeśli jesteś hobbystą i planujesz używać tej książki do samodzielnej nauki, sugeruję, abyś nie tylko przeczytał główne części rozdziałów, ale także wykonał ćwiczenia i zadania domowe. Celem pracy domowej jest wyćwiczenie umysłu w myśleniu jak projektant obwodów. Jeśli przeanalizujesz przykładowe problemy, analiza i projektowanie obwodów stanie się po prostu kwestią przyzwyczajenia.

1.1 Praca z przykładami

We wszystkich przykładach w tej książce powinny być stosowane ułamki dziesiętne, a nie zwykłe. To jest kurs inżynierski, a nie matematyczny, warto zatem korzystać z kalkulatora. Jednak w niektórych odpowiedziach często będziesz mieć bardzo długie łańcuchy cyfr po przecinku. Możesz zaokrąglić swoje odpowiedzi, ale zawsze podawaj co najmniej jedną wartość po przecinku. Na przykład, jeśli na moim kalkulatorze podzielę 5 przez 3, otrzymam wynik 1,66666667. Jednak ostateczną odpowiedź mogę podać jako 1,7. Dotyczy to tylko ostatecznej odpowiedzi. Podczas wykonywania obliczeń musisz jednak pamiętać o pełnej postaci swoich ułamków dziesiętnych.

Ponadto, jeśli odpowiedź jest liczbą dziesiętną rozpoczynającą się od zera, należy zaokrąglić odpowiedź tak, aby zawierała pierwsze dwie do czterech cyfr, które nie są zerami. Tak więc, jeśli mam odpowiedź 0,00000333333333, mogę zaokrąglić ją do 0,00000333. Jeśli chcesz precyzyjnie określić właściwy sposób zaokrąglania wyników, zapoznaj się z punktem dotyczącym cyfr znaczących w następnym rozdziale. Dla początkujących i hobbystów jest to mniej istotne, więc w książce zazwyczaj będziemy mieć do tego hobbystyczne nastawienie.

Krótko mówiąc, jako inżynierowie jesteśmy co najmniej tak precyzyjni, jak potrzebujemy, a maksymalnie tak dokładni, jak tylko możemy. Wymagana przez nas dokładność będzie się różnić w zależności od projektu, a precyzja, jaką możemy osiągnąć, będzie zależeć od naszych narzędzi, naszych komponentów i innych rzeczy, których będziemy używać. Dlatego w tej publikacji nie będziemy kładli zbyt dużego nacisku na to, ilu dokładnie cyfr dziesiętnych należy użyć. Bardziej szczegółowe opisy można znaleźć w innych książkach naukowych dotyczących radzenia sobie z cyframi znaczącymi. W przedstawianych w kolejnych rozdziałach problemach, jeśli otrzymasz wynik różniący się o jedną cyfrę z powodu błędów zaokrągleń, nie przejmuj się tym.

1.2 Wstępne narzędzia i akcesoria

Przygodę z elektroniką można rozpocząć z minimalnym zestawem narzędzi, ale mając więcej pieniędzy można wyposażyć się w bardziej wymyślne przybory. Ta książka skupi się na skromniejszych narzędziach, leżących w zasięgu prawie każdego budżetu.

Chociaż publikacja będzie prowadzić przez szeroką gamę elementów do różnych rodzajów obwodów, każdy elektroniczny hobbysta powinien zapoznać się z następującymi komponentami:

1. Multimetr: Multimetry mierzą napięcie, prąd, rezystancję i inne ważne wartości. W przypadku tych projektów wystarczający będzie najtańszy cyfrowy multimetr, jaki można znaleźć. Potrzebny jest tylko jeden tego typu element.

2. Płytki stykowe nie wymagające lutowania: Płytki stykowe nie wymagające lutowania pozwolą na stabilne zbudowanie projektu i połączenie ze sobą komponentów. Płytki stykowe są sprzedawane na podstawie liczby otworów, zwanych „polami”, które zawiera płytka stykowa. Chcąc zachować swoje projekty, należy posiadać osobną płytkę stykową dla każdego projektu. Jednak piękno płytek stykowych bez lutowania polega na tym, że w rzeczywistości, w razie potrzeby, nadają się one do wielokrotnego użytku.

3. Przewody połączeniowe: Przewody połączeniowe są tym samym, co zwykłe izolowane przewody, z tą różnicą, że ich końce są solidne i wystarczająco mocne, aby można je było wetknąć w płytkę stykową. Same przewody mogą być elastyczne lub sztywne. Przewody połączeniowe z końcówkami żeńskimi (otwór zamiast styku) przydają się również w obwodach, z których wystają metalowe piny (tzw. główki), z którymi można wykonywać połączenia. Każdy hobbysta, którego znam, ma ogromną masę przewodów połączeniowych. Zwykle są dostarczane w wiązkach po 65 przewodów, co na początek wystarczy.

4. Rezystory: Rezystory wykonują znaczną część głównej pracy w obwodach. Stawiają opór przepływowi prądu, co między innymi zapobiega uszkodzeniu innych części obwodu. Rezystory są mierzone w omach (Ω). Większość hobbystów ma szeroką gamę rezystorów. Warto posiadać rezystory z zakresu od 200 Ω do 1 000 000 Ω. Jednakże, jeśli mielibyśmy wybrać jedną konkretną wartość dla swoich rezystorów, w wielu różnych sytuacjach przydają się rezystory 1000 Ω. Rezystory na potrzeby tej książki powinny mieć moc 1/4 wata.

5. Diody LED: Diody LED (diody elektroluminescencyjne) to diody o małej mocy, często używane w urządzeniach elektronicznych. Polecam zakup różnych kolorów diod LED tylko dlatego, że sprawia to, że życie jest przyjemniejsze. Większość standardowych jednokolorowych diod LED ma mniej więcej taką samą specyfikację, więc główną różnicą jest kolor.

6. Przyciski i przełączniki: Przyciski i przełączniki będą podstawową metodą wejścia i wyjścia w tych obwodach. Należy kupić przyciski i przełączniki, które są specjalnie zaprojektowane do pracy z płytkami stykowymi.

7. Regulator zasilania: Chociaż większość z tych projektów może być zasilana bezpośrednio z baterii, płytka z modułem zasilania zapewni, że bez względu na to, jak dobrze naładowana lub rozładowana jest bateria, uzyskamy przewidywalne napięcie ze źródła zasilania. Moduł zasilania do płytek stykowych YwRobot jest niezwykle tani (tańszy niż większość baterii), a także oferuje włącznik /wyłącznik. Dla każdej posiadanej płytki stykowej warto kupić taką jedną płytkę. Dostępne są również inne wersje płytek z modułem zasilania (trzeba upewnić się, że oferują napięcie 5 woltów), ale nasze projekty będą zakładać wersję YwRobot.

8. Bateria 9 V i złącze: Najłatwiejszym sposobem dostarczenia źródła mocy dla regulatora zasilania jest bateria 9 V wraz ze standardowym wtykiem baryłkowym (2,1 mm ∙ 5,5 mm), który będzie pasować do zasilacza YWrobot.

Późniejsze projekty będą wymagały bardziej specjalizowanych komponentów, natomiast te powyższe są elementami potrzebnymi do prawie każdego projektu, który napotkamy lub samodzielnie zaprojektujemy. Chcąc zamówić zestaw ze wszystkimi komponentami potrzebnymi do tej książki, można je znaleźć na stronie www.bplearning.net.

1.3 Zasady bezpieczeństwa

Niniejsza publikacja dotyczy prawie wyłącznie prądu stałego z małego, bateryjnego źródła. Ten prąd jest z natury dość bezpieczny, ponieważ małe baterie nie są w stanie dostarczyć ilości prądu potrzebnej do zranienia lub wyrządzenia krzywdy. W przypadku tych projektów można swobodnie dotykać przewodów i pracować z aktywnymi obwodami bez żadnej ochrony, ponieważ prąd nie jest w stanie wyrządzić krzywdy. Głównym problemem, który czasami się pojawia, jest to, że w źle wykonanych obwodach komponenty mogą się przegrzewać i czasami (ale rzadko) zapalić. Ponadto, sama bateria może ulec przegrzaniu /uszkodzeniu, a baterie są często wykonane z potencjalnie toksycznych chemikaliów.

Podczas pracy z projektami należy postępować zgodnie z następującymi wytycznymi dotyczącymi bezpieczeństwa (zarówno w projektach z tej książki, jak i samodzielnie tworzonych projektach). Pomogą zachować bezpieczeństwo i pomóc zapobiec przypadkowemu uszkodzeniu własnego sprzętu:

1. Jeśli masz na skórze jakiekolwiek skaleczenia lub inne otwarte rany, zabezpiecz je. Twoja skóra jest miejscem zapewniającym większość ochrony ciała przed elektrycznością.

2. Przed podłączeniem zasilania do obwodu upewnij się, że nie doszło do przypadkowego zwarcia między dodatnim i ujemnym biegunem baterii.

3. Jeśli po podłączeniu baterii obwód nie będzie się zachowywać tak, jak oczekujesz, odłącz ją natychmiast i sprawdź problemy.

4. Jeśli bateria lub dowolny komponent będą stawać się ciepłe, natychmiast odłącz zasilanie.

5. Jeśli wyczujesz zapach dymu lub spalenizny, natychmiast odłącz zasilanie.

6. Wszelkie baterie unieszkodliwiaj zgodnie z lokalnymi przepisami.

7. W przypadku akumulatorów, postępuj zgodnie ze znajdującymi się na nich instrukcjami w celu ich naładowania.

Pamiętaj, że jeśli kiedykolwiek będziesz zajmować się prądem przemiennym (AC) lub dużymi bateriami (takimi jak akumulator samochodowy), będziesz musiał pamiętać o wielu innych środkach ostrożności niż opisane w tej książce, ponieważ tego typu urządzenia generują wystarczającą moc w sobie oraz w obwodach (czasami nawet po odłączeniu zasilania), aby spowodować uszczerbek na zdrowiu albo nawet śmierć, jeśli będziesz obchodził się z nimi w sposób niewłaściwy.

1.4 Wyładowania elektrostatyczne

Jeśli kiedykolwiek dotknąłeś klamki i doznałeś niewielkiego porażenia, doświadczyłeś wyładowania elektrostatycznego (ESD, ang. electrostatic discharge). ESD nie jest niebezpieczne dla człowieka, ale może być groźne dla Twojego sprzętu. Nawet niewyczuwalne porażenia mogą go uszkodzić. Przy nowoczesnych komponentach ESD rzadko stanowi problem, niemniej jednak ważne jest, aby wiedzieć, jak go uniknąć. Jeśli chcesz, możesz pominąć te środki ostrożności, ale po prostu wiedz, że od czasu do czasu możesz spowodować zwarcie chipa lub tranzystora, ponieważ nie zachowałeś ostrożności. ESD jest bardziej problematyczne, jeśli masz dywany na podłogach, gdyż mają one tendencję do gromadzenia elektryczności statycznej.

Oto kilka prostych zasad, które warto stosować, aby zapobiec problemom z ESD:

1. Podczas przechowywania komponentów IC (tj. chipy elektroniczne), przechowuj je z nóżkami wetkniętymi w antystatyczną piankę przewodzącą. Zapobiegnie to powstawaniu różnic napięcia wewnątrz chipu.

2. Noś naturalne tkaniny ze 100% bawełny.

3. Używaj specjalnych mat antystatycznych /lub pasków na nadgarstek, abyście Ty i Twój obszar roboczy byli uziemieni.

4. Jeśli nie używasz paska lub maty ESD, przed rozpoczęciem pracy dotknij dużego metalowego obiektu. Zrób to za każdym razem, gdy się przemieścisz.

1.5 Prawidłowe korzystanie z multimetru

Chociaż nie omówiliśmy jeszcze szczegółów potrzebnych do korzystania z naszego multimetru, jednak ze względu na to, iż omawiamy prawidłową obsługę urządzeń, to dołączam ten punkt do powyższych. Można go pominąć, dopóki nie zaczniemy używać multimetrów w książce.

Aby utrzymać poprawność działania multimetru, ważne jest, aby podjąć pewne podstawowe środki ostrożności. Multimetry, zwłaszcza te tanie, można łatwo uszkodzić przez niewłaściwą obsługę. W celu uniknięcia uszkodzenia multimetru lub uszkodzenia obwodu za pomocą multimetru, należy pamiętać o poniższych kwestiach:

1. Nie podejmuj prób mierzenia rezystancji w obwodzie aktywnym. Zanim spróbujesz go zmierzyć, rezystor wyjmij całkowicie z obwodu.

2. Odpowiednie ustawienie multimetru należy wybrać przed jego podłączeniem.

3. Zawsze należy zaczynać od strony wysokich wartości, szczególnie dla prądu i napięcia. Używaj wysokich zakresów pomiarowych dla prądu i napięcia, aby zapewnić multimetrowi maksymalną ochronę. Jeśli ustawisz wartość zbyt dużą, łatwo jest ją obniżyć. Jeśli ustawimy ją zbyt nisko, być może będziesz musiał kupić nowy multimetr!

Polecamy także

Uczenie maszynowe na Raspberry Pi

Eksperymentowanie z danymi i rozpoznawaniem obrazów

ISBN 978-83-7541-418-9

Rozwijaj i replikuj interesujące eksperymenty uczenia maszynowego (ML) przy użyciu Pi Camera i Raspberry Pi. Niniejsza książka zapewnia solidny przegląd technik uczenia maszynowego i niezliczonych zagadnień leżących u jego podstaw, zachęcając do ich dalszego poznawania.

Nietechniczne omówienia równoważą złożone objaśnienia techniczne, sprawiając, że najbardziej nowatorskie i złożone zagadnienie współczesnej informatyki staje się zrozumiałe i przystępne.

Koncepcje związane z uczeniem maszynowym na Raspberry Pi można przenieść na inne platformy, wchodząc jeszcze dalej w świat sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego, aby realizować coraz lepsze projekty hobbystyczne lub komercyjne.

Komercyjne i przemysłowe aplikacje Internetu rzeczy na Raspberry Pi

Prototypowanie rozwiązań IoT

ISBN 978-83-7541-430-1

W tej książce zaprezentowano rzeczywiste aplikacje IoT oparte na Raspberry Pi, wykraczające poza względnie proste demonstracje edukacyjne lub hobbystyczne. Od majsterkowania z niewielką liczbą czujników i prostych urządzeń po budowanie w pełni rozwiniętych produktów do zastosowań komercyjnych oraz systemów przemysłowych. Będziemy pracować z czujnikami i siłownikami, technologiami używanymi do komunikacji w sieciach IoT oraz wdrożeniami rozwiązań oprogramowania IoT na dużą skalę.

Zobacz Raspberry Pi w nowym świetle, które podkreśla prawdziwy potencjał tego urządzenia. Wyjdź poza proste włączanie migania diod podłączanych do Raspberry Pi, aby dotrzeć do rzeczywistego zarządzania siecią urządzeń IoT.

Wprowadzenie do Raspberry Pi

Wydanie III

Poznajemy niedrogi komputer z procesorem ARM i Linuksem

ISBN 978-83-7541-496-7

Dziesięć lat. To już dziesięć lat od chwili, gdy świat komputerów do góry nogami wywróciło wydanie Raspberry Pi: taniego, jednopłytowego komputera o rozmiarze karty kredytowej. W ciągu tej dekady Raspberry Pi wpłynęło na badania kosmiczne, domowe zastosowania komputerów, Internet rzeczy, a nawet na to, jak korzystamy z multimediów.

Uaktualnione o omówienie Raspberry Pi 4, Raspberry Pi Pico i Raspberry Pi Zero W2, trzecie wydanie tej książki prowadzi Czytelnika krok po kroku poprzez wiele rzeczy, które może zaoferować przez Raspberry Pi: zdalne przetwarzanie, wykrywanie twarzy za pomocą opcjonalnej kamery, małe i wielkie projekty multimedialne. Przy użyciu Raspberry Pi możemy zrobić to wszystko i jeszcze więcej.

Wprowadzenie do Arduino

Wydanie II

Platforma prototypowania elektronicznego open source

ISBN 978-83-7541-492-9

Arduino to otwarta platforma prototypowania elektronicznego, która zawojowała świat projektantów i hobbystów. To solidne i dogłębne wprowadzenie, uaktualnione o najnowsze wydanie IDE i nowe płytki oparte na procesorach ARM, pomoże od razu przejść do tworzenia projektów. Znajdziesz tu wszystko, co potrzeba, od uzyskania wymaganych komponentów, aż po finalne szlify swojego projektu!

Wprowadzenie do Arduino jest proste! Do wykorzystania wstępnych przykładów z tego przewodnika potrzebne jest jedynie samo Arduino Uno lub Nano, kabel USB oraz dioda LED. Łatwe w użyciu, bezpłatne środowisko projektowe Arduino działa w systemach Mac, Windows i Linux.

Dołącz do tysięcy hobbystów, którzy odkryli już tę wspaniałą platformę edyukacyjną!

Wynalazca Robotów
Księga Pomysłów

128 prostych maszyn i sprytnych urządzeń

ISBN 978-83-7541-476-9

Książka zawiera dziesiątki kreatywnych sposobów budowania niesamowitych mechanizmów za pomocą zestawu LEGO MINDSTORMS Wynalazca Robotów. Każdy model zawiera listę wymaganych części, ograniczony do minimum tekst, zrzuty ekranu z programu LEGO MINDSTORMS Robot Inventor oraz kolorowe zdjęcia wykonane pod różnymi kątami. Dzięki temu dowiesz się, gdzie umieścić wszystkie części bez korzystania z instrukcji budowania krok po kroku.

Yoshihito Isogawa z Tokio w Japonii jest pisarzem technicznym i ekspertem LEGO. Oprócz prowadzenia Isogawa Studio, Inc., prowadzi warsztaty i wykłady o LEGO w szkołach i muzeach nauki oraz tworzy modele LEGO na różne imprezy i wystawy. Jest autorem The LEGO MINDSTORMS EV3 Idea Book i The LEGO BOOST Idea Book.

Arduino w nauce

Gromadzenie, wyświetlanie i przetwarzanie danych z czujników

ISBN 978-83-7541-475-2

Oto proste na pierwszy rzut oka pytanie: jak można realizować podstawowe pomiary za pomocą Arduino, Raspberry Pi lub komputera PC? W większości przypadków rzeczywiście potrafimy wykorzystywać mikrokontrolery, czujniki i umiejętności programistyczne w celu gromadzenia danych. W tej książce autor poszedł jednak o krok dalej i zaprezentował, jak można przekształcić komputer PC, Raspberry Pi i Arduino w system, który może nie tylko gromadzić dane, ale również odpowiednio je oceniać i analizować.

Książka „Arduino w nauce” objaśnia, jak monitorować i mierzyć parametry fizyczne i chemiczne za pomocą układów scalonych i komputerowych systemów obliczeniowych.