Вторник, 12.12.2017, 11:28
RC - Мастерская
Главная | Каталог статей | Регистрация | Вход
Меню
Статистика
Главная » Статьи » Обмен опытом » Arduino для школьников

3. Основы электрических цепей
Основы электрических цепей


По вполне понятным причинам я не буду пересказывать здесь курс физики электричества из школьного учебника. Но скажу, что в будущем еще не раз буду к нему апеллировать. Если по физике у Вас в аттестате оценка ниже 4-х, - срочно наверстывать пробелы! Я же приведу только некоторый минимум сведений в упрощенном виде для того чтобы в будущем на них опираться.

Электрическая цепь - замкнутый контур из проводников, по которому течет электрический ток. Электрический ток в цепи порождается источником питания. Это может быть батарейка, электростанция и еще миллион и один вариант. На том, что происходит внутри источника питания мы останавливаться не будем (отсылаю к учебнику физики). Будем считать, что у нас есть некоторый источник (батарейка), который может обеспечить электрическую цепь постоянным током.
Любая электрическая цепь обладает тремя основными характеристиками: напряжение, сила тока и сопротивление. Все они связаны между собой законом Ома : сила тока на участке цепи есть отношение падения напряжения к сопротивлению на этом участке (I=U/R). Что это значит? Для тех, кто никогда не знал физику и после основательно ее забыл, могу предложить следующее упрощенное объяснение.

На время забудем про провода и электричество и посмотрим на водопровод. Пусть имеется замкнутая труба, заполненная водой. Расположим ее вертикально. Чтобы поднимать воду наверх, установим в трубе насос. Он будет аналогом нашего источника питания. Когда насос начнет работать, вода потечет снизу вверх и оттуда под действием притяжения снова вниз. Образуется ток. Пусть на пути воды вниз находится колесо водяной мельницы. Падающая вниз вода будет давить на него с некоторой силой - силой тока I. Энергия, которая переходит из потенциальной в кинетическую при падении воды с верхней точки до нижней пропорциональна высоте. Это аналог напряжения U - разница в потенциальной энергии между верхней и нижней точками. Колесо мельницы под действием воды вращаться и совершать некую полезную работу. Но при этом оно будет замедлять поток воды как бы сопротивляясь ему. В электрической цепи это колесо будет сопротивлением R. Таким образом закон Ома станет более наглядным: сила, с которой вода давит на колесо (и с которой колесо выполняет полезную работу) пропорциональна высоте, с которой падает вода, и обратно пропорциональна сопротивлению колеса этому потоку.

Вернемся к электричеству. Что нужно помнить... Любой проводник обладает сопротивлением. Если сопротивление проводника пренебрежимо мало, его принимают нулевым и называют "коротким замыканием". Если сопротивление проводника бесконечно велико, говорят о разрыве цепи. Есть такая шутка с достаточно большой долей правды, характеризующая неисправности электроприборов. Говорят что неисправностей всего две: либо контакт есть, где его не должно быть... Либо его нет, там где он должен существовать...

Любой источник питания имеет заданное напряжение, которое он подает в электрическую цепь. Ток же цепью потребляется и его величина рассчитывается по закону Ома. Для источника питания определяется только максимальный ток, который он может предоставить. При его превышении источник с почти 100% вероятностью выйдет из строя. Я говорю "почти", потому, что остается еще вероятность, что сгорят проводники и цепь разорвется до фатального повреждения источника. Именно на этом эффекте строятся плавкие предохранители. Сегодня их можно увидеть к примеру в любом автомобиле.

Теперь о Arduino.
Большинство микроконтроллеров питается от напряжения 5В. При этом потребляют они сравнительно маленький ток (милиамперы). В большинстве случаев платы Arduino могут получать питание либо через специальный USB разъем (например, от компьютера). Там напряжение как раз равно 5В. Либо через специальный разъем питания. Для этого платы имеют специальный стабилизатор напряжения. За счет этого стабилизатора источник питания может выбираться в достаточно широком диапазоне напряжений - от 7 до 18 вольт. Обычно используют батарейки или блоки питания с напряжением 9 или 12 вольт.

В нашей первой программе мы управляли включением светодиода подавая на него сигнал высокого или низкого уровня. Здесь и далее будем считать сигналом изменение напряжения во времени. Различают два вида сигналов:
1. аналоговый - плавное постепенное изменение уровня напряжения в некоторых пределах.
2. цифровой - уровень напряжения изменяется скачкообразно за пренебрежимо короткое время и может принимать всего два значения - близкое к нулю (низкий уровень) и близкое к напряжению питания (5В, высокий уровень). Такой сигнал еще называют бинарным, а уровни еще обозначают как 0 и 1.

В нашем первом проекте мы использовали светодиод, подключенный к 13-му контакту и установленный на плате. Но мы можем так же подключить и внешний светодиод на любой другой контакт. Что для этого надо знать:
Светодиод. Частный случай обычного диода, который при прохождении через него электрического тока светится. Диод - это полупроводниковый элемент. Но пока этим мы заморачиваться не будем. Сейчас нам достаточно знать, что этот элемент пропускает ток только в одном направлении. Т.е. если его перевернуть, получим эквивалент разрыва цепи. Диод обладает очень малым сопротивлением и подключенный напрямую к источнику питания напрямую либо сгорит сам, либо спалит источник. При чем произойдет это за доли секунды. Когда мы подключаем диод к Arduino, последнюю можно представить как источник питания для нашего диода. Выход Arduino можем обеспечить ток максимум 500 мА. Поэтому, при прямом подключении диода к выходу контроллера, последний очень быстро сгорит. Чтобы этого не произошло в цепь дополнительно включают сопротивление. Номинал сопротивления выбирается таким образом, чтобы ток в цепи укладывался в допустимые рамки (считаем по закону Ома). Собственным сопротивлением диода при этом пренебрегают. Яркость свечения светодиода напрямую зависит от силы тока и напряжения. Поэтому, если сопротивление в цепи большое, то светодиод будет гореть тускло. И чем оно будет меньше, тем ярче будет свет.
Так же стоит отметить, что не стоит никогда выбирать сопротивление так, чтобы ток был близок к максимальному. Лучше всего оставлять запас в 20-25%.

Теперь Вам ничего не стоит изменить схему и программу так, чтобы внешний светодиод мигал например на 10-м контакте...

Так же хочу рекомендовать следующие книги:
Гюнтер Миль. Модели с дистанционным управлением. В ней очень доступно описываются основные элементы электрических схем.
Arduino. Блокнот программиста. - Базовое описание языка Arduino. Очень удобно использовать как справочное пособие на первых этапах изучения Arduino.

Категория: Arduino для школьников | Добавил: Mactep (13.12.2013)
Просмотров: 1254 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Поиск