В этих уроках мы будем заниматься робототехникой, то есть связывать электронику и программирование в единую систему. Прежде чем что-то программировать, это что-то сначала нужно правильно подключить, поэтому начнём с базовых понятий в электрике и электронике.
Данный раздел уроков призван напомнить читателю основные термины и принципы электричества. За более подробной информацией обращайтесь к учебнику физики за 8 класс
Электричество - это один из видов энергии в нашем мире, наряду с механической, тепловой, гравитационной и другими. Электричество обусловлено взаимодействием и движением заряженных частиц - электронов. Для лучшего понимания электрических процессов перейдём к аналогии с водой.
Напряжение #
Представьте бочку с водой, в самом низу которой есть кран. Чем выше уровень воды в бочке, тем выше давление на дне этой бочки и на кране. Рядом стоит ещё одна такая же бочка с другим уровнем воды.
В электричестве такая "бочка" называется полюсом, а "давление воды" - потенциалом, который измеряется в Вольтах (В, V) и в формулах обозначается как V (voltage). Чем выше уровень воды в бочке - тем выше давление на кран. Чем выше потенциал, тем больше будет теоретическая струя "частиц" из крана, если его открыть. К напряжению применяются стандартные приставки величин: киловольт (кВ) - 1000 Вольт, милливольт (мВ) - 0.001 Вольт, мегавольт (МВ) - 1000000 Вольт.
Электричеству всегда нужно два полюса, поэтому бочки мы будем соединять шлангом. Разность потенциалов между двумя полюсами называется напряжением и тоже измеряется в Вольтах. Если у одного полюса потенциал 20V, а у второго 5V, то между ними будет напряжение 20 - 5 = 15 V. Если у одного +12V, а у другого -12V - напряжение будет 12 - -12 = 24V. Напряжение - относительная величина, это характеристика системы из двух полюсов, т.е. даже если у одного полюса большой потенциал, условно 100V, а у второго 101V, то между ними будет напряжение всего 1V.
Согласно международным нормам, между значением и единицей измерения ставится прбел, например 12 V - такое написание используется в литературе. Однако на практике очень часто можно встретить и слитное написание - 12V, например на корпусах приборов и в даташитах (документации)
Если один из полюсов имеет нулевой потенциал 0V, то напряжение будет просто равно потенциалу второго полюса. В цифровой электронике чаще всего можно встретить именно такой вариант. Нулевой полюс обычно называется COM (common, общий) или GND (ground, земля) - будем лить в пустую бочку или просто на землю. Такое питание также называется однополярным - так как потенциал имеет только один из полюсов. Если оба полюса имеют ненулевой потенциал, например +12V и -12V, то это двухполярное питание.
Вот примеры напряжений для лучшего осознания Вольта: пальчиковая алкалиновая батарейка - 1.5V, батарейка Крона - 9V, автомобильный аккумулятор - 12V, сеть (розетка) - 220V.
Ток #
Соединим бочки шлангом и откроем краны. Вода из бочки с более высоким уровнем воды (давлением) потечёт в бочку с низким уровнем. Чем выше давление в одной бочке относительно другой, тем быстрее вода течёт по шлангу, тем больший её объём проходит в единицу времени. Если уровень воды одинаковый - вода никуда не потечёт!
Если соединить электрические полюса проводником, то по нему потечёт электрический ток, который представляет собой поток заряженных частиц, бочка в данном случае является источником электрической энергии (источником частиц). Количество частиц через сечение проводника в единицу времени называется силой тока и измеряется в Амперах (A) и в формулах обозначается как I (intensity, интенсивность тока). К току применяются стандартные приставки величин: килоампер (кА) - 1000 Ампер, миллиампер (мА) - 0.001 Ампер, микроампер (мкА) - 0.000001 Ампер.
Проводник - это материал, который на молекулярном уровне позволяет заряженным частицам перемещаться через себя, к таким материалам относятся все металлы, растворы солей и кислот, а также некоторые неметаллы (например углерод). Материалы, которые не проводят ток, называются диэлектриками: например пластик, резина, стекло. Такие материалы также называются изоляторами, т.е. изолируют от тока.
Когда мы соединили два полюса, замкнулась электрическая цепь - по ней пошёл ток, готовый совершать полезную работу. Таким образом, электрическое напряжение - это характеристика полюсов источника питания, а вот электрический ток - это характеристика замкнутой цепи: пока цепь не замкнута - тока нет, а напряжение есть. Как и в шланге, ток в проводнике течёт в направлении от полюса с более высоким потенциалом к полюсу с более низким.
На практике два электрических полюса нельзя соединять проводником, об этом поговорим в следующих уроках. С точки зрения теории тут всё нормально - цепь замкнётся и ток потечёт
Работа тока #
По шлангу течёт вода. Можно поставить в поток условную "турбинку", чтобы вода её крутила и совершала полезную работу.
Точно так же с электрическим током - он может совершать работу. Поток заряженных частиц способен:
- Нагревать, например электрический обогреватель, чайник, паяльник, фен
- Излучать свет, например светодиод. Лампа накаливания тоже светит, но в ней это является следствием нагрева
- Переключать транзисторы в процессоре, пиксели в дисплее
- Создавать магнитное поле, например электромагнит двери домофона
- На магнитном поле работают все электродвигатели и моторы
- Динамик в колонке тоже играет музыку благодаря электромагнитному полю
Так как работу совершает именно ток, то принято говорить, что ток потребляется. Таким образом для создания электрической цепи нужен источник электричества и потребитель.
Постоянный и переменный ток #
В примере с бочкой, блоками питания и батарейками мы подразумеваем постоянное напряжение - ток течёт в одну и ту же сторону, а величина напряжения остаётся постоянной и не меняется во времени. Такое напряжение называется DC (Direct Current, прямой ток) и обозначается прямой и пунктирной линиями. Все батарейки, аккумуляторы, блоки питания и зарядные устройства - это постоянное напряжение на выходе (батарейка со временем "садится", но на небольшом отрезке времени имеет фиксированное напряжение). Все электронные устройства в "голом" виде также работают от постоянного напряжения.
Для удобства изменения величины напряжения (об этом поговорим позже) существует также переменное напряжение - AC (Alternating Current, переменный ток), обозначается волнистой линией. В быту оно встречается только в сети - в розетке и на всём пути к ней от электростанции по линиям электропередач. У переменного напряжения есть ноль, нулевой потенциал, и фаза - её потенциал изменяется по гармоническому закону от -Max до +Max с частотой 50 Гц - 50 раз в секунду (60 Гц в некоторых странах).
Некоторые "простые" устройства типа нагревательных элементов могут работать и от переменного, и от постоянного напряжения - им без разницы, в какую сторону течёт ток. А вот более сложные смогут работать только от "своего" типа напряжения, оно указано на корпусе или в документации. Подключение такого прибора к источнику с напряжением другого типа в большинстве случаев приведёт к поломке прибора.
Напряжение в розетке - 220V переменное, подключение туда не предназначенных для этого устройств приведёт к их полному и зрелищному уничтожению
Блок питания #
Напрямую от "розетки" могут работать немногие устройства, это какие-то простые вещи типа кипятильников, вентиляторов, лампочек. Электронные схемы, особенно цифровые, обычно требуют постоянного напряжения 5V и ниже. А в розетке - 220V (110V в некоторых странах), ещё и переменное! Для превращения сетевого напряжения в более удобное и низкое постоянное используются блоки питания - они выпрямляют и понижают напряжение до нужного уровня. В любом сетевом устройстве, где есть некая управляющая электроника, всегда имеется блок питания - внешний или внутренний. Даже внутри сетевых светодиодных лампочек (не самых дешёвых).
На блоке питания всегда можно найти информацию по его входным и выходным параметрам и увидеть обозначения, которые были описаны выше. Вход - напряжение и максимальный ток потребления, выход - напряжение и максимальный отдаваемый ток.
