Робототехника


Робототехника – прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных систем. Это комплексная наука, состоящая из электроники, электрики, электротехники, механики, кибернетики, телемеханики, мехатроники, информатики, радиотехники, и возможно чего-то ещё. В рамках моих уроков мы разобьём робототехнику на программирование и электронику. Программирование и работу с Arduino (и микроконтроллерами ATmega/ATtiny) мы уже изучили, осталось подтянуть электронную часть. В этом блоке уроков я буду совмещать программную часть и железо для большей наглядности.

Введение в электронику

Электричество “на пальцах”


Ниже вы найдете видеоролик с подробным объяснением, что есть напряжение, а что есть ток, здесь расскажу вкратце и “на пальцах”. Также очень рекомендую изучить онлайн-учебник по электронике на сайте madelectronics.

Напряжение измеряется в Вольтах (В, V), а ток – в Амперах (A), по фамилиям учёных, открывших соответствующие величины. Напряжение и ток связаны через сопротивление, открытое Омом (Ом, Ohm). Подробнее об этом ниже.

Электрический ток по своей сути это поток заряженных частиц, которые движутся от одного полюса к другому (принято от плюса к минусу). У полюсов есть так называемый потенциал, который можно сравнить с высотой уровня воды, т.е. её потенциальной энергией: например у нас есть два сосуда с водой, расположенных на разной высоте. Между сосудами проложена труба (пока что считаем трубу закрытой). Так вот, напряжение – это разность потенциалов, то есть насколько потенциально быстро вода может течь по трубе: если сосуды расположены на одном уровне – разность потенциалов будет 0, то есть вода не потечёт (напряжение 0 Вольт). Если один сосуд расположен на 0, а второй на высоте 5 – между ними будет напряжение, т.е. разность потенциалов 5-0, или 5 Вольт. Напряжение обозначается буквой V. Напряжение – статическая величина, потенциал, показывает потенциальную “скорость” воды в трубе, ведь чем больше перепад, тем больше скорость. А вот теперь мы открываем трубу и вода начинает течь.

Электрический ток – это сам процесс движения электронов (частиц воды), и физически он определяется как количество электронов за единицу времени, то есть в нашей аналогии это объем воды, протекающий через трубу за единицу времени. Ток, он же сила тока, обозначается буквой I. И вот тут в дело вступает сама труба.

Труба в нашей аналогии является проводником, то есть проводом между плюсом и минусом. Чем больше диаметр трубы, тем больше воды за единицу времени через неё сможет течь, верно? Вот и с проводом такая же история. Всего у нас есть три характеристики:

  • Диаметр, или площадь поперечного сечения трубы: чем он больше – тем легче воде будет течь. Сечение обозначается буквой S.
  • Чем больше длина трубы, тем труднее будет воде через неё течь: попробуйте прокачать воду через метровый шланг, и через 100 метровый. Длина проводника обозначается l.
  • Труба имеет шершавость, так называемое удельное сопротивление. Чем оно выше, тем труднее воде будет течь, то есть тем больше скорости она потеряет. Удельное сопротивление обозначается буквой r.

Все три характеристики дают трубе сопротивление, которое обозначается буквой R и считается по формуле R = r * l / S. Сопротивление измеряется в Омах и связывает напряжение и ток: зная напряжение (высоту сосуда) и сопротивление проводника (характеристики трубы) мы можем прикинуть ток, который будет в ней течь. Эта связь называется законом Ома и описывается очень простой формулой: I = V / R. О применении формулы к электронике мы поговорим чуть ниже.

Поток воды и электронов можно охарактеризовать такой величиной, как мощность. Мощность мы будем измерять в Ваттах (Вт, W), обозначать буквой P (Power) и считать по формуле P = V * I. Подставляя сюда закон Ома можно перейти от одной величины к другой и получить целый набор формул:

Измерения при помощи мультиметра


Мультиметр – прибор для измерения “всего” – основных параметров электрических цепей и компонентов. У меня кстати есть подробный видос на эту тему:

Питание


Всем модулям, датчикам, дисплеям и вообще любым подключаемым железкам, помимо логики (управляющих сигналов), нужно питание. Питание всегда идёт по двум проводам, называют их плюс и минус, но в электронике обычно используется однополярное питание и провода называются общий (“земля”, GND, 0 Вольт) и питание (“плюс”, VCC, величина может быть разной). Именно разность потенциалов даёт напряжение. Земля GND является не только нулём для питания: в паре с землёй также работают все логические провода. Сигнал не ходит по одному проводу, для подключения всегда нужно минимум два, одним из которых является GND! Именно поэтому земля у всех подключенных устройств обычно одна, все провода соединяются в один общий GND, который отвечает и за питание, и за работу остальных проводов. Вот пример проекта с метеостанцией, где куча модулей, но земля и питание у всех соединяются в одну точку:

Цвет провода


Цвет проводов питания играет важную роль, а именно – показывает, какой это провод, плюс или минус, gnd или vcc. Если вы берете блок питания и отрезаете у него штекер, то скорее всего увидите перечисленные ниже пары цветов. В любом случае, рекомендуется взять мультиметр и убедиться в расположении проводов перед тем, как подключать их к плате или другому устройству:

  • Белый и черный – черный GND
  • Красный и черный – черный GND
  • Красный и белый – белый GND

Закон Ома


Закон Ома является одним из самых важных законов, на его базе в мире электричества завязано очень многое. Этот закон относится к тем, которые нужно именно понять: запомнить формулу – не проблема, её знают все, а вот понять и применять – к сожалению умею немногие. I=V/R Сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление. Следовательно чем выше сопротивление, тем меньше ток. Когда и где это играет роль?

Сечение провода


Ни для кого не секрет, что провода бывают разной толщины, т.е. площади поперечного сечения. Чем больше сечение провода, тем больший ток он может через себя пропустить без потерь (т.н. просадок) напряжения, это вытекает из формулы расчета сопротивления проводника: R=r*l/S, где r – удельное сопротивление материала, l – его длина, S – площадь сечения. Чем больше площадь S, тем меньше будет сопротивление, и тем больший ток сможет пройти через проводник.

Длина провода


Также из формулы видно, что на сопротивление проводника влияет ещё материал и длина проводника. Откуда берутся потери? Чем больше сопротивление провода, тем большее напряжение на нём упадет при большом токе. Простой пример: подключаем 12 вольтовую светодиодную ленту. Заранее известно, что лента потребляет 4 ампера при 12 вольтах, и в расчетах можно грубо заменить ленту сопротивлением 12/4=3 ома. Если подать на ленту 12 вольт, она скушает 4 Ампера, но это идеальный случай. Подключать мы будем проводами, провода тоже имеют сопротивление (внутреннее сопротивление источника питания не учитываем). Допустим мы взяли длинные тонкие провода, общее сопротивление которых равно 0.5 Ом. Общее сопротивление цепи составит 3.5 Ома, в цепи потечёт ток 12/3.5=3.4 Ампера. На обоих потребителях “упадет” напряжение, пропорциональное их сопротивлению: на проводе 1.72 вольт, а на ленте – 10.28. что это значит? Лента светит не в полную яркость, потому что питается не 12 вольтами. Если мы укоротим провода подключения ленты, или заменим их на более толстые провода, общее сопротивление которых будет допустим 0.05 Ом, ленте достанется напряжение уже 11.8 вольт, что уже близко к 12. Мораль этого мысленного эксперимента очень проста: чем больший ток нужен нагрузке, тем толще нужно брать провод.

Как прикинуть сечение? Можно пользоваться таблицами и калькуляторами, которых полно в интернете, а также в контрольных целях измерять напряжение, которое пришло на нагрузку. Если оно сильно меньше нужного, то нужно менять провод, проверять подключение или источник питания, об этом поговорим далее. Что касается электроники, то всякие датчики, модули и прочие железки обычно потребляют очень малые токи, и для их соединения можно использовать очень тонкие монтажные провода. Исключением являются GPS/GPRS антенны и прочие модули связи, светодиодные матрицы, сервоприводы. Моторы, светодиодные сборки (ленты, матрицы), нагревательные элементы и прочие мощные нагрузки нужно подключать толстыми проводами, но опять же по месту: ток потребления той или иной железки всегда написан в спецификации.

Что будет, если подключить мощную нагрузку тонким длинным проводом? Такой провод будет иметь большое сопротивление, при протекании большого тока на этом проводе упадёт напряжение, которое автоматически преобразуется в тепло. Результат: провод нагреется, а нагрузка получит меньшее напряжение, чем выходит с источника питания, т.е. напряжение “потеряется” в длинном тонком проводе.

Также у меня есть отличный ролик, в котором наглядно показана работа закона Ома и другие основы:

Точка подключения


На сопротивление цепи влияет не только длина, материал и сечение провода, гораздо большее влияние могут оказывать места соединения проводников: они тоже имеют сопротивление, называемое “сопротивление контакта”. Чем выше сопротивление контакта, тем большее на нём упадет напряжение, и тем меньше напряжения достанется потребителю. Упавшее на проводе или контакте напряжение приводит к течению тока, и этот ток превращается в тепло. Другими словами, если подключить мощную нагрузку тонкими проводами, то помимо работы нагрузки в неполную силу вы получите нагревшиеся провода. Если подключить толстыми проводами, но плохо соединить проводники – нагреваться будет место контакта. Именно поэтому у мощных потребителей предусмотрены массивные клеммы, винтовые терминалы и зажимы. Также для большинства разъемов есть нормы по току, который они могут пропустить без вреда для себя и без сильного падения напряжения. Выбирайте разъемы согласно току, который они должны пропускать. Для логики подойдут обычные дюпоны (джамперы), для нагрузок меньше Ампера – разъемы jst (такие как на сервоприводах), для больших токов – винтовые клеммы, разъемы типа banana, xt60 или другие мощные.

Источник питания


Самый частый вопрос возникает с источниками питания, звучит этот вопрос примерно так: “не сгорит ли Ардуина от блока питания на 5V 5A? Ведь ей нужно 20 мА”. Уважаемый, usb 2.0, которым Ардуина подключается к компьютеру, может выдавать ток до 500 мА, никто ведь ещё не сгорел от этого! Суть в том, что нагрузка возьмёт столько тока, сколько ей нужно, и у источника питания останется запас по току. Это значит, что если взять блок питания на 5V и 50А и подключить к нему Ардуино – она возьмёт свои 20 мА и оставит 49.98А для других потребителей!

Если же попытаться взять с источника питания больший ток, чем он может отдать, то может произойти следующее:

  • Напряжение сильно просядет
  • Источник питания нагреется
  • Источник питания уйдет “в защиту”
  • Источник питания выйдет из строя
  • В случае с аккумулятором, выход из строя может сопровождаться светошумовыми эффектами =)

Эти варианты могут проявляться в разных сочетаниях, могут даже все вместе. Просадка напряжения является расчетной величиной и зависит от внутреннего сопротивления источника питания (читай закон Ома для полной цепи). На практике нужно прикидывать, сколько ампер будет потреблять схема, и подбирать источник питания с запасом по току, но никак не меньше расчетного! Запомните, нагрузка возьмёт столько ампер, сколько ей нужно в зависимости от её “эквивалентного сопротивления” и напряжения питания.

Многие спрашивают в стиле “что будет, если я подам 20 ампер на Ардуино”. Используя источник напряжения, нельзя подать амперы, можно подать только вольты, нагрузка сама возьмёт себе свои амперы. А те амперы, которые указаны на источнике питания, являются максимальным током, который может дать источник питания без вреда для себя.

Если речь идёт об источнике тока (светодиодный драйвер), то логика здесь такая: драйвер сам выставляет такое напряжение, при котором в цепи установится указанный на нем ток. Если подключить Ардуино к источнику тока и поставить выше 25 мА, то источник тока повысит напряжение выше 5.5 Вольт и просто выжгет плату, всё верно. Но вряд-ли вам под руку попадется источник тока, которым вы захотите питать свою электронику, ведь все “обычные” блоки питания являются источниками напряжения. Источниками тока в быту являются зарядные устройства для аккумуляторов и светодиодные драйверы.

Важные страницы