Elektronikai alapismeretek

Ez egy elektronikába bevezető leírás, amely szükséges az Arduino programozás megértéséhez.

Áramkörök

Az áramkör vezetékekkel összekapcsolt áramforrás és fogyasztó. Az áramköröknek többféle kialakítása lehetséges.

Próbapaneles áramkör

Célja: gyorsan ki tudjuk próbálni az áramköri ötletet, és könnyen tudjunk rajta módosítani. Az Arduino programozás során lényegében csak ilyenekkel találkozunk; a próbapanelbe dugdossuk a kábeleket. Tipikusan fehér színű. A próbapanel kialakítása: a rövidebb oldalával párhuzamosan ötösével vannak összekötve, valamint a két hosszabb szélén külön álló lyukak szintén össze vannak kötve. Előnye, hogy nem kell forrasztani, könnyen szétszedhető, viszont ezáltal ez nem tartós áramkör.

Csupalyuk nyomtatott áramkör

Célja: egyedi áramkörök gyártása, egyetlen példányban. Ennek segítségével tudunk otthon forrasztva tartós áramköröket létrehozni. Általában rézszínű, de létezik zöld kivitelű is.

Nyomtatott áramkör

Célja: egyedi áramkör tömeges méretben gyártva. Magyar rövidítése NYÁK; angolul Printed Circuit Board (PCB). Zöld színű, téglalap alakú lapka, melyen furatok, a furatok között pedig vezetékek vannak. Ezt házilag már nem tudjuk elkészíteni, megfelelő tervezőeszköz és készülék kell a legyártásához. A sorozat gyártott céleszközök többsége ilyet tartalmaz. Valamint a DIY hobbielektronikai eszközök (tehát ahol elküldik az alkatrészeket és a kapcsolási rajzot, és nekünk kell összeforrasztani) szintén szinte mindig tartalmaznak nyomtatott áramkört.

Integrált áramkör

Célja: általános céleszközök. Angolul Integrated Circuit, szokásos rövidítése IC. Tipikusan fekete színű, apró téglatest alakú, oldalain szürke lábakkal. Az áramkör belül van kialakítva. Az áramot és a bemenő ill. kimenő eszközöket megadott lábakra kell kötni. Pl. az Arduino UNO ATmega328P típusú integrált áramkört tartalmaz.

Egyszerű áramköri elemek

Vezeték

Angolul: wire. Az áramköri elemeket köti össze. Ideális esetben az ellenállása nulla. Jelölése: egyenes vonal.

Áramforrás

Angolul: power supply. Az áramkör innen kapja az áramot. Az áram lehet egyenáram vagy váltóáram. Jelölése: egymással párhuzamos kis szakaszok, merőlegesen a vezetékre; a pozitív töltés hosszabb.

Kapcsolódó forgalmak:

Áramerősség, jele I, mértékegysége Amper [A]
Feszültség, jele U, mértékegysége Volt [V]

A mikroelektronikában szinte kizárólag alacsony feszültségű egyenáramra van szükség (az Arduino UNO esetén pl. 5 Voltra), míg a konnektorban levő áram váltóáram, magasabb feszültséggel (Magyarországon 50 Hz és 230 Volt), így átalakítóra van szükség. Ahhoz, hogy az áramkör stabil 5 Voltot kapjon, fölé kell lőni, kb. 7-12 V az ideális bemenő áram, amit az áramkörbe épített feszültség stabilizátorral lehet 5 Voltra állítani. 5 Voltot szolgáltat az USB kábel is, és az szintén megfelelő az Arduino-nak. A szárazelem szintén áramforrás, és ezzel is táplálhatjuk áramkörünket. Tipikusan 4 darab 1,5 Voltos ceruzaelemből kialakított 6 Voltot, vagy 9 Voltos elemet szokás használni.

Az áramforrás valójában feszültségforrás, a pozitív és negatív pólus közötti feszültség különbséget biztosít. Az áramerősséget Ohm törvényének ismeretében kiszámolhatjuk: áramerősség = feszültség / ellenállás (I=U/R). Viszont a valóságban egy áramforrás akármekkora áramot nem tud leadni, ez maximálva van. A hálózati áramra dugott adapter esetén ez pár Amper, az USB esetén nagyságrendileg fél Amper. (Emiatt van az, hogy bizonyos áramköröknél nem elegendő az USB 5 Voltja, a hálózati adapter által szolgáltatott, végső soron 5 Voltra alakított áram viszont igen.) Fontos, hogy ha több áramkörünk van, akkor azt közös 0-ra kell hoznunk, azaz mindegyik GND kimenetét össze kell kötnünk.

Ellenállás

Angolul: resistor. Minden fogyasztónak van ellenállása, de az áramkörök tipikusan tartalmaznak olyan elemeket is, melyek önmagukban csak ellenállások.

Az ellenállás jele R, mértékegysége Ohm [Ω].

Szerepük az egyes áramköri elemek védelme. Pl. ha egy LED-et közvetlenül rákötünk az 5 Voltra, akkor kiég, az csak kb. 1 Volt feszültségesést bír el. Előtétként pár száz Ohm-os ellenállást kell tennünk, hogy a feszültségesés nagy része azon következzen be, ezáltal védve a LED-et. Az ellenállás feszültségosztásra is alkalmas: például ha % volt a bemenő feszültség, de csak 3,3 Volt a megengedett, akkor felhasználhatunk egy 1000 és egy 2000 Ohm-os ellenállást sorba kapcsolva, az 1000 Ohm-os ellenállás szabad végére kapcsolva az 5V-ot, a 2000 Voltos ellenállás szabad végére a 0-t, és a két ellenállás közötti rész és a 0 feszültségesése 3,3 V lesz.

Az ellenállásokat téglalappal jelölik az áramkörökben. A változtatható ellenállás vagy át van húzva, vagy van egy bele mutató nyíl. Az ellenállások méretét színkóddal jelölik; keressünk rá a "resistor color code" kifejezésre. Összefoglalva: a színkód tipikusan 4 vagy 5 vonalkából áll (néha 6 vonalkából). A kódok jelentése a következő:

Első 2 vagy 3 vonalka (4 ill. 5 vonalka esetén): az ellenállás első 2 vagy 3 számjegye, a következőképpen:
- fekete: 1
- barna: 2
- piros: 3
- narancssárga: 4
- citromsárga: 5
- zöld: 6
- kék: 7
- lila: 8
- szürke: 9
- fehér: 0
A következő vonalka (tehát a harmadik vagy a negyedik) jelenti a szorzót, a következőképpen:
- fekete: 1
- barna: 10
- piros: 100
- narancssárga: 1000
- citromsárga: 10.000
- zöld: 100.000
- kék: 1.000.000
- lila: 10.000.000
- ezüst: 0.01
- arany: 0.1
A következő (negyedik ill. ötödik; tipikusan ez a legjobboldalibb) a tűréshatár. A leggyakoribb az arany (5%) és a barna (1%). Ennek az Arduino programozás szempontjából nincs különösebb jelentősége, mivel az áramkörök úgy vannak kialakítva, hogy ennél lényegesen nagyobb eltéréseket (többszörös szorzókat) is kibírjanak az elemek.
A 6. vonalka, ha van, a hőmérsékleti együttható; ezzel az Arduino programozáson szintén nem foglalkozunk, mivel szoba hőmérsékleten dolgozunk, az eszközöket nem tesszük ki extrém hőmérsékletnek.

Példa: narancssárga - kék - barna - arany: 47 * 10 = 470Ω, 5% tűréshatárral.

Kondenzátor

Angolul: capacitor. Töltések tárolására alkalmas. Jelölése: C, mértékegysége a Farad [F]. Egy-egy kondenzátor kapacitása jellemzően a Farad tört része, akár pikofarad nagyságrendű. A nagyobb kapacitású, mikrofarad nagyságrendű kondenzátoroknak van polaritása, arra a bekötésnél ügyelnünk kell, a kisebbeknek nincs polaritásuk, azt akárhogy beköthetjük. Jele az áramkörökben két egyforma hosszú, a vezetékre merőleges szakasz, és ott szakadás van.

Teszt: vegyünk egy nagyobb kapacitású kondenzátort (én egy 22 μF kapacitásút vettem), és rövid időre a pozitív felét érintsük a VCC-re (5 V), a negatívat a GND-re (0 V), majd vegyük ki. Ezzel feltöltöttük. Ezt követően kapcsoljuk le az áramforrást, majd érintsük a pozitív felét egy előtét ellenálláson keresztül az anódra, a negatívat pedig közvetlenül a katódra. A LED egy pillanatra felvillan, miközben kisül a kondenzátor.

Tekercs

Angolul: inductor. Ahogy a neve is mondja, ez gyakorlatilag egy feltekercselt rézdrót, melynek segítségével elektromágneses mezőt tudunk kialakítani. A rádiózósában van nélkülözhetetlen szerepe. A transzformátorok is különböző méretű tekercseket tartalmaznak. Vonatkozó fogalom az induktivitás, melynek jele L, mértékegysége Henry [H]. Jelölése: tekeredő vonal.

Kapcsoló

Angolul: switch. Ennek az áramköri elemnek a segítségével az áramkört tudjuk zárni ill. megszakítani. Lehet átbillenő vagy nyomógomb; ez utóbbi esetben alapból nyitott az áramkör, és a gomb lenyomásával záródik. Az Arduino készletekben található nyomógombnak 4 lába van, ezek közül a 2-2 közelebb eső belül össze van kötve.

Dióda

Angolul: diode. Egyenirányító áramköri elem; egyik irányba engedi csak át az áramot, így gyakori felhasználási területe a váltóáramok egyirányúsítása. Áramköri jelölése: adott irányba mutató háromszög, a végén egy függőleges szakasz, jelezve azt, hogy mely irányba engedi és mely irányba nem engedi az áramot.

Sokféle dióda létezik. A mikroelektronikában leginkább a világító, azaz fényt kibocsátó dióda, angolul Light-Emitting Diode, ismert rövidítéssel LED az egyik leggyakoribb elem. Az egyszerűbb kijelzők gyakorlatilag mind megfelelő méretű és megfelelően elhelyezett LED-ek, így ezek alapvető fontosságúak a mikroelektronikában, az Arduino fejlesztésben is. Beépítéskor ügyelnünk kell a polaritásra. Az áram a pozitív -> negatív irányba halad (a jelölés is ennek megfelelő). A pozitív oldal a hosszabb, anódnak hívjuk; azt kell a feszültséghez közelebb tenni. A negatív oldal a rövidebb, azt katódnak hívjuk, és azt kell a 0-hoz közelebb helyezni. A feszültségtűrése maximált, általában 1 Voltos nagyságrendű, így előtét ellenállást szükséges alkalmaznunk.

Teszt: alakítsuk ki a következő áramkört:

VCC -> dióda anód (ez a hosszabb, általában piros fele)
dióda katód -> előtét ellenállás -> LED anód
LED katód -> GND

A LED világít. Most fordítsuk meg a diódát. A LED nem világít. (Igazából ezt magával a LED-del is meg tudjuk csinálni, mivel az is dióda.)

Tranzisztor

Angolul: transistor. Kétféle kialakítás van: NPN és PNP. Itt most NPN tranzisztorokkal foglalkozunk. Fő felhasználási területe az áramerősítés és áram stabilizálás. Három fő részből áll: kollektor, emitter, bázis. A kollektor -> emitter áramot tudjuk felerősíteni a bázisáram segítségével, az erősítés tipikusan százszoros nagyságrendű. Amint azt lejjebb látni fogjuk, ez a számítógépek alap alkotórésze

Teszt: a kollektort kössük a VCC-re, az emittert pedig egy előtét ellenálláson és egy megfelelően bekötött LED-en keresztül a GND-re. Előbb kössük a bázist a GND-re: a LED nem világít. utána kössük a VCC-re: a LED világít.

Összetett áramköri elemek

Itt azokat a gyakori áramköri elemeket sorolom fel, melyek olyan értelemben összetettek, hogy a fent felsorolt alapelemekből állíthatóak össze, viszont olyan gyakoriak, hogy mint kis áramkörök külön gyártják őket.

Rezonátor

Oszcillátornak vagy LC-áramkörnek is hívjuk. Gyakorlatilag egy tekercsből és egy kondenzátorból álló áramköri elemből áll, és stabil, periodikus, tipikusan több megahertzes elektromágneses rezgést hoz létre. Az Arduino UNO-n egy 16 MHz-es rezonátor található.

Feszültség szabályozó

Adott, stabil egyenáramú feszültség leadására képes. Az Arduino UNO beépítve tartalmaz megfelelő feszültség szabályozót, mely a bejövő, 7-12 Voltos feszültséget alakítja stabil 5 Volttá.

Úton a számítógépek felé

Logikai kapuk

A logikai kapuk a számítógépek alapkövei. Egy kivételével mindegyiknek két bemenete van és egy kimenete. A bemenetre kétféle érték kerülhet: adott feszültség (pl. 5 V) vagy nulla. A feszültséget felfoghatjuk logikai igaz értékként, míg a 0-t hamisként. A kimeneten a bemenettől függő érték jelenik meg, tehát fizikailag pl. 5 V vagy 0, ami az említett logikai értékeket jelenti. Lent a magyarázat a logikai megfelelővel történik.

AND (ÉS) kapu: ha mindkét bemenetre igaz kerül, akkor a kimenetre is igaz, egyébként hamis.
OR (VAGY) kapu: ha legalább az egyik bemenetre igaz kerül akkor a kimenetre is, egyébként hamis.
NOT (NEM) kapu: ez az egyetlen kivétel, ennek egy bemenete van, a kimenetre pedig a bemenet negáltja kerül.
NAND (NEM ÉS) kapu: ez az AND kapu negáltja.
NOR (NEM VAGY) kapu: ez az OR negáltja.

A kapukról részletesebben itt olvashatunk: https://www.electronics-tutorials.ws/logic/logic_1.html. Mi most csak a NAND kapuval foglalkozunk, mivel egyrészt megfelelő kapcsolással abból bármely másik felépíthető, másrészt ez az építőköve számos egyéb kapcsolásnak. Erről itt olvashatunk bővebben: https://www.electronics-tutorials.ws/logic/logic_5.html.

Alakítsuk ki a következő áramkört:

VCC -> ellenállás -> itt lesz a kimenet -> tranzisztor 1 kollektor
tranzisztor 1 emitter -> tranzisztor 2 kollektor
tranzisztor 2 emitter -> GND
tranzisztor 1 bázis -> ellenállás -> A bemenet
tranzisztor 2 bázis -> ellenállás -> B bemenet

Az előtét ellenállások pár száz vagy pár ezer Ohm-osok legyenek. Most tegyük a következőt:

Kimenet -> LED anód
LED katód -> GND

Ha mindkét bemenetet a VCC-re kötjük, akkor nem fog világítani a LED, egyébként igen. Ezzel megalkottuk a NAND kaput.

Megjegyzés: a 4011 Quad-2 típusú IC összesen 4 NAND kaput tartalmaz. Próbáljuk ki!

Flip-flop

Két NAND kapu segítségével meg tudunk alkotni egy egyszerű egy bites memóriát. A következő kapcsolást valósítsuk meg:

Mindkét NAND kapu kimenetét osszuk meg
NAND 1 kimenet -> NAND 2 A bemenet
NAND 2 kimenet -> NAND 1 B bemenet.

Nevezzük el az egyes bemeneteke és kimeneteket a következőképpen:

S (set): NAND 1 B bemenet (tehát a szabadon levő)
R (reset): NAND 2 A bemenet (tehát a szabadon levő)
Q: NAND 1 kimenet
Q': NAND 2 kimenet

Ezt hívjuk SR flip-flopnak.

Tegyünk egy zöld LED-et a Q-ra, pirosat pedig a Q'-re, megfelelő előtét ellenállással mindkettőt. (Az anód megy a Q-ra ill. Q'-re, a katód a GND-re.)

Alapból mindkét bemenet (S és R) legyen feszültségre kapcsolva. Az állapot határozatlan.
Helyezzük át az S-t GND-re. Ezzel bekapcsolódik a zöld és kikapcsolódik a piros LED.
Helyezzük vissza az S-t feszültségre. Az állapot nem változik: a zöld LED világít.
Az R-t helyezzük GND-re. Ennek következtében a piros kapcsolódik be, a zöld ki.
Helyezzük vissza az R-t feszültségre. Az állapot nem változik: a piros LED világít.
Ismételjük meg a fentieket párszor, viszont vigyázzunk, hogy egyszerre mindkettőt ne legyezzük 0-ra.

Ezzel megalkottunk egy egybites memóriát, ugyanis a kapcsolás megjegyzi, hogy az S vagy az R volt utoljára 0-n. Vegyük ugyanis azt az állapotot, amikor mindkét bemenet feszültségen van! Ránézésre nincs különbség, mégis, ha utoljára az S volt 0-ra kapcsolva, akkor a zöld világít, egyébként a piros.

Megjegyzés: a 74LS279 jelű IC 4 darab SR flip-flopot tartalmaz. Próbáljuk ki!

Léptető

TODO: elkészíteni

Összeadó