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

TODO: elkészíteni

Forrasztás

Számomra mindig is komoly problémát okoztak a forrasztásos a DIY termékek. Senki sem tanított forrasztani, és ahhoz képest azért túl nagy a hibázási lehetőség, hogy biztosra lehessen menni. Sőt, hosszú ideig az összes próbálkozásom kudarcba fulladt, valamit mindig elrontottam. Az első sikeres projekt egy 3D karácsonyfa, amelyet pont 2020 Adventjének első vasárnapján sikerült elkészítenem.

Ez a szakasz valószínűleg egy elektronikában és forrasztásban jártas ember számára nem ad új információt, ám a hozzám hasonló, a téma iránt érdeklődő, de kevés tapasztalattal rendelkezők számára talán igen.

Az eszköz a szokásos kínai oldalakról beszerezhető, pl. az írás pillanatába innen: https://www.aliexpress.com/item/4000382155476.html. Nekem igazán ez a leírás segített az elkészítésében: https://www.instructables.com/DIY-3D-Christmas-Tree-Kit-With-RGB-Flashing-LEDs/. Másik leírás: https://hackaday.io/project/8850/instructions.

A forrasztás folyamata

A forrasztáshoz szükségünk van egy forrasztópákára (tartóval!), forrasztó cinkre vagy ónra, egy eszközre, ahova rögzíteni tudjuk a nyomtatott áramkört, valamint néhány egyébre (pl. vágóeszközre).

A forrasztandó áramköri elemet a lyukon átdugva nyomjuk rá nyomtatott áramkörre, hogy ne essen le. Rögzítsük csíptetővel a nyomtatott áramkört, így sem azt, sem a forrasztandó áramköri elemet nem kell kézzel tartanunk, az egyik kezünkben a forrasztó ónt, a máikban a forrasztópákát tartva tudjuk forrasztani.

Egy trükk: érdemes nem közvetlenül az ónt felhevíteni, hanem a forrasztandó áramköri elem lábát, és a másik feléhez hozzáérinteni a forrasztó ónt.

Tapasztalatom szerint érdemes egy pillanatra odatartani a forrasztó ónt és a forrasztópákát is, és nem kell megvárni, hogy biztos kész legyen. 80-90%-ban jó lesz, a maradék 10-20%-ot meg utólag lehet javítani. Ha ugyanis megvárjuk, hogy biztos jó-e, addigra túl sok ún kerülhet oda, ami egyéb problémákhoz vezethet, pl. könnyebben letörik, vagy kettő ilyen könnyen összeérhet.

Néhány fontos szempont, amelyek talán túl nyilvánvalóak, de mégis nem lehet eléggé hangsúlyozni:

  • A forrasztópáka nagyon forró, így ennek megfelelően óvatosan bánjuk vele.
  • Gyúlékony anyag ne legyen a közelben.
  • A forrasztott eszköz még véletlenül se legyen áramba dugva.
  • Itt hatványozottan igaz a "kétszer mérj, egyszer vágj" elv. Ha elrontottuk, akkor nagyon nehéz javítani, sok esetben konkrétan lehetetlen.

Konvenciók

Az alábbiakra nem lehet 100%-ban számítani, de többnyire betartják:

  • A nyomtatott áramkörökön (NYÁK) általában rárajzolják az adott elem sematikus ábráját.
    • Az ellenállásokat kis téglalapokkal jelölik, ami a kapcsolási rajzoknak felel meg. Sokszor ráírják az ellenállás méretét is.
    • A tranzisztorok helyét félkör jelzi, ami egyrészt a kapcsolási rajzokra, másrészt a fizikai kinézetükre is utal.
    • A kondenzátorok jelölése szimbolikusan a kétpólusú fegyverzetükkel történik, a negatív pólus satírozva.
    • A LED-ek esetén jelzik, hogy fényforrásról van szó.
  • A polaritás konvencionális jelölése:
    • Pozitív pólus: négyzet.
    • Negatív pólus: kör.
  • Az áramköri elemeknél általában a pozitív szár a hosszabb.

Az ellenállások forrasztása

Célszerű az ellenállásokkal kezdeni! Az ellenállásoknak van néhány, a forrasztás szempontjából igen jó tulajdonsága:

  • Mindegy, milyen irányba forrasztjuk.
  • Jól tűrik a hőt.
  • Szinte elronthatatlanok, de ha még is elromlik, akkor filléres tétel.

Ha nem tudjuk, hogy egy ellenállás mekkora, akkor elvileg színkód alapján meg tudnánk állapítani. A gyakorlatban viszont nagyon könnyű elrontani, mert nem mindegy, hogy melyik irányból olvassuk. Itt egy trükköt lehet alkalmazni: egy elektromos multiméterrel egész egyszerűen megmérjük az ellenállásokat.

A forrasztás előtt érdemes behajlítani az ellenállás szárait, az ellenállás mellett közvetlenül; úgy kényelmesen elfér.

A tranzisztorok forrasztása

A tranzisztoroknak három lábuk van, és itt fontos a polaritás. A tranzisztorok feje többnyire félhenger alakú. Szerencsés esetben a nyomtatott áramkörön található egy félkör, ami segít a helyes polaritás megállapításában; értelemszerűen illeszkednie kell.

Dugjuk át a lábakat (a tapasztalatom szerint egy nagyon picit szét kell húzni), majd nyomjuk rá az áramkörre úgy, hogy a sima fele érintkezzen a lapkával. A másik felén hajlítsuk be a lábakat úgy, hogy minél stabilabbak legyenek. A forrasztásnál vegyük figyelembe azt, hogy ez sokkal érzékenyebb mint az ellenállás, túl hosszú ideig ne forrósítsuk. Pár másodperc persze még bőven belefér, de ha több percig szerencsétlenkedünk egy lábbal, akkor nem biztos, hogy károsodás nélkül megússzuk.

A kondenzátorok forrasztása

A kisebb kapacitású kondenzátorok polaritása lényegtelen, a nagyobbaké nem az. A konvenciók itt is segítenek, viszont az ábra a NYÁK-on, valamint a kondenzátoron jelzett hatalmas mínusz jelek eléggé egyértelművé teszik a polaritást.

A diódák, LED-ek forrasztása

A diódáknál és LED-eknél is fontos a polaritás. A konvenciók alapján tudunk tájékozódni (a LED hosszabb szára a pozitív, a NYÁK-on a négyzet a pozitív), ill. itt a csúcsfénytől eltekintve mindegyiket úgy kell forrasztani, hogy alul legyen a hosszabb szára.

Egyéb komponensek forrasztása

A kapcsolók polaritása általában mindegy, a tápfelszültség esetében viszont ügyeljünk a polaritásra.

Unless otherwise stated, the content of this page is licensed under Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License