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

Az egyszerű áramköri elemek jelölsei alapesetben a következők:

jelolesek.svg

Fentről lefelé sorba vesszük az egyes elemeket.

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.

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.

Tranzisztor

Angolul: transistor. 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.

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.

Logikai kapuk

TODO: elkészítni

Flip-flop

TODO: elkészíteni

Léptető

TODO: elkészíteni

Összeadó

TODO: elkészíteni

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