Основы электроники
Основы электроники
Здесь приведена информация которая вам пригодится.
Ток, напряжение и сопротивление
Разобраться с этими величинами нам поможет электрическая схема соединений из разд. «Эксперимент: управление электродвигателем», которую мы собрали на макетной плате.
Такое схематическое представление просто еще один, более абстрактный, способ показать, что находится у нас на макетной плате. На схеме компоненты изображаются не так, как в реальности, а так, чтобы было понятно, как они работают.
Ток
Ломаная линия, изображающая резистор R1, подсказывает, что этот элемент ограничивает ток. В электронике током называется поток электронов, идущий через провода или элементы схемы. Можно сказать, что электроны движутся из одной части вашей схемы в другую. Например, ток может выходить с GPIO-вывода Arduino или Raspberry Pi и поступать на резистор R1. Пройдя через резистор R1, он попадает на центральное соединение (базу) транзистора Q1.
Малый ток, идущий через базу транзистора, позволяет управлять протеканием гораздо более сильного тока через два соединения транзистора, показанные справа: коллектор (сверху) и эмиттер (снизу). Именно за счет этого эффекта слабый ток с GРІО-контакта позволяет управлять сильным током, питающим, например, двигатель. Такую конструкцию удобно сравнить с цифровым переключателем, который можно включать и выключать при помощи малого тока.
Единица измерения силы тока называется ампер (сокращенно 4). Поскольку ток с силой 1 А слишком мощный, чтобы работать с ним на Arduino или Raspberry Pi, чаще для удобства используется единица миллиампер (мА). При этом 1 мА = 1/1000 А.
Ограничивающий силу тока резистор R1 включается в нашу схему потому, что GРІО-контакты Arduino или Raspberry Pi недостаточно мощны, чтобы можно было управлять двигателем прямо с них. И если вы все же попытаетесь это сделать, то, скорее всего, повредите или вовсе выведете из строя Рі или Arduino. Как уже отмечалось ранее, Raspberry Pi может работать с током силой не более 16 мА, а Arduino - около 40 мА.
Напряжение
Вода всегда течет сверху вниз. Аналогично, ток в электрической схеме всегда поступает от компонентов, находящихся под более высоким напряжением, на компоненты, находящиеся под напряжением более низким. И если GPIO-контакт, от которого ток должен поступать на нашу схему по линии Управление, находится под напряжением 0 В, никакого тока не потечет от него на резистор, транзистор и далее на заземление, т. к. напряжение и у GPIO-контакта, и у заземления будет одинаковым, - 0 В.
Однако, когда GPIO-контакт находится в высоком состоянии (high) - т. е. на него подано 3,3 B (Raspberry Pi) или 5 B (Arduino), ток от него пойдет на резистор и далее, через транзистор, в заземление.
Здесь важно отметить, что во всех точках, соединенных на схеме линией, напряжение одинаково.
Напряжение измеряется в вольтах (сокращенно В). И, как уже отмечалось ранее, GРІО-контакты Raspberry Pi, работающие на вывод, имеют напряжение 3,3 В (high) или 0 B (low), а на Arduino соответственно: 5 В и 0 В.
Заземление
Линия «Земля» в нижней части рисунке - это заземление. На подобных схемах она часто обозначается аббревиатурой GND (от англ. ground, земля). Величина напряжения на заземлении всегда равна 0 В и является базовым значением, от которого отмериваются все остальные показатели напряжения на схеме. Так, верхний положительный зажим батарейки обозначен 6 В, поскольку его напряжение на 6 В выше, чем у выхода «Земля».
При подключении друг к другу различных компонентов какого-либо проекта все заземления этих компонентов должны быть соединены между собой. В нашем слу час, когда мы соберемся присоединить модуль управления двигателем к плате Arduino или Raspberry Pi, его заземляющая линия будет подключена к одному из контактов заземления (GND) этой платы.
Сопротивление
Каждый резистор обладает своим номинальным сопротивлением, которое измеряется в омах (ом), на схемах омы иногда обозначаются греческой буквой омега (2) Разброс значений сопротивления резисторов весьма велик, бывают такие, сопротивление которых составляет несколько килоОм (тысяч ом), а иногда и мегаОм (миллионов ом).
Резистор, включенный в схему, имеет значение 1 кОм, а определить, насколько можно ограничить ток таким резистором, позволяет закон Ома. Этот закон гласит, что сила тока, проходящего через резистор, равна разнице напряжения по обе стороны резистора (в вольтах), разделенной на сопротивление резистора (в омах). В случае Raspberry Pi максимальный перепад напряжения между GРІО-контактом и заземлением возможен в момент, когда GPIO-контакт находится в высоком (high) состоянии, т. е. значение напряжения на нем составляет 3,3 В. Отсюда максимальная возможная сила тока при этом:
3,3 В/1000 Ом = 3,3 мА.
TOK HA GPIO-KOHTAKTAX RASPBERRY PI
До сих пор нет общего мнения о том, с каким максимальным током может работать ЅРІО-контакт Raspberry Pi. Обычно я исхожу из значения, официально указанного изготовителем Raspberry Pi (т. е., 3 мА на 1 контакт GPIO). Значение 3 мА появилось по- тому, что на первой модели Raspberry Pi было всего 14 контактов, и его трехвольтовый регулятор напряжения позволял подать на GPIO-контакты всего 50 мА тока что давало 3 мА на 1 контакт GPIO при условии задействования всех таких контактов платы.
Эти показатели уже не актуальны для новых моделей Raspberry Pi (A+, В+ и Р. 2), имеющих по 24 контакта, доступных для использования в качестве GPIO, а также об- ладающих трехвольтовым регулятором напряжения, который теоретически может по- давать до 1 А. Однако даже если вы работаете с одной из этих новых моделей Raspberry Pi, то все равно не пытайтесь подавать 1 А / 24 = 41 мА на контакт GРІО поскольку применяемая в Raspberry Pi однокристальная система (system on a chip Soc) Broadcom также ограничивает предельный ток на один контакт GPIO величиной 16 MA
Теоретически на Raspberry Pi А+, В+ или Рі 2 можно подавать до 16 мА на какое угодно количество GPIO-контактов, однако есть и другие факторы, от которых зависит, сколько тока можно подать на Рі без риска повредить устройство, - например, частота модуляции и общий ток на всех контактах GPIO, который может выдержать кристалл Broadcom.
Итак, нужно придерживаться следующих рекомендаций:
Показанный на рисунке резистор R1 защищает GPIO-контакт, ограничивая силу тока, который может быть получен с этого контакта, и если каждый цифровой выход с Raspberry Pi всегда будет защищен резистором сопротивлением 1 кОм, мы можем не беспокоиться за наш Рі. Кстати, довольно часто, особенно при работе со светодиодами, можно будет применять резистор и с меньшим значением, поскольку на некоторых элементах (тех же светодиодах) будет происходить частичное падение напряжения, что приведет к снижению силы тока.
Мощность
Когда ток проходит через резистор, тот нагревается. Электрическая энергия превращается в тепловую, и измеряется такое преобразование мощностью - количеством энергии, преобразуемой при этом за секунду. Единица мощности ватт (Вт), и чтобы вычислить мощность, выделяемую компонентом при нагревании его протекающим через него током, нужно умножить напряжение, под которым он находится (в вольтах), на силу проходящего через него тока (в амперах).
Вернемся к резистору из рисунка, имеющему сопротивление 1 кОм. Если он находится под напряжением 2,2 В, и через него идет ток силой 2,2 мА, то он будет выдавать мощность около 4,8 мВт. Это очень небольшая мощность. Однако транзисторы также генерируют теплоту, определяемую умножением силы проходящего через них тока на напряжение. И если бы вы работали с достаточно мощным двигателем потребляющим, скажем, ток 800 мА, то перепад напряжения между коллектором и эмиттером в целом на транзисторе составил бы около 1,2 В. Тогда мощность, преобразованная в теплоту, равнялась бы:
800 мА х 1,2 В = 960 мВт.
В этом случае транзистор бы серьезно разогрелся. А если транзистор перегреется, то что-нибудь в нем расплавится, и он выйдет из строя. Поэтому ограничение мак- симально допустимого значения силы тока существует не только для Arduino или Raspberry Pi, но и для транзистора. Сравнительно крупные по размерам транзисто- ры обычно рассчитаны на более сильный ток, чем небольшие, и этот фактор необ- ходимо учитывать, подбирая транзистор для управления исполнительным меха- низмом.
Составной транзистор (пара Дарлингтона) МРЅА14, использованный в нашем эксперименте по управлению электродвигателем (см. разд. «Эксперимент: управление электродвигателем»), выдерживает ток силой до 1 А.
- Схема управления двигателем
Ток
Ломаная линия, изображающая резистор R1, подсказывает, что этот элемент ограничивает ток. В электронике током называется поток электронов, идущий через провода или элементы схемы. Можно сказать, что электроны движутся из одной части вашей схемы в другую. Например, ток может выходить с GPIO-вывода Arduino или Raspberry Pi и поступать на резистор R1. Пройдя через резистор R1, он попадает на центральное соединение (базу) транзистора Q1.
Малый ток, идущий через базу транзистора, позволяет управлять протеканием гораздо более сильного тока через два соединения транзистора, показанные справа: коллектор (сверху) и эмиттер (снизу). Именно за счет этого эффекта слабый ток с GРІО-контакта позволяет управлять сильным током, питающим, например, двигатель. Такую конструкцию удобно сравнить с цифровым переключателем, который можно включать и выключать при помощи малого тока.
Единица измерения силы тока называется ампер (сокращенно 4). Поскольку ток с силой 1 А слишком мощный, чтобы работать с ним на Arduino или Raspberry Pi, чаще для удобства используется единица миллиампер (мА). При этом 1 мА = 1/1000 А.
Ограничивающий силу тока резистор R1 включается в нашу схему потому, что GРІО-контакты Arduino или Raspberry Pi недостаточно мощны, чтобы можно было управлять двигателем прямо с них. И если вы все же попытаетесь это сделать, то, скорее всего, повредите или вовсе выведете из строя Рі или Arduino. Как уже отмечалось ранее, Raspberry Pi может работать с током силой не более 16 мА, а Arduino - около 40 мА.
Напряжение
Вода всегда течет сверху вниз. Аналогично, ток в электрической схеме всегда поступает от компонентов, находящихся под более высоким напряжением, на компоненты, находящиеся под напряжением более низким. И если GPIO-контакт, от которого ток должен поступать на нашу схему по линии Управление, находится под напряжением 0 В, никакого тока не потечет от него на резистор, транзистор и далее на заземление, т. к. напряжение и у GPIO-контакта, и у заземления будет одинаковым, - 0 В.
Однако, когда GPIO-контакт находится в высоком состоянии (high) - т. е. на него подано 3,3 B (Raspberry Pi) или 5 B (Arduino), ток от него пойдет на резистор и далее, через транзистор, в заземление.
Здесь важно отметить, что во всех точках, соединенных на схеме линией, напряжение одинаково.
Напряжение измеряется в вольтах (сокращенно В). И, как уже отмечалось ранее, GРІО-контакты Raspberry Pi, работающие на вывод, имеют напряжение 3,3 В (high) или 0 B (low), а на Arduino соответственно: 5 В и 0 В.
Заземление
Линия «Земля» в нижней части рисунке - это заземление. На подобных схемах она часто обозначается аббревиатурой GND (от англ. ground, земля). Величина напряжения на заземлении всегда равна 0 В и является базовым значением, от которого отмериваются все остальные показатели напряжения на схеме. Так, верхний положительный зажим батарейки обозначен 6 В, поскольку его напряжение на 6 В выше, чем у выхода «Земля».
При подключении друг к другу различных компонентов какого-либо проекта все заземления этих компонентов должны быть соединены между собой. В нашем слу час, когда мы соберемся присоединить модуль управления двигателем к плате Arduino или Raspberry Pi, его заземляющая линия будет подключена к одному из контактов заземления (GND) этой платы.
Сопротивление
Каждый резистор обладает своим номинальным сопротивлением, которое измеряется в омах (ом), на схемах омы иногда обозначаются греческой буквой омега (2) Разброс значений сопротивления резисторов весьма велик, бывают такие, сопротивление которых составляет несколько килоОм (тысяч ом), а иногда и мегаОм (миллионов ом).
Резистор, включенный в схему, имеет значение 1 кОм, а определить, насколько можно ограничить ток таким резистором, позволяет закон Ома. Этот закон гласит, что сила тока, проходящего через резистор, равна разнице напряжения по обе стороны резистора (в вольтах), разделенной на сопротивление резистора (в омах). В случае Raspberry Pi максимальный перепад напряжения между GРІО-контактом и заземлением возможен в момент, когда GPIO-контакт находится в высоком (high) состоянии, т. е. значение напряжения на нем составляет 3,3 В. Отсюда максимальная возможная сила тока при этом:
3,3 В/1000 Ом = 3,3 мА.
TOK HA GPIO-KOHTAKTAX RASPBERRY PI
До сих пор нет общего мнения о том, с каким максимальным током может работать ЅРІО-контакт Raspberry Pi. Обычно я исхожу из значения, официально указанного изготовителем Raspberry Pi (т. е., 3 мА на 1 контакт GPIO). Значение 3 мА появилось по- тому, что на первой модели Raspberry Pi было всего 14 контактов, и его трехвольтовый регулятор напряжения позволял подать на GPIO-контакты всего 50 мА тока что давало 3 мА на 1 контакт GPIO при условии задействования всех таких контактов платы.
Эти показатели уже не актуальны для новых моделей Raspberry Pi (A+, В+ и Р. 2), имеющих по 24 контакта, доступных для использования в качестве GPIO, а также об- ладающих трехвольтовым регулятором напряжения, который теоретически может по- давать до 1 А. Однако даже если вы работаете с одной из этих новых моделей Raspberry Pi, то все равно не пытайтесь подавать 1 А / 24 = 41 мА на контакт GРІО поскольку применяемая в Raspberry Pi однокристальная система (system on a chip Soc) Broadcom также ограничивает предельный ток на один контакт GPIO величиной 16 MA
Теоретически на Raspberry Pi А+, В+ или Рі 2 можно подавать до 16 мА на какое угодно количество GPIO-контактов, однако есть и другие факторы, от которых зависит, сколько тока можно подать на Рі без риска повредить устройство, - например, частота модуляции и общий ток на всех контактах GPIO, который может выдержать кристалл Broadcom.
Итак, нужно придерживаться следующих рекомендаций:
- на базовом Raspberry Pi можно использовать 16 мА на каждый контакт при общем токе на всех контактах 40 мА;
- на Raspberry Pi А+, В+ или Рі 2 можно без опаски подавать не более 16 мА на контакт и не более 100 мА на все задействованные контакты.
Показанный на рисунке резистор R1 защищает GPIO-контакт, ограничивая силу тока, который может быть получен с этого контакта, и если каждый цифровой выход с Raspberry Pi всегда будет защищен резистором сопротивлением 1 кОм, мы можем не беспокоиться за наш Рі. Кстати, довольно часто, особенно при работе со светодиодами, можно будет применять резистор и с меньшим значением, поскольку на некоторых элементах (тех же светодиодах) будет происходить частичное падение напряжения, что приведет к снижению силы тока.
Мощность
Когда ток проходит через резистор, тот нагревается. Электрическая энергия превращается в тепловую, и измеряется такое преобразование мощностью - количеством энергии, преобразуемой при этом за секунду. Единица мощности ватт (Вт), и чтобы вычислить мощность, выделяемую компонентом при нагревании его протекающим через него током, нужно умножить напряжение, под которым он находится (в вольтах), на силу проходящего через него тока (в амперах).
Вернемся к резистору из рисунка, имеющему сопротивление 1 кОм. Если он находится под напряжением 2,2 В, и через него идет ток силой 2,2 мА, то он будет выдавать мощность около 4,8 мВт. Это очень небольшая мощность. Однако транзисторы также генерируют теплоту, определяемую умножением силы проходящего через них тока на напряжение. И если бы вы работали с достаточно мощным двигателем потребляющим, скажем, ток 800 мА, то перепад напряжения между коллектором и эмиттером в целом на транзисторе составил бы около 1,2 В. Тогда мощность, преобразованная в теплоту, равнялась бы:
800 мА х 1,2 В = 960 мВт.
В этом случае транзистор бы серьезно разогрелся. А если транзистор перегреется, то что-нибудь в нем расплавится, и он выйдет из строя. Поэтому ограничение мак- симально допустимого значения силы тока существует не только для Arduino или Raspberry Pi, но и для транзистора. Сравнительно крупные по размерам транзисто- ры обычно рассчитаны на более сильный ток, чем небольшие, и этот фактор необ- ходимо учитывать, подбирая транзистор для управления исполнительным меха- низмом.
Составной транзистор (пара Дарлингтона) МРЅА14, использованный в нашем эксперименте по управлению электродвигателем (см. разд. «Эксперимент: управление электродвигателем»), выдерживает ток силой до 1 А.
Распространенные компоненты
Здесь мы рассмотрим некоторые компоненты, применяемые в этой книге, и объяс ним, как их использовать и как подбирать.
Резисторы
На вид резисторы - маленькие элементы, несущие на себе разноцветные полоски. Если вы хотите узнать значение сопротивления резистора, можно измерить его мультиметром, либо определить это значение по цветам полосок. Каждому цвету полоски соответствует число
Цветовые обозначения резисторов
Черный - 0
Коричневый - 1
Красный - 2
Оранжевый - 3
Желтый - 4
Зеленый - 5
Синий - 6
Фиолетовый - 7
Серый - 8
Белый - 9
Золотистый - 1/10
Серебристый - 1/100
ПРИМЕЧАНИЕ
Золотистый и серебристый цвет указывают не только доли, соответственно. 1/10 и 1/100, но и точность резистора. Так, золотистый цвет означает ±5%, а серебристый - ±10%.
Как правило, на одном конце резистора присутствуют три такие полоски, далее идут пробел и еще одна полоска на другом конце резистора, которая означает точность значения резистора.
На рисунке показано расположение цветных полос. Значение резистора определяется по трем первым полоскам: первая соответствует первой цифре, вторая - второй, а третья - «множитель», указывает, сколько нулей нужно поставить после первых двух цифр.
Исходя из сказанного, резистор, изображенный на рисунке имеет сопротивление 270 Ом: первая цифра - 2 (красная полоска), вторая - 7 (фиолетовая полоска), а множитель - 1 (коричневая полоска), добавляющий 0 после цифр 27. Аналогично, на резисторе сопротивлением 1 кОм будут нанесены коричневая, черная и красная полосы (1, 0. 00).
Резисторы также различаются и по номинальной мощности. Практически все обычные резисторы того типа, что используются в схемах этой книги (для монтажа в сквозные отверстия), обладают мощностью 0,25 Вт. Другие распространенные значения номинальной мощности: 0,5 Вт, 1 Вт и 2 Вт, причем, чем выше номинальная мощность резистора, тем крупнее он сам.
Транзисторы
Как правило, любой поставщик комплектующих предлагает немыслимое количество самых разных транзисторов. Поэтому для использования в этой книге я, чтобы не усложнять поиск, подобрал всего четыре транзистора, на основе которых можно создавать практически все электронные схемы, способные управлять различными устройствами, подключенными к платам Arduino и Raspberry Pi.
Транзистор из разд. «Эксперимент: управление электродвигателем» это как раз тот самый компонент, при помощи которого слабый ток силой несколько миллиампер позволяет управлять сотнями миллиампер, подаваемыми на двигатель. Хотя транзисторы могут использоваться и для других целей, в этой книге они послужат нам переключателями. Малый ток поступает на базу транзистора и далее на заземляющий вывод (GND) через эмиттер транзистора. Этот ток и будет переключать гораздо более сильный ток, поступающий с коллектора на эмиттер. На рисунке ниже показана подборка транзисторов различных типов, позволяющих работать с разными мощностями.
Существует всего несколько разновидностей корпусов транзисторов. При этом по внешнему виду транзистора определить его свойства невозможно - нужно прочитать, что на нем написано.
Наиболее распространенные варианты корпусов: ТО-92 (рис., слева) и ТО-220 (рис., в центре). Иногда, для работы на очень сильных токах, могут использоваться транзисторы с более крупным корпусом- как вариант ТО-247 показанный на рис., справа.
Модели ТО-220 и ТО-247 предназначены для монтажа на теплоотводах. Впрочем, если вы используете эти транзисторы при токах, которые значительно меньше указанного для них максимума, то устанавливать их на теплоотводах необязательно.
Биполярные транзисторы
Транзисторы изготавливаются по разным технологиям, каждой из которых присущи свои достоинства и свои недостатки. Поэтому транзистор может подойти вам в одной ситуации и не пригодиться в другой.
Начиная работать с транзисторами, вы, скорее всего, столкнетесь именно с биполярной моделью. Они практически не изменились со времен зарождения транзисторной отрасли. Преимущество таких транзисторов - в их дешевизне и в том, что их очень легко использовать при малых нагрузочных токах. Есть у них и недостаток - хотя малый ток, проходящий через базу к эмиттеру транзистора, позволить прохождение более сильного тока, идущего от коллектора к эмиттеру, ток коллектора ограничивается множителем тока базы, и этот множитель (называемый коэффициентом усиления, или hFE), как правило, находится в диапазоне от 50 до 200 Соответственно, если Raspberry Pi подает на базу ток силой 2 мА, то через коллектор может идти ток не более 100 мА. Эта величина гораздо меньше той, на которую вы, возможно, рассчитывали, поскольку транзистор вполне может выдерживать и более сильный ток (скажем, 500 мА), но она никогда не достигнет такого предела - ведь тока на базе просто не хватит. Как правило, при работе с Arduino такая проблема не возникает, поскольку Arduino позволяет подавать на базу больший ток (до 40 мА), если вместо резистора сопротивлением 1 кОм применить более слабый резистор. Так, если взять резистор со значением 150 Ом, то ток базы увеличится до:
1-V/R=(5-0,5)/150=30 мА.
И даже в худшем случае если транзистор имеет коэффициент усиления 50 - ток базы силой 30 мА даст на коллекторе ток силой 1,5 А.
Тут надо пояснить: в только что рассмотренном примере напряжение рассчитыва ется как (5 - 0,5), поскольку напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора, когда транзистор включен, составляет около 0,5 В.
В этой книге мы будем работать всего с одной моделью биполярного транзисто pa весьма распространенным 2N3904. Хотя в наличии есть биполярные транзисторы, выдерживающие более сильный ток, при увеличении силы тока лучше работать с более высокотехнологичными транзисторами.
Составные транзисторы
Когда вам требуется более значительное усиление если, к примеру, вы управляете небольшим электродвигателем с платы Raspberry Рі, позволяющей подать на базу всего несколько миллиампер, то вместо обычного биполярного транзистора удобно взять составной транзистор (так называемую пару Дарлингтона), который обычно имеет коэффициент усиления не менее 10 000.
Составной транзистор содержит два биполярных транзистора в одном корпусе (рисунок ниже), и именно благодаря такой двухкомпонентной структуре составные транзисторы получают столь высокий коэффициент усиления.
Поскольку в составном транзисторе имеются два компонента с базой и эмиттером в каждом, при включенном транзисторе в каждой такой паре перепад напряжения составит как минимум 0,5 В, что дает общий перепад напряжения 1 В, а не 0,5 В. как в обычном биполярном транзисторе. На самом деле, этот перепад касается и напряжения коллектора и увеличивается с повышением нагрузочного тока. Таким образом, когда мы управляем током в 1 А, составной транзистор MPSA14 на практике способен дать нам всего 9 В, питая нагрузку в 12 В. В одних случаях это имеет значение, в других - нет.
Транзистор из разд. «Эксперимент: управление электродвигателем» - это составной транзистор МРЅА14. Перепад напряжения на резисторе R1 при использовании Raspbeгту Рі на самом деле составит не 3,3 В, а 3,3 В 1 В = 2,2 В. Соответственно, Raspberry Pi потребуется подавать ток 2,2 В / 1 кОм 2,2 мА.
Кроме маломощного транзистора МРЅА14, который удобен для управления нагрузками до 0,5 В, также рекомендую вам работать с более мощным составным транзистором ТІР120, который является стандартным устройством и обязательно должен присутствовать в вашем ящике с комплектующими.
МОП-транзисторы
В принципе, биполярный транзистор представляет собой управляемое током устройство: малый базовый ток усиливается и превращается в большой ток коллектора. Однако существует еще один вид транзисторов - так называемые полевые, или МОП-транзисторы (сокращение от «металл-оксид-полупроводник»), требующие для переключения очень малого тока, но остающиеся во включенном состоянии, пока напряжение на их входном затворе превышает некоторое пороговое значение.
На рисунке ниже схематически представлен такой транзистор - как вы можете догадаться, на этой схеме входной его компонент (затвор) электрически не соединен с остальными компонентами транзистора напрямую.
Обратите внимание: в отличие от биполярного транзистора, компоненты которого назывались базой, коллектором и эмиттером, компоненты МОП-транзистора называются затвор (G, от англ. gate), сток (D, от англ. drain) и исток (S, от англ. source). Напрашивается мысль, что исток эквивалентен коллектору, но на самом деле коллектор из биполярного транзистора эквивалентен стоку полевого.
МОП-транзисторы при работе с Arduino или Raspberry Рі весьма целесообразно применять для включения/отключения устройств схемы, поскольку в таком случае можно обойтись минимальным током. Нужно просто убедиться, что напряжение на затворе транзистора выше его порогового значения. Пороговым значением затвора является такое, при котором МОП-транзистор включается, пропуская ток от стока к истоку. На рисунке показано, как подключить МОП-транзистор для управления нагрузкой. Как можно видеть, на самом деле подключение точно такое же, что и в случае биполярного транзистора.
В схеме, показанной на рисунке используются два символа, с которыми мы ранее не сталкивались. От истока транзистора (S) отходит линия, несущая три параллельные линии, которые постепенно укорачиваются. Это символ заземления - применяя его на схеме, мы избавляемся от лишних соединительных линий.
Второй символ расположен в верхней части схемы это просто горизонтальная черта, которой отмечены 6 В. Она означает, что напряжение в этой части схемы составит 6 В, что избавляет нас от необходимости рисовать батарею.
Цоколевка ТРАНЗИСТОРОВ РАЗЛИЧАЕТСЯ
Мы и стараемся использовать транзисторы со взаимно совместимыми цоколевками (расположением выводов), это правило не универсально. Не все транзисторы в схожих корпусах имеют одинаковую цоколевку, поэтому перед применением нового транзистора сверяйтесь с его паспортом.
Возможно, после рассмотрения рисунка выше у вас возникнет вопрос - а зачем нам по-прежнему нужен резистор R1, ведь затвор не принимает никакого тока? Дело в том, что иметь этот резистор все равно целесообразно, ведь стоит нам увеличить напряжение на затворе и на долю секунды возникнет молниеносный бросок тока. Резистор гарантирует, что такой бросок не сожжет контакт GPIO.
Сложность работы с МОП-транзисторами в том, что иногда их пороговое значение слишком высоко, и его не удается переключить при помощи напряжения в 3,3 В с Raspberry Pi или 5 B с Arduino. МОП-транзисторы, чье пороговое значение затво а достаточно низкое, чтобы их можно было переключать непосредственно с GPIO- контактов наших плат, называются МОП-транзисторами с логическим уровнем входа (logic-level). Для этой книги выбраны два стандартных МОП-транзистора: на низких мощностях используется 2N7000, а на сравнительно высоких - FOP30N061. Пороговое значение на затворе у обоих гарантированно не превышает 3 В, поэтому их можно использовать как с Arduino, так и с Raspberry Pi
В целом МОП-транзисторы при переключении нагрузок нагреваются не так сильно, как биполярные. Один из основных параметров МОП-транзисторов, на который нужно обращать внимание при покупке компонента, называется сопротивлением открытого канала (on resistance). МОП-транзисторы с очень низким сопротивлением открытого канала будут переключать большие токи, даже не нагреваясь. Как вы догадываетесь, чем ниже сопротивление открытого канала у МОП-транзистора, тем он дороже.
Мы будем достаточно много работать с МОП-транзисторами. В основном я буду рассказывать о FQP30N06L (токи до 30 А), но для работы на таких токах вам понадобится большой теплоотвод.
Кстати, коллектор, база и эмиттер составного транзистора TIP120 и исток, затвор и сток МОП-транзистора FQP30N06L расположены одинаково, поэтому вы можете просто извлечь из макетной платы TIP120 и поставить на его место FQP30N06L не меняя конфигурации - при этом схема все равно должна работать.
РНР-транзисторы и транзисторы с р-каналом
Транзисторы каждого из всех ранее описанных типов на самом деле существуют в двух разновидностях. До сих пор мы рассматривали всего одну их разновидность: отрицательно-положительно-отрицательные транзисторы (NPN, от англ. negative-positive-negative), они же транзисторы с n-каналом (в случае МОП-транзисторов) Такие транзисторы - наиболее распространены, и обычно ими вполне можно обойтись.
Транзисторы другого вида - это положительно-отрицательно-положительные (PNP, от англ. positive-negative-positive) устройства, они же транзисторы с р-каналом. Если устройства N-типа применяются для переключения нагрузки на заземление, то устройства Р-типа переключают нагрузку на источник положительного питания. МОП-транзисторы с р-каналом используются в мостовых схемах управления двигателем, рассматриваемых далее
Как подбирать транзистор?
Подобрать правильный транзистор порой бывает непросто. С помощью таблицы проблема выбора у вас сведена всего к пяти транзисторам.
При работе с Raspberry Pi имеется в виду, что между GPIO-контактом и базой или затвором транзистора стоит резистор сопротивлением 1 кОм. В случае с Arduino предполагается, что сопротивление такого резистора будет 150 Ом. Приведенные значения получены по результатам тестирования реальных устройств, а максимальные значения напряжения взяты из спецификаций изделий.
Таблица. Полезный набор транзисторов
Приобретая транзистор FQP30N061, убедитесь, что это МОП-транзистор версии L (логический) название модели оканчивается именно на L, в противном случае пороговое напряжение затвора может быть слишком высоким.
Транзистор МРЅА14 является практически универсальным для работы с токами до 1 А. хотя при таких токах перепад напряжения составляет почти 3 В, и транзистор разогревается до 120°С! При токе 500 мА перепад напряжения уже не такой страшный всего 1,8 В. и температура транзистора 60°С.
Итак, если вам требуется переключать токи всего лишь около 100 мА, то вам вполне хватит транзистора 2N3904. Если нужен 1 А, используйте транзистор МРЅА14. При более сильных токах наилучший вариант, пожалуй, это транзистор FQP30N06L, если, конечно, цена вас не смущает, поскольку транзистор ТІР120 существенно дешевле.
Диоды
Диод D1, включенный в схему, показанную на рис. 5.1, нужен для защиты плат Raspberry Pi или Arduino и транзистора.
Дело в том, что электродвигатели создают скачки напряжения и всевозможные электрические помехи, которые могут устроить настоящий хаос в такой тонкой электронике, как Raspberry Pi или Arduino. Диод гарантирует, что всплески тока, спровоцированные двигателем, не приведут к мгновенному изменению направления тока, что может сразу сжечь транзистор. Суть в том, что диод пропускает ток только в одном направлении - в этом он похож на обратный клапан. Ток может идти через диод лишь в том направлении, куда указывает сам диод, по своей форме напоминающий стрелку.
Из-за таких свойств диодов их довольно часто ставят на выводах двигателя. Обычно ток идет через двигатель в направлении, обратном тому, которое допускает диод, но если случится отрицательный скачок напряжения, то диод вступает в дело, проводит ток и обнуляет его, фактически гася тем самым короткое замыкание.
Светодиоды
Гораздо подробнее мы обсудим светодиоды (LED, от англ. Light Emitting Diode, светоизлучающий диод) позже.
Как вы уже догадываетесь, светодиод работает как самый обычный диод, однако когда через него проходит ток, он излучает свет. Схемный символ светодиода точно такой же, что и у обычного диода, но добавленные справа стрелки означают световое излучение (рисунок ниже).
Светодиоды бывают самых разных цветов и размеров. Ими можно управлять непосредственно с GPIO-контакта Arduino или Raspberry Pi, однако, как и при работе с транзистором, необходимо использовать резистор для ограничения силы тока. О том, как это делается, рассказано позднее.
Конденсаторы
Можно сказать, что конденсатор предназначен для временного запасания электричества примерно, как очень малоемкие батарейки, сохраняющие небольшой резервный заряд. Конденсаторы мы станем использовать в проектах книги в различных качествах - с их помощью мы будем подавлять электрические помехи, а также запасать небольшие резервы электроэнергии, чтобы при резкой необходимости добавить энергию, ее можно было взять с конденсатора.
На рисунке показаны символы конденсаторов. Если конденсатор имеет очень высокое значение емкости, то он обычно поляризуется. Малоемкие конденсаторы не имеют положительного и отрицательного полюса.
Иногда встречаются немного иные, но тем не менее узнаваемые символы конденсатора: в них положительный полюс поляризованного конденсатора обозначается пустой рамкой, а отрицательный - закрашенной. В этой книге конденсаторы обозначаются символикой, принятой в США, как и показано на рисунке
Интегральные схемы
Интегральные схемы (ИС), часто именуемые просто чипами или микросхемами, состоят из множества транзисторов, диодов и других электронных компонентов, размещенных на кремниевом кристалле и соединенных между собой в сложные схемы. На печатных платах и Raspberry Pi и Arduino расположено множество таких микросхем и прочих электронных элементов.
Существуют интегральные микросхемы специального назначения, предназначенные для работы в любых типах электронных устройств, с которыми бы вам только захотелось иметь дело. Но в этой книге нам особенно важны микросхемы, которые позволяют управлять электронными устройствами. В корпусе таких микросхем часто объединяются сильноточные транзисторы и логические схемы управления.
Резисторы
На вид резисторы - маленькие элементы, несущие на себе разноцветные полоски. Если вы хотите узнать значение сопротивления резистора, можно измерить его мультиметром, либо определить это значение по цветам полосок. Каждому цвету полоски соответствует число
Цветовые обозначения резисторов
Черный - 0
Коричневый - 1
Красный - 2
Оранжевый - 3
Желтый - 4
Зеленый - 5
Синий - 6
Фиолетовый - 7
Серый - 8
Белый - 9
Золотистый - 1/10
Серебристый - 1/100
- Расшифровка цветовой маркировки резистора
- Снимок экрана 2023-08-29 125857.jpg (10.79 КБ) 334 просмотра
Золотистый и серебристый цвет указывают не только доли, соответственно. 1/10 и 1/100, но и точность резистора. Так, золотистый цвет означает ±5%, а серебристый - ±10%.
Как правило, на одном конце резистора присутствуют три такие полоски, далее идут пробел и еще одна полоска на другом конце резистора, которая означает точность значения резистора.
На рисунке показано расположение цветных полос. Значение резистора определяется по трем первым полоскам: первая соответствует первой цифре, вторая - второй, а третья - «множитель», указывает, сколько нулей нужно поставить после первых двух цифр.
Исходя из сказанного, резистор, изображенный на рисунке имеет сопротивление 270 Ом: первая цифра - 2 (красная полоска), вторая - 7 (фиолетовая полоска), а множитель - 1 (коричневая полоска), добавляющий 0 после цифр 27. Аналогично, на резисторе сопротивлением 1 кОм будут нанесены коричневая, черная и красная полосы (1, 0. 00).
Резисторы также различаются и по номинальной мощности. Практически все обычные резисторы того типа, что используются в схемах этой книги (для монтажа в сквозные отверстия), обладают мощностью 0,25 Вт. Другие распространенные значения номинальной мощности: 0,5 Вт, 1 Вт и 2 Вт, причем, чем выше номинальная мощность резистора, тем крупнее он сам.
Транзисторы
Как правило, любой поставщик комплектующих предлагает немыслимое количество самых разных транзисторов. Поэтому для использования в этой книге я, чтобы не усложнять поиск, подобрал всего четыре транзистора, на основе которых можно создавать практически все электронные схемы, способные управлять различными устройствами, подключенными к платам Arduino и Raspberry Pi.
Транзистор из разд. «Эксперимент: управление электродвигателем» это как раз тот самый компонент, при помощи которого слабый ток силой несколько миллиампер позволяет управлять сотнями миллиампер, подаваемыми на двигатель. Хотя транзисторы могут использоваться и для других целей, в этой книге они послужат нам переключателями. Малый ток поступает на базу транзистора и далее на заземляющий вывод (GND) через эмиттер транзистора. Этот ток и будет переключать гораздо более сильный ток, поступающий с коллектора на эмиттер. На рисунке ниже показана подборка транзисторов различных типов, позволяющих работать с разными мощностями.
- Подборка транзисторов
Наиболее распространенные варианты корпусов: ТО-92 (рис., слева) и ТО-220 (рис., в центре). Иногда, для работы на очень сильных токах, могут использоваться транзисторы с более крупным корпусом- как вариант ТО-247 показанный на рис., справа.
Модели ТО-220 и ТО-247 предназначены для монтажа на теплоотводах. Впрочем, если вы используете эти транзисторы при токах, которые значительно меньше указанного для них максимума, то устанавливать их на теплоотводах необязательно.
Биполярные транзисторы
Транзисторы изготавливаются по разным технологиям, каждой из которых присущи свои достоинства и свои недостатки. Поэтому транзистор может подойти вам в одной ситуации и не пригодиться в другой.
Начиная работать с транзисторами, вы, скорее всего, столкнетесь именно с биполярной моделью. Они практически не изменились со времен зарождения транзисторной отрасли. Преимущество таких транзисторов - в их дешевизне и в том, что их очень легко использовать при малых нагрузочных токах. Есть у них и недостаток - хотя малый ток, проходящий через базу к эмиттеру транзистора, позволить прохождение более сильного тока, идущего от коллектора к эмиттеру, ток коллектора ограничивается множителем тока базы, и этот множитель (называемый коэффициентом усиления, или hFE), как правило, находится в диапазоне от 50 до 200 Соответственно, если Raspberry Pi подает на базу ток силой 2 мА, то через коллектор может идти ток не более 100 мА. Эта величина гораздо меньше той, на которую вы, возможно, рассчитывали, поскольку транзистор вполне может выдерживать и более сильный ток (скажем, 500 мА), но она никогда не достигнет такого предела - ведь тока на базе просто не хватит. Как правило, при работе с Arduino такая проблема не возникает, поскольку Arduino позволяет подавать на базу больший ток (до 40 мА), если вместо резистора сопротивлением 1 кОм применить более слабый резистор. Так, если взять резистор со значением 150 Ом, то ток базы увеличится до:
1-V/R=(5-0,5)/150=30 мА.
И даже в худшем случае если транзистор имеет коэффициент усиления 50 - ток базы силой 30 мА даст на коллекторе ток силой 1,5 А.
Тут надо пояснить: в только что рассмотренном примере напряжение рассчитыва ется как (5 - 0,5), поскольку напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора, когда транзистор включен, составляет около 0,5 В.
В этой книге мы будем работать всего с одной моделью биполярного транзисто pa весьма распространенным 2N3904. Хотя в наличии есть биполярные транзисторы, выдерживающие более сильный ток, при увеличении силы тока лучше работать с более высокотехнологичными транзисторами.
Составные транзисторы
Когда вам требуется более значительное усиление если, к примеру, вы управляете небольшим электродвигателем с платы Raspberry Рі, позволяющей подать на базу всего несколько миллиампер, то вместо обычного биполярного транзистора удобно взять составной транзистор (так называемую пару Дарлингтона), который обычно имеет коэффициент усиления не менее 10 000.
Составной транзистор содержит два биполярных транзистора в одном корпусе (рисунок ниже), и именно благодаря такой двухкомпонентной структуре составные транзисторы получают столь высокий коэффициент усиления.
- Составной транзистор
Транзистор из разд. «Эксперимент: управление электродвигателем» - это составной транзистор МРЅА14. Перепад напряжения на резисторе R1 при использовании Raspbeгту Рі на самом деле составит не 3,3 В, а 3,3 В 1 В = 2,2 В. Соответственно, Raspberry Pi потребуется подавать ток 2,2 В / 1 кОм 2,2 мА.
Кроме маломощного транзистора МРЅА14, который удобен для управления нагрузками до 0,5 В, также рекомендую вам работать с более мощным составным транзистором ТІР120, который является стандартным устройством и обязательно должен присутствовать в вашем ящике с комплектующими.
МОП-транзисторы
В принципе, биполярный транзистор представляет собой управляемое током устройство: малый базовый ток усиливается и превращается в большой ток коллектора. Однако существует еще один вид транзисторов - так называемые полевые, или МОП-транзисторы (сокращение от «металл-оксид-полупроводник»), требующие для переключения очень малого тока, но остающиеся во включенном состоянии, пока напряжение на их входном затворе превышает некоторое пороговое значение.
На рисунке ниже схематически представлен такой транзистор - как вы можете догадаться, на этой схеме входной его компонент (затвор) электрически не соединен с остальными компонентами транзистора напрямую.
- Схема МОП-транзистора
- Снимок экрана 2023-08-29 134020.jpg (7.01 КБ) 334 просмотра
МОП-транзисторы при работе с Arduino или Raspberry Рі весьма целесообразно применять для включения/отключения устройств схемы, поскольку в таком случае можно обойтись минимальным током. Нужно просто убедиться, что напряжение на затворе транзистора выше его порогового значения. Пороговым значением затвора является такое, при котором МОП-транзистор включается, пропуская ток от стока к истоку. На рисунке показано, как подключить МОП-транзистор для управления нагрузкой. Как можно видеть, на самом деле подключение точно такое же, что и в случае биполярного транзистора.
- Схема включения МОП-транзистора
- Снимок экрана 2023-08-29 134434.jpg (10.17 КБ) 334 просмотра
Второй символ расположен в верхней части схемы это просто горизонтальная черта, которой отмечены 6 В. Она означает, что напряжение в этой части схемы составит 6 В, что избавляет нас от необходимости рисовать батарею.
Цоколевка ТРАНЗИСТОРОВ РАЗЛИЧАЕТСЯ
Мы и стараемся использовать транзисторы со взаимно совместимыми цоколевками (расположением выводов), это правило не универсально. Не все транзисторы в схожих корпусах имеют одинаковую цоколевку, поэтому перед применением нового транзистора сверяйтесь с его паспортом.
Возможно, после рассмотрения рисунка выше у вас возникнет вопрос - а зачем нам по-прежнему нужен резистор R1, ведь затвор не принимает никакого тока? Дело в том, что иметь этот резистор все равно целесообразно, ведь стоит нам увеличить напряжение на затворе и на долю секунды возникнет молниеносный бросок тока. Резистор гарантирует, что такой бросок не сожжет контакт GPIO.
Сложность работы с МОП-транзисторами в том, что иногда их пороговое значение слишком высоко, и его не удается переключить при помощи напряжения в 3,3 В с Raspberry Pi или 5 B с Arduino. МОП-транзисторы, чье пороговое значение затво а достаточно низкое, чтобы их можно было переключать непосредственно с GPIO- контактов наших плат, называются МОП-транзисторами с логическим уровнем входа (logic-level). Для этой книги выбраны два стандартных МОП-транзистора: на низких мощностях используется 2N7000, а на сравнительно высоких - FOP30N061. Пороговое значение на затворе у обоих гарантированно не превышает 3 В, поэтому их можно использовать как с Arduino, так и с Raspberry Pi
В целом МОП-транзисторы при переключении нагрузок нагреваются не так сильно, как биполярные. Один из основных параметров МОП-транзисторов, на который нужно обращать внимание при покупке компонента, называется сопротивлением открытого канала (on resistance). МОП-транзисторы с очень низким сопротивлением открытого канала будут переключать большие токи, даже не нагреваясь. Как вы догадываетесь, чем ниже сопротивление открытого канала у МОП-транзистора, тем он дороже.
Мы будем достаточно много работать с МОП-транзисторами. В основном я буду рассказывать о FQP30N06L (токи до 30 А), но для работы на таких токах вам понадобится большой теплоотвод.
Кстати, коллектор, база и эмиттер составного транзистора TIP120 и исток, затвор и сток МОП-транзистора FQP30N06L расположены одинаково, поэтому вы можете просто извлечь из макетной платы TIP120 и поставить на его место FQP30N06L не меняя конфигурации - при этом схема все равно должна работать.
РНР-транзисторы и транзисторы с р-каналом
Транзисторы каждого из всех ранее описанных типов на самом деле существуют в двух разновидностях. До сих пор мы рассматривали всего одну их разновидность: отрицательно-положительно-отрицательные транзисторы (NPN, от англ. negative-positive-negative), они же транзисторы с n-каналом (в случае МОП-транзисторов) Такие транзисторы - наиболее распространены, и обычно ими вполне можно обойтись.
Транзисторы другого вида - это положительно-отрицательно-положительные (PNP, от англ. positive-negative-positive) устройства, они же транзисторы с р-каналом. Если устройства N-типа применяются для переключения нагрузки на заземление, то устройства Р-типа переключают нагрузку на источник положительного питания. МОП-транзисторы с р-каналом используются в мостовых схемах управления двигателем, рассматриваемых далее
Как подбирать транзистор?
Подобрать правильный транзистор порой бывает непросто. С помощью таблицы проблема выбора у вас сведена всего к пяти транзисторам.
При работе с Raspberry Pi имеется в виду, что между GPIO-контактом и базой или затвором транзистора стоит резистор сопротивлением 1 кОм. В случае с Arduino предполагается, что сопротивление такого резистора будет 150 Ом. Приведенные значения получены по результатам тестирования реальных устройств, а максимальные значения напряжения взяты из спецификаций изделий.
Таблица. Полезный набор транзисторов
- Полезный набор транзисторов
- Полезный набор транзисторов
- Снимок экрана 2023-08-29 140238.jpg (10.5 КБ) 334 просмотра
Транзистор МРЅА14 является практически универсальным для работы с токами до 1 А. хотя при таких токах перепад напряжения составляет почти 3 В, и транзистор разогревается до 120°С! При токе 500 мА перепад напряжения уже не такой страшный всего 1,8 В. и температура транзистора 60°С.
Итак, если вам требуется переключать токи всего лишь около 100 мА, то вам вполне хватит транзистора 2N3904. Если нужен 1 А, используйте транзистор МРЅА14. При более сильных токах наилучший вариант, пожалуй, это транзистор FQP30N06L, если, конечно, цена вас не смущает, поскольку транзистор ТІР120 существенно дешевле.
Диоды
Диод D1, включенный в схему, показанную на рис. 5.1, нужен для защиты плат Raspberry Pi или Arduino и транзистора.
Дело в том, что электродвигатели создают скачки напряжения и всевозможные электрические помехи, которые могут устроить настоящий хаос в такой тонкой электронике, как Raspberry Pi или Arduino. Диод гарантирует, что всплески тока, спровоцированные двигателем, не приведут к мгновенному изменению направления тока, что может сразу сжечь транзистор. Суть в том, что диод пропускает ток только в одном направлении - в этом он похож на обратный клапан. Ток может идти через диод лишь в том направлении, куда указывает сам диод, по своей форме напоминающий стрелку.
Из-за таких свойств диодов их довольно часто ставят на выводах двигателя. Обычно ток идет через двигатель в направлении, обратном тому, которое допускает диод, но если случится отрицательный скачок напряжения, то диод вступает в дело, проводит ток и обнуляет его, фактически гася тем самым короткое замыкание.
Светодиоды
Гораздо подробнее мы обсудим светодиоды (LED, от англ. Light Emitting Diode, светоизлучающий диод) позже.
Как вы уже догадываетесь, светодиод работает как самый обычный диод, однако когда через него проходит ток, он излучает свет. Схемный символ светодиода точно такой же, что и у обычного диода, но добавленные справа стрелки означают световое излучение (рисунок ниже).
- Символ диода
- Снимок экрана 2023-08-29 140922.jpg (3.26 КБ) 334 просмотра
Конденсаторы
Можно сказать, что конденсатор предназначен для временного запасания электричества примерно, как очень малоемкие батарейки, сохраняющие небольшой резервный заряд. Конденсаторы мы станем использовать в проектах книги в различных качествах - с их помощью мы будем подавлять электрические помехи, а также запасать небольшие резервы электроэнергии, чтобы при резкой необходимости добавить энергию, ее можно было взять с конденсатора.
На рисунке показаны символы конденсаторов. Если конденсатор имеет очень высокое значение емкости, то он обычно поляризуется. Малоемкие конденсаторы не имеют положительного и отрицательного полюса.
- Символы конденсатора: неполяризованный (А) и поляризованный (Б)
- Снимок экрана 2023-08-29 141145.jpg (2.88 КБ) 334 просмотра
Интегральные схемы
Интегральные схемы (ИС), часто именуемые просто чипами или микросхемами, состоят из множества транзисторов, диодов и других электронных компонентов, размещенных на кремниевом кристалле и соединенных между собой в сложные схемы. На печатных платах и Raspberry Pi и Arduino расположено множество таких микросхем и прочих электронных элементов.
Существуют интегральные микросхемы специального назначения, предназначенные для работы в любых типах электронных устройств, с которыми бы вам только захотелось иметь дело. Но в этой книге нам особенно важны микросхемы, которые позволяют управлять электронными устройствами. В корпусе таких микросхем часто объединяются сильноточные транзисторы и логические схемы управления.
Подробнее о соединениях
Рассмотрев основы электроники, нужно хотя бы кратко упомянуть и о том, как те или иные электронные устройства подключаются к Raspberry Pi или Arduino. Ранее эти вопросы были рассмотрены весьма подробно, особенно все, что связано с программированием, так что, если вам нужны какие-либо уточнения, вы можете вернуться к этим вопросам.
Цифровые выходы
Как было показано ранее, цифровые выходы нужны для включения и выключения устройств. Если вы работаете с Raspberry Pi, то напряжение на цифровом выходе будет равно либо 0 B (low), либо 3,3 B (high). B Arduino высокое напряжение составляет 5, а не 3,3 В, но принцип аналогичен на цифровых выходах не может быть каких-либо иных значений напряжения, кроме high и low.
Еще одно различие между Arduino и Raspberry Pi заключается в том, что Arduino может работать под более сильным током (40 мА, а не 16 мА).
Цифровые входы
Цифровые входы часто подсоединяются к переключателям или цифровым выходам других устройств. Пороговое напряжение цифрового входа обычно равно среднему значению в диапазоне между high и low, поэтому у Arduino этот порог составит около 2,5 В, а у Raspberry Pi- около 1,65 В. Когда программа, работающая на Arduino или Raspberry Pi, считывает значение на цифровом входе, она проверяет, выше или ниже порогового значения это напряжение: в первом случае вход считается high, во втором - low.
Как и цифровые выходы, цифровые входы не могут иметь никаких половинчатых значений, они находятся в состоянии либо high, либо low. О том, как работать с цифровыми входами на Arduino и на Raspberry Pi было рассказано ранее.
Аналоговые входы
Аналоговые входы позволяют измерять на своих контактах напряжение, находящееся между значениями high и low. Ha Raspberry Pi аналоговых входов нет, а на Arduino их шесть, и они обозначены от А0 до А5.
В Arduino любое напряжение от 0 В до 5 В соответствует числовому значению в диапазоне от 0 до 1023. Так, 0 В соответствует 0, а 5 B- 1023. Среднее напряжение 2,5 В будет соответствовать показателю около 511.
Аналоговые выходы
Хотя можно предположить, что аналоговый выход позволяет задать любое значение напряжения между low и high, но на самом деле ситуация несколько сложнее. Эти выводы используют так называемую широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), позволяющую управлять средней мощностью, поступающей на обычный цифровой выход.
ШИМ служит для управления скоростью работы электродвигателей и яркостью светодиода.
Соединения по последовательным интерфейсам
Ранее были описаны самые простые, низкоуровневые приемы подключения электронных устройств к платам Arduino или Raspberry Pi. Однако некоторые устройства, которыми, вы, вероятно, попробуете управлять с Arduino или Raspberryу Рі, используют последовательные интерфейсы, побитово передающие двоичные данные с цифрового выхода одного устройства на цифровой вход другого.
Например, далее мы встретим дисплеи, данные для которых должны поступать по последовательному интерфейсу.
Существуют различные стандарты последовательных интерфейсов, решающие очень схожие задачи, но слегка по-разному. К ним относятся собственно последовательный интерфейс (он же TTL serial), интерфейс (I^2)С (произносится как «ай квадрат си») и последовательный периферийный интерфейс SPI
Цифровые выходы
Как было показано ранее, цифровые выходы нужны для включения и выключения устройств. Если вы работаете с Raspberry Pi, то напряжение на цифровом выходе будет равно либо 0 B (low), либо 3,3 B (high). B Arduino высокое напряжение составляет 5, а не 3,3 В, но принцип аналогичен на цифровых выходах не может быть каких-либо иных значений напряжения, кроме high и low.
Еще одно различие между Arduino и Raspberry Pi заключается в том, что Arduino может работать под более сильным током (40 мА, а не 16 мА).
Цифровые входы
Цифровые входы часто подсоединяются к переключателям или цифровым выходам других устройств. Пороговое напряжение цифрового входа обычно равно среднему значению в диапазоне между high и low, поэтому у Arduino этот порог составит около 2,5 В, а у Raspberry Pi- около 1,65 В. Когда программа, работающая на Arduino или Raspberry Pi, считывает значение на цифровом входе, она проверяет, выше или ниже порогового значения это напряжение: в первом случае вход считается high, во втором - low.
Как и цифровые выходы, цифровые входы не могут иметь никаких половинчатых значений, они находятся в состоянии либо high, либо low. О том, как работать с цифровыми входами на Arduino и на Raspberry Pi было рассказано ранее.
Аналоговые входы
Аналоговые входы позволяют измерять на своих контактах напряжение, находящееся между значениями high и low. Ha Raspberry Pi аналоговых входов нет, а на Arduino их шесть, и они обозначены от А0 до А5.
В Arduino любое напряжение от 0 В до 5 В соответствует числовому значению в диапазоне от 0 до 1023. Так, 0 В соответствует 0, а 5 B- 1023. Среднее напряжение 2,5 В будет соответствовать показателю около 511.
Аналоговые выходы
Хотя можно предположить, что аналоговый выход позволяет задать любое значение напряжения между low и high, но на самом деле ситуация несколько сложнее. Эти выводы используют так называемую широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), позволяющую управлять средней мощностью, поступающей на обычный цифровой выход.
ШИМ служит для управления скоростью работы электродвигателей и яркостью светодиода.
Соединения по последовательным интерфейсам
Ранее были описаны самые простые, низкоуровневые приемы подключения электронных устройств к платам Arduino или Raspberry Pi. Однако некоторые устройства, которыми, вы, вероятно, попробуете управлять с Arduino или Raspberryу Рі, используют последовательные интерфейсы, побитово передающие двоичные данные с цифрового выхода одного устройства на цифровой вход другого.
Например, далее мы встретим дисплеи, данные для которых должны поступать по последовательному интерфейсу.
Существуют различные стандарты последовательных интерфейсов, решающие очень схожие задачи, но слегка по-разному. К ним относятся собственно последовательный интерфейс (он же TTL serial), интерфейс (I^2)С (произносится как «ай квадрат си») и последовательный периферийный интерфейс SPI