Przewodnik po podzespołach elektronicznych [Zestaw Młodego Montersa]

Trochę o podzespołach

Poznaj  działanie poszczególnych elementów elektronicznych, które zostały zastosowane w naszym KiT-cie. Artykuł jest uzupełnieniem  FILMU, w którym pokazujemy cały proces montażu/lutowania zestawu do samodzielnego montażu z logiem Montersi.

Rezystor

Zwany również opornikiem. To podstawowy i chyba najczęściej spotykany element elektroniczny, który widzimy w naszych urządzeniach (po ich otwarciu). Cechą rezystorów jest ich rezystancja, czyli opór. Jaki konkretnie opór? To już zależy od danego rezystora, a są one produkowane w wielu wariantach (np. 560 ohm, 1.1 kohm, 4.7 Mohm itp.).

Rezystor stawia opór prądowi, który przez niego przepływa. Wyobraź sobie, że do baterii o napięciu 3V podłączasz diodę LED. Takie podłączenie może skutkować szybkim uszkodzeniem diody, ponieważ pomiędzy baterią a diodą nie ma żadnego oporu i przez diodę popłynie maksymalny prąd (dużo większy, niż dioda LED jest w stanie przyjąć). To oczywiście duże uproszczenie, ale pokazuje, jak ważne są elementy, które potrafią ograniczyć wartość prądu. Jeżeli pomiędzy baterią a diodą LED wstawimy rezystor, to ograniczy on płynący prąd i przez to dioda się nie uszkodzi, tylko się po prostu… zaświeci.

Rezystory są stosowane do wielu innych zadań, ale zwyczajowo ich użycie jest ściśle związane z Prawem Ohma (stąd jednostka Ω [ohm] przy wyrażaniu wartości konkretnego rezystora).

W naszym zestawie do samodzielnego montażu, rezystory pełnią funkcję podciągania danej linii sygnałowej do potencjału dodatniego zasiania (5 V). Oznacza to, że wstępnie wymuszają one napięcie + 5 V na danych liniach sygnałowych (można o tym znaleźć więcej informacji pod hasłem „rezystory pull up”).

Kondensator

To element elektroniczny, który również pełni wiele funkcji w układach elektronicznych. Jego cechą jest pojemność wyrażona w Faradach (np. 100 nF, 47 uF itp.). Kondensator posiadając daną pojemność, może zgromadzić ładunek elektryczny, więc wiele eksperymentów dla początkujących elektroników przedstawiają kondensator jako analogia do baterii. Oczywiście to tylko przykład. Kondensatory potrafią „sprzęgać” ze sobą poszczególne obwody elektroniczne, filtrować napięcie itp.

Rezystory mają tzw. rezystancję (opór) a kondensatory mają pojemność. To już wiemy. Ale kondensatory oprócz pojemności, również mają pewien specyficzny opór, który nazywa się tutaj reaktancją pojemnościową. Ten opór (reaktancja pojemnościowa) zależy od częstotliwości sygnału, który przepływa przez kondensator. Im wyższa częstotliwość sygnału, tym mniejsza reaktancja pojemnościowa (mniejszy opór). Popularna bateria o napięciu 9 V to źródło napięcia stałego, a więc częstotliwość tego napięcia (sygnału) wynosi 0 Hz. Oznacza to, że przy tej częstotliwości (0 Hz) reaktancja pojemnościowa jest ogromna i dlatego mówi się, że dla prądu stałego kondensator stanowi przerwę w obwodzie – po prostu nie puszcza prądu dalej. Być może teraz nie jest to dla Ciebie jasne, ale nie przejmuj się. Z czasem te zagadnienia zaczną układać się w jedną całość.

Dlaczego to jest takie ważne?

Ta wiedza jest ważna, aby zrozumieć sens stosowania kondensatorów (zwłaszcza małych, ceramicznych) w układach elektronicznych. W naszym zestawie użyto kilku kondensatorów ceramicznych o pojemnościach 100 nF (oznaczenie „104”). Są one m.in. po obu stronach stabilizatora napięcia 7805. I teraz uwaga: układy scalone lubią być zasilane stabilnym napięciem, bez zbędnych wahań i zakłóceń. Jeżeli już mowa o zakłóceniach (tzw. szpilkach), to są one bardzo szybkie (widoczne dopiero pod specjalną aparaturą pomiarową – np. pod oscyloskopem). Skoro są szybkie, to możemy powiedzieć, że są sygnałem o dużej (wręcz ogromnej) częstotliwości.

Wracając teraz do naszych kondensatorów, które zamontowane są przy samym układzie (np. przy stabilizatorze czy przy mikrokontrolerze), to jeżeli tylko na linii zasilającej pojawi się jakieś zakłócenie (duża częstotliwość), to kondensator ceramiczny zwiera ten sygnał (zakłócenie) do masy – czyli go unicestwia. Dlaczego jest do tego zdolny? Bo kondensator stanowi bardzo niski opór dla sygnałów o ogromnych częstotliwościach. Mowa o wspomnianej już wyżej reaktancji pojemnościowej.

Kondensatory ceramiczne w naszym zestawie (pomarańczowe komponenty po lewej stronie) służą właśnie do tego, aby niwelować ewentualne zakłócenia na liniach zasilających, czyli aby usuwać te niepożądane sygnały szybkozmienne. Większe kondensatory (elektrolityczne – w których ważna jest polaryzacja) pełnią rolę takiego bufora zasilającego, aby jeszcze lepiej stabilizować i filtrować zasilanie.

Dioda prostownicza

Pod pojęciem diody, wielu początkujących elektroników widzi diodę LED (czyli świecącą). W rzeczywistości istnieje wiele rodzajów diod, a świecące są tylko jednym z wariantów. Na początek zwykła dioda prostownicza.

To element półprzewodnikowy, który potrafi przepuszczać prąd tylko w jednym kierunku. Kiedy przez diodę prostowniczą płynie prąd, powstaje na niej spadek napięcia (zwykle około 0.6 V – w zależności od tego, z czego wykonana jest dioda). To nie dużo, ale czasami to może mieć znaczenie. Diody tego typu stosuje się np. po to, aby zabezpieczyć się przed odwrotnym podłączeniem zasilania (zamienione „plus” z „minusem”).

W naszym zestawie do lutowania, zaraz za gniazdem zasilającym DC widoczna jest dioda prostownicza. Jeżeli wtyk zasilacza jest poprawnie wykonany, to dioda przepuści prąd płynący z zasilacza do układu. Jeżeli jednak wtyczka została wykonana odwrotnie (zamienione plus z minusem), to mogłoby to uszkodzić nasze układy w płytce drukowanej. Tutaj jednak dioda prostownicza zabezpiecza nas przed tą katastrofą. Jeżeli wtyk będzie źle wykonany (zamienione „plus” z „minusem”), to dioda po prostu tego dalej nie przepuści.

Dioda ma dwie elektrody: anodę (plus) i katodę (minus). Czasami istnieją sytuacje, w których celowo diodę wstawiamy w kierunku tzw. zaporowym. Czyli w takim kierunku, aby w normalnej pracy nie przepuszczała prądu. Ma to zastosowania przy przekaźnikach, gdzie często widać taką diodę wstawioną równolegle do cewki przekaźnika (w kierunku zaporowym). Szczegółowo o tym pisaliśmy już w innych naszych artykułach (na dole odnośnik).

Dioda LED

Myślę, że diody LED to te elementy, które nie wymagają większych wyjaśnień. Pamiętaj, że dioda świeci tylko wtedy, kiedy prawidłowo będzie przyłożone do niej napięcie (plus i minus). W odwrotnym połączeniu – nie zaświeci. Dodatkowo pamiętaj, aby przed diodą dać rezystor, który ograniczy prąd płynący przez taką diodę – inaczej może się uszkodzić.

Potencjometr

To rezystor, którego wartość rezystancji można zmieniać (np. obracając gałką). Potencjometry to dobre dzielniki napięcia. Zwyczajowo znamy je z regulatorów głośności (w starszych wzmacniaczach), ale spotykane są bardzo powszechnie jako elementy, którymi regulujemy pewne zachowania się układów elektronicznych (np. jasność, szybkość, częstotliwość, głośność itp.).

W naszym układzie, potencjometr podłączony jest pod wejście przetwornika analogowo-cyfrowego w mikrokontrolerze. Jego przekręcanie powoduje odkładanie innego napięcia na tzw. odczepie. To napięcie jest mierzone przez wspomniany przetwornik A/C i zamieniane na wartość cyfrową. Dalej program wgrany do mikrokontrolera wykorzystuje wartość tego napięcia aby określić, jak szybko diody w naszym układzie mają się zaświecać i gasić.

Stabilizator napięcia

To ciekawy układ, który znacznie ułatwia życie początkującym elektronikom. Jeżeli Twój zasilacz dostarcza napięcie o wartości np. 12 V, ale Twój projekt potrzebuje napięcia np. 5 V, to musisz to napięcie (12 V) jakoś obniżyć. Jeżeli tego nie zrobisz to ryzykujesz, że uszkodzisz użyte komponenty w swoim zestawie.

Sposobów na obniżenie napięcia jest wiele. Niektóre są bardzo skomplikowane, ale istnieją też bardzo proste. Właśnie układ typu 7805 to jedno z tych prostych rozwiązań, które jest powszechnie stosowane przez wielu elektroników. Wygląda jak tranzystor, a w rzeczywistości to prosty układ, który pełni rolę stabilizatora napięcia. Nie ważne, czy na jego wejście doprowadzisz 9 V, 12V czy 15 V, na jego wyjściu będzie napięcie 5 V (w przypadku układu 7805, ale są też układu 7812, które dają napięcie 12 V itp.).

Układ TM1637

To sterownik, który pierwotnie został dedykowany do wyświetlaczy siedmiosegmentowych. To wyświetlacze oparte o diody LED (zwykle czerwone) i można je skojarzyć ze starych radio budzików.  Te wyświetlacze wciąż są szeroko stosowane, natomiast w naszym przypadku układ pełni funkcję sterownika nie wyświetlacza, a pojedynczych diod.

W schemacie naszego zestawu nie zauważysz rezystorów, które są wstawione przed każdą diodą LED. Tak powinno być w znacznej części przypadków, natomiast stosując układ TM1637, nie ma potrzeby stosowania dodatkowych rezystorów, które ograniczą prąd płynący przez diody LED. Już sam układ dba o to, aby ten prąd był odpowiednio mały, tj. aby nie uszkodził podłączonych świecących diod.

Układ jest sterowany przez magistralę CLK/DIO za pomocą dwóch żył. Szczegóły jego działania i funkcje poszczególnych nóżek układu opisane są w specjalnym dokumencie (tzw. datasheet). My musimy tylko wiedzieć, że te dwie nóżki magistrali łączą się z naszym głównym układem – mikrokontrolerem ATtiny85. To on jest sercem całej płytki i to on decyduje o tym, w jaki sposób diody zaświecają się i gasną.

Mikrokontroler ATtiny 85

Pomimo niepozornej wielkości, to właśnie w nim tkwi cała magia. Jest to układ, który posiada tylko 8 nóżek (z czego 2 nóżki to zasilanie). Pozostałe 6 nóżek można wykorzystać… według własnego uznania. I to jest właśnie piękne w mikrokontrolerach. Oczywiście, aby dana nóżka pełniła konkretną funkcję, trzeba jej o tym powiedzieć. Mówi się to jej za pomocą tzw. kodu programu, który programista musi wcześniej napisać.

Istnieje wiele języków programowania, a jednym z nich jest język „C”. Używając odpowiednich formuł, komend – programista może napisać program w taki sposób, aby układ robił dokładnie to, czego programista sobie zażyczy. Ten program należy wgrać do mikrokontrolera używając tzw. programatora. Jest to jednak zagadnienie, które wykracza poza ramy tego artykułu.