En nybörjares guide till Arduino (4 / 15 steg)

Steg 4: Hårdvara & elektronik

Innan vi börjar, ska jag förklara några av elektroniska komponenter. Om du bara börjat med elektronik, detta är för dig!

Ibland ska jag använda några fysik för att förklara hur en viss komponent fungerar, detta är bara en sida notera, det spelar ingen roll om du inte förstår detta ännu.

Jag gav också några länkar till videor på YouTube som hjälpte mig att förstå de grundläggande principerna för de olika komponenterna.

Grundläggande fysik

El är flödet av elektriska laddningsbärare: elektroner (i de flesta fall).

Elektronerna är negativt laddade partiklar som virvla runt den positivt laddade atomkärnan (core, plural: kärnor) av en atom.

Elektroner kan enkelt flytta genom metaller som koppar, silver, guld... Vi kallar dessa material ledare.
Dessa material har fritt rörliga elektroner.

Material som plast, trä, glas, luften... leda inte elektricitet mycket väl. De kallas isolatorer.
De har inte rör sig elektroner eller andra laddningsbärare.

En bit av material som har mer negativa laddningar (elektroner) än positiva sådana (kärnor med positiva protoner), är negativt laddade.
En bit material som har mindre negativa laddningar än positiva, är positivt laddade.
(Observera att endast elektronerna kan flytta, den positiva kärnan har fastnat i ett rutnät.)

Precis som magneter, mittemot avgifter locka varandra: när du har en bit material som har fler elektroner, och en bit som har mindre elektroner, elektronerna i den negativa bit kommer att lockas till den positiva delen. Om det finns en ledare mellan dessa bitar, dessa elektroner "flyter" till den positiva delen: detta är elektrisk ström.

Aktuella uttrycker beloppet av avgifter som rinner genom en ledare per tidsenhet. Dess enhet är ampere (ampere) och definieras som C/s, där C är Coulomb (avgift) och s är sekunder (tid). Dess symbol är jag.

Ett batteri har en negativ sida som har fler elektroner, och en positiv sida som har färre elektroner. Som jag sa tidigare, elektronerna kommer att försöka nå den positiva sidan, men de kan inte gå igenom den inre kretsen av själva batteriet. Detta ger elektroner potentiell energi. Detta är den energi som frigörs som ljus och värme i en lampa, som motion (rörelseenergi) i en motor... Skillnaden i potentiell energi av en avgift på positivt och en avgift på den negativa sidan, kallas spänningen. Enheten är volt, och definieras som J/C, där J är Joule (SI-enheten för energi) och C är Coulomb (SI-unit kostnadsfritt). Detta uttrycker hur mycket energi en viss avgift (läs: viss mängd elektroner) släpper.
Symbolen för volt är V eller U (från tysken ordet "Unterschied', skillnad, och hänvisar till potentialskillnaden).

Makt är mängden energi som frigörs per tidsenhet. SI-enheten är watt, och definieras som Jensen där J är Joule och s är sekunder. Om du multiplicerar nuvarande av spänning (C/s ∙ J/C) C upphäver, så du får J/s. Detta innebär att spänningen multiplicerad med nuvarande ger du wattal.

I de flesta scheman, konventionella strömflödet används: pilar dras från positivt till negativt. I praktiken dock kan endast elektroner flytta, så faktiska riktningen av strömflödet är från negativt till positivt.

Motstånd

Motstånd är komponenter med - som namnet antyder - ett elektriskt motstånd, med andra ord, de begränsa flödet av elektroner, så de ofta används för att begränsa strömmen.

SI-enheten för motstånd är ohm, skrivs ofta som den grekiska bokstaven omegaen (Ω). De används ofta med enhet prefixen kilo (k) och mega (M). T.ex. 1.2MΩ = 1M2Ω = 1, 200kΩ = 1,200, 000Ω = 1,200, 000E = 1,200, 000R. (Observera att skriva en siffra efter prefixet enhet är samma som skriver det efter decimalkommat. Också, i vissa scheman, E eller R används i stället för Ω).

Värdet av en resistor indikeras av 4 (eller 5) färgade band, med motstånd färgkod:
De första 2 (eller 3) band är de 2 (eller 3) första siffrorna i värdet 3 (eller 4) bandet är kraften av tio som kommer efter dessa 2 (eller 3) siffror. Detta kallas också multiplikatorn, och är bara antalet nollor som du måste lägga till. Sista bandet är toleransen, och är mestadels silver eller guld.
T.ex. rött rött rött guld = 22 x 100Ω = 2, 200Ω = 22 x 10² Ω = 2k2Ω = 2.2kΩ, med en tolerans på 5%. grön blå svart brun röd = 560 x 10Ω = 5, 600Ω = 5k6Ω = 5.6kΩ, med en tolerans på 2%.

Förhållandet mellan motstånd, spänning och ström kan beräknas med hjälp av Ohms lag.

JAG = V/R

där jag är strömmen i ampere, V spänningen i volt, och motståndet i ohm.
Detta är en mycket, om inte den mest viktiga formel i elektronik, så försök att komma ihåg det!

Kondensatorer

En kondensator är en elektrisk komponent som kan lagra elektrisk laddning (i form av elektroner).
Även om de är helt olika, på sätt och vis, beter den sig som en liten uppladdningsbart batteri.
När en spänning läggs till en kondensator, potentialskillnaden (en skillnad i antal elektroner → sidan med fler elektroner har en negativ laddning, jämfört med den andra sidan) dessa elektroner kan flöda ur kondensatorn igen, när spänningen används inte längre, precis som ett batteri.

Kondensatorer används i filter, till exempel att filtrera ut 50 / 60Hz buller från strömförsörjningen eller filtrera höga frekvenser av din musik när du sätter på low-pass filtrerar, eller vända bas och diskant knoppar på förstärkaren. I dessa fall kondensatorn avgifter och utsläpp verkligen snabbt.
En annan användning för kondensatorn, filtrera bort DC-spänning.

SI-enheten för kapacitans är Farad eller F. Detta är en mycket stor enhet och oftast ser du prefix som pico (p), nano (n) eller micro (µ).

På vissa mindre kondensatorer, är kapacitansen skrivet med ett tresiffrigt nummer. De två första siffrorna är de två första siffrorna i värdet, och den tredje siffran är kraften i tio att multiplicera det med. Enheten för värdet du får är picofarad.
T.ex. 104 = 10 x 10⁴ = 100 000 pF = 100 nF = 0,1 µF (= 0.0000001 F)

Större kondensatorer, elektrolytiska typ, (mestadels cylindriska de) har en polaritet, märkt med en grå linje. Om du ansluter dem på fel sätt runt, kan de explodera, var försiktig!

Transistorer

En transistor är en halvledare enhet, som används för att växla eller förstärka en signal. Du kan se det som en switch, som kan manövreras med hjälp av en mycket svag signal, en nuvarande kontrollerade switch.

En transistor har tre terminaler: de kallas basen (B), sändare (E) och samlaren (C).
Sändaren avger elektroner, och de är insamlade av samlaren. Basen används till att kontrollera detta flöde av elektroner.
Om en liten nuvarande flöden från basen till sändaren, en mycket större ström kommer att tillfalla från samlaren utsändaren. Hur mycket större denna C-E ström är, beror på en konstant, specifika för typ av transistorn. Denna konstant kallas DC nuvarande vinst, och har en symbol för den grekiska bokstaven bèta (β) eller Hfe.
T.ex. om du har en transistor med β = 100, och din B-E ström = 10mA, din C-E aktuella blir 1A.
Denna princip används i förstärkare.

Uppenbarligen, transistorn kan inte hålla på förstärkande forever: vid en viss punkt, transistorn ska bara fungera som en switch: transistorn är nu i mättnad läge.

Det finns två typer av transistorer: NPN och PNP. Detta har att göra med halvledare inuti.
Skillnaden är den riktning som flödar nuvarande, mer om detta i exemplen i följande steg.

MOSFETs

En annan typ av transistorn är MOSFET, akronym för Metal Oxide Semiconductor Field-effecttransistor.
MOS står bara för det material den är gjord av, och FET innebär att hur mycket ström som släpps igenom styrs av ett fält, ett elektriskt fält, närmare bestämt. Fysik berättar, att ju högre spänning, desto starkare det elektriska fältet, så att vi kan kontrollera den aktuella med en spänning, medan normalt (bipolär Junction Transistor eller integrerade) använder ström för att styra aktuellt.

En MOSFET har också tre stift: en grind (G), ett avlopp (D) och en källa (S).
Källan är där elektronerna kommer från, och de flöde till avloppet. Detta flöde styrs av spänningen vid grinden (och dess medföljande elektriska fältet). I analogi med transistorn, kan grinden jämföras med bas, källan till sändaren och avloppet till samlare.

En fördel med en MOSFET över en integrerade är högre effektivitet: när fullt påslagen, en MOSFET har D-S motstånd för några tiotals milliohms. Detta resulterar i mycket mindre effektförlusten (värme) när man kör hög-aktuell laster.
Också, ingen ström flyter från porten till källan.

En nackdel är dock att du behöver om 10v på utfärda utegångsförbud för de flesta MOSFETs vara fullt på. Detta är 2 - 3 gånger högre än spänningen i en Arduino utgångsstiftet, till exempel.

Dioder

Precis som en transistor är en diod en halvledare enhet. En av de intressanta egenskaperna hos en diod, är att de endast leda ström i en riktning.
Till exempel har Arduino styrelser en diod i serie med deras makt ingång, att hindra dig från att vända strömmen, och skada chip.

Dioder har ett framspänningsfall alltifrån 0,5 v till 0.7V. Detta innebär att om du mäter spänningen innan dioden, man om 600mV högre än efter dioden.

En diod har naturligtvis sina begränsningar: om omvänd spänningen är för hög, det kommer att bryta, vilket gör att låta nuvarande passera i fel riktning. I några dioder görs detta på ett kontrollerat sätt. Dessa dioder kallas zenerdioder. De kommer att endast genomföra om spänningen är högre än ett visst värde, specifika för zener.
Det här värdet är konstant, så zener dioder används som referens i spänningsregulatorer.

Lysdioder

En LED, förkortning för Light Emitting Diode, är som en normal diod, men de avger energi (deras framspänningsfall) som ljus, i stället för värme. Deras spänningsfall är högre än en normal diod: från 1.2V för en infraröd LED, upp till 3.5v för blå och ultraviolett lysdioder.

Om den nuvarande går igenom LED är hög, kommer att det dö. För att förhindra detta, används ett motstånd i serie.
Gör alltid så här, annars kan du döda LED inom en sekund.

Reläer

Ett relä är en sann nuvarande styrd switch. Den består av en spole, bredvid en bit metall, som dras tillbaka av en fjäder. När nuvarande strömmar genom spolen, det genererar ett magnetfält som lockar bit metall, och gör en anslutning.

Fördelen är att du kan styra mycket hög-aktuell eller AC laster, och de lägger till praktiskt taget inget extra motstånd.
Nackdelarna är att reläerna är långsam, eftersom de måste flytta fysiskt, de är mer känsliga, på grund av rörliga delar, de är extremt långsam, jämfört med en transistor, och de kan skapa gnistor.

Andra delar

Naturligtvis finns det otaliga andra komponenter som du kan använda i din Arduino projekterar:

Mikrofoner och högtalare: dynamiska mikrofoner har en spole och en magnet konvertera vibrationerna av luften till elektriska signaler. På samma sätt använda högtalare en spole som rör sig i ett permanent magnetfält att generera de vibrationerna, när de ges med en AC-signal. Elektret mikrofoner översätta luftrörelser till förändringar i kapacitet. Piezo diskar konvertera vibrationer till spänning och vice versa, så de kan användas som både en mikrofon och en liten högtalare.

Växlar: växlar är lätt indataenheter för din Arduino, de finns i alla former och storlekar.

Variabla motstånd eller potentiometrar: detta är bara cirkulär resistiv spår, och en torkare, ansluten till en roterande axel, som byter motståndet när den rör sig längs spår.
Små versioner utan en axel kallas trimpots.

ICs och chips: det finns ett oerhört brett utbud av ICs, som spänningsregulatorer, mikroprocessorer, op-förstärkare, förstärkare, logik gates, minne, timers och så vidare.

Sensorer: Du kan hitta en sensor för nästan vad som helst, ljussensorer, temperaturgivare, avstånd sensorer, alkohol sensorer, även GPS-moduler, kameror... Andra varianter är optointerrupters, (magnetiska) reedbrytare...

Roterande eller optisk pulsgivare: de konvertera rörelse till ett antal pulser, som volym knopp i bilen, eller knopp på din mikrovågsugn.

Skärmar: LCD-skärmar kan vara används (vissa med pekskärm) eller enkel 7-segment LED visar, även små OLED skärmar finns tillgängliga.

Fläktar, rullar ihop och motorer: datorfläktar, solenoider, DC-motorer, stegmotorer, servon och så vidare.

Power

Du kan driva din Arduino från en USB-port, men denna lösning är begränsad till 5v och bara 500mA, så om du vill använda saker som motorer, eller saker som kräver en högre spänning, du behöver ett nätaggregat.
En bänkmonterade strömförsörjning är den bästa lösningen, tror jag: de har nuvarande begränsande funktioner, justerbar spänning, och de kan leverera mycket ström. De flesta av dem har också vissa praktiska 12v och 5v utgång, förutom deras justerbar tillverkad. Men de tenderar att vara ganska dyra...

En lösning kan vara en vägg-wart adapter som ansluts rätt till din Arduino. Inbyggd spänningsregulator av Arduino steg det ner till 5v för chip själv. Tillsynsmyndigheten kan ta någon spänning mellan 6v och 12v, enligt specifikationer.

En annan stor makt lösning är en dator strömförsörjning: de har massor av kraft, värmeskydd, Kortslutningsskydd, och leverera de vanligaste spänningarna (3v3, 5v, 12v). Det finns massor av Instructables på hur till hacka en gammal dator PSU, till exempel:
En nackdel är att nuvarande skydd är inte känslig alls, eftersom det är utformat för datorkomponenter som kan dra över 30A eller mer totalt, så din krets kan explodera och fatta eld, förstör allt som den är ansluten till, så länge den drar mindre än märkströmmen, PSU kommer glatt fortsätta strömförsörjning.
PSU använder också, riktigt höga spänningar, inne i en metall, så hacka det är inte utan risker...

Du kan också bygga din egen strömförsörjning naturligtvis, men det blir nog billigare att bara köpa en anständig bänkmonterade strömförsörjning.

Strömkällor för mobila applikationer kan vara coin cellsbatterier, om banan inte drar mycket ström, eller vanliga AA-batterier, ett 9v batteri, uppladdningsbara Ni-MH eller Li-ion batterier, en USB powerbank eller ens solpaneler.

Förvaring

Jag använder två låda skåp för att förvara alla små komponenter, och ett dussin andra lådor för motorer, PCB, kablar etc. Vissa har små fack, att lagra skruvar, muttrar och skruvar.

Om din Arduino eller några andra IC eller chip kom i en glänsande plastpåse, inte kasta bort det! Det är förmodligen en antistatisk påse, att skydda komponenter som är benägna att skada på grund av ESD (elektrostatisk urladdning), använda dem för att lagra dina marker.

Också, de flesta ICs kommer i en bit antistatiska skum, hålla dem för att lagra dina marker, det skyddar dem mot ESD, och håller benen från böjning.

Verktyg

De grundläggande verktygen du behöver är avbitare och tråd strippor, förmodligen några tänger och en uppsättning små skruvmejslar. En multimeter är praktiskt mycket ofta, och om du har två av dem, kan du mäta både spänning och ström på samma gång, vilket är ett stort plus, men inte på alla behov.
Du behöver även en lödkolv och några löda, kanske en desoldering pumpen, till bärgning delar från en gammal PCB.

För prototyper behöver du ett Lödfritt set av brödunderläggen, och vissa hoppare ledningar. Du kan också använda tunn koppartråd med en fast kärna. Hursomhelst, du behöver några tråd, jag köpa brukar röd, svart och vit tråd, ca 10m. (Röd används för positiv, svart för negativ eller marken och vitt för "andra saker") Du kommer bli förvånad över hur snabbt du använder det.

Vissa perfboard kan komma händig för permanenta kretsar.