Я решил не включать дополнительную главу об Arduino, но добавил небольшую ссылку в примечании, вместе с описанием одного открытого проекта для построения простого осциллографа. Вы можете получить доступ к дополнительной информации, обновлениям и дополнительным материалам, посетив сайт автора: http://www.zeppelinmaker.it.
Об авторе
Паоло Аливерти, инженер в области телекоммуникаций, создатель цифровых устройств и предприниматель. В 1999 году окончил Миланский политехнический университет с дипломной работой в области робототехники и искусственного интеллекта, касающейся систем видения для роботов, играющих в футбол. С десяти лет увлекается электроникой и микрокомпьютерами. Он написал «Справочник для начинающих» для издательского дома LSWR (переведенный на английский язык при поддержке Maker Media), а также две другие книги о 3D-печати. Организует курсы и семинары по цифровому производству, интернету вещей и физическому компьютингу. В 2011 году он основал Frankenstein Garage, а позже FabLab в Милане. Он также занимается проектированием и изготовлением прототипов для предприятий. Увлекается любительским альпинизмом.
Предупреждение
Электрический ток может быть очень опасным: он невидим, и, если не быть достаточно внимательным, можно столкнуться с серьезными и даже смертельными случаями. Никогда не используйте для ваших экспериментов сетевое напряжение 220 вольт. Используйте только батарейки, соблюдая при этом осторожность.
Много лет назад я был в Риме для работы с роботами на соревновании среди роботов Robocup99. У команды Миланского политехнического университетабыл робот по имени Руллит, который состязался среди роботов средних размеров. Руллит был довольно тяжелым роботом и заряжался несколькими пачками батарей на 12 вольт весом в несколько килограмм. После многих часов программирования мои силы были исчерпаны, и, подключая электропитание к роботу, я перепутал красные провода с черными. Произошел небольшой взрыв, который продырявил зеленый ковер игрового поля!
Если вы не уверены или сомневаетесь, спросите у эксперта, друга или электрика… В интернете можно найти много сайтов и тематических групп (даже в «Фейсбуке»), хоть и не всегда легко понять, действительно ли человек является экспертом.
Ни я, ни издатель не можем брать на себя никакой ответственности за результат, полученный в ходе экспериментов, описанных в этой книге. Мы не можем отвечать за несчастные случаи или вред, причиненный предметам, людям или животным, который может возникнуть в ходе проводимых вами экспериментов.
Глава 1
Электронные схемы, ток и напряжение
Чтобы разрабатывать схемы и понимать поведение электронных устройств, необходимо начать с основных понятий. Мы будем говорить о токе, напряжении, сопротивлении и зависимости между ними. Для объяснения понятий мы будем сравнивать электрический ток с потоком воды.
Мы начнем наше приключение с немного скучной темы. Впрочем, с этого всегда нужно начинать! Чтобы подняться на гору, нужно оставить свой автомобиль в долине, а затем идти по скучным лесным тропам, прежде чем мы увидим величественные вершины. В этой главе мы проговорим теорию и попытаемся понять, что такое электрический ток и как он себя ведет.
Возьмем электронную схему и внимательно ее рассмотрим. Она выглядит как миниатюрный город со множеством линий, как дороги, которые аккуратно переплетаются, соединяя между собой маленькие цилиндры или кубики, полные таинственных надписей. Мы видим конечный продукт проектирования и разработки, которая началась, вероятно, несколько месяцев или лет назад. Схема, что мы держим в руке, была сначала спроектирована, соединяя ряд символов на листе бумаги или на мониторе, а затем преобразована в реальный объект, сделанный из пластика, смол и металлов различных видов. Маленькие линии светло-зеленого цвета называются полосами движения и являются эквивалентом электрических проводов. Небольшие объекты цилиндрической или кубической формы представляют собой электронные компоненты, которые служат для изменения движения тока.
Это изделие называется печатной платой, или РСВ (Printed Circuit Board). До изобретения печатных плат (они появились после Второй мировой войны), схемы были реализованы путем соединения проводами различных элементов. Собирать схемы таким путем не очень эффективно: очень легко ошибиться, и такой труд сложно автоматизировать. Так могут реализовываться схемы и в наши дни, но только для создания прототипов. Печатные платы позволяют получать надежный результат в короткие сроки. Современные схемы спроектированы специально для возможности автоматизированной установки, тем самым экономя много времени и производя тысячи экземпляров в день.
Диполи
Основными элементами для построения цепей являются электронные компоненты. Обобщенное электронное устройство, оснащенное двумя выводами, называется диполем. Но мы никогда не найдем его в магазине электроники, потому что это несуществующий компонент и мы рассматриваем его только теоретически. Диполи необходимы для изучения соединений и форм электрических цепей (или топологии цепей). Позже мы рассмотрим их в деталях.
Рис. 1.1. Символ электрического диполя
Диполь на рисунке является символом, который его представляет. Чтобы облегчить понимание электрических явлений, мы будем говорить, что ток сравним с водой, протекающей в трубе. Эта метафора очень помогает в понимании некоторых феноменов, но имеет ограничения и может привести к ошибочному пониманию темы, поэтому мы будем использовать ее только по необходимости, а затем и вовсе откажемся от нее. Электрический провод с протекающим в нем током можно сравнить с трубой, в которой протекает вода. Электронные компоненты сравнимы с особой трубой, которая изменяет поток воды. На самом деле компоненты сделаны из специальных материалов используя физические, химические и электрические феномены, для изменения электрического тока, который проходит через данное устройство. Электрическая цепь образована набором диполей, соединенных друг с другом электрическими проводами. Мы можем соединять диполи и провода в бесконечных комбинациях, но существуют несколько правил, которые необходимо соблюдать:
• диполи могут иметь только два вывода;
• соединения между диполями осуществляют путем соединения их выводов (не к корпусу!);
• если мы сделаем аналогию с водой, вся жидкость, входящая в один конец диполя, должна выходить из другого его конца;
• так как диполи это только символы, их выводы могут быть длинными, по желанию;
• соединяя выводы нескольких диполей, мы создаем узел;
• наша цепь диполей не может иметь свободных выводов (должна быть замкнута).
Электроника имеет плохую репутацию. Говорят, что она сложная, так как связана с математикой и физикой. Я считаю, что математика имеет отношение ко всему, поэтому не стоит беспокоиться об электронике. Когда мы соединяем между собой «пучок» диполей, мы создаем то, что математик назвал бы графом.
