Vienkāršu elektronisko shēmu izveide: ceļvedis iesācējiem

Elektronika ir visapkārt, tā darbina visu, sākot ar mūsu viedtālruņiem un beidzot ar ledusskapjiem. Izpratne par elektronikas pamatiem un vienkāršu shēmu veidošana var būt gandarījuma pilna un iedvesmojoša pieredze. Šis ceļvedis sniedz visaptverošu ievadu vienkāršu elektronisko shēmu veidošanā, kas ir ideāli piemērots iesācējiem bez iepriekšējas pieredzes.

Kāpēc mācīties elektroniku?

Elektronikas apguve sniedz daudzas priekšrocības:

Problēmu risināšanas prasmes: Shēmu projektēšana prasa loģisku domāšanu un problēmu risināšanas spējas.
Radošums: Elektronika ļauj jums izveidot un pielāgot savas ierīces un projektus.
Tehnoloģiju izpratne: Gūstiet dziļāku izpratni par to, kā darbojas jums apkārt esošās tehnoloģijas.
Karjeras iespējas: Elektronikas prasmes ir vērtīgas dažādās jomās, tostarp inženierzinātnēs, robotikā un datorzinātnē.
“Dari pats” (DIY) projekti: Veidojiet savus sīkrīkus, automatizējiet uzdevumus un īstenojiet savas idejas. Piemēram, izveidojiet viedo mājas sensoru sistēmu vai pielāgotu apgaismojuma iestatījumu.

Būtiskākie elektroniskie komponenti

Pirms sākat veidot shēmas, ir svarīgi iepazīties ar dažiem pamata elektroniskajiem komponentiem:

Rezistori: Rezistori ierobežo strāvas plūsmu shēmā. To vērtību mēra omos (Ω). Rezistori ir pieejami dažādos izmēros un ar dažādām pielaidēm. Piemēram, tipisks rezistors varētu būt 220Ω rezistors, ko izmanto, lai ierobežotu strāvu gaismas diodei (LED).
Kondensatori: Kondensatori uzkrāj elektrisko enerģiju, un to kapacitāti mēra farados (F). Tos izmanto filtrēšanai, izlīdzināšanai un enerģijas uzglabāšanai. Dažādi kondensatoru veidi ir keramikas, elektrolītiskie un tantala kondensatori.
Gaismas diodes (LED): Gaismas diodes izstaro gaismu, kad caur tām plūst strāva. Tās parasti izmanto kā indikatorus un displejus. Atcerieties izmantot rezistoru virknē ar LED, lai novērstu tās izdegšanu.
Tranzistori: Tranzistori ir pusvadītāju ierīces, ko izmanto, lai pastiprinātu vai komutētu elektroniskos signālus un elektrisko jaudu. Tie ir dažādu veidu, piemēram, bipolārie tranzistori (BJT) un lauka efekta tranzistori (FET).
Integrālās shēmas (IS): IS ir miniatūras shēmas, kas satur vairākus komponentus uz vienas mikroshēmas. Piemēri ir mikrokontrolleri, operacionālie pastiprinātāji un loģiskie elementi.
Diodes: Diodes ļauj strāvai plūst tikai vienā virzienā. Tās izmanto taisngriešanai, signālu detektēšanai un sprieguma regulēšanai.
Baterijas: Baterijas nodrošina shēmu barošanas avotu. Tās pārvērš ķīmisko enerģiju elektriskajā enerģijā. Izplatītākie veidi ir AA, AAA un 9V baterijas, kā arī uzlādējamās litija-jonu baterijas.
Maketēšanas plates: Maketēšanas plates ir prototipēšanas plates bez lodēšanas, kas ļauj viegli savienot un testēt elektroniskos komponentus. Tām ir rindas un kolonnas ar savstarpēji savienotiem caurumiem.
Savienojuma vadi: Savienojuma vadus izmanto, lai savienotu komponentus uz maketēšanas plates vai ar citām shēmām.

Izpratne par shēmu diagrammām

Shēmas diagramma, pazīstama arī kā shematiskais attēls, ir elektroniskās shēmas vizuāls attēlojums. Tā izmanto simbolus, lai attēlotu elektroniskos komponentus, un līnijas, lai attēlotu savienojumus starp tiem. Spēja lasīt shēmu diagrammas ir ļoti svarīga, lai izprastu un veidotu shēmas.

Shēmas diagrammas galvenie elementi:

Simboli: Katram komponentam ir specifisks simbols (piemēram, rezistors tiek attēlots ar zigzaga līniju, kondensators - ar divām paralēlām līnijām).
Savienojumi: Līnijas norāda elektriskos savienojumus starp komponentiem.
Barošanas avots: Tiek norādīti barošanas avota pozitīvais (+) un negatīvais (-) spailes.
Zemējums: Zemējuma simbols apzīmē atskaites punktu spriegumam shēmā.

Tiešsaistes rīki, piemēram, Tinkercad un EasyEDA, nodrošina shēmu simulatorus, kuros varat veidot, testēt un simulēt shēmas pirms to fiziskas izveides.

Shēmu pamatjēdzieni

Pirms ķerties pie shēmu veidošanas, ir svarīgi izprast dažus fundamentālus shēmu jēdzienus:

Spriegums (V): Spriegums ir elektriskā potenciāla starpība starp diviem punktiem shēmā. To mēra voltos (V).
Strāva (I): Strāva ir elektriskā lādiņa plūsma caur shēmu. To mēra ampēros (A).
Pretestība (R): Pretestība ir pretestība strāvas plūsmai shēmā. To mēra omos (Ω).
Oma likums: Oma likums nosaka saistību starp spriegumu, strāvu un pretestību: V = I * R. Tas ir fundamentāls likums elektronikā.
Virknes slēgums: Virknes slēgumā komponenti ir savienoti viens aiz otra, tāpēc caur katru komponentu plūst viena un tā pati strāva. Kopējā pretestība ir atsevišķo pretestību summa.
Paralēlais slēgums: Paralēlajā slēgumā komponenti ir savienoti blakus, tāpēc spriegums pāri katram komponentam ir vienāds. Kopējā pretestība ir mazāka par mazāko atsevišķo pretestību.

Savas pirmās shēmas izveide: LED shēma

Sāksim ar vienkāršu shēmu: gaismas diode (LED), kas savienota ar bateriju un rezistoru.

Nepieciešamie komponenti:

Gaismas diode (LED)
Rezistors (piem., 220Ω)
Baterija (piem., 9V)
Baterijas savienotājs
Maketēšanas plate
Savienojuma vadi

Soļi:

Pievienojiet baterijas savienotāju: Pievienojiet baterijas savienotāju 9V baterijai.
Ievietojiet LED: Ievietojiet LED garāko kājiņu (anodu, +) vienā maketēšanas plates rindā un īsāko kājiņu (katodu, -) citā rindā.
Ievietojiet rezistoru: Ievietojiet vienu rezistora galu tajā pašā rindā, kur ir LED garākā kājiņa, un otru galu atsevišķā rindā.
Pievienojiet bateriju: Izmantojiet savienojuma vadus, lai savienotu baterijas pozitīvo (+) spaili ar rezistoru un baterijas negatīvo (-) spaili ar LED īsāko kājiņu.
Novērojiet: Gaismas diodei vajadzētu iedegties. Ja tā nedeg, pārbaudiet savienojumus un pārliecinieties, vai baterija ir uzlādēta.

Paskaidrojums: Rezistors ierobežo strāvu, kas plūst caur LED, neļaujot tai izdegt. Bez rezistora LED patērētu pārāk daudz strāvas un tiktu sabojāta.

Vairāk shēmu piemēru un projektu

Kad esat apguvis pamata LED shēmu, varat izpētīt sarežģītākus un interesantākus projektus:

Mirgojošas LED shēma

Šī shēma izmanto 555 taimera integrālo shēmu, lai izveidotu mirgojošu LED. 555 taimeris ir daudzpusīga integrālā shēma, ko izmanto dažādās laika un oscilatoru lietojumprogrammās.

Nepieciešamie komponenti:

LED
Rezistori (piem., 1kΩ, 10kΩ)
Kondensators (piem., 10µF)
555 taimera IS
Baterija (piem., 9V)
Maketēšanas plate
Savienojuma vadi

Paskaidrojums: 555 taimeris oscilē, ieslēdzot un izslēdzot LED ar noteiktu frekvenci, ko nosaka rezistori un kondensators.

Gaismjutīga shēma (izmantojot fotorezistoru)

Šī shēma izmanto fotorezistoru (no gaismas atkarīgu rezistoru jeb LDR), lai kontrolētu LED, pamatojoties uz apkārtējās gaismas līmeni.

Nepieciešamie komponenti:

LED
Fotorezistors (LDR)
Rezistors (piem., 10kΩ)
Tranzistors (piem., NPN tranzistors)
Baterija (piem., 9V)
Maketēšanas plate
Savienojuma vadi

Paskaidrojums: Fotorezistora pretestība mainās atkarībā no gaismas daudzuma, ko tas saņem. Šī pretestības maiņa ietekmē tranzistoru, kas kontrolē LED. Tumšākos apstākļos LED iedegsies.

Temperatūras sensora shēma (izmantojot termistoru)

Šī shēma izmanto termistoru (no temperatūras atkarīgu rezistoru), lai mērītu temperatūru un kontrolētu LED.

Nepieciešamie komponenti:

LED
Termistors
Rezistors (piem., 10kΩ)
Operacionālais pastiprinātājs (Op-Amp)
Baterija (piem., 9V)
Maketēšanas plate
Savienojuma vadi

Paskaidrojums: Termistora pretestība mainās līdz ar temperatūru. Operacionālais pastiprinātājs pastiprina mazās sprieguma izmaiņas, ko izraisa termistors, tādējādi kontrolējot LED. Jūs varat kalibrēt šo shēmu, lai LED iedegtos pie noteiktas temperatūras.

Lodēšanas tehnikas (pēc izvēles)

Lai gan maketēšanas plates ir lieliski piemērotas prototipēšanai, lodēšana nodrošina pastāvīgāku un uzticamāku savienojumu jūsu shēmām. Lodēšana ietver lodāmura izmantošanu, lai izkausētu lodalvu, metāla sakausējumu, un izveidotu spēcīgu elektrisko savienojumu starp komponentiem.

Drošības pasākumi:

Strādājiet labi vēdināmā vietā.
Valkājiet aizsargbrilles, lai pasargātu acis.
Izmantojiet lodāmura statīvu, lai izvairītos no apdegumiem.
Nepieskarieties lodāmura galam.

Lodēšanas pamatsoļi:

Sagatavojiet komponentus: Notīriet to komponentu izvadu galus, kurus vēlaties lodēt.
Uzkarsējiet savienojuma vietu: Novietojiet lodāmura galu uz savienojuma vietas (kur saskaras komponentu izvadi).
Pievienojiet lodalvu: Pieskarieties ar lodalvu uzkarsētajai savienojuma vietai (nevis lodāmura galam), līdz tā izkūst un vienmērīgi izplūst ap savienojumu.
Noņemiet karstumu: Noņemiet lodāmuru un ļaujiet savienojumam atdzist.
Pārbaudiet savienojumu: Lodalvas savienojumam jābūt spīdīgam un gludam.

Mikrokontrolleri: shēmu pacelšana jaunā līmenī

Sarežģītākiem projektiem apsveriet iespēju izmantot mikrokontrollerus, piemēram, Arduino vai Raspberry Pi. Tie ir mazi, programmējami datori, kas var kontrolēt elektroniskās shēmas un mijiedarboties ar vidi.

Arduino: Arduino ir populāra atvērtā koda platforma interaktīvu elektronisku projektu veidošanai. To ir viegli apgūt, un tai ir liela kopiena, kas sniedz atbalstu un resursus.
Raspberry Pi: Raspberry Pi ir mazs, lēts dators, kas var darbināt pilnvērtīgu operētājsistēmu. Tas ir jaudīgāks par Arduino un piemērots sarežģītākiem projektiem, piemēram, mājas automatizācijai un multivides serveriem.

Izmantojot mikrokontrollerus, varat izveidot sarežģītus projektus, piemēram:

Robotika: Veidojiet robotus, kas var pārvietoties savā vidē, reaģēt uz sensoriem un veikt uzdevumus.
Mājas automatizācija: Attālināti kontrolējiet apgaismojumu, ierīces un citas lietas.
Datu reģistrēšana: Apkopojiet un analizējiet datus no sensoriem, piemēram, temperatūras, mitruma un spiediena.

Problēmu novēršanas padomi

Problēmu novēršana ir būtiska elektronikas sastāvdaļa. Ja jūsu shēma nedarbojas, kā paredzēts, šeit ir daži problēmu novēršanas padomi:

Pārbaudiet savienojumus: Pārliecinieties, ka visi komponenti ir pareizi savienoti un ka nav vaļīgu vadu.
Pārbaudiet barošanas avotu: Pārliecinieties, ka baterija ir uzlādēta un ka barošanas avots nodrošina pareizo spriegumu.
Pārbaudiet komponentus: Pārbaudiet, vai nav bojātu vai bojātu komponentu. Izmantojiet multimetru, lai pārbaudītu rezistorus, kondensatorus un diodes.
Pārskatiet shēmas diagrammu: Vēlreiz pārbaudiet savu shēmu salīdzinājumā ar shēmas diagrammu, lai pārliecinātos, ka viss ir savienots pareizi.
Izmantojiet multimetru: Multimetrs ir būtisks instruments sprieguma, strāvas un pretestības mērīšanai.
Izolējiet problēmu: Sadaliet shēmu mazākās sadaļās un pārbaudiet katru sadaļu atsevišķi, lai izolētu problēmu.

Resursi papildu mācībām

Tiešsaistē un bibliotēkās ir pieejami daudzi resursi, kas palīdzēs jums uzzināt vairāk par elektroniku:

Tiešsaistes apmācības: Tādas vietnes kā Khan Academy, Coursera un Udemy piedāvā elektronikas kursus iesācējiem.
Grāmatas: Ir daudz lielisku grāmatu par elektroniku, piemēram, Čārlza Plata "Make: Electronics" un Paula Šerca un Saimona Monka "Practical Electronics for Inventors".
Forumi un kopienas: Tiešsaistes forumi un kopienas, piemēram, Reddit r/electronics un Arduino forums, nodrošina vietu, kur uzdot jautājumus un saņemt palīdzību no pieredzējušiem elektronikas entuziastiem.
YouTube kanāli: Kanāli, piemēram, GreatScott!, EEVblog un ElectroBOOM, piedāvā informatīvus un izklaidējošus video par elektroniku.
Tiešsaistes simulatori: Tinkercad un EasyEDA ir bezmaksas tiešsaistes shēmu simulatori, kas ļauj projektēt un testēt shēmas virtuāli.

Nobeigums

Vienkāršu elektronisko shēmu veidošana ir jautrs un gandarījuma pilns veids, kā apgūt tehnoloģijas un attīstīt vērtīgas prasmes. Sākot ar pamata komponentiem un jēdzieniem un pakāpeniski pārejot uz sarežģītākiem projektiem, jūs varat atvērt iespēju pasauli. Atcerieties ievērot drošas lodēšanas tehnikas, izmantot tiešsaistes resursus un nebaidieties eksperimentēt un mācīties no savām kļūdām. Neatkarīgi no tā, vai veidojat vienkāršu LED shēmu vai projektējat sarežģītu robotu sistēmu, zināšanas un prasmes, ko gūsiet no elektronikas, dos jums spēku radīt, ieviest jauninājumus un izprast pasauli ap jums.

Veiksmi un priecīgu būvēšanu!