Базова шпаргалка з електроніки

Передслів’я

Ця стаття є частиною циклу статей-звітів, присвячених розробці сучасного анатомічно правильного секс-андроїда-компаньйона.

Попередні статті циклу:

• Проблеми анатомічно правильних 3D-моделей
• Дослідження медичних силіконів
• М’яка робототехніка
• Теоретичні можливості ШІ для андроїда

Для розуміння наступного звіту про силову частину м’яза андроїда необхідні базові знання з електроніки. Хоча ці знання зазвичай входять до шкільної програми, я вирішив створити цю додаткову статтю, щоб переконатися, що всі читачі мають необхідну базу.

Якщо ви маєте досвід в електроніці і вважаєте такі пояснення зайвими, ви можете пропустити цю статтю. Саме для зручності я зібрав основні поняття в окремому статтю, до якої можна звернутися за потреби.

Прошу не ображатися тих, хто вже володіє цими знаннями. Мета цієї статті — забезпечити всім читачам рівні можливості для розуміння наступних статей.

Базові поняття в електроніці

Основні електричні величини

Струм (I, Ампери, A)

Струм — це кількість електричного заряду, що переноситься через провідник за одиницю часу. Його можна уявити як потік заряджених частинок у провіднику. Зазвичай електронів

Напруга (U, Вольти, V)

Напруга — це сила, що змушує електричні заряди рухатися по провіднику. На рівні частинок напруга визначає загальне векторне прискорення, з яким вони рухаються в корисному напрямку. Тобто фактично це прискореня та швидкість з якою рухаються заряджені частинки.

Часто вживають ще термін «різниця потенціалів між двома точками» або просто «різниця потенціалів», що по суті означає те ж саме, що й напруга. Напруга — це назва самої сили, а «різниця потенціалів» описує напругу з точки зору її походження.

Потужність (P, Ватти, W)

Потужність — це загальна кількість енергії, що переноситься по провіднику за одиницю часу. Її можна обчислити як добуток струму і напруги: P = I × U. Це значення показує, скільки фактично енергії передається через провідник, бо ампери вказують тільки електричний заряд, не враховуючи що сила яка той заряд рухає — теж є певним видом енергії.

Використовується зазвичай для теплових та подібних розрахунків, адже енергії з деталі не може виділятись більше, ніж її там є.

Опір (R, Оми, Ω)

Опір — це властивість уповільнювати рух електричних зарядів через себе. Опір є протилежним до напруги — сили, яка навпаки надає зарядам прискорення.

Розрахунки параметрів

Зазвичай для різних електронних компонентів вказують не всі параметри, а тільки мінімально необхідні, оскільки більшість параметрів можна обчислити за допомогою формул.

Приклад:

Дано: резистор 10Ω, 5W.

Задача: Пропустити через нього 20V.

Розрахунок:

1. За законом Ома, струм, що протікає через такий резистор:
   I = U/R = 20/10 = 2A
2. Розрахунок потужності:
   P = I × U = 2 × 20 = 40W

Висновок: Резистор згорить, оскільки ми перевищили його потужність у 8 разів. Потрібно використовувати резистор з потужністю не менше 40W (+ запас і погрішність).

Електромагнітна індукція

Індукція — це явище, яке можна пояснити на прикладі взаємодії магнітів. Коли заряджені частинки потрапляють у зовнішнє магнітне поле, вони поводяться як маленькі магніти, бо вони і є маленькі магніти. Якщо магнітне поле рухається, частинки рухаються з ним, створюючи електричний струм. Це явище називається електромагнітною індукцією і лежить в основі роботи генераторів.

Спільне електромагнітне поле

Електромагнітні поля заряджених частинок у електричному колі об’єднані і складають собою загальне велике поле, яке тягнеться вздовж усіх проводів та компонентів. Тому зміна якихось параметрів у одній точці, хвилею тягне за собою зміни у всьому електричному колі.

Електричні схеми можна уявити як скрипт що помістили у безкінечний цикл. Параметри електричного кола винесли за межі ітерацій скрипта, але він може їх змінювати для наступних ітерацій. Цикл продовжується доки увімкнено живлення та електричне коло замкнуте. Хоча все дещо складніе, це дуже близько до суті і так як більшість присутніх тут знайомі з поняттями циклу та скрипту, таке спрощена на перших етапах вам допоможе у розумінні. Складання електричних схем насправді дуже схоже на асинхронне програмування, але через недосконалість фізичних деталей та різноманітність їх ефектів, поріг входження дещо більший.

Гальванічна розв’язка

Гальванічна розв’язка — це метод передачі енергії або сигналів між двома частинами електричної системи без прямого електричного з’єднання між ними. Вона забезпечує захист від потрапляння високої напруги в місця, де її точно не має бути. Наприклад, це може запобігти потраплянню напруги 240 В з мережі на кабель USB, коли зарядний блок контактує з вологою, а ви тримаєте телефон у руках, приймаючи ванну.

Реалізується різними методами. Приклад — оптрон. Складається з мініатюрного світлодіода та фотоелемента, розташованих в спільному непрозорому корпусі. Світлодіод випромінює світло, яке сприймається фотоелементом, таким чином передаючи сигнал без прямого електричного контакту.

Навіть у випадку значного стрибка напруги, фотоелемент поглине лише ту кількість енергії, яку він здатен перетворити у струм. Це дозволяє ізолювати високовольтні кола від низьковольтних, зменшуючи ризик ураження користувачів та пошкодження електронних компонентів під час несправностей.

Види струму

Постійний струм (DC)

Це звичайний струм, який іде безперервним потоком. Використовується в електроніці та акумуляторах.

Змінний струм (AC)

Це струм, який періодично змінює напругу і напрямок. Найчастіше під ним мають на увазі струм у побутовій електромережі.

Модуляція

Це процес зміни параметрів струму. Зазвичай мова йде про зміну напруги в часі

Поширені типи модуляції

Синусоїда

Синусоїдальна модуляція — це вид модуляції, при якому графік зміни напруги нагадує математичну функцію синуса. Цей тип модуляції характерний для змінного струму в побутовій електромережі.

ШІМ

Це особливий вид модуляції, де струм подається періодичними імпульсами без зміни напрямку. Форма імпульсів може варіюватися для оптимізації роботи пристроїв.

Детальніше про ШІМ буде розглянуто в наступних розділах.

Аналоговий сигнал

Аналоговий сигнал — це спосіб передачі інформації через безперервну модуляцію напруги. Головна ознака — модуляція відбувається безпосередньо, спираючись на фізичні властивості пристрою який цю модуляцію спричиняє. Наприклад передача звуку з аналогового мікрофону.

Цифровий сигнал

Цифровий сигнал — це інформація, згенерована мікроконтролером чи спеціалізованою мікросхемою у форматі одного з прийнятих протоколів передачі даних, які розробила людина.

Ключові особливості:

• Дискретна передача даних (тобто дані йдуть пакетами)
• Використання стандартизованих протоколів
• Покращені параметри передачі даних

Переваги цифрових протоколів над аналоговою передачею:

• Можливість гарантувати цілісність даних.
• Можливість адресації для використання одного каналу, даних для багатьох пристроїв.
• Можливість передачі інформації на більші відстані, без втрати даних, через оптимізацію алгоритму передачі.

Пишу можливість, бо різні протоколи оптимізовані під різні використання.

Недолік цифрової передачі даних

Необхідність мікроконтролеру або спеціалізованої мікросхеми.

Періодично пульсуючий постійний струм

Це група різновидів модуляції має велике значення в електроніці, тому розглянемо їх детальніше:

ШІМ (Широтно-Імпульсна Модуляція, англ. PWM)

ШІМ — це метод керування потужністю, подаючи електроенергію імпульсами. Тобто шляхом швидкого вмикання та вимикання струму. Це основний метод керування потужності для багатьох електричних компонентів.

Приклад: Світлодіод, на 75 Вт, розрахований на роботу при напрузі у 12 В. Щоб зменшити яскравість вдвічі, можна зменшити напругу, але правильно використовувати ШІМ, де струм буде подаватися 50% часу.

Якщо замість ШІМ використовувати зменшення напруги — світлодіод працює на режимах для котрих він не розрахований. Ми не можемо прогнозувати його спектр, довговічність та залежність напруги\яскравості. Нам буде складніше керувати ним через контролери, адже контролерам простіше вмикати\вимикати, генеруючи імпульси, ніж керувати напругою — яку так просто не поміняєш. Тому метод «зміни напруги» часто є небажаний у порівнянні з ШІМ і зазвичай його використовують тільки у схемах базового рівня, або коли треба щось швидко зібрати на колінках. В інших випадках краще ШІМ.

ШІМ використовують для керування яскравістю світлодіодів, швидкістю двигунів, та подібних поширених речей. Цей метод підходить не для всього, але для багато чого.

Таймери

Оскільки імпульси мають часову періодичність, це також використовують для різних синхронізацій. Компоненти, що генерують періодичні імпульси, називають таймерами. Вони широко застосовуються в електроніці для створення точних часових інтервалів.

Приклади використання таймерів:

• В електронних годинниках для підрахунку мікросекунд
• У мікроконтролерах для керування різними процесами
• В системах автоматизації для синхронізації подій
• Для генерації періодичності в ШІМ

Таймери RTC (Real Time Clock)

RTC — це спеціалізовані мікросхеми, які включають в себе високоточні таймери з підвищеною температурною стабільністю. Вони призначені для підтримки точного часу навіть при вимкненні основного живлення пристрою або за змін зовнішніх температур(температура дуже впливає на точність).

Особливості RTC:

• Зазвичай мають власне автономне джерело живлення (акумулятор)
• Містять вбудовані алгоритми для підрахунку точної дати і часу
• Мають алгоритми температурної корекції, на відміну від звичайних таймерів.

ШІМ, таймери та RTC є важливими компонентами сучасної електроніки, що забезпечують точне керування часом, синхронізацією та енергією в різноманітних пристроях — від простих світлодіодних індикаторів до складних комп’ютерних систем.

Способи підвищення напруги

У попередніх звітах я згадував, що м’язи андроїда використовують високовольтну технологію. Для їх функціонування потрібна напруга в діапазоні 1-10 кВ, тоді як акумулятор андроїда точно буде забезпечувати значно менше. Це вимагає застосування спеціальних методів підвищення напруги.

У цьому розділі розглянемо основні способи зміни напруги.

Принцип послідовного з’єднання

Фізично напруга визначає силу, яка прискорює заряджені частинки, що складають струм. Отже джерело напруги можна уявити як деякий «прискорювач».

Приклад: Два джерела напруги по 9V, з’єднані послідовно:

1. Заряджені частинки прискорюються першим джерелом.
2. Виходять з нього і потрапляють у друге джерело.
3. Прискорюються ще раз на ту ж величину.
4. Результат: сума двох напруг 9V + 9V = 18V.

Важливо підключати максимально однакові джерела напруги, тому що тоді навантаження між ними розподіляються рівномірно.

Множник Напруги

Множник напруги — це електронна схема, яка перетворює низьку пульсуючу напругу у високу напругу постійного струму. Множником називають бо вони помножуть вхідну напругу на число кратне двум. Їх є декілька варіацій, але зазвичай мова йде про множник Кокрофта-Уолтона.

Принцип роботи:

Схема працює на принципі послідовного з’єднання для збільшення вихідної напруги. Ці схеми об’єднують у каскади. Кожен етап каскаду подвоює напругу порівняно з попереднім. Множник напруги зменшує частоту пульсації в обмін на збільшення напруги у кожному імпульсі.

Переваги:

• Дуже дешеві
• Маленька вага
• Можливість отримання дуже високих напруг

Недоліки:

• Низький ККД, особливо при довгих каскадах
• Обмежена вихідна потужність
• Пульсації вихідної напруги
• Складність точного регулювання вихідної напруги

Застосування

Множники напруги дуже старий винахід але їх досі інколи застосовують у спеціалізованій техніці, де потрібна висока напруга при низькому струмі.

Приклади:

• Рентгенівські апарати
• Радарні системи
• Електронні мікроскопи
• Високовольтні тестери
• Деякі типи лазерів

Імпульсні Джерела Живлення (ІДЖ)

Імпульсні джерела живлення (ІДЖ) є найпоширенішим типом у сучасних електронних пристроях. Вони використовуються майже в усіх адаптерах живлення для телефонів, ноутбуків та інших ґаджетів.

Принцип роботи

Основна ідея ІДЖ полягає в розділенні струму на велику кількість імпульсів, які потім можна:

• Об’єднувати послідовно для збільшення напруги
• «Губити» частину імпульсів а потім «усереднювати» результат для зменшення напруги

Порівняння з множниками напруги

Хоча на перший погляд принцип роботи ІДЖ може здатися схожим на множники напруги, вони використовують різні прийоми для досягнення мети.

На практиці різниця буде наступною:

• Множники напруги: збільшують напругу з фіксованим кроком ×2
• ІДЖ: можуть об’єднувати будь-яку кількість імпульсів, забезпечуючи точне регулювання напруги, і в будь-яку сторону.

Переваги:

• Висока ефективність- завдяки сучасній мікроелектроніці.
• Компактність та легкість — особливо з використанням GaN (нітрид-галію) транзисторів.
• Регульованість напруги — крок регулювання залежить від розміру імпульсу, а це дуже мала величина.
• Універсальність — Регульованість не тільки вихідної, але і легка адаптація до різної вхідної напруги. Тому зробити один «блочок» для використання напруг різних країн нескладно.
• Стабільність якості — це типові схеми, які вже мають типові масові рішення у вигляді недорогих мікросхем, із стабільними типовими характеристиками.

Недоліки:

• Більша складність у проектуванні та збірці — порівняно з традиційними джерелами.
• Залишкові пульсації струму — так як технологія використовує імпульси, а ідеального вирівнювання імпульсів не придумали, то залишається незначна пульсація. Може впливати на чутливі електронні компоненти, хоча це рідко є проблемою для більшості приладів.

Трансформатори

Трансформатор складається з двох або більше котушок провідника, намотаних на спільне осердя, працює за рахунок явища електромагнітної індукції.

Принцип роботи:

1. Змінний струм у первинній обмотці створює змінне магнітне поле в осерді.
2. Це змінне магнітне поле індукує змінний електричний струм у вторинній обмотці.
3. Співвідношення кількості витків у первинній та вторинній обмотках визначає співвідношення вхідної та вихідної напруги.

Переваги

• Простота конструкції — трансформатор складається лише з обмоток та осердя, що робить його простим у виготовлені та переробці.
• Гальванічна розв’язка — немає прямого електричного з’єднання між первинним і вторинним обмотками, що підвищує безпеку.
• Низький рівень пульсацій — В більшості умов, забезпечує майже ідеальне повторення довжини хвилі вхідного сигналу.
• Надійність — за відсутності рухомих або потребуючих точності частин, та загальній елементарності конструкції — трансформатори мають дуже тривалий термін служби.

Недоліки

• Великі розміри та вага — по своїй суті це величезна котушка мідного дроту.
• Низька ефективність при малих навантаженнях — трансформатори мають значні втрати на холостому ході, бо первинна обмотка генерує фіксовану індукцію, незалежно від навантаження на вторинній обмотці.
• Обмежена гнучкість — співвідношення напруг фіксоване і визначається кількістю витків обмоток. Цим неможливо інтелектуально керувати. Як намотали — так і буде.

Застосування

Трансформатори зазвичай використовуються у декільком критеріям:

• потужність і надійність — наприклад електростанцій та промисловість.
• низька пульсація — медична сфера та наукові прилади.
• гальванічна розв’язка — це дуже багато де, наприклад, у типових імпульсних джерелах живлення, додатково ставлять маленькі трансформатори, де вони забезпечують захист від пробою напруги від мережі до підключеного гаджету.

Інші види перетворювачів

Їх існує і багато. Наприклад, резонансні перетворювачі використовують принцип резонансу для зміни напруги, «розкачуючи» амплітуду. Однак основними типами залишаються множники напруги, імпульсні та лінійні перетворювачі, оскільки вони пояснюють базові принципи зміни напруги. У цій статті я зупинюся саме на цих трьох типах, бо ця стаття призначена все ж як шпаргалка, а не як навчальний посібник, тому я зупинюсь в цьому розділі на цьому.

Базові радіоелектронні деталі

Додатково я опишу деякі основні радіодеталі, щоб більше не згадувати їх опис у майбутніх статтях.

Резистор

Резистори створюють додатковий опір.

Основні призначення:

• Гасити перешкоди — навколо дуже багато електромагнітних хвиль, через них у провідниках виникають мікроструми. Опір зупиняє мікроструми. Це дуже важливо для мікроконтролерів та деяких мікросхем.
• Менеджмент напруги — це тема навколо пояснення котрої я би міг розгорнути ще одну статтю, тому давайте просто зупинимось на факті без пояснення принципів як це робиться. Факт: за допомогою опору можна розділити напругу на складові. Наприклад 9 В можна розділити як окремі 6 В і 3 В.

Конденсатори

Це компонент, який здатен зберігати електричну енергію.

Відмінність від акумулятору

Конденсатор використовує інші принципи зберігання енергії, але на практиці різниця буде у наступному:

Конденсатор:

• Заряджається і розряджається майже миттєво,
• Не здатен зберігати заряд довгий час.
• Низька щільність енергії
• Майже не деградує від циклів зарядки-розрядки

Акумулятор:

• Процеси зарядки і розрядки займають більше часу.
• Зберігає енергію відносно довго.
• Висока щільність енергії
• Обмежена кількість циклів зарядки-розрядки

Крім цього також існують суперконденсатори

Суперконденсатори (або ультраконденсатори) є типом конденсаторів, які поєднують деякі характеристики як звичайних конденсаторів, так і акумуляторів:

• Висока ємність: Суперконденсатори мають значно вищу ємність порівняно зі звичайними конденсаторами, що дозволяє їм зберігати більше енергії.
• Швидкий заряд та розряд: Як і звичайні конденсатори, суперконденсатори можуть швидко заряджатися і розряджатися, роблячи їх корисними для застосувань, де потрібна швидка подача енергії.
• Довгий термін служби: Мають дуже високу кількість циклів зарядки та розрядки (до мільйонів), що значно перевищує термін служби акумуляторів.
• Низька енергетична щільність: Енергетична щільність суперконденсаторів все ще значно нижча, ніж у акумуляторів, що означає, що вони не можуть зберігати стільки енергії на одиницю об’єму.

Класичні суперконденсатори дуже дорогі відносно їх ємності. Їх інколи використовують у мініатюрних потужних пристроях замість аумуляторів, але не наприклад для аварійного живлення будинку. Проте останні роки з’явилися акумулятори, які поєднують швидкий час зарядки та довгий термін служби, подібно до суперконденсаторів, що робить їх ефективними у застосуваннях, де потрібна і швидкість, і довговічність. Про них я тут розповідати не буду, може якось окремо напишу статтю з назвою по типу «як можна було зібрати „екофлоу“, а не ото що вони зробили», бо інакше ця стаття розтягнеться ще на 10 сторінок.

Основні призначення:

Я згадаю тільки три найпоширеніші на мою думку, бо призначень дуже багато:

• Згладжування напруги — конденсатори зберігають надлишкову енергію при стрибках напруги і повільно її випускають коли стрибок пройде.
• Накопичення енергії — щоб потужним імпульсом віддавати його кудись, де потрібна додаткова енергія. Наприклад, в фотоапаратах для спалаху або точковому зварювальному апараті, чи рейлган, потужний лазер, теж мавби використовувати конденсатори для пострілу.
• Таймінг — можна використовувати час накопичення заряду для створення простих таймерів.

Загальна кількість призначень конденсатора величезна. Не знаю точно скільки, для мене електроніка все ж суміжна область, але їх точно не менше десяти. Загалом у майстерні Їх небагато використовуєш, але хоч один буде майже у кожній схемі.

Котушка індуктивності

Це компонент, який накопичує електричну енергію у магнітному полі. Вона багато чим схожа з конденсатором, але побудована за іншим фізичними принципами, тому робить все теж саме, але має дещо інші параметри, через що інколи доречніша за конденсатор.

Напівпровідники

Це група деталей із матеріалів з унікальними електричними властивостями. Технічні особливості цих матеріалів детально описані в спеціалізованій літературі, але для практичного розуміння важливо знати наступне:

• Односпрямована провідність — напівпровідники мають «електронний замок», що дозволяє струму протікати лише в одному напрямку.
• Падіння напруги — більшість напівпровідників при проходженні через них струму, зменшують напругу струму строго на величину близько 0,6-0,7 В.
• Умови провідності — деякі з них мають умови відкриття «замку», через що через них струм тече не тільки в одному напрямку, але ще й тільки в певних умовах

Далі я наведу кілька типових напівпровідників, для розуміння суті чим вони є.

Діоди

Найпростіші напівпровідники. Пропускають електричний струм лише в одному напрямку.

Основні призначення:

• Маршрутизація — контролюють напрямок потоку струму в електричних схемах.
  Приклад: Захист схеми від зворотного струму в електродвигунах. Зворотній струм це коли двигун вимикають, він ще крутиться, стаючи генератором і б’є струмом по електричній схемі до котрої приєднаний.
• Випрямляч напруги — синусоїда яка в розетці, це струм що періодично тече то в одну сторону, то в іншу. Для того щоб його цей струм із AC перетворити на DC, потрібного для живлення електронних пристроїв, треба для початку зробити щоб він хоча б в одну сторону тік. Схема яка це робить називається діодний міст, і так, вона зроблена за допомогою діодів. Це дуже вузькоспеціалізована схема, але вона є у кожному блоку живлення що включається в розетку.

Стабілітрон

У напівпровідників є напруга пробиття замку — напруга при якій замок не витримує і пропускає струм у зворотньому напрямку.

Інженери використали цю властивість і створили стабілітрон — спеціальний вид діода, оптимізований пропускати струм у зворотному напрямку, коли напруга перевищує певний рівень.

Основне призначення

Ця деталь використовується для стабілізації напруги в і для захисту від перенапруги. Це не супер поширена деталь, але так як, я нагадаю це шпаргалка до статті про джерело живлення до HASEL, я згадаю тут про стабілітрон.

Транзистор

Ви не могли про них не чути. По суті це вимикач. Базово транзистори мають три ніжки: базу, колектор та емітер. При подачі струму на базу, транзистор відкриває замок між колектором та емітером. Це дозволяє використовувати їх як керований напругою вимикач, що є основою для побудови логічних схем і сучасних комп’ютерів. Це буквально є аналогом IF у програмуванні. Струм між колектором та емітером тече тільки в одну сторону.

Основні призначення:

• Ключ — це те що я вище назвав логічним оператором.
• Підсилювач — у транзистора три ніжки. Для проходженя струму треба парна кількість ніжок, отже одна ніжка спільна. Так як транзистор напівпровідник і вже вказує напрямки куди текти струму, а куди не текти — транзистори використовують для такого об’єднання двох потоків струму в один. Тому інколи й кажуть що це підсилюючий елемент. Ні — сам він не підсилює, він просто дозволяє підсилити один потік іншим.

Післяслів’я

На цьому я мабуть в цій статті зупинюся. Питайте в коментарях якщо є якісь питання.

Наш діскорд: discord.gg/Fde8UM3YmD

Донати: donatello.to/LustLabUa