Цифровая электроника для начинающих

Следующей, и весьма полезной для радиолюбителя микросхемой, является таймер NE555. Она была создана еще в 1971, но до сих пор актуальна - с помощью NE555 можно создавать различные генераторы сигналов. Это может пригодиться в разных схемах, от мигания светодиодом, до трансформатора Тесла.

Сама микросхема и нумерация ее выводов выглядят так:

Рассмотрим простую схему: мигающий светодиод.

Схема весьма проста. Частота задается деталями R1, R2 и С1, и определяется по формуле:

Частота, как мы знаем, измеряется в Герцах, 1Гц это одно колебание в секунду. NE555, R1, R2 и C1 создают генератор нужной частоты, справа мы видим уже знакомый нам светодиод с ограничивающим ток резистором.

Если схема собрана правильно, то мы увидим мигание светодиода. Если заменить резистор R1 на переменный, то частоту мигания можно будет изменять.

Немного усложнив схему, можно получить диммер - прибор, способный изменять яркость светодиода от нуля до максимума.

Такую схему можно использовать в качестве регулируемого ночника.

Как несложно догадаться, с помощью NE555 несложно воспроизвести и звук - нужно лишь изменить номиналы элементов, чтобы получить более высокую частоту, и поставить динамик вместо светодиода.

Здесь вместо светодиода и резистора подключен динамик с конденсатором.

Существует большое разнообразие схем с применением NE555. Например, подключив 2 микросхемы, можно получить “полицейскую сирену”:

Еще одна несложная схема - сигнализация, которая подаст звуковой сигнал при обрыве провода:

Аналогично, с применением NE555 есть схемы датчика протечки воды, ультразвукового отпугивателя собак, автоматического включения освещения с фоторезистором, и многое другое. Есть даже книга “Радиолюбительские схемы на ИС типа 555”, скачать ее можно в Интернете.

Самостоятельная работа: используя динамик, переменный резистор и NE555, собрать звуковой генератор, подобрав параметры так чтобы диапазон частот попадал в интервал 0-15КГц. С этим генератором легко проверить, насколько высокие звуки может слышать человек. Этот опыт можно провести с друзьями или одноклассниками - у каждого человека порог слышимости различный, более того, он меняется с возрастом.

1.8 Полевые и биполярные транзисторы

В предыдущей главе описывалась схема ночника, в которой яркость светодиода регулировалась от нуля до максимума. Но что делать, если мы захотим подключить целую светодиодную ленту чтобы осветить всю комнату? Включить ее напрямую к выводу микросхемы мы не можем, потребляемый ток слишком велик. На помощь придет полевой транзистор.

Схема подключения выводов транзистора показана на рисунке.

Упрощенно говоря, полевой транзистор - это электронный ключ, способный с помощью небольшого входного напряжения, управлять гораздо более мощной нагрузкой. Это как раз то, что нужно в нашей схеме.

Собрав схему, как показано на рисунке, мы можем подключить светодиодную ленту и изменять ее яркость вращением переменного резистора.

Кстати, как же в действительности изменяется яркость свечения? Здесь применяется так называемая широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В ней меняется не яркость светодиода, а продолжительность периодов его свечения:

Человеческий глаз не может видеть пульсацию с частотой тысячи раз в секунду, и воспринимает это как более или менее яркий свет, в зависимости от вида пульсаций.

Аналогичную схему можно собрать на другом виде транзистора - биполярном.

Такой транзистор подключается следующим образом:

С точки зрения физических процессов, принцип работы биполярного и полевого транзисторов, различен, но конечный результат для нас тот же - небольшое изменение входного тока базы (обозначена буквой B) вызывает значительное изменение тока коллектор-эмиттер (C-E).

Транзисторы также активно используются в усилителях звуковой и радиочастоты, как управляющие элементы в блоках питания, в компьютерной технике, и так далее. Фактически это один из основных элементов современной схемотехники. Но “в чистом виде” нам его использовать практически не придется - в основном, мы будем использовать готовые микросхемы (все они внутри себя, разумеется, содержат транзисторы).

На этом мы закончим поверхностное знакомство с основными электронными компонентами, и перейдем к цифровой технике. Желающие углубленно изучить аналоговую схемотехнику, могут найти в интернете книгу Хоровица и Хилла “Искусство схемотехники” (The Art of Electronics), которая была выпущена еще в 80е, но до сих пор актуальна.

Часть 2. Знакомство с Arduino

В настоящее время существует большое количество различных микроконтроллеров - STM, Atmega, PIC и пр. Микроконтроллер - это по сути, небольшой но полноценный компьютер, имеющий оперативную и флеш-память, тактовый генератор, порты ввода-вывода для связи с “внешним миром”.

Типичный микроконтроллер выглядит примерно так:

Чтобы его использовать, необходимо:

- припаять его к печатной плате,

- добавить элементы, минимально необходимые для работы контроллера (питание, reset, тактовый генератор, и пр),