Электроника для начинающих

Я родился в 70-х годах и был очень любопытным ребенком. Меня настолько привлекали разные электронные устройства, что, когда кто-нибудь выкидывал ненужное радио или телевизор, я пытался разобрать его, чтобы посмотреть, что находится внутри, и понять, как оно устроено. Внутри телевизоров находились огромные схемы со множеством цветных компонентов, надписей и проводов. Каким образом этот набор компонентов мог создавать изображение? Можно ли было извлечь что-то еще из этих схем? В 10 лет я познакомился с одной книгой, которая сыграла решающую роль в моей будущей карьере: «Справочник ученого». Это была небольшая книжка в стиле «Справочника молодых пионеров», который в те времена пользовался большим успехом, только вместо того, чтобы учить строить шалаши и выживать в лесах, он раскрывал ряд различных научных и физических трюков. Справочник был составлен в стиле комиксов, великолепный! Последний раздел книги был посвящен электронике. Я читал и снова перечитывал страницы, стараясь всему научиться. Многие вещи были немного сложны для понимания, но предмет мне нравился. В те же годы я нашел в подвале еще одну замечательную книгу, «Электротехника в рисунках и чертежах», тоже полностью иллюстрированную. Вскоре я начал посещать библиотеку в поиске других книг, которые могли бы дать мне больше информации. В те времена не существовало интернета, поэтому жизнь молодых изобретателей была очень сложной. Однако в газетных киосках можно было найти множество журналов про электронику. В одном городке неподалеку от моего города, находился также небольшой магазин, где продавались электронные компоненты. Мчась на велосипеде из одного города в другой, я потратил много карманных денег на покупку светодиодов, резисторов и интегральных схем. Это увлечение, родившееся случайно, далеко меня завело. После многих лет я все еще открываю «Справочник ученого» и восхищаюсь его ясностью и простотой. По этой причине и родилась эта книга. Я хотел бы подарить вам короткий рассказ о моем путешествии, которое длилось более тридцати лет. Многое изменилось, но трудности, с которыми сталкивается каждый новичок, все те же, даже во времена «Гугла».

Движение начинающих производителей, родившееся в Соединенных Штатах несколько лет назад, распространяется и в Италии. Все больше и больше людей начинают создавать разные вещи для удовольствия или в надежде превратить собственное хобби в бизнес. Производители изучают технологии и распространяют их бесплатным и открытым путем. «Ардуино» и 3D-принтеры относятся к двум наиболее значительным и хорошо известным символам этого движения.

«Ардуино» – это программируемая электронная плата, которая может выполнять ряд последовательных операций и взаимодействовать с аппаратным обеспечением вычислительных устройств. Для программирования платы достаточно подключить USB-кабель к компьютеру. Программирование было максимально упрощено, устраняя ряд технических сложностей. Таким образом, технология микроконтроллеров стала доступна для широкой аудитории, дав людям возможность реализовывать проекты, которые до недавнего времени казались невообразимыми. С помощью микроконтроллера можно читать датчики, подключаться к интернету и создавать станки с числовым программным управлением. «Ардуино» может быть подключена к моторам и станкам, а также способна читать стандартные команды (G-коды), используемые в промышленной сфере, с помощью специальной программы. 3D-принтеры были созданы, с использованием устаревшего патента и технологии микрочипа. Проекты для конструирования устройств, разработанные производителями, являются общедоступными, любой может использовать их для создания копий различных устройств в домашних условиях. Разумеется, невозможно получить ту же точность, скорость и рабочую область, но все же эти устройства способны создавать предметы быстрым и точным образом. Опираясь на шаблонную модель или рисунок, можно за один щелчок начать фрезеровать, печатать, гравировать, резать и т. д. Теоретически, каждый мог бы оборудовать свою фабрику в собственном гараже. Это цифровое производство! Многие считают, что в последние годы мы являемся свидетелями новой промышленной революции. С помощью инструментов цифрового производства люди могут создавать предметы по желанию, чтобы удовлетворить свои собственные потребности и нужды. В 2013 году состоялась первая европейская Maker Faire, выставка для производителей. Былонасчитано 35 000 посетителей, а на следующий год было зарегистрировано 90 000 посетителей. Вслед за этим феноменом многие люди начали интересоваться электроникой. Множество людей имеют необходимость создания электронных плат и схем для работы различных устройств, делать их интерактивными, обнаруживать и передавать сигналы. Очень часто эти люди не имеют соответствующего образования и знаний в области электроники; это дизайнеры, архитекторы, изобретатели, новаторы, не имеющие представления о том, как работают электронные схемы. Проще говоря, они сталкиваются с проблемами, которые хотят решить, и ищут способ сделать это. Многие оказываются в ситуации, аналогичной той, когда ребенок разбирающий телевизор, обнаруживает внутри таинственный и непонятный мир. Ардуино позволяет любому пользователю создавать сложные модульные механизмы, оснащенные дисплеем, модулями Bluetooth, WiFi, GPS и т. д., даже не достаточно разбираясь в происходящем. Часто нужно подключить какой-то другой элемент, это простая операция, но вы растеряны: как подключить реле? какое сопротивление необходимо для включения светодиода?

Данное пособие представляет собой вводный и упрощенный текст. Для упрощения понимания, многие темы были сокращены и приведены только конечные аргументы. Некоторые аргументы сложны для понимания и скрывают значительные физические и математические сложности, которые я пытался избежать; вы можете изучить их подробнее в пособиях, указанных в библиографии. Я старался сохранить оперативный подход, чтобы вы смогли понять материал и начать действовать.

Темы книги и описание глав

В этой книге я старался придерживаться наиболее последовательного описания, пытаясь объяснить аргументы в наиболее логическом порядке для новичка. Книга состоит из 10 глав, а также сопровождается двумя примечаниями и библиографией для более углубленного изучения.

Первая глава включает теорию, необходимую для понимания принципов работы электрической цепи и наиболее важных электронных компонентов, описанных во второй главе. В третьей главе мы будем учиться собирать электрические схемы с помощью макетной платы и научимся пользоваться паяльником. В четвертой главе рассматриваются полупроводниковые компоненты, такие как диоды, транзисторы и интегральные схемы. Пятая глава посвящена чтению электронных схем и практической разработке некоторыхпроектов, для лучшего ознакомления с макетной платой. В шестой главе мы будем говорить об обработке сигналов и цепей. В седьмой главе обсудим источники питания. В восьмой главе мы познакомимся и поэкспериментируем с цифровой электроникой, что позволит нам подробнее рассмотреть микроконтроллеры в девятой главе. В последней десятой главе мы научимся проектировать печатные платы, создавая их с помощью таких программ, как gEDA и Fritzing.

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.