Temat 5 - Silniki elektryczne dla konstruktorów modeli i robotów

Zadaniem silników jest zamiana energii elektrycznej na ruch obrotowy. Jeżeli do wyprowadzeń silnika podłączymy źródło zasilania to jego wał zacznie się obracać. Najczęściej silnik modelarski zasilany jest napięciem stałym od 4 do 8 Voltów i wygląda podobnie jak ten na zdjęciu.

[ Dioda LED służy tylko do porównania wielkości silnika ]

Silniki mają wysokie obroty wynoszące ponad 3000 obrotów na minutę. To za dużo do napędu np. kół samochodu. Dlatego też będziemy stosować przekładnie zębate, które zmniejszą obroty. W budowie przekładni zębatych obowiązuje zasada, że jeżeli koło napędzające ma małą ilość zębów, a odbierające dużą to obroty ulegną zmniejszeniu. Tak może wyglądać przekładnia, służąca do napędu modelu pojazdu, która zmniejszy obroty silnika około 300 razy.

A teraz trochę poeksperymentujemy. Podłącz silnik za pomocą płytki stykowej tak jak na rysunku.

Przy podłączeniu baterii pamiętaj o biegunowości - przewód czerwony to plus. Przytrzymaj silnik jedną ręką, a drugą naciśnij przycisk. Przez silnik zaczyna płynąć prąd i silnik się obraca. A teraz zamień miejscami przewody doprowadzające prąd z baterii i powtórz to samo. I co zauważyłeś różnicę? Silnik będzie się teraz obracał w drugą stronę. Tak więc aby zmienić kierunek obrotów silnika prądu stałego należy zamienić bieguny źródła prądu.

A teraz będziemy sterować silnikiem za pomocą Raspberry Pi, czyli "malinki". Ta czarna kosteczka na płytce stykowej, która ma 16 nóżek, to jest układ scalony. W jego wnętrzu znajduje się wiele podzespołów elektronicznych. Tworzą one wzmacniacz sygnałów komputera do wartości pozwalającej zasilić silnik.

Nie wolno podłączać silnika bezpośrednio do wyprowadzeń "malinki" bo można ją w ten sposób zniszczyć!

Połącz elementy na płytce stykowej według przedstawionego schematu, a potem podłącz do "malinki".

Sprawdź dokładnie to co połączyłeś i włącz zasilanie malinki, a potem uruchom program SCRATCH GPIO4. Do sterowania silnikiem wykorzystamy wyjścia (określane jako piny) 12 i 16.

Jeżeli chcemy aby silnik kręcił się w prawo to wysyłamy polecenie: pin12high, a pin16low. Przy obrotach w lewo powinno być pin16low, pin12low. Aby zatrzymać silnik wysyłamy na oba piny sygnał off.

Ćwiczymy.

Ułóż program, który będzie obracał silnikiem w LEWO przez 3 sekundy, a potem po jednosekundowej przerwie przez 3 sekundy w PRAWO.

Temat 4 - podłączamy diody LED do Raspberry Pi

Raspberry Pi to wspaniały komputer pozwalający podłączać wiele czujników i odbiorników.
Znamy już program SCRATCH to teraz spróbujemy sterować diodami LED za jego pomocą.
Użyjemy trzech diod LED, o różnych kolorach, połączonych tak jak na schemacie ideowym.

R1, R2 i R3 to rezystory o wartości 510 omów. Do połączenia elementów użyjemy płytki stykowej.
Tak powinien wyglądać rezultat naszej pracy.

Podłączenia do RasPi można dokonać tylko przy wyłączonym zasilaniu i po dokładnym sprawdzeniu układu. Przy błędnym połączeniu możemy uszkodzić komputer.

Po połączeniu wszystkich elementów na płytce stykowej sprawdź ich działanie podłączając źródło zasilania, czyli nasz koszyk z trzema bateriami AA. Biegun ujemny (czarny kabelek) podłączamy do dowolnego pinu w wierszu Y. Biegun dodatni (+) podłączamy kolejno do przewodów służących do połączenia z RasPi.

Jeżeli zapalają się wtedy diody LED to wszystko jest OK. Odłączamy zasilanie, sprawdzamy czy zasilanie RasPi jest wyłączone i podłączamy cztery kabelki do odpowiednich pinów złącza GPIO.

Sprawdzamy raz jeszcze i jeżeli wszystko jest OK włączamy zasilanie RasPi.

Po chwili uruchomi się system z ekranem powitalnym podobnym do systemu Windows. Na pulpicie znajdziemy ikonę SCRATCH GPIO4.  Jest to specjalna wersja umożliwiająca sterowanie diodami.

A teraz stworzymy pierwszy program:

Wewnątrz pętli "zawsze" znajdziesz nowe polecenie "nadaj" Powoduje ono nadanie, czyli wysłanie sygnału włączania lub wyłączenie odpowiedniego wyjścia. Nadaj pin15high oznacza ustaw linię 15 w stan wysoki, a pin15low oznacza ustaw ją w stan niski. No to teraz chyba wszystko już jest jasne.

Po wykonaniu pierwszego polecenia zaświeci się dioda połączona do wyjścia 15. Potem po 1 sekundzie zgaśnie, bo nadaliśmy polecenie pin15low. Potem po sekundzie znów zostanie nadane polecenie pin15high i tak wszystko będzie się odbywało w pętli bez końca.

A tutaj pokażę jeszcze inne sposoby sterowania wyjściami GPIO.

Polecenia high i low zastąpimy teraz przez on i off. Działanie jest dokładnie takie samo. All na początku oznacza, że polecenie dotyczy wszystkich wyjść.

Można też łączyć po dwa lub więcej poleceń w jednej komendzie nadaj.
Pytanie kontrolne:
Jak będzie działał program pokazany na ostatnim wydruku?

Temat 3 - Jak to teraz połączyć

Wspomniałem w poprzednim temacie, że do łączenia elementów będziemy używali prototypowej płytki stykowej. Dziś ją dokładnie poznamy. Taka płytka ma postać plastikowej podstawki z wieloma otworami. Niektóre z nich są ze sobą połączone od spodu metalową listwą przewodzącą prąd. Pamiętamy z poprzednich tematów, że plastik ( tworzywo sztuczne ) jest izolatorem i nie przewodzi prądu.
Elektronicy używają płytek o różnej wielkości i ilości otworów. My użyjemy takiej, która ma 270 punktów stykowych.

Te czerwone, niebieski i czarne kreski przechodzące przez punkty stykowe oznaczają ich połączenie i nie są widoczne. Będziemy mówili, że te punkty stykowe położone poziomo obok siebie leżą w wierszach, a te pionowo obok siebie umieszczone są w kolumnach. Poszczególne wiersze oznaczone są literami od A do J, oraz X i Y, a kolumny liczbami od 1 do 23. Nie wszystkie są opisane z powodu braku miejsca. A więc wszystkie punkty leżące w wierszu X są ze sobą połączone, co oznacza czerwona kreska. Tak samo te z wiersza Y - niebieska kreska. Leżące w kolumnach punkty A,B,C,D,E są też połączone, co oznaczają czarne kreski. To samo dotyczy punktów F,G,H,I,J.

Ćwiczymy:
1. Policz ile kolumn z otworami stykowymi występuje na płytce.
2. Policz ile jest wierszy.

Na pewno znasz grę w okręty, a więc określenie położenie punktu za pomocą jego współrzędnych nie jest Ci obce. Tak więc określenie A,1 oznacza punkt leżący w drugim wierszu i pierwszej kolumnie. J,15 to punkt leżący w wierszu 12 i 15-tej kolumnie itd.

Ćwiczymy:
Odszukaj punkty o współrzędnych X,5  E,21  C,6   J,19  G,11  Y,13

A teraz trochę o przewodach, które będą nam potrzebne do łączenia. Jak widzisz są różnej długości i każdy ma metalową końcówkę pasującą do otworu w płytce.

Ćwiczymy:
Połącz ze sobą punkty B2 i E20, a następnie G23 i J15. Dobieraj długość przewodu tak aby nie było zbyt dużego nadmiaru.
Zadanie sprawdzające: 
Wybierz 3 dowolne pary punktów na płytce. Zapisz je na kartce. Przygotuj stoper lub zegarek z sekundnikiem. Poproś rodziców lub rodzeństwo o "sędziowanie". Na sygnał START rozpocznij łączenie tych punktów przewodami. Osiągnięty czas prześlij mi SMSem lub e-mailem. Powodzenia.

A więc poznałeś już źródło prądu, diody LED, rezystory i płytkę montażową. Już niedługo zaczniemy to wszystko łączyć.

Temat 2 - Podzespoły elektroniczne: diody LED i rezystory

Zanim zaczniemy budować jakikolwiek obwód elektryczny musimy dokładnie poznać wszystkie elementy z których będzie się on składał. Znamy już źródła prądu. A teraz poznamy:

DIODY ŚWIECĄCE LED

To elementy bardzo często spotykane w wielu urządzeniach codziennego użytku. Pod wpływem przepływu prądu elektrycznego kryształek półprzewodnika wysyła światło o różnej barwie. Najpopularniejsza jest dioda świecąca na czerwono, ale spotykamy żółte, zielone, niebieskie, białe, a także takie które wysyłają światło niewidzialne. Niektóre diody świecą światłem przerywanym.

Dioda ma wyprowadzone dwa przewody zwane anodą i katodą. Ważne jest aby dobrze podłączyć diodę do źródła zasilania. Anoda musi być zawsze podłączana do bieguna dodatniego (+), a Katoda do bieguna ujemnego (-). Jak poznać które wyprowadzenie jest anodą lub katodą.

Najczęściej anoda jest dłuższa od katody. Niekiedy długości wyprowadzeń bywają jednakowe. Wtedy trzeba popatrzeć na diodę od strony wyprowadzeń. Zauważ, że z jednej strony ta okrągła obudowa jest spłaszczona. Tu właśnie jest katoda.
Ćwiczymy. 
Obejrzyj dokładnie każdą diodę i określ które wyprowadzenie jest anodą, a które katodą.

REZYSTORY

nazywane też opornikami służą do ograniczenia prądu płynacego w obwodzie. Rezystor to taki mały cylinder, który ma dwa wyprowadzenia. Na rezystorze namalowane są kolorowe paski. To zakodowana wartość ich oporności.

Zapamiętaj - duży opór wtedy w obwodzie popłynie mały prąd, a przy małym oporze duży prąd.
Diod LED nie wolno podłączać do zasilania bez rezystora ograniczającego wielkość prądu, bo duży prąd który wtedy popłynie mógłby je zniszczyć.

PRZEWODY i ELEMENTY POMOCNICZE

Będziemy też używali przewodów połączeniowych. Przewód zbudowany jest z dwóch zasadniczych warstw. W środku jest metalowy drut, który przewodzi prąd, a na zewnątrz kolorowa izolacja  zabezpieczająca przed dotknięciem i przypadkowym zwarciem przewodów.

Ćwiczymy. 
Weź kawałek przewodu, sprawdź, czy nie jest podłączony do prądu i usuń z niego izolację na długości około 1 cm. Pomyśl z jakich narzędzi skorzystać przy usuwaniu izolacji.  Zapamiętaj, że metale są przewodnikami prądu, a tworzywa sztuczne nie.

Jak teraz połączyć te elementy. Można na wiele sposobów. Często stosuje się rozmaite zaciski gdzie np. śrubka  dociska przewody i w ten sposób je łączy. Można też lutować przewody. A my tak jak wszyscy elektronicy do doświadczeń i próbnych połączeń użyjemy tak zwanej prototypowej płytki stykowej. I od jej poznania zaczniemy następne spotkanie.

Temat 1 - Podstawowe źródła zasilania

Mój Kochany Wnuku,
spróbuję pomóc Ci poznać wspaniały świat elektroniki i komputerów. Jeżeli Cię to zaciekawi to nauczymy się budować różne obwody elektryczne i pisać programy. Celem będzie zbudowanie urządzenia wykonującego zadane polecenia. Czy będzie to robot? To zależy tylko od nas jak go skonstruujemy, zbudujemy i zaprogramujemy. Przed nami dużo pracy, w więc do dzieła.
Na początku poznamy elementy elektroniczne z których będziemy niebawem korzystać.

ŹRÓDŁA PRĄDU

Będziemy na razie korzystać tylko z baterii lub akumulatorków. Znasz je doskonale, to te używane w latarkach, czy zabawkach. Mają różne wielkości i kształty. Ich cechą charakterystyczną jest napięcie elektryczne. Później wyjaśnię o co tu chodzi, ale już dziś musisz wiedzieć, że wysokie napięcie może być dla człowieka bardzo niebezpieczne.
Jednostką napięcia jest VOLT.
Na bateriach spotkasz nieraz oznaczenie: AA LR6 1,5V
Spróbujmy je rozszyfrować zaczynając ok końca.
V - to skrót jednostki napięcia czyli Voltów.
1,5 - to wartość napięcia jakie wytwarza dana bateria lub akumulator
LR6 - to typ baterii
AA - to jej rozmiar
Akumulatorki wyglądają najczęściej podobnie jak popularne baterie. Można je też stosować do zasilania różnych urządzeń, a mają tą zaletę, że po rozładowaniu można je ponownie naładować. Baterie są jednorazowego użycia i nie wolno ich ładować.

W gniazdkach (kontaktach) domowej instalacji elektrycznej też występuje też napięcie elektryczne.
Ma ono wartość 230 V i może być bardzo niebezpieczne dla człowieka. 
Zapamiętaj, że:
- napięcie elektryczne większe niż 12 V może być dla ludzi bardzo niebezpieczne
- nigdy nie wolno ładować baterii elektrycznych
- nigdy nie wolno dotykać odizolowanych przewodów elektrycznych jeżeli nie wiesz czy nie są podłączone do prądu
- nie wolno wyrzucać zużytych baterii do pojemnika na śmieci, gdyż mogą być zagrożeniem dla środowiska

Baterie mogą być ze sobą łączone na przykład szeregowo. Jeżeli połączymy tak dwie baterie 1,5 V to otrzymamy źródło prądu o napięciu 1,5 + 1,5 czyli 3V
Bateria, jak i każde źródło prądu ma dwa bieguny. Dla prądu stałego są to biegun dodatni (+) i ujemny (-).
Połączone baterie umieszczone bywają w obudowach nazywanych nieraz "koszykami na baterie". Koszyk z bateriami może wyglądać tak jak na zdjęciu:

Wychodzące z koszyka dwa przewody pozwalają przyłączyć źródło zasilania do obwodu elektrycznego. Najczęściej przewód czerwony to biegun (+), a czarny (-), ale pamiętaj, że ktoś może zastosować przewody o innych kolorach izolacji.

No i pytania sprawdzające:
1. Jakie napięcie będzie miało źródło prądu pokazane na zdjęciu?
2. Czym będzie się różniła (od pokazanej na fotce) bateria, gdzie w oznaczeniu wystąpią litery AAA?