HRADLA, VOLTY, JEDNOČIPY

Úvod do bastlení

Martin Malý

Vydavatel:

CZ.NIC, z. s. p. o.

Milešovská 5, 130 00 Praha 3

Edice CZ.NIC

www.nic.cz

1. vydání, Praha 2017

Kniha vyšla jako 16. publikace v Edici CZ.NIC.

ISBN 978-80-88168-24-9

© 2017 Martin Malý

Toto autorské dílo podléhá licenci Creative Commons

(creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/cz/),

a to za předpokladu, že zůstane zachováno označení autora díla a prvního vydavatele díla, sdružení CZ.NIC, z. s. p. o. Dílo může být překládáno a následně šířeno v písemné či elektronické formě na území kteréhokoliv státu.

Poděkování

Poděkování

Děkuji všem, kdo se na vzniku této knihy podíleli, ať už přímo, nebo nepřímo.

Děkuji lidem z Edice CZ.NIC, jejíž laskavou péčí kniha vyšla.

Děkuji Petrovi Koubskému, který mě před mnoha lety pošťouchl k tomu, že vůbec píšu.

Děkuji všem „betatesterům“, kteří četli rukopis a poslali mi k němu svoje připomínky, jmenovitě pánové Michal Valášek, Peter Kmet a Martin Javorek.

Děkuji Štěpánovi Bechynskému, Vladimíru Šuvarinovi, Jakubu Goldmannovi a dalším lidem, kteří mě při psaní podpořili radou, připomínkou a vlídným slovem.

Děkuji všem lidem, které na serveru Zonky.cz zaujal tenhle nápad a umožnili mi téměř půlroční tvůrčí prázdniny!

Děkuji svojí přítelkyni. Nebýt její tolerance, pochopení a neustálého povzbuzování, tak bych nic nenapsal!

Rád bych tuto knihu dedikoval člověku, který pro mne v mládí představoval opravdového hrdinu číslicového věku, člověku, který se zapsal do dějin československé výpočetní techniky jako konstruktér několika počítačů a jehož konstrukce a články mi byly vzorem a první učebnicí počítačové techniky – panu Eduardu Smutnému. Děkuju

Předmluva vydavatele

Předmluva vydavatele

Bývaly časy, kdy se pravý muž poznal podle skvrn od oleje na oblečení a schopnosti kdykoliv rozmontovat a často i zpět smontovat automobil. Tyhle časy minuly, vytlačila je doba řízeného vstřikování a dílů, které se mění kus za kus. A nejenom v automobilu.

A tak na tištěném spoji vidíte jeden spálený váleček a říkáte si, že by přeci mohlo stačit jej nahradit jiným podobným válečkem. Nebo, možná i jen přešlemovat pozici drátkem jako to dělával děda v pojistkové skříni, když něco v domácí elektrotechnice nefungovalo.

Záhy ověříte empiricky, nebo možná vezmete za dané moje tvrzení, že doba přeci jen už o něco pokročila a ne na vše stačí kus drátu. Přesně v rozhraní mezi dobou pokročilou a dobou minulou leží tato kniha. Z minulosti si bere tvůrčí zápal. Schopnost nerezignovat nad úkolem překračujícím pípnutí bezkontaktní platební karty v platebním terminálu. Pokus pochopit klubka drátů. A propojuje ji s dobou moderní, s mikroprocesory, řádky softwarového kódu, Vašimi nápady a samozřejmě se Sítí sítí, Internetem.

Touto knihou Vás autor vezme na procházku do světa nápadů, které střídá realizace. Přestanete být pouhým konzumentem, stanete se autorem, spolutvůrcem, nebo prostě jen napříště budete schopni opravit ten váleček, co se mu mimochodem říká odpor, i když se správně jmenuje rezistor.

Hezké snění a tvůrčí zápal přeje

Patrick Zandl, CZ.NIC

Praha, 20. listopadu 2017

Předmluva mentora

Předmluva mentora

Bývaly časy, kdy nejsnazší způsob, jak přijít k osobnímu počítači, byl postavit si ho. Bývaly časy, kdy u nás bylo víc bastlířů než hráčů počítačových her; napřed jste museli dobastlit, abyste měli na čem hrát.

Bastlit, pokud to slovo už nebo ještě neznáte, znamená: vymýšlet, stavět, drátovat a letovat, zapojovat a rozpojovat, měřit, přemýšlet a drbat se na hlavě a nadávat a nespat, kreslit a škrtat. Užitečný stručný výraz pro velmi komplexní činnost.

Samosebou to byly pitomé časy. Nedostávalo se v nich nejen osobních počítačů, ale taky svobody slova, toaletního papíru a mnoha dalších užitečných komodit. Udržet si čisté svědomí a čistý zadek vyžadovalo opatrnost a vynalézavost. Jen hlupák by chtěl, aby se ta doba vrátila. (Že je u nás takových hlupáků hodně, to by patřilo do předmluvy k nějaké úplně jiné knížce.)

Kdo ale bastlířskou érou prošel, získal důležitý poznatek: elektronika je jeden ze způsobů, jak se naučit myslet.

Co tím chci říci? Existují různé způsoby, jak pochopit logiku světa a odnést si to pochopení z jednoho oboru do druhého. Nechtějte, abych podrobně popsal, co to je logika světa, protože to nedovedu; určitě do ní patří základy skutečné formální logiky, ale také pochopení věcí jako zákony zachování (neboli: vždy je něco za něco), vězňovo dilema (neboli: z některých pastí se dostaneš jen tak, že je redefinuješ), zlaté pravidlo morálky (neboli: všechno se ti vrátí). Nikde se to nenaučíte jako celek, ale jsou obory, jejichž osvojení vám velmi pomůže, naučí vás logice, pečlivosti i pokoře. Patří k nim – podle mne – třeba matematika, jakýkoli cizí jazyk, výchova dětí, bojové sporty, horolezectví, fyzika a biologie, téměř jakákoli řemeslo, které se dělá rukama a vzniká při ní uspořádanější soustava, než jaká byla předtím. Nepatří k nim – opět podle mne – ekonomie, filozofie, míčové hry, marketing, literatura a kupodivu také většina programování. Tím ty druhé obory nesnižuji, jen upozorňuji na rozdíl.

Elektrotechnika, elektronika a číslicová technika v sobě šťastným způsobem spojuje přírodní vědy, matematiku, řemeslo a pokoru. K osvojení logiky světa je proto obzvlášť vhodná. Měli byste si ji vyzkoušet, i když ji k ničemu potřebovat a používat nebudete. Měli byste si ji vyzkoušet, protože je to pro vás dobré a zdravé. A když říkám vyzkoušet, míním tím: rukama. Nestačí číst, je třeba vzít skutečné součástky a začít skutečně stavět a měřit, dělat chyby a odhalovat je.

Chtěl jsem dodat, že je to dnes nesrovnatelně lehčí než v Éře Chybějícího Toaletního Papíru, ale to by nebylo přesné. Nesrovnatelně lehčí je začít, dojít na startovní čáru. Obchody jsou plné součástek a předpřipravených stavebnic. Existují skvělé věcičky jako Arduino a Raspberry Pi a Lego Robotics. Existují zázračné vynálezy jako nepájivé kontaktní pole, což je pomůcka, za kterou bych řekněme v roce 1980 dal téměř cokoli.

Ale tím to končí. Kirchhoffovy zákony jsou pořád stejné, právě tak Booleovu algebru neokecáte tehdy, dnes ani za tisíc let. Musíte projít stejnou cestou, kterou prošli všichni ostatní.

Je to skvělá cesta.

Knížka, kterou držíte v ruce, je turistickým (jen místy lezeckým) průvodcem po této cestě. Po dlouhé době někdo sepsal původní českou knihu o elektronice a číslicové technice, knihu dokonale uzpůsobenou současným podmínkám a možnostem, knihu informačně bohatou a přitom vtipnou a laskavou. Mám radost z každého dobrého výkladu jakékoli problematiky – radost vzácnou, protože moc často si ji člověk neužije. Kniha Martina Malého ji nabízí v míře vrchovaté. Jestli o elektronice nic nevíte, nezmeškejte tuhle výjimečnou příležitost.

A jestli o elektronice víte něco nebo i hodně, pak zas nezmeškejte příležitost podívat se na dobře známé věci jinýma očima – a možná se i seznámit s tím, co je nového, s čím vším si můžete hrát.

Protože elektronika je především ohromná zábava, nekonečná stavebnice, obrovský prostor na hraní a vymýšlení. Život je krátký a všichni si musíme vybírat, co si do něj pustíme a co ne. Já se velmi přimlouvám za elektroniku. Zkuste to.

Petr Koubský

9. listopadu 2017

Výmluvy místo předmluvy

Výmluvy místo předmluvy

Znáte Archimédův zákon?

„No jistě,“ řeknete, „to zná přeci každý, každý ví, že těleso ponořené do kapaliny je nadnášeno silou, která se rovná váze kapaliny tělesem vytlačené!“ To pokud jste chodili do školy dřív.

Pokud jste mladší, znáte možná variantu „Těleso ponořené v kapalině je nadlehčováno hydrostatickou vztlakovou silou, jejíž velikost se rovná tíze kapaliny stejného objemu, jako je objem ponořené části.“

Určitě si vzpomenete i na to, jak jste se ho učili: jako básničku. K tomu jste viděli pár malůvek na tabuli – obdélník je těleso, síla F sem, objem V tam, spočítat, vynásobit – bude to plavat? A pane Lorenc, uvezu to?

Kolik z vás si vybaví, že fyzikář přinesl do místnosti lavór s vodou a ukazoval, jak plave plechový hrníček a jak plave sklo? A jak se koule potopí a dutá ne, protože každá váží jinak? Kolik z vás přišlo domů a řeklo si: Aha, proto poloprázdná láhev od limonády plave ve vodě!

Většina dětí umí Archimédův zákon odříkat. Chápou i ty síly a objemy a vzorečky, protože se je naučí. Mají ale problém ho použít.

Nebojte, nejsme v tom sami. O tomtéž psal už Feynman ve svých slavných knížkách. V Brazílii se učila fyzika tak, že studenti dokázali odříkat, co je to Brewsterův úhel, ale nedokázali poučku použít na to, aby vyřešili prostý problém: kde najít v přírodě zdroj polarizovaného světla. I když se oknem dívali na to, jak se slunce odráží ve vodách zálivu.

Nebo to s těmi čtverci nad odvěsnami – já si jako dítě nedokázal představit, jak sčítám čtverce. Ale znám to v téhle podobě, snad jako všichni. Pak jsem se naučil, že jde o druhé mocniny. Věřte nebo ne, to grafické znázornění, s těmi čtverečky, jsem viděl až dlouho po škole, až na internetu.

Nebo Ohmův zákon. Všichni se ho učili, všichni věděli, že „ho musíte znát, i kdyby o půlnoci…“ a tak dále. Ale k čemu vám kdy byl, ptám se? V té podobě, v jaké se učí, tedy že U rovná se I krát R, ho moc neužijete. Musíte si ho zažít.

Dnes se všude mluví o internetu věcí a lidé, chytří a vzdělaní, se pouští do elektronických projektů a vlastních konstrukcí, protože cítí buď příležitost, nebo jen obyčejné okouzlení a radost z toho, když něco vlastními rukami uděláte. A spousta z nich chodí za mnou a ptá se: „Jak to vlastně funguje?“ Já jim vždycky říkám, že to je úplně jednoduché, když si to sami vyzkouší a nebojí se zeptat. Ukážu jim, jak jednoduché je zapojit LED, aby svítila, a pak se zeptám: „A co kdybych tu LED zapojil obráceně?“ V tu chvíli se na mne podívají a řeknou: „Nevím. Co by se stalo?“

Čekají, že jim to řeknu, ale já jim to nechci říkat. Já chci, aby to sami zjistili, a pak se mě zeptali: Proč to tak je? A proč LED vedle sebe svítí jinak než když jsou za sebou? Teprve teď, když se ptají „proč“, jim začnu vysvětlovat teorii, protože už narazili na otázku, na kterou jim teorie dá odpověď. Začít nejdřív teorií, to je jako začínat odpovědí…

Já věřím, že elektronika je nejen zábavná a tajemná a plná skvělých možností, ale taky snadná na pochopení, pokud se vykládá trochu jinak než od teorie ke vzorečkům. Věřím, že ji dokážu vysvětlit i vám, a že vám ji vysvětlím tak, že se v ní neztratíte. Vím, že můj postup nesedne každému, že někdo chce spíš ta skripta a sednout si na ně a naučit se to po svém a pochopit to vlastním způsobem. Pro takové lidi moje knížka není moc vhodná. A není ani vhodná pro malé děti, od toho jsou knihy jiné.

Věřím, že základy číslicové techniky a číslicové obvody jsou natolik zajímavá oblast, že se vyplatí investovat několik stokorun do součástek a začít experimentovat. Tato kniha vám může být decentním průvodcem, ale nepovede vás za ruku. Není to ani učebnice elektrotechniky se spoustou teorie. Snažil jsem se projít cestou od svícení LEDkou až někam k mikroprocesorům a návrhu počítačů. Cestou úmyslně opomíjím spoustu zajímavých oblastí, jako je audiotechnika nebo vysokofrekvenční technika, a z teorie vysvětluju pouhé nezbytné minimum. Nejde mi o to udělat z vás, čtenářů, elektroinženýry, ale povzbudit vás k vlastním pokusům, vzbudit zájem, nasměrovat… Pokud vás číslicová technika zaujme natolik, že budete chtít vědět víc a tato kniha vám už bude malá, budu jen rád.

Myslím si, že úplně nejlepší způsob, jak se něco učit, je zkusit si to. Vlastní zkušenost je k nezaplacení. Ale vím, že součástky něco stojí, navíc nepřijdou hned, tak jsem využil volně dostupného emulátoru elektronických obvodů, v němž si můžete zkusit probírané věci zapojit, nebo i vytvořit vlastní konstrukci. Nemusíte si kvůli tomu nic instalovat do počítače, stačí vám jen moderní internetový prohlížeč.

Ke knize jsem připravil i materiály pro další studium, dokumenty ke stažení a zdrojové kódy příkladů. Rozhodl jsem se nezaplácávat drahý papír v knize sáhodlouhými výpisy programů, které vy budete dlouze přepisovat. Místo toho naleznete vše potřebné, včetně výše zmíněného emulátoru, na elektrokniha.cz – a navíc s opravenými chybami.

—

Kdysi mi jeden známý říkal: „Já dokážu zapojit cokoli podle schématu, ale vůbec nevím, jak na to autor přišel, že to má být takhle! Co potřebuju vědět k tomu, abych to taky dokázal vymyslet?“

V téhle knížce si to povíme. Projdeme si spolu světem elektroniky a číslicové techniky. Nebude to úplně tak, jak to učí ve škole, a spoustu teorie vynecháme. Asi před vámi otevřu víc otázek, než položím odpovědí. Chci, abyste na konci mohli říct nejen „dokážu něco vymyslet a postavit“, ale hlavně „zajímá mě to“ a „mám chuť se do toho pustit!“

Máte chuť se do toho pustit?

Obsah

Obsah

Poděkování

Předmluva vydavatele

Předmluva mentora

Výmluvy místo předmluvy

1 Budu velkým elektronikem a budu stavět hrozně cool obvody!

1.1 Blikač

1.2 „Dílna“

1.3 Kde nakoupit součástky?

1.4 Nákupní seznam: Součástky pro blikač

1.4.1 LED

1.4.2 Rezistory

1.4.3 Kondenzátory

1.4.4 Integrované obvody

2 Postavte si blikač – teď už to snad půjde lépe

2.1 Který rezistor je ten pravý?

2.2 Měření multimetrem

2.3 LED podrobněji

3 Hlava, koleno, zem…

3.1 „Nemá to něco společného s atomy?“

3.2 Napětí

3.3 Proud

3.4 Vodič a nevodič

3.5 Odpor

3.6 Měření, měření!

3.7 Ohmův zákon

3.8 Výkon

3.9 … a malé opáčko

3.9.1 Násobky a podíly

3.10 Zkratky u značení

3.11 Vyvolená čísla

3.12 Pro lepší představu

3.13 Střídavý proud

3.14 Zkrat

3.15 Multimetr jako zkrat?

3.16 Elektromagnetická indukce

3.17 Značky pro schémata

3.17.1 Kroužek, nebo ne?

4 Zdroje napětí

4.1 Společná zem

5 Vedle sebe, za sebou

5.1 Svítilna s LEDkou

5.2 Sériové zapojení

5.3 Dělič napětí

5.4 Paralelní zapojení

5.5 Kirchhof 2

5.6 Baterie sériově – paralelně

5.7 Potenciometr

5.8 Úbytek napětí na LED

5.9 Co jsou vlastně ty diody zač?

5.10 Datasheet

6 Základní elektronické součástky

6.1 Rezistor

6.2 Kondenzátor

6.3 Cívka

6.4 Transformátor

6.4.1 DC měnič

6.4.2 Stabilizátor

6.4.3 7805

7 Polovodiče

7.1 P-N přechod

7.2 Dioda

7.3 Tranzistor

7.4 Rozsvítíme prstem LED!

7.4.1 Více světla!

7.5 Tranzistor řízený polem (FET)

7.6 Šoupejte nožkou…

7.7 MOSFET

7.7.1 Co je to CMOS?

7.8 A to je všechno s polovodiči?

8 Pouzdra elektronických součástek

8.1 Co je to SMT a THT

8.2 DIP, DIL

8.3 Co s těmi ostatními?

8.3.1 Praktické tipy

9 Blikač s Arduinem

9.1 Když se řekne Arduino

9.2 Programování Arduina

9.3 Blikání Arduinem

9.4 Krok zpět k drátům

9.5 Arduino a EduShield

10 Fotorezistor

10.1 Obrácená logika

10.2 Trimry

10.3 Lepší řešení detektoru tmy

10.4 Fotorezistor a Arduino

11 Termistor

12 LM35

13 „Jak naučit kámen počítat“

13.1 Stavebnice

13.2 Logické funkce

13.2.1 Digitální, nebo analogové?

13.2.2 Dvojková soustava

13.2.3 Šestnáctková soustava

13.2.4 Zpátky k technice

13.3 TTL a CMOS

13.3.1 Propojení CMOS a TTL

13.4 Operace s bity

13.5 Booleova algebra, výroková logika

13.6 Logika v číslicové technice

13.7 U-káz-ka! U-káz-ka!

13.8 Tlačítko a přepínač

13.9 Pull Up a Pull Down

13.10 Pomalé tlačítko

13.11 Schmittův obvod

13.12 Blokovací kondenzátor

13.13 Buzení z Arduina

14 Kombinační logika

14.1 De Morganův zákon

14.2 XOR

14.3 Logické funkce dvou proměnných

14.4 Vícevstupová hradla

14.5 Mimochodem, když máme NAND, co ty ostatní?

14.6 Zjednodušování logických výrazů

14.7 AND-OR-INVERT

14.8 Multiplexor

14.9 Proč slučujeme přes OR?

14.10 Dekodér (demultiplexor) „1-z-N“

14.11 Vícebitové varianty

14.12 Otevřený kolektor, třetí stav, OE

14.13 Dekodéry

14.14 Pojďme, budeme už fakt něco počítat!

14.15 Aritmeticko-logická jednotka (ALU)

15 Sedmisegmentovky LED

15.1 Víc sedmisegmentovek…

16 Jak vypadá hradlo uvnitř

16.1 Proč zapojovat blokovací kondenzátory k napájení

16.2 Negované signály

16.3 MOS, CMOS

17 „Plnou parou vzad!“ – „Ale jak daleko?“

17.1 Ještě pípat!

18 Zpětná vazba

18.1 Astabi-cože?

18.2 Blikač

18.3 Krystalový oscilátor DIL

18.4 Monostabilní klopný obvod

18.5 Detektor pohybu

18.6 Bistabilní klopný obvod R-S

18.6.1 Klopný obvod s hradly NAND

18.7 Zakázané kombinace, zpětná vazba, …

18.8 Hodiny

18.9 Synchronní / Asynchronní

18.10 Symbol pro klopný obvod

18.11 Reálný klopný obvod D: 7474

18.12 Reálný latch 7475

19 Panna, nebo orel?

19. 1 Náhoda? Nemyslím si…

19.1.1 Jaké hodnoty RC zvolit, když vím jen to, že součin má být XYZ?

19.2 Střída

19.3 PWM

19.4 Dělení kmitočtů

19.4.1 Násobení kmitočtu?

19.5 Klopný obvod T

19.6 Klopný obvod J-K

20 Čítače

20.1 Čítač s nulováním

20.2 Čítače v praxi

20.3 Hrací kostka

20.3.1 Reálná kostka

20.3.2 Vyjádření logických výrazů

20.3.3 Montážní OR

20.3.4 Zobrazovací obvod hrací kostky

20.3.5 Dekodér hrací kostky

20.4 Další čítače

20.5 Ještě nějaké čítače?

20.5.1 Johnsonův kód

20.5.2 Grayův kód

20.6 Rotační enkodér

20.7 Čítač s dekodérem 1-z-10 typu 744017

20.8 Počítadlo k autodráze

21 Posuvné registry

22 Paralelní a sériová rozhraní

22.1 Buzení displeje ze sedmisegmentovek

22.2 Posuvný řadič SIPO 74HCT595

23 Sériová komunikace

23.1 Sériová sběrnice SPI

23.2 Sériová sběrnice I2C

23.3 Prakticky…

23.4 EduShield a displej

23.5 RS-232, UART, Serial…

23.6 Převodník USB na sériové rozhraní

23.7 1-Wire

24 Paměti

24.1 7489 – 64 bitů RAM

24.2 Dynamická RAM

24.3 ROM, PROM a další

24.4 To nejlepší z obou světů

24.5 Několik tipů k pamětem

24.6 Jak se zapisuje do EEPROM či FLASH?

24.7 Sériové paměti

25 Sériová paměť prakticky

26 Hodiny reálného času

27 Paměťové karty

28 Logický analyzátor, logická sonda

29 Elektronika a svět kolem nás

29.1 Ovládáme přírodu elektronikou

29.1.1 Elektromagnety

29.1.2 Motory

29.1.3 Relé

29.1.4 Darlington, FET, Tyristor

29.1.5 Servo

29.1.6 Krokový motor

29.1.7 Světlo

29.1.8 Peltierův článek, topná spirála

29.1.9 Reproduktor

29.2 Příroda ovládá elektroniku

29.2.1 Tlačítka a klávesy

29.2.2 Dotyk

29.2.3 Světlo – fotorezistor, fotodioda, line tracking

29.2.4 Magnetismus

29.2.5 Otáčení, posun

29.2.6 Poloha, zrychlení

29.2.7 Zvuk

29.2.8 Teplota, vlhkost

29.2.9 Vzdálenost

29.2.10 Tlak

29.2.11 Plyn

29.2.12 GPS

29.2.13 Pohyb osob (PIR)

30 Meteostanice

30.1 Výběr součástek

30.2 Špinavej trik

30.3 Stavíme z polotovarů

31 Bezdrátový přenos dat

31.1 Vysílání na 433 MHz

31.2 nRF24L01+

32 Procesory, počítače, mikrořadiče

32.1 Mikroprocesor 8080A

32.1.1 Ready / Wait

32.1.2 Hold (DMA)

32.2 Přerušení

32.2.1 Nemaskovatelné přerušení

32.3 Periferie

32.4 Složitější periferie

32.5 Jednočipový mikropočítač

31.5.1 Harvard vs von Neumann

32.6 Atmel AVR

32.6.1 RISC

32.6.2 Vnitřní uspořádání ATmega328

32.7 Další mikrokontroléry

32.7.1 ARM

32.7.2 PIC

32.7.3 8051/8052

32.8 Tak málo nožiček…

32.9 Programování jednočipů

33 Displeje

33.1 Znakový displej 1602, 2004

33.2 Grafický displej 12864

33.3 Další displeje

33.4 Bezdrátový displej k naší meteostanici

34 Klávesnice

34.1 Šetříme vývody

34.2 Připojujeme klávesnici od PC

34.3 Matice tlačítek

34.4 Postavte si třeba… kalkulačku?

35 Osm tlačítek na třech vodičích

35.1 Multiplexior / Demultiplexor

35.2 PISO a SPI

35.3 Analogová cesta

35.4 R-2R

36 Joystick

37 ESP8266 WiFi

37.1 Moduly ESP8266

37.2 Převodník napěťových úrovní

37.3 WeMos D1 Mini, NodeMCU

37.4 Bezdrátový teploměr s WiFi

37.5 Instalace podpory ESP8266 do Arduino IDE

37.6 WiFi Manager

37.7 Klient / server?

38 Low Power

38.1 Solární články

39 Sigfox

39.1 Co je to Sigfox?

39.2 Cloudový teploměr se Sigfoxem

39.3 Co s daty v Sigfoxu?

40 Šťastnou cestu…

Přílohy

Nástroje a weby

Nákupní seznam začínajícího hobby elektronika

EduShield

Nahrání firmware do EduShieldu

Turris Omnia pro experimenty s elektronikou

Karnaughova mapa

„Dobré rady nad zlato“ na jednom místě

1

Budu velkým elektronikem a budu stavět hrozně cool obvody!

1

Budu velkým elektronikem a budu stavět hrozně cool obvody!

Naučit číslicovou techniku, říkáte? A základy elektroniky, říkáte? Však to není žádná složitá věc, to zvládneme. A ať se zbytečně nezdržujeme, tak rovnou začneme blikačem, ne?

Tuhle kapitolu můžete klidně vzít zlehka, letem světem, a později se k ní vrátit. Pokud nechápete, o čem je v ní řeč, nevadí. Zkuste si ji i tak alespoň přečíst, jak se říká, nasucho… Nebojte, hned za chvíli bude všechno jasnější!

Jako programátoři začínají známým „Hello world“, tak se v elektronice používá blikání světlem. To je takový základ, který by každý měl znát, a kterým se vždycky začíná. Pojďme si to postavit, je to snadné.

1.1

Blikač

Blikač můžeme postavit mnoha způsoby a použít k tomu nejrůznější součástky. Dřív se používaly tranzistory, my se k nim taky dostaneme, ale pro začátek zvolíme složitější součástku, totiž integrovaný obvod. Konkrétně to bude obvod 7404 – vyrábí ho celá řada výrobců v nejrůznějších obměnách, my použijeme libovolný z nich – tedy 74LS04, 7404, 74HC04. Obvod se skládá z šesti invertorů, využijeme z nich polovinu, tedy tři. K tomu připojíme rezistor, elektrolytický kondenzátor, a jako indikaci použijeme LED s rezistorem v sérii. Takto:

eknh.cz/ledblik

Zapojení je velmi jednoduché, s danými hodnotami kmitá zhruba na frekvenci 4,5 Hz, takže záblesky jsou dobře vidět prostým okem. Postavte si ho na nepájivém kontaktním poli…

Nebo něco není jasné?

Cože? Že nic není jasné? Že nevíte, co je integrovaný obvod, co znamenají ty značky, co je to to nepájivé kontaktní pole, co je rezistor, a vlastně z toho vysvětlení nechápete vůbec nic?

Tak to jste tu správně!

Začneme od počátku. Nebojte, ten blikač si postavíme za chviličku, jen si nejdřív řekneme, co je co a jak na to.

1.2

„Dílna“

Být programátorem je velmi snadné. Stačí vám k tomu počítač a židle. Ani ten stůl není potřeba, zvládnete to totiž na koleni. Doslova. S elektronikou je to trochu těžší – minimálně ten stůl potřebujete, protože pracujete s malými součástkami a nechcete, aby vám padaly na koberec.

Neříkám, že potřebujete hned dílnu s ponkem a spoustou přístrojů, ale něco přeci jen mít musíte. V téhle knize vám budu ukazovat základy elektroniky, a budu se snažit, abyste se při tom neměli šanci ani zranit, ani zničit vybavení bytu. Bude vám stačit jen místo na stole, dostupná zásuvka, pořádné světlo a pár nástrojů a pomůcek. Něco z toho možná doma máte, pokud ne, tak to pořídíte v libovolném obchodě, ať už kamenném, nebo internetovém. Pár tipů najdete v další kapitole.

Co tedy nakoupit? V první řadě nepájivé kontaktní pole. Anglicky se tomu říká breadboard, a je to deska s maticí otvorů, které jsou vždy po pěti propojené. Do těchto otvorů zasunujete vývody součástek a spojujete je pomocí drátků, pokud nevyjdou vývody do správné pětice. Díky tomu nemusíte pracovat s páječkou, a zároveň je zapojený obvod snadno rozebiratelný, takže můžete zapojení sestavovat a opět rozmontovávat bez rizika, že součástky třeba nadměrnou tepelnou zátěží poškodíte.

K nepájivému kontaktnímu poli je vhodná i sada propojovacích vodičů. V zásadě můžete použít jakýkoli izolovaný drát s tloušťkou kolem 0,3 mm, ale doporučím koupit speciální vodiče pro nepájivá kontaktní pole. Tyto vodiče mají na koncích plastové koncovky, díky kterým se snáze zastrkávají i vytahují. V ČR jsou z nějakého důvodu nehorázně drahé, ale pokud je koupíte přes internet z e-shopů v zahraničí, můžete se dostat na zlomek ceny. Hledejte jumper wire nebo dupont wire.

Když už budete kupovat propojovací vodiče, kupte si nejen „male-male“, tedy „samec-samec“, ale i „male-female“ a „female-female“. Tedy vodiče, které mají na jednom či obou koncích dutinky. Budou se hodit pro připojování modulů k Arduinu.

Budete potřebovat občas malý šroubovák, plochý i křížový – asi všichni máme nějaký takový doma, ale zde zdůrazňuju to „malý“. Nebo si rovnou vezměte celou sadu. Hodí se vám i plochá pinzeta. Nekupujte si nejlevnější z obyčejného plechu, u nich se snadno stane, že se ohnou a nedrží a jsou pak na vyhození. A pokud nemáte oči jako ostříž, oceníte lupu.

Další nezbytná věc jsou malé kleště, ideálně dvoje – jedny štípačky, jedny „obyčejné“. Po čase přijdete na to, že se vám budou hodit i kleště pro odizolování kabelů. Teď to ještě nezbytné není.

Co nezbytné je, to je multimetr. Kdysi se prodával krásný měřicí přístroj, jmenoval se Avomet a byl nehorázně drahý. Dnes si můžete koupit taky drahé meřicí přístroje, ale ze začátku vám naprosto bez problémů postačí digitální multimetr, který najdete v každém hobbymarketu. Multimetr je zařízení, které vám umožňuje měřit napětí, proud, odpor, a někdy i další veličiny. Multimetr je nezbytný, protože, jak se říká, bez měření není vědění! Sice existují způsoby, jak si podobná měřidla vyrobit či nahradit, ale do začátku je lepší si jedno prostě koupit.

CC-BY-SA, autor André Karwath

Když už budete v tom hobbymarketu, kupte si i takové plastové krabičky, které se prodávají na různé šroubky a drobné věci, nebo kufřík s přihrádkami. Do nich si můžete dávat součástky, které se vám nebudou válet všude možně, nebudou se vám ztrácet a nešlápnete na ně.

Aby bylo vůbec co měřit, potřebujete zdroj. My naštěstí budeme pracovat s elektronikou, která si vystačí s nízkým napětím pěti voltů. Je několik možných způsobů, jak toto napětí získat. Můžete si koupit laboratorní zdroj, ale ten stojí nemalé peníze. Můžete použít plochou baterii nebo tři monočlánky – ty dohromady dají jen 4,5 V, ale to většinou stačí. Na druhou stranu jsou tyto baterie velmi nepraktické, protože se po čase vybijí a můžete je zahodit. Nejvhodnější způsob, který vám doporučím, je použít nabíječku, která má konektor USB. USB totiž používá právě těch 5 voltů, takže nemusíme řešit stabilizaci napětí, zároveň dává i dostatečně velký proud, s nímž můžeme použít i některé náročné komponenty, jako displeje nebo bezdrátové komunikační moduly. Já používám přesně takový adaptér, a k němu speciální nástavec do nepájivého kontaktního pole. Další možnost, trochu nouzová, je použít Arduino nebo Raspberry a brát si napětí z něj.

Všimněte si, že jsem nezmínil páječku. Zatím ji nepotřebujete, základní zapojení si postavíte i bez ní. Až jednou přijde doba, kdy se bez ní neobejdete, tak vám doporučím – nekupujte si pistolovou trafopáječku, kupte si takovou, kde je stojánek a regulace teploty. Nemusí to stát majlant, nejlevnější stačí. A když už jsme u toho: ten přístroj je páječka, ačkoli tomu kdekdo říká pájka. Pájka je ve skutečnosti ta kovová slitina, kterou se letuje, čili pájí, a té se lidově říká cín, i když cín je jen jedna ze složek…

To je opravdu všechno. S tímhle vybavením se můžete pustit do objevování tajů elektřiny, elektroniky, mikroelektroniky, číslicové techniky – jak chcete… Teď už stačí jen nakoupit součástky.

1.3

Kde nakoupit součástky?

Tohle je docela podstatná kapitola. Kde nakoupit součástky a nástroje?

V České republice existují kamenné obchody se součástkami. Nejsou zdaleka v každém městě, ale naštěstí mívají i e-shop, takže si vybrané součástky můžete nechat poslat poštou. Velká výhoda těchto obchodů je, že vám součástky dojdou poměrně rychle – třeba do týdne. Další výhoda je při nákupu dražšího vybavení (pro tuto knihu dražší vybavení není potřeba, ale třeba jednou…) – máte ze zákona záruku na zakoupené zboží.

V ČR asi nejlépe fungují obchody GM Elektro, GES, TME a Tipa. Tyto obchody udržují široký sortiment, od objímek a drátů přes součástky až po nástroje, přístroje a další vybavení dílny.

Některé součástky lze nakoupit i ze zahraničních e-shopů, jako je Mouser a Digikey, ale tady je potřeba počítat s vyšším poštovným, které může být klidně i 1 500 Kč.

Specializované internetové obchody (Sparkfun, Adafruit, Seeedstudio) nabízejí spoustu velmi zajímavých součástek, senzorů a dalšího vybavení, ale problémem může být vyšší cena, vyšší poštovné, a občas i zdržení a další poplatky na celnici (clo + DPH).

Poslední možnost, kde nakoupit součástky ve velkém množství a levně, jsou obří internetové servery ebay.com a aliexpress.com, oba plné čínských prodejců součástek a různých klonů. Zde je potřeba určité obezřetnosti – někdy můžete koupit funkčně ekvivalentní věc, a jindy získáte klon, který bude špatně dílensky provedený, bude se přehřívat, nebude fungovat spolehlivě… Předem nelze říct. Na druhou stranu většina těchto obchodů má poštovné zdarma, a za cenu, za jakou koupíte v českém kamenném obchodě tři LED, máte z těchto obchodů celý sáček se stovkou kusů (100 pcs).

Další nevýhodou těchto obchodů je delší dodací lhůta – čekáte dva až šest týdnů. Já sám jsem si zde nakoupil většinu základních součástek, jako jsou rezistory, kondenzátory, LED, propojovací vodiče, nepájivá kontaktní pole, tlačítka… Upřímně – i kdybych měl z balíčku stovky tlačítek deset procent kazových, tak je s klidným svědomím vyhodím, protože celý balíček i s poštovným stál 25 Kč. Což je zhruba cena tří kusů týchž tlačítek v kamenném obchodě.

Ovšem samozřejmě můžete zapomenout na záruku. Vadné zboží zde těžko vyreklamujete (anebo se vám to při jeho ceně nevyplatí). U menších součástek však nebývá problém napsat obchodníkovi, ten nabídne raději refundaci peněz nebo zaslání nové sady, než aby přišel o zákazníka a dostal negativní hodnocení.

Na druhou stranu zažíváte až absurdní pocity, když si zde koupíte za cca dvacetikorunu svazek 75 propojovacích vodičů pro nepájivé kontaktní pole, a pak vidíte, že za tentýž svazek (i fotka odpovídá) chce nejmenovaný český internetový obchod okolo sto dvaceti korun. Podobné situace jsou s různými „sety“ a „začátečnickými kity“, kde je většinou taková všehochuť součástek a komponent – rezistory a kondenzátory různých hodnot, několik různobarevných LED atd. V českých obchodech není problém za takovou sadu dát i několik tisíc korun, z Číny vás to bude stát třeba okolo dvou set Kč. Ale zase platí: počkáte si delší čas. Pokud chcete koupit něco rychle, připlaťte si a objednejte v ČR.

A pokud vám aspoň trochu leží na srdci osud lidí, kteří se tu nějak snaží povzbuzovat kutilskou tvorbu, tak aspoň občas nakupte u nich (HW Kitchen, Hobbyrobot apod.) Ceny jsou vyšší, ale pokud tyto obchody nepřežijí, bude to škoda.

1.4

Nákupní seznam: Součástky pro blikač

Bez součástek se neobejdete. Bez součástek si ani nebliknete, ani nezapípáte, bez součástek neuděláte nic. Nebudete potřebovat žádné složité ani drahé ani příliš náročné. Do začátku vám jich stačí jen několik základních, které vás nepřijdou na víc než na několik desítek korun.

1.4.1

LED

Především jsou to LED. LED je akronym anglických slov Light Emitting Diode, tedy „světlo vyzařující dioda“. Neříkejte proto prosím „LED dioda“, protože říkáte vlastně „Světlo vyzařující dioda dioda“. Někteří obhajují slovní spojení „LED dioda„ kvůli tomu, že slovo „dioda“ můžete skloňovat: LED diodou, LED diody, … Já s dovolením sklouznu k nespisovnému, ale používanému výrazu LEDka.

Ale zpět k věci: LED jsou v nejrůznějších barvách, nejčastěji červená, žlutá, zelená, modrá a bílá. Jsou i vícebarevné diody, dvoubarevné, trojbarevné (RGB – červená, zelená, modrá) i čtyřbarevné (RGBW – jako předchozí, ale navíc s bílou). Jsou diody se zabudovaným řídicím obvodem, který umožňuje sofistikované řízení, např. v různých LED páskách. Ale ty potřebovat nebudete. Kupte si do začátku úplně obyčejné jednobarevné LED, třeba pět kusů od každé barvy. Jestli zvolíte průměr 5 mm, nebo 3 mm, to je jedno. Ty větší líp „sednou do ruky“ při manipulaci, ty menší zase snáze dáte vedle sebe. Já používám pětimilimetrovou verzi…

CC-BY-SA, autor Afrank99

1.4.2

Rezistory

Další součástky, bez nichž se neobejdete, jsou rezistory. Dříve se jim říkalo také „odpory“. Jenže odpor je označení fyzikální veličiny (jednotka je ohm, značíme Ω), a pak to špatně vypadá, když říkáte „odpor s odporem 100 ohmů“. Asi jako „dvoumetrový metr“. Proto se používá označení „rezistor“.

Rezistory se třídí do různých skupin – podle výkonu, podle přesnosti, podle výrobní technologie... Pro naše potřeby postačí ty nejmenší, nejobyčejnější a nejlevnější, takže něco jako „uhlíkový rezistor 0,25 W“ nebo „metalizovaný rezistor 0,25 W“. V kusovém množství to jsou korunové položky. Existuje ale možnost nakoupit celé sady rezistorů, třeba 100–200 kusů s různými hodnotami odporů. Při nákupu z Číny vás celá taková sada vyjde třeba na dvacet korun (ovšem dodací lhůta je nepoměrně delší).

Pořiďte si pro první pokusy rezistory o odporu 330 ohmů (označují se 330R), 1000 ohmů (1K) a 10 000 ohmů (10K). Kdo chce, pořídí si i 220R, 2K2, 4K7, 22K, ať můžeme experimentovat. Od každé velikosti tak deset kusů, ale víc se rozhodně neztratí. (O značení a jednotkách si za chvíli povíme víc.)

1.4.3

Kondenzátory

Kromě rezistorů budete potřebovat i kondenzátory. Základní vlastností kondenzátorů je jejich kapacita, která se měří ve faradech (značíme F). Ještě začátkem 90. let platilo, že nejčastější kapacity se udávají v pikofaradech, nanofaradech a mikrofaradech (bilióntina, miliardtina, milióntina), ovšem dnes jsou dostupné kondenzátory s kapacitou stovek faradů. V číslicové technice takové velké kapacity můžeme použít k napájení obvodů při výpadku, ale vy je teď potřebovat nebudete. Vystačíte si pro začátek s kapacitami 33 pikofaradů (pF), 100 nanofaradů (nF) a 10 mikrofaradů (µF; u tohoto se nenechte vylekat tím, že bude označený jako „elektrolytický“). Setkáte se taky se starším označením 33, 100K a 10M. Opět vezměte ty nejlevnější, na experimenty budou stačit. Kapacity 33 pF a 100 nF vypadají jako malý polštářek, 10 μf vypadá jako váleček.

1.4.4

Integrované obvody

A když už jsme v tom, tak si kupte i dva integrované obvody. Jeden má označení 74HCT00, druhý 74HCT04. Pokud nebude k dispozici HCT, kupte klidně LS nebo ALS (74LS00, 74ALS04, …) Pozor! Vybírejte takové, které jsou v pouzdře DIL (někdy značeno jako DIP). Takové můžete zastrčit do nepájivého kontaktního pole. Vyhněte se pouzdrům SO, ty jsou určené pro povrchovou montáž pájením.

Později budete potřebovat i další součástky – tranzistory, diody, integrované obvody. Jejich seznam najdete na konci knihy, abyste nemuseli kupovat každou součástku zvlášť. Teď si vystačíme s tím, co je výše napsané. Vážně!

Pojďme si tedy postavit ten blikač...

2

Postavte si blikač –

teď už to snad půjde lépe

2

Postavte si blikač – teď už to snad půjde lépe

Budete potřebovat:

•

Integrovaný obvod 7404 (v té variantě, jakou máte, tedy i 74LS04, 74ALS04, 74HCT04)

•

Elektrolytický kondenzátor 10 μF

•

Rezistor 330 Ω

•

Rezistor 10 kΩ

•

LED libovolné barvy

•

Nepájivé kontaktní pole

•

Napájecí obvod

•

Propojovací kabely (Poslední tři položky budete potřebovat vždy, tak už je nebudu opakovat)

Bez dalšího vysvětlování si pojďte poskládat obvod na nepájivém kontaktním poli. Výsledek bude vypadat nějak takto:

Nejprve se podívejte na nepájivé kontaktní pole. Všimněte si, jak je toto pole uspořádané. Nahoře a dole (z tohoto pohledu) jsou dvě oddělené lišty, označené červeným a modrým proužkem. To jsou napájecí lišty, které slouží k rozvádění napájecího napětí do obvodu. Jsou uspořádané do pětic a jsou spolu uvnitř pole vodivě propojeny horizontálně, jak je naznačeno na následujícím obrázku.

Střední část pole je uspořádána jinak – zde je horní a dolní polovina, a v nich jsou vždy jednotlivé pětice otvorů propojeny svisle (a-b-c-d-e, f-g-h-i-j). Je to výhodné uspořádání pro součástky, které mají dvě řady vývodů, jako náš integrovaný obvod 7404. Takový obvod přesně sedne doprostřed, a každý jeho vývod je připojen ke čtyřem dalším otvorům, takže máte dostatečný prostor na propojování.

Než vytáhnete integrovaný obvod z obalu, tak se nejprve uzemněte. Sáhněte třeba na radiátor. Statická elektřina je prevít a některé citlivé obvody můžete zničit tím, že na ně sáhnete. Pokud máte 74ALS04 nebo 74LS04, tak ty tak citlivé nejsou, ale některé řady (74HCT04) a bez výjimky všechny složitější obvody jsou na statickou elektřinu velmi citlivé. Proto se většinou prodávají zapíchané v proužku vodivé pěny, která udržuje všechny vývody propojené, a tudíž se nestane, že by na jednom vývodu bylo velmi vysoké napětí oproti ostatním.

Jste uzemněni? Tak se podívejte na integrovaný obvod. Jsou na něm nejčastěji různé značky výrobce (ST, TI, F), pak čísla výrobních sérií, země původu, a někde mezi tím bude skryto i to označení 7404. U mne to je konkrétně T74LS04B1. „T“ označuje výrobce, 74LS04 je typ obvodu a technologie, a B1 je upřesňující označení – teplotní rozsah, pouzdro atd.

Vývody integrovaného obvodu jsou očíslované od 1, jenže na pouzdru tato čísla nikde nejsou. Proto si pamatujte základní poučky, jak zjistit orientaci:

•

Když si dáte obvod tak, aby označení bylo čitelné, tak většinou (ne vždy!) bývá vývod číslo 1 vlevo dole. Ale toto pravidlo není stoprocentně spolehlivé.

•

Podívejte se na pouzdro. Na jedné z kratších stran bude značka – vlys, výbrus, malý žlábek, … Když držíte pouzdro tak, aby tato značka byla vlevo, tak je vývod číslo 1 zase vlevo dole.

•

Někdy výrobce i na tuto značku kašle, a místo toho označí nějak vývod 1. Buď barevnou tečkou, nebo třeba miniaturním důlkem.

•

Když všechno selže, podívejte se do datasheetu. Později si vysvětlíme, co to datasheet je.

Když víte, jak je obvod orientovaný, tak ho zasuňte do pole tak, jak je nakresleno na úvodním obrázku. Nepůjde to, vývody trochu nepasují – je to proto, že vývody jsou z výroby lehce „rozkročené“. Proto je decentním tlakem z obou stran o trochu narovnejte, aby byly rovnoběžné. Já k tomu používám plochu stolu. Stačí opravdu maličko. Pak obvod půjde bez problémů zasunout do nepájivého kontaktního pole. Zasuňte ho tak, aby vývod 1 byl vlevo dole, třeba v otvoru „10e“. Je to jedno, ale aspoň se v tom lépe vyznáte.

Máte-li vývod 1 vlevo dole, tak číslování pokračuje proti směru hodinových ručiček – napravo od 1 je 2, pak 3, 4, až k vývodu číslo 7. Naproti němu je vývod číslo 8 (vpravo nahoře), a číslování pokračuje až k vývodu 14 (vlevo nahoře). Obvod 7404 totiž používá čtrnáctivývodové pouzdro (značí se DIL14 nebo DIP14). Některé obvody mají pouzdra větší – 16 vývodů, 24 vývodů, 28, 40, někdy i víc. Ale obvykle platí, že od určitého počtu vývodů se obvody primárně dělají v pouzdrech pro povrchovou montáž (SMD – Surface Mount Device), které mívají přes sto miniaturních vývodů. Ty ale my používat nebudeme.

Máte zasunutý obvod, je to tak? Nejprve k němu připojíme napájení. Vývod 7 připojte k modré (záporné) napájecí liště, vývod 14 k červené (kladné). Proč zrovna tyto dva a takto, to se později dozvíte, teď prosím jen následujte můj popis.

Pomocí propojovacích vodičů spojte vývody 2 a 3. Dalším vodičem spojte vývody 4 a 5.

Zapojte rezistor 10 kΩ mezi vývody 1 a 2.

Aha? A který rezistor to je, že?

2.1

Který rezistor je ten pravý?

Na většině součástek je napsán alespoň typ, nebo základní hodnota. Rezistory, které používáme, ale vypadají jako takové miniaturní válečky s dvěma vývody. Bohužel, pokud máte miniaturní rezistory 0,25 W, tak na nich není moc prostoru k nějakému rozepisování. Místo toho na nich jsou barevné proužky, které udávají odpor a přesnost (toleranci). Pro odpor 10K to jsou hnědá, modrá a oranžová, takže – lupu do ruky, pořádné světlo, a hledat! Já nevím jak ostatní, ale já často na rezistor koukám, a přemýšlím, jestli to je hnědý proužek nebo červený, jestli ten vedle je modrý nebo černý, pak přemýšlím, jestli ho nedržím obráceně, a nakonec sáhnu pro multimetr a prostě jej změřím. Udělejte to taky tak.

Přemýšlel jsem, jestli sem tu tabulku dávat, a nakonec jsem ji nezařadil. Najdete ji kdekoli na internetu, stačí hledat „barevné značení rezistorů“, nebo v jakékoli jiné knížce o elektronice. Já si říkám, že se bez přesné znalosti v číslicové technice docela dobře obejdete. Stačí vám vědět, že něco takového je, a kde to popřípadě najdete.

2.2

Měření multimetrem

CC-BY-SA, autor André Karwath

K multimetru se dodávají dvě sondy, nejčastěji červená a černá. Černou zasuňte do zdířky, která bývá označena COM, popřípadě symbolem pro uzemnění (na obrázku úplně dole). Červenou zapojte do zdířky, která mívá označení VΩmA (na obrázku prostřední). Třetí zdířka je určená pro měření velkých napětí a proudů a je označená např. 10ADC, 10A MAX a podobně. Tu nebudete používat.

Multimetr má většinou uprostřed jeden otočný volič, kterým přepínáte měřenou veličinu (napětí, proud, odpor) a rozsah. U odporů (bývá značen velkým písmenem omega) to bývá 200, 2K, 20K, 200K a 2M. Začneme tím nejmenším, to je 200. Přepněte volič do pozice 200, a na displeji by se měla ukázat jednička úplně vlevo – to znamená „větší odpor, než je rozsah“.

Teď zkuste na chviličku spojit oba hroty sond. Uvidíte, že číslo na displeji rychle klesne až skoro k nule. Právě jsme vytvořili zkrat – a ten má skoro nulový odpor (vlastně jen odpor samotných vodičů, a ten je minimální). Některé multimetry v takové chvíli taky pískají, to abyste věděli i bez sledování displeje, že jsou oba hroty vodivě spojeny.

Pro pořádek: symbolem „V“ a vodorovnou čárou volíte měření napětí ve voltech, případně milivoltech

Symbolem V s vlnovkou vybíráte rozsah měření pro střídavé napětí

Symbol A s vodorovnou čárkou znamená měření stejnosměrného proudu (v mikro - a miliampérech).

Symbol „omega“ (Ω) označuje rozsah pro měření odporů v ohmech a kiloohmech:

Jestli nevíte, jaký je přesně rozdíl mezi napětím a proudem, tak to teď nevadí, včas se to dozvíte. Teď jen přepněte multimetr na „200 Ω“.

Pojďme měřit. Jeden vývod rezistoru připojte na černý hrot, druhý vývod na červený, a sledujte displej. Pravděpodobně tam bude stále „1“ – tedy „odpor je větší než rozsah“. Přepněte tedy rozsah na větší – 2K. Pokud se na displeji objeví třeba „330“, tak to znamená, že měříte rezistor s odporem 330 ohmů. To není ten, co teď potřebujete (budete ho potřebovat až za chvilku). Přepněte na 20K – a pokud máte správný, tak se na displeji objeví hodnota okolo 10 – bývá to třeba 9,7, nebo 10,2 – to je stále v toleranci.

Pro zajímavost: Zkuste si teď rezistor otočit, prohodit červený a modrý hrot, a změřte si odpor tentokrát. Jaký je? Je stejný. Rezistor je součástka symetrická, a pokud jej otočíme, tak se nic nestane.

Zpátky k blikači. Zapojte rezistor 10K mezi vývody 1 a 2 integrovaného obvodu (IO). Na obrázku je rezistor nakreslený vlevo od IO a je připojen pomocí dvou vodičů. Je to proto, že vývody 1 a 2 jsou hned vedle sebe, a rezistor se mezi ně nevejde. Další možnost je zapojit rezistor našikmo, jedním vývodem do otvoru „d“, druhým do otvoru „a“, no a poslední možnost je zapojit jej „nastojato“ – jeden vývod zkrátíte, na druhém utvoříte ohyb o 180 stupňů, a tím se oba vývody dostanou vedle sebe a můžete je zapojit do sousedních otvorů.

Jsme v polovině! Jupí...

Teď zapojte kondenzátor 10 μF mezi vývody 1 a 4. Na kondenzátory multimetr většinou nemá měřicí rozsah, ale naštěstí jsou kondenzátory větší a vejde se na ně popis. Ten váš hledaný bude vypadat jako černý nebo modrý váleček s dvěma vývody na jednom konci. U jednoho vývodu je po celé délce pouzdra bílý proužek se stylizovaným znakem „minus“. Ten vývod bývá také kratší (ale nespoléhejte na to, třeba ho někdo ucvaknul – spolehlivý je ten proužek na pouzdru). Elektrolytický kondenzátor totiž má „kladný“ a „záporný“ vývod. Zapojte jej kladným na vývod 1 integrovaného obvodu, záporným na vývod 4.

Kdybyste teď připojili napájecí napětí, tak na vývodu 6 získáte pravidelné pulsy. Jenže je neuvidíte, neuslyšíte, neucítíte… Takže vám nezbývá, než mi to věřit – nebo si to ověřit!

2.3

LED podrobněji

Nejjednodušší způsob, jak to udělat, je použít LED. LED je součástka, která za určitých podmínek mění procházející elektrický proud na světlo. Nejčastější typ LED vypadá jako takový malý klobouček s dvěma vývody.

Všimněte si několika věcí:

•

Jeden vývod je delší (pokud si ho nezkrátíte…).

•

Uvnitř diody je větší část s takovou miniaturní mističkou (už jsem říkal, že se vám bude hodit lupa?) a menší část. Větší část má kratší vývod, menší část delší (asi aby to bylo spravedlivé).

•

Na spodním okraji kloboučku je zvýrazněná hrana, a ta je v jednom místě seříznutá. Je to u té větší části s kratším vývodem.

Dioda je součástka, která má dva vývody, a protože se bavíme jako elektronici, tak si budeme pamatovat, že vývody jsou připojené k elektrodám, které se jmenují katoda (což je záporná elektroda) a anoda (to je kladná elektroda – mnemotechnická pomůcka: kladná elektroda tam má to ano, a ti, co umí rusky, vědí, že da znamená ano). Seříznutá hrana označuje katodu. Katoda je ten větší útvar uvnitř diody. Ten druhý vývod, bez seříznuté hrany a s menším útvarem, to je kladná elektroda, anoda. (Další mnemotechnická pomůcka: delší vývod si můžete zkrátit a ten ucvaknutý kousek přeložit napříč, abyste získali „+“)

Zapojte anodu na výstup číslo 6 integrovaného obvodu. Asi není dobrý nápad ji strkat přímo na místo. Dejte si ji kousek stranou, do jiné řady vývodů, a anodu propojte s vývodem 6 nějakým vodičem.

Předposlední krok: Katodu připojte přes rezistor s odporem 330 ohmů (rozpoznávání hodnot viz předchozí text) na zápornou napájecí lištu. Pamatujte si: LED vždy s rezistorem! Jinak ji spálíte.

Teď připojte zdroj k nepájivému kontaktnímu poli. Modrou – zápornou – napájecí lištu na záporný pól (budeme mu říkat zem, proč, to si řekneme později), červenou na kladný (+ 5 V). Můžete si zdroj ještě proměřit na multimetru: nastavte rozsah 20 V, černou sondu připojte na zem (tedy na zápornou, modrou lištu), červenou na + 5 V, a pokud se na displeji ukáže něco okolo 5, je to v pořádku. Pokud se ukáže záporné číslo, máte prohozené plus a mínus.

Nezapomeňte propojit horní napájecí lištu se spodní dvěma vodiči tak, jak je naznačeno na obrázku. Lišty spolu nejsou vodivě spojené, o to se musíte postarat sami.

Máte? Ještě jednou si to prosím překontrolujte podle výše uvedeného postupu a obrázku. Pro jistotu stručné shrnutí:

1.

Integrovaný obvod 74LS04 (74ALS04, 74HCT04) zasunutý tak, aby měl vývod číslo 1 vlevo dole – to znamená potisk čitelný, ne vzhůru nohama, a na levém okraji značku.

2.

Vývod 14 (vlevo nahoře) připojený na +, vývod 7 (vpravo dole) připojený na -.

3.

Spojené vývody 2 a 3 integrovaného obvodu (IO)

4.

Spojené vývody 4 a 5 IO.

5.

Mezi vývody 1 a 2 IO zapojený rezistor 10 K (před zapojením změřte!).

6.

Mezi vývody 1 a 4 IO zapojený kondenzátor 10 μF. Vývod označený bílým proužkem na vývod 4 IO, druhý na vývod 1 IO.

7.

Vývod 6 IO připojený na anodu LED (anoda = menší útvar uvnitř, delší vývod, hladký lem).

8.

Katoda LED (= větší útvar, kratší vývod, seříznutý lem) připojená na jeden vývod rezistoru 330.

9.

Druhý vývod téhož rezistoru připojený na mínus (-).

10.

Horní i dolní napájecí lišty propojené – plus na plus, mínus na mínus.

11.

Zdroj 5 V zapojený správně, nepřepólovaný.

Zapněte napájení.

Bliká?

Pokud ano, tak hurá, sláva, haleluja, zvládli jste to. Pokud ne, nastává problém, a těch může být asi tak dvacet. Od těch banálních (na něco jste zapomněli, něco nemá správný kontakt, napájení nefunguje) přes závažnější (něco jste zapojili obráceně a je potřeba to otočit – nejčastěji LED, popřípadě jste použili nefunkční součástku) po fatální (něco jste zapojili obráceně, ono to potichu shořelo a přestalo fungovat a fungovat to nezačne, ani když to otočíte zpátky). Projděte si znovu celé zapojení, všechno si překontrolujte, změřte, jestli je na vývodech 7 a 14 napájecí napětí, zkuste otočit LED (prohodit vývody), jestli ji nemáte obráceně...

Pokud jste ale při sestavování postupovali pečlivě a přesně podle návodu, mělo by vše fungovat na první dobrou, takže se můžeme za intenzivního blikání naší první elektronické konstrukce podívat, co že se tam vlastně děje a proč. Protože cílem této knihy není ukázat vám, jak se postaví blikač, ale dát vám dostatek informací k tomu, abyste si ho dokázali navrhnout a postavit sami!

Ono to bohužel není tak úplně jednoduché a k tomu, abyste opravdu pochopili, proč blikač bliká, potřebujete spoustu teorie. Možná vás zklamu, ale nečekejte, že se ono tajemné mystérium blikače dozvíte hned v následující kapitole… Ale slibuju, že se k němu dostaneme – sice až v půlce knihy, ale věřte mi: to už budete vědět, jak funguje třeba kondenzátor a jakou má funkci, takže princip blikače bude naprosto zřejmý.

3

Hlava, koleno, zem…

3

Hlava, koleno, zem…

... zapikanej jsem, říkali jsme jako malí při rozpočítávání. Když jsem přemýšlel nad tím, jak vysvětlit základní pojmy, bez kterých se neobejdeme, totiž pojem napětí a proudu, tak mě napadlo právě toto říkadlo.

Pohodlně se usaďte, na chvíli si odpočineme od sestavování konstrukcí, beztak to byla příliš velká nálož novinek. Teď zapojíme místo diody vlastní hlavu...

Schválně, jak vysoko nad zemí je vaše hlava, když stojíte? U sebe to vím celkem přesně, jsou to dva metry. Koleno 60 centimetrů. Zem je od země přesně nula centimetrů – to jen pro pořádek. Když vezmu vajíčko a upustím ho na koberec – ne, prosím, tento pokus nemusíte nutně dělat, jen si to představte – z výšky svého kolene, tak vydrží. Když ho pustím z výšky svojí hlavy na tentýž koberec, rozkřápne se. Jak to, že totéž vejce puštěné z různých výšek dopadne pokaždé jinak?

Odpověď je: „To je přeci jasné!“ No dobře, jasné to je, ale nějaké vysvětlení by tu být mohlo. Je zde, a jmenuje se „potenciální energie“ (též „polohová“). V našem případě je to potenciální energie v gravitačním poli Země. Tato energie je tím vyšší, čím výš nad zemí předmět, v našem případě vejce, je (samozřejmě s omezeními, protože v dostatečně velké vzdálenosti už bude gravitační síla, která to vajíčko přitahuje, tak malá, že nebude mít na vejce podstatný vliv). Dokud držím vejce v ruce, má potenciální energii. Jakmile ho upustím, začne se tato potenciální energie přeměňovat v energii kinetickou, pohybovou, a vajíčko bude padat k zemi. Čím níž vejce bude, tím vyšší bude jeho kinetická energie – a podle zákona o zachování energie bude součet kinetické a potenciální energie konstantní. Jakmile vejce doputuje k zemi, bude jeho potenciální energie nulová a kinetická bude rovna té původní potenciální. A tato kinetická energie se v okamžiku dopadu na zem opět přemění v jinou energii a vykoná práci (v našem případě destrukci skořápky).

Výška nad zemí tedy určuje potenciální energii – pozice „hlava“ má vyšší než pozice „koleno“, a pozice „koleno“ má vyšší než pozice „zem“. Pozice „zem“ má potenciální energii nulovou. Když vejce leží na zemi, nemá kam padat a nemá tedy nic, co by se proměnilo v kinetickou energii. Tohle všechno je empiricky pochopitelné, úplně jasné a každý si to dokážeme představit.

Proč v knížce o elektřině vysvětluju padání vajec na zem, navíc tak zdlouhavě? Protože nám to poslouží jako dobrá analogie s elektřinou. Všimněte si, že potenciální energie se neměří „sama od sebe“, vždycky se měří „mezi dvěma body“. Třeba mezi zemí a předmětem nad ní. Stejně tak se neříká, že „Sněžka je sto kilometrů daleko“ – je to úplně prázdné sdělení, pokud neřekneme odkud je to těch sto kilometrů.

3.1

„Nemá to něco společného s atomy?“

S elektřinou je to podobné, jako s gravitací. Jen místo gravitační síly fungují síly elektrické. Nositelem elektrické energie jsou subatomární částice, elektrony a protony. To si určitě pamatujete ze středoškolské fyziky: každá látka je složena z atomů, a v těchto atomech je jádro, sestávající z protonů a neutronů, a kolem jádra jsou elektrony. Když jsem já chodil do školy, tak se pro zjednodušení používal „planetární model“, v němž elektrony vypadaly jako malé kuličky, co létají okolo jádra po různých drahách, podobně jako planety. Dnešní fyzikální výklad je mnohem subtilnější, ale pro pochopení elektrické energie nám stačí ten model planetární.

Elektrony i protony nesou malý náboj. Elektrony záporný, protony kladný – a v obou případech je stejně velký. Za ideálního stavu (ideální stav je ten, který pozorujeme pouze na obrázcích v učebnicích středoškolské fyziky) je v atomu přesně tolik elektronů, kolik je v něm protonů, jejich elektrické náboje jsou tedy stejně velké, a navenek má tedy atom nulový náboj.

Elektrony přeskakují z jednoho atomu do druhého