Πριν συνεχίσουμε με το Arduino, θα πρέπει να πούμε μερικές βασικές έννοιες του ηλεκτρισμού και των ηλεκτρονικών. Εάν είστε ήδη εξοικειωμένοι με ορισμένα από τα θέματα αυτού του άρθρου, μπορείτε να τα παραλείψετε και να συνεχίστε με το επόμενο άρθρο.
Τι είναι ο ηλεκτρισμός;
Για να κατανοήσετε τον ηλεκτρισμό, πρέπει πρώτα να κατανοήσετε τη δομή ενός ατόμου. Τα άτομα είναι τα δομικά στοιχεία όλων όσων βρίσκονται γύρω σας. Ένα άτομο αποτελείται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο και τα πρωτόνια έχουν θετικό φορτίο. Ένα τυπικό άτομο έχει τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων με τα πρωτόνια και επομένως είναι ουδέτερο σε φορτίο. Ο ηλεκτρισμός είναι μια μορφή ενέργειας που περιλαμβάνει την κίνηση ή την αποθήκευση φορτίων. Είναι το φαινόμενο που συμβαίνει όταν πιέζουμε ή αναγκάζουμε τα φορτία να κινηθούν με έναν προκαθορισμένο τρόπο ή μια καθορισμένη διαδρομή.
Με άλλα λόγια, η ηλεκτρική ενέργεια είναι μια μορφή ενέργειας που μπορούμε να αξιοποιήσουμε και να μετατρέψουμε σε θερμότητα, φως, κίνηση κλπ. Η ηλεκτρική ενέργεια έχει τρεις κύριες ιδιότητες που θα είναι σημαντικές για εμάς καθώς φτιάχνουμε ηλεκτρονικές εφαρμογές: ρεύμα, τάση και ισχύ.
Το ρεύμα
Η ροή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω ενός κυκλώματος ονομάζεται ρεύμα. Το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσω ενός κυκλώματος από τη θετική πλευρά μιας πηγής ισχύος, στην αρνητική πλευρά της πηγής ισχύος, όπως μια μπαταρία. Αυτό είναι γνωστό ως συνεχές ρεύμα (DC). Σε ορισμένα κυκλώματα, η αρνητική πλευρά ονομάζεται γείωση (GND). Το ρεύμα μετριέται σε αμπέρ (A). Μικρές ποσότητες ρεύματος μετριούνται σε μιλιαμπέρ (mA), όπου 1.000 μιλιαμπέρ ισούνται με 1 αμπέρ.
Διαφορά δυναμικού (τάση)
Η τάση είναι η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού ανάμεσα σε δύο σημεία και δείχνει πόση «ώθηση» δίνεται στα ηλεκτρόνια για να κινηθούν. Μετριέται σε βολτ (V). Όσο μεγαλύτερη είναι η τάση, τόσο πιο γρήγορα διατρέχει το ρεύμα ένα κύκλωμα.
Η ισχύς
Η ισχύς είναι μια μέτρηση του ρυθμού με τον οποίο μια ηλεκτρική συσκευή μετατρέπει ενέργεια από τη μία μορφή στην άλλη. Η ισχύς μετριέται σε βατ (W). Για παράδειγμα, μια λάμπα 100 W είναι πιο φωτεινή από μια λάμπα 60 W, επειδή η λάμπα μεγαλύτερης ισχύος μετατρέπει περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια σε φως. Υπάρχει μια απλή μαθηματική σχέση μεταξύ τάσης, ρεύματος και ισχύος:
Ισχύς (W) = Τάση (V) × Ρεύμα (A)
Τι είναι ένα κύκλωμα;
Ακόμα και με τις ηλεκτρικές δυνάμεις που τα ωθούν, τα φορτία χρειάζονται μια διαδρομή για να ακολουθήσουν από ένα σημείο υψηλότερου δυναμικού σε ένα σημείο χαμηλότερου δυναμικού. Η διαδρομή με την οποία τα φορτία κινούνται από τη θετική (+) πλευρά μιας μπαταρίας (υψηλό δυναμικό) στην αρνητική (-) πλευρά της μπαταρίας (χαμηλό δυναμικό) ονομάζεται κύκλωμα. Ένα κύκλωμα αποτελείται από μια κλειστή διαδρομή από τον θετικό πόλο στον αρνητικό πόλο μέσω μιας συσκευής όπως μια δίοδος εκπομπής φωτός (LED), μια αντίσταση, ένα λαμπάκι πυρακτώσεως ή ένας κινητήρας.
Για να κινηθούν τα φορτία, η διαδρομή πρέπει να είναι κατασκευασμένη από υλικό που είναι αγώγιμο. Η αγωγιμότητα δεν είναι απόλυτη. Ορισμένα υλικά επιτρέπουν στα φορτία να κινούνται πιο ελεύθερα από άλλα.
Ο νόμος του Ωμ
Όπως ίσως έχετε ήδη μαντέψει, υπάρχει μια σχέση μεταξύ ρεύματος, τάσης και αντίστασης. Αυτή η σχέση ονομάζεται συνήθως νόμος του Ohm και αναπαρίσταται μαθηματικά ως εξής:
V = I × R
Σε αυτήν την εξίσωση, το V είναι η τάση (σε Volt), το I αντιπροσωπεύει το ρεύμα (ένταση σε Ampere) και το R είναι η αντίσταση (σε Ohm) .
Τα βασικά σχηματικά σύμβολα στα ηλεκτρονικά
Τα σχηματικά σύμβολα είναι απλοποιημένα σχέδια κυκλωμάτων. Τα ονομάζουμε επίσης και στοιχεία κυκλώματος. Ένα σχηματικό σύμβολο δείχνει τι συνδέεται με τι και ποια εξαρτήματα θα χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή του κυκλώματος.
Το αναλογικό και το Ψηφιακό
Μετά τον ορισμό των εννοιών των κυκλωμάτων, των εξαρτημάτων, της τάσης, του ρεύματος και της αντίστασης, μπορούμε πλέον να μιλήσουμε για δύο διαφορετικές προσεγγίσεις στα ηλεκτρονικά: την αναλογική και την ψηφιακή.
Αναλογική τάση
Η αναλογική τάση είναι μια τάση που μεταβάλλεται συνεχώς με τον χρόνο. Μπορεί να πάρει άπειρες ενδιάμεσες τιμές μέσα σε ένα εύρος.
Συνήθως παριστά φυσικά μεγέθη όπως ήχο, θερμοκρασία ή φως. Παράδειγμα: η τάση από ένα μικρόφωνο ή έναν αισθητήρα θερμοκρασίας.
Ψηφιακή τάση
Η ψηφιακή τάση έχει μόνο συγκεκριμένες διακριτές τιμές, συνήθως δύο. Αντιστοιχεί σε λογικές καταστάσεις όπως 0 και 1 (LOW και HIGH). Χρησιμοποιείται σε υπολογιστές και μικροελεγκτές για επεξεργασία δεδομένων. Παράδειγμα: το σήμα ON/OFF σε ένα ψηφιακό κύκλωμα.
Τι είναι ο μικροελεγκτής;
Ένας μικροελεγκτής είναι ένας μικρός υπολογιστής που μπορείτε να προγραμματίσετε ανεβάζοντας ένα πρόγραμμα ή ένα σύνολο οδηγιών. Οι μικροελεγκτές χρησιμοποιούνται για την αυτοματοποίηση απλών εργασιών, όπως ο έλεγχος της θερμοκρασίας του σπιτιού σας ή το πότισμα του κήπου σας όταν χρειαστεί.