Наши статьи по электронике охватывают в основном отдельные обширные темы. Однако невозможно много написать о нескольких полезных в электротехнике элементах, но вам точно нужно узнать о них.
В этой статье обсудим группу элементов, которые слишком просты, чтобы писать о них отдельно.
Геркон — кнопка с магнитным управлением
Геркон, представляет собой стеклянную трубку с двумя плотно спаянными выводами. Внутри есть пластины, которые немного перекрывают друг друга, но не соприкасаются друг с другом, поэтому ток не может проходить через геркон.
Однако, эти тонкие внутренние пластины сделаны из материала, чувствительного к магнитному полю. Когда магнит приближается к трубке, пластины соприкасаются, таким образом, что электрическая цепь между выводами замыкается, и ток может протекать через весь элемент. Отодвигая магнит, пластины размыкаются. Можно с уверенностью сказать, что этот элемент представляет собой кнопку, управляемую магнитом.
| Стеклянные корпуса герконов хрупкие, поэтому будьте осторожны при сгибании проводов, не следует сгибать выводы (ножки) прямо у стеклянного корпуса (они могут легко сломаться). |
Герконовые переключатели используются, например, в системах охранной сигнализации, где они применяются для обнаружения открытия окон — магнит установлен на окне, а геркон — на раме. Если пластины разомкнуты (т.е. цепь разорвана), срабатывает сигнализация. Используемые, таким образом, герконы обычно заключены в небольшие пластиковые кожухи, защищающие хрупкую стеклянную трубку от разрушения.
Недостатки герконов
К сожалению, простая конструкция герконов имеет ряд недостатков. Самым серьезным является снижение чувствительности при некоторых настройках магнита. Магнит должен быть очень близко расположен, чтобы контакты замкнулись. На контактах геркона виден так называемый гистерезис, который заставляет геркон закрываться и открываться на разном расстоянии от магнита.
Еще одним недостатком герконов является их двухпозиционная работа: они либо проводят ток, либо нет. Промежуточных состояний в этом случае мы не обнаружим.
| Измерение силы магнитного поля — более сложный вопрос. Измерение можно реализовать, например, с помощью датчиков Холла. |
Очень скоро настанет время для практического эксперимента с герконом, но сначала нам нужно узнать еще об одном элементе, который встречается во многих проектах (например, в тех же системах сигнализации).
Зуммер с генератором — устройство звуковой сигнализации
Зуммер (сирена со встроенным генератором) — это небольшой элемент, который значительно облегчает общение электронных устройств с людьми. Если на выводы этого элемента подать постоянное напряжение, он начнет пищать. Если вы хотите модулировать (например, прервать) писк, вам просто нужно включить или выключить питание.
Генератор-зуммер, как следует из названия, имеет внутри небольшой генератор, который выдает сигнал с частотой в несколько килогерц. Этот сигнал преобразуется в звук пьезоэлектрическим или электромагнитным преобразователем.
Зуммеры с генераторами могут отличаться рабочим напряжением (обычно это довольно большой диапазон, 6–12 В), потребляемым током, громкостью и частотой звука. Кроме того, эти элементы доступны в различных размерах и корпусах (например, с проводами или небольшими выводами).
 |
 |
| Зуммер с проводами | Зуммер с выводами |
Важно отметить, что зуммер с генератором является полярным элементом — очень часто на корпусе зуммера мы можем найти указание его полярности (например, нарисован знак плюса); провода (красный к плюсу и черный к земле) часто служат намеком в этом вопросе.
| Подключение обратного питания вряд ли повредит этот элемент. В подавляющем большинстве случаев, плохо подключенный зуммер, просто не издает никакого звука. |
Несложно догадаться, что если есть зуммер с генератором, то есть и зуммеры без генератора. Поэтому нужно быть внимательнее, в продаже есть еще и сдвоенные элементы, у которых внутри только преобразователь, генератора нет. Подключение постоянного напряжения не приведет к появлению звука от такого элемента. В этом случае необходимо сделать свой генератор. Такой генератор мы соберем, когда будем изучать Arduino.
Почему иногда на зуммер приклеивают наклейку?
Звук зуммера исходит из небольшого отверстия в корпусе. У некоторых новых зуммеров есть наклейка, плотно закрывающая это отверстие, ведь постоянный громкий писк может раздражать. Но ее можно оторвать, если звук из герметичного зуммера очень тихий.
Однако, тихий звук — это всего лишь одна из функций наклейки. Фактически, у нее есть другие задачи. Во-первых, данные электронные устройства очень часто собирают автоматически, с помощью робототизированных устройств, которые с помощью присосок раскладывают элементы на плате. Благодаря наклейке, такой робот, легко возьмет зуммер сверху и переместит в нужное место. Во-вторых, электронные устройства после пайки промывают, например, в изопропаноле, чтобы избавиться от следов флюса. Благодаря наклейке, жидкость не попадает в зуммер и не повреждает датчик.
Геркон и зуммер на практике
Пришло время проверить на практике работу геркона и зуммера. Для этого на макетной плате монтируется простая схема, состоящая только из источника питания 6 В (батарейки 4 × АА), геркона и зуммера. Кроме того, нам понадобится небольшой магнит.
Во время этого упражнения, вы сразу можете увидеть, как такие элементы отмечены на принципиальных схемах, хотя символы могут быть разными как для геркона, так и для зуммера. Однако, вы сможете их узнать по их форме и описанию.
| Звук зуммера может быть очень громким. Не прикладывай к нему ухо! |
При создании этого проекта, вам нужно только обратить внимание на правильную полярность — красный провод зуммера должен подключаться через геркон к положительной шине питания. Если у вашего компонента нет цветных проводов, ищите маркировку на корпусе (должен быть знак плюс).
 |
 |
| Схема на плате (размер геркона может быть другим) | Пример реализации проекта |
Пришло время протестировать систему. Зуммер должен издавать громкий звук, когда магнит находится рядом с герконом. В рамках эксперимента стоит проверить, как положение магнита влияет на чувствительность геркона.
Микровыключатель — простая кнопка
Микропереключатель (микровыключатель, тактовый переключатель) — это небольшой элемент, который незаменим, если мы хотим «отдавать команды» нашим устройствам. Здесь все очень просто и интуитивно понятно — нажатие пластиковой кнопки просто замыкает металлические контакты внутри элемента, благодаря чему, ток может протекать через элемент. Эти кнопки бывают разных размеров и цветов, но общий принцип работы всегда один и тот же.
При выполнении заданий, мы используем специальные кнопки, которые снабжены двумя довольно длинными выводами (ножками), благодаря которым, эти элементы идеально входят в макетную плату.
 |
 |
| Микровыключатель для заданий | Внутренние соединения в кнопке |
Также есть кнопки с четырьмя более короткими ножками — этот вариант удобнее и популярнее, особенно когда схема распаяна на плате (такие кнопки мы используем, например, в процессе пайки). В такой ситуации, выводы подключаются попарно посередине. Об этом стоит вспомнить сейчас, потому что эти элементы любят создавать проблемы для новичков — частая ошибка новичков — подключение этой кнопки «повернутой на 90 °», что заставляет систему работать так, как если бы кто-то все время нажимал на кнопку.
 |
 |
| Микровыключатель с четырьмя контактами | Внутренние соединения в кнопке |
| При использовании кнопок с четырьмя контактами (ножками), если сомневаетесь, всегда стоит выбирать два контакта «по диагонали». |
Микропереключатель на практике
Проверить этот элемент на практике будет очень просто. Например, можно взять предыдущий пример с зуммером. Достаточно заменить геркон на микровыключатель. При таком подключении зуммер будет издавать звуковой сигнал при каждом нажатии на кнопку.
 |
 |
| Схема с кнопкой на макетной плате | Пример реализации на макетной плате |
Недостатки микропереключателей
Через контакты таких кнопок может протекать лишь небольшой ток (порядка нескольких десятков миллиампер), поэтому их чаще всего подключают, например, к микроконтроллерам. После нажатия кнопки, ввод такой системы замыкается на массу. Благодаря этому, система «знает», что кто-то нажал на кнопку и поэтому, например, нужно включить освещение (конечно, все зависит от конкретной программы).
| Не используйте такие маленькие кнопки для прямого управления, например, двигателями. |
К сожалению, у этого простого элемента есть серьезный недостаток — контактная вибрация. Как только мы нажимаем на кнопку, нам кажется, что и нажатие, и отпускание происходили сразу. Однако на практике, этому процессу мешают многочисленные и быстрые колебания пластин, установленных внутри кнопки.
Поэтому при нажатии и отпускании кнопок может возникнуть серия очень коротких импульсов. Мы с вами не столкнемся с этой проблемой в таких простых проектах, как схема с зуммером. Однако конструкции, в которых используются высокоскоростные цифровые схемы (например, микроконтроллеры), будут воспринимать эти колебания контактов как отдельные нажатия кнопок!
Ниже показана временная форма сигнала, записанная с помощью осциллографа, который (упрощает) намного более дорогой и точный вольтметр. На экране этого прибора, вместо одного показания, мы видим график, который показывает, как напряжение менялось с течением времени.
| Осциллограф выполняет измерения со скоростью тысячи раз в секунду, благодаря чему можно наблюдать явления, невидимые человеческому глазу. |
Если бы наша кнопка работала безупречно, мы бы увидели на графике изменение одного шага сигнала. Однако, здесь видны различные мелкие и большие скачки, предшествующие фактическому изменению состояния — это контактные колебания.
Эта кажущаяся мелочь может очень смущать. Представьте, например, что мы строим торговый автомат с кнопкой, с помощью которой мы выбираем, сколько чайных ложек сахара нужно добавить в чай. Такие контактные вибрации будут приводить к тому, что каждое нажатие кнопки будет считаться несколькими отдельными нажатиями (например, 3-6). Хуже того, количество нажатий будет случайно. Так что покупатель заказывает чай с одной чайной ложкой сахара, а получает, например, шесть…
Как избежать контактной вибрации?
В случае кнопок, подключенных к микроконтроллеру, фильтрация такого сигнала может выполняться программно (например, проверяя, прошло ли минимум 15 мс с момента предыдущего нажатия). Другое аппаратное решение — использовать комбинацию конденсатора и резистора в качестве RC-фильтра.
| К теме устранения вибрации контактов и RC-фильтров стоит отнестись как к курьезу. Это пригодится вам, когда будете иметь дело с цифровыми схемами, но об этом стоит знать на данном этапе. |
Добавление этих элементов приводит к правильной фильтрации сигнала и исчезновению всех «быстрых контактов». Таким образом, нажатие кнопки приводит к однократному, быстрому и «чистому» переключению.
Значения фильтрующего элемента не критичны, и с ними можно экспериментировать. Стоит только помнить, что резистор, разряжающий конденсатор, имеет сопротивление несколько сотен Ом. Слишком маленькое сопротивление не будет работать, а слишком высокое сопротивление, без необходимости, увеличит время зарядки конденсатора.
Светодиод RGB — много цветов в одном корпусе
Мы уже обсуждали основную информацию об общей работе и конструкции светодиодов. На этот раз мы будем иметь дело с RGB-диодами, которые в своем корпусе содержат целых три световых структуры: R (красный), G (зеленый), B (синий).
Почему так популярен набор из этих трех цветов? Что ж, смешивая эти цвета в разных пропорциях, можно получить широкий спектр цветов. Каждую светящуюся структуру можно запитать отдельно, подавая на нее разный ток, так, что данный цвет будет светиться с разной интенсивностью.
Упрощенно можно сказать, что диод RGB — это три светодиода в одном корпусе. Для нашего удобства производители соединяют аноды или катоды диодов вместе, так, что для управления всеми диодами требуется всего четыре контакта — один общий контакт и по одному для каждого из трех цветов.
Ножка данного светодиода, которая соединяется с «самой большой пластиной» внутри диода, будет общим анодом (чаще всего, эта ножка также будет самой длинной). Остальные выводы — катоды отдельных цветов.
Теперь проверим, как на практике работает RGB-диод. Для выполнения этого упражнения вам потребуются:
- 1 × RGB диод с общим анодом,
- Резистор 3 × 10 кОм,
- Резистор 3 × 1 кОм,
- 3 × микровыключатель,
- батареи 4 × AA,
- 1 × корзина для 4 батареек АА,
- 1 × контактная пластина,
- комплект соединительных проводов.
Эти элементы должны быть подключены, как показано на схеме ниже. Это может показаться сложным, но это не так. Во-первых, у нас есть RGB-диод, общий анод которого подключен к плюсу аккумулятора. Каждый цвет снабжен собственным резистором 1 кОм, который последовательно соединен с другим резистором — на этот раз 10 кОм. Кроме того, три кнопки подключены параллельно резисторами 10 кОм.
Когда мы нетрогаем кнопки (то есть когда они не подключены, или когда они подключены, но не нажаты), очень небольшой ток течет через каждый цвет диода. Это связано с тем, что мы запитываем диод через последовательно соединенные резисторы 1 кОм и 10 кОм, поэтому здесь всего 11 кОм. Этот ток настолько мал, что, глядя на диод сверху, мы можем увидеть слабое свечение (накал) цветных структур.
Течение тока «ленивое», ток всегда старается идти по пути с наименьшим ему сопротивлением. Следовательно, если мы нажмем кнопку, большая часть тока будет проходить через ее контакты, которые являются отличным проводником, и будет обходить резистор 10 кОм. Благодаря этому мы должны получить следующий эффект:
- кнопки не нажата: светодиоды почти не горят из-за того, что они запитаны от 11 кОм,
- кнопки нажаты: светодиоды сильно светятся, т.к. они питаются от 1 кОм, поэтому в цепи может протекать гораздо больший ток.
 |
 |
| Схема с RGB-диодом на макетной плате | Пример реализации схемы |
После нажатия на кнопки, соответствующие цвета должны засиять намного сильнее. Конечно, эта схема могла работать и без резисторов 10 кОм — они были добавлены для наглядности эксперимента. Их легко вынуть и сравнить схемы (светодиоды не горят при отпускании кнопок).
Плавное смешение цветов
В рамках следующего упражнения, мы также можем использовать потенциометр для регулирования тока, который будет проходить через одну из структур. Благодаря этому, мы сможем плавно изменять цвет светодиода вручную. На схеме ниже показано соединение, в котором один цвет передается через резистор 1 kОм, второй цвет — через резистор 330 Ом, а третий цвет выдается за счет комбинации резистора 330 Ом и потенциометра R 5 k (как переменный резистор).
Потенциометр включен последовательно с резистором 330 Ом. В результате диод одного цвета питается от «резистора» сопротивлением от 330 Ом до 5,33 кОм (в зависимости от настройки потенциометра). Добавление резистора 330 R, в этом случае, необходимо, без него очень легко повредить диод (ведь при одной крайней настройке потенциометра, его сопротивление будет 0 Ом).
 |
 |
| Схема с RGB-диодом и потенциометром на макетной плате | Пример реализации схемы с RGB-диодом и потенциометром на макетной плате |
После сборки этой схемы, стоит поэкспериментировать с RGB-диодом. Результирующий цвет диода лучше всего наблюдать после его рассеивания, на белой стене или листе бумаги, поворот потенциометра должен дать четкий эффект.
| Если смотреть прямо на диод, это может не дать желаемого эффекта, потому что структуры находятся на некотором расстоянии друг от друга, и вы можете четко видеть, что они разделены. |
Светодиоды RGB дают интересные эффекты, особенно, когда мы постоянно меняем яркость цветов. Благодаря этому, вы можете получить, среди прочего плавные цветовые переходы.
Вывод
В этой статье мы обсудили четыре новых элемента: геркон, зуммер с генератором, микровыключатель и RGB-диод. Каждый электронщик с ними встречается очень часто. Если вам эта статья показалась интересной, обязательно оставьте свой комментарий!
С Уважением, МониторБанк