fizikai számítástechnika, arduino

DC motor= egyenáramú motor, villanymotor
A villanymotor egy motorként működő villamos forgógép, amely az elektromágneses indukció elvén alapuló eszköz, az elektromos áram energiáját mechanikus energiává, forgó mozgássá alakítja.
Ha egy mágneses térben elhelyezett tekercsbe elektromos áramot vezetnek a benne kialakuló mágneses mező
kölcsönhatásba lép az állandó mágnesek közötti mágneses mezővel és elfordítja a tekercset (a motor forgórészét).

Stepper motor, léptetőmotor
A léptetőmotorok lényeges tulajdonsága, hogy egy körülforduláshoz hány lépés szükséges. Ezt megadhatják
fokban, ekkor az egy lépésre eső szögelfordulást adják meg. Illetve megadhatják az egy körülforduláshoz szükséges lépésszámot. Természetesen fontos paraméter a motor terhelhetősége, teljesítménye és nyomatéka is. A léptetőmotort digitális jellel kell vezérelni. Ennek a motortípusnak hatalmas előnye, hogy a jel hatására adott, előre meghatározott pozícióba fordul. Elsősorban olyan helyeken alkalmazzák e motorokat, ahol amúgy is digitális jelekkel dolgoznak, illetve ahol lényeges a pontos pozícióba állás. Tehát megtalálhatók a számítógép perifériákban (nyomtató, floppy, winchester, scanner, CD-rom), az ipari termelés sok területén, valamint a modellezésben.

Servo motor, szervó motor
Két irányba mozgatható, vezérléssel működik, programozni kell. A szervók impulzusszélesség vezérelt motorok. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy a motornak egy impulzus szélességgel lehet megadni, hogy milyen pozícióba álljon. A motor vezérlőjének első része egy impulzusszélesség ->feszültség konverter. Ez megméri a kapott impulzus szélességét, majd annak alapján egy adott feszültséget generál. A vezérlőbe be van égetve a minimum impulzus szélesség (minIW) és a maximum impulzus szélesség (maxIW). A generált feszültség maximális értéke közel megegyezik a bejövő tápfeszültséggel. Ezt a maxIW elérésekor adja ki magából. A motor nem ezzel a feszültséggel lesz meghajtva. Ez csak egy referencia feszültség. A szervó tengelyén egy potmétert helyeztek el. Ahogy fordul a tengely, úgy változik ellenállása. A poti egyik vége V+ a másik pedig GND-re van kötve. A középső lábán pedig egy referencia feszültséget kapunk. Na most már van 2 referencia feszültségünk. Az egyik referencia feszültésg a motor aktuális pozícióját jelzi, a másik pedig a jövőbeni pozícióját. A cél, hogy a két referencia feszültség egyenlő nagyságú legyen, tehát a motor elérje a kívánt pozíciót. Ehhez ez a két feszültség rá van engedve egy harmadik egységre, ami összehasonlítja a két feszültséget. Ez a harmadik egység képes a feszültségkülönbségek alapján meghatározni, hogy a motort jobbra vagy balra kell forgatni ahhoz, hogy a két referenciafeszültség egyforma legyen. A referencia összehasonlító közvetlenül vezérel egy H-hidat ami a motornak szükséges áramot adja.

Mi a H-hid?
A H-hid egy olyan áramkör, ami lehetővé teszi hogy a feszültséget minkét irányba alkalmazhassuk, robottechnikában gyakran alkalmazzák DC motorokhoz hogy előre és hátrafelé is lehessen forgatni. Integrált áramkör formájában is elérhetőek, de külön alkatrészekből is összeszerelhetőek.

Mi az a PWM?
A PWM (pulse-width moderation) impulzus szélesség modulációs eljárás igen elterjedt a vezérléstechnikában. Lényege, hogy mikrovezérlő vagy más elektronikai eszköz segítségével modulált jelet hozunk létre és a tekercset ezzel a jellel gerjesztjük, nem pedig egyenárammal. A PWM jellemzői az alapfrekvencia és a kitöltési tényező. Az alapfrekvencia meghatározza, hogy a modulált jel hányszor változik másodpercenként. Bevett szokás, hogy az alapfrekvenciát 20KHz felettire választják, mert ez a frekvencia az emberi fül számára már nem hallható. A kitöltési tényező azt határozza meg, hogy egy perióduson belül a négyszögjel a teljes periódusidő hány százalékában vesz fel logikai 1-es értéket.

LINKEK:

-villanymotor http://hu.wikipedia.org/wiki/Villanymotor

-elektromágnesesség http://hu.wikipedia.org/wiki/Elektrom%C3%A1gness%C3%A9g

-léptető motor http://qtp.hu/elektro/leptetomotor_mukodese.php
http://en.wikipedia.org/wiki/Stepper_motor

-léptető motor és PWM: http://www.hun.cncdrive.com/tudasbazis/stp.htm

-szervó motor, servo motor: http://www.seattlerobotics.org/guide/servos.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Servo_motor#RC_servos

-szervó motor vezérlése http://myprojects.hu/pic/szervo-motorok-vezerlese.html

-H-hid http://www.hobbielektronika.hu/kapcsolasok/h-hid_avagy_egyszeru_motorvezerles.html?pg=1
http://en.wikipedia.org/wiki/H-bridge

DIÓDA

A dióda a legegyszerűbb félvezető. Két kivezetése van, az anód és a katód. A dióda nyíl-alakú áramköri jelén látszik hogy merre engedi át az áramot.

Fénykibocsátó dióda (LED=Light Emitting Diode)
Világító dióda, színe a félvezető anyag összetételétől függ és az infravöröstől az ultraibolyáig terjedhet. Alacsony feszültséggel és áramerősséggel működnek és hosszú élettartamúak. Fogyasztásuk változó. Nem termel hőt miközben az elektromos energiát fénnyé alakítja. A hosszabbik lába a pozitív, vagy a negatív oldalának pereme  egyenesre van vágva. Fénykibocsátásának mértékét Lumen-ben mérik. Szórt fényű.
Fajtái: DIP, SMD, Power, High-Power

Áramköri jele: 




Bővebben: http://www.hobbielektronika.hu/cikkek/elektronikai_alapismeretek_-_7_felvezetok_led.html 
http://wiki.ham.hu/index.php/LED

LEDEK SOROS ÉS PÁRHUZAMOS KAPCSOLÁSA
http://www.anrodiszlec.hu/article_info.php/articles_id/107

KALKULÁTOR, Mekkora ellenállás kell a sorosan/párhuzamosan kötött LEDekhez: 
http://led.linear1.org/led.wiz

Fotodióda
Olyan dióda ami fény hatására vezetővé válik, a belső fényelektromos hatás miatt felszabaduló töltéshordozó részecskék áramlani kezdenek benne. Két tulajdonsága az érzékenység (Amper/Watt) és a sötétáram, utóbbi a rajta átfolyó áram megvilágítás nélkül, ezt kalibrációval lehet kiküszöbölni ha pl. a fotódiódát fény mérésére akarjuk használni. Úgy néz ki mint a LED. A fotodiódákat elsősorban mérési és vezérlési feladatokban használják. Hogy milyen tartományban mér azt a benne lévő érzékelő anyagoktól függ:

Áramköri jele: 

Zener-dióda
Feszültség stabilizálására alkalmas. Csak az egyik irányba engedi át az áramot, visszafelé nem.

Áramköri jele: 
Schottky-dióda
Szintén egyenirányításra használjuk nagyobb feszültségnél. Elsősorban tranzisztorok telítődésének megakadályozására használják.

Áramköri jele: 

Feszültség levezető dióda
Mint a neve is mutatja megvédi az alkatrészt a túlfeszültségtől. (pl Zener dióda, integrált feszültségstabilizátorok)

Változó kapacitású dióda
Feszültség szabályozó kondenzátorként használjuk őket.

Áramköri jele: 

TRANZISZTOR

Olyan félvezető amit elektromos jelerősítésre, jelek kapcsolására, feszültségstabilizálásra vagy jelmodulációra. Lehet bipoláris vagy unipoláris (FET). A bipoláris tranzisztor két működési módja: analóg (erősítő) vagy kapcsoló. Három lábuk van: Collector, Emitter, Gate vagy Base.

2N2222 a legelterjedtebb félvezető. Műanyagba vagy fémdobozkába van ágyazva. Mindegyikben 3 részre osztott szilikon van: collector=gyűjtő, ez fogadja az áramot; base=alap, vezérli; emitter=kibocsátó, küldi. Mindig nézd meg a Data Sheet-et, hogy megtudd melyik lába melyik.

bipoláris rajzi jele:

MOSFET rajzi jele:

Térvezérlésű tranzisztor (FET=Field Effect Transistor)
Erősítő, oszcillátor vagy kapcsoló áramkörben használják. Nem igényelnek áramot vezérlésükhöz, ezért bemeneti ellenállásuk nagy.

Bipoláris tranzisztor (BJT)
Rétegelt felépítésű. Két fajtája van: NPN és PNP. Három lába: Emitter, Bázis, Kollektor.

NPN és PNP áramköri jele:

Darlington-tranzisztor
Két bipoláris tranzisztorból álló erősítő.

Fototranzisztor
Ugyanazon elven működik mint a fotódióda, fény érzékelésére alkalmas tranzisztor. Szerkezetük megegyezik a bipoláris tranzisztorokéval, ezért NPN és PNP változatban léteznek. "A fototranzisztorokat önállóan olyan helyeken alkalmazzák, ahol a fotodiódák fényérzékenységét meghaladó, kevéssé változó megvilágításra is jól reagáló áramkörre van szükség."

NPN fototranzisztor rajzi jele:

IC=Integrated Circuit, integrált áramkör

Az IC vagyis integrált áramkör melyet sokszor chip-nek, vagy mikrochipnek neveznek egy félvezetõ eszköz, ami rengeteg, akár több tízmillió apró ellenállást, kondenzátort, és tranzisztort tartalmaz és bonyolult műveleteket hajt végre. Félvezető lapkán kialakított mini áramkör. Lehet digitális (logikai) és analóg. Különbőző feladatok elvégzésére alkalmasak.

Különféle tokozásban léteznek: 

LINKEK:

-logikai áramkör http://www.kislexikon.hu/logikai_aramkor.html
http://wiki.ham.hu/index.php/Logikai_%C3%A1ramk%C3%B6rcsal%C3%A1dok

-logikai kapu http://hu.wikipedia.org/wiki/Logikai_kapu

EGYÉB

Triac
Váltakozó áramon nagy teljesítményű fogyasztó be- és kikapcsolására használják.

Áramköri jele:  

Tirisztor
Kapcsolóként működik, de vezérelt egyenirányítóként is használható. A tirisztor egy vezérlőelektródával (G-gate, kapu) ellátott négyrétegű dióda.

Áramköri jele: 

Varisztor
Adott feszültség felett hirtelen vezetni kezdi az áramot, így megvédi az áramkört a túlfeszültségtől. Nem polaritásfüggő.

Áramköri jele: 

//forrás http://hu.wikipedia.org/wiki/Elektronika#Passz.C3.ADv_alkatr.C3.A9szek , http://hu.wikipedia.org/wiki/F%C3%A9nykibocs%C3%A1t%C3%B3_di%C3%B3da, 
http://hu.wikipedia.org/wiki/Integr%C3%A1lt_%C3%A1ramk%C3%B6r, 
http://hu.wikipedia.org/wiki/Fotodi%C3%B3da, http://hu.wikipedia.org/wiki/Zener-di%C3%B3da, 
http://en.wikipedia.org/wiki/Zener_diode, http://wiki.ham.hu/index.php/Schottky_di%C3%B3da, 
http://hu.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3da, http://en.wikipedia.org/wiki/Varicap, 
http://hu.wikipedia.org/wiki/Tranzisztor, http://hu.wikipedia.org/wiki/Fototranzisztor, 
http://wiki.ham.hu/index.php/Bipol%C3%A1ris_tranzisztor, http://en.wikipedia.org/wiki/Darlington_transistor, 
http://www.kislexikon.hu/darlington_kapcsolas.html, http://hu.wikipedia.org/wiki/Triac, 
http://hu.wikipedia.org/wiki/Tirisztor, http://hu.wikipedia.org/wiki/Varisztor, 
http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode, 
//

ellenállás

Az áramerősséget korlátozza, azaz az áramkör adott pontján megfelelő ellenállást biztosít. Fő alapanyaga szén és fém vegyületek, hordozó anyaga kerámia és műanyag. Anyagától és jellegétől függően lehet huzal- vagy rétegellenállás. Működésük szerint pedig állandó vagy változtatható értékű. Az ellenállás értékében egy gyártáskor meghatásozott tűrés megnegedett, ezt is és az ellenállás értékét is számmal (furatszereltnél, fekete színű) vagy a nemzetközi 4 vagy 5 sávos színkóddal adják meg. Bármelyik irányban beköthető az áramkörbe.

Áramköri jele:  európa,  amerika.

Színkód: visszakereshető táblázatból, vagy online kalkulátorok segítségével:
http://elektrotanya.com/?q=hu/ellenallas_szinkod,  http://www.wmszki.hu/honlap/szinkod

//forrás http://hu.wikipedia.org/wiki/Ellen%C3%A1ll%C3%A1s_(elektronika), http://wiki.ham.hu/index.php/Ellen%C3%A1ll%C3%A1s //

kondenzátorok

Rövidtávon használhatjuk elektromos töltés tárolására a kondenzátort. Lehet fix vagy változtatható kapacitású. A bele folyó áram tölti fel az adott feszültségre. Kapacitását Farad-ban mérjük. Lehet sík- vagy tömbkondenzátor. A kicsik bármelyik irányba beköthetőek és számmal jelzik milyen, a nagyoknál jelölve van a negatív oldal és rajta vannak az adatai, hogy mekkora feszültséggel működnek és hány Farádot tudnak tárolni.

A kapacitás definíció szerint: a kondenzátorban felhalmozódott töltések és az ezek által létrehozott feszültség hányadosa, vagyis

A kondenzátor által tárolt töltés mennyiségét kétféle képpen számolhatjuk ki: vagy a kapacitást szorozzuk össze a feszültséggel, vagy az áramerősségget a feltöltés idejével: Q = C * U = I * t. Állandó áramerősség esetén ki tudjuk számolni mennyi idő alatt fog feltölteni illetve lemerülni a kondenzátorunk, ehhez az áramerősséget kell elosztani a kapacitással: U = Q/C = I/C * t.

• Q töltés, [Q] = coulomb = C,
• U feszültség, [U] = volt = V,
• I áramerősség, [I] = amper = A,
• t idő, [t] = másodperc = s.

Áramköri jele:

Fajtái: szuperkondenzátor (supercap), indító-, elektrolit-, fólia-, kerámia-, SMD-, bipoláris kondenzátor

//forrás http://hu.wikipedia.org/wiki/Kondenz%C3%A1tor_(elektronika) http://wiki.ham.hu/index.php/Kapacit%C3%A1s#A_kondenz.C3.A1tor_feladata //

tekercs

Csavarmenet szerűen feltekert elektromos vezető, amiben a rétegek között szigetelés van. Elektromágneses töltés tárolására alkalmas rövid ideig, a tárolt energia nagysága az átfolyó áramerősségtől és az induktivitástól függ. A tekercs két kivezetésére kötött áramforrás hatására fokozatosan erősödő mágneses mező jön létre, ami egy szintet elérve állandósul. Az áram kikapcsolása után fokozatosan csökken. Az áram növekedésének korlátozódása a tekercs induktivitása. Az indukció jele L, mértékegysége henry (H).

áramköri jele:

//forrás http://wiki.ham.hu/index.php/Energiat%C3%A1rol%C3%A1s_m%C3%A1gneses_energia_form%C3%A1j%C3%A1ban_-_tekercs, http://hu.wikipedia.org/wiki/Tekercs_(elektronika), http://wiki.ham.hu/index.php/Induktivit%C3%A1s, //

transzformátor

Váltakozó áramú feszültség és áramerősség átalakítására alkalmas. Az egyfázisú transzformátor vasmagján két rézből készült tekercs van, az első átveszi a második tovvábbítja az energiát egyik hálózatból a másikba. Leggyakrabban nagyteljesítményű villamos hálózatban használják feszültségszint megváltoztatására.

//forrás http://wiki.ham.hu/index.php/Transzform%C3%A1tor#A_transzform.C3.A1tor_fel.C3.A9p.C3.ADt.C3.A9se http://hu.wikipedia.org/wiki/Transzform%C3%A1tor //

vegyi áramforrások

Szárazelem, akkumulátor. Csak egyenfeszültség tárolására alkalmasak.

kapcsoló

Állapotától függően átengedi vagy nem engedi át a rajta átfolyó áramot.

Nagyon sok fajtája van. Lehet egy vagy két áramkörös, egy-, két-, három- vagy négyólusú és egyéb speciális típusú. Mindnek saját áramköri jele van. A rá jellemmző fontos adatokat is fel szokták tűntetni pl. a feszültséget és áramerősséget amit még elbír sérülés nélkül.

néhány áramköri jel:

//forrás http://hu.wikipedia.org/wiki/Kapcsol%C3%B3, http://wiki.ham.hu/index.php/Kapcsol%C3%B3  //

olvadóbiztosító

Más néven biztosíték. A túláramtól és a rövidzártól megvédi az áramköri elemeket, mivel ilyenkor a bene lévő vékony hiual kiolvad, így megszakad az áramkör. Több fajtája van, különbőző feszültségen és amperétréken működnek. Mi a 24V alatti penge rendszerűt használjuk, színkód alapján tudjuk visszakeresni az értékét.

áramköri jele: 

//forrás http://hu.wikipedia.org/wiki/Olvad%C3%B3biztos%C3%ADt%C3%B3 //

forrás http://hu.wikipedia.org/wiki/Elektronika  http://www.roymech.co.uk/Useful_Tables/Drawing/Electical_Control_symbols.html

Soros és Párhuzamos kötés

ALKATRÉSZEK SOROS ÉS PÁRHUZAMOS KAPCSOLÁSA:
http://wiki.ham.hu/index.php/Soros_%C3%A9s_p%C3%A1rhuzamos_kapcsol%C3%A1s

Előre definiálhatunk változókat Arduino programnyelvben. Csoportonként osztályozzuk őket.

Logikai szint meghatározás, boolean:

Két állandót használunk igazság vagy hamisság kifejezésére: true | false (kisbetűkkel írva!)

true

Gyakran 1-ként határozzuk meg, ami igaz is, de ennél szélesebb körű a használata. Bármely integer ami nem-nulla az igaz, egy boolean kifejezésben. Tehát a -1, 2 vagy -200 is igazként lesz definiálva bennük.

false

Amit 0-ként határotunk meg.

Pin szint meghatározás:

Amikor egy pinből kiolvasunk vagy egy pinre kiküldünk jelet, akkor annak két állapota lehet: HIGH vagy LOW (nagybetűkkel írva!) 

HIGH

A HIGH ebben az esetben összefügg azzal hogy a pint inputként vagy outputként definiáljuk. Első esetben a mikrontroller akkor ad HIGH jelet, ha a pinbe minimum 3 Volt érkezik. Második esetben ha az outputként definiált pinre HIGH jelet küldünk akkor az 5 Voltos lesz.

LOW

Hasonlóképp. Inputként definiálva a pint a mikrokontroller akkor kap LOW jelet ha a beérkező feszültség 2 Volt vagy kevesebb. Output pinbe küldött LOW jel 0 Voltot jelent.

Digitális pinek meghatározása:

INPUT, OUTPUT, INPUT_PULLUP - a pinek elektromos viselkedését állítjuk be velük a pinMode() parancs segítségével.

INPUT

A pin magas-impedanciájú* állapotba kerül. (Pl. szenzorok adatainak kiolvasásához jó digitalRead-del.) A pint sorba kötött ellenállások védik a sérüléstől.

OUTPUT

A pin alacsony-impedanciájú állapotba kerül. Így jelentős menyiségű árammal tudja ellátni a rákötött alkatrészt (max 40 mA). 

INPUT_PULLUP

Az Arduinon az ATMega chipnek hozzáférhető, programozható belső felhúzó ellenállásai vannak. (Egy áramkör bemenete ami pozitív feszültségre van kötve egy ellenállással a helyes működéshez.) Ha inkább ezeket akarod használni a külső ellenállások helyett, akkor kell az INPUT_PULLUP-ot alkalmazni (alapállapotban le vannak választva). Ami ténylegesen megfordítja a pin viselkedését: HIGH-nál a szenzor ki van kapcsolva, LOW-nál a szenzor be van kapcsolva. Az arduino maximum áramerőssége 40mA. A duemilanove minden pinje rendelkezik 20-50kOhm-os felhúzó ellenállással.

 * Az impedancia a váltakozó áramú ellenállás. (http://hu.wikipedia.org/wiki/Impedancia)

Integer állandó:

itn

Integer. Előjeles egész számok (tehát negatív is) lehetnek. Alapvetően a 10-es számrendszerben működnek, de egy speciális jelöléssel átalakíthatóak 2-es, 8-as vagy 16-os számrendszerbe.

ALAP                  PÉLDA           FORMÁZÓ            

10 (tizes)            123             NINCS              
///csak 8 bites értékkel működik (0-255 között)

2 (kettes)            B1111011        'B' legelől       

///0 és 1 karakterekkel működik 

8 (nyolcas)           0173            "0" legelől        
///érvényes karakterek 0-7 között

16 (tizenhatos)       0x7B            "0x" legelől       
///érvényes karakterek 0-9, A-F, a-f

Az integer után írt megfelelő betűvel, úgyenevezett formázókarakterrel átalakítható egyéb adattípussá:

U = unsigned

L = long

UL = unsigned long

Floating point állandó:

foat

Lebegőpontos érték, tehát a tizedes pont a számjegyeken belül bárhová átkerülhet így szélesebb tartományban képes felvenni értéket mint a fixpontos számok. Normalizált formában is megadhatjuk ezeket a számokat ami azt jelenti hogy a tizedesvesszőt előlre toljuk hogy 0-val kezdődjön a szám és megszorozzuk a 10 megfelelő hatványával: pl: 135,7896 = 0,1357896 × 10³ 

Ezek a számok rögzített számjegyekkel rendelkeznek és egy kitevő (exponens) segítségével lehet skálázni őket, aminek jele "e" vagy "E", tehát azt mutatja meg hogy a 10-nek hanyadik hatványával kell beszorozni az értéket: értékes számjegy × alap^exponens

  2.34E5          2.34 * 10^5             234000
  67e-12         67.0 * 10^-12          .000000000067

Az előző példában a három oszlopban lévő érték soronként megegyezik.

forrás:

http://arduino.cc/en/Reference/Constants, http://arduino.cc/en/Reference/IntegerConstants

http://arduino.cc/en/Reference/Fpconstants, http://hu.wikipedia.org/wiki/C%2B%2B 

http://hu.wikipedia.org/wiki/Lebeg%C5%91pontos_sz%C3%A1m%C3%A1br%C3%A1zol%C3%A1s 

http://www.gravitech.us/ardu.html 

Soros porton átküldhető a kiolvasott adat Processingbe.

Itt egy oldal hasznos páldakódokkal: http://webzone.k3.mah.se/projects/arduino-workshop/projects/arduino_meets_processing/instructions/index.html

Processing letöltése: http://www.processing.org/download/ 

Processing leckék magyarul: http://harsanyireka.blog.hu/9999/12/31/processing_leckek